電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概念及分析方法

1、電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概念及分析方法目錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 1電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題分類2 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 2功角穩(wěn)定問題3 HYPERLINK l bookmark25 o Current Document 頻率穩(wěn)定問題5 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 3.1頻率穩(wěn)定與頻率崩潰5 HYPERLINK l bookmark31 o Current Document 3.2頻率穩(wěn)定的判定和分析6

2、HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 3.3頻率控制的措施6 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 電壓穩(wěn)定問題.7 HYPERLINK l bookmark41 o Current Document 4.1電壓穩(wěn)定與電壓崩潰7 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 4.2電壓穩(wěn)定分析的理論依據(jù)8 HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 電壓穩(wěn)定分析方法9 HYPERLINK l bookmark60 o Curr

3、ent Document 電壓穩(wěn)定控制措施 11 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 5系統(tǒng)設備熱穩(wěn)定及線路過負荷問題12 HYPERLINK l bookmark75 o Current Document 6 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法13 HYPERLINK l bookmark78 o Current Document 6.1暫態(tài)穩(wěn)定分析與動態(tài)安全評估13 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 6.2時域仿真法14 HYPERLINK l bookmark92 o Current Document

4、 6.3暫態(tài)能量函數(shù)法14 HYPERLINK l bookmark99 o Current Document 6.4混合法15 HYPERLINK l bookmark103 o Current Document 6.5擴展等面積法15 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 6.6人工智能法16隨著電力系統(tǒng)的建立與發(fā)展，交流輸電系統(tǒng)中穩(wěn)定運行逐步成為影響系統(tǒng)安 全運行的主要問題，因而也是電力系統(tǒng)運行管理特別是調度管理人員必須熟悉與 重視的問題。穩(wěn)定性是對動態(tài)系統(tǒng)的基本要求，動態(tài)系統(tǒng)是其行為要用微分方程描述的系 統(tǒng)。動態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定問題的研究由來已久

5、，有200多年的歷史，其中大部分理論問 題已很完整，但電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題具有某些特殊性：電力系統(tǒng)是一個高階的動力系統(tǒng)，動態(tài)過程復雜，進行全狀態(tài)量的分析很困 難，在進行實用分析時，要根據(jù)過渡過程的特點和分析的目的，加以簡化；電力系統(tǒng)的運行特性具有強烈的非線性特性，在大擾動情況下，一般會出現(xiàn) 巨大能量的轉換，與弱電的動態(tài)系統(tǒng)有很大不同；電力系統(tǒng)是一個高維多參數(shù)的復雜系統(tǒng)，系統(tǒng)的各項參數(shù)既相互獨立又相互 關聯(lián)，系統(tǒng)穩(wěn)定性是系統(tǒng)的總體行為。功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定等穩(wěn) 定問題只是在穩(wěn)定破壞過程的各階段表現(xiàn)出特點不同的幾種穩(wěn)定行為，它們 都是相互關聯(lián)、相互轉化的。1電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題分類在進行電力系統(tǒng)功

6、角穩(wěn)定性研究時，從工程概念出發(fā)，根據(jù)穩(wěn)定破壞的模式、 原因、分析方法、預防及處理措施的不同，將功角穩(wěn)定分成幾種類型。經(jīng)過數(shù)十 年的發(fā)展，目前習慣分為靜態(tài)穩(wěn)定、暫態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定。靜態(tài)穩(wěn)定(Static Stability)電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)運行于初始平衡點，受到微小擾動，擾動消 失后，系統(tǒng)能否以一定的精確度回到初始運行狀態(tài)的性能。由于擾動微小，所以 電力系統(tǒng)數(shù)學模型可線性化。分析系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定行為時，可利用已發(fā)展完善的線性控制理論，進行解析和 定性的分析。由于電力系統(tǒng)正常運行時不可避免地受到各種微小擾動的作用，所 以電力系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定性表明電力系統(tǒng)在給定運行點運行時，基本穩(wěn)定條件是電力

7、系統(tǒng)在該點的固有穩(wěn)定性。根據(jù)靜態(tài)穩(wěn)定的定義，靜態(tài)穩(wěn)定不涉及到巨大的能量轉移，故靜態(tài)穩(wěn)定控制 手段也不涉及到大能量控制。暫態(tài)穩(wěn)定(Transient Stability)電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定是電力系統(tǒng)運行于初始平衡點受到大擾動，擾動消失后， 最終能否以一定的精確度回到初始狀態(tài)下的性能。如能，則在該運行點對此大擾 動系統(tǒng)是暫態(tài)穩(wěn)定的。電力系統(tǒng)在大擾動下，自然要出現(xiàn)頻率、電壓和功角變化的暫態(tài)過程。但暫 態(tài)穩(wěn)定并不是研究暫態(tài)過程，暫態(tài)過程是電力系統(tǒng)動態(tài)特性的分析內容，暫態(tài)穩(wěn) 定是研究暫態(tài)過程的結局。線性系統(tǒng)受大擾動后，同樣出現(xiàn)暫態(tài)過程，但擾動的 大小并不影響結局的穩(wěn)定性。而非線性系統(tǒng)擾動的大小和作用過程就

8、會影響結局 的穩(wěn)定性。由于暫態(tài)穩(wěn)定面對的是非線性系統(tǒng)，分析方法只能采用數(shù)值計算法，建立給 定系統(tǒng)的仿真模型，在給定的擾動下，計算其動態(tài)過程，也可找出一個代表擾動 后能量變化的函數(shù)，計算其收斂性，目前用得最多的仍是等面積法則(Equal Area Criterion)o動態(tài)穩(wěn)定(Dynamic Stability)目前的動態(tài)穩(wěn)定與歷史上所用的該名詞不同，目前的動態(tài)穩(wěn)定是指同步發(fā)電 機采用負反饋自動勵磁調節(jié)器后發(fā)生的一種自發(fā)振蕩失穩(wěn)模式而提出的，過去將 其包含在靜態(tài)穩(wěn)定范圍內，它是一種小擾動下的穩(wěn)定模式。2功角穩(wěn)定問題功角(Power Angle)是系統(tǒng)任意并聯(lián)的2臺發(fā)電機(或等值發(fā)電機)之間的

9、相對角度。功角穩(wěn)定是指系統(tǒng)受擾動后各發(fā)電機是否維持同步，或轉子之間是否 維持同擺的問題。當系統(tǒng)功角穩(wěn)定破壞時，系統(tǒng)大范圍內眾多運行參量如電流、電壓、功率和 能量都要發(fā)生劇烈變化，出現(xiàn)嚴重后果。所以功角穩(wěn)定被認為是電力系統(tǒng)最重要 的穩(wěn)定模式，也是研究得最早的穩(wěn)定模式。功角與電壓、頻率一樣，是并聯(lián)運行交流系統(tǒng)的運行參數(shù)之一。功角穩(wěn)定與 其他穩(wěn)定模式一樣，都是用來表征電力系統(tǒng)穩(wěn)定行為的。但功角穩(wěn)定是表征同步 機并聯(lián)同步運行的穩(wěn)定性，而同步運行是交流系統(tǒng)安全運行的最重要條件，同步 運行是最弱的一種運行狀態(tài)。功角穩(wěn)定破壞后，系統(tǒng)交流發(fā)電機間失去同步，將 引起各同步機的勵磁電勢相對相位紊亂，同步機間的電流

10、、節(jié)點電壓及系統(tǒng)潮流 分布混亂，最終會在自動裝置作用下，系統(tǒng)瓦解。所以，自交流系統(tǒng)建立后，功 角穩(wěn)定問題即被提出，得到了重視，并開展了系統(tǒng)性的研究。對功角穩(wěn)定性的分析可分為小擾動下的功角穩(wěn)定與大擾動下的功角穩(wěn)定兩 種。按照處于系統(tǒng)穩(wěn)定不同階段分為功角的靜態(tài)穩(wěn)定分析、暫態(tài)穩(wěn)定分析及動態(tài) 穩(wěn)定分析三類。系統(tǒng)故障后的緊急控制所考慮的主要是大擾動下的功角暫態(tài)穩(wěn)定 穩(wěn)定問題。大擾動后發(fā)生的功角暫態(tài)是一個較長時間的過程，故提高暫態(tài)穩(wěn)定的自動裝 置要在過程的各個階段起作用。根據(jù)各階段的特點，暫態(tài)過程可分成3個階段： 第一擺（First Swing）：第一擺是指大擾動后，功角第一次擺到180以前的階段。如在該

11、階段中，能 保持結局是穩(wěn)定的，則發(fā)電機實際上不發(fā)生失步現(xiàn)象。在第一擺中就能維持電力 系統(tǒng)穩(wěn)定是最理想的。過去曾以在第一擺中能否達到穩(wěn)定作為判斷系統(tǒng)是否暫態(tài) 穩(wěn)定的依據(jù)。所以，很多自動裝置都希望能在第一擺中發(fā)揮作用。提高第一擺暫態(tài)穩(wěn)定性最基本的自動裝置是快速繼電保護，要求在故障發(fā)生 后，0.1s前切除故障，以及性能優(yōu)良的自動重合閘和快速強行勵磁等，這些自動 裝置動作后不會對系統(tǒng)運行產(chǎn)生不良副作用。除此之外，還有一類自動裝置如電 氣制動、緊急切機（關汽門）/切負荷等，這類自動裝置可提高第一擺的暫態(tài)穩(wěn)定 性，但動作后會對系統(tǒng)造成副作用。所以必須有相應的動作判據(jù)，以免系統(tǒng)發(fā)生 不必要的擾動，否則寧愿推

12、遲其動作。第一擺暫態(tài)過程較易分析計算，如在擾動發(fā)生后，在各種自動裝置作用下， 擺開的最大角5 max小于臨界角5 C,則系統(tǒng)暫態(tài)是穩(wěn)定的。第一擺時間一般小于1s。（2）中期階段：如在第一擺中5max5.，則5將持續(xù)增大，發(fā)電機間進入暫態(tài)失步狀態(tài)。但 如在該階段仍能采取措施，系統(tǒng)仍能恢復暫態(tài)穩(wěn)定。中期階段持續(xù)時間在510s，在此期間內，原動機調速器能發(fā)生作用，同時， 前述的緊急切機（快關汽門）/切負荷裝置可可靠地投入工作。（3）后期階段經(jīng)中期階段仍不能達到穩(wěn)定，則認為暫態(tài)穩(wěn)定過程進入后期，此時電力系統(tǒng) 實際上已進入穩(wěn)態(tài)失步狀態(tài)。進入后期狀態(tài)后，雖然前述有些自動裝置仍能起作 用，但要達到暫態(tài)穩(wěn)定的

13、目的仍需采用另外的措施，包括啟動快速備用機組等。最后階段的結束雖無嚴格的定義，但從系統(tǒng)運行實際允許的條件出發(fā)，如不 能達到全系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)，就必須自動解列，以期系統(tǒng)仍能保持分片運行。對于功角暫態(tài)穩(wěn)定計算的方法主要是以面積法則（EAC）及擴展等面積法則 （EEAC）的判據(jù)法等，但依舊存在計算周期長、過程復雜等問題。3 頻率穩(wěn)定問題3.1 頻率穩(wěn)定與頻率崩潰系統(tǒng)各發(fā)電機能維持同步運行，但各發(fā)電機的轉速卻同步地改變，不斷地升 高或降低。在此情況下，系統(tǒng)雖能保持功角穩(wěn)定，但不能繼續(xù)安全運行，因為失 去了頻率穩(wěn)定性。功角穩(wěn)定與頻率穩(wěn)定雖都與發(fā)電機轉子運動有關，但原因與后果都不相同。 功角穩(wěn)定決定于發(fā)電

14、機之間有功功率分配，而頻率穩(wěn)定決定于全系統(tǒng)有功功率是 否平衡。電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定僅表明各發(fā)電機轉子相對運動的穩(wěn)定性。如系統(tǒng)各發(fā)電機 受擾動的作用，擾動消失后，最終各發(fā)電機仍能維持同步運轉，則系統(tǒng)功角是穩(wěn) 定的。電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定，則表明同步機轉子絕對運動的穩(wěn)定性，即各發(fā)電機不 但維持同步，而且它們共同的轉速維持在給定范圍內，不會不斷升高或不斷降低。 由于發(fā)電機工作在同步狀態(tài)，發(fā)電機轉速變化表現(xiàn)為頻率變化，故這種穩(wěn)定性稱 為頻率穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)只有保持功角穩(wěn)定和頻率穩(wěn)定，同步發(fā)電機的轉子運動 才是穩(wěn)定的。電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性可定義：電力系統(tǒng)工作在初始頻率下，受擾動作用，擾 動消失后，經(jīng)過足夠長的時間，

15、能以一定的精確度回到初始頻率狀態(tài)，則系統(tǒng)頻 率是穩(wěn)定的，否則就是不穩(wěn)定的。由于系統(tǒng)頻率特性的非線性，系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性與擾動大小、擾動性質有關。 上述定義的穩(wěn)定性稱為靜態(tài)頻率穩(wěn)定性，在擾動過程中，系統(tǒng)頻率特性并未發(fā)生 變化。系統(tǒng)靜態(tài)頻率穩(wěn)定性表明系統(tǒng)在某一運行點的頻率穩(wěn)定性。若擾動足夠大，使系統(tǒng)頻率特性發(fā)生變化，系統(tǒng)能否在新的頻率狀態(tài)下穩(wěn)定 運行，稱其為暫態(tài)頻率穩(wěn)定性。大擾動是系統(tǒng)運行方式的變化，如改變系統(tǒng)并聯(lián) 運行的發(fā)電機臺數(shù)，改變負荷狀態(tài)等。系統(tǒng)頻率崩潰一般是暫態(tài)頻率穩(wěn)定性破壞后的一種現(xiàn)象。它是指系統(tǒng)在大擾 動作用下，系統(tǒng)頻率不斷上升或下降，直至不能允許的值。系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性破壞 表現(xiàn)在頻率值失

16、去穩(wěn)定，發(fā)電機仍能維持同步運行。與功角穩(wěn)定破壞不同，一般 不會引起系統(tǒng)電壓、電流和功率流動的急劇改變，是一個緩慢變化的動態(tài)過程。3.2頻率穩(wěn)定的判定和分析電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定性是系統(tǒng)原動機發(fā)出的機械功率與系統(tǒng)負荷功率（包括電 有功損耗功率）平衡的問題。如不能平衡，則動力系統(tǒng)出現(xiàn)功率過剩，有可能出現(xiàn) 頻率穩(wěn)定破壞的問題。設系統(tǒng)原動機的總機械功率輸出為。，系統(tǒng)總負荷功率（包括各種損耗）為 匕，則過剩功率為：P =匕-P（21）式中，Pl為發(fā)電機的電磁功率輸出，匕為機械功率，當匕不能全部轉換為電磁 功率時，就出現(xiàn)過剩機械功率AP，該AP就將作用在轉子運動上，加速或制動轉 子的運動，定量關系由下式?jīng)Q定。A

17、P = T蟻=T堂j dt J dt（2-2）式中，為發(fā)電機轉速；f為系統(tǒng)頻率，Tj為慣性常數(shù)，t為時間。所以系統(tǒng)出現(xiàn)過剩功率是引發(fā)頻率變化的起因，但判斷頻率穩(wěn)定性要看頻率變化的結局。根據(jù)（2-2變化的結局。根據(jù)（2-2）式，在t時，頻率變化為Af =APdt0 Tj判斷（2-3）判斷（2-3）式的收斂性，（2-3）即可判斷結局的頻率穩(wěn)定性。3.3頻率控制的措施當系統(tǒng)內突然大面積切除或投入負荷、大機組突然退出運行或者重要功率聯(lián) 絡線斷開時，由于出現(xiàn)電源和負荷間有功功率的嚴重不平衡，就會引起系統(tǒng)頻率 的大副急劇上升或下降，威脅到電力系統(tǒng)的安全運行。此時，系統(tǒng)調度人員必須 密切監(jiān)視系統(tǒng)頻率變化并及

18、時進行相應的調度和控制，其主要手段有： （1）基于繼電保護設備的故障線路/負荷切除當電氣設備由于某種原因發(fā)生故障時，首先是其自身的繼電保護裝置動作， 將故障設備或線路切除，包括事故遠切/聯(lián)切系統(tǒng)等，此時發(fā)生故障的負荷或線 路就從系統(tǒng)中被隔離開來，等待重合閘動作或者故障的修復。(2)低頻/低壓減載系統(tǒng)由于事故后功率不平衡的而出現(xiàn)頻率及電壓的波動，當頻率/電壓低于 或高于某一設定值時，或頻率/電壓變化率df/dt及dV/dt達到某一設定值時啟動 減負荷裝置，以實現(xiàn)嚴重功率缺額時快速切除。 自動發(fā)電控制(AGC)及旋轉備用投入AGC及旋轉備用的投入可以作為緊急負荷控制的先期手段，同樣以調節(jié)功 率平衡

19、為目的，但是在事故狀態(tài)下調節(jié)能力有限，而其他緊急負荷控制手段的采 用都必須考慮到AGC與旋轉備用或其他備用投入后系統(tǒng)的新的暫態(tài)穩(wěn)定狀態(tài)而 后決定負荷控制調節(jié)的量。緊急耗能設備/蓄能設備投入當系統(tǒng)出現(xiàn)丟失大量負荷的事故，而發(fā)電機端尚未來得及進行出力調整時， 系統(tǒng)功率出現(xiàn)嚴重不平衡，此時投入緊急耗能設備將電能轉化成熱能或物理能消 耗掉，或者投入蓄能設備。目前較成熟的可用于緊急負荷控制的蓄能手段包括蓄 冷/蓄熱鍋爐或空調、飛輪蓄能、超導蓄能等，而傳統(tǒng)的抽水蓄能由于響應時間過 長而暫時不做考慮。4 電壓穩(wěn)定問題4.1 電壓穩(wěn)定與電壓崩潰所謂電壓穩(wěn)定就是電力系統(tǒng)在各種干擾因素的作用下，能穩(wěn)妥地保持向負荷

20、 提供安全可靠電力所必需的合理電壓水平，而且能以適當?shù)姆绞郊右钥刂?。而?謂電壓崩潰，是指由于電壓不穩(wěn)定所導致的系統(tǒng)內大面積、大幅度的電壓下降過 程。由于系統(tǒng)電壓分布與系統(tǒng)無功功率潮流分布密切關聯(lián)。所以系統(tǒng)電壓穩(wěn)定問 題也與系統(tǒng)無功功率分布的特性有關。如系統(tǒng)總體不缺無功功率，則電壓穩(wěn)定一 般是局部問題，在此情況下，某些節(jié)點出現(xiàn)電壓崩潰，其他節(jié)點仍能保持電壓穩(wěn) 定。電壓穩(wěn)定包括靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定兩個方面。普遍認為電壓失穩(wěn)與負荷特性 有密切關系。電力系統(tǒng)中靜態(tài)電壓穩(wěn)定水平主要由無功功率平衡條件決定，潮流 方程在靜態(tài)電壓穩(wěn)定研究中得到了廣泛使用，這些靜態(tài)判據(jù)在本質上都是以電力 系統(tǒng)的極限輸送能力作為

21、靜態(tài)電壓穩(wěn)定的臨界點。當負荷大幅度上漲后，系統(tǒng)的無功補償能力嚴重不足，調度在全網(wǎng)電壓下降 過程中未能果斷切除部分負荷；變壓器帶負荷自動調壓分接頭的副作用，當系統(tǒng) 無功功率供應不足時，如果繼續(xù)保持負荷側的電壓水平，勢必造成上一級電網(wǎng)電 壓下降，嚴重時會拖垮高壓電網(wǎng)電壓，發(fā)展為電壓崩潰。電壓失穩(wěn)具有不同的形式。第一種是靜態(tài)電壓穩(wěn)定問題：負荷的緩慢增加導 致負荷端母線電壓緩慢地下降，在到達電力系統(tǒng)承受負荷增加能力的臨界值或接 近臨界值時，任何使系統(tǒng)狀態(tài)越出臨界值的擾動，如負荷的繼續(xù)增加、系統(tǒng)故障 或系統(tǒng)運行的正常操作都將使負荷母線電壓發(fā)生不可逆轉的突然下降，而在電壓 突然下降之前的整個過程中，發(fā)電機

22、轉子角度和母線電壓相角并未發(fā)生十分明顯 的變化。這種特點的電壓穩(wěn)定的喪失是不易被運行人員覺察的。第二種是動態(tài)電 壓穩(wěn)定問題：當電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，為保證其功角暫態(tài)穩(wěn)定及維持系統(tǒng)頻率， 除了進行網(wǎng)絡操作外，也可能進行了自動切機切負荷等操作，由于系統(tǒng)結構變得 脆弱或全系統(tǒng)電源支持負荷的能力變得脆弱，緩慢的負荷恢復過程也可能導致電 壓失穩(wěn)。由于電力系統(tǒng)在失去電壓穩(wěn)定前已處于動態(tài)過程中，發(fā)電機及其控制器、 負荷的動態(tài)行為都會對電壓失穩(wěn)產(chǎn)生影響。第三種是暫態(tài)電壓穩(wěn)定問題：在電力 系統(tǒng)發(fā)生故障或其他類型的大擾動后，伴隨系統(tǒng)處理事故的過程中發(fā)電機之間的 相對搖擺，某些負荷母線電壓發(fā)生不可逆轉的突然下降，而此

23、時發(fā)電機之間的相 對搖擺可能并未超出使電力系統(tǒng)功角失穩(wěn)的程度。電壓穩(wěn)定分析的理論依據(jù)研究復雜電網(wǎng)電壓穩(wěn)定問題必須從研究一個供電點的電壓穩(wěn)定性問題開始， 電網(wǎng)中某一供電節(jié)點的母線電壓穩(wěn)定臨界值u帶一般可表示為：1U2. = Z (P 2 + Q 2)2(2-4)式中,Z 聯(lián)接到該節(jié)點的系統(tǒng)等價阻抗； eq(P 2+ Q 2)2連接到該節(jié)點的負荷的視在功率。利用式(2-4)來研究電網(wǎng)中某一節(jié)點的母線電壓穩(wěn)定性問題，就頗為方便 了。例如：電網(wǎng)中某一節(jié)點的供電電壓臨界值，既是聯(lián)接到該節(jié)電的負荷視在 功率的函數(shù)，又是聯(lián)接到該節(jié)點的系統(tǒng)等價阻抗的函數(shù)。電網(wǎng)中不同節(jié)點有不同 的供電電壓臨界值，因而需要逐點校

24、核。當節(jié)點的負荷固定不變，即(P2 + Q2)2 不變時，該節(jié)點的穩(wěn)定供電電壓的臨界值ucrit只決定于外部系統(tǒng)結構所形成的到 該節(jié)點的短路阻抗Z，而與同步機組的運行方式無關。只要在N1或N2事件 eq后的母線電壓值U大于按事件后的Zeq計算求得的u灑值，即可認為該節(jié)點不會 出現(xiàn)電壓崩潰。當母線電壓為U值，該節(jié)點的供電電壓穩(wěn)定性裕度M可表述為：M = eri X 100%Ucrit(2-5)由此，可以檢查出在特定的事故方式下，哪個節(jié)點的裕度最小，需要在哪個 節(jié)點采取特定措施，如增加無功功率補償?shù)取Ｔ陔娋W(wǎng)中一個節(jié)點增加無功功率補 償，不但可以提高該節(jié)點的供電電壓穩(wěn)定裕度，還可以提高相鄰節(jié)點的電壓

25、，從 而提高相鄰節(jié)點的供電電壓穩(wěn)定性裕度。電壓穩(wěn)定分析方法靈敏度分析方法靈敏度分析方法在電壓穩(wěn)定研究中應用越來越廣泛，其突出的特點是物理概 念明確，計算簡單。靈敏度分析方法屬于靜態(tài)電壓穩(wěn)定研究的范疇，它以潮流計算為基礎，從定 性物理概念出發(fā)，利用系統(tǒng)中某些量的變化關系，即它們之間的微分關系來研究 系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。在潮流計算的基礎上，只需少量的額外計算，便能得到所需 的靈敏值。靈敏值仍然存在以下問題：缺乏統(tǒng)一的靈敏度分析理論作基礎，各文獻都按 自己的方法進行靈敏度分析，無統(tǒng)一的標準；在計算靈敏度指標時，沒有考慮負 荷動態(tài)的影響，沒有計及發(fā)電機無功越限、有功經(jīng)濟調度的影響；靈敏度指標是 一個狀態(tài)

26、指標，它只能反映系統(tǒng)某一運行狀態(tài)的特性，而不能計及系統(tǒng)的非線性 特性，不能準確反映系統(tǒng)與臨界點的距離。潮流多解法潮流多解法是以一對相關鄰近潮流解之間的距離來判斷電壓穩(wěn)定性。潮流方 程解的個數(shù)隨負荷水平的加重而成對減少，當系統(tǒng)的負荷增加到臨近靜穩(wěn)極限時， 潮流方程只存在2個解，潮流雅可比矩陣也接近奇異，這2個解關于臨界點對 稱。這一結論為計算電力系統(tǒng)的極限運行狀態(tài)提供了一條途徑，間接地克服了潮 流方程的雅可比矩陣在臨界點奇異而帶來的收斂問題。在重負荷情況下，如果某種干擾使系統(tǒng)由高電壓解轉移至低電壓解，則將發(fā) 生電壓崩潰，但在接近臨界點時常規(guī)潮流仍存在收斂困難問題。因此這2個對應 電壓解的求取需要

27、采取一定措施，給出嚴格的初值范圍。多解的研究為近似計算 系統(tǒng)的極限運行狀態(tài)提供了一種簡便方法，多解的個數(shù)及多解之間的距離反映了 系統(tǒng)接近極限運行狀態(tài)的程度。除運行解以外的所有其他潮流方程組的解都對應 于電壓崩潰狀態(tài)，電壓穩(wěn)定與電壓崩潰的交叉點就是靜態(tài)潮流方程的鞍結分歧點。 隨著負荷的加重，潮流方程組到最后只存在一對解。研究這對鄰近解的物理特性 會發(fā)現(xiàn)：高低電壓解對應的雅可比矩陣行列式值符號、某些量對節(jié)點注入量改變 和電壓無功控制的靈敏度符號與網(wǎng)絡儲存能量對頻率變化的靈敏度符號等正好 相反，由此得出低電壓解不穩(wěn)定的結論。在負荷情況下，如果某種干擾使系統(tǒng)由 高電壓解轉移到低電壓解，則將發(fā)生電壓崩潰

28、。常用電壓不穩(wěn)定接近指標 VIPI(Voltage Instability Proximity Index)來表征其運行狀態(tài)離電壓穩(wěn)定邊界曲面的 距離。最大功率法最大功率法基于一個樸素的物理觀點，當負荷需求超出電網(wǎng)極限傳輸功率時， 系統(tǒng)就會出現(xiàn)像電壓崩潰這樣的異常運行現(xiàn)象。最大功率法的基本原則是將電網(wǎng) 極限傳輸功率作為電壓崩潰的臨界點，從物理角度講是系統(tǒng)中各節(jié)點到達最大功 率曲線族上的一點。電壓崩潰裕度是系統(tǒng)中總的負荷允許增加的程度。常用的最 大功率判據(jù)有：任意負荷節(jié)點的有功功率判據(jù)、無功功率判據(jù)以及所有負荷節(jié)點 的復功率之和最大判據(jù)。當負荷需求超過電力系統(tǒng)傳輸能力的極限時，系統(tǒng)就會 出現(xiàn)異常

29、，包括可能出現(xiàn)電壓失穩(wěn)，因此將輸送功率的極限作為靜態(tài)電壓穩(wěn)定臨 界點。如果負荷從當前的運行點不同的方向增加，就會有不同的電壓穩(wěn)定臨界點， 有不同的電壓穩(wěn)定裕度，但在這些方向中總會有一個方向的電壓穩(wěn)定裕度最小。 計算出這個方向和電壓穩(wěn)定臨界點，就能為防止電壓失穩(wěn)提出有效的對策。我們 把這個方向定義為最接近電壓穩(wěn)定極限的方向，這個電壓穩(wěn)定臨界點定義為最接 近電壓穩(wěn)定臨界點。無功電壓法CIGRE對電壓崩潰十分重視，其工作組在1987年提出電網(wǎng)應按照防止電壓 崩潰的準則進行規(guī)劃設計，并提出了防止電壓崩潰的無功電壓法。無功電壓法 是將電網(wǎng)中的某節(jié)點或母線作為研究對象，通過一系列潮流計算，確定其無功 電壓

30、特性曲線，并根據(jù)無功儲備準則或電壓儲備準則，來確定所需的無功功率。該方法的優(yōu)點是物理概念明確，缺點主要是潮流方程在電壓崩潰點處不易收 斂。分歧分析方法在計及電力系統(tǒng)的全部非線性特征特別是在臨界點附近發(fā)生振蕩時，系統(tǒng)參 數(shù)變化使系統(tǒng)振蕩模式從左向右越過虛軸時，系統(tǒng)不一定馬上呈現(xiàn)增幅性振蕩， 取而代之的有可能是穩(wěn)定的非線性振蕩；另一方面，在虛軸的左側，系統(tǒng)的穩(wěn)定 狀態(tài)也不一定像線性化特征分析那樣，呈現(xiàn)減幅性振蕩，而有可能是以不穩(wěn)定的 非線性振蕩呈現(xiàn)出來。這種特殊的穩(wěn)定狀態(tài)的分析是傳統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定分析方法所 難以完成的，而采用分歧理論對這類特殊穩(wěn)定性進行分析是十分有效的。分歧理論是進行電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析

31、的一種新的理論，它能研究傳統(tǒng)的電力系 統(tǒng)穩(wěn)定分析方法所未涉及的一類新問題利用分歧理論來研究這些新問題，將拓寬 電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析的領域，并為該領域提供新的內容和新的途徑。分歧分析方法 已廣泛地用于電壓穩(wěn)定問題的分析。電壓穩(wěn)定控制措施防止電壓崩潰的電壓控制措施主要包括：依照無功分層分區(qū)就地平衡的原則，安裝足夠容量的無功補償設備，這是防止電壓崩潰，做好電壓調整的基礎；在正常運行中要備有一定的可以瞬間自動調出的無功功率儲備容量，如新型 無功發(fā)生器ASVG，特別在受端系統(tǒng)此點尤為重要；在供電系統(tǒng)采用有載調壓變壓器時，必須配備足夠的無功電源；不進行遠距離、大容量的無功功率輸送；超高壓線路的充電功率不宜作補

32、償容量使用，以防止跳閘后造成電壓大幅波 動；高電壓、遠距離、大容量送電系統(tǒng)，在中途成短路容量較小的受電端，設置 靜補、調相機等作電壓支撐；在必要地區(qū)要安裝按電壓自動減負荷裝置，并做好事故拉閘順序表；建立電壓安全監(jiān)視系統(tǒng)，它應具備向調度員提供電網(wǎng)中有關地區(qū)的電壓穩(wěn)定裕 度、電壓穩(wěn)定易于破壞的薄弱地區(qū)、應采取的措施無功電壓調整，切負荷等)等 功能。其中，基于無功功率調整的電壓控制措施及低壓切負荷措施是主要采用的控 制手段。5 系統(tǒng)設備熱穩(wěn)定及線路過負荷問題輸電線路是輸電系統(tǒng)的主要部分之一，保護電力系統(tǒng)同步穩(wěn)定性的最根本前 提是在任何情況下，包括在故障后的電網(wǎng)結構下，保證線路的傳輸能力總是大于 系統(tǒng)

33、通過它傳輸?shù)淖畲蠊β?。若在失去線路后無條件地保持電源的完整，將會由 于失去線路后的大負荷轉移，使得與它并聯(lián)的其他線路嚴重過負荷和受端電壓的 嚴重下降而失去穩(wěn)定。當線路容量不能滿足負荷要求，即發(fā)生潮流越界時，輸電 系統(tǒng)就會發(fā)生過負荷現(xiàn)象。由于電力系統(tǒng)網(wǎng)架較弱，一旦并行線跳去一回時，潮 流發(fā)生轉移，很容易在重負荷輸電線上發(fā)生低頻振蕩或功率振蕩等問題。此外， 在高峰負荷時輸電線路通過的負荷電流增大，致使導線溫度升高，弧垂增大。實 踐證明，當導線負荷電流接近其長期允許電流值時，導線溫度可達70C左右。 當導線過載時，弧垂增加率與電流增加率幾乎成線性關系。由于弧垂增大，減少 了導線對地和其他“交叉跨越設

34、施的距離”直接影響線路的安全運行。由以上分析 可知，當線路過負荷運行時，輸電線路的故障率增大，甚至引起相關故障，導致 電力輸送中斷。2003年8月14日的美加大停電事故就是主干輸電線路因長時間 過載引起連鎖線路跳閘最終導致系統(tǒng)崩潰的典型案例。線路的過負荷值與銘牌或規(guī)程規(guī)定的允許通過電流的限值、允許時間、環(huán)境 溫度等有關，在不同的環(huán)境溫度下，線路過流的大小與允許時間各不相同，當超 過允許電流及允許時間后，過流線路很可能損壞，從而導致更大的系統(tǒng)事故。因 此在允許的過負荷時間內，控制過負荷的措施可以是減送端機組的出力或減負荷， 使過負荷電流降到安全值以下，如果過流情況仍未恢復，則必須切除送端的發(fā)電

35、機組或切除更大用戶負荷。6 電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析方法6.1暫態(tài)穩(wěn)定分析與動態(tài)安全評估隨著電網(wǎng)事故的發(fā)生，電力系統(tǒng)能否經(jīng)受住隨后發(fā)生的暫態(tài)和過渡到一種新 的穩(wěn)態(tài)條件，以及在這種新的穩(wěn)態(tài)條件下所有電力系統(tǒng)元件是否運行在規(guī)定的極 限參數(shù)內容，是電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析的主要內容。用暫態(tài)穩(wěn)定計算和分析方法 去評價系統(tǒng)能否經(jīng)受住這種過渡過程屬于動態(tài)安全評估DSA(Dynamic Security Analysis)的范疇。動態(tài)安全評估分為兩個概念，即暫態(tài)穩(wěn)定分析TSA(Transient Stability Analysis) 頻率穩(wěn)定分析 FSA(Frequency Stability Analysis)

36、和電壓穩(wěn)定 分析VSA(Voltage Stability Analysis)o對于檢驗新的穩(wěn)態(tài)條件是否可以接受屬于 靜態(tài)安全評價SSA(Static Security Analysis)的范疇，當評價表明某些偶然事故 的出現(xiàn)導致電力系統(tǒng)進入緊急狀態(tài)，則必須采取緊急預防和控制措施。靜態(tài)安全 評價是對穩(wěn)態(tài)網(wǎng)絡基于快速潮流計算的結果，而動態(tài)安全評價的主要內容是進行 暫態(tài)穩(wěn)定性分析。經(jīng)篩選后的預想故障需要進行詳細的暫態(tài)穩(wěn)定評估，其主要目 的是：檢查系統(tǒng)在給定擾動下，各發(fā)電機組間能否保持同步運行，即定性判別系 統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性；給出該擾動對系統(tǒng)穩(wěn)定運行的影響程度，即定量評估系統(tǒng)的穩(wěn)定 水平。暫態(tài)穩(wěn)定分析和

37、動態(tài)安全評估的方法主要分為以下幾大類：直接法(包括時 域仿真法和暫態(tài)能量函數(shù)法及其混合方法)、擴展等面積法以及人工智能法等。6.2時域仿真法時域仿真法TDS (Time Domain Simulation)是對故障時及故障后系統(tǒng)方程 進行數(shù)值積分，求取非線性微分方程組的近似解，得到系統(tǒng)的受擾軌跡，并根據(jù) 機組間相對功角來判別系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，是目前電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定分析最準確 可靠的方法。其主要優(yōu)點是：系統(tǒng)模型足夠精致?？蛇m應各種組件模型及保護和控制裝置模型，可適應各 種開斷操作，可適應大規(guī)模電力系統(tǒng)。能夠提供系統(tǒng)各種變量的時間響應。但計算量非常大，需要較長的計算時間。計算精度高，計算結果可靠，

38、能準確判別系統(tǒng)穩(wěn)定性，目前國內外都有成熟 的商用軟件支持，如電科院PSASP穩(wěn)定計算程序，BPA開發(fā)的暫態(tài)穩(wěn)定分 析軟件等。但是，TDS法也有其缺點：只能定性判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定，不能給出系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度。計算速度慢，耗費機時多，對于大電網(wǎng)計算穩(wěn)定極限和確定穩(wěn)定控制措施時， 這一點尤其明顯。這些缺點使得時域仿真法難以直接用于在線穩(wěn)定分析。對TDS法的研究方向在于：探索在線應用的快速時域仿真計算方法，如高階泰勒級數(shù)法。采用并行處理技術，將傳統(tǒng)的串行時域仿真程序改造為并行仿真計算程序， 加快時域仿真計算速度；將暫態(tài)穩(wěn)定程序同中期穩(wěn)定、長期動態(tài)程序接口，對系統(tǒng)進行從擾動初始直 到12h的全過程動態(tài)時域仿真

39、，從而可深入研究系統(tǒng)的動態(tài)行為及系統(tǒng)各 種控制措施的性能及其在時間上的配合和協(xié)調。目前已取得進展的超快速的時域仿真法，借助于新的計算硬件包括并行處理 機的方法，在計算上要求并行計算發(fā)電機方程、控制器方程及網(wǎng)絡方程，對中等 規(guī)模網(wǎng)絡的仿真可達到準實時的效果。這種方法的限制是不易導出穩(wěn)定程度的定 量信息和對系統(tǒng)關鍵參數(shù)的靈敏度分析。6.3 暫態(tài)能量函數(shù)法暫態(tài)能量函數(shù)法TEF(Transient Energy Function Method)法是李雅普諾夫直 接法的一個重要分支，已成為國內外電力系統(tǒng)中的一個重要研究領域。TEF法從 能量的觀點來評估系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性，將系統(tǒng)的臨界能量匕與故障清除時刻七

40、 的暫態(tài)能量匕的差值AV 二匕-匕作為度量系統(tǒng)穩(wěn)定/不穩(wěn)定程度的指標，稱為能 量裕度或穩(wěn)定裕度，用以直接評價系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。這種方法的優(yōu)點是：（1）能夠提供系統(tǒng)穩(wěn)定程度的定量信息；（2）能夠提供系統(tǒng)穩(wěn)定裕度對系統(tǒng)關鍵參數(shù)或運行條件變化的靈敏度分析；（3）對極限參數(shù)計算速度快，可快速掃描系統(tǒng)暫態(tài)過程；（4）利用穩(wěn)定裕度可以確定緊急控制的作用。有關暫態(tài)能量函數(shù)法的研究已有多年歷史，并有大量成果面世。為了確定系 統(tǒng)的臨界能量或穩(wěn)定域，TEF法有各種變形及改進的方法，包括勢能界面法 （PEBS）、最接近不穩(wěn)定平衡點（UEP）法、主導不穩(wěn)定平衡點法（CUEP）、和 基于CUEP的穩(wěn)定域邊界法（BCU）

41、等?；旌戏ɑ旌戏℉M（Hybird Method）的基本思想是將時域仿真法與暫態(tài)能量函數(shù)法 相結合，充分利用時域仿真法模型適應能力強、計算精度高、結果可靠的優(yōu)點和 暫態(tài)能量函數(shù)法能夠給出系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定/不穩(wěn)定程度定量信息的優(yōu)點，給出暫態(tài) 穩(wěn)定分析可靠、準確、定量的分析結果。混合法的思想一經(jīng)提出就引起了廣大研 究者的興趣。在混合法中實施逐步數(shù)值積分至故障清除時間以外，得到系統(tǒng)的故障軌線， 由相對功角判據(jù)可以定性判別系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性。同時，借助于TEF法沿持續(xù)故 障軌線計算出系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度，實現(xiàn)了暫態(tài)穩(wěn)定的定量評估。擴展等面積法擴展等面積法EEAC將等面積定則擴展到多機系統(tǒng)。其基本思想是：對于一 個給定的故障，將系統(tǒng)中全部發(fā)電機自動分為互補的兩群，并分別用一臺等值機 代替，最后進一步等值成單機無窮大（OMIB）系統(tǒng)，在此基礎上用等面積定