电力系统自动化对电网稳定性的影响

引言

电力系统作为国民经济的重要基础设施，其运行状态与社会生产、民生保障息息相关。电网稳定性体现为电力系统在受到扰动后，维持同步运行、保障电压与频率处于合理区间的能力。从近年情况来看，全球范围内因电网不稳定引发的停电事件时有发生，这一现象引发了行业内对于电网稳定性问题的广泛关注。基于此，深入研究电力系统自动化对电网稳定性的作用机理，对于完善自动化技术应用、增强电网运行韧性，具有不可忽视的理论与实践意义。

1 电力系统自动化与电网稳定性的核心内涵

1.1 电力系统自动化的技术架构

电力系统自动化依托自动化装置与系统，致力于实现电网运行全过程的智能化管理。从技术架构来看，其大致可分为三个层级：

感知层：主要由各类传感器、智能电表、PMU（同步相量测量单元）等设备组成。这些设备能够采集发电机出力、母线电压、线路潮流、负荷变化等实时数据，采样频率通常可达到毫秒级，为电网稳定性分析提供较为精准的数据基础。

决策层：以 EMS（能量管理系统）、DTS（调度员培训模拟系统）为核心，通过对感知层数据的分析处理，实现对电网运行状态的评估、安全预警以及优化决策。举例而言，EMS 系统可以通过实时潮流计算，对线路是否存在过载风险进行判断，并在此基础上尝试生成负荷转移方案。

执行层：涵盖继电保护装置、自动励磁调节器（AVR）、自动发电控制（AGC）、FACTS（柔性交流输电系统）等。这些装置依据决策层下达的指令，执行相应的控制操作，包括发电机出力调节、无功补偿装置的投入与切除、故障线路隔离等。

这三层架构借助高速通信网络，实现数据的闭环流动，进而形成“监测-分析-决策-控制”的自动化流程，在一定程度上提高了电网的响应速度与调控精准度。

1.2 电网稳定性的关键维度

电网稳定性的评估可从三个关键层面展开探讨：

功角稳定：主要涉及同步发电机维持同步运行的性能表现。在电网遭遇诸如短路故障等扰动时，发电机转子功角或会出现一定程度的偏移，当偏移量达到临界值时，存在失步风险。功角稳定通常分为暂态稳定（扰动后 10 秒内的运行状态）与动态稳定（扰动后 10 秒至数分钟的运行状态）两个阶段。

电压稳定：着重于电网对节点电压的调控能力，确保其处于合理区间。在负荷增长较快或无功补偿不够充分的情况下，可能出现电压逐渐下降的情况，严重时甚至引发电压崩溃，特别是在无功储备相对有限的配电网区域，这种风险更为突出。

频率稳定：旨在维持电网频率在额定值（我国为 soHz ）附近波动。频率的变化主要与有功功率的平衡状态相关，当频率偏差超过 ±0.2Hz 时，可能对部分用电设备的正常运行产生影响；若偏差超过 ±1Hz ，则需启动低频减载等应急处置手段。

这三个层面并非相互独立，而是存在紧密联系。举例而言，电压崩溃可能导致有功功率分布发生改变，进而对功角稳定产生影响；频率的大幅波动同样会对发电机励磁系统造成干扰，间接影响电压稳定状态。

2 电力系统自动化对电网稳定性的积极影响

2.1 优化扰动响应机制，完善暂态稳定控制体系

在传统电网运行模式下，故障处理多依赖人工调度，从故障发生到完成隔离通常需数分钟时间，客观上存在扰动扩散风险。而自动化技术的应用，为暂态稳定控制带来显著改善：

继电保护性能提升：相较于传统电磁式保护装置约 200ms 的响应时长，微机保护装置能够在 20-50ms 的时间内识别短路故障，并触发断路器动作，响应速度提升幅度可观。这有效缩短了故障电流持续时间，有助于控制发电机功角偏移。

紧急控制智能化：当系统监测到功角失稳风险时，自动化控制系统可迅速启动切机、切负荷、串联电容补偿等调控手段。实际应用案例显示，某区域电网在遭遇三相短路故障时，自动化系统在 0.3 秒内完成 2 台过载发电机的切除操作，成功避免功角失步现象发生。

广域监测能力增强：依托分布于电网关键节点的 PMU 装置，系统可实现电压、电流相量的实时同步测量，形成电网动态运行全景视图。当功角差接近预警阈值（一般设定为 70^∘ ）时，系统能够及时发出告警并启动相应控制策略，较传统 SCADA 系统的数据响应时效性有大幅提升。

2.2 优化无功电压调控，保障电压稳定

电压稳定与无功功率的实时平衡密切相关，自动化技术在提升电压稳定性方面展现出显著作用：

自动电压控制（AVC）系统：AVC 系统依据各节点电压实际测量值，对发电机励磁、电容器组、SVG（静止无功发生器）等设备的无功出力进行自动化调节，进而实现全网电压的分层分区管控。分布式无功补偿自动化：于配电网场景下，智能电容器能够依据负荷动态变化进行自动投切，并与光伏逆变器的无功调节功能协同作业，有效缓解因分布式电源接入引发的电压波动问题。

电压崩溃预警：EMS 系统借助在线潮流计算，对各节点电压稳定裕度开展实时评估。当裕度降至 10% 以下时，系统将自动触发预警机制，并生成无功储备调用方案。

2.3 精准平衡有功功率，维持频率稳定

频率稳定的关键在于有功功率的供需平衡，自动化技术借助多级调控手段，为频率控制提供了有效途径：

自动发电控制（AGC）：AGC 系统能够依据电网频率偏差与联络线功率偏差，对发电机出力进行自动调节。在实际应用中，其爬坡速率可达额定功率的 10% 分钟，可将频率维持在较为理想的 50±0.1Hz 区间。

需求侧响应（DSM）自动化：依托智能电表与负荷控制终端，自动化系统在频率出现下降趋势（如低于 49.8Hz ）时，能够迅速对可中断负荷（如工业电解负荷）进行调整。其负荷调整能力较为可观，每秒可实现 100MW级的负荷响应，在一定程度上发挥着类似“虚拟发电机”的作用。

黑启动自动化：当电网遭遇大面积停电状况时，自动化系统可按照预先设定的逻辑启动黑启动电源，如燃气轮机、储能电站等，并逐步恢复网架供电。某省电网的实践表明，由于自动化技术的应用，黑启动时间得到大幅缩短，从传统的 48 小时减少至 8 小时，这在一定程度上有效降低了停电造成的损失。

结束语

电力系统自动化技术借助实时监测、精准控制及智能调度等方式，在多个层面对电网稳定性的提升起到了一定推动作用，也为新能源消纳与电网互联提供了重要助力。展望未来，或许可以尝试通过有效途径，进一步挖掘自动化技术的应用潜力。随着数字孪生、人工智能、区块链等新兴技术的不断融合，电力系统自动化有望逐步朝着具备“自主感知、自主决策、自主恢复”能力的智能电网方向发展，为构建更为可靠、灵活的现代电力系统提供有力支撑。

参考文献

[1]张莉萍.电力物联网对电网稳定性的作用[J].电子技术与软件工程,2020,(21):239-240.

[2]卢超.自动化技术在电力系统运行管理中的应用[J].集成电路应用，2024，41（6）：90-92.

[3]解金钢.电力系统自动化技术在配电网运行管理中的实践研究[J].通信电源技术，2020，37（1）：257-259.