CN106786620A - 孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法。该方法将稳控、低频减载、平衡电阻、DCS系统控制手段互相结合，既能满足大功率缺额时电网功率迅速平衡，实现频率的快速恢复，不至下降到危险点以下，又可以实现频率的细微调整，尽量实现负荷控制量与功率不平衡量的匹配。

Description

孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法

技术领域

本发明属于电力系统安全稳定控制的技术领域，具体涉及孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法。

背景技术

孤立电网指集“发、输、配、售”所有功能于一体的电网，被广泛应用于石油、化工、冶炼等各种行业，也可指独立于公网的区域配电网。孤立电网与大电网之间在电气上无联系或弱联系。所谓弱联系，是指在正常运行情况下大电网对孤立电网的频率、电压波动支援作用有限，且在紧急情况下大电网会断开与孤立电网的联网断面，使其非计划性地转化为孤立电网。

孤网容量较小，各单台机组和大型用电设备所占的功率比例较大，发电机组输出功率的变化量和负荷的扰动量相对值也较大，这将对孤网频率产生明显影响。而且，孤网中所有发电机组旋转惯量储存的动能和锅炉群所具备的热力势能均较小，自平衡能力差，同样的不平衡力矩会引起较大的发电机组转速变化，即同样的不平衡量在孤网运行时会导致频率出现较大幅度的波动。

孤网运行面临最本质的问题是功率不平衡问题。如果具有有效的有功功率控制手段，快速地平衡系统中由于事故产生的不平衡功率，就有可能减小甚至消除系统受到扰动时对电网的冲击。常规的紧急负荷控制方法包括稳控集中联切和按频率低频减载。由于稳控系统存在1％测量误差，并且孤立电网中可控负荷较少，负荷颗粒度较大，因此极容易造成过切和欠切两种情况，过切和欠切造成的功率不平衡也可能对孤立电网的频率造成很大影响。而传统的按频率低频减载，为了防止频繁调整负荷，必须考虑延时，无法满足大功率缺额时电网功率迅速平衡的时间要求。

发明内容

为了克服现有的紧急负荷控制方案存在的不足，本发明提出了孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法。

本发明具体采用以下技术方案。

孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

(1)监测孤立电网内发电机以及孤立电网和外部电网联络线的实时有功功率值，判断发电机是否发生跳闸故障或联络线断开故障，若是，则执行步骤(2)，若否，则继续执行步骤(1)；

(2)根据故障前后孤立电网的有功功率差值计算出孤立电网功率缺额为ΔP；

(3)由孤立电网的稳控系统和发电机集散控制系统DCS系统联切负荷ΔP*K_q，然后进入步骤(4)，其中K_q为比例系数，取值范围为0.5-0.9之间；稳控系统切负荷对象为稳控系统所控制负荷，DCS系统切负荷对象为DCS系统所控制负荷；

(4)监测联切负荷ΔP*K_q后的孤立电网的频率，如果孤立电网频率低于第一频率阈值f₁，则执行步骤(5)，否则，则执行步骤(7)；

(5)通过低频减载装置实施第一轮低频减载，切除负荷P_LS的1/2，

其中，负荷P_LS为：

P_LS＝(1-K_q)*ΔP；

在第一轮低频减载动作后，判断当前孤立电网频率是否小于第二频率阈值f₂，f₂<f₁，如果小于，则进入步骤(6)，否则进入步骤(7)；

(6)通过低频减载装置实施第二轮低频减载，切除剩下的1/2负荷P_LS；

(7)进行稳态频率预测，得到稳态频率预测值f_pred；

(8)若稳态频率预测值大于频率上限阈值即f_pred>f_H，且当前孤岛电网频率大于50.1Hz，则投入预定的平衡电阻；

若稳态频率预测值小于频率下限阈值即f_pred<f_L，且当前孤岛电网频率小于50.1Hz，则切除预定的负荷；

若f_L<f_pred<f_H，则不再采取任何控制措施，控制过程结束；

其中f_H和f_L分别为给定的频率上限阈值和频率下限阈值。

本发明进一步包括以下优选方案：

在步骤(4)中，所述第一频率阈值f₁取值为(47.5Hz，49.5Hz)。

在步骤(5)中，所述第二频率阈值f₂取值为(47.5Hz，49.5Hz)。

在步骤(7)中，根据公式(1)、(2)、(3)预测稳态频率f_pred：

式中，Δf(t)为故障发生后t时刻，以额定频率为基准的频率变化标幺值，为故障发生后t时刻的孤立电网频率变化率,f_pred为预测的稳态频率值，f₀为故障发生时刻t0(t＝0)的频率值，M_s为孤立电网系统惯性时间常数，ΔP_acc0为孤立电网系统初始加速功率，K_L为负荷调节效应系数；其中M_s、K_L为已知量，f₀、Δf(t)、为可测量量，ΔP_acc0、f_pred为未知量；如果低频减载启动则取t0为低频减载最后一轮动作后时刻，如果低频减载未启动则取t0为联切负荷ΔP*K_q后时刻；测量t0时刻的f₀、Δf、带入式(1)求得ΔP_acc0；将ΔP_acc0带入式(2)，令t→∞,求得Δf(t)|_t→∞；f₀、Δf(t)|_t→∞带入式(3)即可计算出频率稳态预测值f_pred。

在步骤(8)中，根据公式(4)计算需要投入的预定平衡电阻而增加的负荷总量ΔP₁，或需要减载的预定负荷总量ΔP₁：

式中，H为孤立电网等效惯性时间常数，f_n为工频频率，为故障发生后t时刻的孤立电网频率变化率；其中H和f_n为已知量，为可测量量，t取当前时刻。

在步骤(8)中，频率上限阈值f_H的取值为(50.0Hz，55.0Hz)；频率下限阈值f_L的取值为(45.0Hz，50.0Hz)。

本发明相对于现有技术能取得以下有益效果：

通过充分考虑孤立电网频率特性和独特约束条件，针对孤立电网与外网解列的严重故障，提出了将机组一次调频、稳控/DCS系统联切负荷、低频减载、平衡电阻投切相结合的稳定控制措施。无论频率恢复速度、最低频率、抑制超调量，还是处理频率悬停，本发明方法在控制效果上优于传统切负荷措施。

附图说明

图1所示为本发明孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法流程图；

图2所示为稳态预测频率f_pred>f_H情况下，传统策略和采用本发明的控制效果对比曲线；

图3所示为稳态预测频率f_pred<f_L情况下，传统策略和采用本发明的控制效果对比曲线。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案进一步详细表述。

本发明公开的孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法如附图1所示，包括以下步骤：

(1)监测孤立电网内发电机以及孤立电网和外部电网联络线的实时有功功率值，判断发电机是否发生跳闸故障或联络线断开故障，若是，则执行步骤(2)，若否，则继续执行步骤(1)；

(2)根据故障前后孤立电网的有功功率差值计算出孤立电网功率缺额为ΔP；

(3)由孤立电网的稳控系统和发电机集散控制系统DCS系统联切负荷ΔP*K_q，然后进入步骤(4)，其中K_q为比例系数，取值范围为0.5-0.9之间，本申请实施例优选0.8；稳控系统切负荷对象为稳控系统所控制负荷，DCS系统切负荷对象为DCS系统所控制负荷，按照负荷优先级进行全网最优组合选切；

(4)监测联切负荷ΔP*K_q后的孤立电网的频率，如果孤立电网频率低于第一频率阈值f₁，则执行步骤(5)，否则，则执行步骤(7)；

所述第一频率阈值f₁取值为(47.5Hz，49.5Hz)，本申请实施例优选f₁＝49.0Hz。

(5)通过低频减载装置实施第一轮低频减载，切除负荷P_LS的1/2，

其中，负荷P_LS为：

P_LS＝(1-K_q)*ΔP；

在第一轮低频减载动作后，判断当前孤立电网频率是否小于第二频率阈值f₂，f₂<f₁，如果小于，则进入步骤(6)，否则进入步骤(7)；所述第二频率阈值f₂取值为(47.5Hz，49.5Hz)，本申请实施例优选f₂＝48.8Hz。

(6)通过低频减载装置实施第二轮低频减载，切除剩下的1/2负荷P_LS；

(7)进行稳态频率预测，得到稳态频率预测值f_pred；

根据公式(1)、(2)、(3)预测稳态频率f_pred：

式中，Δf为故障发生后t时刻，以额定频率为基准的频率变化标幺值，为故障发生后t时刻的孤立电网频率变化率，f_pred为预测的稳态频率值，f₀为故障发生时刻t0(t＝0)的频率值，M_s为孤立电网系统惯性时间常数，ΔP_acc0为孤立电网系统初始加速功率，K_L为负荷调节效应系数；其中M_s、K_L为已知量，f₀、Δf(t)、为可测量量，ΔP_acc0、f_pred为未知量；如果低频减载启动则取t0为低频减载最后一轮动作后时刻，如果低频减载未启动则取t0为联切负荷ΔP*K_q后时刻；测量t0时刻的f₀、Δf、带入式(1)求得ΔP_acc0；将ΔP_acc0带入式(2)，令t→∞,求得Δf(t)|_t→∞；将f₀、Δf(t)|_t→∞带入式(3)即可计算出频率稳态预测值f_pred。

(8)若稳态频率预测值大于频率上限阈值即f_pred>f_H，且当前孤岛电网频率大于50.1Hz，则投入预定的平衡电阻；

若稳态频率预测值小于频率下限阈值即f_pred<f_L，且当前孤岛电网频率小于50.1Hz，则切除预定的负荷；

若f_L<f_pred<f_H，则不再采取任何控制措施，控制过程结束；

其中f_H和f_L分别为给定的频率上限阈值和频率下限阈值，f_H的取值范围为(50.0Hz，55.0Hz)，f_L的取值范围为(45.0Hz，50.0Hz)，本申请实施例优选f_H＝50.5Hz，f_L＝49.5Hz。

在步骤(8)中，根据公式(4)计算需要投入的预定平衡电阻而增加的负荷总量ΔP₁和，或需要减载的预定负荷总量ΔP₁：

式中，H为孤立电网等效惯性时间常数，f_n为工频频率，为故障发生后t时刻的孤立电网频率变化率；其中H和f_n为已知量，为可测量量，t取当前时刻。

如图2所示，3秒时刻发生故障，功率缺额ΔP为160MW，图中A点联切负荷128MW。传统策略(曲线1)在B点和C点各切除负荷20MW，因过切负荷产生了频率超调，最终频率稳定在50.6Hz。本发明(曲线2)同样在B点和C点各切除负荷20MW后频率开始上升，在D点频率上升至50.1Hz，并且预测稳态频率值50.6Hz，根据公式(4)计算系统功率缺额8MW，因此投入8MW平衡电阻(8*1MW)，从而有效抑制了频率超调，最终稳定在49.98Hz。

如图3所示，3秒时刻发生故障，功率缺额ΔP为255MW，图中A点联切负荷200MW。传统策略(曲线1)在B点和C点各切除负荷20MW后频率回升，最终频率稳定在49.4Hz，此时低频减载基本轮和特殊轮都无法动作。本发明(曲线2)同样在B点和C点各切除负荷20MW后频率开始上升，在D点预测到稳态频率值49.4Hz，且当前频率小于50.1Hz，根据公式(4)计算系统功率缺额10MW，因此补切负荷10MW，最终频率稳定在50.02Hz。通过补充切负荷，避免了频率悬停在较低水平。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法，其特征在于：该控制方法将稳控、低频减载、平衡电阻、DCS系统控制手段相结合，实现负荷控制量与功率不平衡量的匹配。

2.孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：

(1)监测孤立电网内发电机以及孤立电网和外部电网联络线的实时有功功率值，判断发电机是否发生跳闸故障或联络线断开故障，若是，则执行步骤(2)，若否，则继续执行步骤(1)；

(2)根据故障前后孤立电网的有功功率差值计算出孤立电网功率缺额为ΔP；

(3)由孤立电网的稳控系统和发电机集散控制系统DCS系统联切负荷ΔP*K_q，然后进入步骤(4)，其中K_q为比例系数，取值范围为0.5-0.9之间；稳控系统切负荷对象为稳控系统所控制负荷，DCS系统切负荷对象为DCS系统所控制负荷；

(4)监测联切负荷ΔP*K_q后的孤立电网的频率，如果孤立电网频率低于第一频率阈值f₁，则执行步骤(5)，否则，则执行步骤(7)；

(5)通过低频减载装置实施第一轮低频减载，切除负荷P_LS的1/2，

其中，负荷P_LS为：

P_LS＝(1-K_q)*ΔP；

在第一轮低频减载动作后，判断当前孤立电网频率是否小于第二频率阈值f₂，f₂<f₁，如果小于，则进入步骤(6)，否则进入步骤(7)；

(6)通过低频减载装置实施第二轮低频减载，切除剩下的1/2负荷P_LS；

(7)进行稳态频率预测，得到稳态频率预测值f_pred；

(8)若稳态频率预测值大于频率上限阈值即f_pred>f_H，且当前孤岛电网频率大于50.1Hz，则投入预定的平衡电阻；

若稳态频率预测值小于频率下限阈值即f_pred<f_L，且当前孤岛电网频率小于50.1Hz，则切除预定的负荷；

若f_L<f_pred<f_H，则不再采取任何控制措施，控制过程结束；

其中f_H和f_L分别为给定的频率上限阈值和频率下限阈值。

3.根据权利要求2所述的孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法，其特征在于：

在步骤(4)中，所述第一频率阈值f₁取值为(47.5Hz，49.5Hz)。

4.根据权利要求2所述的孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法，其特征在于：

在步骤(5)中，所述第二频率阈值f₂取值为(47.5Hz，49.5Hz)。

5.根据权利要求2所述的孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法，其特征在于：

在步骤(7)中，根据公式(1)、(2)、(3)预测稳态频率f_pred：

$M_s\frac{df}{dt}={\mathrm{\&Delta;P}}_{acc0}-K_L\mathrm{\&Delta;}f\left(t\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\&Delta;}f\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\&Delta;P}}_{acc0}}{K_L}(1-e^{-\frac{K_L}{M_s}t})---\left(2\right)$

$f_{pred}=f_0+\mathrm{\&Delta;}f\left(t\right){|}_{t\&RightArrow;\mathrm{\&infin;}}=f_0+\frac{{\mathrm{\&Delta;P}}_{acc0}}{K_L}---\left(3\right)$

式中，Δf(t)为故障发生后t时刻，以额定频率为基准的频率变化标幺值，为故障发生后t时刻的孤立电网频率变化率,f_pred为预测的稳态频率值，f₀为故障发生时刻t0(t＝0)的频率值，M_s为孤立电网系统惯性时间常数，ΔP_acc0为孤立电网系统初始加速功率，K_L为负荷调节效应系数；其中M_s、K_L为已知量，f₀、Δf(t)、为可测量量，ΔP_acc0、f_pred为未知量；如果低频减载启动则取t0为低频减载最后一轮动作后时刻，如果低频减载未启动则取t0为联切负荷ΔP*K_q后时刻；测量t0时刻的f₀、Δf、带入式(1)求得ΔP_acc0；将ΔP_acc0带入式(2)，令t→∞,求得Δf(t)|_t→∞；f₀、Δf(t)|_t→∞带入式(3)即可计算出频率稳态预测值f_pred。

6.根据权利要求2所述的孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法，其特征在于：

在步骤(8)中，根据公式(4)计算需要投入的预定平衡电阻而增加的负荷总量ΔP₁，或需要减载的预定负荷总量ΔP₁：

${\mathrm{\&Delta;P}}_1\left(t\right)=\frac{2H}{f_n}*\frac{df}{dt}\left(t\right)---\left(4\right)$

式中，H为孤立电网等效惯性时间常数，f_n为工频频率，为故障发生后t时刻的孤立电网频率变化率；其中H和f_n为已知量，为可测量量，t取当前时刻。

7.根据权利要求2或6所述的孤立电网故障状态下的紧急负荷控制方法，其特征在于：

在步骤(8)中，频率上限阈值f_H的取值为(50.0Hz，55.0Hz)；频率下限阈值f_L的取值为(45.0Hz，50.0Hz)。