【涨知识】智能电网的基础之电力系统稳定

说到稳定这块，其实很不好写，内容太多，光一个暂态稳定就牵涉不少东西，而且简单的写些浅显的常识也没什么意义。具体关于系统稳定的工程也做过不少，一直也没有系统的总结下，所以尽量写全，并考虑一定深度，希望可以写清楚。(稳定计算理论条件、计算方法什么的尽量简化)

一、电力系统稳定概述和分类

稳定的分类其实至今为止都没有一定统一的定论，欧洲和美洲很多都不一样，有传统的分类也有现在的分类。姑且按我自己的想法梳理。

电力系统稳定分为三个电量的稳定：电压稳定、频率稳定、功角稳定。

功角的稳定又分为三种：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。

其中，静态稳定是系统受到小扰动后系统的稳定性;暂态稳定是大扰动后系统在随后的1-2个周波的稳定性;动态稳定是小扰动后或者是大扰动1-2周波后的，并且采取技术措施后的稳定性。

上述三个稳定性概念，采用一个碗中放置一个球，用这个球在受到外部作用后是否回到原来的位置来比喻说明：

一个碗中放一个球，当这个球受到外部的一个小力量，它就偏离原来位置，如果这个碗高度很矮，矮的像一个盘子，这个球就有可能从碗中掉下来，我们就说这个系统静态稳定不足。事实上，电力系统的小扰动不断在发生，碗中的球也就在碗底不断的在滚动，碗的高度越高，这个系统的静态稳定极限就越大，系统也就越稳定。

当碗中的球受到一个大的外部力量，这个球能否还在碗中就是系统的暂态稳定问题。提高系统暂态稳定的最主要措施就是快速的继电保护。继保的作用就相当于减少这个外部力量的作用时间，继保越快，外力的作用时间就越短，这个球就不会一下子掉下来。而自动电压调节器此时作用相当于自动改变这个碗的坡度，当这个球上升时增加坡度，当下降时就减少这个坡度，使这个球在碗中滚动幅度迅速减小。

如果这个碗和球之间的摩擦很小，这个球受到扰动后在碗中来回滚动时间就很长，特别是，如果这个扰动的外力不断的来回施加，就比如我们不断的荡秋千，这个球就永远不停的来回滚动甚至掉下来，我们就说这个系统的动态稳定性差。这里的摩擦阻力相当于电力系统的阻尼，这个来回不断施加的外部力量就相当于自动电压调节器产生的负阻尼。一般来说，自动电压调节器在电力系统的动态稳定中起坏作用，产生负阻尼，使整个系统阻尼减少。当我们在自动电压调节器中增添PSS装置，PSS就把自动电压调节器原来所产生的负阻尼变为正阻尼，相当于增加碗和球的摩擦系数，使球的滚动幅度快速减小，于是这个系统的动态稳定性就满足要求。

《电力系统安全稳定导则》规定我国电力系统承受大扰动能力的标准分三级：

第一级标准：保持稳定运行和电网的正常供电[对于出现概率较高的单一元件故障，不采取稳定控制措施];

第二级标准：保持稳定运行，但允许损失部分负荷[出现概率较低的严重故障];

第三级标准：当系统不能保持稳定运行时，必须防止系统崩溃，并尽量减少负荷损失[出现概率很低的多重性严重事故]。

国网的安全稳定三道防线总体上应满足三级标准要求。继电保护是第一道防线，但第一道防线的正确动作并不一定能完全满足稳定导则中规定的第一级标准，例如，一些联系相对薄弱的电网连单瞬、单永故障都存在问题，需要采取稳定控制措施来提高电网的送电能力;

稳定控制系统是基于对电网的稳定分析而配置的，它只针对预想的运行方式、预定的故障类型，如果出现了预想以外的方式或故障，则稳控系统不能保证电网的稳定性，即第二道防线是人们主动出击采取的措施;

第三道防线则是兜底的，凡是多重故障、预想之外的事故导致系统失去同步或频率、电压异常，由第三道防线的装置采取控制措施，防止事故扩大，防止系统崩溃，即第三道防线是被动应对大事故的手段。

电力系统稳定控制阶段示意图如下：

二、电力系统功角稳定

前面已经说过，功角的稳定分为三种：静态稳定、暂态稳定和动态稳定。

在设计和运行系统中，主要对如下三个方面的稳定性进行计算。第一类:：最大量的分析计算是暂态稳定性。由于系统的运行操作和故障是大量地经常发生的，因此，对暂态稳定性的正确评估，对于电力系统的安全运行具有第一等重要意义。第二类:较少的是计算分析长距离重负荷线路的静态稳定裕度。出现静态稳定问题的情况，多属单机对主系统模式或单机经大环网分别接入系统模式。第三类：最少但最引起研究人员兴趣的是动态稳定的计算分析，即判定是否出现周期性失稳的问题。由于这种稳定破坏并非常见，在实际系统中，往往都是在事件发生后才去认真分析并寻求对策。

一般情况下，系统的暂态稳定水平低于系统的静态稳定水平，如果满足了大扰动后的系统稳定性，往往可同时满足正常运行情况下的静态稳定要求。但是，保持一定的静态稳定水平，乃是取得系统暂态稳定的基础和前提。有了一定的静态稳定裕度，就有可能在严重的故障情况下通过一些较为简易的技术措施去争取到系统的暂态稳定性。不保持静态稳定，系统无法运行;而在某些特殊情况下，例如大发水电和事故后运行方式下，却需要也可以降低系统暂态稳定水平而短期地运行。这种临时做法合乎逻辑的理由是.影响系统暂态稳定最为严重的短路故障，具有概率性质，因而可以认为不会在那样的短期运行期间，又同时发生足以招致失去暂态稳定的严重故障。三、电力系统静态稳定

也可以叫小干扰稳定(这块说法不一，可以这么认为)。

静态稳定是指电力系统在某一正常运行状态下受到小干扰后，不发生自发振荡或非周期性失步，自动恢复到原始运行状态的能力。静态稳定问题实际上就是确定小扰动下系统的某个运行稳态点能否保持。系统小干扰稳定性取决于系统的固有特性，与干扰的大小无关。(若电力系统受到小扰动后，在较长过程中，在自动调节和控制装置作用下的稳定问题，则被划为动态稳定问题，姑且在这块先介绍了)。

电力系统受到小扰动之后可能出现的不稳定通常分为两种形式：

由于缺少同步转矩，发电机转子角逐步增大，滑行失步;

由于有效阻尼转矩不足，转子增幅振荡。欠阻尼振荡;低频功率振荡问题;

电力系统包含许多机电振荡模式，其频率通常为0.1~2.0Hz，所以常称为低频振荡

区域间振荡模式(0.1~1Hz)

区域内振荡模式(1~2Hz)

小干扰稳定性问题通常是由于系统阻尼不足引起的一种增幅振荡，小干扰分析法主要是用特征根法，根据受扰动运动的线性化微分方程式组的特征方程式的根，判断是否稳定的方法。

问题实质在于：如果小机组扰动的频率接近主网系统的固有机电谐振频率时会激发产生“共振”现象，使主网联络线的振幅愈来愈大，好像低压电网小机组产生的相对系统来说不大的一个功率振荡(摇摆)，在主网内被“放大”了。

以华中电网2005年”10.29”功率振荡为例：

振荡频率为0.77Hz。

华中电网大部分500kV线路出现功率摆动，三峡外送系统振荡幅度较大，其中斗双线振荡最大，振幅为730MW左右。

鄂西北电网振荡现象明显，有多台小机组(总计40MW)被迫解列。

机组中，三峡电厂机组振荡最大，左二单机振幅(峰峰值)达到270MW。500kV中枢点中，左二500kV母线电压振荡最大，振幅为40kV。

初步结论为：湖北西北电网由弱阻尼引发的同步振荡导致主网相近频率强迫振荡的可能性较大，但需对湖北西北电网阻尼变化敏感因素作进一步分析，也需要进一步研究系统发生强迫振荡的机理。

控制改善小干扰稳定性的研究方面，应区分不同的振荡模式，找出其不稳定的原因，有针对性地选择合适的控制措施。特别是联络线振荡模式的控制措施。要建立系统小干扰稳定性准则，如所有关键振荡模式阻尼比不低于3%，联络线或关键输电断面的传输极限等。在对实际系统大量研究的基础上，确定避免系统发生小信号不稳定的调度方案。软件计算一般也针对这些要素进行校核。

计算过程中，主要是分析对外网的变化(如断面潮流和方向)对区域电网的动态特性(特征根、阻尼比)的影响，然后对弱阻尼的振荡模式提出机组PSS等措施，以免电网发生低频振荡。下为小干扰分析模态图。

四、电力系统暂态稳定

1、暂态稳定标准

用来考虑大扰动对系统稳定运行的影响，是暂态稳定问题。迄今为止，各国电力系统仍然利用发生规定扰动这样的决定性方法来判断系统的暂态稳定性。实际发生过的系统大扰动模式多种多样。有的由于多种异常状态同时或相继出现而使整个扰动模式极为复杂，而普遍地规定用于设计和生产运行系统暂态稳定性的考核的扰动方式，则极为简单。例如。最常用的是单一的某电力元件无故障突然开断以及因短路故障断开等