CN103248125A - 一种基于pmu的多回直流紧急功率调制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于PMU的多回直流紧急功率调制系统及方法，所述调制系统包括传感器、PMU装置、GPS、控制主站和信号发送器，所述的PMU装置通过传感器与换流站连接，所述的控制主站分别与PMU装置、信号发送器通信连接，所述的GPS与PMU装置连接，所述的信号发送器与换流站连接；所述调制方法包括以下步骤：PMU装置对各换流站进行实时采样，计算电压相量值和相应的功率，输出相量数据，并根据GPS的时钟信号将带有时标的相量数据发送给控制主站；控制主站计算出各回直流输电系统的调制功率控制信号，各换流站根据调制功率控制信号进行功率调制。与现有技术相比，本发明具有可提高电力系统运行稳定性、调制效果好等优点。

Description

一种基于PMU的多回直流紧急功率调制系统及方法

技术领域

本发明涉及一种功率调制系统及调制方法，尤其是涉及一种基于PMU的多回直流紧急功率调制系统及方法。

背景技术

随着电力系统的发展，高压直流成为电网受入电量的主要部分，直流系统的安全运行对电网的重要性越来越大。HVDC(high-voltage direct current，高压直流)的响应快速、可控程度高、调节容量大、横跨区域广等特性，为改善系统的动态性能提供了有力的手段。由于多回直流输电系统是根据不同时期的系统条件独立设计的.相互间未考虑运行控制信息的交换和协调的控制。因此各回直流输电系统投入运行后对交流系统干扰的反应有可能形成“各自为政”的局面，有时甚至削弱原电力系统的动态性能，有必要探讨直流输电系统间以及与交流系统协调控制策略和算法。若能协调优化电网多回直流的控制环节，引入新的控制信号，则完全有可能通过挖掘直流的潜力来提升整个交直流电网的动态性能，缩小送端和受端之间在直流闭锁后的不平衡功率，提高交直流系统的暂态稳定性以及改善区域间功率振荡的阻尼。

按控制目标的不同，直流输电系统的控制分为2类：一类控制是为保证直流输电系统正常运行所采用的控制，如定电流、定功率和定熄弧角控制等，其目标是维持恒定的输送功率，减少直流系统产生的谐波，保证直流输电系统与交流系统的无功交换功率在规定的范围内；另一类控制(称为调制控制)是通过交流系统实现的，主要目标是改善与之连接交流系统的暂态特性和稳定性，调制控制主要有功率调制和频率调制两大类。为了提高电网运行的稳定性，有必要对多回直流的功率调制协调进行研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可提高电力系统运行稳定性、调制效果好的基于PMU的多回直流紧急功率调制系统及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于PMU的多回直流紧急功率调制系统，用于对多回直流输电系统进行功率调制协调，所述的直流输电系统包括换流站，所述的调制系统包括传感器、PMU装置、GPS、控制主站和信号发送器，所述的PMU装置通过传感器与换流站连接，所述的控制主站分别与PMU装置、信号发送器通信连接，所述的GPS与PMU装置连接，所述的信号发送器与换流站连接。

所述的传感器包括电压传感器和电流传感器。

所述的PMU装置设有多个。

所述的控制主站包括接收模块、数据处理模块、存储模块和发送模块，所述的数据处理模块分别连接接收模块、存储模块和发送模块，所述的接收模块与PMU装置通信连接，所述的发送模块与信号发送器通信连接。

一种基于PMU的多回直流紧急功率调制方法，该方法包括以下步骤：

1)PMU装置通过传感器对各换流站的电压和电流信号进行实时采样；

2)PMU装置根据采样信号计算电压相量值和相应的功率，输出相量数据；

3)GPS向PMU装置发送当前时钟信号，PMU装置根据时钟信号将相量数据打上时标，并将带有时标的相量数据打包发送给控制主站；

4)控制主站的接收模块接收相量数据后传输给数据处理模块，数据处理模块根据相量数据计算出各回直流输电系统的调制功率控制信号，并将调制功率控制信号发送给发送模块，同时将计算结果和相量数据保存至存储模块中；

5)发送模块通过信号发送器将调制功率控制信号发送给换流站，各换流站根据接收到的调制功率控制信号进行直流输电系统的功率调制。

所述的步骤4)中数据处理模块根据相量数据计算出各回直流输电系统的调制功率控制信号具体为：

a)数据处理模块通过接收模块获取各直流输电系统的功率信号；

b)数据处理模块根据当前功率信号判断是否执行紧急功率调制功能，若是，则执行步骤c)，若否，则返回步骤a)；

c)计算各调制功率控制信号：

设第k回直流极1发生闭锁，则第n回直流极j的调制功率公式为：

$\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{nj}}=[P_s-(P_{k2}^{\′}-P_{k2})]\×\frac{P_{\max \mathrm{nj}}-p_{\mathrm{nj}}^{\′}}{\underset{x=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1,i\≠k}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\max \mathrm{ix}}-P_{\mathrm{ix}}^{\′})}\×S_{\mathrm{nj}}(n\≠k)$

式中，P_maxnj为直流n极j的最大输送功率，

为直流n极j当前功率，S_nj为直流n极j的运行状态，x为极数，m为总直流输电系统回数，

为转移至直流k极2的功率，P_s为总的功率缺额。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明通过PMU装置实现多回直流输电系统间的功率协调，提高了电力系统的运行稳定性，对于严重的引起系统切机切负荷的故障，利用多回直流设备的过载能力，提升直流输送功率，维持送、受电端交流系统的动态稳定和电力平衡，减少了故障后送电端系统切发电机或受电端切负荷的数量，且保证了原有的输电计划，具有显著的经济效益；

2)本发明采用的调制功率控制信号计算方法简单有效，调制效果好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为计算出各回直流输电系统的调制功率控制信号的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，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。

如图1所示，一种基于PMU的多回直流紧急功率调制系统，用于对多回直流输电系统进行功率调制协调，所述的直流输电系统包括换流站1，所述的调制系统包括传感器2、PMU装置3、GPS4、控制主站5和信号发送器6，所述的PMU装置3通过传感器2与换流站1连接，所述的控制主站5分别与PMU装置3、信号发送器6通信连接，所述的GPS4与PMU装置3连接，所述的信号发送器6与换流站1连接。所述的传感器2包括电压传感器和电流传感器。所述的PMU装置3设有多个。换流站包括整流站和逆变站。

所述的控制主站5包括接收模块、数据处理模块、存储模块和发送模块，所述的数据处理模块分别连接接收模块、存储模块和发送模块，所述的接收模块与PMU装置3通信连接，所述的发送模块与信号发送器6通信连接。

上述基于PMU的多回直流紧急功率调制系统的工作原理包括以下步骤：

1)PMU装置3通过传感器2对各换流站1的电压和电流信号进行实时采样；

2)PMU装置3根据采样信号计算电压相量值和相应的功率，输出相量数据；

3)GPS4向PMU装置3发送当前时钟信号，PMU装置3根据时钟信号将相量数据打上时标，并将带有时标的相量数据打包发送给控制主站5；

4)控制主站5的接收模块接收相量数据后传输给数据处理模块，数据处理模块根据相量数据计算出各回直流输电系统的调制功率控制信号，并将调制功率控制信号发送给发送模块，同时将计算结果和相量数据保存至存储模块中；

5)发送模块通过信号发送器6将调制功率控制信号发送给换流站1，各换流站根据接收到的调制功率控制信号进行直流输电系统的功率调制。

如图2所示为计算出各回直流输电系统的调制功率控制信号的原理示意图。图2中，P_n表示直流n在闭锁前的输送功率，P_n1表示直流n极1在闭锁前的输送功率，P_n2表示直流n极2在闭锁前的输送功率，当直流正常运行时，运行状态为1，当直流闭锁时，运行状态为0，P_s为总的功率缺额，Δp_n1为直流n极1的调制功率，ΔP_n2为直流n极2的调制功率，ΔP_n为直流n总的调制功率，允许信号表示直流紧急功率调制协调功能是否投入。

直流紧急功率协调控制将功率缺额分摊至其他有裕度的直流，每个直流承担的份额与其裕度成正比，若发生单极闭锁时，直流自带功率控制环节将部分功率转移到另外一极，因此在功率缺额中需要减掉转移至另外一极的功率。

所述的步骤4)中数据处理模块根据相量数据计算出各回直流输电系统的调制功率控制信号具体为：

a)数据处理模块通过接收模块获取各直流输电系统的功率信号；

b)数据处理模块根据当前功率信号判断是否执行紧急功率调制功能，若是，则执行步骤c)，若否，则返回步骤a)；

c)计算各调制功率控制信号：

设第k回直流极1发生闭锁，则第n回直流极j的调制功率公式为：

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{nj}}=[P_s-(P_{k2}^{\′}-P_{k2})]\×\frac{P_{\max \mathrm{nj}}-P_{\mathrm{nj}}^{\′}}{\underset{x=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1,i\≠k}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\max \mathrm{ix}}-P_{\mathrm{ix}}^{\′})}\×S_{\mathrm{nj}}(n\≠k)$

式中，P_maxnj为直流n极j的最大输送功率，

为直流n极j当前功率，S_nj为直流n极j的运行状态，x为极数，m为总直流输电系统回数，为转移至直流k极2的功率。

多回直流联合调制的目的在于提高电力系统的运行稳定性。对于严重的引起系统切机切负荷的故障，利用多回直流设备的过载能力，提升直流输送功率，维持送、受电端交流系统的动态稳定和电力平衡，减少了故障后送电端系统切发电机或受电端切负荷的数量，且保证了原有的输电计划，具有显著的经济效益。

以上海电网为例说明本发明的具体实施效果。

上海和华东几回直流额定输送容量和支援能力如表1所示，可见，上海和华东直流具有较高的支援能力，利用直流输电快速控制的优势提高电网运行稳定水平是相当必要且有意义的。

表1上海和华东几回直流概况

三华联网之前，华东电网与华中电网通过直流异步联网，若夏季高峰一回直流发生双极闭锁，受端系统将出现较大的功率缺额，此时，若受端电网高峰时段电力紧张，系统备用不足，则会导致频率下降，甚至需要切除负荷来维持系统频率在额定范围内。若利用其余直流的过负荷能力进行紧急功率调制，则切负荷量可大大减少甚至不需要切负荷。

三华联网初期，电网稳定问题突出，若华中送华东一回直流发生双极闭锁，大量潮流转移至济南-徐州特高压交流线路上，导致系统失稳，需要送端切除大量机组，受端切除大量负荷才能保持电网稳定运行。若利用其余直流的过负荷能力进行紧急功率调制，则受端电网切负荷量显著降低，多回直流协调紧急功率调制的效果十分明显。

考虑直流功率紧急调制与否对系统稳定性及安控措施的影响比较如下：

(a)不考虑直流紧急功率调制

三华联网后，当复奉直流双极闭锁，需要送端电网切机、受端切负荷才能保证系统稳定运行。为维持华中送华东直流双极闭锁故障后，华中相对主网以及华东相对主网的稳定性，需要采取的措施为：

DP_长南＝P_长南+PDC-PMAX_长南+CP1

DP_济徐＝P_济徐+PDC-PMAX_济徐+CP2

而为满足安控措施量要求，在华中电网切机以及华东电网切负荷的组合为：

DP_长南＝2/3×Cgen+1/3×Cload

DP_济徐＝1/3×Cgen+2/3×Cload

DP＝max(DP_长南，DP_济徐)

其中DP_长南和DP_济徐分别是为维持华中与主网以及华东与主网之间的同步稳定性需要采取的措施量，P_长南、P_济徐则是特高压长治～南阳、济南～徐州线路输送的初始功率，PMAX_长南和PMAX_济徐则是特高压长治～南阳、济南～徐州线路的静稳极限，PDC是发生双极闭锁直流的功率，CP1和CP2则是由于电网振荡过程中存在的超调量，在三华大区联络线上约为800MW；Cgen和Cload分别是华中切机和华东切负荷量。最终的安控措施量DP是由DP_长南和DP_济徐的最大值决定的。

若复奉直流双极输送功率4800MW，而特高压长治～南阳、济南～徐州输送功率分别为4000MW、5000MW，其静稳分别为6700MW和7500MW，相应需要的安控量约为2800MW和3100MW，综合比较，从复奉直流双极闭锁需要的安控措施量是由保证华东电网与主网保持同步来决定的，需要华中电网切4000MW机组、华东电网切2500MW负荷，相应在特高压济南～徐州联络线上的效果DP济徐＝1/3×4000+2/3×2500＝3000MW。这种情况下送端电网和受端电网都将受到巨大影响。

(b)考虑基于PMU的多回直流协调紧急功率调制

当采取华中送华东直流紧急功率提升功能，将多回直流功率提升1500MW，就可以避免华东电网内部切负荷。其余华中送华东直流容量之和为24900MW，考虑到50％的短期过负荷能力以及10％的长期过负荷能力，因此具备紧急功率提升的条件。

若仅由一回直流来承担1500MW的功率提升量，则需要直流额定输送容量和过负荷能力满足此要求，而且单回直流功率大幅提升后，对送端和受端交流系统有较大影响，部分通道潮流可能重载，功率提升后也导致无功消耗增大，若该直流逆变站交流滤波器无功补偿不足时，直流将从受端系统吸收大量无功，导致受端系统电压下降。

若由多回直流来共同承担所需的功率提升量，功率提升指令和功率提升量通过广域量测系统传送至各回直流，每回直流提升量与其额定输送容量和过负荷能力成正比，这样，每回直流功率提升量相对减少，对送端和受端交流系统潮流分布影响也随之变小，逆变站对无功的需求较为分散。

根据几回直流送端换流站地理分布可知，宜华直流、林枫直流、龙政直流、葛南直流送端均为三峡电站机组，四回直流整流站相当于一个电气节点；复奉直流、锦苏直流、溪浙直流送端为金沙江流域电站机组，三回直流整流站之间距离较近，而三峡电站和金沙江电站之间相距较远。除溪浙直流外，其余直流受端均处于苏南电网和上海电网，距离相对较近。考虑到送端和受端网架约束、电网输送能力以及直流输送容量差别，可在三峡电站送出的葛南直流、宜华直流、林枫直流、龙政直流之间进行紧急功率调制的协调，在金沙江流域电站送出的复奉直流、锦苏直流、溪浙直流之间进行紧急功率调制的协调。即当三峡电站内某一直流发生闭锁后，由三峡电站其他直流共同来进行紧急功率提升，当金沙江流域电站内某一直流发生闭锁后，由金沙江流域电站其他直流共同来进行紧急功率提升。

直流输电系统整流侧和逆变侧的极控装置都能快速调节直流输电功率，因此直流紧急功率调制协调控制可以在直流送端进行，也可在直流受端进行。相比较而言，直流受端落点距离较近，易于广域信息的传递和交换，而且受端电网在实施多直流协调控制后获益更多，因此在受端进行直流紧急功率调制的协调控制。

基于广域的交直流紧急功率调制协调控制系统设计中，在华新、奉贤、枫泾、南桥等换流站出线所在变电站设置控制子站，它们可检测对应的直流单、双极闭锁信号并转发到控制主站，同时可接收主站发来的命令并转发到对应的直流换流站，进行多回直流的协调控制。

Claims (6)

1.一种基于PMU的多回直流紧急功率调制系统，用于对多回直流输电系统进行功率调制协调，所述的直流输电系统包括换流站，其特征在于，所述的调制系统包括传感器、PMU装置、GPS、控制主站和信号发送器，所述的PMU装置通过传感器与换流站连接，所述的控制主站分别与PMU装置、信号发送器通信连接，所述的GPS与PMU装置连接，所述的信号发送器与换流站连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于PMU的多回直流紧急功率调制系统，其特征在于，所述的传感器包括电压传感器和电流传感器。

3.根据权利要求1所述的一种基于PMU的多回直流紧急功率调制系统，其特征在于，所述的PMU装置设有多个。

4.根据权利要求1所述的一种基于PMU的多回直流紧急功率调制系统，其特征在于，所述的控制主站包括接收模块、数据处理模块、存储模块和发送模块，所述的数据处理模块分别连接接收模块、存储模块和发送模块，所述的接收模块与PMU装置通信连接，所述的发送模块与信号发送器通信连接。

5.一种如权利要求4所述的基于PMU的多回直流紧急功率调制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)PMU装置通过传感器对各换流站的电压和电流信号进行实时采样；

2)PMU装置根据采样信号计算电压相量值和相应的功率，输出相量数据；

3)GPS向PMU装置发送当前时钟信号，PMU装置根据时钟信号将相量数据打上时标，并将带有时标的相量数据打包发送给控制主站；

4)控制主站的接收模块接收相量数据后传输给数据处理模块，数据处理模块根据相量数据计算出各回直流输电系统的调制功率控制信号，并将调制功率控制信号发送给发送模块，同时将计算结果和相量数据保存至存储模块中；

5)发送模块通过信号发送器将调制功率控制信号发送给换流站，各换流站根据接收到的调制功率控制信号进行直流输电系统的功率调制。

6.根据权利要求5所述的一种基于PMU的多回直流紧急功率调制方法，其特征在于，所述的步骤4)中数据处理模块根据相量数据计算出各回直流输电系统的调制功率控制信号具体为：

a)数据处理模块通过接收模块获取各直流输电系统的功率信号；

b)数据处理模块根据当前功率信号判断是否执行紧急功率调制功能，若是，则执行步骤c)，若否，则返回步骤a)；

c)计算各调制功率控制信号：

设第k回直流极1发生闭锁，则第n回直流极j的调制功率公式为：

${\mathrm{\ΔP}}_{\mathrm{nj}}=[P_s-(P_{k2}^{\′}-P_{k2})]\×\frac{P_{\max \mathrm{nj}}-P_{\mathrm{nj}}^{\′}}{\underset{x=1}{\overset{2}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1,i\≠k}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(P_{\max \mathrm{ix}}-P_{\mathrm{ix}}^{\′})}\×S_{\mathrm{nj}}(n\≠k)$

式中，P_maxnj为直流n极j的最大输送功率，为直流n极j当前功率，S_nj为直流n极j的运行状态，x为极数，m为总直流输电系统回数，

为转移至直流k极2的功率，P_s为总的功率缺额。

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