[科普中国]-电力系统稳定性

电力系统稳定性，是给定运行条件下的电力系统，在受到扰动后，重新回复到运行平衡状态的能力。

电力系统稳定性的破坏，将造成大量用户供电中断，甚至导致整个系统的瓦解，后果极为严重。因此，保持电力系统运行的稳定性，对于电力系统安全可靠运行，具有非常重要的意义。

概述电力系统正常运行的一个重要标志，乃是系统中的同步电机（主要是发电机）都处于同步运行状态。所谓同步运行状态是指所有并联运行的同步电机都有相同的电角速度。在这种情况下，表征运行状态的参数具有接近于不变的数值，通常称此情况为稳定运行状态。

随着电力系统的发展和壮大，往往会有这样一些情况：例如，水电厂或火电厂通过长距离交流输电线将大量的电力输送到中心系统，在输送功率大到一定的数值后，电力系统稍微有点小的扰动都有可能出现电流、电压、功率等运行参数剧烈变化和振荡的现象，这表明系统中的发电机之间失去了同步，电力系统不能保持稳定运行状态；又如，当电力系统中个别元件发生故障时，虽然自动保护装置已将故障元件切除，但是，电力系统受到这种大的扰动后，也有可能出现上述运行参数剧烈变化和振荡现象；此外，甚至运行人员的正常操作，如切除输电线路、发电机等，也有可能导致电力系统稳定运行状态的破坏。

通常，人们把电力系统在运行中受到微小的或大的扰动之后能否继续保持系统中同步电机（最主要的是同步发电机）间同步运行的问题，称为电力系统同步稳定性问题。电力系统同步运行的稳定性是根据受扰后系统并联运行的同步发电机转子之间的相对位移角（或发电机电动势之间的相角差）的变化规律来判断的，因此，这种性质的稳定性又称为功角稳定性。

电力系统中电源的配置与负荷的实际分布总是不一致的，当系统通过输电线路向电源配置不足的负荷中心地区大量传送功率时，随着传送功率的增加，受端系统的电压将会逐渐下降。在有些情况下，可能出现不可逆转的电压持续下降，或者电压长期滞留在完全运行所不能容忍的低水平上而不能恢复。这就是说电力系统发生了电压失稳，它将造成局部地区的供电中断，在严重的情况下还可能导致电力系统的功角稳定丧失。

电力系统稳定性的破坏，将造成大量用户供电中断，甚至导致整个系统的瓦解，后果极为严重。因此，保持电力系统运行的稳定性，对于电力系统安全可靠运行，具有非常重要的意义。1

国际权威机构电力系统稳定性的定义及分类国际大电网会议（CIGRE）和国际电气与电子工程师学会电力工程分会（IEEE/PES）稳定定义联合工作组于2004年重新对电力系统稳定性进行了定义和分类，电力系统稳定性是指系统在给定的初始运行方式下，受到物理扰动后仍能够重新获得运行平衡点，且在该平衡点大部分系统状态变量都未越限，从而保持系统完整性的能力。

IEEE/CIGRE稳定定义联合工作组根据电力系统失稳的物理特性，受扰动的大小及研究稳定问题必须考虑的设备、过程和时间框架，将电力系统稳定分为功角稳定、电压稳定和频率稳定三大类，如图所示。

功角稳定功角稳定是指互联系统中的同步发电机受到扰动后，保持同步运行的能力。功角失稳可能由同步转矩或阻尼转矩不足引起，其中，同步转矩不足引起非周期失稳，阻尼转矩不足将引起振荡失稳。

根据扰动的大小，将功角稳定分为小扰动功角稳定与大扰动功角稳定。

小扰动功角稳定是指系统遭受小扰动后保持同步运行的能力，它取决于系统的初始运行状态。由于扰动足够小，因此，在分析时，可在平衡点将描述系统的非线性方程线性化，在此基础上对稳定问题进行研究。小扰动功角稳定可表现为转子同步转矩不足引起的非周期失稳，以及阻尼转矩不足引起的转子增幅振荡失稳，小扰动失稳研究的时间范围通常是10~20s。

大扰动功角稳定又称暂态功角稳定，是指电力系统遭受线路短路、切机等大扰动时，保持同步运行的能力，它由系统的初始运行状态和受扰动的严重程度共同决定。由于扰动足够大，因此，必须用非线性微分方程来研究。大扰动功角稳定表现为非周期失稳和振荡失稳两种模式。非周期失稳大扰动功角稳定问题，研究的时间范围通常是受扰后3~5s，振荡失稳的研究时间范围通常是10~20s。

小扰动功角稳定与大扰动功角稳定均是一种短期现象。

电压稳定电压稳定是指处于给定运行点的电力系统在经受扰动后，维持所有节点电压为可接受值的能力。它依赖于系统维持或恢复负荷需求和负荷供给之间平衡的能力。根据扰动的大小，IEEE/CIGRE将电压稳定分为小扰动电压稳定和大扰动电压稳定。这符合一般的非线性系统和线性系统的稳定性定义。

小扰动电压稳定是指系统受到小的扰动后，如负荷的缓慢增长等，维持电压的能力。

这类形式的稳定受某一给定时刻负荷特性、离散和连续控制影响。借助适当的假设，在给定运行点对系统动态方程进行线性化处理，从而可以用静态方法对小扰动电压稳定进行研究。从线性化计算可以得到有价值的灵敏度信息等。这些信息在确定影响系统稳定的主要因素时非常有用。

大扰动电压稳定是指系统受到大的扰动后，如系统故障、失去负荷、失去发电机等，维持电压的能力。这类形式的稳定取决于系统特性、负荷特性、离散和连续控制与保护及它们之间的相互作用。确定这种稳定形式需要在一个足够长的时间周期内，检验系统的动态行为，以便能够捕捉到诸如电动机、有载调压变压器、发电机励磁电流调节器等设备的运行及它们的相互作用。一般用包含合适模型的非线性时域仿真法来研究大扰动电压稳定问题。根据需要研究时间范围可从几秒到几十分钟。

电压稳定可能是短期的或长期的现象。短期电压稳定与快速响应的设备有关，必须考虑负荷的动态，及邻近负荷的短路故障，研究时间大约在几秒钟；长期电压稳定与慢动态设备有关，它通常由连锁的设备停运引起，与初始扰动程度无关，研究时间可以是几分钟或者更长的时间。

值得一提的是，IEEE/CIGRE对于正确区分功角稳定和电压问题给出了明确的解释，功角稳定和电压稳定的区别并不是基于有功/功角和无功/电压幅值的弱耦合关系。实际上，对于重载情况下的电力系统，有功/功角和无功/电压幅值之间具有很强的耦合关系，功角稳定和电压稳定都受到扰动前有功、无功潮流的影响。

频率稳定频率稳定是指电力系统受到严重扰动后，发电和负荷需求出现大的不平衡，系统仍能保持稳定频率的能力。电力系统功率不平衡量是变化的，频率的变化是一个动态过程。频率稳定可以是短期的或长期的现象。2

我国电力系统稳定性的定义及分类我国DL 755—2001《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。根据动态过程的特征和参与动作的元件及控制系统，将电力系统稳定分为功角稳定、电压稳定和频率稳定三大类，如图所示。

功角稳定根据受扰动的大小以及导致功角不稳定的主导因素不同，功角稳定分为静态稳定、小扰动动态稳定、暂态稳定和大扰动动态稳定。

静态稳定是指系统受到小扰动后不发生周期性失稳，自动恢复到初始运行状态的能力。它是由于同步力矩不足引起的，属于小扰动动态稳定的一种，主要用来定义系统正常运行和事故后运行方式下的静态稳定储备情况。

小扰动动态稳定是指系统受到小扰动后，不发生周期性振荡，保持较长过程稳定运行的能力。它是由阻尼力矩不足引起的，主要用于分析系统正常运行和事故后运行方式下的阻尼特性。

暂态稳定是指系统受到大扰动后，各同步机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定运行方式的能力。它通常指第一、二摇摆不失去稳定性，主要用于确定系统暂态稳定极限和稳定措施。

大扰动动态稳定是指系统受到大扰动后，在系统动态元件和自动装置的作用下，保持系统稳定性的能力。它主要用于分析系统暂态稳定后的动态稳定性。

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。根据受扰动程度的大小分为静态电压稳定和大扰动电压稳定。

静态电压稳定是指系统受到小扰动后，系统电压能够保持或者恢复到允许的范围内，不发生电压崩溃的能力。它主要用来定义系统正常运行和系统事故后运行方式下的电压静态稳定储备系数。

大扰动电压稳定是指电力系统受到大扰动后，系统不发生电压崩溃的能力，包括暂态电压稳定、动态电压稳定和中长期电压稳定。暂态电压稳定主要用于分析快速的电压稳定问题；中长期电压稳定主要用于分析在响应较慢的动态元件和控制装置作用下的电压稳定性。

频率稳定频率稳定是指系统受到严重扰动后，出现较大的有功功率不平衡，系统频率仍能够保持或恢复到允许的范围内，不发生频率崩溃的能力。它主要用于分析系统的旋转备用容量和低频减载负荷配置的有效性与合理性，以及机网协调控制等问题。2

提高系统稳定的基本措施提高系统稳定的措施可以分为两大类：一类是加强网架结构，另一类是提高系统稳定的控制和采用保护装置。
(1)加强电网网架，提高系统稳定。线路输送功率能力与线路两端电压之积成正比，而与线路阻抗成反比。减少线路电抗和维持电压，可提高系统稳定性。增加输电线回路数、采用紧凑型线路都可减少线路阻抗，前者造价较高。在线路上装设串联电容是一种有效的减少线路阻抗的方法，比增加线路回路数要经济。串连电容的容抗占线路电抗的百分数称为补偿度，一般在50%左右，过高将容易引起次同步振荡。在长线路中间装设静止无功补偿装置（SVC），能有效地保持线路中间电压水平（相当于长线路变成两段短线路），并快速调整系统无功，是提高系统稳定性的重要手段之一。
(2)电力系统稳定控制和保护装置。提高电力系统稳定性的控制可包括两个方面：①失去稳定前，采取措施提高系统的稳定性；②失去稳定后，采取措施重新恢复新的稳定运行。3

本词条内容贡献者为:

李勇 - 副教授 - 西南大学