CN101588068B - 综合电压频率动态交互影响的自动减负荷控制方法 - Google Patents

Abstract

综合电压频率动态交互影响的自动减负荷控制方法实时地测量就地的电压、频率、功率等状态量的信息，并对上述信息进行加工、判断，从而决定装置是否动作，实施切负荷措施。本发明通过计算某工况下各装置安装节点处的平均频率电压相关系数，有效计及了对应工况下电压量和频率量的耦合程度；通过实时测量各自动减负荷控制装置安装节点的电压、频率以及有功功率，实时计算综合状态量，并根据其变化情况及时地启动自动减负荷控制装置，分轮次动作。本发明在传统的自动减负荷控制装置中引入了有功功率量测，并计及了电压和频率通过负荷有功功率产生的交互作用，解决了单纯依靠频率量或单纯依靠电压量的变化可能造成的装置无法动作或动作过量的问题。

Description

综合电压频率动态交互影响的自动减负荷控制方法

技术领域

本发明属电力系统自动化技术领域，更准确地说本发明涉及一种综合电压频率动态交互影响的自动减负荷控制方法。

背景技术

电力系统自动减负荷控制是防止电网，尤其是受端电网在遭受极其严重故障后导致稳定破坏、发生大面积停电事故的重要技术手段。

为保证电网在突然发生功率缺额后，使保留运行的负荷容量能随时与运行中的发电容量相适应，迅速使电网内各节点的电压、频率恢复到额定值，必须配置自动减负荷控制装置。

现有的低频低压自动减负荷控制仅仅通过测量就地的单一状态量(频率或电压)的下降情况触发减负荷控制装置动作，分轮次实施切负荷。在装置的动作逻辑中频率量和电压量是相互独立判断的，忽略了状态量之间的交互影响。而且，减负荷方案一旦整定好，就不再随着运行方式、负荷特性或故障类型的变化而变化。

分析表明，电力系统在受扰后的暂态过程中电压、频率和功率通常是交互影响的。某些情况下，依靠传统的仅采用频率量测的低频减负荷控制策略，或仅采用电压量测的低压减负荷控制策略，或即使同时配置了低频和低压减负荷控制，但每一种控制都仍然是基于单一的频率量测或单一的电压量测而独立动作的自动减负荷控制策略，难以真实地反映受扰系统电压和频率之间的动态交互影响，也难以适应系统运行中负荷特性或故障类型的变化，从而可能出现严重的欠控制或过控制，甚至引发大停电事故。换言之，单靠频率或单靠电压的变化情况有时无法正常触发装置动作，从而导致控制装置拒动；或者导致装置动作过量，多余地切除负荷，造成不必要的经济损失。

因此，传统的自动减负荷控制方法由于没有在实时控制算法中考虑电压和频率之间的动态交互影响，存在控制装置拒动或过切的危险，造成电网安全或经济方面的严重后果。为此，需要一种能够在装置的实时控制算法中计及电压和频率之间交互影响，从而反映运行工况、负荷特性或故障类型等因素变化的控制方法。

发明内容

本发明的目的是：

如何在电网发生严重故障后的暂态过程中计及电压和频率之间的动态交互作用，从而影响自动切负荷装置动作的时机和地点，使得自动减负荷控制策略能较好地适应系统运行工况、负荷特性以及故障类型的变化。

为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的。该技术方案包括下列步骤：

1)实时测量电网在正常运行工况下各自动减负荷控制装置安装节点的初始电压U₀，初始频率f₀以及初始有功功率P₀；

2)若电网未发生扰动，转至步骤1)，否则转至步骤3)；

3)实时测量电网在遭受扰动后各自动减负荷控制装置安装节点的电压U(t)、频率f(t)以及有功功率P(t)，其中t为时间；

4)若装置满足闭锁条件而闭锁，转至步骤3)；否则，根据实时测量的电压U(t)和频率f(t)计算该时刻的瞬时频率电压相关系数K(t)，计算公式如下：

K(t)＝-K₀+α·F(t)

其中，α为转换因子，一般取2.0；常量K₀及变量F(t)的计算方式如下：

$K_0=f_0\·\frac{U_0-U_q}{f_0-f_q}$

$F\left(t\right)=f_0\·\frac{U_q-U\left(t\right)}{K_0}+f_q-f\left(t\right)$

式中：f_q为装置启动的启动频率；U_q为装置启动的启动电压，一般取0.90p.u.；为简便计算，f₀可取电网的额定频率。根据我国电网的实际情况，f_q一般取49.5Hz，f₀取50.0Hz；

5)若电压U(t)下降到启动电压U_q或频率f(t)下降到启动频率f_q，转至步骤6)，否则表明系统电压和频率均维持在可接受水平之上，装置不动作，计算从装置解除闭锁时刻t₀至该时刻t的平均频率电压相关系数K，并转至步骤3)。其中，t时刻的平均频率电压相关系数K的计算公式为：

$\stackrel{\‾}{K}=-K_0+({\stackrel{\‾}{K}}^{\′}+K_0)\·\frac{t^{\′}-t_0}{t-t_0}+\mathrm{\α}\·\frac{F\left(t^{\′}\right)+F\left(t\right)}{2}\·\frac{t-t^{\′}}{t-t_0}$

式中，K′为上一次采样时刻t′的平均频率电压相关系数；为计算K，装置需要保留上一次采样时刻t′的变量F(t′)；

6)启动自动减负荷控制装置，并实时计算综合状态量DP。DP定义式为：

DP＝|K·Δf+ΔU|·ΔP

其中：

1)K：即为装置启动时刻的平均频率电压相关系数，可通过在线辨识或离线仿真计算获得。若在线辨识失败，K值可取与该工况最匹配的典型工况的离线仿真整定结果；

2)Δf：称为频率偏移量，定义为(f₀-f(t))/f₀；

3)ΔU：称为电压偏移量，定义为(U₀-U(t))/U₀；

4)ΔP：称为功率不平衡量，定义为(P₀-P(t))/P₀，其中P₀在无减负荷控制措施时保持初始负荷需求不变。当实施减负荷措施切除负荷dP时，P₀作如下修改：P₀＝P₀  dP。

7)以DP为考察量，按DP的变化分轮次实施切负荷。如果该装置所有轮次均动作或监测到系统电压、频率均恢复到可接受水平之内，则结束控制。各轮次减负荷方案的制定仍以电网可能存在的最大功率缺额作为参考，每轮切负荷量和动作延时的整定方法与传统低频低压减负荷控制方法类似，可通过离线仿真计算得以实现。

本发明中，披露了一种可在实时控制算法中计及暂态过程中电压、频率通过负荷的有功功率交互作用的减负荷控制方法。该方法通过在线的扰动辨识或离线仿真结果计算该工况下各自动减负荷控制装置安装节点处的平均频率电压相关系数，并通过实时测量装置安装节点的电压U(t)、频率f(t)、有功功率P(t)，实时计算综合状态量DP，并根据其变化情况及时地启动自动减负荷控制装置动作。该方法在传统的控制装置中引入了有功功率量测，并计及了电压和频率通过负荷有功功率产生的交互作用，解决了单靠频率或单靠电压变化可能造成的装置无法动作或动作过量的问题。为了提高该方法的可靠性，可在考察DP量的同时对暂态电压、频率及其变化率进行考察。

效果和优点

本发明中披露的受端电网自动减负荷控制方法应用于受端电力系统的自动减负荷控制装置中，通过同时反映电压、频率下降效应以及功率缺额的大小，及时有效的实施减负荷控制，避免受端电网在极端严重故障下的安全稳定破坏和大面积停电事故。

(1)采用了该控制方法的电力系统自动减负荷控制装置，可有效解决电网因遭受极端严重故障发生突然的有功功率缺额后，传统低频低压减负荷控制装置可能出现的拒动问题；

(2)采用了该控制方法的电力系统自动减负荷控制装置，可有效计及电网暂态过程中电压和频率之间的交互影响，在确保系统电压、频率快速恢复的基础上，尽可能的降低切负荷量；

(3)采用了该控制方法的电力系统自动减负荷控制装置，可较好地适应系统运行工况、负荷特性以及故障类型等因素的变化，更加准确地反映负荷节点以及系统的电压、频率稳定性变化情况；

(4)采用了该控制方法的电力系统自动减负荷控制装置，可通过调节平均频率电压相关系数，有效计及负荷的重要性以及负荷本身的频率调节特性，一定程度上降低切负荷带来的经济损失；

(5)采用了该控制方法的电力系统自动减负荷控制装置，只在传统减负荷控制装置基础上增加有功功率量测和少量计算，并将传统的低频减负荷与低压减负荷控制装置融为一体。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2基本轮处理模块内部流程图；

图3为特殊轮处理模块内部流程图；。

图4为本发明方法的动作逻辑图(以5轮基本轮，3轮特殊轮为例)；

图5A地区电网地理接线图；

图6为B地区电网地理接线图。

具体实施方式

下面以实际受端电网为例，考察该方法对运行工况、负荷特性以及故障类型等因素变化的适应性，并以例1为参考，结合附图1对本发明方法进行详细描述。

例1：针对不同运行工况的自动减负荷控制方法的实施例

某实际受端电网(A地区)地理接线如图5所示。该地区电网通过Bus1-Bus3和Bus2-Bus3的两条500kV双回线和主网联系。当Bus3的一台主变发生故障，变压器保护动作将其开断，同时另一台主变保护误动时，该地区孤网运行并存在大量功率缺额。如不能快速切除部分负荷，将造成频率或电压的快速崩溃。

考虑三种不同的运行方式，各方式下该电网从外网受入功率占该地区负荷总量的比例分别为9％、19％、27％。假定在该电网内各个主要的负荷节点均已配置基于该发明方法的自动减负荷控制装置，根据图1步骤1，可以测得在不同的运行工况下该电网各自动减负荷控制装置安装节点的初始电压U₀、初始频率f₀以及初始有功功率P₀。

图1步骤2会实时检测系统中是否发生大的扰动。当电网发生上述故障时出口为真，执行步骤3。

图1步骤3会实时测量装置安装节点的电压U(t)、频率f(t)及有功功率P(t)，并根据电压量和频率量的偏离情况判断是否闭锁减负荷控制装置，如图1步骤4所示。由于初始运行方式不同，电网孤网运行时的功率缺额也不相同。因此，三种运行方式下发生上述同一故障后电网各负荷节点的电压、频率、功率动态过程也是不同的。

图1步骤4和步骤5描述的是在装置解除闭锁后，至该装置所在节点的电压U(t)或频率f(t)下降到启动值之前的时间段内，计算与该工况相对应的平均频率电压相关系数K。根据本发明所提出的技术方案，通过离线仿真或在线辨识计算得各运行方式所对应的平均频率电压相关系数分别为12.5、11.7、11.0。

图1步骤6描述的是当电压U(t)或频率f(t)跌落至可接受水平以下时，及时地启动自动减负荷装置，并根据初始和暂态的电压、频率、功率量实时计算综合状态量DP。DP不但同时反映电压和频率的动态下降过程，而且直接反映了功率缺额的大小。

图1步骤7根据DP的变化情况分轮次实施切负荷。采用本发明所提出的技术方案，在三种方式下各减负荷控制装置均能可靠动作，各方式时的动作情况如下：

方式1时各减负荷控制装置基本轮动作1轮，且近故障点优先动作，远故障节点后动作，累计切除负荷量占网内负荷总量的8.0％；系统恢复到稳态时，全网各节点频率保持在49.95Hz左右，电压保持在1.00p.u.左右；

方式2时除Bus17-Bus20、Bus23、Bus24节点装置基本轮动作2轮，特殊轮动作1轮外，距故障点较近的其它负荷节点装置基本轮动作2轮，特殊轮动作2轮，累计切除负荷量占网内负荷总量的19.4％；系统恢复到稳态时，全网各节点频率保持在49.92Hz左右，电压保持在1.01p.u.左右；

方式3时除距故障点较远的Bus16-Bus24节点装置基本轮动作3轮外，距故障点较近的其它负荷节点装置基本轮动作4轮，累计切除负荷量占网内负荷总量的27.5％。系统恢复到稳态时，全网各节点频率保持在49.88Hz左右，电压保持在1.01p.u.左右。

因此，采用本发明所提出的技术方案可在确保系统各节点电压、频率恢复到可接受水平的前提下，实现切负荷量与受入功率基本一致，较好地适应了系统运行工况的变化。

例2：针对不同负荷特性的自动减负荷控制方法的实施例

负荷特性的变化可通过对负荷模型的不同描述加以表征。不同的负荷特性对故障后的暂态电压及暂态频率响应都有较大的影响，而传统的低频低压减负荷控制方式没有在实时控制算法中考虑负荷特性对系统动态过程的影响，难以较好地适应负荷特性的变化，某些情况下可能造成装置的拒动而导致电网崩溃。

仍以图5所示的A地区电网的方式3为例，故障场景与例1相同。考虑两类负荷模型：模型1为静态负荷，模型2为计及一定比例感应电动机的综合负荷。通过离线仿真计算或在线辨识可以得到两类负荷模型对应的平均频率电压相关系数分别为11.0和9.50，从而反映了不同负荷类型对系统电压和频率动态响应所造成的不同程度的影响。

基于DP变化动作的自动减负荷控制装置在模型1时的动作情况与例1中的方式3相同。在模型2时，Bus18节点装置基本轮动作2轮，Bus16-Bus24节点(不含Bus18节点)基本轮动作3轮，其它负荷节点装置基本轮动作4轮，累计切除负荷量占网内负荷总量的27.0％；系统恢复到稳态时，全网各节点频率保持在49.95Hz左右，电压保持在1.02p.u.左右。

因此，采用本发明所提出的技术方案，可以自动地体现系统负荷特性的变化，确保自动减负荷控制装置在不同负荷特性下均可靠动作。

例3：针对不同故障类型的自动减负荷控制方法的实施例

以图6所示的B地区电网为例，全网5个小电厂承担网内60.5％的负荷供电，并留有一定的热备用(热备用容量占全网负荷总量的10.9％)。正常运行方式下，约40％的负荷需求需要通过Bus1-Bus2之间的500kV双回线从主网受入。

当联络线Bus1-Bus2双回因故障突然开断后，该地区将孤网运行，并存在大量功率缺额，需要通过减负荷控制装置快速切除多余负荷。

在对该电网进行时域仿真后发现，联络线以不同的故障形态断开时，故障清除后孤网内各节点的电压、频率动态过程存在较大差异。然而，由于自动减负荷控制属于第三道防线，不再根据运行方式和故障的组合来选择控制措施，而只能根据系统状态量的动态行为进行控制决策。如果采用传统控制方法，当某类故障造成电压(或频率)过低而导致低压(或低频)减负荷控制装置闭锁，而频率(或电压)却没有明显下降而导致低频(或低压)减负荷控制装置亦无法动作时，就有可能发生电网崩溃。

考虑两类故障：故障1为Bus1-Bus2双回无故障跳开，故障2为Bus1-Bus2一回发生三永故障，保护延时跳开时另一回保护误动。按照本发明所提出的技术方案，根据故障后的暂态电压和暂态频率响应计算相应的平均频率电压相关系数分别为9.0和7.0，反映了不同故障类型对系统电压和频率动态响应造成的不同程度的影响。

基于DP变化动作的减负荷控制装置在发生故障1后Bus7-Bus10节点装置累计动作3轮，其它负荷节点装置动作4轮，累计切除负荷量占全网负荷总量的29.5％；系统恢复到稳态时，全网各节点频率保持在49.74Hz左右，电压保持在1.03p.u.左右。

基于DP变化动作的减负荷控制装置在发生故障2后Bus13节点装置动作1轮，Bus8、Bus9、Bus11节点装置动作3轮，其它负荷节点装置动作4轮，累计切除负荷量占全网负荷总量的31％；系统恢复到稳态时，全网各节点频率保持在49.57Hz左右，电压保持在1.05p.u.左右。

因此，采用本发明所提出的技术方案，基于DP值动作的自动减负荷控制装置能够在联络线以不同的故障形态断开时可靠动作，并将系统电压、频率快速恢复到一个可接受的水平。

Claims (5)

1.综合电压频率动态交互影响的自动减负荷控制方法，其特征在于包括下列步骤：

1)实时测量电网在正常运行工况下各自动减负荷控制装置安装节点的初始电压U₀、初始频率f₀以及初始有功功率P₀；

2)若电网未发生扰动，转至步骤1)，否则转至步骤3)；

3)实时测量电网在遭受扰动后各自动减负荷控制装置安装节点的电压U(t)、频率f(t)以及有功功率P(t)，其中t为时间；

4)若装置满足闭锁条件而闭锁，转至步骤3)，否则根据实时测量的电压U(t)、频率f(t)计算该时刻的瞬时频率电压相关系数K(t)，计算公式如下：

K(t)＝-K₀+α·F(t)

其中，α为转换因子，取2.0；常量K₀及变量F(t)的计算方式如下：

$K_0=f_0\·\frac{U_0-U_q}{f_0-f_q}$

$F\left(t\right)=f_0\·\frac{U_q-U\left(t\right)}{K_0}+f_q-f\left(t\right)$

式中：f_q为装置启动的启动频率；U_q为装置启动的启动电压，一般取0.90p.u.；为简便计算，f₀可取电网的额定频率；根据我国电网的实际情况，f_q取49.5Hz，f₀取50.0Hz；

5)若电压U(t)下降到设定的启动电压U_q或频率f(t)下降到设定的启动频率f_q，转至步骤6)，否则计算从装置解除闭锁时刻t₀至该时刻t的平均频率电压相关系数

并转至步骤3)，平均频率电压相关系数

的计算公式为：

$\stackrel{\‾}{K}=-K_0+({\stackrel{\‾}{K}}^{\′}+K_0)\·\frac{t^{\′}-t_0}{t-t_0}+\mathrm{\α}\·\frac{F\left(t^{\′}\right)+F\left(t\right)}{2}\·\frac{t-t^{\′}}{t-t_0}$

式中，

为上一次采样时刻t′的平均频率电压相关系数；为计算

装置需要保留上一次采样时刻t′的变量F(t′)；

6)启动自动减负荷控制装置，并实时计算综合状态量DP；DP定义式为：

$\mathrm{DP}=|\stackrel{\‾}{K}\·\mathrm{\Δf}+\mathrm{\ΔU}|\·\mathrm{\ΔP}$

其中：

即为装置启动时刻的平均频率电压相关系数，可通过在线辨识或离线仿真计算获得，若在线辨识失败，

值可取与该工况最匹配的典型工况的离线仿真整定结果；

Δf：称为频率偏移量，定义为(f₀-f(t))/f₀；

ΔU：称为电压偏移量，定义为(U₀-U(t))/U₀；

ΔP：称为功率不平衡量，定义为(P₀-P(t))/P₀，其中P₀在无减负荷控制措施时保持初始负荷需求不变，当实施减负荷措施切除负荷dP时，P₀作如下修改：P₀＝P₀-dP；

7)以DP为考察量，按DP的变化分轮次实施切负荷，若该装置所有轮次均已动作或监测到系统电压、频率均已恢复到可接受水平之上，则结束控制。

2.根据权利要求1所述的综合电压频率动态交互影响的自动减负荷控制方法，其特征在于，在正常运行工况下和电网受扰后的暂态过程中，除了测量各自动减负荷控制装置安装节点的电压和频率外，还必须测量各装置安装节点在正常运行工况下的初始有功功率和暂态过程中的有功功率。

3.根据权利要求1所述的综合电压频率动态交互影响的自动减负荷控制方法，其特征在于，当监测到安装节点的电压U(t)和频率f(t)均维持在可接受水平之上时，自动减负荷控制装置可靠不动作。

4.根据权利要求1所述的综合电压频率动态交互影响的自动减负荷控制方法，其特征在于，自t₀时刻起，实时计算当前时刻的瞬时频率电压相关系数，如果判断系统在该时刻未达到启动条件，利用瞬时频率电压相关系数和前一时刻的平均频率电压相关系数计算当前时刻的平均频率电压相关系数，并以此替代上一时刻的平均频率电压相关系数。

5.根据权利要求1所述的综合电压频率动态交互影响的自动减负荷控制方法，其特征在于，根据各自动减负荷控制装置在正常运行工况下测量的初始电压U₀、初始频率f₀和初始有功功率P₀以及电网受扰后实时测量的电压U(t)、频率f(t)和有功功率P(t)分别计算频率偏移量Δf、电压偏移量ΔU和功率不平衡量ΔP，结合平均频率电压相关系数，实时计算综合状态量DP，并根据其变化情况分轮次触发自动减负荷控制装置动作，实施切负荷。

Images