芻議電力系統(tǒng)電壓崩潰及防御措施的實例

羅經(jīng)緯

（國網(wǎng)湖南省電力有限公司技術(shù)技能培訓(xùn)中心，湖南 長沙 410082）

0 引言

電壓的穩(wěn)定性直接影響到電力系統(tǒng)的正常運行，如果負荷節(jié)點的電壓能夠始終在電力系統(tǒng)日常運行過程中保持穩(wěn)定狀況，那么整個電力系統(tǒng)就會處于一種穩(wěn)定的運行狀況。反之，如果電力系統(tǒng)因故障問題導(dǎo)致電壓平衡點超出了電力系統(tǒng)運行的承受范圍，則會造成電壓崩潰事故。隨著用電需求的不斷增長，電力系統(tǒng)的運行負荷越來越大，電壓失穩(wěn)問題頻繁發(fā)生，甚至還會引起電壓崩潰的安全事故，這不僅會影響到人們的日常生活工作用電，還會給社會帶來巨大的經(jīng)濟損失。因此，對電壓崩潰問題進行分析是十分有必要的，對我國電力系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展有重要的現(xiàn)實意義[1]。

1 案例分析

1.1 某地區(qū)電網(wǎng)的基本情況

2017年7月23日，湖南省某地區(qū)夏季十分炎熱。在發(fā)生電壓崩事故前一天，電力公司對第二天的電網(wǎng)情況進行了預(yù)測，預(yù)計負荷需求為38500MW，準備發(fā)電功率為40500MW。在7月23日早晨，電力負荷需求快速增長到39100MW，到中午達到了36500MW，午后，負荷又增加到38200MW，此時電壓和頻率是正常值。為了滿足快速增長的負荷需求，電力系統(tǒng)加大了發(fā)電量，并投入了并聯(lián)電容器以穩(wěn)定電壓，發(fā)電廠也加大了無功功率。此時主網(wǎng)電壓已經(jīng)調(diào)整到520kV，頻率為50Hz。當(dāng)天13時后，負荷進一步上漲，負荷增加速度超出了預(yù)計值，已經(jīng)達到了每分鐘400MW，投入全部的并聯(lián)電容器。13時10分，負荷上升至39300MW，已達當(dāng)年夏季的最大值，主網(wǎng)四個變電站電壓已經(jīng)下降到460kV。13時19分，西部和東部電壓分別下降至370kV和390kV。此時，西部2個500kV和1個275kV的變電站停止運行，停電負荷高達8168MW，共計影響280萬用電客戶。直到16時10分電網(wǎng)電壓才完全恢復(fù)。

1.2 事故原因分析

1.2.1 缺少對負荷特性的正確認識

無功支持不足和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理都是造成電壓崩潰事故的主要原因，但究其本質(zhì)，影響電壓穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是負荷特性。此次該地區(qū)電壓崩潰事故的發(fā)生原因是負荷迅速增長導(dǎo)致電壓長期不穩(wěn)定，進而引發(fā)電壓崩潰。負荷快速增長，甚至達到了每分鐘400MW，自動投切電容器已經(jīng)無法達到有效的投切速度。電壓和無功功率控制器原本能夠及時反應(yīng)并采取措施控制電壓不穩(wěn)的問題，但負荷增長速度已經(jīng)達到400MW/min，高于原來的整定值，所以在本次電壓崩潰事故中，無功功率控制器未發(fā)揮有效作用[2]。

1.2.2 監(jiān)測工具單一

就該地區(qū)電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀而言，目前調(diào)控中心僅有三個，然而三個調(diào)控中心的動態(tài)顯示屏都不能顯示出500kV母線的實際電壓狀況，這就使得調(diào)度工作人員只能借助CRT終端顯示器來監(jiān)測電壓的實時變化狀況。除此之外，不同地區(qū)調(diào)控中心的調(diào)度工作人員只可以對轄區(qū)范圍內(nèi)的母線電壓實施監(jiān)測。正是因為地區(qū)電力系統(tǒng)中缺少先進的監(jiān)測工具，導(dǎo)致技術(shù)人員無法對電力系統(tǒng)的實時運行狀況實施精確判斷，從而無法落實有效的電力系統(tǒng)電壓崩潰的防范措施[3]。

1.2.3 缺乏對VQC的正確設(shè)定

在電力系統(tǒng)中，變壓器基本上都配置了有載調(diào)壓分接頭，這一接頭是由VQC進行控制的。在這次電壓崩潰事故中，VQC實行的措施主要為對分接頭進行有效調(diào)整、啟動投切電容器以及關(guān)閉投切電容器等；然而在這些應(yīng)對措施中，調(diào)節(jié)分接頭并不能穩(wěn)定電壓，反而會影響電壓穩(wěn)定性。為預(yù)防此類問題，該電力企業(yè)則在投切電容器正式使用的時候，先對高壓側(cè)的電壓進行評估，若其沒有達到整定值，就采取鎖定有載調(diào)壓接頭的方式[4]。

1.2.4 發(fā)電廠分布不均

某地區(qū)的發(fā)電廠主要集中分布于東部以及北部網(wǎng)絡(luò)的末端，存在著由東往西潮流較重的現(xiàn)象，可能會導(dǎo)致電網(wǎng)西部的電壓較低，所以此次電壓崩潰事故首先發(fā)生在了電網(wǎng)的西部。但事故發(fā)生之后，并未對發(fā)電廠分布不均的問題進行改善，電力企業(yè)需要重視發(fā)電廠分布不均的問題[5]。

2 電壓崩潰的防御措施

2.1 優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

只有不斷優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，才能保障電力系統(tǒng)的正常運行，同時科學(xué)合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是充分發(fā)揮繼電保護與自動安全裝置作用的重要基礎(chǔ)?？茖W(xué)合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在以下兩方面：第一，電源配置的數(shù)量充足且合理，電網(wǎng)容量分布均勻、不過分集中；第二，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)于電源容量和電力負荷水平，具備良好的傳輸能力，靈活性較好，敏捷度較高，能夠及時應(yīng)對電網(wǎng)運行過程中的突發(fā)情況，尤其是突發(fā)電力事故[6]。

在對電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進行規(guī)劃設(shè)計時，應(yīng)盡可能地不采用大環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這是由于大環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中存在的環(huán)流較大，若線路在單回線的大環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的環(huán)狀，同時伴隨N-1的時候，電網(wǎng)會逐漸改變原有結(jié)構(gòu)，形成鏈式結(jié)構(gòu)，大幅降低了線路電壓的穩(wěn)定性。除此之外，高低壓電磁環(huán)網(wǎng)運行也是當(dāng)前電力系統(tǒng)運行穩(wěn)定性大幅下降的關(guān)鍵原因之一。面對這類狀況，低壓電網(wǎng)應(yīng)當(dāng)及時實行解列分片運行。

2.2 加設(shè)無功補償裝置

通過將串聯(lián)補償融入到輸電線路中能夠顯著降低傳輸阻抗，確保長距離輸電過程中線路電壓始終保持穩(wěn)定狀況。但這也會增加電力系統(tǒng)出現(xiàn)次同步諧振的幾率。而并聯(lián)補償可以對無功功率進行補償，從而確保電壓始終維持在正常水平。為了應(yīng)對這一情況，最為直接有效的措施就是提高電力系統(tǒng)投切電容器的總量。為了縮短無功補償?shù)捻憫?yīng)時間，還可以根據(jù)實際情況配置SVC或STATCOM等動態(tài)的無功補償設(shè)備。但通過投切電容器來對并聯(lián)補償進行設(shè)置的過程中，值得一提的是過度補償會使得最大負載功率點無線接近于正常運行值，即過度的并聯(lián)補償會大大降低電壓穩(wěn)定裕度[7]。

2.3 實行電壓的分級控制

在電力系統(tǒng)中控制電壓和無功功率時一般遵循“分層或分區(qū)控制”的原則，大多數(shù)電力系統(tǒng)是按照時間和空間順序來對控制功能進行分級的，主要分成三個等級，可以防止各級控制之間的交互作用而造成的振蕩及不穩(wěn)定。發(fā)電廠與用電客戶之間設(shè)置有一級電壓控制，一般設(shè)置的是閉環(huán)控制，其反應(yīng)速度較快，能夠在幾秒內(nèi)進行響應(yīng)。比如控制同步電機的無功功率和靜止的無功補償器，或者對電容器、電抗器進行快速自動投切等。一級電壓控制主要是對因切換電網(wǎng)、負荷變化和事故等造成的電壓快速變化現(xiàn)象進行調(diào)整。比如，一級電壓控制設(shè)備中的變壓器有載分接開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)自動切換，但其反應(yīng)速度比較慢，二級電壓控制系統(tǒng)主要是對某一區(qū)域內(nèi)的就地一級控制設(shè)備進行協(xié)調(diào)，通常是在系統(tǒng)樞紐點設(shè)置二級電壓控制，其響應(yīng)時間在幾分鐘以內(nèi)。比如調(diào)整發(fā)電機的電壓定值、調(diào)節(jié)SVC的電壓定值，對電抗器和電容器進行投切，切換負荷[8]。三級電壓控制簡單來說就是預(yù)防控制，通常會在系統(tǒng)調(diào)度中心進行設(shè)置，其響應(yīng)時間大約為幾十分鐘。三級電壓控制通常負責(zé)協(xié)調(diào)每個二級控制系統(tǒng)，同時為電力工作人員落實電網(wǎng)干預(yù)提供指導(dǎo)，其主要功能為找出影響電壓穩(wěn)定性的因素并及時采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

2.4 強化預(yù)防控制工作

在電力系統(tǒng)的實際運行過程中，或多或少會因為電壓安全事故而增加電力線路的荷載的狀況。若出現(xiàn)了這類狀況，可以采取一系列的預(yù)防控制措施。倘若電力系統(tǒng)仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但其安全裕度較低時，也可以采用預(yù)防性減負荷的措施。如果電力系統(tǒng)的電壓產(chǎn)生失穩(wěn)問題的時候，可以利用切除符合的方式來防止電壓出現(xiàn)崩潰情況，進而維持電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。在電力系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)該裝設(shè)防止電壓崩潰的自動裝置，低電壓自動減載裝置可以對于專門的電壓穩(wěn)定狀況，利用估算動態(tài)負荷模型參數(shù)，分析探討最小切除量的測算，通過電容補償以及切除負荷的方法來維持電壓的穩(wěn)定性[9]。

3 結(jié)論

綜上所述，隨著電力系統(tǒng)的運行壓力越來越大，近年來電壓崩潰事故頻發(fā)，不僅會對人們的日常生活和人身安全造成威脅，而且造成了巨大的經(jīng)濟損失。因此，我們必須對典型的電壓崩潰事故進行分析，并從中吸取經(jīng)驗。本文結(jié)合了湖南某地區(qū)電壓崩潰事故，并分析了其事故過程和發(fā)生原因，希望能夠從中受益，提出一些預(yù)防電壓崩潰的對策，有效預(yù)防電壓失穩(wěn)及崩潰事故，盡可能地保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行[10]。