电力系统电压稳定性的再认识

近年来随着电力系统从发电、输电的一体化体制演变到开放和竞争的环境， 电力系统规划和运行的不确定性和不安全因素增加， 电压不安全已经成为限制电 力传输的主要因素之一。 世界上许多国家相继发生由电压稳定问题导致的大面积 停电事件，世界各国目前对电压稳定性的研究十分重视,IEEE 和 CIGRE 还成立 了专门工作组调查和研究电压稳定性问题，并进行了大量的研究工作。

早期研究普遍认为电压稳定问题是一个静态问题， 或者认为系统的动态对电 压稳定的影响很慢，从而将电压稳定问题转换为平衡点的存在性问题"研究集中在以潮流为工具的静态方法上。 随着研究的深入，人们正在逐渐认识电压稳定性 的动态本质， 从而开始重点研究电压崩溃的动态机理和系统模型的需求，并提出 了一些有关电压稳定性的分析方法和防止电压崩溃的对策。 对电力系统电压稳定性及分岔理论的学习已有 8 个多月， 本学期的课程也上 了过半，下面我将就此问题谈谈我的认识。

一、电压不稳定现象及其解释

对于电压稳定性，IEEE 和 CIGRE 工作组已经给出了简明的定义，然而对于 这类已有的概念，有必要对“电压不稳定”进行定义。

电压不稳定性源自负荷动态具有使耗电量恢复到超过传输系统和发电系统 容量的趋势。

下面逐字的解释这个描述性的定义：   

   电压：在许多的网络节点上，以大的、不可控的电压降落的形式所揭示 的现象。 不稳定性：已经超过最大传输功率的限制，负荷功率恢复机制变得不稳 定，所消耗的功率减少而不是上升。这个机制是电压不稳定性的核心。

动态：任何稳定性问题都涉及到动态。这些动态行为可以通过微分方程 (连续动态)或者差分方程(离散动态)来建模。

负荷电压是不稳定性的驱动源，就这个原因而言，这个现象也成为负荷 不稳定性。

传输系统， 对能量传递来说， 正如从电路理论所知， 有一个有限的容量。 这个限制(也受到发电系统的影响)标志着电压不稳定性的开始。

发电：发电机并不是理想的电压源。发电机的精确建模(包括控制器) 对于正确地评估电压稳定性是非常重要的。

二、电压稳定性研究方法

1、早期基于静态的研究方法

早期人们简单地将电力系统电压失稳问题看作系统过载引起， 从而将其视为 静态问题。 利用代数方程研究电压的稳定性， 大体上可以归纳为最大传输功率法、潮流多值法、 潮流雅可比矩阵奇异法和灵敏度分析等， 其中延拓潮流 (CPFLOW) 在求取系统 P-U 曲线中得到了广泛的应用。它使用延拓法跟踪负荷和发电机功 率变化情况下电力系统的稳态行为， 通过求解增广潮流方程得到穿越雅可比矩阵 奇异点(“鼻尖”点)的解曲线，并且不会碰到病态的数值困难。延拓潮流使用预 估-校正方案找出随负荷参数变化的潮流解路径。

总之， 静态方法的优点是将一个复杂的微分方程解的性态研究看成是简单的 非线性代数方程实数解的存在性研究,其缺点是不能反映各元件的动态特性，且 将电力系统的潮流极限作为小干扰电压稳定的极限点， 而这仅是电压稳定的必要 条件而非充分条件，因而其结果大多是乐观的。

2、基于动态的研究方法

经历了静态研究方法之后， 电压的动态属性受到了重视，电力系统是典型的 动态系统， 和功角稳定性一样， 系统的电压稳定性也属于一类动态系统的稳定性 问题。理论上，考虑了元件的动态特性更能揭示电压失稳过程的本质。值得注意 的是， 电压不稳定现象并不总是孤立地发生。功角不稳定和电压不稳定的发生常 常交织在一起，一般情况下其中的一种占据主导地位!但并不易区分。然而，人 为地将功角稳定性和电压稳定性区分开，对于充分了解系统不稳定的原因，进而 制定系统的运行方式和稳定控制策略是相当重要的。动态分析方法，主要是小干 扰分析和时域仿真法得到了广泛的应用，具体可分为小干扰电压稳定性分析、暂 态电压稳定性分析和长期电压稳定性分析三部分。

三、电压稳定控制措施研究

在线电压稳定控制的三个关键模块是电压稳定指标计算、 预想事故选择以及 控制措施。物理意义明确、计算速度快、精度高的电压稳定指标可以为运行人员 提供系统电压稳定裕量， 明确系统电压稳定程度;而预想事故自动选择的目的是 根据所选择的某一电压稳定指标对大量的预想事故进行过滤， 从而确定对系统电 压稳定性有严重影响的事故，达到减少计算量的目的#控制措施则针对所选择的 严重事故进行详细分析并确定相应的控制策略。

四、电压稳定性分析展望和研究动向

1、电压稳定性分析模型

在电压稳定分析中， 关注的是各母线电压的变化情况，故可对一些对电压影 响较小的物理量的变化规律作某些近似假设， 从而在模型的复杂性和合理性之间 取得合理折衷。

目前， 电压稳定分析的很多方法尚未经历模型从复杂到简单的提炼过程，基 于简单模型的分析结果往往值得商榷。一种理性的思路是：首先研究单个复杂、 准确的元件模型对电压变化规律的影响，然后研究多个复杂、准确的元件模型对 电压变化规律的综合影响，从中抓住主要矛盾，简化模型，达到分析的简单性和 复杂性的合理折衷。

2、电压稳定性分析方法

所有基于静态的研究方法本质上都是利用潮流及其改进形式作为研究工具， 未涉及系统动态， 因而所得 “极限” 通常只是 “功率极限” 而非 “电压稳定极限” ， 其合理性需要接受基于动态的研究方法的检验。 但静态方法在获得系统极限运行状态,指导调度方面起到重要作用，也是动态分析方法的基础!在一段时间内将依 旧存在且广泛应用。其关键问题是如何把握静态分析方法的应用范围和适用条 件，如何衡量误差范围。此外，系统电压静态稳定和功角静态稳定的鉴别方法仍 然是一个需要研究的课题。

小干扰电压稳定分析方法具有严格的理论基础，开发计算速度快!对各种控 制系统有良好适应性的特征分析方法是其关键所在。在分析过程中，应该设法降 低系数矩阵的阶数， 识别保留对电压稳定影响贡献大的元件，正确确定需要加以 详细描述的元件模型。

毫无疑问， 时域仿真法是检验一切分析方法的准绳，探讨新的快速时域仿真 方法，如采用并行计算技术，加快计算速度，力求达到暂态电压稳定的实时仿真 是需要研究的课题。此外，对模型参数要进行实际系统测定，力求用可信参数进 行暂态电压稳定分析，并且对仿真的输出结果进行分析，以便给出稳定裕度、稳 定极限。 同时， 应该探讨时域仿真法和模式识别、 人工智能等理论相结合的方法。

3、电压稳定控制措施

为了达到实时电压稳定监视的目的!急需开发一种有实际物理意义并且适合 在线应用的电压稳定指标。 这种指标应该基于动态模型并且具有良好的线性。虽 然裕度指标已经在实际系统中得到初步应用， 但裕度指标的计算速度和过渡过程 还需要加以提高和精确模拟，否则将会导致错误的结果。从目前研究看，尽管许 多电压稳定指标已被提出， 但由于各种指标都采用了不同程度的简化，其准确性 与合理性需要通过动态方法进行验证。此外，就笔者所了解，目前大多数指标都 是确定性指标， 随着系统的不断增大，有必要开发反映系统电压稳定程度的概率 性指标。

为了更有效地对电力系统进行控制， 要充分利用先进的通信手段和控制理论 开发有效的电压失稳 预防性控制措施和紧急控制措施。要充分利用 GPS 测得的数据，对电压稳 定特别是长期电压稳定有可靠的预测， 重点是开发广域的系统保护策略和闭环控 制以便使系统的运行状况更好。 在多机复杂系统中，功角稳定和电压稳定互相影 响和关联， 不能将本来就有关联的问题人为的加以分割，高质量的稳定控制决策 需要能够识别潜在的失稳模式， 找出最安全的调度方向，并对预防措施和紧急控 制加以协调。 现有紧急控制多为离散性控制，其控制措施对稳定的影响不一定与 控制量成正比，有时候还可能有负作用，特别是当多重事故发生时，这些控制手 段之间的不配合本身就是导致系统瓦解的原因之一。 如何将各种控制措施良好的 配合适用，如何减少控制策略中由于系统非线性、复杂性、离散性和结果难于实 际实施等方面的影响=如何建立控制手段优先级等是应进一步研究的课题。

五、结语

目前， 电压稳定性分析的模型和方法多种多样，研究人员从不同的角度研究 电力系统的电压稳定问题。 从目前的电压稳定性的研究工作看，虽然取得了很大 的进展， 但仍不能认为其理论体系已经成熟，还有许多遗留和将遇到的问题需要 解决。随着大量的学者介入电压稳定性研究，电压稳定性问题的概念形成、数学 模型的建立、失稳机理的正确解释以及控制措施的提出是指日可待的。