CN101442206A - 自动低频低压减负荷集中优化控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种工业控制技术领域的电力系统自动低频低压减负荷集中优化控制系统，包括数据采集模块、离线计算模块、在线控制模块，其中：数据采集模块通过数据服务器采集EMS数据，通过设置在PMU、UFLS装置、重要元件处的数据采集装置采集系统的运行信息，以及各元件的运行状态；离线计算模块计算节点的电压稳定边界，以及负荷频率响应函数；在线控制模块计算切负荷量、确定UFLS动作顺序，并向UFLS装置下达控制指令，并根据UFLS反馈回的信息，确定系统下一步的控制指令。本发明基于电力系统实时变化的参数，确定全网UFLS装置动作顺序及切除负荷值，加快了系统频率恢复的速度，提高系统运行的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种工业控制技术领域的电力系统优化控制系统，特别是一种自动低频低压减负荷集中优化控制系统。
背景技术
当电力系统出现有功缺失时，由于供需之间的不平衡会使得系统频率出现下降，若备用无法使得系统频率快速恢复，则可能会使得系统崩溃。按频率自动减负荷装置是电网安全运行的第三道防线，其主要作用就是在发生特大异常事故引起严重有功功率缺额时，能在系统频率崩溃之前，迅速按照预先确定的控制策略，切除一部分负荷，以“牺牲局部保全全局”，以保证系统安全运行和向重要用户的不间断供电。使系统能很快地恢复有功功率的平衡，使频率趋于稳定，以避免大面积停电事故的发生。
低频减负荷(UFLS)装置的动作的频率及动作顺序通常采用预先设定方法，当电力系统出现事故时，如果功率缺额较小，且系统中有充足的旋转备用时，系统频率经过一小段时间的下降，随着旋转备用容量的启动，频率会恢复到额定值；如果发电备用等不能满足功率缺额时，频率持续下降，当频率下降到低频减载的第一级(轮)动作频率时，低频减载装置动作，自动切除一部分不重要的负荷；如果切除的负荷正好等于功率缺额，则频率会恢复到额定值；否则后续各轮次依次动作，一直到系统频率重新稳定下来或出现回升，这个过程才会结束。为防止频率停在某2级动作频率之间，设有特殊级以使系统频率恢复到允许范围。按频率自减负荷装置实质上是应用了“逐次逼近”的方法，各级之间采用延时的方法，迅速及时地算出系统的功率缺额，并断开相应的用户，以达到系统频率的稳定，使值班人员可从容处理的目的。电力系统按频率自动减负荷装置对于制止频率的事故性下降及避免事故的进一步扩大是很有成效的。
经对现有技术文献的检索发现，中国专利申请01138289.9提出根据频率变化率df/dt(电压变化率du/dt)与功率缺额大小成比例的特点，加速切负荷的功能，提出频率“紧急轮”的概念，建立了低频(低压)减负荷“紧急轮+基本轮+后备轮”的控制模式及其整定方法。Pasand，M.Sanaye等在2007 LargeEngineering Systems Conference on Power Engineering，，10-12 Oct.2007Page(s)：44-48上发表的《New Centralized Adaptive Under Frequency LoadShedding Algorithms》提出了综合考虑电压和频率变化率，以及各节点的电压稳定边界来确定低频减载装置的动作顺序。
但是现存的各种UFLS控制策略主要存在以下局限性：
1、采用分散式的控制方法，各馈线上UFLS装置的动作频率根据负荷高峰时馈线上所连负荷占全系统负荷的百分比整定，而电力系统实际运行时，该比例是实时变化的，UFLS动作将会引起负荷过切或欠切。过切使得频率恢复超过系统额定频率值，增大不必要的负荷切除量，降低系统运行的经济性。欠切增大了需动作的轮次，从而减缓了系统频率恢复，降低了系统的频率质量。
2、采用逐次逼近法，通过带延时的频率级差来确定所需切除的负荷。增大了频率恢复的时间，不利于频率快速恢复。
3、动作参数单一，只考虑频率f，由实际运行经验可知，频率偏差相同时，频率变化速率、节点电压值、在线负荷特性不同时，系统的动态频率也会有很大的差别，尽管某些情况下增加了df/dt(du/dt)动作参数，UFLS装置的适应性仍然很低。
4、采用df/dt对UFLS装置对电动机反馈进行闭锁，当df/dt>5～8Hz/s时，认为为电动机反馈引起的频率偏差，UFLS装置不动作。而实际运行数据表明，当系统出现严重有功缺额时，尤其是孤岛系统，其df/dt甚至可能会大于10，此时UFLS本应加速动作，快速切除负荷，但由于df/dt闭锁功能的设置，UFLS反而不动作，严重情况下可能会使得系统崩溃、解列。
发明内容
本发明的目的在于克服现有UFLS装置的局限性，提供一种电力系统自动低频低压减负荷集中优化控制系统，使其基于电力系统实时变化的参数，确定全网UFLS装置动作顺序及切除负荷值，加快系统频率恢复的速度，改善系统频率质量，提高运行的稳定性和经济性。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括三个模块：数据采集模块、离线计算模块、在线控制模块，其中：
数据采集模块通过数据服务器采集EMS数据，通过设置在PMU(相角测量单元)、UFLS装置、重要元件处的数据采集装置采集系统的电流、电压、频率、负荷等运行信息，以及各元件的运行状态(正常或故障)；其中重要元件是指对电力系统频率有较大影响的元件，比如地区的枢纽供电所，大型发电机，区域联络线等；
离线计算模块分析数据采集模块中EMS、PMU得到的数据，计算节点的电压稳定边界，以及负荷频率响应函数，以供在线控制模块使用；
在线控制模块根据数据采集模块得到的系统实时状态，以及离线计算模块得到的负荷频率响应函数，根据重要元件状态采用量测法确定功率缺额，或利用系统频率f采用估算法确定系统功率缺额，详细算法可参见《New CentralizedAdaptive Under Frequency Load Shedding Algorithms》，按照系统设定的目标频率，根据系统自然频率响应特性，得到所需切除的负荷量，并按照电压稳定边界、负荷频率响应特性排序法确定各UFLS装置动作的顺序，向UFLS装置发出指令，UFLS装置接收指令后，将动作结果通过数据采集模块，反馈回在线控制模块，若存在装置拒动或新的扰动，则再次调用在线控制模块确定下一次控制指令大小及顺序。
所述数据采集模块包括4个子模块：EMS数据采集子模块、重要元件状态数据采集子模块、PMU子模块、UFLS装置状态采集子模块。这4个模块分别用于获取EMS系统运行状态数据、重要元件状态数据、PMU采集数据、以及UFLS装置状态数据。EMS数据采集子模块通过数据服务器采集EMS系统数据，传输至中央控制器，以获得系统的每调度周期的运行状态，以供离线计算模块使用。PMU子模块通过数据采集装置，采集系统实时运行时的电压、频率、负荷信息，实时传输至中央控制器，以供离线计算模块和在线控制模块使用。UFLS装置子模块实时采集各元件的运行状态(运行或故障、动作或拒动)信息，传送给中央控制器，以供在线计算模块使用；重要元件状态数据采集子模块，采集系统重要变电站、传输线路、发电厂等重要元件的运行状态信息，传送给中央控制器，以供在线计算模块的切负荷计算子模块使用。
所述离线计算模块包括2个子模块：电压稳定边界计算子模块和负荷频率响应函数计算模块。电压稳定边界计算子模块根据数据采集模块中EMS数据子模块采集到的系统运行数据，计算各节点的电压稳定边界，以供在线控制模块使用。负荷频率响应函数计算模块利用数据采集模块中EMS数据子模块以及PMU子模块采集到的数据，计算全网的频率响应函数，以供在线计算模块使用，并计算各安装UFLS装置节点的频率响应函数，以供在线计算模块中UFLS装置动作顺序确定模块使用。
所述在线控制模块包括4个子模块：切负荷计算子模块、UFLS动作顺序确定子模块、控制指令下达子模块、控制结果反馈处理子模块。切负荷计算子模块根据离线计算子模块的负荷频率响应函数以及PMU、重要元件状态采集到的数据，采用量测法或估算法计算全系统所需切除的总负荷量；UFLS动作顺序确定子模块根据切负荷子模块确定的所需切负荷量，以及各节点PMU采集到的在线负荷量、节点频率响应函数、节点电压边界、频率变化率来确定切负荷顺序及UFLS的状态(动作或不动作)。控制指令下达子模块根据UFLS动作顺序子模块确定的各UFLS装置动作与否的状态，通过信号传输网络发送指令给UFLS装置，UFLS装置接收指令后执行，并将动作后的状态通过数据采集模块中UFLS状态采集子模块发送给在线控制的控制结果反馈处理子模块，若无装置拒动，则继续在线监视下一次扰动的发生，若有装置拒动，则再次调用切负荷计算子模块及UFLS动作顺序确定子模块，确定下一个控制周期UFLS装置的动作状态。
本发明设定EMS、UFLS状态、PMU、重要元件状态采集模块，综合利用系统实时运行的信息，集中优化计算系统所需切负荷量、确定切除顺序。并设定UFLS状态反馈模块，当出现UFLS装置拒动时，再次调用在线控制模块，以保证满足系统功率缺额。当系统出现功率缺额之后，根据系统各发电机节点的频率偏差及频率变化率计算出系统的实际功率缺额，计及系统的频率响应特性及频率恢复目标值，估算出系统所需切除的负荷量。当扰动发生时，由于频率的空间分布特性，近扰动点的频率下降速率会大于远故障点的频率下降速率，引入频率变化率作为UFLS动作的选择条件之一，优先切除近故障点负荷，提高系统的电压稳定性。将负荷点的电压稳定边界值作为动作判据，来提高系统的频率和电压稳定性。根据测量发电机节点和各馈线点的频率偏差，df/dt，电压，实际有功功率，确定系统的功率缺额，在负荷切除点未确定情况下，采用系统的频率自然响应特性系数，估算出系统要恢复至目标功率值所需切除的负荷量，按照各馈线点的频率响应特性、电压稳定边界、电压和频率变化率确定各馈线的切除顺序，将多次动作修改为一次动作，各馈线之间的动作不受到其他馈线动作的时限等限制，加快系统频率恢复速度。第一轮切除之后，检测各馈线实际切除负荷值、负荷频率特性，校验静稳频率是否满足目标值，计算需再切除的负荷量。再依据一定的分配原则将所需切除负荷量分配至馈线点。
采用本发明所述的系统，UFLS由“逐次逼近”简化为1轮或2轮，加快了系统频率恢复的速度；切负荷量根据实时在线负荷确定，减少了过切或欠切量，从而提高了系统运行的经济性；切除顺序综合考虑的频率、频率变化率、电压稳定边界等信息，有利于提高系统运行的稳定性。
附图说明
图1为本发明系统框图
图2为本发明数据传输示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参照附图1，本实施例涉及的电力系统自动低频低压减负荷集中优化控制系统，包括：数据采集模块、离线计算模块、在线控制模块，其中：
数据采集模块通过数据服务器采集EMS数据，通过设置在PMU、UFLS装置、重要元件处的数据采集装置采集系统的电流、电压、频率、负荷等运行信息，以及各元件的运行状态；其中重要元件是指对电力系统频率有较大影响的元件，包括地区的枢纽供电所、大型发电机、区域联络线等；
离线计算模块分析数据采集模块中EMS、PMU得到的数据，计算节点的电压稳定边界，以及负荷频率响应函数，以供在线控制模块使用；
在线控制模块根据数据采集模块得到的系统实时状态，以及离线计算模块得到的负荷频率响应函数，根据重要元件状态采用量测法确定功率缺额，或利用系统频率采用估算法确定系统功率缺额，按照系统设定的目标频率，根据系统自然频率响应特性，得到所需切除的负荷量，并按照电压稳定边界、负荷频率响应特性排序法确定各UFLS装置动作的顺序，向UFLS装置发出指令，UFLS装置接收指令后，将动作结果通过数据采集模块，反馈回在线控制模块，若存在装置拒动或新的扰动，则再次调用在线控制模块确定下一次控制指令大小及顺序。
所述数据采集模块包括4个子模块：EMS数据采集子模块、重要元件状态数据采集子模块、PMU子模块、UFLS装置状态采集子模块。这4个模块分别用于获取EMS系统运行状态数据、重要元件状态数据、PMU采集数据、以及UFLS装置状态数据。EMS数据采集子模块通过数据服务器采集EMS系统数据，传输至中央控制器，以获得系统的每调度周期的运行状态，以供离线计算模块使用。PMU子模块通过数据采集装置，采集系统实时运行时的电压、频率、负荷信息，实时传输至中央控制器，以供离线计算模块和在线控制模块使用。UFLS装置和重要元件状态子模块实时采集各元件的运行状态(运行或故障、动作或拒动)信息，传送给中央控制器，以供在线计算模块使用。
所述离线计算模块包括2个子模块：电压稳定边界计算子模块和负荷频率响应函数计算模块。电压稳定边界计算子模块根据数据采集模块中EMS数据子模块采集到的系统运行数据，计算各节点的电压稳定边界，以供在线控制模块使用。负荷频率响应函数计算模块利用数据采集模块中EMS数据子模块以及PMU子模块采集到的数据，计算全网的频率响应函数，以供在线计算模块使用，并计算各安装UFLS装置节点的频率响应函数，以供在线计算模块中UFLS装置动作顺序确定模块使用。
所述在线控制模块包括4个子模块：切负荷量计算子模块、UFLS动作顺序确定子模块、控制指令下达子模块、控制结果反馈处理子模块。切负荷量计算子模块根据离线计算子模块的负荷频率响应函数以及PMU、重要元件状态采集到的数据，计算全系统所需切除的总负荷量；UFLS动作顺序确定子模块根据切负荷子模块确定的所需切负荷量，以及各节点PMU采集到的在线负荷量、节点频率响应函数、节点电压边界、频率变化率来确定切负荷顺序及UFLS的状态(动作或不动作)。控制指令下达子模块根据UFLS动作顺序子模块确定的各UFLS装置动作与否的状态，通过信号传输网络发送指令给UFLS装置，UFLS装置接收指令后执行，并将动作后的状态通过数据采集模块中UFLS状态采集子模块发送给在线控制的控制结果反馈处理子模块，若无装置拒动，则继续在线监视下一次扰动的发生，若有装置拒动，则再次调用切负荷计算子模块及UFLS动作顺序确定子模块，确定下一个控制周期UFLS装置的动作状态。
本实施例中：
1、数据采集模块为实时数据采集装置，其根据各装置的采样周期(4ms～4s)，传送相应的数据给离线计算子模块和在线计算子模块。
2、离线计算子模块计算周期为15分钟(即调度周期)，可认为在15分钟调度周期内系统的网络拓扑不会发生较大的变化。离线计算子模块的处理步骤为：
1)若时间为调度周期变化点，调用离线计算子模块
2)从数据采集模块中获得EMS的实时运行信息，调用电压稳定边界计算子模块，计算各节点的电压稳定边界
3)从数据采集模块中PMU子模块，获得负荷节点的频率和负荷信息，若采样点已满足计算要求，则采用数据拟合算法确定负荷的频率响应函数；若数据采样点数不足，则等待下一次PMU数据采集周期，直至满足拟合函数的数据要求，采用数据拟合算法确定全网以及各节点的负荷的频率响应函数。
3、在线控制模块根据数据传输延时及保证系统安全的因素，确定调用周期，可以定为1s，采样周期大于1s的数据，则近似认为其在该段时间内的值为上次采样值。其处理步骤为：
1)切负荷量计算子模块
STEP1：查看重要元件状态信息，若有重要元件故障，则采用量测法确定系统功率缺额，转入STEP3；若无重要元件故障，则转入STEP2；
STEP2：根据PMU采集到的系统频率信息，采用估算法确定系统功率缺额；
STEP3：根据系统目标恢复频率，根据离线计算模块得到的负荷频率响应函数，采用系统自然频率响应特性法计算系统允许功率缺额，系统实际功率缺额与允许功率缺额之差即为系统所需切除负荷量Pcut-i。若所需切除负荷量大于0，则调用UFLS动作顺序确定子模块，否则该周期在线控制模块结束，等待下次计算周期。
2)UFLS动作顺序确定子模块
STEP1：选择节点电压<0.8的节点，按照节点电压由小到大、稳定边界由小到大、负荷频率响应特性由小到大的顺序选择馈线，直至负荷量>Pcut-i或所有馈线选择完毕。若负荷量>Pcut-i，则结束，否则记录已选馈线负荷量之和为Pcut转STEP2。
STEP2：选择节点电压0.8～0.85的节点，按照节点电压由小到大、稳定边界由小到大、负荷频率响应特性由小到大的顺序选择馈线，直至负荷量>(Pcut-i-Pcut)或所有馈线选择完毕。若负荷量>(Pcut-i-Pcut)，则结束，否则记录已选馈线负荷量之和为Pcut转STEP3。
STEP3：选择节点电压0.85～0.9的节点，按照节点电压由小到大、稳定边界由小到大、负荷频率响应特性由小到大的顺序选择馈线，直至负荷量>(Pcut-i-Pcut)或所有馈线选择完毕。若负荷量>(Pcut-i-Pcut)，则结束，否则转STEP4。
STEP4：选择节点电压>0.9的节点，按照稳定边界由小到大、负荷频率响应特性由小到大的顺序选择馈线，直至负荷量>(Pcut-i-Pcut)或所有馈线选择完毕，并发动作指令给UFLS装置。若负荷量>(Pcut-i-Pcut)，则结束，否则发出错误提示，系统总UFLS装置可切除负荷量小于需切除负荷量。
3)控制指令下达：根据UFLS动作顺序确定子模块中确定的UFLS装置动作状态，发指令给UFLS装置。UFLS装置收到指令后，执行指令动作。
4)控制结果反馈处理模块根据数据采集模块采集到的UFLS状态信息，若存在UFLS装置拒动，则重新回到切负荷量确定子模块，否则，该周期的在线控制模块结束，等待下一个计算周期到达后再启动。
参照附图2，在本实施例整个系统运行过程中的硬件配置如下，1台数据采集服务器，5个路由器，5个防火墙和一个交换机，这是数据传输过程中的介质设备；PMU、重要元件、UFLS的状态利用光纤、电力专用网等传输网络传送回中央控制器，该传输网络必须保证快速、准确、时间短。为离线计算模块及在线控制模块提供数据支持。
具体的数据传输链路为：每个调度周期，EMS数据采集服务器从EMS数据服务器上获取系统运行状态，传送回中央控制器，以供离线计算模块使用。PMU、UFLS装置、重要元件根据其上各数据采集单元设定的采样周期，将数据传送回中央控制器。中央控制器根据在线控制模块的控制指令下达模块，将UFLS控制信息传送给UFLS装置。
根据测量发电机节点和各馈线点的频率偏差，df/dt，电压U，实际有功功率，确定系统的功率缺额，在负荷切除点未确定情况下，采用系统的频率自然响应特性系数，估算出系统要恢复至目标功率值所需切除的负荷量，按照各馈线点的频率响应特性、电压稳定边界、电压和频率变化率确定各馈线的切除顺序，将多次动作修改为一次动作，各馈线之间的动作不受到其他馈线动作的时限等限制，加快系统频率恢复速度，有利于提高系统的频率质量。
Claims (4)
1、一种自动低频低压减负荷集中优化控制系统，其特征在于，包括三个模块：数据采集模块、离线计算模块、在线控制模块，其中：
数据采集模块通过数据服务器采集EMS数据，通过设置在PMU、UFLS装置、重要元件处的数据采集装置采集系统的电流、电压、频率、负荷等运行信息，以及各元件的运行状态；其中重要元件是指对电力系统频率有较大影响的元件，包括地区的枢纽供电所、大型发电机、区域联络线等；
离线计算模块分析数据采集模块中EMS、PMU得到的数据，计算节点的电压稳定边界，以及负荷频率响应函数，以供在线控制模块使用；
在线控制模块根据数据采集模块得到的系统实时状态，以及离线计算模块得到的负荷频率响应函数，根据重要元件状态采用量测法确定功率缺额，或利用系统频率采用估算法确定系统功率缺额，按照系统设定的目标频率，根据系统自然频率响应特性，得到所需切除的负荷量，并按照电压稳定边界、负荷频率响应特性排序法确定各UFLS装置动作的顺序，向UFLS装置发出指令，UFLS装置接收指令后，将动作结果通过数据采集模块，反馈回在线控制模块，若存在装置拒动或新的扰动，则再次调用在线控制模块确定下一次控制指令大小及顺序。
2、根据权利要求1所述的自动低频低压减负荷集中优化控制系统，其特征是，所述数据采集模块包括4个子模块：EMS数据采集子模块、重要元件状态数据采集子模块、PMU子模块、UFLS装置状态采集子模块，这4个子模块分别用于获取EMS系统运行状态数据、重要元件状态数据、PMU采集数据、以及UFLS装置状态数据，其中：EMS数据采集子模块通过数据服务器采集EMS系统数据，传输至中央控制器，以获得系统的每调度周期的运行状态，以供离线计算模块使用；PMU子模块通过数据采集装置，采集系统实时运行时的电压、频率、负荷信息，实时传输至中央控制器，以供离线计算模块和在线控制模块使用；UFLS装置和重要元件状态子模块实时采集各元件的运行状态信息，传送给中央控制器，以供在线计算模块使用。
3、根据权利要求1所述的自动低频低压减负荷集中优化控制系统，其特征是，所述离线计算模块包括2个子模块：电压稳定边界计算子模块和负荷频率响应函数计算模块，其中：电压稳定边界计算子模块根据数据采集模块中EMS数据子模块采集到的系统运行数据，计算各节点的电压稳定边界，以供在线控制模块使用；负荷频率响应函数计算模块利用数据采集模块中EMS数据子模块以及PMU子模块采集到的数据，计算全网的频率响应函数，以供在线计算模块使用，并计算各安装UFLS装置节点的频率响应函数，以供在线计算模块中UFLS装置动作顺序确定模块使用。
4、根据权利要求1所述的自动低频低压减负荷集中优化控制系统，其特征是，所述在线控制模块包括4个子模块：切负荷计算子模块、UFLS动作顺序确定子模块、控制指令下达子模块、控制结果反馈处理子模块，其中：切负荷计算子模块根据离线计算子模块的负荷频率响应函数以及PMU、重要元件状态采集到的数据，计算全系统所需切除的总负荷量；UFLS动作顺序确定子模块根据切负荷子模块确定的所需切负荷量，以及各节点PMU采集到的在线负荷量、节点频率响应函数、节点电压边界、频率变化率来确定切负荷顺序及UFLS的状态；控制指令下达子模块根据UFLS动作顺序子模块确定的各UFLS装置动作与否的状态，通过信号传输网络发送指令给UFLS装置，UFLS装置接收指令后执行，并将动作后的状态通过数据采集模块中UFLS状态采集子模块发送给在线控制的控制结果反馈处理子模块，若无装置拒动，则继续在线监视下一次扰动的发生，若有装置拒动，则再次调用切负荷计算子模块及UFLS动作顺序子模块，确定下一各控制周期UFLS装置的动作状态。
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