电力系统稳定问题

电力系统稳定问题1第一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日主要内容1.电力系统稳定问题的提出2.电力系统稳定性的定义3.电力系统稳定问题的分类4.稳定性与可靠性、安全性之间的关系5.近几年发生的大停电事故2第二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日1.稳定问题的提出随着电力工业的出现而出现随着电力工业的不断发展而变化单电源系统互联系统有利于地区间电力平衡和经济调度有利于安排机组检修和事故备用容量有利于充分利用水力资源有利于提高供电可靠性有利于提高系统的抗冲击能力，提高供电质量3第三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日1.稳定问题的提出截至2013年，我国总发电机装机容量已达12.5亿kW，年发电量52451亿kW·h，居世界首位南方电网建成“八交七直”共15条500kV及以上的西电东送大通道，最大输电能力超过3000万kW早期局限于功角稳定系统规模越来越大，电压稳定、频率稳定及区域间震荡等问题引起越来越多的重视——稳定问题的概念需要进一步准确化4第四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日2.电力系统稳定性的定义当电力系统在某一正常运行状态下受到某种扰动后，凭借系统本身固有的能力和控制设备的作用，恢复到原始稳态运行方式，或者达到新的稳态运行方式的能力。tt05第五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日讨论电力系统稳定性是系统维持在平衡点（初始运行状态）周围运动的一种性质实际电力系统不可能绝对的停留在某个状态，各种扰动时刻不停地发生，但系统对扰动的响应应趋向于回到平衡点小扰动：如负荷扰动大扰动：如短路故障、机组切除等6第六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日讨论对大扰动，系统的稳定性与扰动类型、地点以及持续时间等因素有关不可能要求系统对所有大扰动维持稳定大扰动下稳定平衡点具有一个有限的吸引域7第七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日讨论扰动下系统的响应可能包含很多设备的动作效果短路故障时继电保护的动作将引起电压、电流、功率以及频率的变化电压变化引起发电机和负荷节点处调压设备的动作转速变化将引起调速系统的动作电压和频率的变化引起负荷功率的变化在扰动下保护单一元件的设备可能引起系统结构的弱化，降低系统的稳定8第八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日讨论系统稳定：达到新的平衡状态且系统的整体性不被破坏，即几乎所有发电机和负荷都通过一个临近的输电网保持互联部分机组或负荷可能因隔离事故的操作而断开与系统的联系互联系统在严重故障下可能被主动解列9第九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日讨论系统不稳定：将导致系统出现解列或崩溃状态转子相对角持续不断上升电压持续不断下降连锁性的机组或线路跳闸系统的重要部分停电10第十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日关于稳定的分类分类的目的便于理解系统失稳的机理便于识别系统失稳的原因便于选择合适的分析模型、方法和工具便于发展正确的应对手段注意点失稳现象常常不是纯粹的某一类别，系统一旦以某种形式失去稳定，常常会导致其他形式的失稳现象必须全面考虑系统的稳定问题，对某种稳定问题的解决方案不应以牺牲其他形式的稳定性为代价11第十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.稳定问题的分类短期短期长期短期长期12第十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.1功角稳定（转子角稳定）互联系统中同步发电机在扰动下维持同步的能力。取决于系统中每台发电机维持或恢复其电磁转矩与机械转矩的平衡关系的能力。发电机组的转速由作用在转子上的转矩决定机械转矩：由原动机提供，推动发电机旋转，与发电机旋转方向一致电磁转矩：阻碍发电机旋转，与发电机旋转方向相反转矩平衡转速恒定13第十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.1功角稳定（转子角稳定）影响功角稳定问题的基本因素是同步发电机转子角变化时其电磁转矩的变化方式（功角特性），系统的稳定性取决于转子角的变化量能否产生足够的恢复转矩。14第十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日功角失稳的方式在转子角摇摆时同步机电磁转矩的变化包含两个分量同步转矩分量：与转子角变化同相位阻尼转矩分量：与转速变化同相位如果发电机的同步转矩分量不足将导致非周期失稳（或非振荡失稳）如果发电机的阻尼转矩分量不足将导致振荡失稳15第十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.1.1小扰动功角稳定（静态稳定）小扰动功角稳定考虑充分小扰动时的功角稳定问题允许采用线性化的模型进行分析关心的时间尺度为扰动后10~20s从失稳方式划分：振荡失稳和非振荡失稳实际电力系统中通常出现的是阻尼转矩不够导致的振荡失稳现象由于调压器的调节作用，实际电力系统通常不会出现非振荡失稳，除非采用的是励磁电压为常数的模型16第十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日小扰动功角稳定从失稳区域划分局部失稳一台或几台机组相对系统其它部分的增幅振荡（局部震荡模式）影响因素：失稳机组与系统的接入方式、调压系统以及机组出力全局失稳：一个地区的所有机组相对另一个地区的机组的振荡（区间振荡模式）影响因素十分复杂，负荷特性会产生重要的影响17第十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.1.2大扰动功角稳定（暂态稳定）大扰动功角稳定考虑严重扰动（如短路故障）发电机转子角大幅变化，须采用非线性的功角关系系统是否失稳不仅取决于初始运行状态，还取决于扰动的严重程度时间尺度通常是扰动后3~5s对具有明显区间振荡模式的大型电力系统可将时间尺度延长到扰动后10~20s18第十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日扰动程度的影响19第十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日大扰动功角稳定失稳方式通常是由于缺乏足够的同步转矩而产生的非振荡失稳，即所谓的第一摆失稳大型电力系统中也存在其他失稳方式第一摆稳定后由于一个慢的区间振荡模式和一个局部振荡模式的叠加可能导致大的转子角偏移第一摆稳定后由于系统的非线性特性对某一振荡模式的影响也可能导致失稳——从时间尺度来看，小扰动功角稳定和暂态稳定问题都应归类为短期稳定20第二十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日对动态稳定概念的处理动态稳定（DynamicStability）也是一类功角稳定问题，但各地区对其含义有不同的理解北美动态稳定指考虑发电机自动控制系统（特别是励磁控制系统）时的小扰动稳定相对的，经典静态稳定则特指不考虑发电机自动控制系统时的小扰动稳定欧洲通常用来表示暂态稳定，即大扰动功角稳定因此，CIGRE和IEEE建议不再使用该词21第二十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.2电压稳定给定初始运行条件下发生扰动后电力系统维持其所有节点电压值的能力。取决于电力系统维持或恢复负荷需求和负荷供给之间平衡关系的能力。电压失稳通常表现为部分节点电压逐渐下降或上升。可能导致的后果损失部分负荷保护系统切除联络线或其它设备并导致连锁反应，部分发电机也可能在此过程中失去同步22第二十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.2电压稳定导致电压失稳的主要原因通常是负荷特性，如电动机的滑差特性、配电网的电压调节装置、带分接头调节的变压器等，其试图恢复负荷的努力常常会增加高压网无功供应的负荷并进一步加大电压降。输电网络中的电抗限制了功率传输和电压支撑的能力，其导致的电压降落在电压失稳过程中也起重要作用。23第二十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.2电压稳定大部分电压失稳现象表现为电压的持续下降，但电压上升的失稳情况也是存在并发生过的HVDC也可能引起电压稳定问题控制系统调节不当可能导致交流侧无功供应不足，所引起的电压失稳过程通常是快速的（秒级甚至更快）换流变压器的分接头调节动作也可能引起电压失稳，但失稳过程会慢得多24第二十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.2.1小扰动电压稳定指微小扰动（如负荷增加）下系统维持电压的能力在适当的假设条件下，可以采用线性化模型计算系统的灵敏度信息从而判断影响稳定性的因素由于线性化模型不能考虑如分接头调节之类的离散控制的影响，常常将线性化分析和非线性分析结合起来使用25第二十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.2.2大扰动电压稳定指大扰动（如系统故障、切机、断线等）下系统维持电压的能力影响这一过程的因素包括系统和负荷特性、各种连续控制和离散控制的效果以及保护系统的动作情况确定大扰动下的电压稳定性要求对系统在扰动后足够长时间的响应进行分析，并考虑电动机、变压器分接头、发电机励磁限制等因素的影响时间尺度可能从几秒到几十分钟26第二十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日电压稳定的时间尺度分析短期电压稳定：时间尺度为数秒包括电动机、HVDC换流器等元件需要对适当的系统微分方程求解，类似功角稳定的分析方法不建议使用“暂态电压稳定”一词长期电压稳定：数分钟或数十分钟考虑分接头调节、温度调节负荷以及发电机励磁限制等慢变元件考虑的扰动可能是负荷的缓慢增长失稳的原因可能是无法长期维持负荷平衡、扰动后的平衡点不稳定或者扰动后的平衡点的吸引域太小等很多情况下可以采用静态分析的灵敏度概念27第二十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日功角稳定和电压稳定的区别区别主要在于二者由不同量的不平衡引起，并且失稳现象在不同量上表现得更明显一种错误的观点功角稳定和电压稳定的差别是由于有功相角和无功电压之间的弱耦合关系实际上功角稳定和电压稳定都一样不仅受扰动前有功潮流的影响，也受扰动前无功潮流的影响28第二十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.3频率稳定在导致系统发电量和负荷量出现明显不平衡现象的严重扰动发生后，系统维持频率的能力取决于在损失最小负荷的前提下系统维持或恢复发电量和负荷量之间的平衡关系的能力频率失稳的现象是频率持续波动并导致切机和/或切负荷29第二十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.3频率稳定严重扰动下系统的频率、电压、潮流等都会大幅变化，因此分析时需要考虑一些常规的暂态稳定和电压稳定中不会考虑的过程、控制和保护手段，如锅炉、低频减载等大型互联系统中严重故障常常会导致系统解列，此时稳定研究的目的是确定是否可以在最小负荷损失的前提下达到每个解列区域的平衡状态频率稳定的分析常常针对系统或解列区域的平均频率进行引起频率稳定问题的原因包括：不适当的设备特性、不正确的控制和保护整定或不充足的发电备用孤立系统中出现导致切机或者切负荷的扰动时常常需要关注其频率稳定问题30第三十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日3.3频率稳定在频率偏移过程中起作用的设备和调节过程的时间尺度可以是几分之一秒，如低频减载、发电机控制系统和保护系统，也可以是数分钟，如原动机功率调节系统和负荷电压调节系统因此频率稳定过程既可能是短期现象，也可能是长期现象频率偏移过程中电压也可能会明显变化，特别是在减载装置动作的孤立系统中。电压变化的百分比甚至可能大于频率变化的百分比，并进一步加剧发电量和负荷的不平衡31第三十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日4.稳定性与可靠性、安全性之间的关系可靠性系统在较长运行周期中工作正常的概率表示在相当长的时间内几乎不中断地为用户提供足够电力供应的能力安全性电力系统在意外事件下不中断用户电力供应的能力的风险度安全性与系统对意外事件的鲁棒性有关，并取决于系统的运行条件及意外事件的发生概率稳定性扰动后系统整体性的维持能力取决于系统的运行条件和扰动的性质32第三十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日4.稳定性与可靠性、安全性之间的关系可靠性是系统设计和运行的总体目标为保证可靠性，系统绝大部分时间必须是安全的为保证安全性，系统必须是稳定的，同时必须对其它不能归类为稳定问题的偶然事件是安全的，如设备损坏、杆塔倒塌或者人为破坏等也可从后果来区分安全性和稳定性两个具有相同稳定裕度的系统，如果一个系统失稳的后果比另一个差，则前者的安全性相对较差安全性和稳定性是时变的，可通过对特定运行方式的研究进行判断可靠性是一段时间内的平均性能，只能通过对一段时间内系统性能的整体考虑进行判断33第三十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日电力系统安全性分析方法安全性分析即确定系统对预期发生的扰动的鲁棒性要求1：系统在扰动发生后能够达到新的运行状态，并且在该状态下满足所有必须的约束要求2：系统在向新的运行状态过渡过程中不发生任何失稳现象对要求1的验证称为静态安全分析，对要求2的验证称为动态安全分析因此，稳定性分析是安全性分析的一个组成部分，也是可靠性评估的一部分34第三十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日电力系统安全性分析方法电力系统中目前的安全性分析基于确定性方法设计和运行时要求系统能够承受一系列正常扰动——N-1准则比正常扰动更严重的扰动依靠切机、切负荷以及解列等紧急控制措施主要不足之处认为所有的扰动具有相同的发生概率和相同程度的后果发展方向：基于风险的安全性评估考虑运行方式和事件发生的概率，定量分析和研究系统的风险检验系统失稳的概率和后果35第三十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日稳定分析的一般步骤根据待研究的时间尺度和现象选择建模的假设条件，建立适当的数学模型选择适当的稳定定义基于某事件分析和/或仿真，确定系统的稳定性对照假设条件检查结果，参照工程经验，必要时重复进行分析36第三十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日仿真系统37第三十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日仿真波形38第三十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日5.近几年发生的大停电事故思考：为什么会发生大停电事故？如何有效防止发生大停电事故？39第三十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日美国8.14大停电事故美国东部时间2003年8月14日下午16点11分，以北美五大湖为中心的地区发生大面积停电事故，包括美国东部的纽约、密歇根、俄亥俄、马萨诸塞、康涅狄格、新泽西州北部和新英格兰部分地区以及加拿大的安大略等地区。这是北美有史以来最大规模的停电事故。停电涉及美国整个东部电网，事故中至少有21座电厂停运，停电持续时间为29h，损失负荷61800MW。约5000万人受到影响，地域约24000平方千米，其中纽约州80%供电中断。40第四十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日美国8.14大停电事故简要经过和原因分析a)第一能源公司(FE)的3条输电线路由于离树枝太近，短路跳闸，这是大停电的最初原因;b)当时FE公司控制室的报警系统未正常工作，而控制室内的运行人员也未注意到这一点，即他们没有发现输电线路跳闸;c)由于公司的监控设备没有报警，控制人员就未采取相应的措施，如减负荷等，致使故障扩大化，最终失去控制;41第四十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日美国8.14大停电事故d)正是由于FE公司根本未意识到出现问题，也就没有通告相邻的电力公司和可靠性协调机构，否则也可协助解决问题;e)此时，中西部独立电网运营机构MISO作为该地区(包括FE)的输电协调机构，也出现问题;f)MISO的系统分析工具在8月14日下午未能有效地工作，导致MISO没有及早注意到FE公司的问题并采取措施;g)MISO用过时的数据支持系统的实时监测，结果未能检测出FE公司的事态发展，也未采取缓解措施;42第四十二页，共五十四页，编辑于2023年，星期日美国8.14大停电事故h)MISO缺乏有效的工具确定是哪条输电线路的断路器动作及其严重性，否则MISO的运行人员可以根据这些信息更早地意识到事故的严重性;i)MISO和PJM互联机构(控制宾夕法尼亚、马里兰和新泽西等地)在其交界处对突发事件各自采取的对策缺乏联合协调措施;j)总体而言，这次大停电是诸多因素所致，包括通信设施差、人为错误、机械故障、运行人员培训不够及软件误差等。从复杂的计算机模拟系统到简单的输电走廊树枝修剪，都未予以足够的重视。43第四十三页，共五十四页，编辑于2023年，星期日伦敦大停电事故2003

年8

月28

日下午英国伦敦经历了16

年来第1次大停电。英国国家电网公司所属的伦敦南部电力传输系统出现故障，导致该系统从18:20

至18:57

电力供应中断。停电影响了EDF

能源公司的410000个用户，事故主要发生在伦敦南部地区，东至Bexley，西至Kingston，北至Bankside，南至Beckenham，停电共损失负荷724MW，约为当时整个伦敦负荷的20%。

（2）英国国家电网公司事故后调查得知，故障出现的原因是在2001年更换老设备时安装了一个不正确的保护继电器，致使自动保护设备被误启动，而切除Hurst变电所的变压器不是造成本次事件的直接原因，它使伦敦电力供应量瞬间减少了五分之一。由于电力缺额过大造成了这次大停电。44第四十四页，共五十四页，编辑于2023年，星期日北欧大停电事故2003年9月23日北欧电网中的瑞典中部和南部电网及丹麦的东部电网发生大面积停电，停电区包括瑞典首都斯德哥尔摩，重要城市马尔及丹麦首都哥本哈根。瑞典东部奥斯卡斯汉姆核电厂3号机（1135MW）及西部林哈尔斯核电厂3号机（920MW）及4号机（885MW）停运。

（2）据报道，停电的主要原因是被暴风雪压倒刮断的树木破坏了供电线路，随之进一步引起跳闸停电事件的发生。45第四十五页，共五十四页，编辑于2023年，星期日意大利全国大停电事故2003年9月28日凌晨3∶30意大利发生全国大停电，受停电影响的居民达5400万人（约占全国人口的93%）。停电数小时后北部城市米兰等首先恢复供电，继之首都罗马在当天中午开始有电。南部地区到29

日才恢复供电。

（2）这次事故的直接原因是从法国通往意大利的两条400kV高压电线因暴雨中断。但是在短暂的电力中断之后，意大利方面未能及时连通法、意之间的电力电缆，引起这2条400kV线路相继跳闸，导致意大利有功出力不足，引起一连串的停电事件。46第四十六页，共五十四页，编辑于2023年，星期日莫斯科大停电事故2005年5月23日晚19:57起，俄罗斯莫斯科地区电网发生一系列故障，到5月25日11:00左右，莫斯科市大部分地区及附近25个城市发生大面积停电事故，莫斯科电网共断开了321座变电站，除最先停电的500kV恰吉诺变电站外，还包括16座220kV变电站，201座110kV变电站，104座35kV变电站。直接损失负荷达3539.5MW，近400万人的生活受到影响，造成了15～20亿美元的直接经济损失。

47第四十七页，共五十四页，编辑于2023年，星期日莫斯科大停电事故事故的直接原因是气温高，用电负荷大幅增长，线路过负荷跳闸引起连锁反应，线路相继跳闸，导致大面积停电。前一天运行40多年的变电站电流互感器爆炸起火，造成220kV线路停运，改由110kV线路带负荷是过载的直接原因。而设备运行维护不当造成电流互感器爆炸是事故发生的导火索。引起事故的恰吉诺变电站建于1963年，设备均已老化。且电网处于超负荷运行状态，运行人员也未引起注意，缺乏严格的操作规程约束及协调手段。48第四十八页，共五十四页，编辑于2023年，星期日印尼大停电事故2005

年8

月18

日上午，印尼发生了包括首都雅加达在内的大面积停电事故，首都雅加达彻底断电，总共波及近1

亿人口，接近总人口的一半。城市交通、铁路及航班也受到严重影响。造成大停电的原因，主要是爪哇岛和巴厘岛的电力输电网发生故障，连带影响到雅加达等地区的供电，导致供电系统出现问题。49第四十九页，共五十四页，编辑于2023年，星期日中国海南大停电事故2005年9月26日清晨1时左右，第18号台风“达维”对海南电力设施造成了严重破坏，引发了部分电厂连续跳机解列，最终系统全部瓦解，导致了罕见的全省范围大停电。分析认为，电网设计水平偏低、孤立运行、设备老化严重、大机小网和弱联系的电网结构是海南“9.26”大停电的主要原因。50第五十页，共五十四页，编辑于2023年，星期日西欧大停电事故欧洲当地时间2006年11月4日22:10(北京时间2006年11月5日5:10)，欧洲电网发生一起大面积停电事故，事故中欧洲输电协调联盟(UCTE)

电网解列为3个区域，各个区域发供电严重不平衡，相继出现频率低周或高周情况。事故影响范围广泛，波及法国和德国人口最密集的地区以及比利时、意大利、西班牙、奥地利的多个重要城市，大多数地区在半小时内恢复供电，最严重的地区停电达1.5h。整个事故损失负荷高达16.72

GW，约1500万用户受到影响。51第五十一页，共五十四页，编辑于2023年，星期日西欧大停电事故事件的起因是:

德国最大的能源公司—E.

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