CN103887801A - 基于转差率响应的自适应紧急切感应电动机负荷的方法 - Google Patents

Abstract

一种基于转差率响应的自适应紧急切感应电动机负荷的方法，包括如下步骤：1、计算各负荷节点的电压-转差率响应因子，2、按照电压-转差率响应因子对各负荷节点排序，3、选择切负荷地点，4、计算各切负荷节点的电压-转差率响应因子占所有切负荷节点该因子总和的比例，5、计算各切负荷节点的切负荷量，6、检查各切负荷节点的切负荷量是否超过了各节点原有的负荷总量；本发明能够为严重故障扰动下电力系统的频率稳定性和电压稳定性提供保障。

Description

基于转差率响应的自适应紧急切感应电动机负荷的方法

技术领域

本发明属于利用全网响应信息进行紧急减载技术领域，具体涉及一种基于转差率响应的自适应紧急切感应电动机负荷的方法。 

背景技术

频率和电压是衡量系统电能质量的重要指标，频率稳定性、电压稳定性以及功角稳定性是系统稳定性的三个重要方面。目前，虽然低频减载和低压减载已被广泛用来避免因频率或电压崩溃导致的大停电，但低频减载和低压减载在设计过程中还存在两方面的问题：其一是低频减载和低压减载相互独立，未充分考虑频率和电压在大扰动后的相互耦合特性，低频减载未考虑电压时空分布的影响，低压减载也仅按照电压跌落幅度进行控制，并且在减载过程中，往往是在指定区域按同一比例切负荷，这对电力系统的稳定性和控制效果的经济性都具有不利影响；其二，目前的低频减载和低压减载均未能全面计及负荷中占比最大的感应电动机的动态过程，而感应电动机动态特性对于系统电压暂态稳定性有重大影响。因此，在综合考虑系统电压和频率的交互影响、充分计及感应电动机负荷动态过程的基础上，对低频减载及低压减载进行综合整定具有重大理论和实际意义。另外，广域信息测量系统的不断发展也为利用全网响应信息进行紧急减载提供了理论和技术支持。 

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于转差率响应的自适应紧急切感应电动机负荷的方法，即利用各负荷节点电压偏差与 感应电动机转差率偏差的乘积大小来进行切负荷地点的选择和各切负荷节点切负荷量的分配。为严重故障扰动下电力系统的频率稳定性和电压稳定性提供了保障。 

为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案是： 

一种基于转差率响应的自适应紧急切感应电动机负荷的方法，包括如下步骤： 

(1)通过广域信息测量系统获得电力系统在故障发生后0.2秒内各负荷节点的电压偏差ΔV以及感应电动机的转差率偏差Δs，计算各负荷节点的电压-转差率响应因子R_j

R_j＝-Δs_j·ΔV_j j＝1,2…N         (1) 

其中：j各负荷节点号，R_j第j个负荷节点的电压-转差率响应因子，Δs_j第j个负荷节点的感应电动机转差率偏差即故障后0.2秒时该节点的感应电动机转差率与故障前该节点的感应电动机转差率的差，ΔV_j第j个负荷节点的电压偏差即故障后0.2秒时该节点电压与故障前该节点电压的差，N负荷节点总数；注意，在计算R_j时，须排除感应电动机转差率减小即Δs_j为负数或者负荷节点电压升高即ΔV_j为正数的负荷节点； 

(2)按照电压-转差率响应因子对各负荷节点排序，使得： 

R₁≥R₂≥…≥R_N      (2) 

(3)选择前M个负荷节点作为切负荷地点，并满足： 

$\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{R}_j\≥\frac{1}{2}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_j$         (3) 

其中：M进行切负荷的节点总数； 

(4)计算各切负荷节点的电压-转差率响应因子占所有切负荷节点该因子总和的比例： 

$w_j=\frac{R_j}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{R}_j}$   j＝1,2…M      (4) 

其中：w_j第j个切负荷节点的电压-转差率响应因子占所有切负荷节点该因子总和的比例； 

(5)计算各切负荷节点的切负荷量： 

ΔP_j＝w_j·ΔP j＝1,2…M    (5) 

其中：ΔP_j第j个切负荷节点的切负荷量，ΔP全网功率缺额，可通过各发电机频率响应按照下式计算： 

$\mathrm{\ΔP}=\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔP}}_i=\frac{\underset{i=1}{\overset{N_0}{\mathrm{\Σ}}}{T}_i{S}_i}{f_n}\frac{{\mathrm{df}}_i}{\mathrm{dt}}$        (6) 

其中：i发电机组号，N₀发电机总数，ΔP_i第i台发电机的有功缺额，T_i第i台发电机的惯性时间常数，S_i第i台发电机的额定容量，f_n额定频率50Hz，df_i/dt通过广域信息测量系统获得的第i台发电机的频率变化率； 

(6)检查M个切负荷节点的切负荷量是否超过了各节点原有的负荷总量P_j0：若未超过，则按ΔP_j开始执行切负荷操作；若M个节点中共有K个节点超过，则按照公式(4)和公式(5)将所超出功率在剩余M-K各节点中继续进行分配，此时公式(4)等号右边的分母为M-K个R_j的和，公式(5)等号右侧的ΔP表示超出部分的功率大小，经过两次或多次分配将全网有功缺额都分配完后则进行切负荷操作。 

本发明和现有技术相比，具有如下优点： 

本发明通过计及大扰动后感应电动机动态过程构建了综合考虑感应电动机转差率偏差值Δs和负荷电压跌落幅度ΔV的新指标，该指标有效地反映了不同节点电压的暂态失稳程度。应用新指标设计的基于转差率响应的自适应紧急切感应电动机负荷的方法，综合考虑了电力系统暂态电压响应和频率响应，相较 于全网按照同一比例切负荷的自适应减载方法，能更有效保障大扰动后系统的电压稳定性和频率稳定性，并且具有更快的系统暂态恢复过程和更优的稳态恢复指标。 

附图说明

图1是IEEE39节点系统接线图。 

图2是故障后发电机频率。 

图3是故障后负荷节点电压。 

图4是故障后感应电动机转差率。 

图5是切负荷后全网机组平均频率。 

图6是切负荷后全网平均电压。 

图7是切负荷后全网最低电压。 

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。 

如图1所示，IEEE39节点系统，考虑发电机调压器和调速器，负荷采用70％感应电动机和30％恒阻抗并联模型，电动机考虑转子电磁暂态过程，仿真在PSASP上进行，步长0.01秒，时长10秒。 

故障方式为0.5秒时刻，31号机组跳闸，同时领近的两条线路6-11和4-14断开，系统原有功出力为6141.208MW，负荷有功功率为6097.5MW，故障后系统损失有功功率520MW。故障后系统将发生功角失稳、频率失稳以及电压失稳，系统出现剧烈振荡，并且感应电动机最终将发生堵转，机组频率、负荷节点电压以及感应电动机转差率如图2-图4所示。 

通过广域信息测量系统可获得故障后0.2秒时全网各发电机节点的频率变化率以及各负荷节点电压偏差和感应电动机转差率偏差。 

第一步：按照公式(1)计算各负荷节点的电压-转差率响应因子R_j，如表1所示。须注意，负荷母线为12和20所连接的感应电动机转差率减小(Δs_j为负值)，因此在计算中不予考虑。 

表1各负荷节点R_j计算 

第二步：按照公式(2)对各负荷节点排序，如表2所示。 

表2负荷节点排序 

第三步：按照公式(3)选择切负荷地点，如表3所示。 

表3切负荷地点选择 

由表3可确定切负荷地点为1-3号负荷节点，分别对应的负荷母线为31，7，8。 

第四步：按照公式(6)计算全网有功缺额，如表4所示，全网有功缺额为520.22MW。 

表4全网有功缺额计算 

第五步：按照公式(4)计算各切负荷节点的电压-转差率响应因子占所有切负荷节点该因子总和的比例w_j，如表5所示。 

第六步：按照公式(5)计算各切负荷节点的切负荷量ΔP_j，如表5所示。 

表5切负荷量第一次分配 

第七步：检查这三个切负荷节点的切负荷量是否超过了各节点原有的负荷总量P_j0。1号负荷原有的负荷总量为9.2MW，切负荷量超出了247.4809MW-9.2MW＝238.2809MW，因此将超出的切负荷量在2号与3号负荷中进行第二次分配，计算过程如表6所示，而此时2号负荷的切负荷量也超出了其原有的负荷总量，故进行第三次分配，将超出的切负荷量分配给3号负荷，表7为三次分配后，3个切负荷节点最终的实际切负荷量。 

表6切负荷量第二次分配 

表7实际切负荷量 

3.利用上述方法进行自适应紧急切负荷的效果 

将本发明的切负荷方案与全网按照同一比例切负荷的自适应减载方案进行 比较，在故障后0.2秒进行切负荷操作。 

全网统一比例切负荷方案中，全网各负荷节点均切除相同比例负荷：520.22MW/6097.5MW＝8.548％。 

图5-图7为两种切负荷方案的效果对比图：图5表示切负荷后全网机组平均频率；图6表示切负荷后全网平均电压；图7表示切负荷后全网最低电压(31负荷母线电压)。 

如图5-7所示，若全网按照同一比例切负荷，则切负荷后全网机组平均频率最高值接近50.6Hz，全网平均电压比故障前下降约10％，振荡过程剧烈，并且局部区域仍会发生电压失稳，其中31负荷母线电压低于0.5p.u.，为全网最低电压；而采用本发明的方案进行切负荷后，全网机组平均频率波动在±0.05Hz范围内，频率最终将稳定在接近50Hz，并且全网平均电压基本能够恢复到额定值，振荡幅度小，全网最低电压(31负荷母线电压)能迅速恢复至0.9p.u.。本发明的方案有效地保障了电力系统的频率稳定性和电压稳定性。 

Claims (1)

1.一种基于转差率响应的自适应紧急切感应电动机负荷的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）通过广域信息测量系统获得电力系统在故障发生后0.2秒内各负荷节点的电压偏差ΔV以及感应电动机的转差率偏差Δs，计算各负荷节点的电压-转差率响应因子R_j

R_j=-Δs_j·ΔV_j j=1,2…N   (1)

其中：j负荷节点号，R_j第j个负荷节点的电压-转差率响应因子，Δs_j第j个负荷节点的感应电动机转差率偏差即故障后0.2秒时该节点的感应电动机转差率与故障前该节点的感应电动机转差率的差，ΔV_j第j个负荷节点的电压偏差即故障后0.2秒时该节点电压与故障前该节i点电压的差，N负荷节点总数；注意，在计算R_j时，须排除感应电动机转差率减小即Δs_j为负数或者负荷节点电压升高即ΔV_j为正数的负荷节点；

（2）按照电压-转差率响应因子对各负荷节点排序，使得：

R₁≥R₂≥…≥R_N   (2)

（3）选择前M个负荷节点作为切负荷地点，并满足：

$\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{R}_j\≥\frac{1}{2}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{R}_j---\left(3\right)$

其中：M进行切负荷的节点总数；

（4）计算各切负荷节点的电压-转差率响应因子占所有切负荷节点该因子总和的比例：

$w_j=\frac{R_j}{\underset{j=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{R}_j}j=\mathrm{1,2}...M---\left(4\right)$

其中：w_j第j个切负荷节点的电压-转差率响应因子占所有切负荷节点该因子总和的比例；

（5）计算各切负荷节点的切负荷量：

ΔP_j=w_j·ΔP j=1,2…M   (5)

其中：ΔP_j第j个切负荷节点的切负荷量，ΔP全网功率缺额，可通过各发电机频率响应计算等方法求得；

（6）检查M个切负荷节点的切负荷量是否超过了各节点原有的负荷总量Pj0：若未超过，则按ΔPj开始执行切负荷操作；若M个节点中共有K个节点超过，则按照公式（4）和公式（5）将所超出功率在剩余M-K各节点中继续进行分配，此时公式（4）等号右边的分母为M-K个R_j的和，公式（5）等号右侧的ΔP表示超出部分的功率大小，经过两次或多次分配将全网有功缺额都分配完后则进行切负荷操作。

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