第30卷 第17期 2006年9月 电 网 技 术 Power System Technology V ol. 30 No. 17 Sep. 2006
文章编号：1000-3673（2006）17-0031-05 中图分类号：TM712 文献标识码：A 学科代码：470⋅4054
电力系统稳定的定义与分类述评
孙华东，汤 涌，马世英
(1. 中国电力科学研究院，北京市 海淀区 100085)
A Commentary on Definition and Classification of Power System Stability
SUN Hua-dong，TANG Yong，MA Shi-ying
(1.China Electric Power Research Institute，Haidian District，Beijing 100085，China)
ABSTRACT: Recently the IEEE/CIGRE joint task force gave new definition and classification of power system stability, which are not completely identical with those in “security and stabilization guide rule of power system” published in China. To understand the definition of different types of stability in-depth, distinguish the interrelation among them and clarify the difference and relation between the two kinds of definitions of power system stability home and abroad, on the basis of presenting and comparing the definitions and classification of power system stability home and abroad the foundation of the two different definitions and classification is analyzed. The analyzed contents and obtained conclusions will be helpful to following aspects: correctly identifying the principal cause leading to power system instability, reasonably simplifying and adopting appropriate model and calculation method while special problem is to be analyzed; scheduling rational operating modes; drafting control strategy to improve power system security and stability; planning and optimizing power network structure. KEY WORDS ：power system stability ；definition and classification ；rotor angle stability；voltage stability；frequency stability
摘要：IEEE/CIGRE联合工作组于近期给出了新的电力系统稳定定义和分类，该定义和分类与我国《电力系统安全稳定导则》中的电力系统稳定定义和分类并不尽相同。为深入理解电力系统不同稳定类型的定义、区分不同类型稳定之间的相互关系以及理清国内外两种定义的区别和联系，在介绍和比较国内外电力系统稳定定义和分类的基础上，分析了两种不同定义和分类的依据。分析内容和结论对于正确识别导致电力系统失稳的主要诱因、分析特定问题时进行合理地简化以及采用恰当的模型和计算方法、安排合理的运行方式、制定提高系统安全稳定水平的控制策略、规划和优化电网结构具有帮助价值。
关键词：电力系统稳定；定义与分类；功角稳定；电压稳定；频率稳定
0 引言
自20世纪20年代始电力工作者就已认识到电
力系统稳定问题并将其作为系统安全运行的重要
[1]
方面加以研究。近几十年来，世界各地发生了多起由于电力系统失稳导致的大停电事故[2-9]，这些事故造成了巨大的经济损失和社会影响，同时也反映出研究电力系统稳定的重要意义。电力系统稳定研究中的基础问题是其定义及分类，清晰理解不同类型的稳定问题以及它们之间的相互关系对于电力系统安全规划和运行非常必要。
电力系统两大国际组织国际大电网会议(conseil international des grands réseaux electriques，CIGRE) 和国际电气与电子工程师学会电力工程分会(institute of electrical and electronic engineers ，power engineering society，IEEE PES)曾分别给出过电力系统稳定的定义[10-13]。然而，随着电网的发展，电力系统失稳的形态更加复杂：暂态稳定曾是早期电力系统稳定的主要问题，随着电网互联的不断发展、新技术和新控制手段的不断应用以及运行负荷水平越来越重，电压失稳、频率失稳和振荡失稳成为电力系统失稳的更常见现象。IEEE PES 和CIGRE 以前给出的定义已不完全准确，其分类也不再能够包含所有实际的稳定情况，因此，IEEE/CIGRE稳定定义联合工作组于近期给出了新的电力系统稳定定义和分类报告[14]。
[15]
我国《电力系统安全稳定导则》(DL 755-2001) 在以往定义的基础上系统地给出了电力系统稳定的定义和分类，文献[16-17]又对该定义和分类进行了补充和细化，从而形成了完整的电力系统稳定分类与定义体系。但IEE E /CIGRE和我国行标 DL 755-2001给出的电力系统稳定的定义和分类不尽相同。因此，本文介绍并比较了IEEE/CIGRE和
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行标DL 755-2001中的电力系统稳定定义和分类，分析了不同定义和分类的依据。分析内容和结论对于深入理解电力系统不同稳定类型的定义、区分不同类型稳定之间的相互关系以及理清国内外两种定义的区别和联系非常有意义，且对于正确识别导致电力系统失稳的主要诱因、分析特定问题时进行合理的简化以及采用恰当的模型和计算方法、安排合理的运行方式、制定提高系统安全稳定水平的控制策略、规划和优化电网结构也具有帮助价值。
1 IEEE/CIGRE的电力系统稳定定义与分类
1.1 概述
电力系统稳定性是指在给定的初始运行方式下，一个电力系统受到物理扰动后仍能够重新获得运行平衡点，且在该平衡点大部分系统状态量都未越限，从而保持系统完整性的能力。
IEEE/CIGRE稳定定义联合工作组根据电力系统失稳的物理特性、受扰动的大小以及研究稳定问题必须考虑的设备、过程和时间框架，将电力系统稳定分为功角稳定、电压稳定和频率稳定3大类以
[14]
及众多子类，如图1所示。
功角稳定
小干扰 功角稳定
短期
大干扰 功角稳定
短期
长期
频率稳定
电压稳定
小干扰 电压稳定
短期
大干扰 电压稳定 长期
图1 IEEE/CIGRE中电力系统稳定的分类
Fig. 1 Classification of power system stability by IEEE/CIGRE
joint task force
1.2 功角稳定
功角稳定是指互联系统中的同步发电机受到扰动后保持同步运行的能力。功角失稳可能由同步转矩和/或阻尼转矩不足引起，同步转矩不足会导致非周期性失稳，而阻尼转矩不足会导致振荡失稳。
为便于分析和深入理解稳定问题，根据扰动的大小将功角稳定分为小干扰功角稳定和大干扰功角稳定。由于小干扰可以足够小，因此，小干扰稳定分析时可在平衡点处将电力系统非线性微分方程线性化，在此基础上对稳定问题进行研究；而大干扰稳定必须通过非线性微分方程进行研究。
小干扰功角稳定是电力系统遭受小扰动后保持同步运行的能力，它由系统的初始运行状态决定。小干扰功角稳定可表现为转子同步转矩不足引起的非周期失稳以及阻尼转矩不足造成的转子增幅振荡失稳。振荡失稳分本地模式振荡和互联模式
振荡2种情形。小干扰功角稳定研究的时间框范围通常是扰动之后10~20 s 时间。
大干扰功角稳定又称为暂态稳定，是电力系统遭受输电线短路等大干扰时保持同步运行的能力，它由系统的初始运行状态和受扰动的严重程度共同决定。同理，大干扰功角稳定也可表现为非周期失稳(第一摆失稳) 和振荡失稳2种形式。对于非周期失稳的大干扰功角稳定，研究的时间框架通常是扰动之后的3~5 s 时间；对于振荡失稳的大干扰功角稳定，研究的时间框架需延长到扰动之后10~20 s 的时间。
在IEEE/CIGRE的定义与分类中，小干扰功角稳定和大干扰功角稳定均被视为一种短期现象。 1.3 电压稳定
电压稳定性是指在给定的初始运行状态下，电力系统遭受扰动后系统中所有母线维持稳定电压的能力，它依赖于负荷需求与系统向负荷供电之间保持/恢复平衡的能力。根据扰动的大小，IEEE/CIGRE将电压稳定分为小干扰电压稳定和大干扰电压稳定2种，如图1所示。
大干扰电压稳定是指电力系统遭受大干扰如系统故障、失去发电机或线路之后，系统所有母线保持稳定电压的能力。大扰动电压稳定研究中必须考虑非线性响应，根据需要大干扰电压稳定的研究时段可从几秒到几十分钟。
小干扰电压稳定是指电力系统受到诸如负荷增加等小扰动后，系统所有母线维持稳定电压的能力。小干扰电压稳定可能是短期的或长期的。
电压稳定可以是一种短期或长期的现象。短期电压稳定与快速响应的感应电动机负荷、电力电子控制负荷以及高压直流输电(HVDC)换流器等的动态有关，研究的时段大约在几秒钟。短期电压稳定研究必须考虑动态负荷模型，临近负荷的短路故障分析对短期电压稳定研究很重要。长期电压稳定与慢动态设备有关，如有载调压变压器、恒温负荷和发电机励磁电流限制等，长期电压稳定研究的时段是几分钟或更长时间。长期电压稳定问题通常是由连锁的设备停运造成的，而与最初的扰动严重程度无关。
IEEE/CIGRE的电力系统稳定定义和分类报告中对于正确区分电压稳定和功角稳定给出了解释：功角稳定和电压稳定的区别并不是基于有功功率/功角和无功功率/电压幅值之间的弱耦合关系。实际上，对于重负荷状态下的电力系统，有功功率/功角和无功功率/电压幅值之间具有很强的耦合关系，功角稳定和电压稳定都受到扰动前有功和无功潮流的影响。2种稳定应该基于经受持续不平衡的一组特定相反作用力以
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及随后发生不稳定时的主导系统变量加以区分。 1.4 频率稳定
频率稳定是指电力系统受到严重扰动后，发电和负荷需求出现大的不平衡，系统仍能保持稳定频率的能力。频率稳定可以是一种短期或长期现象。
2 DL 755-2001的电力系统稳定定义与分类
2.1 概述
电力系统稳定性是指电力系统受到事故扰动后保持稳定运行的能力。通常根据动态过程的特征和参与动作的元件及控制系统，将电力系统稳定分为功角稳定、频率稳定和电压稳定3大类以及众多
[17]
子类，如图2所示。
图2 行标DL 755-2001中的电力系统稳定的分类 Fig. 2 Classification of power system stability by
standard DL 755-2001
2.2 功角稳定
功角失稳表现为同步发电机受到扰动后不再保持同步运行的现象。根据受到扰动的大小以及导致功角不稳定的主导因素不同(同步力矩不足和阻尼力矩不足) ，又将功角稳定分为以下4个子类：静态稳定、小干扰动态稳定、暂态稳定和大干扰动态稳定，如图2所示。
静态稳定在实际运行分析中，是指系统受到小扰动后不发生非周期性失稳的功角稳定性，其物理特性是指与同步力矩相关的小干扰动态稳定性。主要用以定义系统正常运行和事故后运行方式下的静稳定储备情况。
小干扰动态稳定是指系统受到小扰动后不发生周期性振荡失稳的功角稳定性，其物理特性是指与阻尼力矩相关的小干扰动态稳定性。主要用于分析系统正常运行和事故后运行方式下的阻尼特性。
暂态稳定主要指系统受到大扰动后第一、二摇摆的稳定性，用以确定系统暂态稳定极限和稳定措施，其物理特性是指与同步力矩相关的暂态稳定性。
大干扰动态稳定主要指系统受到大扰动后，在系统动态元件和控制装置的作用下，保持系统稳定性的能力，其物理特性是指与阻尼力矩相关的大干
扰动态稳定性。主要用于分析系统暂态稳定后的动态稳定性，在计算分析中必须考虑详细的动态元件和控制装置的模型，如励磁系统及其附加控制、原动机调速器、电力电子装置等。 2.3 电压稳定
电压稳定是指电力系统受到小的或大的扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围内，不发生电压崩溃的能力。根据受到扰动的大小，电压稳定分为静态电压稳定和大干扰电压稳定。
静态电压稳定是指系统受到小扰动后，系统电压能够保持或恢复到允许的范围内，不发生电压崩溃的能力。主要用以定义系统正常运行和事故后运行方式下的电压静稳定储备情况。
大干扰电压稳定包括暂态电压稳定、动态电压稳定和中长期电压稳定，是指电力系统受到大扰动后，系统不发生电压崩溃的能力。暂态电压稳定主要用于分析快速的电压崩溃问题，中长期电压稳定主要用于分析系统在响应较慢的动态元件和控制装置的作用下的电压稳定性，如有载调压变压器、发电机定子和转子过流和低励限制、可操作并联电容器、电压和频率的二次控制、恒温负荷等。
文献[17]特别指出，电压不稳定现象并不总是孤立地发生。功角不稳定与电压不稳定的发生常常交织在一起，一般情况下其中一种占据主导地位，但并不容易区分。然而，功角稳定和电压稳定的区分，对于充分了解系统的稳定特性和不稳定的原因，进而安排系统的运行方式、制定稳定控制策略、规划电网结构都是非常重要的。 2.4 频率稳定
频率稳定是指电力系统发生突然的有功功率扰动后，系统频率能够保持或恢复到允许的范围内不发生频率崩溃的能力。主要用于研究系统的旋转备用容量和低频减载配置的有效性与合理性，以及机网协调问题。
3 2种定义与分类的比较分析
3.1 概述
IEEE/CIGRE最新提出的电力系统稳定定义和分类与行标DL 755-2001中的定义和分类有所不同。IEEE/CIGRE和行标DL 755-2001均认为电力系统稳定是一个整体性问题，客观上只有稳定或不稳定状态，但依据系统的稳定特性、扰动大小和时间框架的不同，系统失稳可表现为多种不同的形式。为识别导致电力系统失稳的主要诱因，在分析特定问题时进行简化假设以及采用恰当的模型和
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计算方法，从而安排合理的方式、制定提高系统安全稳定水平的控制策略、规划和优化电网结构，IEEE/CIGRE和行标DL 755-2001均将电力系统稳定分为功角稳定、频率稳定和电压稳定，这种分类对于分析和解决电力系统实际稳定问题十分必要，也有助于正确理解和有效处理电力系统稳定问题。表1给出了2种定义的比较与对应关系。
表1 2种定义与分类的对应关系
Tab.1 Counterparts of definition and classification in two
literatures
比较项
IEEE/CIGRE
短期过程 短期过程
行标DL755-2001 静态稳定 小干扰动态稳定
小干扰
功角 功角稳定 稳定 大干扰
功角稳定
暂态稳定 第一、二摇摆过程 大干扰动态稳定 短、长期过程
短、长期过程
小干扰
短、长期过程静态电压稳定
电压 电压稳定 稳定 大干扰
短、长期过程大干扰电压稳定
电压稳定 频率 稳定
短、长期过程
短、长期过程
3.2 功角稳定
IEEE/CIGRE从数学计算方法和稳定预测的角度，将功角稳定分为小干扰功角稳定和大干扰功角稳定。在这种分类下，小干扰功角稳定认为扰动足够小，从而可采用基于线性化微分方程的小干扰稳定分析方法来研究，而大干扰功角稳定必须基于保留电力系统动态因素的非线性微分方程加以研究。小干扰功角稳定可通过特征根分析以预测和判断系统的稳定特性，而大干扰功角稳定可基于时域仿真预测和判断稳定性。
IEEE/CIGRE认为，小干扰功角稳定研究的时间框架通常是扰动之后的10~20 s 时间，第一摆失稳的大干扰功角稳定研究的时间框架通常是扰动之后的3~5 s 时间，振荡失稳的大干扰功角稳定研究的时间框架通常延长到扰动之后10~20 s 的时间。因此，IEEE/CIGRE将功角稳定(小干扰功角稳定和大干扰功角稳定) 归为短期稳定问题。
IEEE 和CIGRE 在早前各自给出的电力系统稳定的定义中曾将“动态稳定”作为功角稳定的一种稳定形式。但因为“动态稳定”在北美和欧洲分别表示不同的现象：在北美，动态稳定一般表示考虑控制(主要指发电机励磁控制) 的小干扰稳定，以区别于不计发电机控制的经典“静态稳定”；而在欧洲却表示暂态稳定。为避免应用“动态稳定”这一术语造成的混乱，IEEE/CIGRE在新的定义中不再采用“动态稳定”的术语表示。
行标DL 755-2001从稳定物理特性和数学计算方法的角度，将功角稳定细分为静态稳定、小干扰
动态稳定、暂态稳定和大干扰动态稳定。这种分类既考虑了失稳的不同原因，又兼顾了受到扰动的大小从而可以采用不同的分析方法加以研究。
行标DL 755-2001中，静态稳定的物理特性是指与同步力矩相关的小干扰动态稳定性，主要用以定义系统正常运行和事故后运行方式下的静稳定储备情况。小干扰动态稳定的物理特性是指与阻尼力矩相关的小干扰动态稳定性，主要用于分析系统正常运行和事故后运行方式下的阻尼特性。暂态稳定的物理特性是指与同步力矩相关的大扰动后第一、二摇摆的稳定性，用以确定系统暂态稳定极限和稳定措施。大干扰动态稳定的物理特性是指与阻尼力矩相关的大干扰动态稳定性，主要用于分析系统暂态稳定后的动态稳定性。
行标DL 755-2001中，暂态稳定(同步转矩不足) 和大干扰动态稳定(阻尼转矩不足) 都是受到大扰动之后的功角稳定性，因此需采用基于微分方程的时域分析方法。
由上述分析可以看出，IEEE/CIGRE依据扰动的大小，对功角稳定分为小干扰功角稳定和大干扰功角稳定，而子类中不再具体细分是由哪种原因导致的稳定问题。行标DL 755-2001同时考虑稳定物理特性和数学计算方法的不同，将功角稳定细分为静态稳定(在小扰动下由于同步力矩不足引起的小干扰功角稳定) 、小干扰动态稳定(在小扰动下由于阻尼力矩不足引起的小干扰功角稳定) 、暂态稳定(在大扰动下由于同步力矩不足引起的大干扰功角稳定) 和大干扰动态稳定(在大扰动下由于同步阻尼力矩不足引起的大干扰功角稳定) 。 3.3 电压稳定
对于电压稳定，IEEE/CIGRE从数学计算方法和稳定预测的角度，将电压稳定分为小干扰电压稳定和大干扰电压稳定。行标DL 755-2001同样从数学计算方法和稳定预测的角度，将电压稳定分为静态电压稳定和大干扰电压稳定，该静态电压稳定与IEEE/CIGRE中的小干扰电压稳定是对应的。
对于大干扰电压稳定，IEEE/CIGRE和行标 DL 755-2001均认为既可以是由于快速动态负荷、HVDC 等引起的快速短期电压失稳，也可以是由慢动态设备如有载调压、恒温负荷和发电机励磁电流限制等引起的长过程电压失稳。
对于小干扰电压稳定(静态电压稳定) ，IEEE/CIGRE认为在给定运行点，电力系统受到诸如持续负荷增加、连续控制、离散控制(有载调压使功率恢复) 等可能导致电压失稳，这种小干扰电压失稳可以是一种短期现象，也可以是一种长期现象。
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Technology ，2003，27(9)：T2-T6(in Chinese)．
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行标DL 755-2001定义静态电压稳定的目的主要是用以考察电力系统正常运行和事故后运行方式下的电压静稳定储备情况，因此，未再从时间框架上将静态电压稳定加以区分。 3.4 频率稳定
对于频率稳定，I E E E /C I G R E 和行标 DL 755-2001均从系统论的角度定义频率在保持发电和负荷平衡情况下的稳定能力。此外，行标 DL 755-2001还从安全运行的角度定义频率必须保持或恢复到允许的范围内。
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说明[Z]．北京：国家电网公司，2006． 收稿日期：2006-07-11。 作者简介：
孙华东(1975—) ，男，博士，研究方向为电力系统稳定性分析； 汤 涌(1959—) ，男，博士，教授级高级工程师，博士生导师，研究方向为电力系统分析及软件技术；
马世英(1969—) ，男，高级工程师，研究方向为电力系统分析及软件技术。
4 结论
（1）电力系统稳定是一个整体性问题，客观
上只有一种稳定或不稳定状态，但依据系统的稳定特性、扰动大小和时间框架的不同，系统失稳可表现为多种不同的形式。为识别导致电力系统失稳的主要诱因，合理地简化以及选用恰当的元件模型和分析技术，从而安排合理的运行方式、制定提高系统安全稳定水平的控制策略、规划和优化电网结构，IEEE/CIGRE和行标DL 755-2001均将电力系统稳定分为功角稳定、频率稳定和电压稳定。
（2）对于功角稳定，IEEE/CIGRE依据扰动大小的不同，对功角稳定分为小干扰功角稳定和大干扰功角稳定，而子类中不再具体细分是由哪种原因导致的稳定问题；而行标DL 755-2001同时考虑稳定物理特性和数学计算方法的不同，将功角稳定细分为静态稳定、小干扰动态稳定、暂态稳定和大干扰动态稳定。
（3）对于电压稳定，IEEE/CIGRE从数学计算方法和稳定预测的角度，将电压稳定分为小干扰电压稳定和大干扰电压稳定。行标DL 755-2001同样从数学计算方法和稳定预测的角度，将电压稳定分为静态电压稳定和大干扰电压稳定，该静态电压稳定与IEEE/CIGRE中的小干扰电压稳定是对应的。
（4）对于频率稳定，IEEE/CIGRE和行标 DL 755-2001均从系统论的角度定义频率在保持发电和负荷平衡情况下的稳定能力。此外，行标 DL 755-2001还从安全运行的角度定义频率必须保持或恢复到允许的范围内。
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（责任编辑 马晓华）