电力系统安全稳定问题研究

摘　要：介绍了国内外电力系统安全稳定问题的研究现状，供电力工程参考。 
　　关键词：电力系统；安全稳定；新进展 
　　当今，电力已作为现代社会的主要能源，与国民经济建设和人民生活有着极为密切的关系，供电不稳定，特别是大面积停电事故所造成的经济损失和社会影响是十分严重的，例如2003年的纽约、伦敦和东京大停电事故。因此，对现代电力系统的运行提出了更高的要求，既保证安全、可靠和经济地发供电能，又要求保证合格的供电质量。但是，现代电力系统是一个由电能产生、输送、分配和用电环节组成的大系统。同时，由于电能的发、送、变、配、用电各个环节是同时进行，这样现代电力系统又是一个复杂的实时动态系统，这个系统除了包括发电、送电、变电、配电和用电设备外，还包括监测系统、继电保护系统、调度通信系统、远动和自动调控设备等组成的二次系统[1-5]。
　　在这个大系统中，其设备众多，分布区域很广，要保证每一台装置设备或每一条输电线路在任何时候都不发生任何故障是绝对不可能的。随着社会生产技术的发展，现代电力系统由于机组容量不断提高，电网规模不断扩大，电压等级不断提高，超高压远距离输电以及互联电网形成，使电网结构更加复杂，造成现代电力系统的控制管理极为困难，一个严重干扰都能波及全系统导致瓦解的严重后果。因此，保证电力系统安全稳定运行是一个极端重要的问题，只有在电力系统安全稳定运行的前提下，才有可能进一步考虑运行的经济性等问题。当前的中国已步入大电网、高电压和大机组的时代。随着中国电力系统的日益发展和扩大，电力系统安全稳定问题已成为最重要的问题，越来越突出。解决好电力系统实时安全分析方法和安全稳定控制技术的研究和应用，已成为电力生产、运行、科研和制造部门的重要任务，不管在任何情况下，电力调度运行部门都要把电力系统安全稳定运行放在首位[6-9]。 
　　1　电力系统安全稳定问题 电力系统中各同步发电机间保持同步是电力系统正常运行的必要条件，如果不能使各发电机相互保持同步或在暂时失去同步后不能恢复同步运行，这就使电力系统失去稳定。电力系统稳定问题最早应追溯到上世纪初。当同步电机由单机运行发展到与其它同步发电机并列运行后，就出现电力系统稳定问题，特别是在发生故障情况下，有可能使发电机失去同步。电力系统稳定的破坏，往往会导致系统的解列和崩溃，造成大面积停电，所以保证电力系统稳定是电力系统安全运行的必要条件。在电力系统稳定研究中，除了维持发电机间的同步运行的稳定性外，还开展了电力系统的电压稳定和频率稳定性问题的研究。
　　近几十年来，国内外电力系统由于稳定破坏，曾发生大面积停电事故，对国民经济造成极大损害，使社会和人民生活受到很大影响。美国1965年东北包括纽约大停电事故。造成了21000 MW用电负荷停电，停电最长时间13h，停电区域20万km2，经济损失达1亿美元，影响居民3000万人。事故原因为加拿大拜克水电站向多伦多送电的5条230 kV线路中的一条突然跳闸，造成系统稳定破坏。美国1977年7月13日纽约大停电事故。这次事故起因为大风暴造成输电线路断开，短时的供需不平衡，使电网电压剧升，发电机超速解列。这次大停电引起贫民区的抢劫和纵火，华尔街上造成严重的社会问题。法国1978年12月19日大停电事故。当时由东部向西部送电的一条400 kV线路因过负荷跳闸，导致其他线路发生一系列的过负荷跳闸，并造成系统稳定的破坏，最终造成法国全国大部分地区停电。日本1987年7月23日东京电力系统大停电事故。这是一次典型的电压崩溃事故。事故中负荷停电8168MW，影响280万用户，停电时间长达3h21min，使两个500kV变电站及一个275kV变电所全停，影响日本铁路线13条线路停运，都市自来水中断，银行计算机系统中断，造成社会生活混乱[10-16]。 1980年7月27日中国安徽电网大面积停电事故。事故起因是由于一台220kV电压互感器爆炸起火，引起二条220kV线路先后跳闸，大量负荷转移到一条与之环网运行的110kV线路上，造成稳定破坏，系统剧烈振荡，最后导致系统瓦解。事故发生后，甩负荷及停电320 MW，少送24万kW·h电能，给工农业生产、社会生活造成严重损失。 1972年7月20日浙江电网瓦解事故，是华东电网的一次严重稳定破坏的大面积停电事故。杭常湖220 kV三角大环网是连接上海、杭州、常州为中枢点的三角大环网。这个总长564 km的单回线大环网给系统运行带来复杂性。这次常湖线故障，造成浙江电网频率崩溃而全面瓦解，两个220 kV变电站，23个110 kV变电站，近100个35 kV变电所停电，全省甩负荷350 MW，事故直接损失约200万元。 1972年中国湖北省电力系统稳定破坏事故，使全省失去约686 MW，导致湖北地区大面积停电，使武钢等大厂矿企业受到重大经济损失。发展电力系统是电力工业的客观规律，是世界各国电力工业所走的共同道路。前苏联已基本上形成了全国统一的电力系统并且与东欧国家互联，形成了更大规模的联合电力系统；西欧各国的电力系统也已互联，形成西欧十一国的互联系统。
　　中国已进入高电压、大电网、大机组时代，大区电力系统的装机容量已达20000MW以上，中国电力系统已由以省内为主，发展到跨省的大区电力系统并且大区电网之间也已开始互联。但是，大电力系统对安全性的要求更高，对运行技术和管理水平要求也更严格。当大电力系统发生事故，特别是发生稳定破坏和不可控的严重连锁反应时，停电波及的范围大，停电时间长，后果严重，特别当电网结构薄弱，管理不善而缺乏必要的技术防范措施时，则某一电气设备故障可能发展成为全面的大面积停电事故，例如上述国内外大停电事故。因此，必须把保证大电力系统的安全稳定运行问题放在极为重要的位置，这是从国内外大电力系统发生的多次大停电事故中得出的客观规律。对于中国电力系统，长期以来输变电工程建设落后于发电工程，而发电工程又远落后于负荷增长的需要，电网结构相对薄弱，面对中国电力系统的容量不断增长，如何保证日益发展的大容量电力系统的安全稳定运行，是一项紧急而又重大的任务[20]。 
　　2　电力系统安全稳定研究[20-42] 对电力系统而言，安全和稳定都是系统正常运行所不可缺少的最基本条件。安全和稳定是两个不同的基本概念。“安全”是指运行中的所有电力设备必须在不超过它们允许的电压、电流和频率的幅值和时间限额内运行，不安全后果导致电力设备损坏。“稳定”是指电力系统可以连续向负荷正常供电的状态，有三种必须同时满足稳定性要求： ① 同步运行稳定性； ② 电压稳定性； ③ 频率稳定性。电力系统失去同步运行稳定的后果是系统发生电压、电流、功率振荡，引起电网不能继续向负荷正常供电，最终可导致系统大面积停电；失去电压稳定性的后果，则是系统的电压崩溃，使受影响的地区停电；失去频率稳定性的后果是发生系统频率崩溃，引起全系统停电。早在20世纪50年代后期，一些西方工业化国家就开始把计算机应用在实现经济调度为主要的目的上。60年代后期以来，美、法、日等国的一些大型电网相继发生了大面积的停电事故，巨大的经济损失和严重的社会影响使各方面深受震动，各国才开始重视电力系统实时安全稳定分析的研究。
　　2.1　电力系统稳定分析研究[20-28] 电力系统的同步稳定问题一直是人们研究的重要课题。长期以来，无论是经典的还是现代的电力系统稳定性理论，不论在稳定性机理、数学物理模拟、计算方法，还是在控制技术对系统稳定性的影响方面，主要集中在系统功角稳定性的研究上，并且由于控制理论、计算机技术的飞速发展及