电力系统稳定性分析.doc
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关于电力系统安全稳定问题预习的报告
上周我对第一章和第二章进行了预习，同时查阅了一些关于电力系统安全稳定相关方面的知识，以下对这一周的学习做一个简单的汇报。
一、关于参考书的第一章和第二章的预习部分
1.第一章的主要讲述现代电力系统的基本特性，内容包括电力系统的发展历史、电力系统的结构、电力系统控制、稳定性的设计和运行准则。
在电力系统的发展历史大致总的来说经历了从直流系统到交流系统的转变,尤其HVDC输电得到广泛的应用。
现代电力系统的基本构成，首先在发电厂发出电力，在通过一个复杂的网络，将电力输送给用户。
输电网络由输电线路、变压器和开关设备等单个原件组成。
电力系统的控制，主要包括系统发电控制、输电控制、装置的复杂陈列等。
在发电基础中，发电机控制由原动机控制和励磁控制组成。
系统发电控制的首要目的，是维持整个系统的控制与系统符合和损耗的平衡，从而使所希望的频率以及与相邻系统的功率交换得意保持。
输电控制包括功率和电压控制设备，例如静止无功补偿器、同步调相机、可投切电容器和电抗器、可调抽头变压器、移项变压器和HVDC输电控制等。
电力系统的运行状态包括正常、警戒、紧急、极端和恢复状态。
为了可靠供电，一个大规模电力系统必须保持完整，并能承受各种干扰。
因此，系统的设计和运行应使系统能承受更多可能的故障而不损失负荷，能在最不利的可能故障情况下，不致产生不可控的、广泛的连锁反应式的停电。
设计和运行准则对避免系统遭受严重故障后产生对系统的大干扰方面起着重要的作用。
准则的应用可保证系统在遇到所有经常发生的故障时，在最坏的情况下，系统能从正常状态转变为警戒状态，而不是转变为更为严重的紧急状态或极端状态。
2、第二章的主要讲述，电力稳定问题的导论，基本内容包括基本概念和定义，稳定的分类，稳定问题的历史回顾。
在第一节主要讲述了转子角稳定、电压稳定和电压崩溃，中期和长期稳定。
转子角稳定是电力系统中互联的同步电机，保持同步的能力。
这种稳定包括电力系统中固有的机电振荡的研究，其基本因素是，同步电机的功率输出随其转子摇摆变化的关系。
主要研究了同步电机的特性，功率和角度的关系，稳定性现象。
电压稳定是电力系统在额定运行情况下和遭受扰动之后系统中所有母线都持续的保持可接受的电压的能力。
当有扰动、增加负荷或改变系统条件造成渐进的、不可控制的电压降落，则系统进入电压不稳定状态。
造成不稳定的主要因素是，系统不能满足无功的需要。
由电压恶性下降造成的电力系统严重事故。
电力系统正常运行时，电源的无功功率输出与负荷的无功功率消耗及网络无功损耗相平衡。
若电源或无功功率补偿容量发生缺额时，负荷端电压被迫降低，当电压降低到某个临界值后,电压值持续不断地下降而不能恢复,即为电压崩溃。
电压崩溃将无功功率与节点电压的关系曲线使该地区的所有负荷被迫停电，甚至可能扩大为系统几部分之间的失去同步，导致非同步振荡，造成全系统的事故，损失更多负荷。
防止电压崩溃的措施有：
①在规划设计时配备足够的无功功率补偿电源，达到分层分区基本平衡；②在发生无功功率缺额时，应充分利用发电机和调相机的事故过负荷能力，采用强励装置和自动励磁调节器；③将可供投切的静电电容器和可控静止补偿器投入运行；④必要时应切除部分负荷，或按低电压自动切除负荷。
电力系统的长期稳定的分析，是假定发电机之间的同步功率振荡已经被阻尼并具有统一的系统频率，长期稳定集中研究的是伴随大规模的系统扰动而产生的较慢和长期的现象，以及所造成的大的持续的发电和用电消耗有功功率和无功功率的不平衡问题。
中期稳定的研究，集中于发电机之间的同步振荡，包括一些较慢现象的作用以及大的电压或频率的可能偏离等问题。
电力系统稳定是一个复杂的问题，多年来都是对电力系统工程师的挑战，而对这一问题的历史回顾有助于对今天稳定问题的理解。
早期的稳定问题是远方水电站经长距离输电线向大城市负荷中心供电产生的，而分析的方法和所用的模型受限于计算方法的记忆和动态系统稳定理论的开发，而后静态稳定和暂态稳定被分开处理。
随着电力系统逐步发展，独立系统之间互联增加了稳定问题的复杂型，网络分析仪的开发，有助于缩小交流电力系统模型，他有可调节的电阻器以及电表来测量网络中的电压、电流和功率。
这一进展有助于多机系统的潮流分析。
二、关于电力系统安全稳定导则
电力系统安全稳定导则主要包括五部分内容，范围、保证电力系统安全稳定运行的基本要求、电力系统的安全稳定标准、电力系统安全稳定计算分析、电力系统安全稳定工作的管理。
在范围上，本导则规定了保证电力系统安全稳定运行的基本要求，电力系统安全稳定标准以及系统安全稳定计算方法，电网经营企业、电网调度机构、电力生产企业、电力供应企业、电力建设企业、电力规划和勘测设计、科研等单位，均应遵守和执行本导则。
本导则适用于电压等级为220kV及以上的电力系统。
220kV以下的电力系统可参照执行。
在保证电力系统安全稳定运行的基本要求方面，主要包括总体要求电网结构、无功平衡及补偿、对机网协调及厂网协调的要求、防止电力系统崩溃、电力系统全停后的恢复等内容。
为保证电力系统运行的稳定性，维持电网频率、电压的正常水平，系统应有足够的静态稳定储备和有功、无功备用容量。
备用容量应分配合理，并有必要的调节手段。
在正常负荷波动和调整有功、无功潮流时，均不应发生自发振荡
在电力系统的安全稳定标准方面，主要讲述电力系统的安全稳定标准、电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准、对几种特殊情况的要求等内容。
在正常运行方式下，对不同的电力系统，按功角判据计算的静态稳定储备系数（Kp％）应满足15%~20％，按无功电压判据计算的静态稳定储备系数（Kv％）满足10%~1％。
在事故后运行方式和特殊运行方式下，Kp％不得低于10％，Kv％不得低于8％。
水电厂送出线路或次要输电线路下列情况下允许只按静态稳定储备送电，但应有防止事故扩大的相应措施：
如发生稳定破坏但不影响主系统的稳定运行时，允许只按正常静态稳定储备送电；在事故后运行方式下，允许只按事故后静态稳定储备送电
在电力系统安全稳定计算分析方面，主要包括，安全稳定计算分析的任务与要求、电力系统静态安全分析、电力系统静态稳定的计算分析、电力系统暂态稳定的计算分析、电力系统动态稳定的计算分析、电力系统电压稳定的计算分析、电力系统再同步的计算分析。
有关术语及定义
A1电力系统的安全性
安全性指电力系统在运行中承受故障扰动（例如突然失去电力系统的元件，或短路故障等）的能力。
通过两个特性表征：
（1）电力系统能承受住故障扰动引起的暂态过程并过渡到一个可接受的运行工况;
（2）在新的运行工况下，各种约束条件得到满足。
安全分析分为静态安全分析和动态安全分析。
静态安全分析假设电力系统从事故前的静态直接转移到事故后的另一个静态，不考虑中间的暂态过程，用于检验事故后各种约束条件是否得到满足。
动态安全分析研究电力系统在从事故前的静态过渡到事故后的另一个静态的暂态过程中保持稳定的能力。
A2电力系统稳定性
电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。
通常根据动态过程的特征和参与动作的元件及控制系统，将稳定性的研究划分为静态稳定、暂态稳定、小扰动动态稳定、电压稳定及中长期动态稳定。
A2.1静态稳定
是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。
A2.2暂态稳定
是指电力系统受到大扰动后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳态运行方式的能力。
通常指保持第一或第二个振荡周期不失步的功角稳定。
A2.3动态稳定
动态稳定是指电力系统受到小的或大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。
动态稳定的过程可能持续数十秒至几分钟。
后者包括锅炉，带负荷调节变压器分接头，负荷自动恢复等更长响应时间的动力系统的调整，又称为长过程动态稳定性。
电压失稳问题有时与长过程动态有关。
与快速励磁系统有关的负阻尼或弱阻尼低频增幅振荡可能出现在正常工况下，系统受到小扰动后的动态过程中，称之为小扰动动态稳定，或系统受到大扰动后的动态过程中，一般可持续发展10～20s后，进一步导致保护动作，使其它元件跳闸，问题进一步恶化。
A2.4电压稳定
电压稳定是指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，不发生电压崩溃的能力。
无功功率的分层分区供需平衡是电压稳定的基础。
电压失稳可表现在静态小扰动失稳，暂态大扰动失稳及大扰动动态失稳或长过程失稳。
电压失稳可以发生在正常工况，电压基本正常的情况下，也可能发生在正常工况，母线电压已明显降低的情况下，也可能发生在受扰动以后。
A3N-1原则
正常运行方式下的电力系统中任一元件（如线路、发电机、变压器等）无故障或因故障断开，电力系统应能保持稳定运行和正常供电，其他元件不过负荷，电压和频率均在允许范围内。
这通常称为N－1原则。
N-1原则用于电力系统静态安全分析（单一元件无故障断开），或动态安全分析（单一元件故障后断开的电力系统稳定性分析）。
当发电厂仅有一回送出线路时，送出线路故障可能导致失去一台以上发电机组，此种情况也按N－1原则考虑。
A4枢纽变电站通常指330kV及以上电压等级的变电站，不包括单回线路供电的330kV及以上终端变电站。
按照国家电力公司颁布的《电业生产事故调查规程》2.2.2.3款释义，对电网安全运行影响重大的220kV枢纽变电站，由其所属电力公司根据电网结构确定。
A5重要负荷（用户）
通常指故障或非正常切除该负荷（用户），将造成重大政治影响和经济损失，或威胁人身安全和造成人员伤亡等。
可根据有关规定和各电力系统具体情况确定。
A6系统间联络线
系统间联络线一般指省电网间或大区电网间的输电线路。
大区电网是几个省电网互联形成的电网。
三、查阅的一些知识
我查阅了一篇题目为《电力系统稳定的定义与分类述评》，发表于2006年的一篇论文。
论文的主要内容为，
IEEE/CIGRE联合工作组于近期给出了新的电力系统稳定定义和分类，该定义和分类与我国《电力系统安全稳定导则》中的电力系统稳定定义和分类并不尽相同。
为深入理解电力系统不同稳定类型的定义、区分不同类型稳定之间的相互关系以及理清国内外两种定义的区别和联系，在介绍和比较国内外电力系统稳定定义和分类的基础上，分析了两种不同定义和分类的依据。
分析内容和结论对于正确识别导致电力系统失稳的主要诱因、分析特定问题时进行合理地简化以及采用恰当的模型和计算方法、安排合理的运行方式、制定提高系统安全稳定水平的控制策略、规划和优化电网结构具有帮助价值。
1）电力系统稳定是一个整体性问题，客观上只有一种稳定或不稳定状态，但依据系统的稳定特性、扰动大小和时间框架的不同，系统失稳可表现为多种不同的形式。
为识别导致电力系统失稳的主要诱因，合理地简化以及选用恰当的元件模型和分析技术，从而安排合理的运行方式、制定提高系统安全稳定水平的控制策略、规划和优化电网结构，IEEE/CIGRE和行标DL755-2001均将电力系统稳定分为功角稳定、频率稳定和电压稳定。
（2）对于功角稳定，IEEE/CIGRE依据扰动大小的不同，对功角稳定分为小干扰功角稳定和大干扰功角稳定，而子类中不再具体细分是由哪种原因导致的稳定问题；而行标DL755-2001同时考虑稳定物理特性和数学计算方法的不同，将功角稳定细分为静态稳定、小干扰动态稳定、暂态稳定和大干扰动态稳定。
（3）对于电压稳定，IEEE/CIGRE从数学计算方法和稳定预测的角度，将电压稳定分为小干扰电压稳定和大干扰电压稳定。
行标DL755-2001同样从数学计算方法和稳定预测的角度，将电压稳定分为静态电压稳定和大干扰电压稳定，该静态电压稳定与IEEE/CIGRE中的小干扰电压稳定是对应的。
（4）对于频率稳定，IEEE/CIGRE和行标DL755-2001均从系统论的角度定义频率在保持发电和负荷平衡情况下的稳定能力。
此外，行标DL755-2001还从安全运行的角度定义频率必须保持或恢复到允许的范围内。
我同时看了一些有关电力系统现状方面的资料。
电力系统定义：
由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。
它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。
为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。
发展状况：
在电能应用的初期，由小容量发电机单独向灯塔、轮船、车间等的照明供电系统，可看作是简单的住户式供电系统。
白炽灯发明后，出现了中心电站式供电系统，如1882年T.A.托马斯·阿尔瓦·爱迪生在纽约主持建造的珍珠街电站。
它装有6台直流发电机（总容量约670千瓦），用110伏电压供1300盏电灯照明。
19世纪90年代，三相交流输电系统研制成功，并很快取代了直流输电，成为电力系统大发展的里程碑。
20世纪以后，人们普遍认识到扩大电力系统的规模可以在能源开发、工业布局、负荷调整、系统安全与经济运行等方面带来显著的社会经济效益。
于是，电力系统的规模迅速增长。
世界上覆盖面积最大的电力系统是前苏联的统一电力系统。
它东西横越7000千米，南北纵贯3000千米，覆盖了约1000万平方千米的土地。
中华人民共和国的电力系统从50年代开始迅速发展。
到1991年底，电力系统装机容量为14600万千瓦，年发电量为6750亿千瓦时，均居世界第四位。
输电线路以220千伏、330千伏和500千伏为网络骨干，形成4个装机容量超过1500万千瓦的大区电力系统和9个超过百万千瓦的省电力系统，大区之间的联网工作也已开始。
此外，1989年，台湾省建立了装机容量为1659万千瓦的电力系统
系统构成与运行：
电力系统的主体结构有电源、电力网络和负荷中心。
电源指各类发电厂、站，它将一次能源转换成电能；电力网络由电源的升压变电所、输电线路、负荷中心变电所、配电线路等构成。
它的功能是将电源发出的电能升压到一定等级后输送到负荷中心变电所，再降压至一定等级后，经配电线路与用户相联。
电力系统中网络结点千百个交织密布，有功潮流、无功潮流、高次谐波、负序电流等以光速在全系统范围传播。
它既能输送大量电能，创造巨大财富，也能在瞬间造成重大的灾难性事故。
为保证系统安全、稳定、经济地运行，必须在不同层次上依不同要求配置各类自动控制装置与通信系统，组成信息与控制子系统。
它成为实现电力系统信息传递的神经网络，使电力系统具有可观测性与可控性，从而保证电能生产与消费过程的正常进行以及事故状态下的紧急处理。
系统的运行指组成系统的所有环节都处于执行其功能的状态。
系统运行中，由于电力负荷的随机变化以及外界的各种干扰（如雷击等）会影响电力系统的稳定，导致系统电压与频率的波动，从而影响系统电能的质量，严重时会造成电压崩溃或频率崩溃。
系统运行分为正常运行状态与异常运行状态。
其中，正常状态又分为安全状态和警戒状态；异常状态又分为紧急状态和恢复状态。
电力系统运行包括了所有这些状态及其相互间的转移。
各种运行状态之间的转移需通过不同控制手段来实现
现代电力系统的特征主要体现在：
1）大容量、高参数发、输、变电设备；2）发、输、变电设备制造工艺和材料的现代化和高科技化；3）超、特高电压；4）新能源发电的多元化；5）超远距离输电；6）高压直流输电和柔性交流输电；7）跨区域、跨国超大规模互联电网，高低压网络极为复杂；8）电力市场化运营，发电主体多元化及其管理现代化；9）电网调度自动化，协调的发、输、变、配电系统控制现代化；10）以光纤为代表的现代化的通信系统；11）电力信息化、数字化、光纤化研究与开发：
电力系统的发展是研究开发与生产实践相互推动、密切结合的过程，是电工理论、电工技术以及有关科学技术和材料、工艺、制造等共同进步的集中反映。
电力系统的研究与开发，还在不同程度上直接或间接地对于信息、控制和系统理论以及计算技术起了推动作用。
反过来，这些科学技术的进步又推动着电力系统现代化水平的日益提高。
从19世纪末到20世纪20、30年代，交流电路的理论、三相交流输电理论、分析三相交流系统的不平衡运行状态的对称分量法、电力系统潮流计算、短路电流计算、同步电机振荡过程和电力系统稳定性分析、流动波理论和电力系统过电压分析等均已成熟，形成了电力系统分析的理论基础。
随着系统规模的增大，人工计算已经远远不能适应要求，从而促进了专用模拟计算工具的研制。
20世纪20年代，美国麻省理工学院电机系首次研制成功机械式模拟计算机──微分仪，后来改进成为电子管、继电器式模拟计算机，以后又研制成直流计算台和网络分析仪,成为电力系统研究的有力工具。
50年代以来,电子计算机技术的发展和应用，使大规模电力系统的精确、快速计算得以实现，从而使电力系统分析的理论和方法进入一个崭新的阶段。
在电力系统的主体结构方面，燃料、动力、发电、输变电、负荷等各个环节的研究开发，大大提高了电力系统的整体功能。
高电压技术的进步，各种超高压输变电设备的研制成功，电晕放电与长间隙放电特性的研究等，为实现超高压输电奠定了基础。
新型超高压、大容量断路器以及气体绝缘全封闭式组合电器，其额定切断电流已达100千安，全开断时间由早期的数十个工频周波缩短到1～2个周波,大大提高了对电网的控制能力,并且降低了过电压水平。
依靠电力电子技术的进步实现了超高压直流输电。
由电力电子器件组成的各种动力负荷，为节约用电提供了新的技术装备。
超导电技术的成就展示了电力系统的新前景。
30万千瓦超导发电机已经投入试运行，并且还继续研制容量为百万千瓦级的超导发电机。
超导材料性能的改进会使超导输电成为可能。
利用超导线圈可研制超导储能装置。
动力蓄电池和燃料电池等新型电源设备均已有千瓦级的产品处于试运行阶段,并正逐步进入工业应用,这些研究课题有可能实现电能储存和建立分散、独立的电源，从而引起电力系统的重大变革。
在各工业部门中，电力系统是规模最大、层次很复杂、实时性要求严格的实体系统。
无论是系统规划和基本建设，还是系统运行和经营管理，都为系统工程、信息与控制的理论和技术的应用开拓了广阔的园地，并促进了这些理论、技术的发展。
针对电力系统的特点，60年代以来在电力系统运行的安全分析与管理中，在电力系统规划和设计中，都广泛引入了系统工程方法，包括可靠性分析及各种优化方法。
电子技术、计算机技术和信息技术的进步，使电力系统监控与调度自动化发展到一个新的阶段，并在理论上和技术上继续提出新的研究课题。
美国电力系统简介;美国是世界上最大的能源生产、消费和进口国。
2003年美国发电量为3848TWh,其中3691TWh来自电力行业，其余157TWh来自工业及商业部门的热电联产电厂。
电力行业发电量中燃煤发电量占53％、核电占21％、天然气发电占15％、水电占7％、油电占3％、地热及其它占1％。
美国公用电业企业按所有制可分成4类，即私营、地方公营、合作社经营和联邦政府经营。
美国1992年通过能源政策法，规定所有的电力公司必须提供输电服务。
1996年美国联邦能源管理委员会颁布888号和889号法令，规定了互惠的开放准入输电服务价格和辅助服务价格，并且规定发电和输电必须从功能上分离，所有的发电商得到同样的待遇。
美国联邦能源管理委员会两项法令的颁布使得批发市场的交易量显著增加、提高了电价透明度，使电力交易的安排得到了很大的改善、增大了期货市场的交易量，在美国形成了一些比较成功的电力市场，如宾西法尼亚－新泽西－马里兰（PJM）和纽约独立电网调度，但由于交易量的扩大对电网潮流分布的改变，输电网的安全可靠性也面临挑战。
目前北美电力系统包括了美国东部、西部和得克萨斯以及加拿大魁北克4个互联系统。
美国东部、西部和得克萨斯3大系统之间只有非同步联系。
东部电力系统和西部电力系统分别与加拿大的几个地区电力系统并网运行，西部的加利福利亚电网和南部得克萨斯电网与墨西哥电网连接。
表7美国历年净发电量及构成（MWh）
火电
核电
抽水蓄能
可再生能源
其它
总计
2000
2692478478
753,892,940
-5,538,860
356,478,571
4,793,914
3802105043
2001
2677004755
768,826,308
-8,823,445
294,946,100
4,689,931
3736643649
2002
2730166178
780,064,087
-8,742,928
351250924
5,713,991
3858452252
2003
2728673707
763,724,544
-8,667,841
359,181,304
5,078,011
3847989725
表6美国历年夏季装机容量及构成（kW）
年份
火电
核电
抽水蓄能
可再生能源
其它
总计
2000
598882883
97,859,730
19,522,388
94,930,765
523,472
811719238
2001
634,895,390
98,158,900
19,095,980
95,663,940
439,680
848,253,890
2002
689520720
98,657,000
20373400
96108530
641,440
905301090
2003
736,728,400
98,793,900
20,373,400
96,668,640
641,440
953,205,780
各个国家发电量对比：
图1：
亚洲主要国家的装机容量比较（01/01/1996）
1997年一些国家的用电构成
国家
全国用电量
（亿kW.h）
其中（）
工业
交通运输
农业
家庭生活
商业及其他
美国
32593
36.1
0.1
——
32.9
30.9
中国
11039
73.0
1.9
6.2
11.3
7.6
日本
9239
46.1
2.3
0.4
26.4
24.8
俄罗斯
8144
45.7
7.8
9.6
36.9
德国
4829
47.1
3.5
1.6
27.1
20.7
加拿大
4965
45.6
0.9
2.0
27.2
24.3
法国
3816
40.4
2.8
0.7
31.2
24.8
英国
3175
35.6
2.4
1.2
32.9
27.9
意大利
2537
50.8
3.2
1.7
23.1
21.2
韩国
2229
60.2
0.8
1.9
14.6
22.6
图2：
亚洲主要国家发电量比较（1995）
表21996年一些国家发电量和装机容量构成
序号
国家
发电量
亿kW.h
其中（）
装机容
（万kW）
其中（）
水电
火电
核电
水电
火电
核电
1
美国
34599.7
10.0
70.5
19.5
78350.2
12.5
74.6
12.9
2
中国
10793.6
17.3
81.4
1.3
23654.2
23.5
75.6
0.9
3
日本
10121.5
8.8
61.3
29.9
23373.7
19.0
62.7
18.3
4
俄罗斯
8472.0
19.5
68.8
11.7
21085.7
20.7
69.2
10.1
5
加拿大
5557.1
63.5
20.8
15.7
11361.2
58.0
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