電力系統(tǒng)穩(wěn)定性研究

蘇 磊

（南京南瑞繼保工程技術(shù)有限公司， 江蘇 南京 211000）

1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的基本概念

在電力系統(tǒng)中，每個(gè)同步發(fā)電機(jī)必須處于同步運(yùn)行狀態(tài)，以確保在某一階段輸送的電力是固定值。同時(shí)在總體的電力系統(tǒng)中各個(gè)電力節(jié)點(diǎn)的電壓和電力支路的功率潮流也都是某一額定范圍內(nèi)的定值，這就是電力系統(tǒng)的所謂穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。與之不同的，如果電力系統(tǒng)中各個(gè)發(fā)電機(jī)之間難以保持足夠的同步率，那么發(fā)電機(jī)輸出的全功率系統(tǒng)和功率支路的各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電功率和電壓將發(fā)生非常大的波動(dòng)[1]。如果電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)不能恢復(fù)同步運(yùn)行，則電力系統(tǒng)不再處于穩(wěn)定狀態(tài)。電力系統(tǒng)的具體穩(wěn)定性包括以下內(nèi)容。

1.1 電力系統(tǒng)中的靜態(tài)穩(wěn)定

電力系統(tǒng)中的靜態(tài)穩(wěn)定性是當(dāng)電力系統(tǒng)在特定操作模式中經(jīng)受一些微小干擾時(shí)發(fā)生的穩(wěn)定性問(wèn)題。如果電力系統(tǒng)受到瞬態(tài)干擾，則在干擾丟失后，電力系統(tǒng)可以恢復(fù)到原始運(yùn)行的原始狀態(tài);在永久性小擾動(dòng)的影響下，在電力系統(tǒng)經(jīng)歷了一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程之后，可以實(shí)現(xiàn)新的穩(wěn)態(tài)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，稱(chēng)為靜態(tài)穩(wěn)態(tài)。

1.2 電力系統(tǒng)中的暫態(tài)穩(wěn)定

電力系統(tǒng)在其相應(yīng)的、正常的運(yùn)行方式中，在受到了外界的一些較大的干擾后，就會(huì)經(jīng)歷機(jī)電暫態(tài)，進(jìn)而恢復(fù)到原始的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式，又或者達(dá)到新的電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方式，那么就認(rèn)為此時(shí)的電力系統(tǒng)在這種運(yùn)行方式下屬于暫態(tài)穩(wěn)定。

1.3 電力系統(tǒng)中的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定

在一些大規(guī)?；ヂ?lián)電力系統(tǒng)中，干擾的全部影響有時(shí)可在其發(fā)生一段時(shí)間后反映出來(lái)。在事故發(fā)生之前，這些干擾對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響是不可預(yù)測(cè)的，這要求電力系統(tǒng)具有很大程度的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。下圖1為電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。

圖1 電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)圖

2 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的具體內(nèi)涵

在我國(guó)工業(yè)的電力實(shí)際應(yīng)用中可以得知，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性從本質(zhì)意義上講，其實(shí)就是一種電力系統(tǒng)的基本特性，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性能夠在基礎(chǔ)上保證電力在正常的實(shí)際運(yùn)行條件下處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性對(duì)于各個(gè)電力企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)作業(yè)起到了重要的作用。一旦電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)生了缺失便很難再保證電力系統(tǒng)基礎(chǔ)的正常穩(wěn)定運(yùn)行，電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的缺失會(huì)為電力系統(tǒng)帶來(lái)很多故障，比如系統(tǒng)瓦解、停電等電力系統(tǒng)異常現(xiàn)象。隨著我國(guó)信息技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電子技術(shù)在工業(yè)發(fā)展中已經(jīng)得到了廣泛的普及，這些電子技術(shù)已經(jīng)深入滲透到人們的日常生產(chǎn)與生活當(dāng)中，如果電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性遭到破壞，將會(huì)帶來(lái)一系列更加棘手且嚴(yán)重的損失甚至事故[2]。

3 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要意義

我國(guó)現(xiàn)階段的經(jīng)濟(jì)模式中經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度日益加快，對(duì)于電力的需求量也日益加大并且逐漸趨于多元化、多樣化，電力系統(tǒng)的建設(shè)是在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域發(fā)展建設(shè)中的基礎(chǔ)建設(shè)，是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)不斷增長(zhǎng)的實(shí)際基礎(chǔ)，是我國(guó)進(jìn)行現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)發(fā)展的工業(yè)發(fā)展命脈。最近幾年中我國(guó)的電力消耗不斷增加，經(jīng)過(guò)科學(xué)預(yù)計(jì)，到“十二五”時(shí)期的經(jīng)濟(jì)發(fā)展階段，我國(guó)的電力需求還會(huì)逐年地上升大約百分之十，在加上我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展中電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的不斷復(fù)雜化，電力系統(tǒng)在現(xiàn)階段發(fā)展中突出的不確定性也使發(fā)生電力事故的概率不斷增加，給人民群眾生活水平、工業(yè)化生產(chǎn)以及國(guó)民人身財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)很大的損失。所以如果要維持我國(guó)經(jīng)濟(jì)在新時(shí)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的高速發(fā)展，就必須要建立滿(mǎn)足現(xiàn)代化發(fā)展需求的、穩(wěn)定的電力系統(tǒng)，需要注意的首要問(wèn)題就是要保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定正常且安全的運(yùn)行。我國(guó)現(xiàn)階段電力系統(tǒng)模式如下圖2。

圖2 電力系統(tǒng)模式圖

電力系統(tǒng)具有復(fù)雜性和非線性特征，它的不確定動(dòng)態(tài)行為使電力系統(tǒng)會(huì)不斷出現(xiàn)混沌振蕩和頻率崩潰的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)電壓崩潰現(xiàn)象。這三種現(xiàn)象就是在工業(yè)領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用中電網(wǎng)系統(tǒng)不穩(wěn)定的典型特征，也是現(xiàn)階段在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用中電網(wǎng)事故的三大最主要的原因。

1996年美國(guó)的兩大電網(wǎng)——西北、西南電網(wǎng)合并互聯(lián)時(shí)，就曾經(jīng)發(fā)生過(guò)一些異常的振蕩現(xiàn)象，在短時(shí)間內(nèi)頻繁發(fā)生混沌振蕩，共計(jì)平均每分鐘發(fā)生了六次混沌振蕩，從而直接導(dǎo)致了兩大電網(wǎng)的解列。1996年5月28日11點(diǎn)57分我國(guó)的華北電網(wǎng)發(fā)生了一起非常罕見(jiàn)的電力系統(tǒng)振蕩事故，振蕩一共持續(xù)了1 min 46 s，造成了處于張家口地區(qū)的兩座火力發(fā)電廠突然停電——沙嶺子電廠（4×300 MW）與下花園電廠（2×100 MW+200 MW)全面停電，最后直接導(dǎo)致該區(qū)域的大部分生產(chǎn)生活區(qū)域停電，這就是嚴(yán)重的、被稱(chēng)為“5.28”的嚴(yán)重華北電網(wǎng)事故。通過(guò)上述案例就可以充分得知，廣大電力工作者們必須在工程和技術(shù)上對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行充分的重視和關(guān)注。

4 提高電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的措施實(shí)例

以煙臺(tái)電視臺(tái)電力系統(tǒng)為例，煙臺(tái)電視臺(tái)的電力系統(tǒng)如果按照它的使用性質(zhì)分類(lèi)的話，屬于一級(jí)的重要負(fù)荷。如果現(xiàn)在有二路高壓進(jìn)線，四臺(tái)低壓變壓器同時(shí)為煙臺(tái)電視臺(tái)的各個(gè)負(fù)荷進(jìn)行供電。如果它的電力系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)了不穩(wěn)定的電力系統(tǒng)事故，將會(huì)影響、波及到很多方面的信號(hào)傳輸，后果是非常嚴(yán)重的。由此可以得知，防止電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成破壞，并且爭(zhēng)取不造成電力系統(tǒng)瓦解和長(zhǎng)時(shí)間的大面積停電，這是煙臺(tái)電視臺(tái)電力系統(tǒng)基礎(chǔ)運(yùn)行中的重要任務(wù)，以下為此種情況提出相應(yīng)的建議，在其他電力系統(tǒng)穩(wěn)定性維持中也可以進(jìn)行充分的借鑒。

4.1 在電力系統(tǒng)高壓側(cè)使用自動(dòng)互投

在電力系統(tǒng)中采用高壓側(cè)自動(dòng)互投的方法，可以保證在進(jìn)行雙路高壓電源的供電時(shí)，其中一路的高壓電源發(fā)生某些故障時(shí)自動(dòng)由另一路的高壓電源轉(zhuǎn)為向下端變壓器提供相應(yīng)的電源，從而避免造成長(zhǎng)時(shí)間的停電事故。煙臺(tái)電視臺(tái)的配電室一貫采用雙回路的高壓進(jìn)線，兩路電源分別屬于不同的開(kāi)閉所并且每路高壓進(jìn)線都直接連接著兩臺(tái)變壓器。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，兩路高壓母線都是帶電的，它們分別給各自所連接的變壓器進(jìn)行供電，斷開(kāi)了中間的母聯(lián)開(kāi)關(guān)聯(lián)絡(luò)。然而電力系統(tǒng)中一旦有一路高壓電源失去電流，二次系統(tǒng)會(huì)馬上判斷出其中一路高壓進(jìn)線電源發(fā)生了故障，發(fā)出警報(bào)的同時(shí)母線聯(lián)絡(luò)刀閘也會(huì)自動(dòng)合閘，所屬的四級(jí)變壓器將改變?yōu)橛闪硪宦返母邏弘娫催M(jìn)行供電。

4.2 在電力系統(tǒng)中的低壓側(cè)采用手動(dòng)互投

在電力系統(tǒng)中采用低壓側(cè)手動(dòng)互投，可以有效保證變壓器在發(fā)生故障時(shí)會(huì)由另一臺(tái)正常運(yùn)行的變壓器成為故障變壓器的電力負(fù)荷并進(jìn)行電源的提供。同時(shí)，也可以根據(jù)相應(yīng)的負(fù)荷容量，對(duì)不重要的負(fù)荷進(jìn)行有選擇的切斷，保證其中一些重要負(fù)荷的基礎(chǔ)供電。

4.3 在電力系統(tǒng)中負(fù)荷側(cè)采用互投配電箱

互投配電箱也就是一臺(tái)配電箱含有二路進(jìn)線電源，也就是主路電源和備路電源，可以有效保證當(dāng)一路進(jìn)線電源發(fā)生失電時(shí)，配電箱下端的電力負(fù)荷能夠持續(xù)有電。

而對(duì)于一些重要負(fù)荷，比如如播出、發(fā)射機(jī)房的一系列用電設(shè)備等，煙臺(tái)電視臺(tái)在電力系統(tǒng)中都采用了相應(yīng)的互投配電箱。通過(guò)進(jìn)行電器控制，互投配電箱一般具備一下的功能：在進(jìn)行正常運(yùn)行時(shí)，兩路進(jìn)線的電源都是帶電的，并由主路來(lái)提供電源，一旦發(fā)生主路失電的現(xiàn)象，電力系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)由備路來(lái)提供電源；當(dāng)主路恢復(fù)其供電，配電箱的控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)切斷相應(yīng)的備路電源，改變?yōu)橛芍髀诽峁┫鄳?yīng)電源;而備路一旦發(fā)生失電現(xiàn)象時(shí)就由主路供電，而備路恢復(fù)其供電時(shí)依舊由主路負(fù)責(zé)繼續(xù)的后續(xù)供電。

5 結(jié)語(yǔ)

電力系統(tǒng)發(fā)展是我國(guó)新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義發(fā)展道路中的重中之重，它決定著我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)的深入程度，是我國(guó)工業(yè)化生產(chǎn)改革的基礎(chǔ)，是我國(guó)新時(shí)代經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式的重中之重，值得引起廣大電力系統(tǒng)工作者的高度重視。