110kV降壓變電所電氣一次初步設(shè)計(jì) 劉娜
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原作者及出處：IEEE/CIGRE穩(wěn)定性條件和定義聯(lián)合工作小組
電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義和分類
摘要
電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義和分類已經(jīng)被先前的IEEE/CIGRE專責(zé)小組報(bào)告過，然而，這些早期的成就并不能完全反映目前的行業(yè)需求、經(jīng)驗(yàn)和理解，特別是定義不夠準(zhǔn)確并且分類沒有涵蓋所有實(shí)際不穩(wěn)定情況。
這份報(bào)告由一個(gè)工作隊(duì)CIGRE研究委員會(huì)和IEEE電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能委員會(huì)聯(lián)合完成，從基本的觀點(diǎn)闡述了電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義和分類并密切審查了實(shí)際影響。該報(bào)告旨在更確切地定義電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，提供一個(gè)有系統(tǒng)根據(jù)的分類，并討論相關(guān)問題的聯(lián)系，如電力系統(tǒng)的可靠性和安全性。
關(guān)鍵詞：頻率穩(wěn)定性； Lyapunov穩(wěn)定性；振蕩穩(wěn)定；電力系統(tǒng)穩(wěn)定；小信號(hào)穩(wěn)定；條件和定義；暫態(tài)穩(wěn)定；電壓穩(wěn)定。
1. 緒論
自從1920年電力系統(tǒng)運(yùn)行以來，電網(wǎng)穩(wěn)定性已被確認(rèn)為一個(gè)重要的安全問題。許多重大的停電事故所造成的電力系統(tǒng)不穩(wěn)定，說明了這一現(xiàn)象的重要性。從歷史上看，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)，短暫的不穩(wěn)定一直占穩(wěn)定問題的主導(dǎo)地位，并已成為多數(shù)行業(yè)關(guān)于系統(tǒng)穩(wěn)定性關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著電力系統(tǒng)互聯(lián)的持續(xù)性增長(zhǎng)和發(fā)展，使用新的技術(shù)和操控，一些高壓條件下操作的增加，不同形式的系統(tǒng)不穩(wěn)定已經(jīng)出現(xiàn)。例如，電壓穩(wěn)定，頻率穩(wěn)定度和區(qū)域間振蕩相對(duì)以前已成為更大的關(guān)注。這就必須需要回顧電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義和分類。對(duì)于電力系統(tǒng)滿意的設(shè)計(jì)和操作，至關(guān)重要的是清楚地了解不同類型的不穩(wěn)定和它們是如何相互關(guān)聯(lián)的。同時(shí)，這也要求我們使用一致的術(shù)語來發(fā)展系統(tǒng)設(shè)計(jì)和操作標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)分析工具和研究程序。
電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義和分類是一個(gè)很陳舊的問題，有一些以前的報(bào)告中就由CIGRE和IEEE工作組所論及。然而，這些并不完全反映目前的行業(yè)需求，經(jīng)驗(yàn)和理解。特別是，定義并不精確而且分類并沒有涵蓋所有實(shí)際不穩(wěn)定情況。
這份報(bào)告是經(jīng)過CIGRE研究委員會(huì)38和IEEE電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能委員會(huì)聯(lián)合工作組長(zhǎng)期的審議后的結(jié)果。我們的目的是：更準(zhǔn)確地定義包括所有形式的系統(tǒng)穩(wěn)定性。
提供電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分類的一個(gè)系統(tǒng)的依據(jù)，識(shí)別和確定不同的類別，并提供這一現(xiàn)象一個(gè)主要的描述
探討一些相關(guān)的問題，如電力系統(tǒng)可靠性和安全性。
2. 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的定義
在本節(jié)中，我們提供了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性一個(gè)正式的定義，其意圖是提供一個(gè)基于物理的定義，而符合系統(tǒng)理論的定義，對(duì)于電力系統(tǒng)工程從業(yè)人員是容易理解和實(shí)施的。
A.擬議的定義
電力系統(tǒng)穩(wěn)定性，是對(duì)于一個(gè)電力系統(tǒng)，給一個(gè)初始的運(yùn)行狀態(tài)，在受到物理干擾后恢復(fù)狀態(tài)的平衡，它保持大多數(shù)系統(tǒng)變量在界限內(nèi)以致幾乎整個(gè)系統(tǒng)仍完好無損的能力。
B.討論和闡述
這一定義適用于互聯(lián)電力系統(tǒng)作為一個(gè)整個(gè)。然而，通常情況下，特殊的發(fā)電機(jī)或者發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性也引起我們的注意。遠(yuǎn)程發(fā)電機(jī)在與主系統(tǒng)沒有級(jí)聯(lián)不穩(wěn)定性時(shí)也可能失去穩(wěn)定（同步）。同樣的，特殊負(fù)載或負(fù)載領(lǐng)域的穩(wěn)定性也可能會(huì)引起人們的興趣；電動(dòng)機(jī)在與主系統(tǒng)沒有級(jí)聯(lián)不穩(wěn)定性時(shí)也可能失去穩(wěn)定（同步）。
電力系統(tǒng)受到了廣泛的小型和大型的干擾。小擾動(dòng)如負(fù)載變化不斷地發(fā)生；系統(tǒng)必須能夠適應(yīng)不斷變化的條件并且運(yùn)行令人滿意。它也必須能夠在很多性質(zhì)嚴(yán)重的擾動(dòng)下不會(huì)崩潰，如傳輸線短路或者一個(gè)大的發(fā)電機(jī)退出。大擾動(dòng)可能導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性變化是由于有缺陷的元件被切除所致。
電力系統(tǒng)對(duì)于一個(gè)擾動(dòng)的反應(yīng)可能涉及很多的設(shè)備。此外，保護(hù)單個(gè)設(shè)備的裝置可能導(dǎo)致系統(tǒng)變量的變化并且使裝備跳閘，在那方面弱化系統(tǒng)而且很可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定。
如果在一個(gè)擾動(dòng)下電力系統(tǒng)是穩(wěn)定的，那么它保持系統(tǒng)完整性而到達(dá)一個(gè)新的平衡狀態(tài)，也就是說，幾乎所有發(fā)電機(jī)和負(fù)載通過一個(gè)單一的連續(xù)的傳輸系統(tǒng)連接。
電力系統(tǒng)一直有一些小幅度的波動(dòng)，但是，當(dāng)對(duì)于特定的擾動(dòng)來評(píng)估穩(wěn)定性的時(shí)候，通常可以假設(shè)系統(tǒng)最初處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。
3. 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分類
一個(gè)典型的現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個(gè)高階多變量進(jìn)程，其動(dòng)態(tài)響應(yīng)受各種各樣具有不同特點(diǎn)和響應(yīng)速度的設(shè)備的影響。穩(wěn)定性條件就是一種對(duì)立作用下的平衡。根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)運(yùn)行狀況和干擾的形式及對(duì)立力量的不同，可能會(huì)遇到持續(xù)的不平衡，導(dǎo)致不同形式的不穩(wěn)定。在本節(jié)中，我們可以提供有系統(tǒng)依據(jù)的電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分類。
A.分類的需求
電力系統(tǒng)穩(wěn)定本質(zhì)上是一個(gè)單一的問題；然而，如果同等的處理一個(gè)電力系統(tǒng)可能遭受的各種形式的不穩(wěn)定，將并不能被完全理解和有效的解決。由于穩(wěn)定性問題的高維性和復(fù)雜性，做一些簡(jiǎn)化假設(shè)將有助于使用適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)描述的詳細(xì)程度和準(zhǔn)確的分析方法來分析特定類型的問題。穩(wěn)定性分析，包括確定不穩(wěn)定的關(guān)鍵的因素，并制定方法以提高穩(wěn)定狀態(tài)，因此穩(wěn)定性的分類將大大方便于歸入適當(dāng)?shù)念惸俊?所以分類對(duì)于有意義的實(shí)際分析和電力系統(tǒng)穩(wěn)定性問題的解決是至關(guān)重要的。正如第五節(jié)C-1將要討論的，這種分類對(duì)于局部穩(wěn)定性的概念在理論上是完全合理的。
B.穩(wěn)定性的種類
電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分類是基于以下方面考慮的：
考慮干擾的大小，這影響到計(jì)算的方法和預(yù)測(cè)的穩(wěn)定。
必須考慮到設(shè)備、流程和時(shí)間跨度，以評(píng)估穩(wěn)定性。
圖1給出了全局的電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題，確定了其類別和亞類。以下正說明了相應(yīng)形式的穩(wěn)定現(xiàn)象。
B.1功角穩(wěn)定：
功角穩(wěn)定是指互聯(lián)系統(tǒng)中的同步發(fā)電機(jī)受到擾動(dòng)后保持同步運(yùn)行的能力。功角失穩(wěn)可能由同步轉(zhuǎn)矩和/或阻尼轉(zhuǎn)矩不足引起，同步轉(zhuǎn)矩不足會(huì)導(dǎo)致非周期性失穩(wěn)，而阻尼轉(zhuǎn)矩不足會(huì)導(dǎo)致振蕩失穩(wěn)。
B.2 電壓穩(wěn)定：
電壓穩(wěn)定性是指在給定的初始運(yùn)行狀態(tài)下，電力系統(tǒng)遭受擾動(dòng)后系統(tǒng)中所有母線維持穩(wěn)定電壓的能力，它依賴于負(fù)荷需求與系統(tǒng)向負(fù)荷供電之間保持/恢復(fù)平衡的能力。電壓不穩(wěn)定將導(dǎo)致電壓的逐步下降或上升。電壓不穩(wěn)定一種可能的結(jié)果是損失一個(gè)地區(qū)的負(fù)載，或者傳輸線或其他元件由其保護(hù)系統(tǒng)導(dǎo)致的層疊式的跳閘。
B.3 電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定區(qū)別的依據(jù)：
功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定的區(qū)別并不是基于有功功率/功角和無功功率/電壓幅值之間的弱耦合關(guān)系，認(rèn)識(shí)到這點(diǎn)很重要。實(shí)際上，對(duì)于重負(fù)荷狀態(tài)下的電力系統(tǒng)，有功功率/功角和無功功率/電壓幅值之間具有很強(qiáng)的耦合關(guān)系，功角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定都受到擾動(dòng)前有功和無功潮流的影響。兩種穩(wěn)定應(yīng)該基于經(jīng)受持續(xù)不平衡的一組特定相反作用力以及隨后發(fā)生不穩(wěn)定時(shí)的主導(dǎo)系統(tǒng)變量加以區(qū)分。
B.4 頻率穩(wěn)定：
頻率穩(wěn)定是指電力系統(tǒng)受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng)后，發(fā)電和負(fù)荷需求出現(xiàn)大的不平衡，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定頻率的能力。這取決于能否使系統(tǒng)發(fā)電和負(fù)荷需求在使負(fù)荷損失為最小情況下保持/恢復(fù)平衡的能力。不穩(wěn)定的形式為持續(xù)性的頻率振蕩導(dǎo)致發(fā)電機(jī)和/或負(fù)荷跳閘。
B.5 分類的評(píng)論：
為方便起見，我們已將電力系統(tǒng)從導(dǎo)致不穩(wěn)定的原因劃分了其類別，采用了合適的分析工具和發(fā)展中的糾正措施。然而，在任何特定的情況下，任何一種形式的不穩(wěn)定可能不會(huì)以其純粹的形式出現(xiàn)。特別是在一些重要系統(tǒng)和串聯(lián)活動(dòng)中更是如此，作為系統(tǒng)失效的一種形式的不穩(wěn)定最終可能導(dǎo)致另一種形式的不穩(wěn)定。但是，對(duì)于理解從根源上解決這一問題，區(qū)分不同形式則是非常重要的，以便制定適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和操作程序。
盡管電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分類對(duì)于處理復(fù)雜性的問題是一個(gè)有效和方便的手段，但是系統(tǒng)總的穩(wěn)定性應(yīng)始終銘記。一種穩(wěn)定問題的解決辦法不應(yīng)以犧牲另一種穩(wěn)定為代價(jià)。我們有必要看看各方面的穩(wěn)定的現(xiàn)象，以及從多方面的觀點(diǎn)而不是一方面來看。
圖1 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的分類
4. 總結(jié)
本報(bào)告討論了穩(wěn)定的定義和分類在電力系統(tǒng)中的一個(gè)基本觀點(diǎn)并審查了實(shí)際影響穩(wěn)定現(xiàn)象的重要細(xì)節(jié)。這里提供了一個(gè)包含一切形式的電力系統(tǒng)穩(wěn)定的確切定義。一份特點(diǎn)分明的報(bào)告是電力系統(tǒng)穩(wěn)定的一個(gè)系統(tǒng)分類而且可以確定不同類別的穩(wěn)定行為。他們之間的聯(lián)系，電源系統(tǒng)的可靠性，安全與穩(wěn)定也提及并進(jìn)行了討論。該報(bào)告還嚴(yán)格的從數(shù)學(xué)與控制理論去處理穩(wěn)定的定義和概念。這份論文旨在提供背景資料，并建立理論連接。
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