（电力系统及其自动化专业论文）特高压入湘后受端电网安全稳定性研究.pdf

特高压入湘后受端电网安全稳定性研究 a b s t r a c t s e c u r i t ya n ds t a b i l i t ya r et h em o s ti m p o r t a n ti s s u e si ne l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m a st h ep r o j e c to fu h vi sc o m p l e t e d ，i tm u s tc a u s eag r e a ti m p a c to ns e c u r i t ya n d s t a b i l i t yi nt h ee x i s t i n gp o w e rs y s t e m s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h i sq u e s t i o n a b o u t2 0 1 2 ，1 0 0 0 k vu h va c p o w e rg r i di n t ot h eh u n a n ，i no r d e rt oe n s u r es a f ea n d s t a b l eo p e r a t i o no fp o w e rg r i d s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t y o fp o w e rn e t w o r k i nt h i sp a p e r ，t h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yl e v e lo fh u n a np o w e r n e t w o r ki sa n a l y z e di nd e t a i l ，w h i c hh a sw e l lo ni m p r o v i n gt h es t r u c t u r eo fh u n a n p o w e rn e t w o r k i nt h i sp a p e r ，b yu s i n gp s a s pp r o g r a m ，t h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fh u n a n p o w e rn e t w o r ka r es t u d i e da c c o r d i n gt of o u rt y p i c a ll o a dl e v e l s ，i n c l u d i n gs t a t i c p o w e rf l o ws e c u r i t ya n a l y s i s ，t r a n s i e n ts t a b i l i t ya n a l y s i sa n dv o l t a g el e v e la n a l y s i s ， a f t e rt h eu h v - i n t h ep o w e rf l o wd i s t r i b u t i n go fh u n a np o w e rn e t w o r ki sc a l c u l a t e d a n da n a l y z e da saw h o l ea n dt h es t a t i cs t a t es e c u r i t yl e v e li ss t u d i e db yu s i n gn - 1 c h e c k a c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h a tm o s to fp o w e rp l a n t sa r ei nt h e n o r t h w e s to fh u n a n ，n 一1c h e c ki sa p p l i e dr e s p e c t i v e l yw h e nt h ep o w e rp l a n t si nt h e n o r t h w e s to fh u n a ng e n e r a t ee l e c t r i c i t yd i f f e r e n t l y t r a n s i e n tp o w e ra n g e ls t a b i l i t y p r o b l e m sc o n s i s ti nt h en o r t h w e s th u n a np o w e rn e t w o r kp r i m a r i l y c a l c u l a t e dt h e c h a n g eo fh u n a n 5 0 0 k vc e n t r a lp o i n t ss h o r t c i r c u i tc u r r e n to fp o w e rg r i db e f o r ea n d a f t e r2 0 1 2t h em a i np r o j e c tu h v u s i n gp s a s ec a l c u l a t i n gu h vt h r e e p h a s es h o r t h i t c h e so c c u ri nf o u rt y p i c a ll o a dl e v e l s 、i ns u m m e rs e n dt os o u t h2 6 0 0 m wt h r o u g h u h va n di nw i n t e rs e n dt os o u t h2 6 0 0 m wt h r o u g hu h v c a l c u l a t i n g5 0 0 k va n d 2 2 0 k v t h r e e p h a s es h o r th i t c h e so c c u ri nt y p i c a ll o a dl e v e l s ，i ns u m m e rt h r e ew a y si n s o u t h w e s th u n a n ，e a s t e r nh u n a nm i n i m a lb o o tm o d e c a l c u l a t i n gs t a b l ed e l i v e r yo f l e i y a n g ，l i n g j i n t a na n dm o r et h a n2 0 p o w e rp l a n t ，h a dg i v e nt h er e a s o n a b l em e a s u r e s t od e a lw i t hf a i l u r ei na c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l t s ；c a l c u l a t i o no ft h es u m m e rw i t h s m a l lm e a n so ft r a n s m i s s i o nl i n et o w e r ss t a b i l i t y ；c a l c u l a t e db yt h ec l i e n ts y s t e m ，t h e l a r g e s tu n i tc a p a c i t yo ft h es t a b i l i t yo ft h et r i pi nt w ok i n d so fl o a dl e v e l c a l c u l a t e d t h ev o l t a g el e v e lo fh u n a ng r i d ，a f t e rt h eu h v - i n ，a n a l y s i st h et r a n s i e n tv o l t a g e s t a b i l i t yo ft h eu h va n dh u n a np o w e rg r i do nt h ee f f e c t st ot h et r a n s i e n tv o l t a g e s t a b i l i t yo ft h eu h v b a s e do nt h ea c t u a lh u n a np o w e rn e t w o r ka f t e ru h v - i n ，t h ee x i s t e n c eo fs p e c i f i c n l 硕士学位论文 c i r c u m s t a n c e si ns e c u r i t ya n ds t a b i l i t y ，t h ew e a k n e s sa n dt h ee x i s t i n gp r o b l e m si n h u n a np o w e rs y s t e ma r ep o i n t e do u t ，a n ds o m eg o o dm e a s u r e sa r ec a r r i e do u tt o i m p r o v eh u n a np o w e rn e t w o r k k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；h u n a np o w e rn e t w o r k ；u h va c ；s e c u r i t ya n ds t a b i l i t y ； v o l t a g es t a b i l i t y 一 硕士学位论文 插图索引 图1 12 0 1 2 年湖南电网地理接线示意图1 4 图3 1 无穷大容量电源供电系统三相短路电路图和等值电路图2 6 图4 2 隐极发电机相量图31 图4 2 隐极发电机功角特性曲线3 1 图4 3 特高压荆门一长沙i 线长侧发生三相短路故障3 8 图4 4 特高压荆门一长沙线路双回长侧发生三相短路故障3 8 图4 5 特荆长线双回长侧三相短路故障3 8 图4 6 特荆长线双回长侧三相短路故障，联切变压器3 9 图4 7 特高压荆门一长沙i 线长侧发生三相短路故障4 0 图4 8 特高压荆门一长沙线路双回长侧发生三相短路故障4 0 图4 9 特荆长线双回长侧三相短路故障4 1 图4 1 0 特荆长线双回长侧三相短路故障，联切变压器4 1 图4 1 1 特高压荆门一长沙i 线长侧发生三相短路故障4 2 图4 1 2 特高压荆门一长沙线路双回长侧发生三相短路故障4 3 图4 1 3 特荆长线双回长侧三相短路故障一4 3 图4 1 4 特荆长线双回长侧三相短路故障，联切变压器4 3 图4 1 5 特高压荆门一长沙i 线长侧发生三相短路故障4 5 图4 1 6 特高压荆门一长沙线路双回长侧发生三相短路故障4 5 图4 1 7 特荆长线双回长侧三相短路故障4 5 图4 1 8 特荆长线双回长侧三相短路故障，联切变压器4 6 图4 1 9 夏大方式下，星云线星城侧三相短路故障4 7 图4 2 0 冬大方式下，星云线星城侧三相短路故障4 7 图4 2 1 夏大满发方式一下，牌长线长侧三相短路故障4 8 图4 2 2 湘东最小开机方式下，星云线星城侧三相短路故障4 9 图4 2 3 系统负荷为2 1 5 0 0 m w ，湘潭电厂2 期机组跳闸5 4 图5 1 输出线路的无功电压特性5 6 图5 2 特荆长线双回长侧三相短路故障6 1 图5 3 特荆长线双回长侧三相短路故障，联切变压器6 2 图5 4 特荆长线双回长侧三相短路故障6 2 图5 5 特荆长线双回长侧三相短路故障，联切变压器6 3 图5 6 星沙城线城侧三相短路故障湘t 长沙1 0 0 0 k v 母线电曲线6 3 特高压入湘后受端电网安全稳定件研究 图5 7 星城一台主变故障湘t 长沙母线电压曲线6 4 图5 8 民丰一湘潭西双回线路民侧湘t 长沙1 0 0 0 k v 母线电曲线6 4 图5 9 湘潭电厂扩撑1 、静2 机全停湘t 长沙母线曲线6 5 图5 1 0 星沙城线城侧三相短路故障湘t 长沙1 0 0 0 k v 母线电曲线6 5 图5 1 1 星城一台主变故障湘t 长沙母线电压曲线6 6 图5 1 2 民丰一湘潭西双回线路民侧湘t 长沙1 0 0 0 k v 母线电曲线6 6 图5 1 3 湘潭电厂扩撑1 、撑2 机全停湘t 长沙母线曲线6 7 i x 硕十学位论文 附表索引 表1 1 大型和特大型汽轮发电机设计发电煤耗1 0 表1 2 故障切除时间1 5 表1 3 自动装置动作时间1 5 表2 1 电网节点类型1 6 表2 2 夏大方式下，特高压及鄂湘联络线n 1 分析1 8 表2 3 夏小方式下，特高压及鄂湘联络线n 1 分析1 8 表2 4 冬大方式下，特高压及鄂湘联络线n 1 分析1 9 表2 5 冬小方式下，特高压及鄂湘联络线n 1 分析1 9 表2 62 0 1 2 年典型方式湖南省5 0 0 k v 主变下网潮流2 0 表2 72 0 1 2 年典型方式湖南省主干5 0 0 k v 线路潮流分布2 0 表2 82 0 1 2 年典型方式湖南省主干2 2 0 k v 线路潮流分布2 0 表2 92 0 1 2 年夏大其他方式湖南省主干5 0 0 k v 线路潮流分布2 1 表2 1 02 0 1 2 年夏大其他方式湖南省主干5 0 0 k v 变电所潮流分布2 2 表2 1 12 0 1 2 年夏大其他方式下湖南省2 2 0 k v 重载线路潮流分布2 3 表3 12 0 1 2 年特高压电网接入前后湖南省5 0 0 k v 变电站短路电流2 9 表4 1 系统双回共架线路发生异名两相同时单相接地故障的稳定计算结果5 1 表5 1 特高压变电站母线电压5 8 表5 2 特高压线路退出运行后重要母线电压变化5 9 表5 3 特高压线路一回退出运行后重要母线电压变化5 9 表5 4 特高压线路高抗退出运行后重要母线电压变化6 0 表5 5 特高压变压器低容( 抗) 退运后重要母线电压变化6 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：何文矽 日期：汐降f 月2 垆日 | j 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 作者签名： 导师签名： 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 日期：沙- f 年s 月v 丫日 醐：碲f 肿弋日 硕士学位论文 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 电力系统的安全稳定研究一直是传统电力系统运行中所关心的重要课题。电 网一旦发生稳定破坏事故，除了可能导致电网瓦解的严重后果外，同时也会造成 巨大的经济损失和重大的社会影响。随着高压电网的发展，超高压设备、大容量 机组、远方大容量电厂以及新技术产品等不断引入电力系统，以及因电网扩大及 联系紧密带来的事故影响范围的扩大和短路电流水平日趋增长等情况的出现，避 免电力系统发生因恶性连锁反应引起的长时间、大面积停电事故，已受到国际国 内普遍的高度重视，并把它列为衡量和审定电力系统安全性的基本标志1 1 2 】。因此 确保电网的安全稳定运行也就成为电力系统中至关重要的环节。 国家电网公司关于加强电网安全稳定工作的意见指出：为贯彻建设“一强 三优”现代公司的发展战略，全面落实国家电网公司“十一五”电网发展规划及 2 0 2 0 年远景目标，有效实施国家电网公司关于“十一五”期间加强电网调度工 作的意见和国家电网公司关于加强安全生产工作的决定，适应特高压国家骨 干电网建设、全国互联电网发展以及电力体制改革的需要，防止大面积停电事故 和稳定破坏事故，确保电网安全、优质、经济运行。本项目结合湖南省实际情况 进行研究。 湖南电网电源与负荷分布不均，约一半以上的电源装机分布在湘西地区，一 半以上的负荷集中在中部和东部地区。形成了长距离大容量“西电东送”格局。历 史上曾经多次发生系统稳定事故，造成了严重的经济损失。 湖南电网曾经一直是全国电力系统中稳定问题最严重、稳定事故最多的省份 之一。从1 9 6 6 年到1 9 8 0 年，湖南共发生稳定事故2 5 次，其中有1 4 次造成系统 瓦解。当时，湖南电网电源分布极不合理，送变电工程不配套，电网结构非常薄 弱，无功容量严重不足，设备质量差，安全自动装置远远不能满足安全稳定运行 的要求。由于湖南主力电厂大部分在远离负荷中心的西部和西北部，与湘中电网 的联系十分薄弱，一旦发生事故就危及整个电网的安全。受安全稳定的影响，丰 水期有电送不出，用电又十分紧张。当时的电网稳定水平是：2 2 0 k v 网络单相瞬 时接地，还需采取一系列暂态稳定措施才能保持系统稳定不被破坏，对于单一相 间短路故障和二重及以上的单相短路故障的干扰，系统更无法承受【3 1 。 1 9 8 1 年4 月1 7 日和5 月2 日，湖南电网又发生了两次系统稳定事故。前者 因线路柘溪一响水坝发生故障，相关保护拒动，造成系统瓦解成7 片，切除负荷 占当时总负荷的4 0 4 ，少送电量2 8 1 2 m w h ，直接经济损失4 8 3 万元；后者因 特高爪入湘后受端电网安全稳定性研究 柘泉线发生故障，相关保护拒动，造成系统瓦解成1 6 块，切除负荷占当时总负荷 的3 3 ，少送电量5 8 8 2m w h ，直接经济损失达2 2 1 2 万元p j 。 美国东部时间2 0 0 2 年8 月1 4 日1 5 ：0 6 ，美国俄亥俄州北部一条3 4 5 k v 超高 压输电线路因过负荷而使导线下垂触树跳线，结果使得这条线路的部分输送功率 转移到相邻的一条3 4 5 k v 线路，又引起该条线路长时间过热造成短路故障而跳线。 十多分钟以后，俄亥俄州接连又有3 条3 4 5 k v 线路相继跳线。此后事故进一步蔓 延，使输电系统发生了一连锁的反应，事故不再局限于俄亥俄州，而发展到其他 一些州，到1 6 ：1 1 已蔓延到包括纽约在内的美国东北部8 个州及与美国交界的加 拿大南部大部分地区，大量线路跳线及发电机组跳闸切机，引起电网频率下降、 电网的低周波减负荷保护动作，大量负荷被切除，从而造成了自1 9 6 5 年以来北美 洲最严重的停电事故，美加近5 0 0 0 万人瞬间失去了他们赖以生存的电力供应【4 1 。 此次停电涉及到美国俄亥俄州、密歇根州、纽约州、马萨诸塞州、康涅狄克 州及新泽谣州等6 个州和加拿大安大略省、魁北克省，共计损失负荷6 1 8 0 g w 。 经过电力部门紧急处理和抢修，在美国东部时间1 4 日1 9 ：3 0 恢复了1 3 4 g w 负荷， 1 4 日2 3 ：0 0 恢复了2 1 3 0 g w 负荷，到1 5 日1 1 ：0 0 ，4 8 6 0 g w 负荷得以恢复。仅 美方统计的在此次事故中跳闸的机组就多达2 0 多台，其中还有9 台核电机组，如 包括加拿大在内，则有多达上百台发电机组及更多核电机组跳闸。核电机组的恢 复需要几天时间，因此全系统恢复到正常供电花了好几天时间，据估计，美国每 天停电的经济损失高达3 0 0 亿美元，加拿大安大略省因停电造成的经济损失也达 5 0 亿美元。而停电事故对社会、政治及人们的心里所造成的影响更是难以估计f 5 ，6 】。 惨痛的教训，使我们对电网的安全稳定研究越来越重要。至此，电力系统安 全稳定工作得到了前所未有的重视。加快电网建设，加强电网结构，加强电网运 行管理，成为保证电网安全稳定运行的最有效措施。 在未来特高压建成后，为保证湖南电网的安全稳定运行，必须对特高压电网 建成互联系统对湖南电网的适应性进行研究，分析特高压工程建成后的湖南电网 产生稳定性问题的可能及其原因，并有针对性地制定出有效的抑制措施；根据湖 南电网的实际状况，对相关机组提出p s s 配置参数建议，增设动态无功补偿装置。 1 2 电力系统安全稳定性 电力系统是一个由许多发电机、变压器、输配电线路和用电设备等单位组成 的，分布在广大地域的复杂大系统。电力系统的任务是不间断地向用户供应质量 ( 电压和频率) 合乎规定的电能。保持电力系统持续安全稳定运行是完成这个任 务的必要条件。因此电力系统安全性与电力系统稳定性就显得非常重要了。 电力系统安全性是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i7 】 二 硕十学位论文 ( 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。 电力系统在运行中，经常可能受到各种自然的和人为的扰动。一般的干扰对 电力系统正常运行影响不大：但有些扰动则可能引起严重后果，如短路、电气或 机电参数谐振、稳定性破坏等，若处理不当，可能严重损坏设备或导致大面积停 电。 电力系统是一个复杂的非线性动态系统，各种扰动引起的系统响应是非常复 杂的。分析电力系统在扰动下的暂态和动态行为，确定适当的对策，包括各种控 制措施，保持电力系统稳定性是电力系统设计和运行的最重要也是最复杂的任务 之一。 1 2 1 电力系统稳定性分类 一直以来，电力系统稳定性有多种的定义和分类方法。我国早期将电力系统 稳定性分为静态稳定和动态稳定两类。8 0 年代后，电力系统安全稳定导则规 定电力系统稳定性是指电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。电力系统 稳定按干扰的大小和干扰影响的时间长短分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定三 类【7 】： ( 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； ( 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； ( 3 ) 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l o 2 0 s 后，进一步导致保护动作，使其 它元件跳闸，问题进一步恶化。 而如果按决定稳定的物理因素来区分，电力系统稳定性又可分为：同步( 功 3 特高压入湘后受端电网安全稳定惟研究 角) 稳定性、频率稳定性、电压稳定性，也有把次同步谐振称为机械与电气联合 系统的稳定性等。 1 2 1 1 同步( 功角) 稳定性 功角稳定通常分为小干扰静态稳定和大干扰暂态稳定两类。 静态功角稳定是指电力系统受到小的扰动，功角摆动偏离又自动恢复到初始 运行状态的能力。静态功角稳定性与扰动的大小、频率、系统中各发电机组的阻 尼等因素有关。 暂态功角稳定性是指电力系统在大扰动后，各个同步点能否继续保持同步运 行的能力，通常所考虑的扰动包括发生各种短路故障、切除大容量发电机或输电 设备以及某些负荷的突然变化等。电力系统承受大扰动，在扰动过渡过程结束后， 系统能恢复扰动前状态或一个可接受的新状态，则称此系统在大扰动下是稳定的。 即大扰动后电力系统中各发电机组对功角在第一摆和随后几摆仍然保持同步运 行。 1 2 1 2 电压稳定性 关于电压稳定性的定义、研究方法等方面的问题，国家上已经召开了多次专 家讨论会，c i g r e 、i e e e 也出版了相应的专题报告【8 44 1 。，但迄今为止还没有公 认的关于电压稳定性的准确定义。一般地讲，电压稳定性，是指正常运行情况下 的电力系统遭受干扰后系统维持所有母线电压在可以接受的稳态值的能力。在当 前的研究中，为了便于分析，和功角稳定性一样，也常将电压稳定性划分为小干 扰电压稳定性和大干扰稳定性： ( 1 ) 小干扰电压稳定性，是指在遭受小的干扰后系统控制电压的能力。这种 形式的稳定性主要由系统的负荷特性、各种连续控制和指定时刻的离散控制所决 定。 判断系统小干扰电压稳定的准则是，对于给定运行情况下系统中的每个母线， 母线电压的数值随着该母线注入无功功率的增加而升高。如果系统中至少有一个 母线，其母线电压的数值随着该母线注入无功功率的增加而降低，则该系统是电 压不稳定的。换言之，如果所有母线的v q 灵敏度为正，则系统是电压稳定的； 如果至少一个母线的v q 灵敏度为负，则系统式电压不稳定的。 ( 2 ) 大干扰电压稳定性，是指在遭受大的干扰后系统控制电压的能力，这个 能力主要由系统的负荷特性、各种连续控制和离散控制以及保护的相互作用所决 定。 对于给定的干扰和随后的系统控制措施，如果系统中所有母线的电压能够保 持在可以接受的水平，我们就说系统是大干扰电压稳定的。 值得注意的是，电压不稳定现象并不总是孤立的发生。功角不稳定和电压不 4 硕士学位论文 稳定的发生常常交织在一起，一般情况下其中的一种占据主导地位，但并不容易 区分。然而，人为地将功角稳定性和电压稳定性区分开来，对于充分了解系统不 稳定的原因，进而指定系统的运行方式和稳定控制策略是相当重要的。 近2 0 年来，国际上许多发达国家中发生了多起电压崩溃事故【1 5 。1 8 】：1 9 7 8 年 1 2 月1 9 日法国电网的电压崩溃事故导致停电负荷达2 9 0 0 0 m w ，占当时电网总负 荷的7 5 ，停电4 7 小时；1 9 8 3 年1 2 月2 7 日瑞典电网发生电压失稳事故，瑞 典南部停电，占当时负荷的6 7 ；1 9 8 7 年7 月2 3 日东京电网电压失稳造成停电 事故，损失负荷8 1 8 6 m w ，停电达3 小时2 1 分；北京地区1 9 9 6 年1 月1 9 日的 大停电事故等等。 虽然电压崩溃事故发生的几率较小，但是其后果的严重性足以引起人们的广 泛重视，特别是美加大停电的发生，美国总统已将电网的安全运行提高到国家安 全的高度，电压稳定问题成为各国电力界普遍关注和研究的热门课题之一。 研究认为，电压崩溃日趋严重的主要原因有以下几点【1 9 】： ( 1 ) 由于经济上及其它方面( 如环保) 的考虑，发、输电设备使用的强度日 益接近其极限值； ( 2 _ ) 并联电容无功补偿大量增加，因而当电压下降时，向电网提供的无功功 率按电压平方下降； ( 3 ) 线路或设备的投切，引起电压失稳的可能性往往比功角稳定研究所考虑 的三相短路情况要大得多，然而人们长期以来只注意功角稳定研究。 1 2 1 3 频率稳定性 电力系统频率( f r e q u e n c y ) 反应了系统中有功功率的供需平衡情况，不仅是 电力系统中电能质量的重要指标，也是影响电力系统安全稳定运行的重要因素。 因此频率的稳定性是现代电力系统联合运行的基础。根据我国电力工业部1 9 8 0 年8 月颁发的动力系统调度管理规程3 5 条规定：“系统频率标准是5 0 h z ，频 率偏差不得超过0 5 h z ，容量大的系统及有条件的应努力使频率偏差不超过 o 2 h z ，禁止升高或降低频率运行【2 0 】”。在电网正常运行情况下，电网各点都基 本处于同一运行频率下。 常见的频率异常是频率降低。频率降低时，系统中的无功功率负荷将增大， 而无功功率负荷的增大又将促使系统电压水平的下降。系统和各大机组过度的异 常频率和受端节点的过度低电压过程存在于受扰动后的系统暂态和动态全过程， 使得系统的同步稳定性、电压稳定性和频率稳定性具有极强的“相辅相承”、不可 分割的特点，电力系统中曾发生过很多由于频率异常降低而扩大事故甚至系统崩 溃的事故。 为保证电力系统频率运行在额定值，通常采用两类控制措施。一类是正常运 行时的自动频率控制( a u t o m a t i o nf r e q u e n c yc o n t r o l ，a f c ) ，或称为自动发电控制 5 特高压入湘后受端电网安全稳定件研究 ( a u t o m a t i o ng e n e r a t i o nc o n t r o l ，a g c ) ，其任务是在负荷缓慢变化时，调节发电 机组的输出功率，保持频率的恒定，保持系统中联络线的功率在规定范围内。现 代电力系统调频的主要任务，不只是维持系统频率在给定水平，同时还要考虑按 最经济原则分配机组出力( e c o n o m i c a ld i s p a t c h i n gc o n t r o l ，e d c ) 和保持电钟的 准确性。另一类是紧急状态下的频率控制，其任务是在系统中有功功率出现大扰 动，频率出现大偏差时，尽快恢复至正常值，以保证电力系统的安全【2 1 。 1 2 2 电力系统稳定计算 电力系统安全稳定计算分析的任务是确定电力系统的静态稳定、暂态稳定和 动态稳定水平，分析和研究提高安全稳定的措施，以及研究非同步运行后的再同 步及事故后的恢复策略【2 1 1 。进行电力系统安全稳定计算分析时，应针对具体校验 对象( 线路、母线等) ，选择下列三种运行方式中对安全稳定最不利的情况进行安 全稳定校验【2 2 j ： ( 1 ) 正常运行方式：包括计划检修方式，和按照负荷曲线以及季节变化出现 的水电大发、火电大发、最大或最小负荷、最小开机和抽水蓄能运行工况等可能 出现的运行方式； ( 2 ) 事故后运行方式：电力系统事故消除后，在恢复到正常运行方式前所出 现的短期稳态运行方式； ( 3 ) 特殊运行方式：主干线路、重要联络变压器等设备检修及其它对系统安 全稳定运行影响较为严重的方式。 1 2 2 1 电力系统静态安全分析 电力系统静态安全分析指应用n 1 原则，逐个无故障断开线路、发电机、 变压器等元件，检查其他元件是否因此过负荷和电网低电压，用以检验电网结构 强度和运行方式是否满足安全运行要求【2 3 1 。 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。 1 2 2 2 电力系统静态稳定的计算分析 电力系统的静态稳定是指在某一运行方式下，电力系统受到小干扰后，不发 生非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力【2 4 1 。电力系统静态稳定计算 分析的目的是应用相应的判据确定电力系统的稳定性和输电线的输送功率极限， 检验在给定方式下的稳定储备。 对于大电源送出线，跨大区或省网问联络线，网络中的薄弱断面等需要进行 静态稳定分析。 6 硕七学位论文 或 静稳定判据为【2 5 】： 相应的静稳定储备系数为： d p | a 6 0 坦d v 短路电流。在三相系统中发生短路的基本类型有 三相短路、两相短路、单相对地短路和两相对地短路。三相短路因短路时的三相 特高爪入湘后受端电网安全稳定性研究 回路依旧是对称的，故称为对称短路；其他几种短路均使三相电路不对称，故称 为不对称短路。在中性点直接接地的电网中，以一相对地的短路故障为最多，约 占全部短路故障的9 0 。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各 种相间短路。发生短路时，由于电源供电回路阻抗的减小以及忽然短路时的暂态 过程，使短路回路中的电流大大增加，可能超过回路的额定电流许多倍。短路电 流 短路电流的大小取决于短路点距电源的电气距离，例如，在发电机端发生短 路时，流过发电机的短路电流 短路电流最大瞬时值可达发电机额定电流的1 0 1 5 倍，在大容量的电力系统中，短路电流 短路电流可高达数万安培。短路电流 短路电流的危害短路电流+ 短路电流将引起下列严重后果：短路电流 短路电流 往往会有电弧产生，它不仅能烧坏故障元件本身，也可能烧坏四周设备和伤害四 周人员。巨大的短路电流 短路电流通过导体时，一方面会使导体大量发热，造 成导体过热甚至熔化，以及绝缘损坏；另一方面巨大的短路电流， 短路电流还将 产生很大的电动力作用于导体，使导体变形或损坏。 短路时电压下降的愈大，持续时间愈长，破坏整个电力系统稳定运行的可能 性愈大。短路电流 短路电流的限制措施为保证系统安全可靠地运行，减轻短路 造成的影响，除在运行维护中应努力设法消除可能引起短路的一切原因外，还应 尽快地切除短路故障部分，使系统电压在较短的时间内恢复到正常值。为此，可 采用快速动作的继电保护和断路器，以及发电机装设自动调节励磁装置等。此外， 还应考虑采用限制短路电流 短路电流的措施，如合理选择电气主接线的形式或 运行方式，以增大系统阻抗，减少短路电流 短路电流值；加装限电流电抗器； 采用分裂低压绕阻变压器等。主要措施如下：一是做好短路电流， 短路电流的计 算，正确选择及校验电气设备，电气设备的额定电压要和线路的额定电压相符。 二是正确选择继电保护的整定值和熔体的额定电流，采用速断保护装置，以便发 生短路时，能快速切断短路电流 短路电流，减少短路电流 短路电流持续时间， 减少短路所造成的损失。三是在变电站安装避雷针，在变压器四周和线路上安装 避雷器，减少雷击损害。四是保证架空线路旌工质量，加强线路维护，始终保持 线路弧垂一致并符合规定。五是带电安装和检修电气设备，注重力要集中，防止 误接线，误操作，在带电部位距离较近的部位工作，要采取防止短路的措施。六 是加强治理，防止小动物进入配电室，爬上电气设备。七是及时清除导电粉尘， 防止导电粉尘进入电气设备。八是在电缆埋设处设置标记，有人在四周挖掘施工， 要派专人看护，并向施工人员说明电缆敷设位置，以防电缆被破坏引发短路。九 是电力系统的运行、维护人员应认真学习规程，严格遵守规章制度，正确操作电 气设备，禁止带负荷拉刀闸、带电合接地刀闸。线路施工，维护人员工作完毕， 应立即拆除接地线。要经常对线路、设备进行巡视检查，及时发现缺陷，迅速进 行检修 2 5 1 。 硕士学位论文 3 4 湖南电网短路电流计算 利用p s a s p 计算2 0 1 2 年特高压电网接入前后湖南省5 0 0 k v 变电站短路电流 的变化情况见表3 1 。 表3 12 0 1 2 年特高压电网接入前后湖南省5 0 0 k v 变电站短路电流( k a ) 从表3 1 可以看出，特高压工程接入后，湖南电网各5 0 0 k v 主变短路电流均 上升，且幅度比较大。 特高压入湘后受端电网安伞稳定性研究 第4 章暂态稳定计算 特高压电网作为整个电网的一部分，超高压一特高压电网的稳定性分析方法 与高压一超高压电网一样，没有根本的区别。特高压的输电能力既与本身参数有 关，又与相联的送端和受端系统参数有关。特高压输电线路的输电能力受到稳定 极限，包括功角稳定极限和电压稳定极限的限制【2 9 1 。 电力系统是一个动态大系统，在正常运行状态下，系统中各元件都处于一种 动态平衡中，即稳态运行。外界的扰动会破坏这种平衡关系，元件能否维持其稳 定，取决于外界扰动的大小和元件本身的稳定程度【3 8 】。一旦外界出现大的扰动时， 电网就涉及到暂态稳定的问题了。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【7 j 。p s a s p 程 序的主要功能之一是暂态稳定计算，它是分析事故、研究提高系统稳定性措施、 设计选择合理电网结构的重要手段【3 9 1 。特高压电网发生故障后，系统是否能维持 安全稳定运行，本章运用p s a s p 程序进行了详细的计算分析。 4 1 暂态稳定性分析方法 发电机送入系统的电功率与功率角的关系，称为功一角特性。功一角特性是 研究输电线路，包括超高压、特高压线路在内的系统稳定性的基础。发电机经特 高压输电线路接入系统的接线图，如图4 1 所示。为了突出功一角特性与各参数 的主要关系，一下分析忽略各元件的电阻，对于超高压和特高压输电线路来说， 同时假定线路并联电抗完全补偿线路容抗，线路并联支路电抗可以近似认为无穷 大。线路以x l 表示，发电机以外的系统参数以等效的j x s 代替。 隐极发电机的功一角特性 在进行电力系统分析和计算时，发电机采用旋转磁场速度相同的d q 0 坐标系 统。隐极式发电机的转子是对称的，对于d q 0 坐标系统来说，发电机的d 轴和q 轴同步电抗是相等的。即x d = x q 。根据派克方程，即用d q 0 坐标系统表示的同步 电机基本方程，发电机经外部电抗i x 。接入系统，并且忽略发电机定子绕组电阻 时，系统电压u ，、发电机端电压【，r 和发电机电动势e 有如下关系： 日= u 7 + j i x d = 玑+ j i ( x a + 置) ( 4 1 ) 图4 1 为隐极式发电机经外部电抗j x 。接入系统的相量图。由图4 1 可以求出 发电机经外部电抗j x 。接入系统的功一角特性方程式： 硕士学位论文 f e 口一u 碍+ ，d ( x d + x ，) 1 0 一u d l q 似d + x ，) 瓦c ( 4 2 ) b 图4 2 隐极发电机相量图 发电机输送到系统的视在功率的表达式为： s u ，一( 【，j + 歹u 口) u d + j 6 r 叮) 一( u d ，d + u 窖，g ) + j ( u d ，d u 鼋j 碍) ( 4 3 ) 发电机输送到系统的有功功率： 只，。缈。，+ u。墨! 竺! 。墨! 竺! s i n6 ( 4 4 ) 昂邓，d o 1 0 ) 焉。赢豇们 4 ) 其中，u d u ，s i n 6 ，6 称为功率角或功角 发电机输送到系统的无功功率为： q 。缈。，。一u 。j 。) 。 垦坠c o s 6 一旦l 一 (45)e o 。卜j 口) 。藕咖n 赢 “5 ) 当发电机的电动势e 。和受端系统母线电压u 。给定时，发电机的有功功率随 功率角按正弦曲线变化。有功功率随功率角的变化曲线，称为有功功率一功率角 特性曲线，简称为功一角特性曲线，如图4 2 所示，功一角特性曲线的最大值 匕一一话争等焉称为功率极限。 岛 图4 2 隐极发电机功角特性曲线 目前电力系统暂态稳定分析方法基本上可以分为数值积分法、直接法和扩展 等面积准则( e x t e n d e de q u a l a r e ac r i t e r i o n ，e e a c ) 三类1 4 0 1 。 数值积分法通过全程数字积分来复现系统动态过程，可以处理任何非线性因 素和复杂场景，并得到系统的精确轨迹；其计算量大，紧密依赖于专家经验，只 3 1 特高压入湘后受端电网安全稳定性研究 能给出该算例是否稳定的定性信息；淹没了稳定的机理，不能进行量化分析。数 值积分方法的基本思想是用数值积分技术求出描述受扰运动微分方程组的时间 解，再根据各发电机转子之间相对角度的变化判断系统的稳定性。利用该方法开 发的一些商业软件已相继问世，如根据美国w s c c 标准开发的b p a ，p t i 开发的 p s s ，德国西门子公司开发的n e t o m a c 软件，加拿大不列颠哥伦比亚大学 h w d o m m e l 教授开发的电力系统电磁暂态计算程序( e m t p ) ，中国电力科学院 开发的交直流电力系统综合计算程序( p s a s p ) 等。 直接法采用数值积分得到最后一个故障清除时刻的系统状态，并按系统最