电力系统安全稳定控制3道防线-稳定分类

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• 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）
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• 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。 2016/11/26 17
恢复状态
紧急控制 由扰动引起的状态变化
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紧急状态
由控制引起的状态变化
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• 处于安全状态的电力系统受到某一由扰动 引起的状态变化可能转入警戒状态。通过 一些必要的控制如调整发电机电压或出力 等，使系统转为安全状态，这种控制称为 预防控制。 • 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。
在正常运行状态下和受到扰动时维持同步运行的 能力。 • 功角稳定性取决于系统中各台发电机在电磁转矩 和机械转矩之间维持或恢复平衡的能力，失稳的 形式表现为某些发电机相对其它发电机的功角摆 动不断增大直至失去同步。功角稳定近一步分为 小干扰（或小信号）稳定和大干扰（或暂态）稳 定，前者指的是在小扰动情况下维持同步运行的 能力，后者指的是系统遭受大扰动时维持同步运 行的能力。
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• 电力系统的可靠性指的是长期符合要求运 行的概率，它表示连续地、长期不停电地 为用户提供充足的电力服务的能力。 • 电力系统的安全性指电力系统能够承受可 能发生的各种扰动而不会导致对用户供电 中断的风险程度。 • 电力系统的稳定性指的是扰动后系统保持 完整运行的持续性，取决于运行工况和扰 动性质。
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DL755-2001《电力系统安全稳定导则》 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。
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频率稳定
• 频率稳定指的是电力系统在遭受严重扰动
后，发电与负荷需求出现较大不平衡后， （无论是否的导致系统解列），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。 • 频率稳定性取决于系统以最小的非计划负 荷损失维持/恢复发电和负荷之间平衡的能 力。频率失稳的形式是持续的频率振荡导 致发电机和负荷跳闸。
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• 恢复状态下系统的完整性一般已受到破坏，如某 些发电机或负荷被切除，系统某些部分被解列等， 因而需要进行恢复控制。恢复控制包括启动备用 设备，改变发电机组功率，重新投入被切机组、 用户和线路等。 • 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，一般可使用比较简 单的就地控制装置。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，安全稳定控 2016/11/26 24 制成为电力系统控制和运行的一个极重要的课题。
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• 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； – 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；
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• 第Ⅱ类，单一严重故障（出现概率较低的 故障）
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• 发生电压失稳的后果可以是损失区域负荷， 或保护系统动作引起输电线路和其它元件 跳闸，进而导致连锁故障。 • 小干扰电压稳定性指的是小扰动情况下 （如系统负荷逐渐增长时）系统对电压的 控制能力。大干扰电压稳定性指的是系统 在遭受大扰动（如系统故障或线路跳闸） 后维持稳态电压的能力。 • 研究电压稳定性的时间可从几秒到几十秒， 故电压稳定可以是短期或长期现象。
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• 恢复过程 重建电力系统充裕状态采取的一系列控 制作用，包括发电机快速起动，再同步并 列、输电线重新带电，负荷再供电和电力 系统解列的部分再同步运行。 • 电力系统运行状态及相互转换关系如下图：
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正常状态
安全 状态 预防控制 警戒 状态
紧急控制 恢复控制
– 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； – 其他偶然因素。
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电力系统扰动的发展和扩大
电源故障 频率异常
线路故障
稳定破坏
系统解列
其他电源 断开
频率、电 压进一步 恶化
大停电
母线故障
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过负荷
电压异常
• 一般而言，电力系统运行状态可分为三种：正常 状态、紧急状态和恢复状态。 DL/T 723-2000 《电力系统安全稳定控制技术导则》给出电力系 统运行的定义。
• 正常状态 电力系统能够保持充裕性和安全性的运行状 态。充裕性是指电力系统在静态条件下，并且系 统元件的负载不超出其定额，母线电压和系统频 率维持在允许范围内，考虑系统元件计划和非计 划停运的情况下，供给用户要求的总的电力和电 量的能力。
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• 警戒状态 电力系统的潜在不充裕和/或不安全状态，在 此状态下，如出现特定可承受事件将导致损失负 荷、系统元件的负载超出其定额、母线电压和系 统频率超越允许范围、功角不稳定、连锁反应、 电压不稳定或某些其它不稳定。 • 紧急状态 电力系统的异常状态，在此状态下，有些系 统元件的负载超出其定额，某些母线电压或系统 频率超越允许范围，出现稳定危机，可能损失部 分负荷。紧急状态要求采取紧急控制作用用以保 持系统稳定，防Fra Baidu bibliotek设备损坏和系统近一步恶化。
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电压稳定
• 电压稳定指的是电力系统在正常运行状态
下和受到扰动时，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。 • 电压稳定性取决于电力系统在负荷需求与 系统向负荷供电之间维持/恢复平衡的能力。 电压失稳的形式可表现为某些母线电压不 断上升或下降。引起电压失稳的主要因素 是系统不能够维持无功功率的平衡。
• 第二道防线——由电力系统安全稳定控制 系统（装置）构成，针对预先考虑的故障 形态和运行方式，按预定的控制策略，实 施切机、切负荷、局部解列等稳定控制措 施防止系统失去稳定。(主动采取措施) （UFV-200C、FEK-300、SCS-500E型分布 式稳定控制装置 ，RCS-992A型分布式稳 控装置 ）
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电力系统状态转换及与三道防线关系
正常 （安全） Ⅰ
合理的电网结构及相应电力设施
③
恢复
① 电网快速保护及预防控制装置
警戒
③ ②
（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）
② ③
Ⅱ
Ⅰ
②
紧急
Ⅱ
③
失步 Ⅲ
崩溃
2016/11/26 系统完整性破坏
电力系统安全稳定控制的基本原则
在DL/T 723-2000《电力系统安全稳定控制 技术导则》中，为保证电力系统安全稳定 运行，二次系统配备的完备防御系统应分 为三道防线：
• 第一道防线——由性能良好的继电保护装 置构成，确保快速、正确地切除电力系统 的故障元件，防止系统失去稳定。
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保持系统完整性
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• 在频率波动过程中，过程和设备的典型时 间常数可从小于1s（如低频减负荷）到几 分钟（如原动机的能量转换系统和负荷电 压调节器的响应），因此频率稳定性可以 是短期现场，也可以是长期现象。 • 短期频率失稳现象：事故造成发电功率不 足的孤岛，而低频减负荷量又不够，导致 频率快速下降，几秒内引发孤岛停电。
电力系统性能的基本概念
• 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。
• 电力系统的性能 描述电力系统的性能的重要指标包括可 靠性、安全性和稳定性。
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IEEE/CIGRE的电力系统性能定义
• IEEE——美国电气与电子工程师学会，是 美国一个较大的科学技术团体，由美国电 气工程师学会（AIEE）和美国无线电工程 师学会（IRE）合并而成，致力于电气、电 子、计算机工程和与科学有关的领域的开 发和研究。 • CIGRE ——国际大电网会议，是电力系统 中覆盖技术、经济、环境、组织和管理方 面的最重要的世界性组织，总部设在法国， 已有90余年历史 。
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• 第三道防线——由失步解列、频率及电压 紧急控制装置构成，当电力系统发生失步 振荡、频率异常、电压异常等事故时，采 取解列、切负荷、切机等控制措施，防止 系统崩溃，避免出现大面积停电。(被动应 对)一般与运行方式和故障形态无关，宜分 散、就地配置。 （UFV-200A型频率电压紧急控制装置 ， UFV-200F型失步解列装置，RCS-993系列 失步解列及低频振荡检测装置，RCS-994A 频率电压紧急控制装置 ）
– 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； – 直流输电线路双极闭锁；
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• 第Ⅲ类，多重严重故障（出现概率很低的 故障）
电力系统安全稳定控制基本概念
提高电力系统安全性的控制有两类：
• 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，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” CIGRE和IEEE称“特种保护方式 （Special Protection Schemes）” 2016/11/26 18 我国称“安全自动装置”。
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IEEE/CIGRE的电力系统稳定性定义和分类
• 电力系统稳定性是指电力系统在给定的初 始运行工况下受到一个物理扰动后重新回 到运行平衡点，且在该平衡点大部分系统 变量都未越限，从而整个系统保持完整性 的能力。
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功角稳定
• 功角稳定指的是互联电力系统中的同步发电机