羅經(jīng)緯

（國(guó)網(wǎng)湖南省電力有限公司技術(shù)技能培訓(xùn)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410082）

0 引言

電壓的穩(wěn)定性直接影響到電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，如果負(fù)荷節(jié)點(diǎn)的電壓能夠始終在電力系統(tǒng)日常運(yùn)行過(guò)程中保持穩(wěn)定狀況，那么整個(gè)電力系統(tǒng)就會(huì)處于一種穩(wěn)定的運(yùn)行狀況。反之，如果電力系統(tǒng)因故障問(wèn)題導(dǎo)致電壓平衡點(diǎn)超出了電力系統(tǒng)運(yùn)行的承受范圍，則會(huì)造成電壓崩潰事故。隨著用電需求的不斷增長(zhǎng)，電力系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷越來(lái)越大，電壓失穩(wěn)問(wèn)題頻繁發(fā)生，甚至還會(huì)引起電壓崩潰的安全事故，這不僅會(huì)影響到人們的日常生活工作用電，還會(huì)給社會(huì)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)電壓崩潰問(wèn)題進(jìn)行分析是十分有必要的，對(duì)我國(guó)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)展有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。

1 案例分析

1.1 某地區(qū)電網(wǎng)的基本情況

2017年7月23日，湖南省某地區(qū)夏季十分炎熱。在發(fā)生電壓崩事故前一天，電力公司對(duì)第二天的電網(wǎng)情況進(jìn)行了預(yù)測(cè)，預(yù)計(jì)負(fù)荷需求為38500MW，準(zhǔn)備發(fā)電功率為40500MW。在7月23日早晨，電力負(fù)荷需求快速增長(zhǎng)到39100MW，到中午達(dá)到了36500MW，午后，負(fù)荷又增加到38200MW，此時(shí)電壓和頻率是正常值。為了滿足快速增長(zhǎng)的負(fù)荷需求，電力系統(tǒng)加大了發(fā)電量，并投入了并聯(lián)電容器以穩(wěn)定電壓，發(fā)電廠也加大了無(wú)功功率。此時(shí)主網(wǎng)電壓已經(jīng)調(diào)整到520kV，頻率為50Hz。當(dāng)天13時(shí)后，負(fù)荷進(jìn)一步上漲，負(fù)荷增加速度超出了預(yù)計(jì)值，已經(jīng)達(dá)到了每分鐘400MW，投入全部的并聯(lián)電容器。13時(shí)10分，負(fù)荷上升至39300MW，已達(dá)當(dāng)年夏季的最大值，主網(wǎng)四個(gè)變電站電壓已經(jīng)下降到460kV。13時(shí)19分，西部和東部電壓分別下降至370kV和390kV。此時(shí)，西部2個(gè)500kV和1個(gè)275kV的變電站停止運(yùn)行，停電負(fù)荷高達(dá)8168MW，共計(jì)影響280萬(wàn)用電客戶。直到16時(shí)10分電網(wǎng)電壓才完全恢復(fù)。

1.2 事故原因分析

1.2.1 缺少對(duì)負(fù)荷特性的正確認(rèn)識(shí)

無(wú)功支持不足和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)不合理都是造成電壓崩潰事故的主要原因，但究其本質(zhì)，影響電壓穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素是負(fù)荷特性。此次該地區(qū)電壓崩潰事故的發(fā)生原因是負(fù)荷迅速增長(zhǎng)導(dǎo)致電壓長(zhǎng)期不穩(wěn)定，進(jìn)而引發(fā)電壓崩潰。負(fù)荷快速增長(zhǎng)，甚至達(dá)到了每分鐘400MW，自動(dòng)投切電容器已經(jīng)無(wú)法達(dá)到有效的投切速度。電壓和無(wú)功功率控制器原本能夠及時(shí)反應(yīng)并采取措施控制電壓不穩(wěn)的問(wèn)題，但負(fù)荷增長(zhǎng)速度已經(jīng)達(dá)到400MW/min，高于原來(lái)的整定值，所以在本次電壓崩潰事故中，無(wú)功功率控制器未發(fā)揮有效作用[2]。

1.2.2 監(jiān)測(cè)工具單一

就該地區(qū)電力系統(tǒng)的現(xiàn)狀而言，目前調(diào)控中心僅有三個(gè)，然而三個(gè)調(diào)控中心的動(dòng)態(tài)顯示屏都不能顯示出500kV母線的實(shí)際電壓狀況，這就使得調(diào)度工作人員只能借助CRT終端顯示器來(lái)監(jiān)測(cè)電壓的實(shí)時(shí)變化狀況。除此之外，不同地區(qū)調(diào)控中心的調(diào)度工作人員只可以對(duì)轄區(qū)范圍內(nèi)的母線電壓實(shí)施監(jiān)測(cè)。正是因?yàn)榈貐^(qū)電力系統(tǒng)中缺少先進(jìn)的監(jiān)測(cè)工具，導(dǎo)致技術(shù)人員無(wú)法對(duì)電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀況實(shí)施精確判斷，從而無(wú)法落實(shí)有效的電力系統(tǒng)電壓崩潰的防范措施[3]。

1.2.3 缺乏對(duì)VQC的正確設(shè)定

在電力系統(tǒng)中，變壓器基本上都配置了有載調(diào)壓分接頭，這一接頭是由VQC進(jìn)行控制的。在這次電壓崩潰事故中，VQC實(shí)行的措施主要為對(duì)分接頭進(jìn)行有效調(diào)整、啟動(dòng)投切電容器以及關(guān)閉投切電容器等；然而在這些應(yīng)對(duì)措施中，調(diào)節(jié)分接頭并不能穩(wěn)定電壓，反而會(huì)影響電壓穩(wěn)定性。為預(yù)防此類(lèi)問(wèn)題，該電力企業(yè)則在投切電容器正式使用的時(shí)候，先對(duì)高壓側(cè)的電壓進(jìn)行評(píng)估，若其沒(méi)有達(dá)到整定值，就采取鎖定有載調(diào)壓接頭的方式[4]。

1.2.4 發(fā)電廠分布不均

某地區(qū)的發(fā)電廠主要集中分布于東部以及北部網(wǎng)絡(luò)的末端，存在著由東往西潮流較重的現(xiàn)象，可能會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)西部的電壓較低，所以此次電壓崩潰事故首先發(fā)生在了電網(wǎng)的西部。但事故發(fā)生之后，并未對(duì)發(fā)電廠分布不均的問(wèn)題進(jìn)行改善，電力企業(yè)需要重視發(fā)電廠分布不均的問(wèn)題[5]。

2 電壓崩潰的防御措施

2.1 優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)

只有不斷優(yōu)化電網(wǎng)結(jié)構(gòu)，才能保障電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時(shí)科學(xué)合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)是充分發(fā)揮繼電保護(hù)與自動(dòng)安全裝置作用的重要基礎(chǔ)?？茖W(xué)合理的電網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在以下兩方面：第一，電源配置的數(shù)量充足且合理，電網(wǎng)容量分布均勻、不過(guò)分集中；第二，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠適應(yīng)于電源容量和電力負(fù)荷水平，具備良好的傳輸能力，靈活性較好，敏捷度較高，能夠及時(shí)應(yīng)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行過(guò)程中的突發(fā)情況，尤其是突發(fā)電力事故[6]。

在對(duì)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能地不采用大環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，這是由于大環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中存在的環(huán)流較大，若線路在單回線的大環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的環(huán)狀，同時(shí)伴隨N-1的時(shí)候，電網(wǎng)會(huì)逐漸改變?cè)薪Y(jié)構(gòu)，形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，大幅降低了線路電壓的穩(wěn)定性。除此之外，高低壓電磁環(huán)網(wǎng)運(yùn)行也是當(dāng)前電力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性大幅下降的關(guān)鍵原因之一。面對(duì)這類(lèi)狀況，低壓電網(wǎng)應(yīng)當(dāng)及時(shí)實(shí)行解列分片運(yùn)行。

2.2 加設(shè)無(wú)功補(bǔ)償裝置

通過(guò)將串聯(lián)補(bǔ)償融入到輸電線路中能夠顯著降低傳輸阻抗，確保長(zhǎng)距離輸電過(guò)程中線路電壓始終保持穩(wěn)定狀況。但這也會(huì)增加電力系統(tǒng)出現(xiàn)次同步諧振的幾率。而并聯(lián)補(bǔ)償可以對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，從而確保電壓始終維持在正常水平。為了應(yīng)對(duì)這一情況，最為直接有效的措施就是提高電力系統(tǒng)投切電容器的總量。為了縮短無(wú)功補(bǔ)償?shù)捻憫?yīng)時(shí)間，還可以根據(jù)實(shí)際情況配置SVC或STATCOM等動(dòng)態(tài)的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備。但通過(guò)投切電容器來(lái)對(duì)并聯(lián)補(bǔ)償進(jìn)行設(shè)置的過(guò)程中，值得一提的是過(guò)度補(bǔ)償會(huì)使得最大負(fù)載功率點(diǎn)無(wú)線接近于正常運(yùn)行值，即過(guò)度的并聯(lián)補(bǔ)償會(huì)大大降低電壓穩(wěn)定裕度[7]。

2.3 實(shí)行電壓的分級(jí)控制

在電力系統(tǒng)中控制電壓和無(wú)功功率時(shí)一般遵循“分層或分區(qū)控制”的原則，大多數(shù)電力系統(tǒng)是按照時(shí)間和空間順序來(lái)對(duì)控制功能進(jìn)行分級(jí)的，主要分成三個(gè)等級(jí)，可以防止各級(jí)控制之間的交互作用而造成的振蕩及不穩(wěn)定。發(fā)電廠與用電客戶之間設(shè)置有一級(jí)電壓控制，一般設(shè)置的是閉環(huán)控制，其反應(yīng)速度較快，能夠在幾秒內(nèi)進(jìn)行響應(yīng)。比如控制同步電機(jī)的無(wú)功功率和靜止的無(wú)功補(bǔ)償器，或者對(duì)電容器、電抗器進(jìn)行快速自動(dòng)投切等。一級(jí)電壓控制主要是對(duì)因切換電網(wǎng)、負(fù)荷變化和事故等造成的電壓快速變化現(xiàn)象進(jìn)行調(diào)整。比如，一級(jí)電壓控制設(shè)備中的變壓器有載分接開(kāi)關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)切換，但其反應(yīng)速度比較慢，二級(jí)電壓控制系統(tǒng)主要是對(duì)某一區(qū)域內(nèi)的就地一級(jí)控制設(shè)備進(jìn)行協(xié)調(diào)，通常是在系統(tǒng)樞紐點(diǎn)設(shè)置二級(jí)電壓控制，其響應(yīng)時(shí)間在幾分鐘以內(nèi)。比如調(diào)整發(fā)電機(jī)的電壓定值、調(diào)節(jié)SVC的電壓定值，對(duì)電抗器和電容器進(jìn)行投切，切換負(fù)荷[8]。三級(jí)電壓控制簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是預(yù)防控制，通常會(huì)在系統(tǒng)調(diào)度中心進(jìn)行設(shè)置，其響應(yīng)時(shí)間大約為幾十分鐘。三級(jí)電壓控制通常負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)每個(gè)二級(jí)控制系統(tǒng)，同時(shí)為電力工作人員落實(shí)電網(wǎng)干預(yù)提供指導(dǎo)，其主要功能為找出影響電壓穩(wěn)定性的因素并及時(shí)采取相應(yīng)的預(yù)防措施。

2.4 強(qiáng)化預(yù)防控制工作

在電力系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，或多或少會(huì)因?yàn)殡妷喊踩鹿识黾与娏€路的荷載的狀況。若出現(xiàn)了這類(lèi)狀況，可以采取一系列的預(yù)防控制措施。倘若電力系統(tǒng)仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，但其安全裕度較低時(shí)，也可以采用預(yù)防性減負(fù)荷的措施。如果電力系統(tǒng)的電壓產(chǎn)生失穩(wěn)問(wèn)題的時(shí)候，可以利用切除符合的方式來(lái)防止電壓出現(xiàn)崩潰情況，進(jìn)而維持電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。在電力系統(tǒng)當(dāng)中應(yīng)該裝設(shè)防止電壓崩潰的自動(dòng)裝置，低電壓自動(dòng)減載裝置可以對(duì)于專(zhuān)門(mén)的電壓穩(wěn)定狀況，利用估算動(dòng)態(tài)負(fù)荷模型參數(shù)，分析探討最小切除量的測(cè)算，通過(guò)電容補(bǔ)償以及切除負(fù)荷的方法來(lái)維持電壓的穩(wěn)定性[9]。

3 結(jié)論

綜上所述，隨著電力系統(tǒng)的運(yùn)行壓力越來(lái)越大，近年來(lái)電壓崩潰事故頻發(fā)，不僅會(huì)對(duì)人們的日常生活和人身安全造成威脅，而且造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，我們必須對(duì)典型的電壓崩潰事故進(jìn)行分析，并從中吸取經(jīng)驗(yàn)。本文結(jié)合了湖南某地區(qū)電壓崩潰事故，并分析了其事故過(guò)程和發(fā)生原因，希望能夠從中受益，提出一些預(yù)防電壓崩潰的對(duì)策，有效預(yù)防電壓失穩(wěn)及崩潰事故，盡可能地保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[10]。