主题:【原创】电力系统漫谈 (一) 引子 -- 乃力
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家园 【原创】电力系统漫谈(四)电力系统稳定(1)漫谈稳定

乃力:电力系统漫谈 (一) 引子

乃力:电力系统漫谈 (二) 电力系统运行的轮廓

乃力:电力系统漫谈(三)无功功率

先啰嗦几句别的。刚刚过去的一个星期,是悲伤和激动交织的一个星期。四川等省的地震牵动了整个中华民族的心。我作为其中的一个小小个体,也和大多数河友一样,夜夜守在网络上,看着各种来自前线的报道,为受难的同胞祈祷。同时,也为曙光初现的祖国和民族的腾飞而欢呼。

这个星期,没有时间写这个专题。花了些时间参与组织了公司内部的募捐活动。其间有个小插曲。募捐的当天,正好有一个国内的代表团来公司参观,大概是国电电力的团。他们出来有些日子了,对地震的了解并不比我们多,似乎还是从我们展出的图片上第一次感受到现场的惨烈。一般地,我对这种考察团有天然的抵触,但这一天,我对他们有一种发自内心的亲切感。他们也做得很棒,两个看上去象是带队的先生在离开的时候都捐了款。我注意到他们随身携带的美元并不多。

我的思绪总是被这些和地震有关的事情打断。不过,既然开了电力系统漫谈这个系列,总是要写下去。另外,一个小小的无功功率话题,让我试出了西西河在电力系统这个旁支末节的水域一样深不可测;大概是因为我们有世界驰名的铁手牌挖掘机的缘故吧。看来,任务比我想象的更艰巨。幸好,从最开始我就告诫自己虽然是漫谈但不能瞎白话,认真写下去,就会有收获。

在经济运行和系统稳定之间犹豫了好久,还是决定先写系统稳定这一块。这也是受了地震的影响。灾难发生的时候,我们更深刻的体会到为什么是“稳定压倒一切”。这次地震后的抢险救灾开展的如此迅速和成功,我们国家和社会的安定团结是一个重要的先决条件。没有了社会的稳定,不用说救灾,正常的生活都无法保证,经济更是无法发展。一个社会如此,电力系统也是这样。不管电力市场改革如何进行,也不管有多少新的利益悠关者进入这个系统,不管他们之间的利益分歧有多大,电力系统稳定永远都是系统内各个实体(包括终端用户)的共同利益。

这也是为什么各个大的互联电网总要有一个最高权力机构负责系统的稳定性,这个机构可能是政府的组成部分或国家的公司(例如我国以前的电力部和现在的国网公司和南方电网),也可能是政府授权的代理机构。在北美,因为加拿大、美国和墨西哥北部联网运行,所以这个机构的名字叫北美电力可靠性合作组织(NERC -- North American Electric Reliability Corporation)。现在国内搞全国联网,不知道当南方电网和国网的系统联网运行以后,是否也要成立这样一个机构来协调两个电网的运行。

电力系统稳定是一个非常宽泛也非常含混的概念。在工程实践中,不同的电网、不同的公司、甚至不同的工程师都有各自的理解和各自的定义。鸡同鸭讲的事情时有发生。各个国际标准化组织和各电网管理机构都试图给出统一明确的定义,但始终无法对抗来自运行第一线的传统。可能有人已经注意到了,上文中NERC的名字里用的是可靠性 (Reliability)而不是稳定性(Stability)。从字面上看,可靠性是比稳定性更广的一个概念。NERC这么用是没有问题的。若干年前,IEEE(国际电气电子工程师协会)也曾经建议统一使用可靠性来取代稳定性。但问题是可靠性这个词在工程上有一个特殊的含义,就是用统计方法来分析系统运行和停运的概率。所以这个建议至今还没有被广泛地采纳。特别是在学术界,完全是泾渭分明。反倒是在工程界,在一些报告中,有时会用可靠性来代替稳定性。但是,需要注意的是,很多时候,如果可靠性这个词是单独使用的,那么往往是只基于确定性分析的稳定性。如果需要表示其本来的统计意义上的可靠性,一般还要加上“统计”(Stochastic或Probabilistic)这个限定词。

因为后面还要专门讲统计意义上的电力系统可靠性(写到此处,手心冒汗:概率和随机过程从来就没有学明白过),所以这里继续使用稳定性(Stability)一词。一般来说,电力系统稳定性是指电力系统应具备的一种能力,以保证系统在非故障(disturbance)情况下能在一个较优的运行点上的维持功率平衡;在故障情况下尽可能地保证系统的完整性,使系统能在一个还可以接受的运行点上继续运行,而不至于出现系统大范围的停电或非控制的系统解裂。

写到这里,需要解释一下。在后面遇到一些术语时,我可能会经常把中英文并列。主要原因是我到美国以后才深入接触电力系统稳定性,很多中文名字都是根据自己的理解直接翻译过去的,可能不是太准确。

历史上,电力系统稳定性可以分为广义的和狭义的稳定性。广义的电力系统稳定性包括了电力系统静态安全(static security)和动态稳定(dynamic stability)。狭义的电力系统稳定则特指动态稳定。为什么说是“历史上”呢?一方面,主要是因为现在的电力系统稳定性基本上是特指动态稳定;另一方面,IEEE和国际大电网会仪(CIGRE)已经建议停止使用“动态稳定”这个词,这个建议已经逐渐为学术和工程界接受。

分析不同类型的系统稳定性要采用不同的衡量指标和相应的分析方法。电力系统静态安全所用的指标是系统各元件的静态极限(一般是热极限,所以也叫热稳定)。所采用的方法是电力调度自动化系统中的故障分析(Contingency Analysis)。简单地说就是对所有可能的开断故障进行扫描,看在故障情况下是否有流经系统元件的电流或功率超出其极限的情况。现在的调度自动化系统中,基本上都是直接使用电力系统潮流计算进行故障扫描。

早期,因为计算机能力的限制,无法快速计算大系统的潮流,所以有很多研究人员开发了各种快速扫描方法。这些方法主要通过简化和近似计算,例如把非线性的系统简化为线性系统,来加快计算速度。虽然现在调度自动化系统已经不再使用这些简化计算,但调度员和很多传统的运行方式工程师还很喜欢这些简单明了的方法。而且,在很多情况下,这些简化计算也具有很高的精度。

静态安全分析实际上用到了一个假设。就是假设系统在发生元件的开断故障后能够自我恢复到一个(动态稳定意义上的)稳定运行点。在大系统中,这个假设大多数情况下是成立的。静态安全分析的主要难点在快速计算。在计算机高度发展的今天,静态安全分析作为一个研究方向已经失去了意义。但在电力系统实际运行中,它却是最最常见的问题,是调度员和运行方式工程师时刻都要面对的。

在实时运行中,关注静态安全的意义,一方面是保护设备,另一方面,也是更重要的,是避免发生一个设备超出热稳定极限导致连锁反应的情况。比如说,一条线路因为过载被自动保护装置切除,可能会导致另外一条并联线路也过载并被切除,然后导致更多的线路过载,如此以往,最终导致系统无法维持动态稳定。

套用一句老话来总结一下静态安全和动态稳定的关系。电力系统是个动态的系统,静态是相对的,动态是绝对的。所以,对电力系统静态安全的讨论就先告一段落,后面的讨论将集中到动态稳定上,并将直接使用电力系统稳定来代替动态稳定。

电力系统(动态)稳定性又有很多种不同的分类。从其主导因素来分,可以分为:

1、 暂态稳定---主要是研究由于瞬间的功率不平衡引起的发电机群之间的角度失稳问题。这里的角度是发电机转子(发电机的转动部分)的电气角度。

2、 小干扰稳定---也叫小信号稳定。主要研究由于系统结构不合理(或不够强)导致对于小干扰引起的振荡缺少足够的阻尼,可能导致系统渐进失稳的问题。

3、 电压稳定---主要研究由于系统电压过低或无功不足导致的系统无法维持在稳定运行点的问题。

前两类主要是在系统状态空间上进行分析(发电机转子的电气角度是一个状态量),分析的基础是系统的代数-微分方程、李雅普诺夫能量函数和现代控制理论。电压稳定则有些类似于前面讲过的静态稳定,主要分析方法基于电力系统潮流计算,不过分析将扩展到潮流的多解性(PV曲线)和无功安全边际(QV曲线)等问题。实际上,还有一类稳定问题,被广泛称做暂态电压稳定。主要表现为在大的扰动后,系统电压由于无功支持不够而难以迅速恢复,从而导致系统失去稳定。相对的,前面讲的暂态稳定也被叫做暂态功角稳定。两者互相影响,你中有我,所以将放在一起讨论。

如果你坚持看到这里,大概你已经知道,电力系统稳定性这部分内容将是十分枯燥乏味的,而且会有互相交织,可能一个话题没谈完又扯出另外一个。而我自己,也深深地怀念起当潜水员的幸福时光。在河里只看不写的日子是多么的美好啊!有诗为证:

西西之水清兮,我多想尽情在这里游(潜水),

西西之水浊兮,我拔出萝卜带起了泥(挖坑)。

乃力:电力系统漫谈(四)电力系统稳定(2)看图说稳定

乃力:电力系统漫谈(四)电力系统稳定(2)看图说稳定(续)

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