电力系统紧急控制

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基中，最重要的设计原则如下： 1.专门保护系统的非期望动作不影响系统的
安全。在任何情况下，控制作用的容量不超过 魁北克系统中最大发电站的容量（或5300 MW ）；
2. 尽可能限制采用直接影响系统连续服务的 措施。但是允许系统行为恶化最好是切掉负荷 的一部 分，而不是切掉负荷的全部。遥切负荷 必须最小化和获得高的安全水平； 3. 由于存在大量可能的极端偶然事故，最好是 检测事故对系统造成的后果，而不是检查事故 本身。在制定反措施时，必须最大可能地利用 当地变量的测量和完成当地控制作用；
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l 继电保护（单相或三相、重合闸或无重 合闸）；
l 电阻制动； l 快关汽门（短暂减功率和持续减功率）
； l 励磁控制； l 串联和并联补偿装置的投切； l 发电机解列； l 直流联络线调节； l 低周减载。
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目前，北美、欧洲和日本的预防控制大 多是针对单条线路过载或单个事件作出 反应。经验证明，在大多数情况下，仅 仅采用一种控制措施对于大型互联电网 是不可接受的。96年美国西部大停电事 故表明，必须从整体考虑系统的可靠性 ，而不能仅从当地控制或单个控制措施 分别来考虑。互联电网紧急控制的主要 目的是将紧急状态局部化和避免故障扩 展到相邻区域。这就需要综合和协调各 种控制措施，形成一个集中和分层协调 的紧急控制系统[2]。
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值得指出的是，从上述紧急状态的定义及其产 生的原因可以看出，紧急控制虽然与暂态稳定 密切相关，但不仅仅只是考虑暂态稳定问题， 而应该从整个系统的要求出发。对于系统紧急 状态来说，个别电机的不稳定性既不是必要条 件，也不是充分条件。系统演变到紧急状态， 可能不会直接威胁个别电机的连续同步运行； 危及个别电机连续稳定运行的扰动可能（但不 需要）出现在系统紧急状态出现之前或演变过 程中。防止某台发电机失步或防止某个元件损 坏的当地控制作用甚至可能恶化整个系统的性 能。
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1996年7月2日和8月10日美国西部大停电事故 的关键特征是，解列一条线路后，其余线路被 迫承担被解列线路的负荷，而已失去一条线路 的网络进一步过载，从而引起连锁反映和导致 系统崩溃。经验表明，大多数这样的灾难性事 故是因为对紧急控制缺乏应有的重视。估计发 生这种事故的几率还将增加。随着电力市场的 发展，电力系统的重构和解除管制，在主网基 础上建立起来的现代互联网在区域之间传输的 功率将日益增加。这种需求进一步增加了电力 传输系统的压力。最明显的解决方法是新建输 电线。但是新建线路投资高、除峰荷外利用率 低，从环境保护的角度也对线路走廊提出了限 制，因此新建线路的方案是缺乏吸引力的。在 这种情况下，互联电网的可靠性只有借助于发 展紧急控制系统来予以保证[4，5]。
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2 电力系统的运行状态和稳定性
电力系统的运行条件一般可用三组方程式来描 述：一组微分方程式用来描述电力系统元件及 其控制设备的动态行为；另两组代数方程式则 分别构成电力系统运行的等式和不等式约束条 件。等式约束表示系统总的发电量和总负荷量 的平衡；不等式约束表示某些系统变量，如电 压和电流，不得超过物理设备的最大极限。根 据这些约束条件是否满足，系统的运行分为5 个状态，如图1所示[7，13，14]。
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与现代电力系统可靠性有关的问题很多 而且非常复杂。这就必须弄清有哪些重 要问题和需要什么新的控制功能来保证 当前系统的可靠性。本文将较系统地综 述与电力系统紧急控制有关的问题：紧 急控制的定义及其主要目标、已有的紧 急控制措施、集中紧急控制系统的框架 和设计准则。而在相关的另一篇文章中 进一步阐述有关紧急控制的理论研究和 未来发展的趋势[6]。
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4. 整个防卫计划必须简单。为此，在一 个变电站内可能出现的各种极端偶然事 故应当分为数量有限的类别。对某类事 故的校正措施的选择按该类中最严重事 故的函数来进行。换言之，在选择和确 定待执行的作用容量时，简单性是非常 奏效的。 在文献[11]的表1中列举了魁北克系统 中几乎所有可能的极端事故，它们也可 能出现在其它电力系统中。这些事故可 以粗略地分为两类：
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此外加拿大魁北克水电管理局（HydroQue'bec）为了提高输电系统的可靠性，主要 是提高系统承受极端的偶然事故（通常由多重 事件或输电线相继跳闸引起）的能力，于1990 年启动了一个对付极端偶然事故的防卫计划。 该计划的总费用为13亿美元，占总输电系统资 产的1%少一点，已于1998年投运[11]。新的输 电系统设计准则反映了东北电力协调委员会（ NPCC）的更高的可靠性要求[12]，考虑了魁北 克水电系统的特征，从而包含了魁北克水电系 统的附加要求。满足新的设计准则的解决方案 中最吸引人之处是加上了串联补偿、并联电抗 器和专门的保护系统。新的设计遵循两个基本 出发点：
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在采取预防控制之前，如果发生足够严重的干 扰，系统就进入紧急状态。此时，不等式约束 被破坏，系统安全水平为零。但是，系统仍然 完整，应启动紧急控制使系统至少恢复到警戒 状态。如果紧急控制措施未及时采取或失效， 系统将解列和进入极端紧急状态。在极端紧急 状态中，等式和不等式约束都被破坏，系统不 再完整，系统大部分负荷丧失。紧急控制作用 应尽可能多地挽救解列后的子系统，以避免整 个系统的完全崩溃。一旦崩溃停止，如果仍有 设备运行在额定容量之内，或某些设备紧跟崩 溃而重新启动，则系统可能进入恢复状态。采 取恢复控制措施，重新带上所有失去的负荷和 连接系统，系统可能过渡到警戒状态或正常状 态则视情况而定。
第二层：一个紧急控制区域内的集中控制；这一 层确定了第一层设备在故障前条件下的调节；
第三层：对第二层控制进行协调；当区域间发生 紧急状态时，如有必要，则通过第二层对第一 层的当地紧急控制设备进行调节；
第四层：（俄罗斯联合电力系统层）：对第三层 进行协调。当发生区域间故障时，如有必要， 则通过第二层和第三层对第一层的当地紧急控 制设备进行调节。
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•图2 集中的紧急预防自动控制（CEPAC）系统的框架
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CEPAC系统选择控制作用是基于它们对 电力系统的综合效果，其目的是利用当 前系统中所有紧急预防控制手段来保证 整个电力系统的稳定运行。在CEPAC系 统中，紧急预防控制的基础是： l 在线计算静态和暂态稳定； l 保证可靠运行所需要的控制作用； l 如果机组或线路的切除导致线路过载（ 超过静稳、暂稳或热极限），控制系统 就启动所设计的控制动作来防止系统崩 溃。
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例如，1996年7月2日和8月10日美国西部 大停电事故中，系统进入紧急状态都没 有经历暂态稳定问题。换言之，这种当 地紧急控制作用的后果是，使主要联络 线或干线以故障前最小静态稳定裕度运 行，大多数情况下会进一步加载，从而 超过故障后功角特性的最大幅值。按照 CIGRE和IEEE提出的术语，这种情况称之 为“条件稳定性”[4]。
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此外，电力系统紧急状态的出现不仅表现在发 电和输电设备的极限的破坏上，而且表现在基 本变量频率和电压的极限破坏上。在电源开断 或负荷突然增大时，由于电源和负荷间功率的 严重不平衡，会引起系统频率突然大幅度下降 。如果系统备用容量不足和不及时采取措施， 将使频率进一步下降，而产生频率崩溃，导致 全系统的瓦解。由于无功电源不足或无功电源 突然切除时，当负荷（特别是无功负荷）逐渐 增加到一定程度时，有可能使电压大幅度下降 ，以致发生电压崩溃现象[7]。
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(1)系统不会中断服务或不必借助于专门的保护 系统就能对付通常的偶然事故（指多半最可能 出现的事故）； (2)在极端的偶然事故条件下，系统必须有措 施来避免出现系统范围的瓦解
因此，魁北克防卫系统的目标是，使用简单、 可靠和安全的自动化措施来保持电力系统的完 整性，并在最大可能的范围和和程度上来御防 一切可能的极端偶然事故。为了能在极端的偶 然事故后保持系统的完整性要求所施加的控制 作用既快而且是集群的。为此，魁北克采用了 专门的保护系统和确定了大量的设计原则。
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在正常运行状态下，所有等式和不等式 约束条件都满足，表明发电和负荷平衡 ，没有设备过载，有足够的备用储备使 系统能承受一定的干扰而保持在适当的 安全水平。
当扰动概率增加，使系统安全水平逐步 降低而进入警戒状态。此时，虽然所有 约束条件仍然满足，但是备用储备减少 ，某些干扰可能导致不等式约束破坏（ 如设备过载），使系统安全受到威胁。 在这种状态下，应采取预防控制使系统 恢复到正常状态。
电力系统紧急控制
2020年5月26日星期二
0 引言
电力工业的目标是满足用电需求，并尽可能降 低价格和保证电能质量。为了达到这个目标， 系统需要一定的备用容量。备用容量的多少取 决于各个系统的主要特性和事故假设所决定的 优化程度。在水、火电各占一半的系统中，备 用容量应为装机容量的25～30%。因此，现代 电力工业的主要特征是发展大型互联电力系统 。它可以减少备用容量，相互进行功率支援， 以最有效的方式利用经济的能源，从而提高系 统的可靠性和经济性[1]。然而，互联电网的 缺点是，由于对事故连锁反应，可能出现大面 积停电[2，3]。
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CEPAC系统的硬件实现包括计算机、通信和控 制通道、数据采集系统。由专门的控制器和当 地自动控制系统一设置控制作用。如图3所示 。CEPAC系统包括了多种自动化方案： 自动电压调节器（预防控制）； 自动潮流限制（预防控制）； 继电保护（保护控制），第一道防线； 稳定控制方案（校正控制），第二道防线； 失步保护（保护控制），第三道防线； 低周减载（保护控制），第四道防线； 发电机启动和加载（校正控制），第四道防线 。
(2)暂态稳定性：系统遭受严重的暂态扰动， 如输电线故障、切除发电机或大的负荷，引起 发电机转子角、母线电压和其它系统变量大幅 度波动，而能够维持同步运行的能力。如果系 统的暂态稳定性比较脆弱，就要考虑附加的调 节手段：多个发电机的作用，或附加运行约束 。
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对电力系统紧急控制而言，虽然在各种特定条 件下产生紧急条件的扰动性质可能有极大的不 同，但主要原因如下： l 电力系统元件（线路、变压器、母线、发电 机）短路； l 将故障元件与主网隔离；由于运行员的错误 ，或由于继电保护或其自动化设备的误动，将 无故障元件解列； 互联电网的各区域中的有功平衡破坏； 系统解列后形成有功或无功缺乏或过剩的孤岛 。