电力系统安全稳定控制技术

南瑞稳定2020/2/10电力系统安全稳定控制技术目录1、电力系统安全稳定的概念和准则2、电力系统安全稳定控制的概念、现状和发展方向3、暂态稳定、过负荷运行状态及其控制4、频率、电压异常及其控制5、异步运行状态及其控制6、稳定控制装置介绍7、备用电源自投装置介绍8、紧急控制系统的构成、配置与方案设计9、实际稳定破坏案例分析及对策10、安全自动装置的运行维护注意事项电力系统安全稳定基本概念（1）•电力系统的任务电力系统的任务就是不间断地向用户供应质量(电压和频率等)合格的电能。保持电力系统持续安全稳定运行就是必要条件。•电力系统的可靠性保证不间断地向用户供应足够的质量符合规定的电能的能力。由于电力系统结构和特性非常复杂，可能发生的扰动形态和扰动范围多种多样，扰动引起的后果也多种多样。因此电力系统可靠性很难用一个简单的统一的指标来衡量，实际上是根据系统各部分的性能特点和实用要求，提出不同的可靠性实用指标。电力系统安全稳定基本概念（2）•电力系统的安全性安全性就是电力系统在运行中承受故障扰动的能力，包括安全（如各种设备必须在其允许的电流、电压和频率的条件下运行）、稳定（如电力系统承受故障扰动，能连续不断的供电）两个概念。•电力系统的稳定性电力系统受到事故干扰后保持稳定运行的能力。通常根据动态过程的特性和参与动作的元件及控制系统，将稳定性的研究划分为静态稳定、暂态稳定、动态稳定、电压稳定和频率稳定。电力系统稳定性分类（1）电力系统稳定性分类（2）电力系统稳定性分类（3）•静态稳定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。•暂态稳定电力系统受到大干扰后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定运行方式的能力。通常指保持第一或第二个振荡周期不失步的功角稳定。•动态稳定电力系统受到小或大干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程（数十秒到几分钟）的运行稳定性能力。电力系统稳定性分类（4）•电压稳定电力系统受到小或大干扰后，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•频率稳定电力系统发生有功功率扰动后，系统频率能够保持或恢复到允许的范围内，不发生频率崩溃的能力。电力系统的扰动（1）•电力系统中的扰动有许多种，如雷电和操作过电压、短路及清除、暂态和振荡稳定、电压稳定、频率波动及稳定等。相应的控制措施也有许多。由于雷电和操作过电压属于过电压的范围，不在此考虑。•最常见的扰动是短路，继电保护可快速切除短路故障，是电力系统中最有效和基本的安全措施。但有些严重故障，包括多重性故障，即使继电保护正确动作，仍难以避免事故的扩大，如果考虑保护的误动或拒动，则将加剧事故的扩大。因此紧急控制装置是必须也不是继电保护装置可以替代的。电力系统的扰动（2）•小扰动——由于负荷的正常波动、功率和潮流控制、变压器分接头调整和联络线功率自然波动等引起的扰动。•大扰动——系统元件短路、切换操作和其他较大的功率或阻抗变化引起的扰动。大扰动可按扰动严重程度和发生概率分为三类：第Ⅰ类，单一故障（出现概率较高的故障）第Ⅱ类，单一严重故障（出现概率较低的故障）第Ⅲ类，多重严重故障（出现概率很低的故障）电力系统的扰动（3）•第Ⅰ类，单一故障（出现概率较高的故障）–任何线路单相瞬时接地故障并重合成功；–同级电压的双回或多回线和环网，任一回线单相永久接地故障重合不成功或三相短路故障不重合；–任一台发电机组跳闸或失磁；–任一台变压器故障退出运行；–任一回交流联络线故障或无故障跳开；–直流输电线路单级故障；电力系统的扰动（4）•第Ⅱ类，单一严重故障（出现概率较低的故障）–单回线永久故障重合不成功及无故障三相断开不重合–任何类型母线故障–同杆并架双回线的异名两相同时发生单相接地故障不重合，双回线三相同时断开；–向特别重要的受端系统输电的双回及以上的任意两回线同时无故障或故障跳开；–直流输电线路双级闭锁；电力系统的扰动（5）•第Ⅲ类，多重严重故障（出现概率很低的故障）–故障时断路器拒动；–故障时继电保护及安全自动装置误动或拒动；–多重故障；–失去大电源；–其他偶然因数。电力系统扰动的发展和扩大电源故障线路故障母线故障稳定破坏过负荷系统解列频率异常电压异常其他电源断开大停电频率、电压进一步恶化电力系统安全稳定导则（1）该导则将电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准分为三级•第一级安全稳定标准正常运行方式下的电力系统受到前述的第Ⅰ类大扰动后，保护、开关及重合闸正确动作，不采取稳定控制措施，必须保持电力系统稳定运行和电网的正常供电，其他元件不超过规定的事故过负荷能力，不发生连锁跳闸。电力系统安全稳定导则（2）•第二级安全稳定标准正常运行方式下的电力系统受到前述的第Ⅱ类大扰动后，保护、开关及重合闸正确动作，应能保持稳定运行，必要时允许采取切机和切负荷等稳定控制措施。•第三级安全稳定标准正常运行方式下的电力系统受到前述的第Ⅲ类大扰动导致稳定破坏时，必须采取措施，防止系统崩溃，避免造成长时间大面积停电和对最重要用户（包括厂用电）的灾难性停电，使负荷损失尽可能减小到最小，电力系统应尽快恢复正常运行。电力系统安全稳定控制基本概念（1）提高电力系统安全性的控制两类•预防性控制——系统稳定运行时安全裕度不够，为防止出现紧急状态采取的预防性控制。主要是正常运行时调整系统工作运行点，保持功角稳定运行并具有必要的安全稳定储备。主要方法是发电机功率调节，调节发电机励磁，PSS，直流输电的功率调制等•预测性控制——系统已出现紧急状态，为防止事故扩大而采取的紧急控制（控制装置）名称：俄罗斯称“反事故自动控制”国际大电网会议和IEEE称“特种保护方式（SpecialProtectionSchemes）”我国称“安全自动装置”电力系统安全稳定控制基本概念（2）正常状态恢复状态紧急状态安全状态警戒状态预防控制恢复控制紧急控制紧急控制由扰动引起的状态变化由控制引起的状态变化电力系统安全稳定控制基本概念（3）•处于正常状态的电力系统受到较严重的扰动时，可能转为紧急状态。电力系统在紧急状态下为了维持稳定运行和持续供电，必须采取必要的控制措施。这种控制称为紧急控制或预测控制，也称为紧急状态下的安全控制或动态安全控制。•电力系统的预防控制、紧急控制和恢复控制总称为安全控制。安全控制是维持一个电力系统安全运行所不可缺少的。不过在电力系统发展初始阶段，这种控制比较容易实现，一般可使用就地设置的比较简单的装置。随着电力系统的发展扩大，对安全控制提出了越来越高的要求，成为电力系统控制和运行的一个极重要的课题。电力系统安全稳定控制的基本原则（1）《电力系统安全稳定控制技术导则》规定了我国电力系统安全稳定控制的三道防线：•第一道防线——保证系统正常运行和承受Ⅰ类大扰动的安全要求。措施包括一次系统设施、继电保护、安全稳定预防性控制等；电力系统安全稳定控制的基本原则（2）•第二道防线——保证系统承受Ⅱ类大扰动的安全要求，采用防止稳定破坏和参数严重越限的紧急控制。常用的紧急控制措施有切除发电机（简称切机）、集中切负荷（简称切负荷）、互联系统解列（联络线）、HVDC功率紧急调制、串联补偿等，其他措施（如快关汽门、电气制动等）目前应用很少。解决功角稳定控制的装置其动作速度要求很快（50ms内），解决设备热稳定的过负荷控制装置的动作速度要求较慢（数秒～数十秒）•第三道防线——保证系统承受Ⅲ类大扰动的安全要求，采用防止事故扩大，系统崩溃的紧急控制。措施有系统解列、再同步、频率和电压紧急控制等。电力系统状态转换及与三道防线关系正常（安全）警戒紧急恢复失步崩溃①②③ⅠⅡⅢ③③③Ⅱ②②Ⅰ合理的电网结构及相应电力设施电网快速保护及预防控制装置（第一道防线）稳定控制装置/系统（第二道防线）电网失步解列、电压及频率紧急控制（第三道防线）系统完整性破坏保持系统完整性紧急控制装置和继电保护的关系电力系统紧急控制的具体作用电力系统紧急控制作用及措施紧急控制的措施电网正常运行状态（预防性控制）发生故障主保护动作后备保护（或失灵保护）动作故障未被切除继电保护系统系统能维持暂态稳定？确定控制策略执行切机、切负荷等措施失步与过载判断？切机或切负荷控制系统解列控制频率越限？过频切机控制低频减负荷控制低压越限？低压减负荷控制电力系统稳定运行NYNNN过载失步低压低频过频系统继续连接系统解列暂态稳定控制频率稳定控制电压稳定控制失步与过载控制系统设备事故事故切除继电保护事故扩大（继发性故障）预测控制校正控制紧急控制恢复正常停电状态信息过程控制信息电力系统紧急控制的措施•发电机侧控制手段–切除发电机–快关汽轮机的汽门–水轮机快速降低和升高输出功率–发电机励磁紧急控制–动态电阻制动•负荷端控制手段–集中切负荷（切除高压线路实现）–分散减负荷–电容装置强行补偿、紧急投切并联电容装置及并联电抗器–高压直流输电紧急调制–电力系统解列电力系统紧急控制的发展方向（1）•光电传感器的应用新型光学电压、电流互感器日益显现出富有魅力的前景和强大的生命力，它与传统的电压、电流互感器相比，优势十分明显，良好的绝缘性能，较强的抗电磁干扰能力，测量频带宽，动态范围大，与现代技术紧密结合，而且体积小、重量轻、维修方便、价格相对便宜。近几年来各方面对这种新型互感器表示了极大的兴趣，再加上数字信号处理器(DSP)技术，光电技术的催化、推动作用，发展势头很好，国外一些大公司投入大量人力和物力开发光学电压、电流互感器，并且已有挂网运行产品，国内较国外起步晚，目前还处于样机的研究设计阶段。电力系统紧急控制的发展方向（2）•自适应稳定控制（1）将全球定位系统（GPS）技术引入电力系统可以解决从广域中采集实时量的统一时标问题，无疑对电力系统的故障记录、事故分析，甚至继电保护技术带来不可取代的贡献。但要特别强调指出，它只能提供已成为事实的受扰轨迹，充其量只相当于数值仿真程序的一次运行。紧急控制的全部决策和执行过程必须在实际系统到达动态鞍点之前，例如在检测到故障后的200ms内完成。但稳定分析依赖于对主导群的正确识别，而故障清除后才起作用的各种因素也可能改变主导群，故不知道整个受扰轨迹就不能正确判断其主导群。任何时序数据的外延只能适用于参数连续变化的过程，希望利用故障期间或控制前的信息的外延来得到故障后或控制后的轨迹是不可能的。电力系统紧急控制的发展方向（3）•自适应稳定控制（2）系统在未加控制措施时的受扰轨迹可以用数值仿真、物理仿真、GPS实时量测等任一种方法得到。但是稳定控制的决策过程必须对各种控制措施的组合进行估计和比较。试探控制措施的效果时，不可能用实际系统做试验，因此，即使能够按照局部的受扰轨迹判断出系统将失稳，在庞大的控制措施空间中，那怕仅仅试探一次，也必须求取新的受扰轨迹。基于GPS的广域测量对此无能为力，只能依靠事先的数值仿真或物理仿真。因此，“实时计算，实时控制”的紧急控制框架从原理上看也不可行。电力系统紧急控制的发展方向（4）•自适应稳定控制（3）我国学者在1993年首次提出基于EEAC的“在线预想计算，实时匹配”在线紧急控制框架，2001年研制成功OPS-1紧急控制在线预决策系统并作为国内外首例基于在线优化决策的稳定控制系统投入工业运行。OPS-1安装在稳定控制系统的主站或调度中心，与能够提供电力系统实时测量数据的控制装置或电网EMS接口，接收电网实测数据，快速进行紧急控制策略的自动寻优，定期刷新控制装置中的控制策略表，使得控制措施总是与电网当前结构和运行方式相适应，从而实现电力系统的自适应稳定控制，并具有对相继开断事故的处理能力。目前，OPS-1已经发展成为系列化的预防控制与紧急控制在线预决策系统，并与广域测量技术结合，实现了电力系统安全稳定的广域测量分析控制一体化。防止暂态稳定破坏的控制•暂态稳定是指电力系统遭受大扰动（短路、电源或负荷突然跳闸等）时系统保持同步运行的能力。暂态稳定的判据主要是系统内发电机转子角之差（即功角）超过规定的值（例如180度），所以又称功角稳定。暂态稳定破坏后系统将失去同步。•防止暂态稳定破坏的控制策略，应该在对相应的电力系