1　前言

　　我国原电力部颁布的《电力系统安全稳定导则》^［1］将电力系统的扰动按严重程度和出现概率分为三类，要求分别采取相应措施，以保证系统安全稳定运行。这就是通常所谓的“三道防线”。这已为电力部门普遍接受并在实际工作中加以贯彻实施。国外许多电力系统也提出了类似的规定，例如北美电力可靠性协会(NERC)的《规划标准》^［2］、前苏联的《电力系统稳定导则》^［3］和日本的电力系统安全稳定调查总结^［4］等，也都是将电力系统扰动按严重性分为几类，并分别提出不同的安全要求。尽管各国对扰动的具体划分可能有出入，但这种按扰动分类提出不同安全要求和措施的原则是普遍认同的。
　　我国电力系统在三道防线的实施中，对第一道和第二道防线比较重视，有关的技术规定和要求也比较明确，各系统都进行了大量工作。但对第三道防线则未给予应有重视，该如何设置和整定，是许多系统经常遇到的问题。有些系统的第三道防线，除了低频减负荷以外，没有采取其他任何措施。实际上第三道防线已成为许多系统的薄弱环节。
　　本文准备讨论第三道防线的特点、实现方法和可能采用的措施，供各电力系统在加强第三道防线时参考。

2　第三道防线的功能和存在的问题

2.1　三道防线的划分及要求
　　《电力系统安全稳定导则》将电力系统中的扰动分为三类：第Ⅰ类为常见的普通故障，要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行和正常供电；第Ⅱ类故障为出现概率较低的较严重的故障，要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行，但允许损失部分负荷；第Ⅲ类故障为罕见的严重复杂故障，电力系统在承受此类故障时，如不能保持系统稳定运行，则必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。针对上述三种情况所采取的措施，即所谓保证安全稳定的三道防线。其中第三道防线就是要保证电力系统在严重复杂的故障下(例如： ①两个及多个系统元件同时故障退出运行；②同一走廊的输电线路全部同时或相继断开；③系统中一个枢纽变电所全停；④占系统容量比例较大的一个发电厂全停；⑤严重故障时继电保护及自动装置误动或拒动；⑥严重故障时断路器拒动；⑦其他由多种偶然因素凑在一起的复杂故障等)，防止事故扩大，防止导致长时间的大范围停电，以免造成巨大经济损失和社会影响。这就是设置第三道防线的重要意义。
2.2　第三道防线的现状和存在问题
　　^．认为本系统已对相当严重的故障(例如三相短路)采取了防止稳定破坏的措施，没有必要再考虑那些极罕见的更严重的故障；
　　^．有些系统为了进一步提高安全稳定水平，考虑在一些更严重的故障(如同时失去两个元件，短路时断路器拒动等)下，采取措施保持稳定，但未再考虑其他可能破坏稳定的情况；
　　^．有些系统采用了一些振荡解列装置，但振荡解列如何整定，各解列装置之间如何协调，如何取得动作选择性，尚存在问题；
　　^．低频减负荷是应用较普遍的措施，并在系统中发挥了重要作用，但某些系统的个别机组要求在频率下降不是很很严重时(例如48Hz)即解列，为不使这些机组解列，给低频减负荷的整定造成了困难；
　　^．有些地区装设了低电压减负荷装置，但如何整定，如何防止装置的不正确动作等，尚存在问题。
　　总之，对第三道防线的必要性及如何实现，尚存在不同的认识和不少需要解决的问题。

3　第三道防线的特点和必要性

3.1　第三道防线的必要性
　　尽管系统可能已针对某些故障甚至是很严重的故障采取了保证稳定的措施，但第三道防线还是不能短缺的。实践证明，电力系统可能出现一些事先很难预料的多种偶然因素凑在一起的复杂故障，如果缺乏适当的措施，这些故障完全可能相继扩大而导致大面积停电。国内国外有不少这样的例子。如1996年7月和8月美国西部电网(WSCC)大停电事故，日本东京1987年的大停电事故，法国1987年和1978年的大停电事故，加拿大魁北克1988年及1989年的大停电事故等。我国也曾发生过严重的大面积停电事故，如1972年和1982年的湖北电网大停电，广东电网1990年及南方电网1994年的大停电事故等。这些事故的概率虽然小，但一旦发生则将产生巨大的经济损失和严重的社会后果。因此不能因为复杂故障概率小而不考虑第三道防线，以针对某些严重故障所采取的措施来代替第三道防线也是不恰当的。
3.2　第三道防线的特点
　　既然第三道防线的目标是针对那些难以预计的复杂故障，所以它不能像第一、二道防线那样针对某类故障进行分析和采取措施，因为不可能那样做(故障的组合方式太多，不可能一一分析)，而且也没有必要。但是可以根据故障引起的危急状态来采取措施。电力系统承受严重复杂故障时可能出现哪些危急状态呢?常见的有以下的几种：
　　^．长期失步振荡；
　　^．过负荷连锁跳闸；
　　^．电压崩溃；
　　^．频率崩溃。
　　第三道防线的内容就是要采取措施消除系统的失步振荡，防止连锁跳闸、电压崩溃和频率崩溃，至于是什么原因引起这些问题，则不再一一考虑，也无法一一考虑。

4　消除失步振荡

　　系统功角稳定破坏将导致失步振荡，长时间的失步振荡将给电力系统带来严重后果，包括进一步破坏稳定，引起重要用户停电，甚至损坏电力设备。因此必须采取措施及时制止，这是第三道防线的重要内容。制止失步振荡的方法有两类：
　　(1)将系统在适当地点解列；
　　(2)使失步系统实现再同步。
4.1　失步解列
　　失步的电力系统不能实现再同步时，有计划地解列系统以消除失步是必要的。失步解列应符合以下原则：
　　(1)解列必须是有计划的，即对于特定的失步情况应在预定的地点解列。保护装置的振荡闭锁在失步振荡时不允许误动，因为这样会导致无计划解列。国外有些系统利用保护装置实现失步解列是不恰当的。
　　(2)被解列的两部分，每部分中不应再存在异步运行的机组(下述的复合方法实现再同步例外)。
　　 (3)为减少解列后的负荷损失，被解列的两部分，各自所带负荷宜与发电出力尽量平衡。
　　(4)失步解列装置的动作原理有各种各样，但应符合下述的基本要求：
　　1)必须能正确可靠地反映失步状态；
　　2)动作必须有选择性，即针对一种失步状态实现解列的断路器应最少。
　　(5)失步解列装置作为第三道防线宜有后备。后备解列与主要解列装置应在动作上保持选择性，如利用时间或振荡周期次数错开，动作的断路器也宜不同。
4.2　实现再同步
　　关于再同步的采用，在国际电力行业中是存在争议的。有些电力系统完全不考虑，但俄罗斯等国的电力系统则作为提高系统安全稳定的一项重要措施，并有较多的实践经验^［5，6］。我国在东北、华中等电力系统中也有很多次成功实现再同步的运行经验，并在正式颁布的标准^［1］中做了相应的规定。应当认为，在一定条件下实现再同步也是实现第三道防线的一项重要的可行措施。
　　因此，对于某些有条件的系统，可采用再同步或复合方法消除失步振荡，恢复同步运行。所述复合方法是先断开某些发电机、负荷或联络线，然后实现系统再同步。
　　实现再同步的条件是：
　　(1)可能失步的部分系统，经过验算有条件拉入同步，而且异步运行的允许时间足够实现再同步；
　　(2)异步运行及再同步不会导致稳定的进一步破坏；
　　(3)异步运行时，电网枢纽变电所或重要变电所的母线电压波动值不致过低，再同步损失的负荷比系统解列损失的负荷少。
　　实现再同步过程的计算通常是很复杂的。俄罗斯电力系统曾根据多年的研究和实践，提出了不同系统条件下再同步实用判据的计算方法^［5，6］，要求系统异步状态时的平均滑差稳态值s_st(由调速器调差系数、等值发电机异步功率和系统自阻抗决定)小于由确定的临界滑差s_cr(P₁₂为系统互功率，T_J为等值机惯性常数)。通常在事故后运行方式有足够的静稳储备时，火电厂可以在异步运行一个或几个周期内拉入同步。水电厂拉入同步的条件稍苛刻，但水轮机调速器可超调，有利于拉入同步。为了加速拉入同步，通常应在系统送端减发电功率，在系统受端切负荷。

5　防止频率崩溃

　　电力系统由于某种扰动(例如解列)而严重缺乏有功功率时，频率可能严重下降甚至崩溃。低频减负荷是防止这种情况的很重要和很有效的措施。电力系统全网及各个可能独立运行的地区都应设置足够数量的低频减负荷装置。这项措施在我国普遍受到重视，有较完善的行业标准^［7］，各系统也都有较完善的布署，在实际系统故障时也发挥了很好的作用，所以本文不准备再全面讨论此问题，仅着重指出以下几点以期引起注意。
　　(1)当系统在事故时短缺有功功率很严重，例如短缺40%以上时，仅依靠分散的反映频率降低的减负荷装置可能达不到防止频率下降的目的，而需要采取事故联锁集中切负荷的措施。
　　(2)系统低频减负荷的整定应与系统中发电机的低频保护协调配合。一般要求低频减负荷应保证系统频率降低的程度和时间不致引起汽轮发电机低频保护动作。但是近年来有些从国外引进的汽轮发电机对频率降低提出了很苛刻的要求，例如要求低到48　Hz即跳闸。这种要求是很不合理的，如果低频减负荷要保证系统频率不低于48Hz，一般要求故障时大量过切负荷，不仅不必要地中断大量负荷，而且可能使频率上升过高，超出额定值。实际上，世界上绝大多数著名制造厂生产的汽轮发电机允许频率降低的数值和时间是很有潜力的^［8］。因此应从系统运行角度对新投入的发电机提出允许频率降低时间的要求，例如在系统故障时要求发电机频率降低的允许运行时间不低于以下值：①在47.0　Hz允许10　s；②在47.5Hz允许60s；③在48.0Hz允许300s。
　　总之，系统故障频率降低时应避免发电机被切除。因此合理选定汽轮发电机组允许的低频运行能力是必要的。
　　(3)有些互联电网为了避免故障时互相影响，在频率降低并不严重时(例如48.5Hz)即进行解列。这种作法是不可取的。因为正是需要事故支援时，却取消了这种支援作用。国外互联电网使用低频解列较多，这和他们的体制有关，因为互联的各方一般属于不同的业主，互相支援是受限制的。但是近年的趋势，这种互联系统也是将解列的频率向下调，例如由49Hz改到48Hz，以便进行更多的相互支援。至于频率严重下降(例如降到47Hz以下)将发电机或部分系统解列以保证最重要负荷的供电，则是合理的。这种解列，任何系统都可以采用。

6　防止电压崩溃

　　电压稳定性是个涉及面广和时间跨度长的问题，通常可分为以下几种情况：
　　(1)暂态电压稳定性。时间跨度一般为几秒钟。这种情况容易发生在受电容量较大、电动机负荷比重较大的系统。当系统因短路等原因电压降低时，电动机制动，无功需求急剧增加，而并联补偿电容器的无功功率降低(与电压平方成比例)，严重时可导致电压崩溃。研究表明，如果局部系统功率短缺达50%左右，电压下降可能快于频率下降，低频减负荷因频率不低或电压过低而可能拒动。
　　(2)较长期电压稳定性或中期稳定性。时间跨度为几分钟至几十分钟。这种情况容易发生在从远距离大量受电的系统。当受电端大容量发电机跳闸或主要输电线跳闸时，虽然由于负荷的电压敏感特性系统可能维持暂态稳定，但由于损失大量无功，电压降低，导致降压变压器带负荷改变抽头(LTC)、发电机达到励磁极限等，进一步加剧故障而造成电压崩溃。
　　(3)小扰动电压不稳定。这种情况容易发生在负荷密度大的电网中，由于负荷增长(早、晚高峰)或输送功率大量增长而引起，经历较长时间后，往往进一步引起连锁跳闸而导致电压崩溃。例如法国1978年和日本东京1987年的电压崩溃事故。
　　防止电压崩溃的有效办法是采用低电压减负荷，特别是当低频减负荷不能发挥作用时。低电压减负荷可以按电压及时间分为若干级。装置应避免在短路、自动重合闸及备用电源投入等造成的短时电压下降时误动作。
　　除低电压减负荷外，在事故时自动闭锁LTC，运行中恰当整定发电机励磁系统(例如预留较大的无功储备)，对防止电压崩溃也有重要意义。

7　防止过负荷连锁跳闸

　　在复杂系统中，特别是在电磁环网中，由于解列等原因造成系统某些元件(如线路或变压器)过负荷，进一步形成连锁跳闸，也是扩大事故造成大面积停电的重要原因。
　　在系统出现过负荷时，应首先采取措施，例如切机、切负荷，以消除过负荷。只有在不得已时才断开过负荷元件，如线路或联络变压器。因为一般设备的过负荷允许时间较长，而断开过负荷元件，容易引起相邻元件过负荷而导致连锁切除。
　　系统元件的继电保护整定值应注意避开在过负荷时动作。世界各国曾有多次由于阻抗或电流保护在过负荷时不恰当动作而扩大事故造成严重损失的事例，这个教训必须吸取。

8　结语

　　防止电力系统事故扩大造成大面积停电，已引起电力系统各界广泛的重视。但在实际实施中，则还存在较多的问题，其中突出的问题是在采取保证电力系统安全稳定运行的措施时，用个别具体的复杂严重故障代替可能发生的各种故障，认为据此设防即可满足要求了。电力系统实际发生的情况往往出人意料，因此无法按事故的具体情况考虑，而只能按事故引起的系统危急状态采取对策。这种危急状态包括系统失步，系统频率及电压严重偏离允许范围和连锁故障跳闸等。
　　本文概略介绍了针对各种危急状态应采用的对策及注意事项。最常用的措施是失步解列、低频减负荷和低压减负荷等，有条件时也可采用系统再同步措施。使用这些措施时，应特别注意相互协调配合和动作的选择性。例如系统失步振荡时各处失步解列动作的选择性，低频或低压时各减负荷装置之间及减负荷与发电机解列的协调配合等。协调配合不当往往是扩大事故，引起严重损失的重要原因。
　　总之，电力系统安全稳定运行的第三道防线仍是当前电力系统的薄弱环节。为确保不引起系统崩溃和大面积停电，仍需为加强第三道防线做出巨大的努力。