受端电力系统电压质量及稳定性研究

杨丹，刘海峰

(1.湖南省电力公司调度通信局，湖南长沙410007;2.湖南省电力公司科学研究院，湖南长沙410007)

受端电力系统是指以负荷集中地区为中心，包括区内和临近电厂在内，用较密集的电力网络将负荷和这些电源连接在一起的电力系统。受端系统通过接受外部及远方电源输入的有功电力和电能，以实现供需平衡。

受端电网由于缺乏电源支撑，电压质量及电压稳定性存在一定问题。文中以湖南湘西地区局部电网为例，分析了受端电网尤其是末端电网的电压问题，并从电网建设、运行管理等各个方面提出了解决办法。

1 电压稳定性概述

电压稳定性虽然研究了很多年，但到目前为止，学术界对它还没有公认的严格定义。Charles Concordia将电压稳定定义为“电力系统在合适的无功支持下维持负荷点电压在规定范围内的能力。它使得负荷导纳增加时，负荷功率也增加，功率和电压都是可控的。”“电压不稳定表示为负荷导纳增加时，负荷电压降低很多以致负荷功率降低或至少不增加。”与此相应，C.W.Taylor将电压失稳定义为“电压稳定的丧失，导致电压逐步衰减的过程”，而电压崩溃则为“故障或扰动后的节点电压值已超出了可接受的范围”。P.Kundur将电压稳定性定义为“电力系统在正常运行或经受扰动后维持所有节点电压为可接受值的能力”，而电压失稳是指“扰动引起的持续且不可控制的电压下降过程”，至于电压崩溃则是指“伴随着电压失稳的一系列事件导致系统的部分电压低到不可接受的过程”。《国家电网安全稳定计算技术规范》将电压稳定定义为“电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围内，不发生电压失稳的能力。”

从扰动大小出发，Kundur和Taylor将电压稳定分为小扰动电压稳定和大扰动电压稳定。其中大扰动电压稳定性关注的是大扰动 (如短路故障、发电机跳闸、系统甩负荷等)之后系统控制电压的能力。小扰动电压稳定性则关注的是小扰动(如负荷的缓慢变化)之后系统控制电压的能力。

根据研究的方法，电压稳定问题可以分为3类，即静态电压失稳、动态电压失稳和暂态电压失稳。文中主要研究暂态电压失稳问题，即电力系统发生故障或其他类型的大扰动后，伴随系统处理事故的过程中发电机之间的相对摇摆，某些负荷母线电压发生不可逆转的突然下降的失稳过程。

2 受端电网的电压运行水平分析

以湖南湘西地区电网为例。从电网结构上来看，湘西电网处于湖南电网末端，枯水期属于典型的受端电网，220 kV电网结构薄弱，呈放射型结构，且区域内无大的电厂提供无功支撑。碗米坡电厂由220 kV岩人坡变并网，为周调节水库，枯水期发电能力十分有限。凤滩电厂距湘西地区尤其是岩人坡、格山供电区电气距离较远，对该地区电压调整作用十分有限。湘西电网用电负荷主要以高能耗负荷为主，所占比重达70%以上，且主要集中在岩人坡变、格山变供电区域。由于高能耗用户侧无功补偿缺额较大 (部分用户侧未配置无功补偿装置)，用户所需无功大部分需从系统下网。

根据《国家电网公司电力系统电压质量和无功电力管理规定》，正常运行方式下，220 kV变电站的高中压侧母线电压允许偏差为系统额定电压的-3%～+7%;带地区供电负荷的变电站的10 kV母线电压允许偏差为系统额定电压的0～+7%。2010年年初，由于延续2009年下半年的持续干旱，湘西地区小水电机组普遍停机，且湘西地区高能耗负荷较重，格山、岩人坡、万溶江3个站负荷之和超过50万kW。湘西地区220 kV母线最低电压214 kV，已接近规定的下限值。

图1(a)为碗米坡全停时的潮流电压图，图1(b)为碗米坡电厂1台机组调相运行时的潮流电压图，可见碗米坡电厂开机能够大大改善湘西地区的电压运行水平，湘西地区岩人坡、格山、万溶江、枇杷冲等变电站220 kV电压都提高了5 kV左右。因此，合理安排碗米坡电厂的运行方式是保证湘西地区电压合格的关键。

3 受端电网的暂态电压稳定性分析

图1 湘西局部电网潮流图

受端电网如果缺乏足够的无功支撑，在系统受到大扰动后，可能发生暂态电压失稳，尤其是末端变电站电压失稳明显。仍然以湘西地区电网为例，当碗米坡电厂全停时，岩人坡、格山、万溶江3个220 kV变电站主要由220 kV枇万线、公万Ⅰ，Ⅱ线供电，重负荷期间，枇万线三相故障将导致岩人坡、格山及万溶江3个变电站暂态电压失稳，3个站的110 kV电压都将下降至0.5倍额定电压以下，且不能恢复。此时，如果碗米坡电厂开1台机，枇万线则能够通过三相故障校核。枇万线三相故障，0.12 s切除故障后，岩人坡、格山及万溶江变110 kV母线电压如图2所示。

因此，正常方式下，当岩人坡、格山、万溶江变负荷较高时，碗米坡电厂应至少保持1台机组运行;若碗米坡电厂因水位或其他问题不能开机，则需要限制这3个站的负荷。

图2 枇万线三相故障后相关母线电压

重要线路的检修方式下 (如:枇万线、公万Ⅰ，Ⅱ线、牌公Ⅰ，Ⅱ线)，末端电网与主网的联系将更加薄弱，此区域电网的电压稳定水平对碗米坡电厂的依赖性将更强。

4 提高电压稳定性的措施

受端电力系统如果缺乏足够的无功支撑将存在一定的电压稳定问题，重要线路、主变等元件故障跳闸都可能导致暂态电压失稳。为了提高受端系统的电压稳定性，确保受端电网安全稳定运行，可以从电网运行及建设方面采取一定措施，提高系统的稳定性。

4.1 电网运行方面

按照2010年发布的《国家电网安全稳定计算技术规范》，电压稳定性判据为:在电力系统受到扰动后的暂态过程中，负荷母线电压能够恢复到0.8 p.u.以上 (负荷母线监测点选择在220 kV变电站的110 kV母线处)。

4.1.1 提高系统的运行电压

提高受端 (尤其是末端)系统的运行电压将提高系统的电压稳定性。表1为提高末端变电站运行电压前后在相同故障冲击下稳定计算结果。

表1 稳定计算结果

4.1.2 配置低压减负荷措施

合理配置低压减负荷措施也可以提高受端系统的电压稳定性。在电压稳定问题比较突出的受端电网，可以适当提高低压减负荷的动作电压 (例如:设定为0.85 p.u.)，同时适当减小低压减负荷的动作时间，通过减负荷措施来加快系统的电压恢复。

4.2 电网建设方面

受端系统存在电压稳定问题的根本原因在于缺乏足够的电源 (无功)支撑。在电网规划中应保持受端系统内部合理的电源容量。

4.2.1 增加无功电源支撑

通过增加无功支撑，如建设500 kV变电站、水轮机组调相运行、安装动态无功补偿装置都能提高受端系统电压稳定性。特别是新建500 kV变电站，将同时缩短末端电网与主网的电气距离，大大提高末端电网的电压质量及电压稳定水平。如果在湘西地区建设500 kV自治州变电站，如图3所示，湘西末端电网的电压质量将大有改善，暂态电压稳定水平也将提高。

图3 500 kV变电站投产前后湘西电网潮流图

4.2.2 增加无功补偿容量

增加末端系统无功补偿装置的配置容量，积极督促用户安装无功补偿装置。按照《电力系统电压和无功电力技术导则 (试行)》，220 kV及以下电压等级的变电所无功补偿设备容量可按主变压器容量的0.1～0.3倍确定。建议在末端变电站适当提高无功补偿装置的配置容量，尽量减少末端系统由主网吸收的无功功率。同时按照无功功率“分层分区就地平衡”的原则，应该积极督促用户安装无功补偿装置。

〔1 〕 Charles Concordia.Voltage Stability:Definition and Concepts.Venice〔M〕.Florida，1987.

〔2〕Carson W.Taylor.Power System Voltage Stability〔M〕.New York:McGraw-Hill.Inc，1994.

〔3〕P.kundur.Power System Stability and Control〔M〕.New York:McGraw-Hill.Inc，1994.

〔4〕周双喜.电力系统电压稳定性及其控制〔M〕.北京:中国电力出版社，2003.

〔5〕DL755—2001电力系统安全稳定导则〔S〕.北京:中国电力出版社，2001.

〔6〕国家电网公司.Q/GDW 404—2010国家电网安全稳定计算技术规范〔S〕.北京:中国电力出版社，2010.

〔7〕SD 325—1989电力系统电压和无功电力技术导则(试行)〔S〕.北京:中国水利水电出版社，1989.