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众所周知，电力系统作为典型的超大规模动态系统，它的功能是尽可能连续为负荷提供其所需高品质的电能。保证电力系统运行具有稳定性是实现上述功能的重要基础。
1.基本概念
电力系统受到扰动后保持稳定运行的能力被称为电力系统稳定性。电力系统稳定性又可以被理解为其在遭受到扰动后重新恢复稳定的平衡状态的能力。
电力系统稳定性领域的扰动形式既可以是小扰动，也可以是大扰动，具体形式包括不同幅度负荷的突然变化、元件突然退出运行、三相短路故障等。电力系统在长期运行过程中一定会受到扰动，一些情况下电力系统受扰后无法继续保持稳定运行。例如，对于电源通过远距离交流输电线路输送电力到受端系统这种情况，在传输的功率大到一定程度后，正常运行状态下稍微小的扰动都可能导致电流、电压、功率的剧烈变化和振荡，这表明电力系统失去了稳定运行状态。当元件因故障被自动保护装置切除后，电力系统也可能因为这种大扰动的影响出现上述电流、电压、功率的剧烈变化和振荡。除此之外，电力系统的正常操作（例如有计划地退出发电机等），在一些情况下也可能导致电力系统失稳。需要注意的是，电力系统稳定问题是一个复杂的问题，其表现形式并非单一的。当电力系统稳定性遭到破坏后，大量用户的供电会出现中断，甚至整个电力系统会瓦解，引起极其严重的后果。因此，对于电力系统的安全可靠运行以及用户的正常用电而言，保证电力系统的运行具有稳定性，是一件具有重要意义的事情。
与电力系统稳定性有关的一个概念是电力系统安全性，它是指电力系统在运行中承受扰动（例如突然失去元件或发生短路故障等）的能力。当电力系统安全性得到满足时，电力系统能够承受住扰动引起的暂态过程，并且能够过渡到一个可接受的运行工况，在新的运行工况下各种约束条件得到满足。与电力系统安全性有关的分析包括静态安全分析和动态安全分析。其中，电力系统静态安全分析不考虑电力系统从扰动前的静态到另一个静态的中间过程。与此不同，电力系统动态安全分析则研究的是电力系统从发生扰动前的静态过渡到扰动另一个静态的暂态过程中保持稳定的能力，比如研究任一元件断开后的电力系统稳定性。
2.稳定标准
由于电力系统在长期运行过程中无法避免受到扰动，而电力系统在受扰后失去稳定的后果又往往非常严重，甚至会出现灾难性的结果，因此保证电力系统安全稳定运行需要满足一定的标准。我国在电力系统稳定领域也发布了强制性国家标准GB 38755-2019《电力系统安全稳定导则》，用于代替行业标准DL755-2001《电力系统安全稳定导则》。该强制性国家标准已于2020年7月1日正式实施。该标准给出的电力系统安全稳定标准包括电力系统的静态稳定储备标准以及承受大扰动能力的安全稳定标准。其中，静态稳定储备标准涉及按功角判据计算的静态稳定储备系数和按无功电压判据计算的静态稳定储备系数；电力系统承受大扰动能力的安全稳定标准分为以下三级：
1）第一级标准：保持稳定运行和电网的正常供电。
2）第二级标准：保持稳定运行，但允许损失部分负荷。
3）第三级标准：当系统不能保持稳定运行时，必须尽量防止系统崩溃并减少负荷损失。
根据国家标准《电力系统安全稳定导则》，上述每一级标准针对不同的情况。
知名学术组织美国电气与电子工程师学会（IEEE）和国际大电网委员会（CIGRE）共同组建的稳定性术语与定义联合工作小组于2004年发布了《电力系统稳定性定义与分类》报告，此报告提出了经典的电力系统稳定性概念及其分类。在我国，国家标准《电力系统安全稳定导则》已给出了电力系统稳定性概念及其分类，具体如图1.1所示。根据强制性国家标准《电力系统安全稳定导则》，电力系统稳定性被分为三大类：功角稳定性、电压稳定性和频率稳定性。
图1.1 国标GB 38755-2019电力系统稳定性分类
1.功角稳定性
功角稳定性是指电力系统受到扰动后同步发电机保持同步运行的能力。同步发电机一般是电力系统中电能的主要来源。一个正常稳定运行的电力系统的必要条件是所有同步发电机具有相同的电气角速度，即保持同步运行。对于同步发电机而言，忽略阻尼时稳态运行时输入的机械功率（原动机功率）与其电磁功率相平衡，机械功率（原动机功率）和电磁功率分别对应于机械转矩（原动机转矩）和电磁转矩，其中机械转矩和同步发电机的转子旋转方向相同，而电磁转矩与同步发电机的转子旋转方向相反。当电力系统发生故障后，同步发电机的机械功率与电磁功率失去平衡，转子转速出现变化，导致不同的同步发电机转子之间出现相对运动，进而产生了是否重新恢复同步运行的问题，即功角稳定问题。
功角失稳是同步转矩或阻尼转矩不足引起的，其中同步转矩不足导致电力系统出现非周期性失稳，而电力系统出现阻尼转矩不足则导致振荡失稳。根据扰动的大小，功角稳定进一步分为小扰动功角稳定和大扰动功角稳定。
很明显，小扰动功角稳定涉及的是小扰动，此小扰动的大小是指数学上的无限小。小扰动功角稳定还可以分为静态功角稳定（它对应的失稳类型是非周期性失稳）和小扰动动态功角稳定（它对应的失稳类型是周期性失稳，与阻尼转矩相关）。其中，小扰动动态功角稳定主要用于分析电力系统正常运行方式和事故后运行方式下的阻尼特性。
大扰动功角稳定分析必须考虑反映电力系统动态特性的非线性方程。根据强制性国家标准《电力系统安全稳定导则》，大扰动功角稳定计算需要进行时域仿真。但是需要指出的是，对于本书经常提及的单机-无限大系统（一种理想化的电力系统）而言，当其满足本书第6章介绍的等面积定则的前提条件时，无需进行时域仿真，当然这属于一种理想的简单情形。大扰动功角稳定可以分为暂态功角稳定（与同步转矩相关）和大扰动动态功角稳定（与阻尼转矩相关）。其中，暂态功角稳定对应于第一、二摆失稳，大扰动动态功角稳定对应于周期性失稳，用于分析系统受到大扰动后的动态功角稳定。
2.电压稳定性
电压稳定性是指电力系统受到小扰动或大扰动后电力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。电压稳定性也可以根据扰动的大小进一步进行分类，即可以分为静态电压稳定（小扰动电压稳定）和大扰动电压稳定，而大扰动电压稳定又可分为短期过程电压稳定（暂态电压稳定）和长期过程电压稳定。静态电压稳定计算被用于考察正常运行方式和事故后运行方式下的电力系统电压静稳定储备。
3.频率稳定性
频率稳定性是指电力系统受到小扰动或大扰动后，系统频率能够保持或恢复到允许的范围内，不发生频率振荡或崩溃的能力。频率稳定也可以根据扰动大小进行分类，即可分为小扰动频率稳定和大扰动频率稳定。其中，小扰动频率稳定指电力系统受到小扰动后，在自动调节和控制装置的作用下，系统频率不发生发散振荡或持续振荡，保持频率稳定的能力。大扰动频率稳定与传统频率稳定的定义一致，按照过渡时间的长短，可以划分为短期过程和长期过程。
需要注意的是，暂态功角稳定、动态功角稳定、电压稳定、频率稳定的计算以及短路电流计算等都属于电力系统安全稳定计算分析的内容。除此之外，电力系统安全稳定计算分析还包括其他内容，比如静态安全分析。
本书将在1.3节和1.4节以及第5章和第6章对小扰动功角稳定和大扰动功角稳定进行更为详细的介绍。