CN107482652A - 一种电力系统低频减载虚拟实验实现方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统低频减载虚拟实验实现方法和系统，构建计及低频减载过程的单机等值扩展模型和平均系统频率模型，利用构建的两个模型进行参数配置，对电力系统低频减载进行虚拟实验，本发明通过建立计及低频减载过程的单机等值扩展模型和平均系统频率模型，分别对单机系统和多机系统进行频率动态响应分析，突破了现有实验仿真系统只针对传统电力网络进行仿真的框架。

Description

一种电力系统低频减载虚拟实验实现方法和系统

技术领域

本发明涉及一种电力系统低频减载虚拟实验实现方法和系统。

背景技术

如今电力系统呈现出了大机组、高电压、远距离的发展趋势，并且伴随着区域联网以及交直流输电的运行方式，虽然提高了系统互联运行的经济性，但也增加了发电厂和用户之间的距离，形成电力系统内发电量与用电量的局部不平衡，严重影响了系统在大扰动的作用下维持自身频率稳定的能力。造成系统频率的下降，严重时甚至导致全网频率的崩溃。

当系统产生有功功率的缺额而使系统频率下降到异常的工作状态时，必须迅速采取相应的措施来使得频率尽快地恢复稳定。其中，低频减载就是一种通过减小负荷量，来减小系统的有功缺额和频率偏移，使系统频率迅速稳定并恢复到正常允许的工作范围之内的稳定控制措施。在近几十年国内外数次的大停电事故中，低频减载措施在使频率迅速恢复稳定，阻止事故进一步扩大方面起到了重要作用。因而，能够正确认识频率在有功功率发生不平衡以及低频减载措施动作之后的动态特性对理解电力系统的安全稳定运行具有重要意义。

然而，目前国内高校电气专业在本科期间的实验教学课程缺乏对低频减载相关基础内容的教学，使得学生对该部分内容认知少，深度浅，也无法从数据上、图像中直观地了解该过程中主要参数的特性和变化情况。并且，由于硬件实验设备在维护、安全和经济性上存在劣势，并且采用硬件设备的实验内容较为固化，缺乏拓展能力，因而虚拟实验系统在实际应用中有着更大的优势和需求。此外，目前对电力系统低频减载过程的仿真主要是在PSASP、PSS/E等综合仿真软件中编写自定义模块实现，或者通过在其他编程环境中编写程序包并与PSS/E等软件建立接口，操作相对复杂，且对编程能力要求高，难以适用于本科期间的实验教学。

由此可见，设计一款操作方便、功能全面的电力系统低频减载虚拟实验系统是十分必要的。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种电力系统低频减载虚拟实验实现方法和系统，本发明通过建立计及低频减载过程的单机等值扩展模型和平均系统频率模型，分别对单机系统和多机系统进行频率动态响应分析，突破了现有实验仿真系统只针对传统电力网络进行仿真的框架。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种电力系统低频减载虚拟实验实现方法，构建计及低频减载过程的单机等值扩展模型和平均系统频率模型，其中：

所述计及低频减载过程的单机等值扩展模型包括发电机转子模块、负荷模块、低频减载动作模块和发电机原动机-调速器模块，

所述发电机转子模块的输出量是频率的变化量，输入量是发电机机械功率和电磁功率的差值；

所述负荷模块的输出量提供给发电机转子模块，输入量是发电机转子模块的输出量；

所述低频减载动作模块的输出量提供给发电机转子模块，输入量是发电机转子模块的输出量；

所述发电机原动机-调速器模块的输出量提供给发电机转子模块，输入量是发电机转子模块的输出量，其输出量和输入量的关系取决于原动机-调速器系统选取的模型；

所述平均系统频率模型包括各发电机的转子模块、各负荷模块、各发电机原动机-调速器系统模块和频率处理模块，所述各发电机的转子模块、各负荷模块和各发电机原动机-调速器系统模块和单机等值扩展模型中的相应模块相同，各模块与相应的发电机和负荷一一对应，频率处理模块是对各台发电机组的频率输出量加权平均，得到统一变化的系统频率响应；

利用构建的两个模型进行参数配置，对电力系统低频减载进行虚拟实验。

进一步的，所述发电机转子模块的输出量是频率的变化量Δf，输入量是发电机机械功率和电磁功率的差值，包括系统扰动功率ΔP_d、负荷频率静态特性的影响ΔP_L、低频减载切除负荷的影响ΔP_shed和发电机一次调频作用的影响ΔP_G，其输入量和输出量之间的关系是：

其中*表示标幺值形式，H表示发电机的惯性时间常数。

所述负荷模块的输出量提供给发电机转子模块，即负荷频率静态特性影响下的有功功率变化量ΔP_L，输入量是发电机转子模块的输出量，其输入量和输出量之间的关系是：

ΔP_L＝P_L0(K_L*·Δf_*) (2)

其中K_L是负荷的频率调节特性系数，P_L0是负荷的额定功率。

所述低频减载动作模块的输出量为低频减载切除负荷造成的有功功率变化量，其输入量和输出量的关系取决于具体的低频减载整定方案。

发电机调速系统模型，包括但不限于经典简化模型、IEEEG1汽轮机模型和IEEEG3水轮机模型。

所述平均系统频率模型计及低频减载过程，即添加低频减载动作模块，并将由于低频减载导致有功功率的变化量作为该模块的输出量和各发电机转子模块的输入量，将系统频率的加权平均值作为低频减载动作模块的输入量，最终得到关于计及低频减载的平均系统频率模型。

一种电力系统低频减载虚拟实验系统，包括单机系统部分和多机系统部分，其中：

单机系统部分，实现对单机带三负荷系统的低频减载过程仿真，认识低频减载的整体过程和系统参数特性；

多机系统部分，实现对小规模任意节点的实际电力系统进行低频减载过程的实验仿真，得到实际的电力系统低频减载过程中，多台机组之间频率稳定控制的协调过程。

进一步的，所述虚拟实验系统包括模式选择模块、配置参数模块和显示模块，其中：

所述模式选择模块，被配置为选取虚拟实验系统的仿真模式；

所述配置参数模块，被配置为设置待仿真系统的各项元件参数；

所述显示模块，被配置为具有工具栏、菜单栏和图文显示窗口，以接收输入的试验或仿真命令，调取构建模型模块的结果，显示试验或仿真图形。

进一步的，模式选择模块的仿真模式，被配置为：

单系统仿真模式，针对单个系统的完整低频减载过程进行仿真，包括基本轮和特殊轮，具体分析低频减载的动态过程以及参数的变化；

多系统对比模式，配置新的系统及相应参数，对比几个系统的频率仿真图像和结果数据，得到参数的变化或低频减载整定方案的调整对低频减载频率特性的影响。

进一步的，显示模块显示时，被配置为：

单系统仿真模式时，仿真图像展示系统频率f、发电机机械功率变化量ΔP_G、负荷受频率静态特性影响的功率变化量ΔP_L这三种参数的变化曲线；

多系统对比模式时，图形只展示频率f的变化曲线。

进一步的，单机系统和多机系统的低频减载实验是采用计及低频减载过程的单机等值扩展模型和ASF模型进行频率动态响应分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明为低频减载实验教学增添了虚拟教学途径，在维护、安全、经济和灵活性上相比于硬件设备有其固有的优势；且其界面清晰、友好，操作方便，相对于对编程能力要求高的PSS/E、PSASP等综合型软件，更易于在本科实验教学中推广。

(2)本发明将IEEEG1汽轮机模型、IEEEG3水轮机模型扩展入单机等值模型，更为精确地模拟电力系统低频减载过程，且可以直观展示三种模型的特点。

(3)本发明采用的ASF模型进行动态分析，相对于全时域仿真，能够在保证一定精度的情况下大大减少仿真的计算量和计算时间。

(4)本发明所设计的双系统对比工作模式可以更为清晰地展示不同参数和不同的低频减载整定方案对频率动态过程的影响。

(5)本发明涉及到风机并网系统的低频减载仿真过程，突破了大多数实验仿真系统只针对传统电力网络进行仿真的框架。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是低频减载虚拟实验系统采用的单机带三负荷系统示意图；是低频减载虚拟实验系统单机部分的仿真界面示意图；

图2是计及低频减载过程的单机等值扩展模型框图；

图3(a)是经典简化原动机-调速框图；

图3(b)是IEEEG1汽轮机原动机-调速系统框图

图3(c)是IEEEG3水轮机原动机-调速系统框图

图4是计及低频减载过程的ASF模型框图；

图5是低频减载虚拟实验系统单机部分的仿真界面示意图；

图6是低频减载虚拟实验系统单机部分的程序运行流程图；

图7是单机部分在单系统仿真模式下的实施例仿真图像；

图8是低频减载虚拟实验系统多机部分的仿真界面示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在目前对电力系统低频减载过程的仿真主要是在PSASP、PSS/E等综合仿真软件中编写自定义模块实现，或者通过在其他编程环境中编写程序包并与PSS/E等软件建立接口，操作相对复杂，且对编程能力要求高，难以适用于本科期间的实验教学的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种电力系统低频减载虚拟实验的实现方法和系统。

本申请的一种典型的实施方式中，电力系统低频减载虚拟实验系统是一款针对电气专业本科实验教学的仿真软件。在功能上可以将实验系统分为单机部分和多机部分，在单机部分，可以实现对单机带三负荷系统的低频减载过程仿真，可认识低频减载的整体过程和系统参数特性，如图1是单机带三负荷系统示意图；在多机部分，可以实现对小规模任意节点的实际电力系统进行低频减载过程的实验仿真，可了解实际的电力系统低频减载过程中，多台机组之间频率稳定控制的协调过程。

所述单机部分和多机部分低频减载实验的实现方法分别是采用计及低频减载过程的单机等值扩展模型和ASF模型进行频率动态响应分析。图2是计及低频减载过程的单机等值扩展模型框图，包括发电机转子模块、负荷模块、原动机-调速器模块和低频减载动作模块。

所述发电机转子模块的输出量是频率的变化量Δf，该输出量是所述负荷模块、原动机-调速器模块和低频减载动作模块的输入量；发电机转子模块的输入量包括系统扰动功率ΔP_d、负荷频率静态特性的影响ΔP_L、发电机一次调频作用的影响ΔP_G和低频减载切除负荷的影响ΔP_shed，分别是系统扰动量、负荷模块、原动机-调速器模块和低频减载动作模块的输出量。其各输入量和输出量之间的关系是：

其中*表示标幺值形式，H表示发电机的惯性时间常数，ΔP_Lshed*与Δf_*的关系取决于采用的低频减载整定方案，ΔP_G*和Δf_*的关系取决于发电机的原动机-调速器系统采用的模型。

所述发电机原动机-调速器模块可选用的模型包括经典简化模型、IEEEG1汽轮机模型和IEEEG3水轮机模型，这三种模型框图分别如图3(a)、图3(b)和图3(c)。在图3(a)中，K_G*表示发电机调速器的频率调节特性系数；T_G表示发电机调速器的惯性时间常数。在图3(b)中，以T₄和T₅为时间常数的惯性环节反映的是原动机部分的计及高压蒸汽和中间再热蒸汽容积效应的二阶模型，剩余部分则表示调速器模型，包括测速放大环节和反馈环节。图3(c)中包括测速放大环节、反映接力器与配压阀关系的积分环节、软反馈环节和反映水锤效应的环节等。

本实施例的发电机原动机-调速器系统会采用到IEEEG1汽轮机模型和IEEEG3水轮机模型。汽轮机模型中各参数赋值如下：

K＝6,T₃＝0.5,U₀＝0.1,U_c＝-0.1,P_MAX＝1.0,P_MIN＝0.0,T₄＝0.1,T₅＝8,K₁＝0.3,K₃＝0.7水轮机模型中各参数赋值如下：

所述计及低频减载过程的平均系统频率模型如图4，该模型是对多机系统的频率动态分析方法。包括各发电机的转子模块、各负荷模块、各发电机原动机-调速器系统模块和低频减载动作模块。

所述各发电机的转子模块、各负荷模块和各发电机原动机-调速器系统模块和单机等值扩展模型中的相应模块相同，各模块与相应的发电机和负荷一一对应；所述频率处理模块是对各台发电机组的频率输出量加权平均，得到统一变化的系统频率响应：

对所述ASF模型计及低频减载过程，即添加低频减载动作模块，并将由于低频减载导致有功功率的变化量作为该模块的输出量和各发电机转子模块的输入量，将系统频率的加权平均值作为低频减载动作模块的输入量，最终得到关于计及低频减载的ASF模型的方程：

如图5是低频减载虚拟实验系统单机部分的仿真界面示意图。仿真界面左上角是菜单栏和工具栏。界面的主体部分由模型选择模块、工作模式选择模块以及参数输入模块等部分组成。

所述菜单栏和工具栏，其功能主要是对仿真以及仿真结果进行管理。菜单栏有“文件”、“编辑”、“运行”和“关于”四个选项。工具栏有“开始”、“暂停”、“停止”和“清除”四个选项。

所述模型选择模块是选择发电机调速系统模型，包括经典模型、IEEEG1汽轮机模型和IEEEG3水轮机模型。

所述工作模式选择模块是选择低频减载虚拟实验系统的运行模式，包括单系统仿真模式和双系统对比模式。

所述参数输入模块从左至右、从上至下依次是系统参数、负荷参数、发电机参数、风机参数、特殊轮参数、基本轮参数和扰动设置参数。

如图8是低频减载虚拟实验系统多机部分的仿真界面示意图。该界面主体结构与单机系统部分的界面相同，只是在一些仿真参数和模型的设置上存在差异，两个界面可以通过单击右上角的箭头进行切换。多机系统部分不包括风机参数，且对发电机和负荷参数的设置是根据选取的节点一一对应。为了保证仿真精度，多机系统发电机调速系统的可选模型不包括经典模型，只可选取IEEEG1汽轮机模型和IEEEG3水轮机模型。由于双系统对比工作模式是为了便于认识某一参数对频率动态过程的影响，该目的在单机系统部分即可实现，因而在多机系统部分的工作模式只需单系统仿真模式。

本实施例在单机系统部分进行仿真，并选取IEEEG1汽轮机模型，采用单系统仿真模式，不考虑风机并网，设置系统参数如下：

所述实施例系统参数设置完毕后进行仿真，程序运行流程如图6，包括：

(1)参数读取部分。程序通过与界面建立的接口读取界面上所设置的各项参数，包括发电机模型的选择、工作模式的选择以及仿真参数的设置等。

(2)主程序部分。主程序部分包括考虑(判断)风机并网、低频减载基本轮动作过程和低频减载特殊轮动作过程，主要是对微分方程组的求解以及相应的逻辑判断。逻辑判断主要是处理低频减载动作轮次、动作频率以及当前系统所处频率之间的关系。

(3)结果输出部分。解决图像和文本的输出格式问题。

如图7是采用上述参数进行单机系统部分实验仿真的结果图像，图像会在仿真结束后以弹窗形式出现。采用所述单系统仿真模式时，仿真图像展示系统频率f、发电机机械功率变化量ΔP_G、负荷受频率静态特性影响的功率变化量ΔP_L这三种参数的变化曲线。

仿真结果的文本输出如表2所示，包括系统参数部分(a)和仿真结果部分(b)，系统参数部分是将系统界面上设置的相关参数以更为清楚、直观的形式展示；仿真结果部分是以数据形式展示仿真整个过程，包括低频减载装置基本轮和特殊轮的动作情况、稳定时刻的频率大小以及稳定后系统的负荷状态等。

表2(a)

表2(b)

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种电力系统低频减载虚拟实验实现方法，其特征是：构建计及低频减载过程的单机等值扩展模型和平均系统频率模型，其中：

所述计及低频减载过程的单机等值扩展模型包括发电机转子模块、负荷模块、低频减载动作模块和发电机原动机-调速器模块，

所述发电机转子模块的输出量是频率的变化量，输入量是发电机机械功率和电磁功率的差值；

所述负荷模块的输出量提供给发电机转子模块，输入量是发电机转子模块的输出量；

所述低频减载动作模块的输出量提供给发电机转子模块，输入量是发电机转子模块的输出量；

所述发电机原动机-调速器模块的输出量提供给发电机转子模块，输入量是发电机转子模块的输出量，其输出量和输入量的关系取决于原动机-调速器系统选取的模型；

所述平均系统频率模型包括各发电机的转子模块、各负荷模块、各发电机原动机-调速器系统模块和频率处理模块，所述各发电机的转子模块、各负荷模块和各发电机原动机-调速器系统模块和单机等值扩展模型中的相应模块相同，各模块与相应的发电机和负荷一一对应，频率处理模块是对各台发电机组的频率输出量加权平均，得到统一变化的系统频率响应；

利用构建的两个模型进行参数配置，对电力系统低频减载进行虚拟实验。

2.如权利要求1所述的一种电力系统低频减载虚拟实验实现方法，其特征是：所述发电机转子模块的输出量是频率的变化量Δf，输入量是发电机机械功率和电磁功率的差值，包括系统扰动功率ΔP_d、负荷频率静态特性的影响ΔP_L、低频减载切除负荷的影响ΔP_shed和发电机一次调频作用的影响ΔP_G，其输入量和输出量之间的关系是：

<mrow> <mn>2</mn> <mi>H</mi> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>d&amp;Delta;f</mi> <mo>*</mo> </msub> </mrow> <mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mrow> <mi>G</mi> <mo>*</mo> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mo>*</mo> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mo>*</mo> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;P</mi> <mrow> <mi>L</mi> <mi>s</mi> <mi>h</mi> <mi>e</mi> <mi>d</mi> <mo>*</mo> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

其中*表示标幺值形式，H表示发电机的惯性时间常数。

3.如权利要求1所述的一种电力系统低频减载虚拟实验实现方法，其特征是：所述负荷模块的输出量提供给发电机转子模块，即负荷频率静态特性影响下的有功功率变化量ΔP_L，输入量是发电机转子模块的输出量，其输入量和输出量之间的关系是：

ΔP_L＝P_L0(K_L*·Δf_*) (2)

其中K_L是负荷的频率调节特性系数，P_L0是负荷的额定功率。

4.如权利要求1所述的一种电力系统低频减载虚拟实验实现方法，其特征是：所述低频减载动作模块的输出量为低频减载切除负荷造成的有功功率变化量，其输入量和输出量的关系取决于具体的低频减载整定方案。

5.如权利要求1所述的一种电力系统低频减载虚拟实验实现方法，其特征是：发电机调速系统模型，包括但不限于经典简化模型、IEEEG1汽轮机模型和IEEEG3水轮机模型。

6.如权利要求1所述的一种电力系统低频减载虚拟实验实现方法，其特征是：所述平均系统频率模型计及低频减载过程，即添加低频减载动作模块，并将由于低频减载导致有功功率的变化量作为该模块的输出量和各发电机转子模块的输入量，将系统频率的加权平均值作为低频减载动作模块的输入量，最终得到关于计及低频减载的平均系统频率模型。

7.一种电力系统低频减载虚拟实验系统，其特征是：包括单机系统部分和多机系统部分，其中：

单机系统部分，实现对单机带三负荷系统的低频减载过程仿真，认识低频减载的整体过程和系统参数特性；

多机系统部分，实现对小规模任意节点的实际电力系统进行低频减载过程的实验仿真，得到实际的电力系统低频减载过程中，多台机组之间频率稳定控制的协调过程。

8.如权利要求7所述的一种电力系统低频减载虚拟实验系统，其特征是：包括模式选择模块、配置参数模块和显示模块，其中：

所述模式选择模块，被配置为选取虚拟实验系统的仿真模式；

所述配置参数模块，被配置为设置待仿真系统的各项元件参数；

所述显示模块，被配置为具有工具栏、菜单栏和图文显示窗口，以接收输入的试验或仿真命令，调取构建模型模块的结果，显示试验或仿真图形。

9.如权利要求7所述的一种电力系统低频减载虚拟实验系统，其特征是：模式选择模块的仿真模式，被配置为：

单系统仿真模式，针对单个系统的完整低频减载过程进行仿真，包括基本轮和特殊轮，具体分析低频减载的动态过程以及参数的变化；

多系统对比模式，配置新的系统及相应参数，对比几个系统的频率仿真图像和结果数据，得到参数的变化或低频减载整定方案的调整对低频减载频率特性的影响。

10.如权利要求7所述的一种电力系统低频减载虚拟实验系统，其特征是：显示模块显示时，被配置为：

单系统仿真模式时，仿真图像展示系统频率f、发电机机械功率变化量ΔP_G、负荷受频率静态特性影响的功率变化量ΔP_L这三种参数的变化曲线；

多系统对比模式时，图形只展示频率f的变化曲线；

单系统和多系统的低频减载实验是采用计及低频减载过程的单机等值扩展模型和ASF模型进行频率动态响应分析。