電力系統(tǒng)繼電保護(hù)第十一章電力系統(tǒng)的廣域保護(hù)控制第一節(jié)廣域保護(hù)控制的功能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期以來，繼電保護(hù)系統(tǒng)采用面向保護(hù)對(duì)象設(shè)置，在被保護(hù)設(shè)備發(fā)生故障時(shí)及時(shí)切除故障元件，保證電力系統(tǒng)中其他非故障元件可以正常運(yùn)行。對(duì)于一個(gè)顯然是安全的系統(tǒng)，任何一種單一的故障都不會(huì)造成全系統(tǒng)的破壞。系統(tǒng)破壞往往是由于幾種情況相疊加使網(wǎng)絡(luò)超出其承受能力而造成的。電力系統(tǒng)控制用于維持電力系統(tǒng)運(yùn)行在正常的電壓和頻率水平下，能夠適應(yīng)不斷變化的負(fù)荷有功和無功功率需求，同時(shí)保持電網(wǎng)的最優(yōu)運(yùn)行和安全可靠性。對(duì)于就地繼電保護(hù)裝置而言，保護(hù)功能的反應(yīng)時(shí)間一般比控制功能的要快。而且繼電保護(hù)裝置動(dòng)作于跳閘和合閘斷路器，會(huì)改變電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，而控制功能一般通過連續(xù)的動(dòng)作措施來調(diào)整電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，如改變系統(tǒng)電壓、電流和潮流等。我國電力系統(tǒng)為保證安全運(yùn)行普遍配置應(yīng)用了防御嚴(yán)重事故的“三道防線”:

第一道防線保證系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)有一定的安全裕度，在常見的適度故障情況下能夠保持穩(wěn)定和不損失負(fù)荷；

第二道防線保證系統(tǒng)在較嚴(yán)重故障情況下不至于發(fā)生穩(wěn)定性破壞和事故擴(kuò)大；

第三道防線保證系統(tǒng)在極端嚴(yán)重故障情況下不至于崩潰以及發(fā)生大面積停電?？傮w而言，電力系統(tǒng)第一道防線繼電保護(hù)和第二、三道防線安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)功能定位明確、界面清晰，但在配合方面還存在不足。繼電保護(hù)基于本地和就近信息，反映的只是一個(gè)電力元件或就近局部的運(yùn)行狀態(tài)，不能反映較大區(qū)域電網(wǎng)當(dāng)前運(yùn)行方式下的安全運(yùn)行水平。繼電保護(hù)以切除故障元件為目標(biāo)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)保護(hù)裝置正確動(dòng)作切除故障，但由于潮流轉(zhuǎn)移造成其他線路過負(fù)荷，從而引起過負(fù)荷線路的連鎖切除，而最終使得系統(tǒng)瓦解的情況。因此繼電保護(hù)需要優(yōu)化自身判據(jù)并和穩(wěn)控配合，防止事故過負(fù)荷情況下不必要的動(dòng)作。一、廣域保護(hù)控制的定義

廣域保護(hù)控制可定義為依賴電力系統(tǒng)廣域多點(diǎn)的信息，優(yōu)化或補(bǔ)充現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)性能與功能，對(duì)故障進(jìn)行快速、可靠、精確地切除，同時(shí)分析故障切除對(duì)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響，并采取相應(yīng)的控制措施，以提高輸電線可用容量或系統(tǒng)的可靠性，綜合實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)和控制功能的系統(tǒng)。

廣域保護(hù)控制是以保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)或者其中某一部分為目的，而不是傳統(tǒng)意義上只針對(duì)特定元件的保護(hù)。廣域保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間范圍一般在0.1~100s之間，典型的控制措施包括低頻減載、低壓減載、失步跳閘與閉鎖、切除發(fā)電機(jī)、遠(yuǎn)程切除負(fù)荷、系統(tǒng)解列和FACTS控制等等。

110kV及以下電壓等級(jí)的廣域保護(hù)控制，側(cè)重于實(shí)現(xiàn)局部電網(wǎng)的繼電保護(hù)功能。

220kV及以上電壓等級(jí)的廣域保護(hù)與控制，以區(qū)域穩(wěn)控系統(tǒng)為主體，增強(qiáng)安全穩(wěn)定控制性能，擴(kuò)展智能化高級(jí)應(yīng)用功能（如精確切負(fù)荷等），加強(qiáng)與第一道防線（繼電保護(hù)）的協(xié)調(diào)配合。智能電網(wǎng)下的層次化保護(hù)控制架構(gòu)體系由就地保護(hù)、站域保護(hù)控制和廣域保護(hù)控制三個(gè)層次組成。三個(gè)層次中的繼電保護(hù)功能協(xié)調(diào)配合，提升繼電保護(hù)系統(tǒng)總體可靠性、選擇性、靈敏性和速動(dòng)性；繼電保護(hù)與安全穩(wěn)定控制功能協(xié)調(diào)配合，加強(qiáng)了電網(wǎng)第一道防線與第二、三道防線之間的協(xié)作，構(gòu)建更嚴(yán)密的電網(wǎng)安全防護(hù)體系。二、廣域保護(hù)控制的功能安全穩(wěn)定控制優(yōu)化對(duì)220kV及以上系統(tǒng)，側(cè)重安全穩(wěn)定控制功能，實(shí)現(xiàn)具有相關(guān)性的區(qū)域安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)第三道防線低頻減載和低壓減載的區(qū)域智能分配，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜聯(lián)網(wǎng)條件下的多端面失步解列協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)交直流聯(lián)網(wǎng)情況下的交直流協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)廣域范圍的變電站間備用電源自動(dòng)投入。繼電保護(hù)與安全穩(wěn)定控制的協(xié)調(diào)廣域保護(hù)利用網(wǎng)絡(luò)通信和區(qū)域信息實(shí)現(xiàn)區(qū)域保護(hù)和安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)配合，可避免可能引發(fā)電網(wǎng)穩(wěn)定事故的連鎖跳閘的問題。現(xiàn)有保護(hù)系統(tǒng)的補(bǔ)充優(yōu)化對(duì)110kV及以下電壓等級(jí)電網(wǎng)，側(cè)重局部電網(wǎng)的繼電保護(hù)功能。廣域保護(hù)控制系統(tǒng)可構(gòu)建基于廣域信息的局部電網(wǎng)的冗余保護(hù)；對(duì)于運(yùn)行方式復(fù)雜的電網(wǎng)，后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)間可能較長(zhǎng)，存在靈敏性和選擇性無法兼顧問題，而利用局部電網(wǎng)信息可簡(jiǎn)化后備保護(hù)配合，縮短后備保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。保護(hù)定值優(yōu)化繼電保護(hù)動(dòng)作判據(jù)多基于本地測(cè)量數(shù)據(jù)，保護(hù)定值事先離線整定，難以適應(yīng)不斷變化的電網(wǎng)運(yùn)行方式要求，對(duì)此可利用區(qū)域電網(wǎng)信息識(shí)別電網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行狀態(tài)，優(yōu)化后備保護(hù)的定值。三、廣域保護(hù)控制的實(shí)現(xiàn)廣域保護(hù)控制系統(tǒng)可由布置在變電站的子站經(jīng)電力通信網(wǎng)絡(luò)連接組成，在目前的電力系統(tǒng)中可以借助于廣域測(cè)量系統(tǒng)（Wide

Area

Measurement

System，WAMS）實(shí)現(xiàn)的。?廣域測(cè)量系統(tǒng)WAMS基于全球定位系統(tǒng)（Global

Positioning

System，GPS）和相量測(cè)量單元（PhasorMeasurementUnit，PMU）的廣域測(cè)量系統(tǒng)WAMS為電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)提供了可能性。WAMS是一個(gè)覆蓋范圍廣、釆集終端分散的廣域分布的大型系統(tǒng)，系統(tǒng)采集的相量數(shù)據(jù)從各個(gè)分散的變電站/發(fā)電廠傳送到調(diào)度中心需要經(jīng)過廣域通信網(wǎng)絡(luò)。廣域通信網(wǎng)絡(luò)是WAMS不可或缺的、重要的組成部分，是WAMS采集終端與監(jiān)控中心之間的紐帶，是實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)安全監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)。

為實(shí)現(xiàn)廣域保護(hù)控制功能，保護(hù)控制中心需要從PMU收集電力系統(tǒng)的各種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯集、過濾、處理，及時(shí)檢測(cè)出廣域擾動(dòng)，并把相應(yīng)的控制命令發(fā)送到保護(hù)控制終端。

廣域保護(hù)控制至少需要兩種消息的傳輸：原始數(shù)據(jù)的上傳和控制命令的下發(fā)。在此基礎(chǔ)上可以實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為和事故錄波，提高系統(tǒng)狀態(tài)估計(jì)精度，進(jìn)行系統(tǒng)穩(wěn)定性分析，以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)失步解列等保護(hù)控制方式。

?廣域保護(hù)控制是針對(duì)?廣域擾動(dòng)的保護(hù)控制系統(tǒng)廣域擾動(dòng)廣域保護(hù)功角失穩(wěn)電壓失穩(wěn)過負(fù)荷連鎖故障……功角穩(wěn)定的保護(hù)控制電壓穩(wěn)定的保護(hù)控制過負(fù)荷保護(hù)控制連鎖故障保護(hù)控制……第二節(jié)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和控制策略為了描述電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定水平以及合理地設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，在概念上可以將系統(tǒng)運(yùn)行條件分為以下5種狀態(tài)：正常、警戒、緊急、極端（或稱極端緊急）和恢復(fù)狀態(tài)。電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移路徑如圖11-1所示。圖11-1

電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移路徑1.

正常狀態(tài)（normal

state）能夠保持電力系統(tǒng)充裕性和安全性的運(yùn)行狀態(tài)所有系統(tǒng)變量都在其額定范圍內(nèi)，沒有過負(fù)荷的設(shè)備，系統(tǒng)能夠供應(yīng)全部負(fù)荷并有足夠的穩(wěn)定儲(chǔ)備和有功、無功備用容量。系統(tǒng)運(yùn)行于一種安全的方式下，能夠承受偶然事故而不超出任何約束條件。如果正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)大擾動(dòng)事件，使系統(tǒng)的安全水平下降到低于某一適當(dāng)?shù)慕缦?，或者由于不利的天氣條件如特大暴風(fēng)雨而使故障干擾的可能性增加，則系統(tǒng)進(jìn)入警戒狀態(tài)。2.

警戒狀態(tài)（alert

state）潛在不充裕和/或不安全狀態(tài)所有的系統(tǒng)變量仍在允許的范圍內(nèi)，所有的約束條件都能得到滿足，然而此時(shí)系統(tǒng)已到了很脆弱的程度，系統(tǒng)的穩(wěn)定儲(chǔ)備和備用容量降低，從而進(jìn)入一個(gè)潛在不夠安全的狀態(tài)。在警戒狀態(tài)下，應(yīng)及時(shí)采取預(yù)防性控制措施，如改變發(fā)電出力（安全調(diào)度）或增加備用容量等，消除潛在的不安全因素，使系統(tǒng)恢復(fù)到正常狀態(tài)。如果恢復(fù)的步驟不能成功，則系統(tǒng)仍將處于警戒狀態(tài)。如果在系統(tǒng)處于警戒狀態(tài)時(shí)發(fā)生了一樁足夠嚴(yán)重的擾動(dòng)事故，則系統(tǒng)進(jìn)入緊急狀態(tài)。如果這一故障干擾非常嚴(yán)重，則可能使系統(tǒng)從警戒狀態(tài)直接導(dǎo)致出現(xiàn)極端狀態(tài)。3.

緊急狀態(tài)（emergency

state）系統(tǒng)仍然是完整的，但是出現(xiàn)穩(wěn)定危機(jī)在緊急狀態(tài)下，許多母線的電壓降低并且/或者設(shè)備負(fù)荷超出其短時(shí)緊急額定值。應(yīng)立即采取適當(dāng)?shù)木o急控制措施以保持系統(tǒng)穩(wěn)定性和主電網(wǎng)完整性，防止設(shè)備損壞和系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)一步惡化，但允許損失部分負(fù)荷。采取緊急控制措施，如：故障清除、勵(lì)磁控制、快關(guān)氣門、切機(jī)、再投入發(fā)電機(jī)、HVDC調(diào)制以及減負(fù)荷后，仍可能將系統(tǒng)恢復(fù)到警戒狀態(tài)。如果以上措施未能采取或者不能奏效，則系統(tǒng)將處于極端狀態(tài)。4.

極端狀態(tài)（extreme

emergency

state）也稱極端緊急狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)難以保持穩(wěn)定運(yùn)行其結(jié)果是連鎖反應(yīng)停電并可能使系統(tǒng)的主要部分停機(jī)。在此狀態(tài)下，部分母線電壓和系統(tǒng)頻率可能嚴(yán)重超越允許范圍，部分系統(tǒng)元件的負(fù)載可能嚴(yán)重超出其額定值而中斷供電，系統(tǒng)穩(wěn)定破壞而進(jìn)一步擴(kuò)大事故，甚至造成系統(tǒng)崩潰。對(duì)于出現(xiàn)這類極端嚴(yán)重事故，要求保證系統(tǒng)同步穩(wěn)定性和完整性是困難的，有時(shí)甚至是不可能的。必須采取有效控制措施如切機(jī)切負(fù)荷以及在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)解列系統(tǒng)，其目的是將系統(tǒng)中盡可能多的部分從大范圍的停電中挽救過來，不造成大面積停電?；謴?fù)狀態(tài)（restoration

state）恢復(fù)狀態(tài)表示為了重建電力系統(tǒng)充裕度正在采取控制措施的情形，以便將所有設(shè)備重新接入并恢復(fù)系統(tǒng)負(fù)荷。采取的控制措施包括發(fā)電機(jī)快速起動(dòng)、同步并列、輸電線重新帶電、負(fù)荷再供電和電力系統(tǒng)解列的部分再同步運(yùn)行等。根據(jù)系統(tǒng)的條件，系統(tǒng)可從這一狀態(tài)轉(zhuǎn)移到警戒狀態(tài)或者正常狀態(tài)。

為了可靠供電，一個(gè)大規(guī)模電力系統(tǒng)必須保持完整并能承受各種干擾。因此，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行應(yīng)使系統(tǒng)能承受更多可能的故障而不損失負(fù)荷（連接到故障元件的負(fù)荷除外），能在最不利的可能故障情況下不致產(chǎn)生不可控的、廣泛的連鎖反應(yīng)式的停電。

控制目標(biāo)取決于電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。在正常運(yùn)行方式下，控制的目標(biāo)是使電壓和頻率接近額定值以使運(yùn)行盡可能有效率；當(dāng)非正常狀態(tài)發(fā)生時(shí)，新的控制目標(biāo)必須是使系統(tǒng)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)。第三節(jié)電力系統(tǒng)穩(wěn)定性概述穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)運(yùn)行中最被關(guān)注的問題。

電力系統(tǒng)穩(wěn)定可以概括地定義為這樣一種電力系統(tǒng)的特性，即它能夠運(yùn)行于正常運(yùn)行條件下的平衡狀態(tài)，在遭受干擾后能夠恢復(fù)到可以容許的平衡狀態(tài)。

根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和運(yùn)行模式的不同，電力系統(tǒng)不穩(wěn)定可以通過不同的方式表現(xiàn)出來。傳統(tǒng)上，穩(wěn)定是一個(gè)維持同步運(yùn)行的問題。這一穩(wěn)定的狀況受發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角的動(dòng)態(tài)和功角關(guān)系的影響。習(xí)慣上采用3種分類方式進(jìn)行描述：靜態(tài)穩(wěn)定性 指電力系統(tǒng)能持續(xù)運(yùn)行在它當(dāng)前的狀態(tài)下，微小緩慢的系統(tǒng)負(fù)荷變化會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行點(diǎn)的微小改變。當(dāng)負(fù)荷緩慢少量增加時(shí)，一個(gè)靜態(tài)不穩(wěn)定系統(tǒng)會(huì)從運(yùn)行點(diǎn)處偏移到非同步運(yùn)行狀態(tài)。靜態(tài)穩(wěn)定性與功角特性曲線的斜率和峰值有關(guān)。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性 指電力系統(tǒng)的一個(gè)微小的擾動(dòng)將帶來隨時(shí)間衰減的振蕩，使系統(tǒng)返回到擾動(dòng)前的運(yùn)行狀態(tài)。一個(gè)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，將產(chǎn)生隨時(shí)間增長(zhǎng)的振蕩，要么變成無限大，要么導(dǎo)致有限的持續(xù)振蕩。3）暫態(tài)穩(wěn)定性 指電力系統(tǒng)在一個(gè)大的擾動(dòng)（如由故障引起的擾動(dòng)）之后，將返回到同步運(yùn)行狀態(tài)。一個(gè)暫態(tài)不穩(wěn)定的系統(tǒng)會(huì)由于故障而失去同步，發(fā)電機(jī)組將超過或低于同步轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)。在這三種穩(wěn)定概念中，靜態(tài)穩(wěn)定和暫態(tài)穩(wěn)定與電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)計(jì)最直接相關(guān)。而動(dòng)態(tài)穩(wěn)定在很大程度上取決于電力系統(tǒng)中的各種可控設(shè)備（主要是大型發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)）的增益和時(shí)間常數(shù)。

事實(shí)上不失去同步也可能產(chǎn)生不穩(wěn)定。例如，由一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)向一臺(tái)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)負(fù)荷通過一條輸電線供電的系統(tǒng)，可因負(fù)荷電壓的崩潰而變得不穩(wěn)定。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性是機(jī)組、電網(wǎng)和負(fù)荷的整體特性，系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)涉及大量設(shè)備-

例如：短路發(fā)生在關(guān)鍵元件上隨后被繼電保護(hù)裝置動(dòng)作所隔離，這將造成功率傳送、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和母線電壓的變化；電壓變化將使發(fā)電機(jī)和輸電系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器動(dòng)作；轉(zhuǎn)速變化將使調(diào)速器動(dòng)作；聯(lián)絡(luò)線上負(fù)荷的變化可引起發(fā)電控制的響應(yīng)；而電壓和頻率的變化則取決于各負(fù)荷的特性從而對(duì)系統(tǒng)的負(fù)荷產(chǎn)生不同程度的影響。

根據(jù)造成不穩(wěn)定現(xiàn)象的物理本質(zhì)、擾動(dòng)的大小及與此相應(yīng)的分析方法、穩(wěn)定問題所涉及的設(shè)備和控制過程以及時(shí)間范疇，可以將電力系統(tǒng)穩(wěn)定問題進(jìn)行分類。

2003年IEEE和CIGRE定義電力系統(tǒng)穩(wěn)定性為：電力系統(tǒng)在給定的初始運(yùn)行工況下，承受一個(gè)物理擾動(dòng)后能夠返回到平衡狀態(tài)運(yùn)行的能力，該平衡狀態(tài)大多數(shù)系統(tǒng)變量受到約束因而實(shí)際上整個(gè)系統(tǒng)保持完好。

具體的穩(wěn)定性分類如圖11-2所示。圖11-2

電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分類圖1．轉(zhuǎn)?子角穩(wěn)定性（rotor

angle

stability）

電力系統(tǒng)中互聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)保持同步運(yùn)行的能力，也稱功角穩(wěn)定性。

其基本因素是同步發(fā)電機(jī)的功率輸出隨其轉(zhuǎn)子搖擺變化的關(guān)系（即所謂的功角關(guān)系）。

系統(tǒng)的穩(wěn)定性取決于轉(zhuǎn)子角度的變化能否產(chǎn)生足夠的、能使機(jī)組保持或恢復(fù)同步運(yùn)行的轉(zhuǎn)矩。電力系統(tǒng)發(fā)生擾動(dòng)后，同步發(fā)電機(jī)的電磁力矩變化量分為兩部分，可用下式表示：ΔTe

=TS

Δ

TD

Δ

（11-1）式中，TS

Δ

轉(zhuǎn)矩分量；TD

Δ

為與轉(zhuǎn)速增量為與轉(zhuǎn)子角增量

Δ

同相的轉(zhuǎn)矩增量，稱為同步Δ

同相的轉(zhuǎn)矩增量，稱為阻尼轉(zhuǎn)矩分量；TS

、TD

分別為同步轉(zhuǎn)矩系數(shù)和阻尼轉(zhuǎn)矩系數(shù)。

缺乏足夠的同步轉(zhuǎn)矩導(dǎo)致非周期的不穩(wěn)定，缺乏阻尼轉(zhuǎn)矩則會(huì)導(dǎo)致振蕩不穩(wěn)定。根據(jù)干擾特性，通常將轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定現(xiàn)象分為小信號(hào)（小擾動(dòng)）穩(wěn)定和暫態(tài)（大擾動(dòng)）穩(wěn)定兩種。小擾動(dòng)轉(zhuǎn)?子角穩(wěn)定性（small-signal

or

small-disturbancerotorangle

stability）電力系統(tǒng)在小擾動(dòng)下保持同步運(yùn)行的能力。由于擾動(dòng)足夠小，可以采用近似線性化方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析。小擾動(dòng)穩(wěn)定性問題通常與振蕩阻尼不足有關(guān)，即由于缺乏足夠的阻尼轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子角增幅振蕩而失去穩(wěn)定，又稱為失去振蕩穩(wěn)定性（oscillatorystability）。研究小擾動(dòng)穩(wěn)定性的時(shí)間跨度約為擾動(dòng)后的10~20s，可認(rèn)為是短期現(xiàn)象。性質(zhì)可能是局部的，或者是全局的。局部問題通常只涉及個(gè)別發(fā)電廠的機(jī)組與系統(tǒng)中其余機(jī)組的搖擺模式，振蕩頻率通常在0.7~2.0

Hz范圍內(nèi)，這種本地模式（local

mode）的振蕩穩(wěn)定性主要取決于輸電系統(tǒng)的強(qiáng)度、勵(lì)磁控制系統(tǒng)和電廠的輸出。全局問題是由大型發(fā)電機(jī)集群間互相作用產(chǎn)生，涉及系統(tǒng)中一個(gè)機(jī)群對(duì)另一個(gè)機(jī)群的搖擺模式，這種區(qū)間模式（inter-area

mode）的振蕩通常是由于緊密連接的兩組或多組發(fā)電機(jī)通過弱聯(lián)絡(luò)線互聯(lián)而造成的，振蕩頻率一般在0.1~0.7Hz范圍內(nèi)。本地和區(qū)間模式常稱為低頻振蕩、功率振蕩和機(jī)電振蕩（2）暫態(tài)穩(wěn)定性（transient

or

large-disturbance

rotorangle

stability）暫態(tài)（大擾動(dòng)）轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)遭受嚴(yán)重暫態(tài)擾動(dòng)下保持同步運(yùn)行的能力。暫態(tài)穩(wěn)定性取決于初始運(yùn)行工況、擾動(dòng)的嚴(yán)重程度和系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的響應(yīng)方式。大擾動(dòng)發(fā)生后，系統(tǒng)的保護(hù)和控制措施會(huì)起作用，切除故障設(shè)備，甚至在緊急情況下會(huì)切除機(jī)組或/和負(fù)載，使系統(tǒng)的運(yùn)行方式發(fā)生變化。一般采用數(shù)值計(jì)算的方法得到暫態(tài)過程的功角隨時(shí)間的變化曲線，圖11-3為系統(tǒng)遭受大擾動(dòng)后同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角的三種變化趨勢(shì)，分別對(duì)應(yīng)暫態(tài)穩(wěn)定的三種情況。

曲線1穩(wěn)定情況下，轉(zhuǎn)子角增加到最大值后開始減少并減幅振蕩直至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；曲線2情況下轉(zhuǎn)子角持續(xù)增加并最后失去同步，這種失穩(wěn)形式稱為第一擺不穩(wěn)定（first-swing

unstability），通常是由于同步轉(zhuǎn)矩不足造成的；曲線3情況下第一擺是穩(wěn)定的，但由于振蕩幅度逐漸增大而最終失去穩(wěn)定性，這種形式的不穩(wěn)定一般是由于擾動(dòng)后的狀態(tài)下系統(tǒng)自身小信號(hào)不穩(wěn)定造成的，而不是暫態(tài)擾動(dòng)的必然結(jié)果。

在大型電力系統(tǒng)中，暫態(tài)失穩(wěn)并非總是第一擺失穩(wěn)的形式，機(jī)組轉(zhuǎn)子角的變化往往是由多種模式疊加而形成的。研究暫態(tài)穩(wěn)定性的時(shí)間跨度約為擾動(dòng)后的3~5s，在特大系統(tǒng)并有區(qū)間振蕩時(shí)可能擴(kuò)展至10~20s，可認(rèn)為是短期現(xiàn)象。圖11-3

系統(tǒng)遭受大擾動(dòng)后同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角隨時(shí)間的變化曲線2．電壓穩(wěn)定性（voltage

stability）電壓穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)在正常運(yùn)行條件下和遭受擾動(dòng)之后系統(tǒng)所有母線都持續(xù)保持可接受電壓的能力。當(dāng)有擾動(dòng)、負(fù)荷增加或系統(tǒng)條件改變?cè)斐蓾u進(jìn)的、不可控制的電壓降落，則系統(tǒng)進(jìn)入電壓不穩(wěn)定狀態(tài)。造成不穩(wěn)定的主要因素是系統(tǒng)不能滿足無功功率的需要。問題的核心是系統(tǒng)（包括負(fù)荷）的無功功率特性。電壓穩(wěn)定性可分為小擾動(dòng)和大擾動(dòng)兩種。（1）小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性（small-disturbance

voltagestability）小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在給定工況下響應(yīng)負(fù)荷緩慢變化等小干擾時(shí)控制系統(tǒng)電壓的能力。

小擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性本質(zhì)上是屬于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，可采用近似線性化分析，通過觀察小信號(hào)線性動(dòng)態(tài)模型的特征值是否具有負(fù)的實(shí)部來判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并可用靜態(tài)穩(wěn)定分析手段來確定穩(wěn)定裕度，識(shí)別影響穩(wěn)定的因素以及檢驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行條件和故障后運(yùn)行方式。（2）?大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性（large-disturbance

voltagestability）

大擾動(dòng)電壓穩(wěn)定性是指系統(tǒng)在發(fā)生故障、切機(jī)等大擾動(dòng)之后系統(tǒng)控制電壓、維持正常運(yùn)行的能力。這種能力是由系統(tǒng)-負(fù)荷特性、連續(xù)和離散的保護(hù)與控制的相互作用所決定的。

大擾動(dòng)穩(wěn)定性的判定是在給定的擾動(dòng)下，考慮足夠長(zhǎng)的時(shí)間（數(shù)秒到數(shù)十分鐘）內(nèi)系統(tǒng)的非線性動(dòng)態(tài)特性，以及有載調(diào)壓變壓器（on-load

tapchanger，OLTC）和機(jī)組勵(lì)磁電流限制器等控制裝置的相互作用，通過動(dòng)態(tài)仿真確定所有的母線電壓是否達(dá)到可接受的穩(wěn)定水平。

電壓不穩(wěn)定本質(zhì)上是一種局部現(xiàn)象，然而它的后果卻會(huì)給系統(tǒng)帶來廣泛影響。電壓崩潰（voltagecollapse）則比簡(jiǎn)單的電壓不穩(wěn)定更復(fù)雜，通常是伴隨電壓不穩(wěn)定而導(dǎo)致系統(tǒng)中相當(dāng)大部分地區(qū)出現(xiàn)低電壓乃至大范圍的停電（blackout）。

電壓不穩(wěn)定并不總是以其單純的形式發(fā)生，而經(jīng)常與轉(zhuǎn)子角不穩(wěn)定同時(shí)發(fā)生。一種形式的不穩(wěn)定性可導(dǎo)致另一種，而且其區(qū)別可能并不明顯。

深入理解轉(zhuǎn)子角穩(wěn)定和電壓穩(wěn)定問題的本質(zhì)，以設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)行方式和控制措施是非常必要的。

電壓穩(wěn)定的分析可能需要從幾秒至幾十分鐘，因而可以是短期現(xiàn)象，也可能是長(zhǎng)期現(xiàn)象。3、頻率穩(wěn)定性（frequency

stability）頻率穩(wěn)定性是電力系統(tǒng)由于發(fā)電和負(fù)荷顯著不平衡導(dǎo)致嚴(yán)重系統(tǒng)故障后保持靜態(tài)頻率的能力。該能力取決于保持/恢復(fù)系統(tǒng)發(fā)電和負(fù)荷的平衡。不穩(wěn)定可能以頻率持續(xù)下降或持續(xù)擺動(dòng)引起發(fā)電機(jī)組或負(fù)荷跳閘的形式發(fā)生?；ヂ?lián)電網(wǎng)故障解列容易造成發(fā)電和負(fù)荷的嚴(yán)重不平衡，從而使頻率大幅度偏移。系統(tǒng)嚴(yán)重故障而形成連鎖反應(yīng)跳閘時(shí)，造成系統(tǒng)不可控的無序解列，可能導(dǎo)致頻率大幅度波動(dòng)。

保持/恢復(fù)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的能力取決于促使發(fā)電和負(fù)荷平衡的控制作用（如低頻切負(fù)荷、原動(dòng)機(jī)調(diào)速器控制等）的結(jié)果。

頻率偏移過程和控制裝置作用的特性時(shí)間可以從幾分之一秒（對(duì)應(yīng)諸如低頻切負(fù)荷、發(fā)電機(jī)控制和保護(hù)裝置的響應(yīng)時(shí)間）至若干分鐘（對(duì)應(yīng)諸如原動(dòng)機(jī)調(diào)速器、負(fù)荷電壓調(diào)節(jié)器的響應(yīng)時(shí)間）。故頻率穩(wěn)定性可能是短期現(xiàn)象，也可能是長(zhǎng)期現(xiàn)象。第四節(jié)暫態(tài)穩(wěn)定性和失步解列電力系統(tǒng)故障引起功角穩(wěn)定破壞后的失步狀態(tài)，可能引起電流和功率的嚴(yán)重振蕩，給電氣設(shè)備造成巨大沖擊。-

本書前面已經(jīng)分析了電力系統(tǒng)振蕩對(duì)距離保護(hù)的影響以及發(fā)電機(jī)的失步保護(hù)原理，-

下面從系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度來分析失步狀態(tài)和失步保護(hù)控制原理。我國將防?止穩(wěn)定破壞作為系統(tǒng)故障時(shí)的第?二道防線，在系統(tǒng)中普遍設(shè)置了各種防御穩(wěn)定破壞的安全穩(wěn)定裝置。即使采取了各種提?高穩(wěn)定性的措施，在極端嚴(yán)重和多重故障情況下，仍然不可能絕對(duì)保證穩(wěn)定不致破壞。當(dāng)穩(wěn)定破壞時(shí)，必須迅速采取措施消除電?力系統(tǒng)的失步狀態(tài)。消除電?力系統(tǒng)失步狀態(tài)就是將失步的系統(tǒng)各部分解列運(yùn)?行，稱為失步解列，是減輕失步造成的果和防?止?大?面積停電的重要措施。一、暫態(tài)穩(wěn)定性考慮如圖11-4a所示的簡(jiǎn)單的雙機(jī)系統(tǒng)。發(fā)電機(jī)內(nèi)部，發(fā)電機(jī)的阻抗是Xs 和Xr ，發(fā)電機(jī)內(nèi)電壓和電抗的取值取決于所分析的情況，在靜電力系統(tǒng)的戴維南等效阻抗是Xt，則發(fā)電機(jī)內(nèi)部母線之間的總電抗是電壓是

E!s和E!r

態(tài)分析中，使用勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)

E!

f

和同步電抗Xd ；而X'在暫態(tài)分析時(shí)，則用暫態(tài)電勢(shì)

E'q

和暫態(tài)電抗 d

。X

Xs

Xt

Xr

。以接收端電壓

E! 為參考矢量，即!r r rE

E

0 ，

0為發(fā)電機(jī)內(nèi)部電壓

E!s 超前

E!r

的角度 ，有

E!s

Es

，事實(shí)上電壓

E!s 的相角

代表其發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。設(shè)發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率是Pm

，作用于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的加速功率Pa

是指發(fā)電機(jī)輸入的機(jī)械功率Pm與輸出的電磁功率Pe

之間的差。當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生擾動(dòng)時(shí)（如故障及其切除），則加速功率不為零。加速功率使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，按照牛頓定律，其標(biāo)幺值形式的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為es rE

EXsin

P

2Es

ErXdt2H

d2

sin

s

Pa

Pm

在母線S或母線R端的發(fā)電機(jī)機(jī)端功率輸出為（11-2）（11-3）式中，

s 為發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，H

是發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)，定義為發(fā)電機(jī)同步轉(zhuǎn)速時(shí)儲(chǔ)存在轉(zhuǎn)子中的動(dòng)能除以發(fā)電機(jī)的額定容量，慣性常數(shù)的單位是s，對(duì)于常規(guī)蒸汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)，慣性常數(shù)的值為4~10s；對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)，慣性常數(shù)值為2~4s。

正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)處于穩(wěn)定狀態(tài)，電磁輸出功率和機(jī)械輸入功率達(dá)到平衡，加速功率為0，此時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子角為

0 ，有0a mXP

P

EsEr

sin

0（11-4）【例

11-1】

已知一個(gè)1000MVA，34.5kV的發(fā)電機(jī)，其同步電抗額定標(biāo)幺值為0.6pu，發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)在其自身額定容量下的標(biāo)幺值為7s。發(fā)電機(jī)通過一個(gè)1000MVA的變壓器與系統(tǒng)相連，變壓器漏抗的額定標(biāo)幺值為0.1pu。設(shè)系統(tǒng)的基準(zhǔn)功率為100MVA，其等效阻抗的額定標(biāo)幺值為0.2pu。令初始功率輸出為200MW（標(biāo)幺值為2.0pu），設(shè)機(jī)端和系統(tǒng)電壓均為1.0pu，試計(jì)算發(fā)電機(jī)運(yùn)行在穩(wěn)定平衡狀態(tài)時(shí)的

，以及在平衡點(diǎn)處發(fā)生小擾動(dòng)時(shí)的振蕩頻率。解：以100MVA為基準(zhǔn)功率，將所有參數(shù)轉(zhuǎn)換為基準(zhǔn)功率100MVA下的標(biāo)幺值。發(fā)電機(jī)和變壓器的電抗標(biāo)幺值為 Xs

=0.06pu 和 Xt

=0.01pu ，且有 Xr=0.2pu，即 X=0.27pu 。對(duì)于系統(tǒng)基準(zhǔn)容量為100MVA時(shí)發(fā)電機(jī)的慣性常數(shù)變?yōu)镠=7×1000/100s=70s。；或?qū)τ诠ゎl為50Hz的系統(tǒng)，同步轉(zhuǎn)速為314r/s，則發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)方程為即則根據(jù)（11-4）可以得到初始轉(zhuǎn)子角

0 ，即0.272.0=

1 sin

00

32.68

314dt22

70

d2

1

Pa

2.0

0.27

sin

d2

0.446

2.0

3.704sin

dt2因?yàn)檎駝?dòng)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律滿足這樣的振蕩頻率是大型發(fā)電機(jī)通過弱聯(lián)絡(luò)線與系統(tǒng)互聯(lián)時(shí)，受到小擾動(dòng)或在發(fā)生故障和斷路器動(dòng)作后的機(jī)電振蕩（或稱“搖擺”）的典型模式。當(dāng)在

0附近發(fā)生小擾動(dòng)時(shí)，可以用

0

Δ

代替上式中的

，簡(jiǎn)化后可得到d2Δ

0.446

3.704

cos

0

Δ

3.117Δ

dt22d2

xdt2

x

0此時(shí)的振蕩角頻率為

振蕩頻率為0.42Hz。3.117

0.446

rad

s

2.64

rad

s

，

當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，靜態(tài)平衡會(huì)被破壞，兩發(fā)電機(jī)之間的等效電抗發(fā)生改變，并且在故障切除后會(huì)再次改變。

由于轉(zhuǎn)子角是狀態(tài)量不能瞬間變化以補(bǔ)償電抗改變，于是轉(zhuǎn)子受到一個(gè)加速轉(zhuǎn)矩的作用，該轉(zhuǎn)矩大小取決于功角

。

在雙機(jī)系統(tǒng)中可由等面積定則來判定系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性。對(duì)于復(fù)雜的電力系統(tǒng)，則需要借助其他的分析技術(shù)，如暫態(tài)穩(wěn)定仿真程序。

轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)行為總是可以被分為截然不同的兩類：穩(wěn)定和不穩(wěn)定，失步保護(hù)就需要檢測(cè)暫態(tài)不穩(wěn)定狀態(tài)并采取適當(dāng)措施。圖11-4

暫態(tài)穩(wěn)定的等面積定則a）系統(tǒng)結(jié)構(gòu) b）故障時(shí)和故障被切除后的功角曲線如果加速面積比最大減速面積小，則轉(zhuǎn)子的振蕩是穩(wěn)定的，如圖11-3中的曲線1。否則，振蕩是不穩(wěn)定的，轉(zhuǎn)子角將無限增大，發(fā)電機(jī)將失去同步，如圖11-3中的曲線2。

電力系統(tǒng)受到擾動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生振蕩，而即使發(fā)生振蕩系統(tǒng)也可能是穩(wěn)定的，失步保護(hù)只是在系統(tǒng)發(fā)生不穩(wěn)定搖擺時(shí)才解列系統(tǒng)。

所謂穩(wěn)定振蕩表現(xiàn)為轉(zhuǎn)子角在一定的范圍內(nèi)來回變化，而不穩(wěn)定的振蕩，則轉(zhuǎn)子角逐漸增大（或減?。?，也稱失步。

電力系統(tǒng)振蕩時(shí)電流和電壓的變化規(guī)律以及對(duì)保護(hù)測(cè)量阻抗的影響已在第四章進(jìn)行了分析，這里再作簡(jiǎn)單解釋以配合失步保護(hù)原理分析。二、振蕩時(shí)的系統(tǒng)特征圖11-5

雙機(jī)系統(tǒng)接線圖線路中的電流為

Es

Ers

I

j(

X

X

t

Xr

)r s

jB(E

E

)X

r

U2

Er

jXrI

Er

XstX

Xrs r

(E

E

)或

U2

(1

k2)Er

k2Es其中2k

X

rstX

X

Xr（11-5）（11-6）（11-7）式中B是總電納。設(shè)

E!r

為參考?矢量，則母線電壓為同理母線電壓

U1

(1

k1)Er

k1

Es其中1k

Xr

X

tXs

Xt

Xr（11-8）可見，當(dāng)

E!s

的相角

在

0

~

2π 之間變化時(shí)，E!s 的變化軌跡是?一個(gè)圓，電流的軌跡也形成?一個(gè)圓，如果進(jìn)?一步假設(shè)兩端電勢(shì)幅值相等（為1.0pu），則電流的軌跡圓通過原點(diǎn)，如圖11-6所示。線路中間任意點(diǎn)的電壓可以根據(jù)其所處的位置設(shè)定合適的k值計(jì)算得到，各點(diǎn)電壓的軌跡仍然是?一個(gè)圓。在一定的

下線路上電壓最低的點(diǎn)成為振蕩中?心變化的相量圖圖11-6

系統(tǒng)隨

母線1處的相間與接地距離保護(hù)的測(cè)量阻抗Z

為

Z

R

jX

U1 I（11-9）從式（11-9）可以看出，如果視電流為單位參考量，則測(cè)量阻抗就等于電壓相量，因此通過繪制變換后的電壓相量圖可以直觀地表?示距離保護(hù)的測(cè)量阻抗。在相量圖11-6中，將電流相量對(duì)準(zhǔn)實(shí)軸，并以該電流幅值為單位量，即設(shè)定電流為1.0

00 時(shí)，重新表?示電壓的幅值和相位，可以得到如圖11-7所?示的阻抗平?面圖，圖中線路任?一點(diǎn)的測(cè)量阻抗是以該點(diǎn)為原點(diǎn)繪制，該圖也可以根據(jù)第四章第五節(jié)的內(nèi)容得到。圖11-7

穩(wěn)定和不穩(wěn)定系統(tǒng)擺動(dòng)期間檢測(cè)到的視在阻抗軌跡隨著轉(zhuǎn)?子?角的變化，距離保護(hù)所測(cè)量到的測(cè)量阻抗也會(huì)變化，對(duì)于受電端和送電端電壓相等的情況，測(cè)量阻抗頂點(diǎn)的軌跡為?一條直線，?而當(dāng)兩端電勢(shì)幅值不相等時(shí)，頂點(diǎn)軌跡是之間擺動(dòng)。?一個(gè)圓，圖中?示意出了

ES

Er 和 情況下的頂點(diǎn)軌跡。ES

Er

對(duì)于穩(wěn)定的振蕩，O點(diǎn)沿著頂點(diǎn)軌跡中的某?一段來回?cái)[動(dòng)。

對(duì)于失步時(shí)不穩(wěn)定的振蕩，隨著轉(zhuǎn)?子?角在

0

~

360

變化，O點(diǎn)會(huì)在

到

圖11-8振蕩對(duì)距離保護(hù)的影響假設(shè)受電側(cè)系統(tǒng)2-R段實(shí)際上由線路2-3、3-4串聯(lián)而成，線路電阻不可忽略，同時(shí)，設(shè)每條線路都裝有三段式距離保護(hù)，各條線路的阻抗及距離保護(hù)配置如圖11-8所示。

在穩(wěn)定振蕩和?非穩(wěn)定振蕩情況下的測(cè)量阻抗都可能進(jìn)?入某處距離保護(hù)的動(dòng)作區(qū)。因此，如果不采取措施，?一旦測(cè)量阻抗停留在距離保護(hù)的動(dòng)作區(qū)內(nèi)超過?一定時(shí)間，將導(dǎo)致相應(yīng)的距離保護(hù)裝置跳閘，?而這是不希望出現(xiàn)的結(jié)果，距離保護(hù)應(yīng)該在系統(tǒng)振蕩時(shí)閉鎖保護(hù)不動(dòng)作。

必須指出的是，復(fù)雜系統(tǒng)的穩(wěn)定和?非穩(wěn)定振蕩曲線不再呈弧線形，?而可能呈現(xiàn)出更復(fù)雜的形狀，如圖中的“其它振蕩情況”所描述的軌跡。甚?至出現(xiàn)振蕩中?心不是?一個(gè)點(diǎn)，?而可能在?一定的范圍內(nèi)變化，個(gè)別特殊情況下，還可能發(fā)?生多頻率的異步振蕩。由于系統(tǒng)在異步運(yùn)?行狀態(tài)下，可能出現(xiàn)危險(xiǎn)的?大電流，最?大值出現(xiàn)在兩側(cè)電動(dòng)勢(shì)相差

180°時(shí)，其值可能超過短路電流。不穩(wěn)定的失步振蕩還可能損壞機(jī)組軸系；輸電線上中間節(jié)點(diǎn)的電壓降低將影響負(fù)荷運(yùn)?行。此外，電壓的擺動(dòng)還可能引起多機(jī)系統(tǒng)的低頻諧振，甚?至可能由兩頻率的振蕩發(fā)展為多頻率的振蕩。將系統(tǒng)按失步的斷?面解列運(yùn)?行是簡(jiǎn)單有效的消除異步運(yùn)?行的?方法。三、失步保護(hù)考慮圖11-9中所?示的系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)的輸出功率約等于系統(tǒng)負(fù)荷的總和，假設(shè)其中G1的輸出功率約等于負(fù)荷L3和L4

的總和，?而G2

的輸出功率約等于L5

負(fù)荷

。如果系統(tǒng)因?yàn)楣收系臅簯B(tài)過程引發(fā)?非穩(wěn)定振蕩，那么，只有按圖中所?示的虛線將系統(tǒng)解列開來，就能保證解列后的兩個(gè)?子系統(tǒng)中電源與負(fù)荷之間的功率供求?大體平衡。

系統(tǒng)失步保護(hù)首先判斷出系統(tǒng)已經(jīng)失步，同時(shí)迅速閉鎖除線路2-3、3-5、4-5之外的所有線路的斷路器，通過上述2-3、3-5、4-5的3條線路斷路器動(dòng)作將系統(tǒng)解列為兩個(gè)子系統(tǒng)。圖11-9

系統(tǒng)失步解列示意圖

失步保護(hù)的動(dòng)作邏輯：首先判別系統(tǒng)是否失步，然后控制相應(yīng)的斷路器跳閘或閉鎖。

由于系統(tǒng)在振蕩或故障情況下，測(cè)量阻抗都可能進(jìn)入保護(hù)動(dòng)作區(qū)，因此必須正確區(qū)分系統(tǒng)振蕩與故障狀態(tài)。一般可以通過測(cè)量阻抗的變化速度加以區(qū)分。短路故障時(shí)，測(cè)量阻抗變化速度快，其軌跡幾乎是瞬間就進(jìn)入到保護(hù)動(dòng)作區(qū)內(nèi)（整個(gè)過程用時(shí)不過幾毫秒），而發(fā)生振蕩時(shí)，測(cè)量阻抗變化速度慢，是逐漸進(jìn)入保護(hù)動(dòng)作區(qū)內(nèi)的。假設(shè)此時(shí)系統(tǒng)振蕩頻率為0.5Hz，那么測(cè)量阻抗沿著動(dòng)作軌跡從最遠(yuǎn)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)到最近點(diǎn)需要用時(shí)半個(gè)振蕩周期，即大約1s。

如果判定系統(tǒng)是處于振蕩狀態(tài)下，那么還必須進(jìn)?一步判斷出系統(tǒng)是穩(wěn)定的還是?非穩(wěn)定的振蕩。這往往需要對(duì)被分析的系統(tǒng)進(jìn)?行?大量的振蕩模擬仿真，由此確定系統(tǒng)處于穩(wěn)定的還是?非穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)。

確定系統(tǒng)是處于?非穩(wěn)定的振蕩狀態(tài)，要根據(jù)預(yù)先制訂的系統(tǒng)解列?方案在解列點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)實(shí)施解列。

?目前的電?力系統(tǒng)中已經(jīng)裝設(shè)了相當(dāng)數(shù)量的各種類型解列裝置，如何協(xié)調(diào)這些裝置的動(dòng)作，選擇最合適的解列點(diǎn)以減小損失，以及避免解列不恰當(dāng)可能造成的嚴(yán)重后果，是系統(tǒng)采用失步解列保護(hù)控制方式面臨的重要問題。第五節(jié)系統(tǒng)頻率特性和低頻減載頻率崩潰是造成系統(tǒng)?大范圍停電的重要原因- 電?力系統(tǒng)有功功率不平衡會(huì)導(dǎo)致頻率變化，發(fā)電功率不?足時(shí)頻率下降，?一般通過?自動(dòng)發(fā)電控制（AGC），啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)備?用的發(fā)電功率，使頻率恢復(fù)正常。

如果有功功率嚴(yán)重不?足，備?用功率不夠或啟動(dòng)不及時(shí)，可通過低頻減負(fù)荷切除部分次要負(fù)荷，保持系統(tǒng)頻率和對(duì)重要?用戶的供電。

電?力系統(tǒng)嚴(yán)格要求按額定頻率值運(yùn)?行，在緊急狀態(tài)下也要求盡快恢復(fù)到49.5Hz（對(duì)額定頻率50Hz?而?言）以上，此時(shí)允許的頻率偏差和持續(xù)時(shí)間的決定性因素主要是?大容量機(jī)組對(duì)頻率質(zhì)量的要求。

發(fā)電機(jī)低速運(yùn)?行將導(dǎo)致渦輪葉?片故障，尤其是處在蒸汽渦輪低壓部分的那些葉?片。這些葉?片的機(jī)械共振頻率接近（稍低于）系統(tǒng)正常頻率。?一旦發(fā)電機(jī)頻率接近這?一值，將對(duì)渦輪葉?片產(chǎn)?生?一系列損害。?而且在低頻率下持續(xù)運(yùn)?行也可能會(huì)損害變電站輔助系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)。

Si（11-10）考慮?一個(gè)超負(fù)荷的孤島系統(tǒng)。假設(shè)從t=0

開始運(yùn)?行，負(fù)荷與發(fā)電機(jī)以頻率f0

（通常f0

接近額定頻率fs ）運(yùn)?行于初始平衡狀態(tài)。

該系統(tǒng)包含許多發(fā)電機(jī)，在暫態(tài)穩(wěn)定振蕩逐漸消失后，可假定所有發(fā)電機(jī)的頻率相等。將所有發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量組合成?一個(gè)總的系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J，有J

JiSiJ

為單個(gè)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(i)；

S

為相應(yīng)的發(fā)電機(jī)額i定功率。一、系統(tǒng)頻率的動(dòng)態(tài)特性kg

m2綜合的轉(zhuǎn)?子?角

定義為中心角，即

i

Si（11-11）

Si則綜合的轉(zhuǎn)?子運(yùn)動(dòng)?方程為d2

J

Ta

Tm

Tedt2（11-12）Ta為加速轉(zhuǎn)矩；Tm為系統(tǒng)總的輸?入機(jī)械轉(zhuǎn)矩；Te

為電?力負(fù)荷轉(zhuǎn)矩的總和。d2

J

Ta

Tm

Te

Pm

Pe

PGi

PLidt2（11-13）Pm為系統(tǒng)總的輸入功率；Pe

為系統(tǒng)總的電磁功率；

PGi 為總的有功出力；

PLi

為總的系統(tǒng)負(fù)荷。慣量常數(shù) H和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J 有關(guān)，H 定義為發(fā)電機(jī)中儲(chǔ)存的動(dòng)能除以發(fā)電機(jī)的額定功率。令系統(tǒng)總的額定功率為S

Si ，那么1H

2J

2sS（11-14）代入到式（11-13）中得

2HS

d2

s dt2 2

Pm

Pe

PGi

PLi（11-15）注意，如果將

近似看為

s

，并將式（11-15）右側(cè)除以S

轉(zhuǎn)換成標(biāo)幺值，就得到式（11-3）。在暫態(tài)穩(wěn)定性研究中，由于頻率的變化不大，故可以這樣近似。然而，這種近似在這里是不能成立的，因?yàn)檫@里的主要目的是研究系統(tǒng)頻率的變化。將綜合轉(zhuǎn)?子?角的變化率轉(zhuǎn)化為頻率的變化率，有dfdt2d2

d

dt

2π

dt（11-16）這樣，式（11-15）變?yōu)閟2f

(2H

/

f )Sdfdt

PGi

PLi

（11-17）定義所有發(fā)電機(jī)的平均額定功率因數(shù)為 p，那么

PGi

pS（11-18）定義負(fù)荷過載系數(shù)為L(zhǎng)

，有L

PLi

PGi

PGi（11-19）則式（11-17）變?yōu)閒dfpLdt 2H

f2s（11-20）將式（11-20）積分后代?入邊界條件，即t=0

時(shí)f=f0 ，可得pLf

2Hf

2f

f0 1

s t（11-21）0可見，當(dāng)不考慮負(fù)荷的頻率特性?而視之為固定負(fù)荷時(shí)，在負(fù)荷超過發(fā)電量的情況下，隨著時(shí)間 t 增?大，頻率將以?一個(gè)持續(xù)增?大的速度減?小。實(shí)際上，負(fù)荷特性與頻率相關(guān)，且負(fù)荷功率隨著頻率降低?而減少。因此，當(dāng)頻率下降到某?一頻率時(shí)，發(fā)電量與負(fù)荷將在該頻率下達(dá)到平衡?？紤]?一個(gè)隨頻率變化的負(fù)荷，其負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KL

定義為L(zhǎng)K

(1

PL/PL0

)0(1

f

/

f

)（11-22）等于PL0

，PL0

、f0 為正常運(yùn)行值，即在初始頻率 f0時(shí)

PLi在頻率為 f 時(shí)，總的負(fù)荷功率由P

表示。0L

L

(1

L0

)KL

1

某?一頻率f下的負(fù)荷過載系數(shù)L與初始頻率 f0

有關(guān)

f

0

f

（11-23）式中，

L0

(PL0

PGi

)

PGi將式（11-23）的 L

值代?入到式（11-20），得到考慮負(fù)荷頻率特性的微分?方程dfdt 2Hf

0 0 L

p

f

0

f

L

(1

L

)K 1

f

s2（11-24）同樣在 t=0

時(shí) f=f0

的邊界條件下，經(jīng)過積分變換后可得到?方程的解為f

2p?

L ?

?

1 ?(1

L0)KL

s

t(f0

f)

f0

?

0

1?

ln

?

?

?(1

L0

)KL??1

(f0

f)(1

L0)KL/L0

f0

?

2Hf0（11-25）隨著

t

從該方程可以得到一個(gè)有限的

f

0f

f

1

L00(1

L

)K

L

（11-26）

這就是考慮負(fù)荷頻率特性以后的負(fù)荷

PLi與

PGi最終可以穩(wěn)定的頻率值，?而且負(fù)荷超額時(shí)頻率下降的速度也較固定負(fù)荷時(shí)的緩慢?？梢娪捎谪?fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)的存在，負(fù)荷功率能夠補(bǔ)償?一些有功功率缺額，使得系統(tǒng)可以穩(wěn)定在?一個(gè)較低的頻率上運(yùn)?行。

在頻率變化過程中若得到頻率下降的平均速度，就可以確定低頻減載裝置的整定值。通過計(jì)算某區(qū)間兩端的頻率變化速率的平均值得到該區(qū)間內(nèi)頻率的近似平均變化速率，或通過計(jì)算某段區(qū)間的頻率差與時(shí)間間隔的?比值得到平均速率。- 例如，如果要求得到頻率區(qū)間 上的頻率變化平均速率，可以根據(jù)式（10-21）計(jì)算頻率變化的平均速度R為

f,

f

1 2

2 1f

f f2

f

22 1 2 1t

t (t

t

)(

f

f

)f

2f

2pLR

2 1

2 1

s 2 1 (

f

f

)1 2 1H (1

f

2 f2

)（11-27）如果 f1 與

fs 近似相等，則頻率變化的平均速度R

變?yōu)镽

pL (f2

f1

)H (1

f

2 f2

)2 1（11-28）

當(dāng)頻率逐漸變化時(shí)，調(diào)速器的反應(yīng)速度是可以維持系統(tǒng)同步的，但是如果發(fā)電機(jī)的輸出突然減?小，調(diào)速器將?無法及時(shí)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出做出調(diào)整。若此時(shí)發(fā)電機(jī)又都運(yùn)?行在最?大輸出狀態(tài)，使得系統(tǒng)熱備?用不?足，那么就有必要?自動(dòng)地切除?一些負(fù)荷以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定。一、低頻減載

低頻減載裝置正常?工作時(shí)，其測(cè)量元件不斷將頻率測(cè)量值跟其整定值進(jìn)?行對(duì)?比，如果頻率測(cè)量值不斷下降，?而且低于整定值持續(xù)?一定時(shí)間后，低頻減載動(dòng)作。

裝置按頻率設(shè)置若?干級(jí)，考慮?一定安全裕度后的頻率級(jí)差可為0.1~0.2Hz。動(dòng)作時(shí)需要合理分配每級(jí)切負(fù)荷的份額，?力求按負(fù)荷重要性的順序輪流切除。動(dòng)作時(shí)間宜盡量短以盡快發(fā)揮作?用，低頻減載的動(dòng)作時(shí)間由保護(hù)判斷時(shí)間、預(yù)設(shè)延時(shí)以及斷路器動(dòng)作時(shí)間的總和決定，通常在10個(gè)?工頻周期左右?！纠?/p>

11-2】

某系統(tǒng)原有負(fù)荷10000MW，現(xiàn)因突發(fā)事件，系統(tǒng)中一個(gè)發(fā)電容量為1500MW的發(fā)電廠解列，設(shè)機(jī)組的慣性常數(shù)為5s，試確定系統(tǒng)低頻減載裝置的整定值，要求每次減載750MW，分兩次完成減載1500MW的目的。假設(shè)低頻減載裝置的動(dòng)作時(shí)間為10個(gè)工頻周期，即為0.2s。解：取頻率衰減到49.5Hz的時(shí)刻為第一次減載時(shí)刻。根據(jù)題意，在電廠解列時(shí)，系統(tǒng)的負(fù)荷過載系數(shù)為L(zhǎng)

=

10000

-

8500

=

0.17658500設(shè)系統(tǒng)的功率因素為0.85，根據(jù)式（11-28），可以計(jì)算出系統(tǒng)頻率從50Hz衰減到49.5Hz的平均下降速率為5.0R

0.85

0.1765

49.5-50.01-

49.52 50.02Hz/s=-0.7539Hz/s按此變化率，系統(tǒng)頻率將在頻率下降后的

0.5

0.7539

s=0.663s達(dá)到49.5Hz，但由于減載動(dòng)作需要延時(shí)0.2s，而在此期間系統(tǒng)頻率將進(jìn)一步下降

0.2

0.7539Hz=0.151Hz ，達(dá)到49.349Hz，因此，第一次減載完成實(shí)際上是在電廠解列之后的0.6510.7539s

=0.8635s考慮安全裕度為0.2Hz，那么第二次減載時(shí)刻可以設(shè)定為系統(tǒng)頻率下降到

(49.3-0.2)Hz=49.1Hz

，此時(shí)系統(tǒng)過載系數(shù)變?yōu)長(zhǎng)

9250

8500

0.08828500因此系統(tǒng)頻率從49.349Hz下降到49.0Hz的頻率平均變化率為5.0R

0.85

0.0882

49.0-49.3491-

49.02 49.3492Hz/s=-0.3713Hz/s實(shí)際頻率為按照這個(gè)下降速度，系統(tǒng)頻率下降到49.1Hz需要0.249 0.3713s

=0.67s而切除負(fù)荷還需要用時(shí)0.2s，因此第二次減載完成后系統(tǒng)的(49.1

0.3713

0.2)Hz=49.025Hz而兩次減載過程總用時(shí)為[(50

49.349) 0.7539

(49.349

49.0) 0.3713]s=1.8s此時(shí)，系統(tǒng)中的功率供求關(guān)系達(dá)到平衡，系統(tǒng)頻率將逐步再恢復(fù)到其穩(wěn)態(tài)值50Hz。

系統(tǒng)中接?入的負(fù)荷分為重要負(fù)荷和?非重要負(fù)荷，減載操作只能實(shí)施于?非重要負(fù)荷。保護(hù)將?首先確定切除哪些饋線可以滿?足減載要求，再制訂減載操作的動(dòng)作步驟。

具體的減載次數(shù)及步驟，需要根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況，核定其減載要求，確定合理的減載順序，以保證系統(tǒng)在減載之后能維持頻率在47Hz以上。頻率的整個(gè)動(dòng)態(tài)過程時(shí)間跨度可能很長(zhǎng)，上?面只是研究了時(shí)間跨度為若?干秒的動(dòng)態(tài)過程，更長(zhǎng)過程的頻率問題由?自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）解決。第六節(jié)電壓穩(wěn)定性和低壓減載一、電壓穩(wěn)定性導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定的主要原因可能是無功不足、無功潮流過大以及輸電線路負(fù)荷過重。無功功率是因電壓差而流動(dòng)，而輸電系統(tǒng)的電壓值只能在其額定值的附近

范圍內(nèi)變動(dòng)，這么小的電壓差不允許無功功率長(zhǎng)距離傳輸，因此無功功率必須在負(fù)荷中心或其附近生成。近年來，電力系統(tǒng)由于電壓穩(wěn)定破壞或電壓崩潰導(dǎo)致了很多大停電事故的發(fā)生。

電壓不穩(wěn)定性往往由單個(gè)或多個(gè)突發(fā)事件導(dǎo)致，影響系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的因素很多，如負(fù)荷、變壓器有載調(diào)壓、發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)的特性等。

很多電力電子設(shè)備可用來提供無功功率。電壓穩(wěn)定性問題的分析受到諸多條件限制以圖11-10所示的兩端網(wǎng)絡(luò)對(duì)電壓穩(wěn)定性作簡(jiǎn)要說明。供電。它代表一個(gè)大系統(tǒng)通過輸電線路向負(fù)荷或負(fù)荷區(qū)域輻射供電的情形。

I

=ES圖11-10

說明電壓不穩(wěn)定現(xiàn)象的簡(jiǎn)單輻射狀系統(tǒng)

則電流的幅值為I

=ZT

+ZL

ES(Z cos

+Z cos

)2

+(Z sin

+Z sin

)2T L T L（11-29）（11-30）

該系統(tǒng)由恒定電壓源E 通過串聯(lián)阻抗ZT

S向負(fù)荷ZL

電流I 表達(dá)式為

即為圖11-10I

=ESZ2

Z

2

2Z Zcos(

-

)T L T L受端電壓幅值為UL

ZLI

=ES

ZLZ2

Z

2

2Z Z cos(

)T L T L供給負(fù)荷的功率為L(zhǎng) LP

U I

cos

=

S L E

2Z cos

TLT LZ2

Z

2

2Z Z cos(

)（11-31）（11-32）- 隨著負(fù)荷阻抗的變化，負(fù)荷吸收的有功功率也發(fā)生變化。當(dāng)減小ZL使負(fù)荷增加時(shí)，PL開始時(shí)快速增加，在達(dá)到最大值之前減慢，到最大值之后減小。-

恒定電壓源通過阻抗向負(fù)荷輸送的有功功率存在最大值，當(dāng)線路電壓降的幅值等于負(fù)荷電壓UL時(shí)，即ZT=ZL時(shí)，傳輸?shù)墓β蔬_(dá)到最大值PLmax。當(dāng)負(fù)荷為純電阻負(fù)荷，即cos

=1時(shí)，負(fù)荷吸收的最大有功功率為P =

E

2 (4Z )L

max S TP

U

ES

2

4ZT cos

ZL從電壓穩(wěn)定的觀點(diǎn)看，更感興趣的是PL和UL之間的

L =

L

關(guān)系。通過變換可以得到：PL

max（11-33）當(dāng)負(fù)荷功率因素cos

等于0.95（滯后）時(shí)的負(fù)荷電壓與負(fù)荷有功功率關(guān)系曲線如圖11-11所示，也稱為“鼻形曲線”。圖11-11

系統(tǒng)的電壓-功率特性對(duì)于一定的功率因素，如果負(fù)荷功率小于最大值，則對(duì)應(yīng)的阻抗值有兩個(gè)。對(duì)應(yīng)的電壓高，電流小，位于電壓-有功功率曲線的上半部，是正常運(yùn)行點(diǎn)。對(duì)應(yīng)的電壓低，電流大，位于電壓-有功功率曲線的下半部，是不正常的運(yùn)行點(diǎn)，即在較高負(fù)荷時(shí)，通過改變負(fù)荷來控制功率將是不穩(wěn)定的，即負(fù)荷阻抗的減小將使功率減小。電壓是否會(huì)逐漸降低以及系統(tǒng)是否會(huì)變得不穩(wěn)定還取決于負(fù)荷特性。若是恒阻抗靜態(tài)負(fù)荷特性，系統(tǒng)的功率和電壓水平將在低于期望值的情況下保持穩(wěn)定。而對(duì)于恒功率負(fù)荷特性，則系統(tǒng)由于負(fù)荷母線電壓的崩潰而變?yōu)椴环€(wěn)定。在其他的負(fù)荷特性下，由輸電線和負(fù)荷的組合特性確定電壓值。

如果負(fù)荷由具有自動(dòng)帶負(fù)荷調(diào)節(jié)分接頭的變壓器供電，那么由于負(fù)荷電壓低，分接頭會(huì)自動(dòng)調(diào)節(jié)使負(fù)荷電壓升高，即一次側(cè)與二次側(cè)比減小，相當(dāng)于從系統(tǒng)看過去是減小有效的ZL，這將反過來進(jìn)一步降低

UL直至導(dǎo)致逐漸的電壓降低，形成正反饋?zhàn)罱K使系統(tǒng)失去穩(wěn)定。負(fù)荷功率因素對(duì)系統(tǒng)的功率-電壓特性有相當(dāng)大的影響圖11-12不同負(fù)荷功率因素下的系統(tǒng)電壓-功率特性負(fù)荷的功率因數(shù)越低，系統(tǒng)能傳輸?shù)淖畲笥泄β试叫?。?fù)荷功率因數(shù)為超前功率因數(shù)，且超前越多則系統(tǒng)能傳輸?shù)淖畲笥泄β试酱?，臨界點(diǎn)對(duì)應(yīng)的有功功率和負(fù)荷電壓越高。系統(tǒng)傳輸同樣的有功功率時(shí)，負(fù)荷電壓越高，離臨界點(diǎn)的距離也越遠(yuǎn)，這說明系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性越好。如果運(yùn)行過程中突然降低功率因數(shù)，可能造成系統(tǒng)從穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)變?yōu)椴环€(wěn)定的，從而處于電壓-有功功率曲線下部的運(yùn)行狀態(tài)。二、低壓減載近些年來系統(tǒng)負(fù)荷特性的變化給電?力系統(tǒng)的保護(hù)帶來了新問題。電能最初的應(yīng)?用主要是?用于供熱和照明，負(fù)荷基本上都是純阻性。?一旦系統(tǒng)中能量的供求失衡，系統(tǒng)頻率就會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，系統(tǒng)需要通過加?大發(fā)電機(jī)輸出或者起動(dòng)低頻減載保護(hù)來維持頻率穩(wěn)定。由于空調(diào)及其他?小容量?用電設(shè)備數(shù)量激增的影響，系統(tǒng)電壓可能下降。由于電動(dòng)機(jī)的功率?一定，電壓下降將導(dǎo)致電流增?大，?而電流增?大又將進(jìn)?一步加重電壓的下降，形成惡性循環(huán)。

解決這個(gè)問題的?方法是進(jìn)?行?無功補(bǔ)償或是切除負(fù)荷。?無功補(bǔ)償裝置可以根據(jù)其?自?身容量?自動(dòng)地向系統(tǒng)提供?無功。如果這樣仍不能滿?足要求那就必須投?入低壓減載保護(hù)。

低電壓切除負(fù)荷是?一種避免系統(tǒng)?大范圍電壓崩潰的最后?方法。當(dāng)系統(tǒng)有擾動(dòng)導(dǎo)致電壓降低?至事先預(yù)設(shè)的?水平時(shí)，經(jīng)過設(shè)定的時(shí)間，低壓減載動(dòng)作，以穩(wěn)定電壓或?qū)㈦妷夯謴?fù)?至正常?水平。

低電壓情況切除的負(fù)荷?首先是那些?用戶有特別協(xié)議允許斷開的次要負(fù)荷，特別是那些?大量消耗?無功功率的負(fù)荷。確定低壓減載的動(dòng)作電壓和時(shí)延的整定值是很具有挑戰(zhàn)性的問題，需要深入細(xì)致的網(wǎng)絡(luò)分析以得到期望值，從而優(yōu)化切負(fù)荷方案并避免系統(tǒng)電壓崩潰。

由于各系統(tǒng)、各地區(qū)情況差別很大，而電壓?jiǎn)栴}又是與地區(qū)系統(tǒng)情況強(qiáng)烈相關(guān)的，因而各系統(tǒng)使用的電壓控制措施有很大地區(qū)差異，低壓減載裝置的動(dòng)作電壓和時(shí)延的整定值也可能不同。第七節(jié)電力系統(tǒng)保護(hù)控制面臨的挑戰(zhàn)1、系統(tǒng)?大停電事故導(dǎo)致系統(tǒng)大停電的主要原因主要有：1）功角穩(wěn)定破壞，系統(tǒng)失步；過負(fù)荷連鎖反應(yīng)；電壓崩潰；頻率崩潰。

事實(shí)上，電力系統(tǒng)都配備有適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)和控制措施，可以保證在適度可信事件下的安全性，不致演化為大面積停電。如低頻減負(fù)荷