低压减载研究综述

张志文，谢洪涛

(西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)

1 引言

20世纪70年代以来，世界上相继发生了多次电压崩溃引起的大面积停电事故，比较典型的有:1983年12月27日瑞典电网、1987年1月12日法国电网、1987年7月23日日本东京电网、1996年7月2日美国西部联合电网(WSCC)等。在我国，1972年7月27日湖北电网和1973年7月12日大连电网也发生了电压崩溃事故。引起了世界各国电力工业界和学术界对电力系统电压稳定性的广泛关注［1－3］。

有关研究电力系统电压稳定性问题的文章逐渐增多，但从总的情况来看，对电压稳定问题的研究不如对功角稳定问题的研究那样广泛和深入。

电压稳定研究的最终目的是开发和应用有效的控制策略来防止电压崩溃［4］。为了防止电压失稳，维持电压稳定，有很多控制措施可以采用。这些控制方法一般分为预防控制、紧急控制和校正控制。预防控制主要包括系统规划方面的如加强输电网络，串联和并联补偿等，也包括系统运行方面的如发电机的线路压降补偿，二级电压控制等，紧急控制主要包括快速补偿装置投切，有载调压变压器紧急控制。而低压减载则属于校正控制的一种［5，6］。

2 低压减载作用机理分析

简单一回线电力系统示意图如图1所示，发电机经一段输电线路向负荷节点供电，其中发电机和输电线总阻抗为Z1=|Z1|∠θ，负荷阻抗为ZL=|ZL|∠φ，由图1可得以下结论:

图1 简单单回线电力系统

将式(2)带入式(1)，可得

当V1、Z1、φ 一定时，V2、P取决于|ZL|。当负荷需求增加的时候，由式(3)、(4)就可以求出负荷节点的电压V2和负荷有功功率的关系PV曲线，如图2所示。

图2 PV关系曲线

当|Z1/ZL|=1时，对应图中的A点，这点为PV曲线临界点，临界功率和临界电压为:

2.1 小扰动引起的电压不稳定

单回线系统负荷有功随负荷阻抗变化曲线示意图如图3所示，在|Z1/ZL|＜1的情况下，只要减小ZL，|Z1/ZL|就会变大，负荷有功P也随之增大，也即负荷可以从电网得到更多功率。当|Z1/ZL|=1时，负荷节点可以得到最大功率。在|Z1/ZL|＞1之后，若继续减小负荷阻抗将使得电网输送功率减小，即负荷得到的功率也减小。这是网络本身所固有的特性，与负荷的性质无关。

图3 单回线系统负荷功率随负荷阻抗变化情况

图4 单回线系统负荷电压随负荷阻抗变化情况

单回线系统负荷电压幅值随负荷阻抗变化曲线如图4所示。当负荷阻抗的减小时，负荷节点电压也呈下降趋势，这一特性也是电网固有的。图3中，P0代表负荷所输出的其他形式的功率(如对异步电动机来说就为机械功率)，其中B点是电压稳定点，C点是不稳定点。设负荷节点原来稳定运行在B点，若系统在运行中负荷不断增加，则运行点不断向临界点A靠近，甚至可能到达临界点，这时若有其他小干扰发生或者新负荷投入，使运行点瞬时处于A点右侧，P＜P0。根据负荷的动态效应［7］

其中RE表示负荷动态模型的等效阻抗，即本文中的|Z1/ZL|的倒数，P是动态负荷所消耗的电磁功率，P0则代表动态负荷所输出的其他形式的功率。TR表示时间常数。

当P＜P0时，P－P0＜0，使得RE变小，这时候|Z1/ZL|会相应|Z1/ZL|的变大，由图5可知，对应|Z1/ZL|的变大，会导致P的减小和电压的降低，根据式(9)P的减小又会使RE变小，系统又会重复同样的过程直至系统崩溃。

图5 简单双回线电力系统

在这种运行情况下，当电压刚刚失稳负荷节点电压单调下降时，如果及时切除一部分负荷(大于或等于ΔP)，只要运行点还位于C点的曲线左边，那么运行点将最终落在B点，实现新的功率平衡。这样通过低压减载就阻止了电压崩溃的发生。从图5和图6也可看出，切除时间过长，有可能这时系统的运行点已经在C点的曲线右边，这时就算是切除ΔP的负荷量，也不能让运行点重新回到A点左侧，电压依然会发生崩溃。若切除负荷量不足ΔP，那么就算是及时的切掉了负荷，运行点还是处于A点的右侧，还是会发生电压崩溃，所以切除时间过长或者切负荷量不足都不足以阻止电压崩溃的发生。

2.2 大扰动引起的电压不稳定

图5所示中的电源节点和负荷节点间以两回线路连接。大扰动为其中一条输电线路发生短路故障后被切除，如图6所示。其中P1为正常运行时的功率曲线;P2表示故障时的功率曲线;P3表示故障切除后的功率曲线;P0表示故障前负荷输出的其他形式的功率。故障切除后不存在有功平衡点，即P0与P3无交点。图6中，故障前系统稳定运行于a点，当发生短路时，系统运行点跳变到b点，这时负荷阻抗减小，继续运行到c点，短路故障被切除后，系统运行点跳变到d点，而此时d点的功率小于P0，由前面的分析可知，负荷阻抗将继续减小，最后沿着P3曲线运行直至电压崩溃。这时若及时切掉一部分负荷，使P3大于P0'，负荷节点电压将最终稳定在e点。可见，低压减载要有足够多的切负荷量和较短的负荷切除时间，保证P3大于P0'，才能有效阻止负荷节点的电压崩溃［8］。

图6 双回线系统负荷功率随负荷阻抗变化情况

3 低压减载的地位

低压减载被认为是防止系统发生电压崩溃的有效措施，是防止系统大面积停电、维持系统安全稳定运行的第三道防线的重要组成部分。《电力系统安全稳定导则》也将低压减载作为防止电力系统崩溃的重要措施，要求“在负荷集中地区，应考虑当运行电压降低时，自动或手动切除部分负荷，或有计划解列，以防止发生电压崩溃”。

对于防止概率很小的极端情况下(包括极端的大负荷、罕见的多重故障等)系统崩溃和大面积停电，保证重要负荷的供电，具有十分重要的意义［3，4］。

4 研究与应用现状

低压减载研究的核心问题是如何进行低压减载的整定，到目前还没有寻找到一种很好的整定方法，也没有一套完整的整定原则，这方面的研究还需要广大学者深入研究。

4.1 整定方法研究现状

低压减载作为一项比较新的技术，目前还没有系统的整定方法。具体的整定方案一般根据实际运行经验以及不断的仿真计算得到，更合理的低压减载装置整定方案还有待于进一步的研究。

在电网中采取低压减载措施，实施时需要考虑下面三个主要的问题:①在什么地点安装低压减载装置;②低压减载装置动作电压以及相应延时如何整定;③切除多少负荷［9－14］。

4.1.1 低压减载装置的安装地点选择

一般情况下，低压减载装置应该安装在系统电压稳定性薄弱的节点，能够以比小的负荷切除量有效防止系统电压崩溃，因此，识别系统电压稳定性薄弱节点是确定低压减载装置安装位置的第一步工作。其次，在实际的实施过程中，还要考虑选定节点的负荷组成情况，是否有足够的能切除的负荷。

关于如何识别系统中电压稳定性薄弱的节点，已经有很多学者进行了研究，一般情况下，通过静态分析就可以找出系统中电压稳定性比较薄弱的节点。下面是一些常用的识别电压稳定性薄弱节点的方法。(1)利用电压水平高低识别电压稳定性薄弱节点;(2)利用参与因子大小识别电压稳定性薄弱节点;(3)利用奇异向量大小识别电压稳定性薄弱节点;(4)利用节点负荷裕度识别电压稳定性薄弱节点;(5)利用潮流计算中功率不匹配量识别电压稳定性薄弱节点;(6)利用节点评估方法识别电压稳定性薄弱节点;

对于方法(1)，直接选定系统电压最低的节点为系统薄弱节点，这种方法简单直接，而且某些情况下也能够比较准确的识别出系统中电压稳定性薄弱的节点。但是，电压水平的高低并不等价于电压稳定性的强弱。对于(2)、(3)、(6)这三种方法，都是以雅克比矩阵为研究对象的，参与因子法通过分析雅克比矩阵的特征值与特征向量，奇异值指标法通过分析矩阵的奇异值与奇异向量来研究电压稳定薄弱节点，而节点评估方法则是将雅克比矩阵进行降阶，降到一个二维矩阵，只关注与本节点相关的两个功率平衡方程。然后求该矩阵的行列式，得到各节点电压稳定性相对强弱的信息。

系统薄弱节点随着系统运行方式而发生变化，不同的发电机出力方式，不同的负荷分布，以及不同的检修方式，都对系统薄弱节点存在一定的影响。因此，为了更好的识别系统的电压稳定性薄弱节点，需要综合运用不同的方法，考虑系统各种运行方式，这样寻找到的薄弱节点才比较准确而且具有普遍意义。

4.1.2 低压减载装置动作电压与延时时间

这是低压减载整定中比较重要的问题。电压下降的速率(dU/dt)和电压水平都可以作为低压减载的依据，但是常规测试仪器不能够定量地、准确地对自动装置中的dU/dt动作值(或闭锁值)进行测试与校验，因此现在往往用电压水平作为低压减载的依据。

电压失稳和电压崩溃的动态过程历时可以从1s～10min，根据历时长短将电压不稳定事故分为短期和长期两种，这两种时域过程基本上可以严格区别。在防止这两类电压不稳定事故时，低压减载装置的时间延迟是不同的。因此，在方案设计时必须明确电压失稳的时域特性。如1981年美国田纳西电力局安装的低压减载装置目的在于防止具有大量空调负荷地区发生短期电压失稳，1991年12月美国太平洋西北系统PugetSound区域安装的低压减载装置用于防止长期电压失稳。因为该地区的负荷对电压变化反应灵敏，因此时间延迟不是关键问题。

4.1.3 切负荷量的确定

低压减载措施能否有效阻止电压崩溃，减载量起着决定性影响。当减载量不够时，不能阻止电压崩溃;当减载量过大时，就会出现过电压。因此，选择减载量至关重要，在这方面，也有很多学者进行了研究［12，13］，但是到目前为止，还没有公认的比较合适的方法。

4.1.4 低压减载指导原则

虽然国内外目前关于低压减载装置的整定还没有系统化的方法，但是，通过计算分析和国内外已安装低压减载装置的运行经验，仍然可以得到以下的一些指导性原则。

(1)低压减载装置动作电压应该低于正常运行时的最低电压，低的比例需要根据实际情况确定。

(2)低压减载装置动作电压应该适度的高于临界PV曲线或VQ曲线的鼻点电压。否则装置不能防止负荷持续增长导致的小扰动电压失稳。

(3)为了防止装置误动作，避免装置在瞬时电压跌落或者短路故障时误动，低压减载装置动作延时的设定要考虑和线路上其他保护的配合，一般动作延时要长于线路的一段和二段保护，避免短路故障时低压减载装置误动。

(4)低压减载整定方案的最终效果要通过时域仿真来验证，要仿真不同类型的电压失稳情况，则应该采取不同的系统模型，短期电压失稳主要考虑快动态的元件模型，长期电压失稳时要考虑各种慢动态的元件。

实际工程使用中，选择切除负荷应考虑以下因素:①切除负荷的类型。恒功率负荷如感应电动机对电压稳定性危害最大，应作为切负荷首选，但同步电动机的无功输出能力对保持电压稳定性有帮助，工业负荷中自带发电机对维持系统电压也有帮助;②首先切除与用户有特别协议允许断开的次要负荷，以及功率因数较低的负荷;③选择不破坏系统整体性的线路，如辐射型线路。

4.1.5 目前应用现状

目前世界上有许多国家在使用低压减载装置，如美国、加拿大、比利时、瑞典、爱尔兰、西班牙、葡萄牙、沙特阿拉伯及以色列等。

而在国内，某些电网已经实施了具体的低压减载方案，比如山西的运城电网。有的电网进行了低压减载方案的研究与探讨，比如山西的大同电网和长治电网。但是这些都只是针对具体的电网进行研究的，更具普遍性的整定方法还有待进一步研究。

5 结论与展望

低压减载是一种比较有效和经济的防止电压崩溃的方法。对低压减载的研究主要集中在低压减载的整定上，本文分析了低压减载防止电压崩溃的机理，对低压减载的整定中所涉及的减载地点、动作判据、切负荷延时时间以及切负荷量等关键问题进行了概括。但是到目前为止，由于电压稳定问题研究不够成熟，电压失稳机理还没有达成统一的认识，低压减载还没有一套公认的比较合适的整定方法，有待进一步研究。未来的研究中，随着科技的进步，将提高电压稳定在线监测的水平，并结合现有的广域量测系统，可以提出新型的低压减载方案。

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