电力系统运行稳定性措施分析

国网铁岭供电公司 毕守东

电力企业在经营生产的时候，对电力系统输变电的正常稳定运行情况的依赖性较高，这是保证电力系统得以稳定安全工作的重要条件之一。为了能够同时有效率地保证目前我国现有电力企业的供电业务可以长期保持良性健康、有序发展，也为了能够有效确保目前现有电力系统正常经营运行的业务稳定性和安全性[1]，对目前我国现有电力系统中各个输变电站在正常运行过程中的故障发生情况进行统计数据分析，找到相应的有效故障以及解决对策，是非常有必要的。

1 电力系统失稳的原因

突然大负荷转移而引起连锁反应。由于我国动力系统电网网络结构的不完善，当某一条单向带回多台变电机的线路突然同时发生连锁电流连续跳闸时，该回变电线路所同时携带的多台变电机大负荷连续转移就会叠加影响到多个临近的变电线路上，有较大的概率会导致整个电力系统的变电线路发生振荡[2]。

发电设备输出功率的稳定性。电力系统能够正常工作运行的一种重要表现形式是电力系统中所有的电力机能够实时进行同步正常工作运行，如果电力机的实时工作顺序有先后、没有达到同步，将导致电力系统不能向每个用户进行正常输供电[3]。

2 电力系统运行的基本状态及种类

2.1 电力系统运行的基本状态

假若一个大型电力系统的总正常工作负荷功率与电力系统中的总负荷容量随工作时间的变化相等，那么我们可以认为该系统作为整个电力系统正常的工作负荷运行，用一种类似数学上的基本公式来将其表示：

式（1）和（2）中PG 代表发电机的有功功率；QG 表示发电机的无功功率；PL 表示所有有功负荷；QL 表示所有无功负荷；ΔP 表示电力系统中所有有功的损耗；ΔQ 表示电力系统中所有无功的损耗。

2.2 电力系统运行的稳定性种类

电力系统正常运行安全状态的基本稳定性主要包含以下几种[3-4]。

电力系统的静态稳定：当正常运行的电力系统受到外界的干扰后，基于自身系统稳定性自动调节，经过一个暂态过程后能恢复到新的全部稳态，并且保证电力系统正常工作的状态，即为静态稳定。

电力系统的暂态稳定：当电力系统受到外界的干扰后，在经历暂态过程后，恢复到初始运行状态或者重新达到新的运行稳定状态，即说明该电力系统在这种静态稳定运行具有暂态稳定。

电力系统的动态稳定：在一个大规模的电力系统中，一个外界干扰的影响有时会在干扰发生之后的几十秒钟甚至或者更长一段时间内才在电力系统内表现出来，这对电力系统的动态稳定性的直接影响往往是难以预计的，因此造成的后果也无法估量，所以维持电力系统的动态稳定十分有必要。

3 保证电力系统稳定运行的措施

3.1 快速切除故障及重合闸装置

不断加快故障切除速度不但可以有效防止单相同步交流发电机超过运行暂态稳定区，在另一角度来说，电力系统中发生继电故障后一些保护设备由于线路承受了超过负荷的电流量，容易发生过热甚至火灾爆炸等危险，从而引发更加严重的安全事故，若发现故障切除时间逐渐加快，减少过热的电流发生时间，可较大概率避免电力系统设备遭到损坏，防止故障事故范围的进一步扩大，提高电力系统运行的稳定性和安全性[5-6]。为了有效减少故障保护的切除动作时间，可以考虑从提高单相继电保护设备的工作性能上着手。根据前期大量研究可知，双回线路的故障切除速度提高一倍，则在三相短路情况出现时，其暂态稳定临界值将达到82%（原本临界值为45%）；当单相短路时，其暂态稳定临界值将达到98%（原本临界值为94%）。

3.2 减少系统的总电抗

从简单传输电力系统的整体功率限制极限系数表达式中可以明显看出，系统的输电最大功率与电力系统的整体电抗成反比例关系，当系统的整体电抗越大，则电力系统的功率极限就越小，反之则越大，同时其稳定性也越高。在电力系统设计中，系统中的电力设备力求做到最小电抗以提高系统的稳定性。但这与设备材料有关，例如发电机和电力变压器的结构电抗与它们的整体结构电抗尺寸大小有关，一般在针对发电机和电力变压器进行设计时，已开始考虑在相同投资和使用材料相同的电力条件，力求能够使它们的结构电抗尺寸减小[7]。若交流发电机或这变压器等设备内部具有自动励磁电流调节器，其电抗已经降低到极限值，再通过改变结构设计来降低电抗没有意义，所以自耦变压器可以在高压电力系统中应用，以减少系统的电抗。

对于交电变压器而言，其电抗短路性和阳抗直接性的影响关系到设备制造商的成本和设备运行管理性能，也因此不宜进行改变。自来电耦合式直流变压器本身不仅具有除了短路损耗小、体积小、价格便宜的诸多优点外，它的各种短路短阻电抗也较小，对于应用于不断提高资源线路传输稳定性有利，故在各种超高压下的短路传输电力系统中已经逐渐得到技术普及应用。相对而言，设法有效地减少对短路传输资源电线的各种短路短阻电抗，则显然也只能是有法可循的几种解决方法途径。主要几种解决途径方法之一就是通过直接采用一种线性分裂式的短阻导线，这样的方法不仅可以直接式地使其在传输电源线路上的短阻电抗达到约略或稍微减少20%，而且还能有效地减少或大大避免由于电晕所起的作用力而引起的各种传输线路上有功功率的损耗。减少电动输电线路上电抗的另一种方法是直接采用一个串联补偿电容进行补偿。一般来说，补偿的幅度越大，对系统运行稳定越有利，但过大的电容补偿度过大可能还会引起电动发电机的自励磁等短路异常情况，影响传输线路电源继电保护的正确执行动作，增大电源短路保护电流等，—般情况取决于补偿的幅度为02-05。

3.3 应用电力系统稳定器（P SS）

PSS 引入频率偏差Δf 信号，以补偿仅以电压偏差为控制器及调节器和励磁绕阻的慢性引起的调节对转子角的相位滞后。方框图如图1所示：输入信号为大轴转速(ω)频率(f)，输出信号为参量的偏差(Δω)或(Δf)。相位补偿要求输出信号应超前于振荡角输出信号与电压偏差信号一起接入自动电压调节器(AVR)，见图1。

图1 PSS 流程方框图

（1）抑制系统低频振荡。一般来说，电力系统的频率处于0.5Hz～2Hz，特别是互联的低频振荡系统，其不同的运行环境，振荡的次数不同，从现有的数据看，美国西北部与西南电网并网运行后，导致西北电网每分钟出现三周的振荡，并且西南电网每分钟十二周的振荡。

（2）提高暂态稳定性。当系统设置PSS 时，系统的暂态自动稳定极度得到有效的提升。但从实际应用中发现，在不同的电力环境和系统中，PSS所产生的效果还取决于故障的类型以及产生的地点。依据前期工程实际数据信息，可以发现快速励磁抑制系统由于增加了PSS，当其失稳后，其摇摆过程会极大缩减，对于短路故障，其功率摇摆仅仅3次内即可恢复正常。本文研究中以西电东送的桃西线作为实际研究对象，并且输电机组的功率为50万kW，采用上述措施后，人为设置三相短路故障，并且在0.1s 后快速切断电力故障，观察电力系统在有PSS 和无PSS 情况下的功率曲线。从图上我们可以明显看出，没有PSS 时，在图中计算输送过程最后一个功摆的相对反向功率为34。而装有PSS后，与之相对应的反向功率为23，同时功率收敛趋势非常明显。

4 结语

电力系统本身是由电力发电、供电和设备用电三者共同组合而成的一个巨大整体，三者之间相互存在联系，互相产生影响，某一个基本因素一旦出现严重问题、发生严重障碍，都会互相影响涉及到其他两个元素，甚至会殃及整个电力系统。因此，当一个电力系统的正常稳定运行生产秩序受到严重破坏时，电力系统必然需要自发在较短时间内予以消除各种扰乱，维持系统整体的正常稳定运行，这是一个电力系统自身应该具备的稳定正常运行的平衡能力。这种平衡能力的强弱主要取决于系统结构、设备运行性能和系统运行管理参数等等诸多方面影响因素。由上述可见，保证电力系统稳定、正常运行的重要性可见一斑。