电力系统

四、电力系统运行与控制

　　（一）电力系统的运行状态

　　电力系统是由发电机、变压器、输配电线路和用电设备按一定方式连接组成的整体。其运行特点是发电、输电、配电和用电同时完成。因此，为了向用户连续提供质量合格的电能，电力系统各发电机发出的有功和无功功率应随时随刻与随机变化的电力系统负荷消耗的有功功率和无功功率（包括系统损耗）相等，同时，发电机发出的有功功率和无功功率、线路上的功率潮流（视在功率）和系统各级电压应在安全运行的允许范围之内。要保证电力系统这种正常运行状态，必须满足两点基本要求：

　　(1)电力系统中所有电气设备处于正常状态，能满足各种工况的需要。

　　(2)电力系统中所有发电机以同一频率保持同步运行。

　　现代电力系统的特点是大机组、高电压、大电网、交直流远距离输电、电网互联，因而其结构复杂，覆盖不同环境的辽阔地域。这样，在实际运行中，自然灾害的作用、设备缺陷和人为因素都会造成设备故障和运行条件发生变化，因而电力系统还会出现其他非正常运行的状态。

　　电力系统的运行状态可分为3种：正常状态、紧急状态（事故状态）和恢复状态（事故后状态）。图7－3画出了3种运行状态及其相互间的转化关系。

　　1．正常状态

　　在正常运行状态下，电力系统中总的有功和无功功率出力能和负荷总的有功和无功功率的需求达到平衡；电力系统的各母线电压和频率均在正常运行的允许偏差范围内；各电源设备和输配电设备均在规定的限额内运行；电力系统有足够的旋转备用和紧急备用以及必要的调节手段，使系统能承受正常的干扰（如无故障开断一台发电机或一条线路），而不会产生系统中各设备的过载，或电压和频率偏差超出允许范围。

　　在正常运行状态下，电力系统对不大的负荷变化能通过调节手段，可从一个正常运行状态连续变化到另一个正常运行状态。在正常运行状态下，还能在保证安全运行条件下，实现电力系统的经济运行。

　　2．紧急状态

　　电力系统遭受严重的故障（或事故），其正常运行状态将被破坏，进入紧急状况（事故状态）。

　　电力系统的严重故障主要有：

　　(1)线路、母线、变压器和发电机短路。短路有单相接地、两相和三相短路。短路又分瞬间短路和永久性短路。在实际运行中，单相短路出现的可能性比三相短路多，而三相短路对电力系统影响最严重。当然尤其严重的是三相永久性短路，这是极其稀小的。在雷击等情况下，有可能在电力系统中若干点同时发生短路，形成多重故障。

　　(2)突然跳开大容量发电机或大的负荷引起电力系统的有功功率和无功功率严重不平衡。

　　(3)发电机失步，即不能保持同步运行。

　　电力系统出现紧急状态将危及其安全运行，主要事故有以下几个方面：

　　(1)频率下降。在紧急状态下，发电机和负荷间的功率严重不平衡，会引起电力系统频率突然大幅度下降，如不采取措施，使频率迅速恢复，将使整个电厂解列，其恶性循环将会产生频率崩溃，导致全电力系统瓦解。

　　(2)电压下降。在紧急状态下，无功电源可能被突然切除，引起电压大幅度下降，甚至发生电压崩溃现象。这时，电力系统中大量电动机停止转动，大量发电机甩掉负荷，导致电力系统解列，甚至使电力系统的一部分或全部瓦解。

　　(3)线路和变压器过负荷。在紧急状态下，线路过负荷，如不采取相应技术措施，会连锁反应，出现新的故障，导致电力系统运行进一步恶化。

　　(4)出现稳定问题。在紧急状态下，如不及时采取相应的控制措施或措施不够有效，则电力系统将失去稳定。所谓电力系统稳定，就是要求保持电力系统中所有同步发电机并列同步运行。电力系统失去稳定就是各发电机不再以同一频率，保持固定功角运行，电压和功率大幅度来回摇动。电力系统稳定的破坏会对电力系统安全运行产生最严重后果，将可能导致全系统崩溃，造成大面积停电事故。

　　60年代以来，国际上出现过多次大面积停电事故。例如，1977年7月13曰，美国纽约电力系统由于遭受雷击，保护装置不正确动作，调度中心掌握信息不足以及通信困难等原因，造成事故的连锁发展和扩大，致使全系统瓦解。事故前后延续25h，影响900万居民供电，直接和间接经济损失达3.5亿美元。

　　电力系统进入紧急状态后，应及时依靠继电保护和安全自动装置有选择地快速切除故障，采取提高安全稳定性措施，避免发生连锁性的故障，导致事故扩大和系统的瓦解。

　　3．恢复状态

　　在紧急状态后，借助继电保护和自动装置或人工干预，使故障隔离，事故不扩大，电力系统大体可以稳定下来。这时，部分发电机或线路（变压器）仍处于断开状态，部分用户仍然停电，严重情况下电力系统可能被分解成几个独立部分，电力系统进入恢复状态。这时，要采取一系列操作，采取各种恢复出力和送电能力的措施，尽快恢复对用户的供电，使系统恢复到正常状态。

　　（二）电力系统稳定性和提高稳定的基本措施

　　1．电力系统稳定性

　　电力系统稳定性可分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定。

　　(1)电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动恢复到起始运行状态的能力。

　　(2)电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过渡到新的或恢得到原来稳定运行状态的能力，通常指第一或第二摆不失步。

　　(3)电力系统动态稳定是指系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。

　　远距离输电线路的输电能力受这3种稳定能力的限制，有一个极限。它既不能等于或超过静态稳定极限，也不能超过暂态稳定极限和动态稳定极限。在我国，由于网架结构薄弱，暂态稳定问题较突出，因而线路输送能力相对国外来说要小一些。

2．提高系统稳定的基本措施

　　提高系统稳定的措施可以分为两大类：一类是加强网架结构；另一类是提高系统稳定的控制和采用保护装置。

　　(1)加强电网网架，提高系统稳定。线路输送功率能力与线路两端电压之积成正比，而与线路阻抗成反比。减少线路电抗和维持电压，可提高系统稳定性。增加输电线回路数、采用紧凑型线路都可减少线路阻抗，前者造价较高。在线路上装设串联电容是一种有效的减少线路阻抗的方法，比增加线路回路数要经济。串连电容的容抗占线路电抗的百分数称为补偿度，一般在50％左右，过高将容易引起次同步振荡。在长线路中间装设静止无功补偿装置（SVC），能有效地保持线路中间电压水平（相当于长线路变成两段短线路），并快速调整系统无功，是提高系统稳定性的重要手段。

　　(2)电力系统稳定控制和保护装置。提高电力系统稳定性的控制可包括两个方面：①失去稳定前，采取措施提高系统的稳定性；②失去稳定后，采取措施重新恢复新的稳定运行。下面介绍几种主要的稳定控制措施。

　　发电机励磁系统及控制。发电机励磁系统是电力系统正常运行必不可少的重要设备，同时，在故障状态能快速调节发电机机端电压，促进电压、电磁功率摆动的快速平息。因此，充分发挥其改善系统稳定的潜力是提高系统稳定性最经济的措施，国外得到普遍重视。常规励磁系统采用PID调节并附加电力系统稳定器（PSS），既可提高静态稳定又可阻尼低频振荡，提高动态稳定性。目前国外较多的是采用快速高顶值可控硅励磁系统，配以高放大倍数调节器和PSS装置，这样可同时提高静态、暂态和动态3种稳定性。

　　电气制动及其控制装置。在系统发生故障瞬间，送端发电机输出电磁功率下降，而原动机功率不变，产生过剩功率，使发电机与系统间的功角加大，如不采取措施，发电机将失步。在短路瞬间投入与发电机并联的制动电阻，吸收剩余功率（即电气制动），是一种有效的提高暂态稳定的措施。

　　快关汽门及其控制。在系统发生故障时，另一项减少功率不平衡的措施是快关汽门，以减少发电机输入功率。用控制汽轮机的中间阀门实现快关汽门可有效提高暂态稳定性。但是，它的实现要解决比较复杂的技术问题，是否采用快关措施要进行研究和比较。

　　此外还有在送端切机，同时在受端切负荷来提高整个系统的稳定性，以保证绝大多数用户的连续供电。

　　继电保护及重合闸装置。它是提高电力系统暂态稳定的重要的有效措施之一。对继电保护的要求是：无故障时保护装置不误动，发生故障时可靠动作。它的正确选择、快速切除故障可使电力系统尽快恢复正常运行状态。高压线路上发生的大多数故障是瞬时性短路故障。继电保护装置动作，跳断路器，断开线路，使线路处于无电压状态，电弧就能自动熄灭。在绝缘恢复后，重新将断开的线路投入，恢复供电。这种自动重合断路器的措施称为自动重合闸。它分为单相和三相重合闸，也是一项显著提高暂态稳定性的措施。

　　（三）电力系统安全控制

　　电力系统安全控制的目的是采取各种措施使系统尽可能运行在正常运行状态。

　　在正常运行状态下，通过制定运行计划和运用计算机监控系统（SCADA或EMS），实时进行电力系统运行信息的收集和处理，在线安全监视和安全分析等，使系统处于最优的正常运行状态。同时，在正常运行时，确定各项预防性控制，以对可能出现的紧急状态提高处理能力。这些控制内容包括：调整发电机出力、切换网络和负荷、调整潮流、改变保护整定值、切换变压器分接头等。

　　当电力系统一旦出现故障进入紧急状态后，则靠紧急控制来处理。这些控制措施包括继电保护装置正确快速动作和各种稳定控制装置。通过紧急控制将系统恢复到正常状态或事故后状态。当系统处于事故后状态时，还需要用恢复控制手段，使其重新进入正常运行状态。
　　各类安全控制可按其功能分为：

　　(1)提高系统稳定的措施有快速励磁、电力系统稳定器（PSS）、电气制动、快关汽机和切机、串联补偿、静止无功补偿（SVC）、超导电磁蓄能和直流调制等。

　　(2)维持系统频率的措施有低频减负荷、低频降电压、低频自起动、抽水蓄能机组低频抽水改发电、低频发电机解列、高频切机、高频减出力等。

　　(3)预防线路过负荷的措施有过负荷切电源、过负荷切负荷等。

　　电力系统安全控制的发展趋势将是计算机分层控制、控制装置微处理机化和智能化、发展电力系统综合自恢复控制。