探討電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性

郭胤

摘要：隨著電網(wǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大、互聯(lián)程度不斷提高，電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性問(wèn)題日益突出，迫切需要研究電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的動(dòng)態(tài)識(shí)別和安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警.以保證電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定。本文結(jié)合筆者工作經(jīng)驗(yàn)分析了破壞電力系統(tǒng)運(yùn)行的因素，并從如何促進(jìn)其穩(wěn)定性運(yùn)行提出了相對(duì)的建議。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；穩(wěn)定性

前言

電力行業(yè)作為一個(gè)重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和公用事業(yè)，對(duì)于國(guó)家經(jīng)濟(jì)和民生穩(wěn)定起著促進(jìn)和發(fā)展作用，在國(guó)家經(jīng)濟(jì)和社會(huì)安全中發(fā)揮著不可替代的作用。電氣能源從發(fā)電廠、變電站傳輸和分配給電源用戶，這個(gè)過(guò)程經(jīng)過(guò)了數(shù)以千計(jì)的設(shè)備控制和保護(hù)裝置。這些裝置分布在各種不同的環(huán)境和地區(qū)，會(huì)產(chǎn)生不同類型的故障，影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行和用戶的正常用電。電力供應(yīng)過(guò)程中的各種故障和意外事故造成的停電，會(huì)給工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人們的生活造成不同程度的損失，并導(dǎo)致工業(yè)產(chǎn)品的產(chǎn)量下降、質(zhì)量降低，嚴(yán)重的會(huì)造成設(shè)備損壞。停電也將威脅到人身安全，給社會(huì)和人們?cè)斐山?jīng)濟(jì)損失，供電可靠性不僅涉及到了供電企業(yè)的生存和發(fā)展，更直接關(guān)系到地區(qū)用戶的用電安全性和可靠性，甚至關(guān)系到該地區(qū)的發(fā)展，因此，如何保障電力網(wǎng)絡(luò)的安全和可靠運(yùn)行，一直是各供電企業(yè)研究的一個(gè)重要問(wèn)題。

1電力系統(tǒng)失穩(wěn)的原因

（1）突然大負(fù)荷轉(zhuǎn)移引起連鎖反應(yīng)。由于電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的不完善，當(dāng)某一回線路發(fā)生跳閘時(shí)，該線路所帶的負(fù)荷轉(zhuǎn)移疊加到臨近的線路上，容易造成電力系統(tǒng)振蕩，甚至線路連鎖跳閘，從而不穩(wěn)定性擴(kuò)大到整個(gè)電網(wǎng)。

（2）系統(tǒng)故障切除速度較慢。當(dāng)電力系統(tǒng)中出現(xiàn)局部故障時(shí)，如果由于保護(hù)動(dòng)作不迅速，此故障線路或設(shè)備對(duì)其他設(shè)備的運(yùn)行造成了影響，此時(shí)電力系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)發(fā)生較大改變，出現(xiàn)不穩(wěn)定性現(xiàn)象。

（3）發(fā)電設(shè)備功角穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要間運(yùn)行不同步，則電力系統(tǒng)的電壓、電流和功率都會(huì)出現(xiàn)周期性的大幅度振蕩，導(dǎo)致電力系統(tǒng)不能向用戶正常供電。

2繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置對(duì)電力系統(tǒng)穩(wěn)定的作用

在電力系統(tǒng)中，安全自動(dòng)裝置的使用，可以提高供電的可靠性和穩(wěn)定性，防止事故擴(kuò)大和對(duì)重要地區(qū)的破壞性停電，并在故障切除后能夠快速恢復(fù)供電，從而保證電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。繼電保護(hù)也是一種自動(dòng)裝置，它通過(guò)反映電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備故障或不正常的工作狀況而作用于斷路器跳閘或發(fā)出信號(hào)，它是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要措施之一。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置應(yīng)能自動(dòng)控制地、快速地、有選擇性地將故障設(shè)備從電力系統(tǒng)中切除，減輕故障設(shè)備的損壞程度和對(duì)鄰近地區(qū)供電的影響，從而維護(hù)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

2.1快速遮斷

在電力系統(tǒng)中發(fā)生故障等擾動(dòng)時(shí)，快速開(kāi)關(guān)在1～2個(gè)周期內(nèi)把故障點(diǎn)快速斷開(kāi)，可以抑制發(fā)電機(jī)的加速，從而提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

2.2快速切機(jī)及解列

由于短路故障或輸電線路斷開(kāi)而使送端發(fā)電機(jī)的電磁功率突然減少時(shí)，為了不使發(fā)電機(jī)加速而失去暫態(tài)穩(wěn)定性，可以迅速切除部分送端發(fā)電機(jī)組，通常采用在輸電線路斷路器斷開(kāi)時(shí)連鎖切機(jī)的辦法，使其余機(jī)組坳機(jī)輸入功率和輸出功率盡可能平衡，以抑制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的加速，使暫態(tài)穩(wěn)定性得以提高。

2.3自動(dòng)重合閘

由于電力系統(tǒng)的故障，特別是高電壓等級(jí)的輸電線路，絕大多數(shù)是瞬時(shí)性的故障，采用自動(dòng)重合閘裝置，在故障發(fā)生后，由繼電保護(hù)裝置啟動(dòng)斷路器，將故障線路切除，待故障消除后，又自動(dòng)將線路投入運(yùn)行，以提高供電的可靠性。

2.4采用制動(dòng)裝置

（1）電氣制動(dòng)。所謂電氣制動(dòng)，就是當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障、發(fā)電機(jī)的輸出功率急劇減小、發(fā)電機(jī)因功率過(guò)剩而加速時(shí)，迅速投入自動(dòng)電阻，額外消耗發(fā)電機(jī)的有功功率，以抑制發(fā)電機(jī)組加速，提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定。

（2）機(jī)械制動(dòng)。電氣制動(dòng)是增大發(fā)電機(jī)的電磁功率、間接地實(shí)現(xiàn)制動(dòng)來(lái)提高電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。而機(jī)械制動(dòng)則是直接在發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)軸上施加制動(dòng)力矩、抵消機(jī)組的機(jī)械功率來(lái)提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。

2.5快速關(guān)閉主汽門

現(xiàn)在大容量汽輪發(fā)電機(jī)組都是高溫、高壓、具有中間再熱的機(jī)組，而且都配置了反應(yīng)較快的閥門控制系統(tǒng)。因此，這種機(jī)組能夠方便地做到快速調(diào)節(jié)汽輪機(jī)對(duì)發(fā)電機(jī)的輸入功率，以適應(yīng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)發(fā)電機(jī)輸出功率的降低，從而減緩了發(fā)電機(jī)組在故障期間的加速，達(dá)到提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。采用這種措施，可以在故障后不切機(jī)的情況下，抑制發(fā)電機(jī)的加速，使系統(tǒng)保持第一振蕩周期的穩(wěn)定，同時(shí)，在故障排除后能很快地恢復(fù)到原來(lái)的出力。

2.6自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁控制

在系統(tǒng)發(fā)生故障或干擾時(shí)，快速勵(lì)磁控制系統(tǒng)迅速捕捉到發(fā)電機(jī)端電壓等的變化信息，并對(duì)之加以控制，這樣來(lái)抑制發(fā)電機(jī)相位角的搖擺，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。自動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁裝置的投資在整個(gè)系統(tǒng)投資中占的比重極小。

2.7切負(fù)荷

在受端系統(tǒng)發(fā)生功率虧缺時(shí)，切除部分負(fù)荷是維持系統(tǒng)穩(wěn)定、防止頻率崩潰的重要措施。一般采用按頻率減負(fù)荷裝置（低頻減載）。

3提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的措施

3.1快速切除故障及重合閘裝置的利用

開(kāi)關(guān)設(shè)備和繼電保護(hù)設(shè)備的動(dòng)作特性對(duì)電力系統(tǒng)故障的快速切除、提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性具有至關(guān)重要的作用。

保護(hù)設(shè)備切除故障的時(shí)間是保護(hù)動(dòng)作時(shí)間和從接到跳閘命令開(kāi)始到繼電器觸頭斷開(kāi)后電弧熄滅的時(shí)間的總和。加快故障切除速度一方面是為了防止同步發(fā)電機(jī)越過(guò)運(yùn)行穩(wěn)定區(qū)（運(yùn)行功角小于），另一方面，由于電力系統(tǒng)中發(fā)生故障后一些設(shè)備由于承受過(guò)大電流容易發(fā)生過(guò)熱甚至起火、爆炸，引發(fā)更加嚴(yán)重的事故，若故障切除時(shí)間加快，減少過(guò)電流時(shí)間，可減少電力系統(tǒng)設(shè)備損壞，防止事故擴(kuò)大，提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性。為了減少保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)該從提高繼電保護(hù)設(shè)備的性能上著手。相關(guān)研究表明，對(duì)于某一雙回線路，當(dāng)線路一段發(fā)生故障時(shí)，故障切除速度從0.2s提高到0.1s，此時(shí)，三相短路故障情況下，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定臨界值從45%提高到82%，單相短路故障時(shí)，系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定臨界值從94%提高到98%。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)可知，電力系統(tǒng)中的故障多數(shù)是短路故障，并且這些故障多數(shù)是暫時(shí)性的，若采用自動(dòng)重合閘裝置可以再發(fā)生故障的線路上斷路器跳開(kāi)之后經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間合上斷路器，如果此時(shí)故障消失，那么重合成功，在采用了自動(dòng)重合閘的線路上，重合的成功率能夠達(dá)到90%以上，因此該項(xiàng)措施對(duì)于提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性也具有重要的意義。

3.2動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)

無(wú)功不足會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的電壓跌落，甚至發(fā)生電壓崩潰，無(wú)功調(diào)節(jié)對(duì)電力系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定性具有關(guān)鍵的作用，無(wú)功調(diào)節(jié)不能發(fā)揮作用時(shí)，電力系統(tǒng)母線電壓會(huì)隨著運(yùn)行方式的變化而發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致網(wǎng)損增加，電壓不合格率提高。為了提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，需要通過(guò)一定的技術(shù)手段向電力系統(tǒng)補(bǔ)償一定的無(wú)功。

主要的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備有：調(diào)相機(jī)、靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）、統(tǒng)一潮流控制器、可控硅串聯(lián)補(bǔ)償器等設(shè)備。由于調(diào)相機(jī)是旋轉(zhuǎn)設(shè)備，維護(hù)困難，現(xiàn)在一般不再安裝新的調(diào)相機(jī)。靈活交流輸電技術(shù)是現(xiàn)在的一項(xiàng)新技術(shù)，由于電力電子元器件的發(fā)展，無(wú)功補(bǔ)償器能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)節(jié)的快速性和平滑性。由于電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是時(shí)刻改變的，因此需要針對(duì)不同的時(shí)刻的具體情況對(duì)電力系統(tǒng)的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，動(dòng)態(tài)補(bǔ)償是一個(gè)較好的解決方案，控制理論的發(fā)展可以對(duì)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性控制，實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)無(wú)功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。

3.3統(tǒng)一潮流控制器的在電力系統(tǒng)穩(wěn)定性中的作用

統(tǒng)一潮流控制器也是電力電子技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，它具有多種補(bǔ)償功能，串聯(lián)補(bǔ)償、并聯(lián)補(bǔ)償、端電壓調(diào)節(jié)等基本功能，并且這些功能可以綜合起來(lái)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的調(diào)節(jié)功能。統(tǒng)一潮流控制器本質(zhì)是背靠背變流器（back-to-back converlor），原理如圖1所示。

變流器1和變流器2分別通過(guò)變壓器T1和12接人系統(tǒng)，其中變流器1可以等值為兩個(gè)并聯(lián)電流源，分別向系統(tǒng)注入無(wú)功功率和有功功率，從而可以通過(guò)調(diào)節(jié)無(wú)功控制變流器接人點(diǎn)的電壓，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)有功功率電流源使得系統(tǒng)與裝置所交換的有功功率為零，從而保持變流器直流部分電容的電壓恒定。變流器2則負(fù)責(zé)向電力系統(tǒng)提供一個(gè)幅值和相位均可變的串聯(lián)電壓源，通過(guò)該電壓源控制流過(guò)線路的復(fù)功率。由于直流部分的存在，變流器1和變流器2可以獨(dú)立地控制，因此可以獨(dú)立地發(fā)出或者吸收無(wú)功功率，起到調(diào)節(jié)電力系統(tǒng)無(wú)功的作用。

統(tǒng)一潮流控制器和動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)對(duì)提高電力系統(tǒng)的的機(jī)理是相同的，都是通過(guò)向電力系統(tǒng)補(bǔ)償無(wú)功，提高對(duì)系統(tǒng)母線電壓的調(diào)節(jié)能力而實(shí)現(xiàn)，在實(shí)際中，無(wú)功補(bǔ)償并不是越多越好，過(guò)度的欠補(bǔ)償和過(guò)補(bǔ)償都不合適，補(bǔ)償無(wú)功恰好等于系統(tǒng)的無(wú)功缺額則容易使系統(tǒng)產(chǎn)生諧振，因此在變電站中常常采用的辦法是適當(dāng)?shù)倪^(guò)補(bǔ)償，這主要是因?yàn)槿舨捎们费a(bǔ)償，電力系統(tǒng)中的產(chǎn)生的感性無(wú)功增加，還是很容易導(dǎo)致諧振問(wèn)題。

3.4變壓器中性點(diǎn)經(jīng)小電阻接地

變壓器中性點(diǎn)接地提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的原理在于，由于故障多為不對(duì)稱故障，在電力系統(tǒng)中發(fā)生故障時(shí)，變壓器中性點(diǎn)的接地電阻向故障后的電網(wǎng)絡(luò)增加了電阻，起到消耗發(fā)電機(jī)發(fā)出有功功率的作用，減少功率差額，減少電力系統(tǒng)不穩(wěn)定性的因素。

變壓器中性點(diǎn)接地的運(yùn)行方式，實(shí)質(zhì)是一種電氣制動(dòng)提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的措施，電氣制動(dòng)即采用向電力系統(tǒng)中增加制動(dòng)電阻，消耗電機(jī)發(fā)出有功功率，同樣的原理，也可以通過(guò)向發(fā)生故障后的電力系統(tǒng)投入較大的電阻（例如旁路電阻的接入），增加故障時(shí)候功率的消耗，提高電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

4結(jié)語(yǔ)

總之，作為一個(gè)重要的服務(wù)行業(yè)——電力行業(yè)，與國(guó)家經(jīng)濟(jì)和民生息息相關(guān)。必須建立一個(gè)完善的供電系統(tǒng)，努力提高供電可靠率，增加電力供應(yīng)能力，使故障的發(fā)生率控制在最低點(diǎn)，從而使得客戶的滿意度逐漸提升。