刍议电力系统电压崩溃及防御措施的实例

罗经纬

（国网湖南省电力有限公司技术技能培训中心，湖南 长沙 410082）

0 引言

电压的稳定性直接影响到电力系统的正常运行，如果负荷节点的电压能够始终在电力系统日常运行过程中保持稳定状况，那么整个电力系统就会处于一种稳定的运行状况。反之，如果电力系统因故障问题导致电压平衡点超出了电力系统运行的承受范围，则会造成电压崩溃事故。随着用电需求的不断增长，电力系统的运行负荷越来越大，电压失稳问题频繁发生，甚至还会引起电压崩溃的安全事故，这不仅会影响到人们的日常生活工作用电，还会给社会带来巨大的经济损失。因此，对电压崩溃问题进行分析是十分有必要的，对我国电力系统的稳定发展有重要的现实意义[1]。

1 案例分析

1.1 某地区电网的基本情况

2017年7月23日，湖南省某地区夏季十分炎热。在发生电压崩事故前一天，电力公司对第二天的电网情况进行了预测，预计负荷需求为38500MW，准备发电功率为40500MW。在7月23日早晨，电力负荷需求快速增长到39100MW，到中午达到了36500MW，午后，负荷又增加到38200MW，此时电压和频率是正常值。为了满足快速增长的负荷需求，电力系统加大了发电量，并投入了并联电容器以稳定电压，发电厂也加大了无功功率。此时主网电压已经调整到520kV，频率为50Hz。当天13时后，负荷进一步上涨，负荷增加速度超出了预计值，已经达到了每分钟400MW，投入全部的并联电容器。13时10分，负荷上升至39300MW，已达当年夏季的最大值，主网四个变电站电压已经下降到460kV。13时19分，西部和东部电压分别下降至370kV和390kV。此时，西部2个500kV和1个275kV的变电站停止运行，停电负荷高达8168MW，共计影响280万用电客户。直到16时10分电网电压才完全恢复。

1.2 事故原因分析

1.2.1 缺少对负荷特性的正确认识

无功支持不足和电网结构不合理都是造成电压崩溃事故的主要原因，但究其本质，影响电压稳定性的关键因素是负荷特性。此次该地区电压崩溃事故的发生原因是负荷迅速增长导致电压长期不稳定，进而引发电压崩溃。负荷快速增长，甚至达到了每分钟400MW，自动投切电容器已经无法达到有效的投切速度。电压和无功功率控制器原本能够及时反应并采取措施控制电压不稳的问题，但负荷增长速度已经达到400MW/min，高于原来的整定值，所以在本次电压崩溃事故中，无功功率控制器未发挥有效作用[2]。

1.2.2 监测工具单一

就该地区电力系统的现状而言，目前调控中心仅有三个，然而三个调控中心的动态显示屏都不能显示出500kV母线的实际电压状况，这就使得调度工作人员只能借助CRT终端显示器来监测电压的实时变化状况。除此之外，不同地区调控中心的调度工作人员只可以对辖区范围内的母线电压实施监测。正是因为地区电力系统中缺少先进的监测工具，导致技术人员无法对电力系统的实时运行状况实施精确判断，从而无法落实有效的电力系统电压崩溃的防范措施[3]。

1.2.3 缺乏对VQC的正确设定

在电力系统中，变压器基本上都配置了有载调压分接头，这一接头是由VQC进行控制的。在这次电压崩溃事故中，VQC实行的措施主要为对分接头进行有效调整、启动投切电容器以及关闭投切电容器等；然而在这些应对措施中，调节分接头并不能稳定电压，反而会影响电压稳定性。为预防此类问题，该电力企业则在投切电容器正式使用的时候，先对高压侧的电压进行评估，若其没有达到整定值，就采取锁定有载调压接头的方式[4]。

1.2.4 发电厂分布不均

某地区的发电厂主要集中分布于东部以及北部网络的末端，存在着由东往西潮流较重的现象，可能会导致电网西部的电压较低，所以此次电压崩溃事故首先发生在了电网的西部。但事故发生之后，并未对发电厂分布不均的问题进行改善，电力企业需要重视发电厂分布不均的问题[5]。

2 电压崩溃的防御措施

2.1 优化电网结构

只有不断优化电网结构，才能保障电力系统的正常运行，同时科学合理的电网结构是充分发挥继电保护与自动安全装置作用的重要基础。科学合理的电网结构主要体现在以下两方面：第一，电源配置的数量充足且合理，电网容量分布均匀、不过分集中；第二，电网结构能够适应于电源容量和电力负荷水平，具备良好的传输能力，灵活性较好，敏捷度较高，能够及时应对电网运行过程中的突发情况，尤其是突发电力事故[6]。

在对电网结构进行规划设计时，应尽可能地不采用大环网结构，这是由于大环网结构中存在的环流较大，若线路在单回线的大环网结构中出现的环状，同时伴随N-1的时候，电网会逐渐改变原有结构，形成链式结构，大幅降低了线路电压的稳定性。除此之外，高低压电磁环网运行也是当前电力系统运行稳定性大幅下降的关键原因之一。面对这类状况，低压电网应当及时实行解列分片运行。

2.2 加设无功补偿装置

通过将串联补偿融入到输电线路中能够显著降低传输阻抗，确保长距离输电过程中线路电压始终保持稳定状况。但这也会增加电力系统出现次同步谐振的几率。而并联补偿可以对无功功率进行补偿，从而确保电压始终维持在正常水平。为了应对这一情况，最为直接有效的措施就是提高电力系统投切电容器的总量。为了缩短无功补偿的响应时间，还可以根据实际情况配置SVC或STATCOM等动态的无功补偿设备。但通过投切电容器来对并联补偿进行设置的过程中，值得一提的是过度补偿会使得最大负载功率点无线接近于正常运行值，即过度的并联补偿会大大降低电压稳定裕度[7]。

2.3 实行电压的分级控制

在电力系统中控制电压和无功功率时一般遵循“分层或分区控制”的原则，大多数电力系统是按照时间和空间顺序来对控制功能进行分级的，主要分成三个等级，可以防止各级控制之间的交互作用而造成的振荡及不稳定。发电厂与用电客户之间设置有一级电压控制，一般设置的是闭环控制，其反应速度较快，能够在几秒内进行响应。比如控制同步电机的无功功率和静止的无功补偿器，或者对电容器、电抗器进行快速自动投切等。一级电压控制主要是对因切换电网、负荷变化和事故等造成的电压快速变化现象进行调整。比如，一级电压控制设备中的变压器有载分接开关能够实现自动切换，但其反应速度比较慢，二级电压控制系统主要是对某一区域内的就地一级控制设备进行协调，通常是在系统枢纽点设置二级电压控制，其响应时间在几分钟以内。比如调整发电机的电压定值、调节SVC的电压定值，对电抗器和电容器进行投切，切换负荷[8]。三级电压控制简单来说就是预防控制，通常会在系统调度中心进行设置，其响应时间大约为几十分钟。三级电压控制通常负责协调每个二级控制系统，同时为电力工作人员落实电网干预提供指导，其主要功能为找出影响电压稳定性的因素并及时采取相应的预防措施。

2.4 强化预防控制工作

在电力系统的实际运行过程中，或多或少会因为电压安全事故而增加电力线路的荷载的状况。若出现了这类状况，可以采取一系列的预防控制措施。倘若电力系统仍处于稳定状态，但其安全裕度较低时，也可以采用预防性减负荷的措施。如果电力系统的电压产生失稳问题的时候，可以利用切除符合的方式来防止电压出现崩溃情况，进而维持电力系统的安全、稳定运行。在电力系统当中应该装设防止电压崩溃的自动装置，低电压自动减载装置可以对于专门的电压稳定状况，利用估算动态负荷模型参数，分析探讨最小切除量的测算，通过电容补偿以及切除负荷的方法来维持电压的稳定性[9]。

3 结论

综上所述，随着电力系统的运行压力越来越大，近年来电压崩溃事故频发，不仅会对人们的日常生活和人身安全造成威胁，而且造成了巨大的经济损失。因此，我们必须对典型的电压崩溃事故进行分析，并从中吸取经验。本文结合了湖南某地区电压崩溃事故，并分析了其事故过程和发生原因，希望能够从中受益，提出一些预防电压崩溃的对策，有效预防电压失稳及崩溃事故，尽可能地保证电力系统的安全稳定运行[10]。