探讨电力系统运行可靠性

郭胤

摘要：随着电网规模日益扩大、互联程度不断提高，电力系统的运行可靠性问题日益突出，迫切需要研究电力系统运行可靠性的动态识别和安全风险预警.以保证电力系统安全和稳定。本文结合笔者工作经验分析了破坏电力系统运行的因素，并从如何促进其稳定性运行提出了相对的建议。

关键词：电力系统；稳定性

前言

电力行业作为一个重要的基础产业和公用事业，对于国家经济和民生稳定起着促进和发展作用，在国家经济和社会安全中发挥着不可替代的作用。电气能源从发电厂、变电站传输和分配给电源用户，这个过程经过了数以千计的设备控制和保护装置。这些装置分布在各种不同的环境和地区，会产生不同类型的故障，影响电力系统的正常运行和用户的正常用电。电力供应过程中的各种故障和意外事故造成的停电，会给工业和农业生产及人们的生活造成不同程度的损失，并导致工业产品的产量下降、质量降低，严重的会造成设备损坏。停电也将威胁到人身安全，给社会和人们造成经济损失，供电可靠性不仅涉及到了供电企业的生存和发展，更直接关系到地区用户的用电安全性和可靠性，甚至关系到该地区的发展，因此，如何保障电力网络的安全和可靠运行，一直是各供电企业研究的一个重要问题。

1电力系统失稳的原因

（1）突然大负荷转移引起连锁反应。由于电网结构的不完善，当某一回线路发生跳闸时，该线路所带的负荷转移叠加到临近的线路上，容易造成电力系统振荡，甚至线路连锁跳闸，从而不稳定性扩大到整个电网。

（2）系统故障切除速度较慢。当电力系统中出现局部故障时，如果由于保护动作不迅速，此故障线路或设备对其他设备的运行造成了影响，此时电力系统运行的状态发生较大改变，出现不稳定性现象。

（3）发电设备功角稳定性。电力系统正常运行的重要间运行不同步，则电力系统的电压、电流和功率都会出现周期性的大幅度振荡，导致电力系统不能向用户正常供电。

2继电保护和自动装置对电力系统稳定的作用

在电力系统中，安全自动装置的使用，可以提高供电的可靠性和稳定性，防止事故扩大和对重要地区的破坏性停电，并在故障切除后能够快速恢复供电，从而保证电力系统的安全运行。继电保护也是一种自动装置，它通过反映电力系统中电气设备故障或不正常的工作状况而作用于断路器跳闸或发出信号，它是保证电力系统安全运行的重要措施之一。当电力系统发生短路故障时，继电保护装置应能自动控制地、快速地、有选择性地将故障设备从电力系统中切除，减轻故障设备的损坏程度和对邻近地区供电的影响，从而维护电力系统运行的稳定性和安全性。

2.1快速遮断

在电力系统中发生故障等扰动时，快速开关在1～2个周期内把故障点快速断开，可以抑制发电机的加速，从而提高电力系统的暂态稳定性。

2.2快速切机及解列

由于短路故障或输电线路断开而使送端发电机的电磁功率突然减少时，为了不使发电机加速而失去暂态稳定性，可以迅速切除部分送端发电机组，通常采用在输电线路断路器断开时连锁切机的办法，使其余机组坳机输入功率和输出功率尽可能平衡，以抑制发电机转子的加速，使暂态稳定性得以提高。

2.3自动重合闸

由于电力系统的故障，特别是高电压等级的输电线路，绝大多数是瞬时性的故障，采用自动重合闸装置，在故障发生后，由继电保护装置启动断路器，将故障线路切除，待故障消除后，又自动将线路投入运行，以提高供电的可靠性。

2.4采用制动装置

（1）电气制动。所谓电气制动，就是当系统发生故障、发电机的输出功率急剧减小、发电机因功率过剩而加速时，迅速投入自动电阻，额外消耗发电机的有功功率，以抑制发电机组加速，提高电力系统的暂态稳定。

（2）机械制动。电气制动是增大发电机的电磁功率、间接地实现制动来提高电力系统的暂态稳定性。而机械制动则是直接在发电机组的转轴上施加制动力矩、抵消机组的机械功率来提高系统的暂态稳定性。

2.5快速关闭主汽门

现在大容量汽轮发电机组都是高温、高压、具有中间再热的机组，而且都配置了反应较快的阀门控制系统。因此，这种机组能够方便地做到快速调节汽轮机对发电机的输入功率，以适应系统发生故障时发电机输出功率的降低，从而减缓了发电机组在故障期间的加速，达到提高系统稳定性的目的。采用这种措施，可以在故障后不切机的情况下，抑制发电机的加速，使系统保持第一振荡周期的稳定，同时，在故障排除后能很快地恢复到原来的出力。

2.6自动调节励磁控制

在系统发生故障或干扰时，快速励磁控制系统迅速捕捉到发电机端电压等的变化信息，并对之加以控制，这样来抑制发电机相位角的摇摆，提高系统稳定性。自动调节励磁装置的投资在整个系统投资中占的比重极小。

2.7切負荷

在受端系统发生功率亏缺时，切除部分负荷是维持系统稳定、防止频率崩溃的重要措施。一般采用按频率减负荷装置（低频减载）。

3提高电力系统运行稳定性的措施

3.1快速切除故障及重合闸装置的利用

开关设备和继电保护设备的动作特性对电力系统故障的快速切除、提高电力系统运行稳定性具有至关重要的作用。

保护设备切除故障的时间是保护动作时间和从接到跳闸命令开始到继电器触头断开后电弧熄灭的时间的总和。加快故障切除速度一方面是为了防止同步发电机越过运行稳定区（运行功角小于），另一方面，由于电力系统中发生故障后一些设备由于承受过大电流容易发生过热甚至起火、爆炸，引发更加严重的事故，若故障切除时间加快，减少过电流时间，可减少电力系统设备损坏，防止事故扩大，提高电力系统稳定性。为了减少保护的动作时间应该从提高继电保护设备的性能上着手。相关研究表明，对于某一双回线路，当线路一段发生故障时，故障切除速度从0.2s提高到0.1s，此时，三相短路故障情况下，系统的暂态稳定临界值从45%提高到82%，单相短路故障时，系统的暂态稳定临界值从94%提高到98%。

根据实际运行经验可知，电力系统中的故障多数是短路故障，并且这些故障多数是暂时性的，若采用自动重合闸装置可以再发生故障的线路上断路器跳开之后经过一定的时间合上断路器，如果此时故障消失，那么重合成功，在采用了自动重合闸的线路上，重合的成功率能够达到90%以上，因此该项措施对于提高电力系统稳定性也具有重要的意义。

3.2动态无功补偿技术

无功不足会导致系统的电压跌落，甚至发生电压崩溃，无功调节对电力系统电压的稳定性具有关键的作用，无功调节不能发挥作用时，电力系统母线电压会随着运行方式的变化而发生较大的变化，导致网损增加，电压不合格率提高。为了提高电力系统稳定性，需要通过一定的技术手段向电力系统补偿一定的无功。

主要的无功补偿设备有：调相机、静止无功补偿器（SVC）、统一潮流控制器、可控硅串联补偿器等设备。由于调相机是旋转设备，维护困难，现在一般不再安装新的调相机。灵活交流输电技术是现在的一项新技术，由于电力电子元器件的发展，无功补偿器能够实现调节的快速性和平滑性。由于电力系统的运行状态是时刻改变的，因此需要针对不同的时刻的具体情况对电力系统的无功进行补偿，动态补偿是一个较好的解决方案，控制理论的发展可以对无功补偿设备进行适应性控制，实现电力系统无功的动态补偿。

3.3统一潮流控制器的在电力系统稳定性中的作用

统一潮流控制器也是电力电子技术发展的产物，它具有多种补偿功能，串联补偿、并联补偿、端电压调节等基本功能，并且这些功能可以综合起来应用，实现更加复杂的调节功能。统一潮流控制器本质是背靠背变流器（back-to-back converlor），原理如图1所示。

变流器1和变流器2分别通过变压器T1和12接人系统，其中变流器1可以等值为两个并联电流源，分别向系统注入无功功率和有功功率，从而可以通过调节无功控制变流器接人点的电压，也可以通过调节有功功率电流源使得系统与装置所交换的有功功率为零，从而保持变流器直流部分电容的电压恒定。变流器2则负责向电力系统提供一个幅值和相位均可变的串联电压源，通过该电压源控制流过线路的复功率。由于直流部分的存在，变流器1和变流器2可以独立地控制，因此可以独立地发出或者吸收无功功率，起到调节电力系统无功的作用。

统一潮流控制器和动态无功补偿技术对提高电力系统的的机理是相同的，都是通过向电力系统补偿无功，提高对系统母线电压的调节能力而实现，在实际中，无功补偿并不是越多越好，过度的欠补偿和过补偿都不合适，补偿无功恰好等于系统的无功缺额则容易使系统产生谐振，因此在变电站中常常采用的办法是适当的过补偿，这主要是因为若采用欠补偿，电力系统中的产生的感性无功增加，还是很容易导致谐振问题。

3.4变压器中性点经小电阻接地

变压器中性点接地提高电力系统稳定性的原理在于，由于故障多为不对称故障，在电力系统中发生故障时，变压器中性点的接地电阻向故障后的电网络增加了电阻，起到消耗发电机发出有功功率的作用，减少功率差额，减少电力系统不稳定性的因素。

变压器中性点接地的运行方式，实质是一种电气制动提高电力系统运行稳定性的措施，电气制动即采用向电力系统中增加制动电阻，消耗电机发出有功功率，同样的原理，也可以通过向发生故障后的电力系统投入较大的电阻（例如旁路电阻的接入），增加故障时候功率的消耗，提高电力系统运行稳定性。

4结语

总之，作为一个重要的服务行业——电力行业，与国家经济和民生息息相关。必须建立一个完善的供電系统，努力提高供电可靠率，增加电力供应能力，使故障的发生率控制在最低点，从而使得客户的满意度逐渐提升。