（电力系统及其自动化专业论文）电力市场环境下湖南电网安全稳定水平研究.pdf

电力市场环境下湖南电网安全稳定水平研究 a b s t r a c t s e c u r i t y a 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 l p o w e rs y s t e m r e c e n t l yt h e r ei s al a k eo fe l e c t r i c a lp o w e ri nm a n y p l a c e so fo l ! fc o u n t r y ，i n c l u d i n g h u n a np r o v i n c e c o n s t r u c t i n gp o w e rp l a n t sa n ds t r e n g t h e n i n gp o w e rn e t w o r ka r et h e m o s t l yc o n t e n t si n e l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mn o w s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h e s e c u r i t ya n ds t a b i l i t yo fp o w e r n 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 f h u n a np o w e rn e t w o r ki s a n a l y z e d i n d e t a i l ，w h i c hh a v eg o o do ni m p r o v i n g t h e s t r u c t u r eo fh u n a np 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 p p 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 np o w e r n e t w o r ka r es t u d i e da c c o r d i n gt ot h r e et y p i c a ll o a dl e v e l so f6 5 0 0 m w ，5 5 0 0 m wa n d 2 0 0 0 m w ，i n c l u d i n g s t a t i cp 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 d t h er e s e a r c ho nt h es t a b i l i t yo fp o w e rn e t w o r ki np o w e rm a r k e te n v i r o n m e n t f i r s t l y , 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 da n da n a l y z e da sa w 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 一1 c h e c k a c c o r d i n gt o t 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 en o r t h w e s to fh u n a n ，n 一1 c h e c ki s a p p l i e dr e s p e c t i v e l y w h e nt h e p o w e rp l a n t s i nt h en o r t h w e s to fh u n a n g 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 yp r o b l e m sc o n s i s ti nt h e n o r t h w e s th u n a n p o w e r n e t w o r kp r i m a r i l y ，s ow h e n t h r e e - p h a s es h o r th i t c h e so c c u f i n t h eo u t l e tt r a n s m i s s i o nl i n e s o ft h en o r t h w e s t p o w e rp l a n t s ，5 0 0 k vg a n g s h i t r a n s f o r m e ro r5 0 0 k v f u x i n gt r a n s f o r m e rr e s p e c t i v e l y , t h et r a n s i e n ts t a b i l i t yl e v e lo f h u n a np o w e rn e t w o r ki s a n a l y z e dp a r t i c u l a r l yi n t h i s p a p e r ，w h i c hp r o v et h a tt h e s t a b l i t y l e v e lo f5 0 0 k vg a n g s h it r a n s f o r m e ri sl o w e rt h a nt h a to f5 0 0 k vf u x i n g t r a n s f o r m e ra n da l lo ft h en o r t h w e s th u n a n p o w e rp l a n t sc a n n o tg e n e r a t ee l e c t r i c i t y e n t i r e l yb e c a u s eo ft h es t a b i l i t yp r o b l e mo fh u n a np o w e rn e t w o r k i ti sa l s op r o v e d t h a ta l lo ft h en o r t h w e s th u n a np o w e r p l a n t sc a np a s st h et r a n s i e n ts t a b i l i t yc h e c k w h e n t h r e e p h a s e s h o r th i t c h e so c c u ri nt h e i ro u t l e tt r a n s m i s s i o n l i n e s e x c e p t l i n g j i n t a np o w e rp l a n t ，b e c a u s et h er u n n i n gi n e r t i ao fl i n g j i n t a np o w e rp l a n ti sv e r y l o w e r i nh u n a n p o w e rs y s t e mm o s t o fe l e c t r i ce n e r g i e sa r et r a n s m i t t e di nt h ed i s t a n c e f r o mt h ew e s tt ot h ee a s t ，w h i c hr e s u l ti nt h ev o l t a g ep r o b l e mi nt h em i d d l eo fh u n a n p o w e rs y s t e m s ot h et r a n s i e n tv o l t a g es t a b i l i t yi sc a l c u l a t e da n da n a l y z e dd i s t i n c t yb y a d j u s t i n gt h eo u t p u t so fh u a y u ep o w e rp l a n ta n dx i a n g t a np o w e rp l a n t b a s e do nt h e e l e c t r o m a g n e t i s ml o o p n e t w o r ko f5 0 0 2 2 0 k vt h e c o m p a r e da n a l y s i s i sd i s c u s s e d w h e nt h ee l e c t r o m a g n e t i s ml o o pn e t w o r ki sc u to rc o n n e c t e d ，w h i c hp r o v e st h a tt h e i i 硕士学位论文 s t a b l i t y l e v e lo fc o n n e c t i n go p e r a t i o nm o d ei sh i g h e rt h a nt h a to fc u t t i n go p e r a t i o n m o d ei n p r e s e n tp o w e rn e t w o r ks t r u c t u r e b y u s i n gn 一2 c h e c k ，t h es e c u r i t ya n d s t a b i l i t yo fh u n a np o w e rs y s t e m a r es t u d i e dm o r e m a n y n e w p r o b l e m s w i l lp r o d u c ei ne l e c t r i c a lp o w e rs y s t e md u r i n gp o w e rm a r k e t a c t u a l i z i n g l o t so fs t a b i l i t yp r o b l e m s i np o w e rm a r k e te n v i r o n m e n ta r es t u d i e di nt h i s p a p e r d i s c u s s i o n i sc a r r i e do u ta b o u t s t a b i l i t yc h e c k ，c o n g e s t i o nm a n a g e m e n t ， e a u i p m e n tm a i n t e n a n c e ，a n c i l l a r ys e r v i c e s e t c e s p e c i a l l yt h et y p i c a lc o n g e s t i o no f h u n a nd o w e rn e t w o r ki ss t u d i e da n dam e t h o do fm a r k e ts p l i t i si n d r o d u c e dt os o l v e t h ec o n g e s t i o n ， 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 k ，t h e w e a k n e s sa n dt h e e x i s t i n g p r o b l e m si nh 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 d m e a s u r e sa r ec a r r i e d o u tt oi m p r o v eh u n a np o w e rn e t w o r k k e y w o r d s ：p o w e rs y s t e m ；p o w e rn e t w o r k ；s e c u r i t y a n d s t a b i l i t y ；c o n g e s t i o n m a n a g e m e n t ；e l e c t r o m a g n e t i s ml o o pn e t w o r k ；t r a n s i e n ts t a b i l i t y i i i 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： 刊盲 日期：国诈年够月哆，白 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“4 ”) 日期：泸。够年够月巧自 日期：1 年叶厅记曰箍 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目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 2 1 。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。 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。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 问短路故障和二重及阻上的单相短路故障的干扰，系统更无法承受【3 j ， 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 ，宜接经济损失达2 2 1 2 万元【3 1 。 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。此后事故迸一步蔓 延，使输电系统发生了连锁的反应，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 年以来北美湖 电力市场环境下湖南电网安全稳定水平研究 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 州及新泽西州等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【”。 惨痛的教训，使我们对电网的安全稳定研究越来越重要。1 9 8 1 年，原水电部 颁发了电力系统安全稳定导则。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。 而随着电力市场化改革的深入，对市场的研究，特别是电力市场环境下的电 网稳定性研究就显得十分必要和迫切。尤其是国内电力工业的市场化改革才刚刚 起步，电力市场会对电网的稳定性造成什么样的影响以及在市场环境下如何更好 地提高电网的稳定性，这些都是我们必须加以深入探讨和研究的问题1 6j 。特别是在 2 0 0 3 年8 月，美加电网发生大的停电事故，其造成的损失巨大，使得电网稳定性 的研究更是电力系统中的重中之重。 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【7 j ： ( 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按受的 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 硕士学位论文 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1 7 1 ： ( 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1 0 2 0 s 后，进一步导致保护动作，使其它元件跳闸，闯题进一步恶化。 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 电力市场环境下湖南电网安全稳定水平研究 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至今还存在分歧，i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c s e n g i n e e r s ，电气与电子工程师协会) 动态委员会在1 9 9 0 年的报 告中定义为“电压稳定性是指系统维持电压的能力，当负荷导纳增大时，负 荷功率也随之增大，并且功率和电压都是能控的。”所谓电压崩溃，是指由 于电压不稳定所导致的系统内大面积、大幅度的电压下降过程( 电压也可能 是由于“角度不稳定”两崩溃的，最初的起因往往仅在事故后的细心分析中 才能发现1 。而c i g r e ( 国际大电网会议) 于1 9 9 3 年把电压稳定性分为静态 电压稳定性和动态电压稳定性，又进一步将电压稳定性分为小扰动电压稳定 性、暂态电压稳定性和动态电压稳定性。c i g r e 一方面将电压稳定定义为扰 动平衡后的负荷电压接近于扰动前的电压值，将电压不稳定定义为扰动后没 有平衡点的情况，而将电压崩溃定义为扰动后有平衡点，但电压值过低的情 况；另一方面却又认为电压不稳定性和电压崩溃两个术语可以互换。此外， 还有另一常用术语：电压安全性，它不仅是指一个系统稳定运行的能力，也 指在出现任何适当而又可信的预想事故或有害的系统变更后，系统维持电压 稳定的能力【”。 在2 0 0 1 年的电力系统安全稳定导则中，电压稳定的定义为：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1 7 】。 当出现扰动、负荷增大或系统变更使电压急剧下降或向下漂移，并且运 行人员和自动系统的控制已无法终止这种电压衰落时，系统就会进入电压不 稳定的状态，这种电压的衰落可能只需几秒钟，也可能长达1 0 到2 0 分钟， 甚至更长。如果电压不停地衰落下去，静态的角度不稳定性或电压崩溃就会 发生。造成电压失稳的因素有很多，具体地说，发电机的无功限制、有载变 压器抽头的离散调节及限制、并联电容器或电抗器的投切容量限制、输电线 路等离散时间都可能会引起系统发生电压失稳1 9 , 1 0 1 。 硕士学位论文 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。 现在普遍被接受的观点是电力系统中静态电压水平主要由无功功率平 衡条件决定，许多文献把电压崩溃妇结为由于系统不能满足无功需求的增 加。电力系统中各母线电压水平是不同的，由于无功功率电源除发电机外， 还有分散安装在系统各变电所中的电容器、调相枧和静止无功补偿器等，无 功不适宜远距离输送，必须就地平衡，无功电压调整必须分散进行，调压手 段也是多种多样。 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 1 1 , 1 2 】：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 目东京电网 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：1 9 9 6 年 7 月2 目、1 9 9 6 年8 月l o 曰两次美国西部大面积停电事故；面2 0 0 2 年8 月 1 4 日1 5 ：0 6 开始发生的美加大停电，是有史以来所发生的最大停电事故，此次事 故所呈现出的也是一种快速电压崩溃现象，停电时问达到了1 7 个多小对，共计损 失负荷6 7 8 0 g w 。我国尽管没有大的恶性电压崩溃事故，但因电压失稳导致局部 停电的事故时有发生；1 9 7 2 年7 月2 7 日湖北电网武汉和黄石地区电压崩溃，使受 端系统全部瓦解：1 9 7 3 年7 月1 2 日东北电网大连地区全部停电；北京地区1 9 9 6 年1 月1 9 臼的大停电事故等等。 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i t 3 1 ： ( 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，因面当电压下降时，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。 目前从电压稳定问题研究的内容来看主要分两方面：是包括电压稳定 机理及电压稳定问题建模的研究；二是包括电压稳定指标及电压崩溃预防措 电力市场环境下湖南电网安全稳定水平研究 施的研究i ”l 。 而目前能够有效改善电压稳定问题的技术包括吲： ( 1 ) 必须投入运行的发电：在偶然事故期间或当新线路( 或变压器) 被 推迟投入的时候，应运行不经济的发电机以改变潮流或提供电压支持； ( 2 ) 串联电容器：有效减小线路电抗，降低净无功网损； ( 3 ) 并联电容器：虽然并联电容器的过分使用可能是电压不稳定问题的 部分原因，但是有时附加的电容器也能解决电压不稳定问题，因为此时可以 在发电机中预留出“旋转无功储备”； ( 4 ) 静止无功补偿器( s v c ) ：s v c 与同步补偿机搭配使用对控制电压和 防止电压崩溃是有效的，但必须认识到它有很确定的极限。当一个超过了规 划准则的扰动使s v c 达到顶值时，系统中的电压崩溃会与s v c 有很大关系； ( 5 ) 在较高电压下运行：可能并不增大无功储备，但却减少了无功需求。 因为它使发电机运行在远离无功极限的地方，因此帮助运行人员裕留了对电 压的控制： ( 6 ) 低电压甩负荷：即使负荷减少不多，那怕5 1 0 也可能避免崩溃； f 7 ) 低功率因数发电机：在新增的发电很靠近无功短缺地区或靠近偶尔 需要大的无功储备的地区的情况下，采用功率因数为0 8 5 或0 8 的发电机为 宜。 ( 8 ) 利用发电机的无功过负荷能力：发电机和励磁机过负荷的能力可被 用来推迟电压崩溃。 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o 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0 2 h z ，禁止升高或降低频率运行【“】。”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。当电力系统中有功功率的总 供给，即各发电厂中有功出力满足了全网电力负荷的总需求，并能随负荷的 变化而及时调整时，电网的运行频率将保持为额定值。如果电力系统的有功 功率供大于求，发电机的负荷电磁力矩小于机械输入力矩，转速将变快而使 频率增大，电网的运行频率将高于额定值：反之，则将低于额定值。 由于用户使用的电动机转速与系统频率有关，因此频率的变化将引起电 动机转速的变化，从而使纺织、造纸等工业出现残次品。系统频率的不稳定 硕士学位论文 将会影响电子设备的工作，雷达、电子计算机等重要设施将因频率过低而无 法运行。受频率不稳定影响最大的，当首推发电厂本身。低频率运行将增加 汽轮机叶片所受的应力，引起叶片的共振，缩短叶片的寿命，甚至使叶片断 裂。同时，当供电频率下降时，风机和水泵所能供应的风量和水量将迅速减 少，影响锅炉的正常运行，从而使发电机输出的电功率减少，更加剧了供需 间的不平衡，迸一步促使频率下降，终至造成发电厂全停。对于核能电厂， 它的反应堆冷却介质泵堆供电频率有严格要求，如果不能满足，这些泵将自 动断开，使反应堆停止运行 l j 。 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( 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 g c 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f j 。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【“j ： ( 1 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 1 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 电力市场环境下湖南电网安全稳定水平研究 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 一1 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i ”】。 n 一1 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f 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 一1 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【1 8 】。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。 静稳定判据为【1 9 l ： d p d j 0( 1 1 ) 或 d q d v 0( 1 2 ) 相应的静稳定储备系数为： g p ：垫匣：垂堂。1 0 0 1 正常 ( 1 3 ) k v ：生堂二氇昼。1 0 0 一 = 些卫业x y 正常 1 2 2 3 电力系统暂态稳定的计算分析 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 1 。暂态稳定计算分析的目的是在规定运行方 式和故障形态下，对系统稳定性迸行校验，并对继电保护和自动装置阱及各种措 施提出相应的要求。 暂态稳定计算的条件如下【2 0 1 ： f 1 ) 应考虑在最不利地点发生金属性短路故障； ( 2 ) 发电机模型在可能的条件下，应考虑采用暂态电势变化甚至次暂态电势变 化的详细模型( 在规划阶段允许采用暂态电势恒定的模型) ； ( 3 1 继电保护、重合闸和有关自动装置的动作状态和时间，应结合实际情况考 硕士学位论文 虑： ( 4 ) 考虑负荷特性。 暂态稳定的判据是电网遭受每一次大扰动后，引起电力系统各机组之间功角 相对增大，在经过第一或第二个振荡周期不失步，作同步的衰减振荡，系统中枢 点电压逐渐恢复。 1 2 2 4 电力系统动态稳定的计算分析 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。 电力系统有下列情况时，应作长过程的动态稳定分析1 2 1 j ： f 1 ) 系统中有大容量水轮发电机和汽轮发电机经较弱联系并列运行； ( 2 ) 采用快速励磁调节系统及快关气门等自动调节措施； r 3 、有大功率周期性冲击负荷； ( 4 1 电网经弱联系线路并列运行； f 5 ) 分析系统事故有必要时。 动态稳定计算的发电机模型应采用考虑次暂态电势变化的详细模型，考虑同 步电机的励磁调节系统和调速系统。考虑电力系统中各种自动调节和自动控制系 统的动作特性及负荷的电压和频率动态特性。 动态稳定的判据是在受到小的或大的扰动后，在动态摇摆过程中发电机相对 功角和输电线路功率呈衰减振荡状态，电压和频率能恢复到允许的范围内。 1 2 2 5 电力系统电压稳定的计算分析 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【7 1 。电力系统中经较弱联系向受端系统供电 或受端系统无功电源不足时，应进行电压稳定性校验。 进行静态电压稳定计算分析是用逐渐增加负荷f 根据情况可按照保持恒定 功率因数，恒定功率或恒定电流的方法按比例增加负荷1 的方法求解电压失稳的 临界点( 由d p d v = o 或d q d v = o 表示) ，从而估计当前运行点的电压稳定裕 度【2 2 1 。 可以用暂态稳定和动态稳定计算程序计算暂态和动态电压稳定性。电压失稳 的判据可采用母线电压下降，平均值持续低于限定值。应区别由功角振荡或失稳 造成的电压严重降低和振荡。 详细研究电压动态失稳时，模型中应包括负荷特性、无功补偿装置动态特性、 带负荷自动调压变压器的分接头动作特性、发电机定子和转子过流和低励限制、 发电机强励动作特性等。 1 2 2 6 电力系统再同步的计算分析 再同步是指电力系统受到小的或大的扰动后，同步电机经过短时间非同步运 电力市场环境下湖南电网安全稳定水平研究 行过程后再恢复到同步运行方式( 7 j 。电力系统再同步计算分析的目的，是当运行中 稳定破坏后或线路采用非同步重合闸时，研究系统变化发展趋向，并找出适当措 施，使失去同步的两部分电网经过短时间的异步运行，能较快再拉入同步运行。研 究再同步问题须采用详细的电力系统模型和参数。 电力系统再同步计算的校验内容i 仉 ( 1 ) 再同步过程中是否会造成系统中某些节点电压过低，是否影响负荷的稳 定，是否会扩大为系统内部失去同步，是否会扩大为系统几个部分之间失去同步； f 2 1 在非同步过程中流过同步电机电流的大小是否超过规定允许值，对机组本 身的发热、机械变形及振动的影响； ( 3 1 再同步的可能性及其相应措施。 电力系统再同步的判据，是指系统中任两个同步电机失去同步，经若干非同 步振荡周期，相对滑差逐渐减少并过零，然后相对角度逐渐过渡到某一稳定点。 1 3 电力市场 1 3 1 电力市场概述 电力生产使用过程可以分成发电、输电、配电、用电四个环节，在传统的电 力管理体制下，由于是发、输、配、用电垂直一体化管理，电力行业是绝对的垄 断经营，而我国长期缺电的历史更是把电力产品完全变成了卖方垄断市场。发、 输、配电的长期垂直垄断使得电力产业缺乏竞争、效率低下，不利于实现资源的 优化配置和降低成本，电力服务与价格均难以满足社会发展的需求【2 3 】。解决这一 问题的根本办法是打破行业垄断、引入竞争机制、建立电力市场，实施电力改革。 因而从2 0 世纪9 0 年代以来，世界各国的电力系统都在经历一次大的变革，改革 首先是从美国和英国开始，通过私有化、市场化和电力企业的重组，引入竞争机 制，从而提高劳动生产率，降低生产成本。在电力市场中，竞争要求保证市场的 自由度，要求输电网络对所有市场参与者公平开放，即市场必须使得商品可以自 由流通，本着公平、平等的原则进行电力自由贸易【2 4 , 2 5 】。 从竞争和选择的角度来看，电力系统可以有以下4 种经营模式【2 6 】： ( 1 ) 垄断模式：发电、输电、配电、用电各环节垄断经营； ( 2 ) 发电竞争模式：发电分离，竞价上网，输电、配电、用电仍保持垄断经营； ( 3 ) 输电网开放模式：发电竞争，输电开放，配电垄断经营，大用户获选择权， 也称批发市场； ( 4 ) 配电网开放模式：发电竞争，输配电开放，大小用户获选择权，也称零售 市场。 以上四种模式除了传统的垄断经营模式外，后三种即为电力市场逐渐深入的 过程。 硕士学位论文 电力市场是电价、电力系统运行、负荷管理、供电用电合作、通信和计算机 系统的总和，是电力工业经营( 包括运行与发展、内部与社会) 管理与技术的综合体。 其基本原则是公平竞争。一个健康的电力市场，具有一下特征1 2 7 】：价格随需求 变化；价格的变化影响需求量：买卖市场机制；买方无垄断行为；卖方 无垄断行为。 电力是商品，商品交换靠的是电价，而电价应是交易双方都能接受才能最终 成交，因此电价是电力市场的支点。电价过低，会影响电力工业的发展，同时也 会影响电力的生产。从某种意义上来讲，电力市场的改革实际上就是电价的改革。 通过电价这一杠杆，可以促使各发电厂改善经营，降低生产成本，实现良性循环。 对于传统的计划经济时期，电价是由上级主管部门制定的。由于所有的发电 供电部门都属于同一个主管部门，所有的电力生产部门的经济收入是由主管者统 一分配，就必然导致几乎所有的电力企业不注重经济效率。同时由于长期缺电， 全部靠国家投资电厂存在困难，必然需要外界资金的投入，但由于电网和发电厂 同属一家，就会使得外界资金存在着各种疑虑，这样就必然就阻碍了电力工业的 发展。因此，“厂网分开、竞价上网”也就成为电力市场改革的必然趋势。在电力 市场环境下，电网调度应担当为公正的调度员角色，而每个发电厂则成为独立的 经济实体，它们都向调度中心报出自己的价格，调度员在考虑电网系统安全的情 况下，选择报价最低的发电厂发电。 总之，电力市场的实旅，可以在以下几个方面发挥重要的作用： f 1 ) 引入竞争机制，通过公平竞争达到提高系统运行效率，降低生产成本的目 的； ( 2 ) 为电力用户提供合理的电价与高质量的服务； f 3 1 区域经济协调与利益的公平分配； ( 4 ) 促进电力设计与规划的良性循环。 1 3 2