CN110112755A - 一种高周切机方案的设计方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高周切机方案的设计方法及系统，根据电网情况设置高周切机的参数，所述参数包括高周切机首末轮频率定值、高周切机的动作延时、高周切机的切机总量、高周切机的每级切除量，预设不同运行方式下系统出现的各种故障，使用PSD‑BPA潮流计算程序对高周切机方案进行校验，根据校验结果对高周切机方案进行调试，使得到的高周切机方案适用于电网系统不同运行方式下可能发生的不同故障。

Description

一种高周切机方案的设计方法及系统

技术领域

本发明涉及一种高周切机方案的设计方法及系统，属于电力系统技术领域。

背景技术

随着我国跨区域互联电网的不断发展，大容量远距离输电成为我国电网的一个重要特点。对于西部城市而言大规模风电、光伏等新能源通过高压交直流远距离大容量外送，是我国新能源开发的主要模式。当输送通道因故中断，电网极易因大量的功率过剩造成电网解列，进而出现严重的高频问题，威胁到电网安全。作为电网第三道防线中的高频切机是防御直流闭锁故障下高频危害的重要频率紧急控制措施。

电力系统的频率反映了系统中发电机组发出的有功功率与负荷所需有功功率之间的平衡状况。当由于故障而出现较大的有功功率缺额时，系统的频率将会下降；当系统由于故障出现较大的功率盈余时，系统的频率将会上升。因此提供一种高周切机方案，参照所述方案，在系统频率上升到一定值时切除掉一定的机组非常必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高周切机方案的设计方法及系统，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷或缺陷之一。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种高周切机方案的设计方法，方法包括如下步骤：

设置高周切机方案相关参数；

根据电力系统的运行方式预设系统中可能出现的故障，将设置的高周切机方案相关参数和系统中可能出现的故障的相关参数输入PSD-BPA潮流计算程序中，获取切机后电力系统的稳态频率、切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率；

若切机后电力系统的稳态频率和切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率满足电力系统安全运行的频率要求，输出高周切机方案，否则，重新设置高周切机方案的相关参数。

所述高周切机方案相关参数包括高周切机首末轮频率定值、高周切机的动作延时、高周切机的切机总量、高周切机的每级切除量。

进一步的，设置高周切机的切机总量的方法包括如下步骤：

获取电力系统发生极端故障时系统出现的最大功率盈余量；

设置高周切机的切机总量为最大功率盈余量的0.8～0.95倍。

进一步的，设计高周切机的首末轮频率定值的方法包括如下步骤：

设置高周切机的首轮频率整定值、级差、切机轮次；

根据高周切机的首轮频率整定值、级差、切机轮次，获取末轮频率整定值。

优选的，所述级差为0.2～0.3Hz；

所述首轮频率整定值为50.5～51.0Hz；

所述切机轮次为3～5轮；

所述末轮频率整定值小于51.4Hz。

优选的，所述高周切机的动作延时t≤0.3S。

进一步的，设置高周切机的每级切除量的方法包括如下步骤：

设置高周切机的切机方法；

根据高周切机的切机总量，参照高周切机的切机方法，获取高周切机的每级切除量。

高周切机的切机方法包括均匀分配切机量法、前加速切机法、后加速切机法；

前加速切机法的每轮切机量满足第i轮切机量>第i+1轮切机量；

后加速切机法的每轮切机量满足第h轮切机量＜第h+1轮切机量。

第二方面，本发明提供了一种高周切机方案的设计系统，系统包括：

设置模块：用于设置高周切机方案相关参数；

获取模块：用于根据电力系统的运行方式预设系统中可能出现的故障，将设置的高周切机方案相关参数和系统中可能出现的故障的相关参数输入PSD-BPA潮流计算程序中，获取切机后电力系统的稳态频率、切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率；

输出模块：若切机后电力系统的稳态频率和切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率满足电力系统安全运行的频率要求，输出高周切机方案。

所述设置模块还用于，当切机后电力系统的稳态频率和切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率不满足电力系统安全运行的频率要求，设置新的高周切机方案相关参数。

本发明提供的高周切机方案的设计方法及系统，根据电网情况设置高周切机方案的各种参数，再预设不同运行方式下系统出现的各种故障，使用PSD-BPA潮流计算程序对高周切机方案的设计进行校验和调试，使高周切机方案适用于不同运行方式下的不同故障。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的高周切机方案的设计方法流程图；

图2是根据本发明实施例提供的是山西电网大负荷方式系统分布潮流图；

图3是根据本发明实施例提供的大负荷运行方式下晋北-北京西N-2频率曲线；

图4是根据本发明实施例提供的大负荷运行方式下晋中-石家庄N-2频率曲线；

图5是根据本发明实施例提供的大负荷运行方式下雁淮直流双极闭锁山西频率曲线；

图6是根据本发明实施例提供的山西电网小负荷运行方式系统分布潮流图；

图7是根据本发明实施例提供的小负荷运行方式下晋北-北京西N-2频率曲线；

图8是根据本发明实施例提供的小负荷运行方式下晋中-石家庄N-2频率曲线；

图9是根据本发明实施例提供的小负荷运行方式下雁淮直流双极闭锁山西频率曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

当电力系统在实际可能的各种运行情况下，因故发生突然的功率盈余故障后，应能及时切除一定量的机组，使保留运行的系统部分能迅速恢复到额定频率附近继续运行，不发生频率崩溃，也不使事件后的系统频率长期悬浮于一过高或过低数值。

参照图1，本实施例提供的高周切机方案的设计方法，包括如下步骤：

步骤1：根据电力系统中电网结构及运行方式，设置高周切机的方案参数。

步骤1.1：设置高周切机的切机总量；

通过获取电力系统电网的发电量和电力系统的负荷量，得到电力系统可能出现的最大功率盈余量，最大功率盈余量＝电力系统电网的发电量-电力系统电网的负荷量；

确定高周切机的切机总量时，应考虑电力系统发生极端故障的情况，确定系统可能出现的最大功率盈余量的时候应考虑在最大外送方式下发生极端故障造成电网联络线解列的情况；以电力系统的某一联络线发生短路故障后跳开致使该送端电网与主网异步运行而后其余联络线解列为例，该电力系统的最大功率盈余量即为发生短路故障前通过联络线外送的功率之和。

考虑到电网机组的一次调频，高周切机的切机总量的选取应低于最大功率盈余量，一般情况下，高周切机的切机总量选取为最大功率盈余量的0.8～0.95倍。

步骤1.2：设置高周切机的轮次：

切机轮次的选取应根据实际电网的运行情况，切机轮次过少时，电力系统发生故障后易发生过切现象，轮次过多会使高周切机方案配置复杂且不容易保证轮次之间的选择性。

若是送端电网外送联络线数量较少，可造成的故障形式较为简单，则高周切机轮次应减少，使高周切机方案对特定的功率盈余故障相对有针对性；

若是送端电网外送联络线数量较多，可造成的故障形式较为复杂，可造成的功率盈余故障情况较多，应增加切机轮次，使高周切机方案可以应对于各种运行方式的故障，增加其适应能力。

选取高周切机的轮次为3～5轮。

步骤1.3：设置高周切机的首末轮频率定值、级差：

首轮频率整定值低有利于抑制功率盈余故障发生时频率上升的速度，首轮频率整定值高有利于机组一次调频功能的充分利用进而减少切机量；一般在最大可外送电源占比较高的送端电网中首轮频率整定值应设置较低，最大外送电源占比不是特别高的送端电网中首轮频率整定值可适当设置较高。

由于机组正常运行频率为49.5～50.5Hz，因此高周切机首轮频率整定值一般应不低于50.5Hz；考虑到首轮频率整定值太高不能及时制止频率的上升，所以首轮频率整定值应不高于51.0Hz。

50.5Hz≤首轮频率整定值≤51.0Hz。

级差是相邻轮次之间的频率之差，当所选级差过小，低频减载装置容易失去选择性；当所选级差过大，切机轮次会相应减少，容易导致过切现象的发生，从而使频率下降到危险点以下甚至触发低频减载；

高周切机的级差选择应在0.2～0.3Hz为宜。

设置高周切机的末轮频率整定值：根据高周切机的末轮频率整定值计算公式，获取末轮频率整定值，末轮频率整定值计算公式为：末轮频率整定值＝首轮频率整定值+级差×轮次；末轮频率整定值不应高于机组的高频保护值，并且要留有一定的裕度，末轮频率整定值小于51.4Hz。。

步骤1.4：设置高周切机的动作延时：

高周切机的动作延时主要是指人为延时，人为延时主要为了提高高周切机性能，防止由于系统故障发生时的一些振荡而导致的误动，保证动作的选择性；若延时过大则高周切机装置动作缓慢，不能及时动作制止频率上升。当送端电网的外送功率较大且功率盈余风险较为严重时可以减少延时，使故障后高周切机装置可以快速动作以及时制止频率上升。

一般延时不超过0.3s为宜。

步骤1.5：设置高周切机的每级切除量：

当高周切机装置每轮的切除量较大时，容易发生过切现象，当高周切机装置每轮的切除量较小时，则需要更多轮次才能达到切除总量的要求，不利于系统频率的恢复。

高周切机的切机方法方法包括均匀分配切机法、前加速切机法、后加速切机法，在选择不同的高周切机的切机方法进行切机时，保持高周切机的切机总量不变；

一般情况下电网都使用均匀切除方法，均匀分配切机量法即将切机量均匀的分配给每轮，每轮切除相同的负荷；均匀分配切机法的特点是简单易行、对各种故障适应能力较强；

若电网较为坚强且外送功率较小，例如联络线N-2故障后系统也不会解列的电网系统，则基本不会发生故障后频率急速上升且频率超过51.5Hz的情况，在前几轮切除少量机组让频率恢复即可，可考虑使用后加速法，后加速法即在后几轮加大切机量，使得在应对小功率盈余故障时少切机组，提高系统的经济性，后加速法的每轮切机量满足第h轮切机量<第h+1轮切机量；

若是电网不够坚强且外送功率较大，例如发生直流双极闭锁或者联络线N-2后电网会发生解列且频率上升较快，高频风险较大的电网系统，则可以考虑使用前加速法，前加速法即在首轮或前几轮加大切机量，从而尽早制止频率的上升；但前加速法存在过切的风险；前加速法的每轮切机量满足第i轮切机量>第i+1轮切机量；

步骤2：高周切机方案的调试：

考虑电力系统在不同运行方式下可能发生的故障，重点考虑大负荷和小负荷运行方式下可能存在的不同故障，并把稳控装置拒动的严重情况作为确定高周切机方案的重要故障；

将根据步骤1设置的高周切机方案参数和系统中可能出现的极端故障的相关参数输入PSD-BPA潮流计算程序中，获取电力系统切机后的稳态频率值、切机后发生故障时的电网瞬时最高频率值：

由于系统正常运行频率为49.5～50.5Hz之间，低于49.5Hz意味着高周切机发生了严重的过切现象，不满足频率安全的要求，一般大型机组频率高于51.5Hz后高频保护会动作，使大量机组脱网，造成电网崩溃，所以故障后电网瞬时值不能高于51.5Hz；若获取的切机后电力系统的的稳态频率值不低于49.5Hz，且切机后发生故障后的电网瞬时最高频率值不高于51.5Hz，认为切机后的电力系统的稳态频率和切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率满足电力系统安全运行的频率要求，则对应的高周切机方案满足要求，输出高周切机方案；

否则，参照步骤1设置新的高周切机方案的设计参数，重新进行高周切机方案的设计，并根据上述方法获取使用重新调试的高周切机方案得到的电力系统切机后的稳态频率值、切机后发生故障时的电网瞬时最高频率值，判断新获取的切机后电力系统的稳态频率和切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率是否满足电力系统安全运行的频率要求。

在PSD-BPA程序的SWI文件中填写RM卡，在RM卡中填写相关参数参数包括；相关参数包括：发电机节点名、发电机基准电压、有时延的低频/高频设定的频率值、低频/高频设定的延时；填写故障卡，包括直流双极闭锁故障卡、线路N-2故障卡等，模拟需要校验的极端故障；

电网内需要参与高周切机的机组均需要填写RM卡，使得每一轮切机的机组总量和等于高周切机每一轮切机量，例如，高周切机第一轮设计切机量为7000MW，需要满足第一轮切机的机组的功率和为7000W，高周切机第二轮设计切机量为6000MW，则需要满足第二轮切机的机组的功率和为6000MW。

本发明实施例就山西省送端电网的具体实施案例对方法适用性进行验证，高周切机方案设计主要包括设计切机总量、首末轮频率整定值、轮次、级差、延时、每级切负荷量6个参数，并采用PSD-BPA机电暂态仿真软件，对方法的适应性进行验证。

山西电网大负荷运行方式系统分分布潮流图参照图2，在山西电网四回特高压落地，500KV线路全解环大负荷方式下，山西电网电源约55000MW，本地负荷约35000MW,晋北-北京西特高压输送功率约8400MW，晋中-石家庄特高压输送功率约8700MW，长南线南送约5700MW，雁淮直流输送功率约8000MW；

设置高周切机的切机总量：高周切机的切机总量根据最大可能的功率盈余来确定，考虑到大负荷方式下山西最大外送功率约为30000MW，并考虑到故障后机组调速器的作用，切机量应略低于山西最大外送电功率，故暂设计高周切机的切机总量为28000MW，约为最大外送点功率的93％；

设置高周切机的首末频率定值：首轮频率整定值低有利于抑制功率盈余故障发生时频率上升的速度，首轮频率整定值高有利于机组一次调频功能的充分利用进而减少切机量。山西电网电源约64300MW(含蒙西、榆横特高压配套电源)，外送30000MW，约占总体电源的46.7％，外送比例较大，山西电网故障解列后功率盈余较大，需要将首轮频率设置降低，设置为50.5Hz，末轮频率整定值暂时设置为51.1Hz。

设置高周切机轮次：山西电网外送电源通道较多，晋北-北京西特高压输送功率约8400MW，晋中-石家庄特高压输送功率约8700MW，长南线南送约5700MW，雁淮直流输送功率约8000MW。在极限输送功率下若失去一条送电通道且安全稳定控制装置不动作，则山西电网很可能与华北主网异步运行造成解列。鉴于联络线数量较多，可能的故障情况复杂，需加大高周切机方案的轮次，暂设置为四轮。

级差、高周切机的动作延时、每级切除量的确定：山西电网外送功率较大，外送电占比较高，解列故障后电网频率特性不容乐观，需要减少动作延时，尽快切除机组，恢复频率稳定，暂设置延时为0.1s；选择均匀分配切机量法，每级切除量相等，级差和首末轮频率整定值相互制约，暂时设置级差为0.2Hz。

高周切机的方案参数参照表1：

表1

轮次	整定频率/Hz	延时/S	切机量/MW
				1	50.5	0.1	7000
2	50.7	0.1	7000
				3	50.9	0.1	7000
4	51.1	0.1	7000

参照步骤1对系统的高周切机方案进行初步设计之后，参照步骤2在电网的大负荷运行方式与小负荷运行方式下进行各种极端故障的频率稳定性校验。(a)在大负荷方式下校验各种极端故障发生后系统的频率稳定性

参照图3，在四回特高压落地九回联络线全解大负荷方式下，晋北～北京西发生N-2故障后，长南线和晋中～石家庄解列，山西盈余功率约达22000MW，占山西电源总量(含蒙西和榆林特高压电源)的34.2％，高周切机动作三轮，共切除机组功率约为21000MW，山西电网频率瞬时最高达到51.02Hz,高周切机动作后系统稳态频率达49.9Hz。

参照图4，在四回特高压落地九回联络线全解小负荷方式下，晋中～石家庄发生N-2故障后，长南线和晋北～北京西解列，山西盈余功率约达22000MW，占山西电源总量(含蒙西和榆林特高压电源)的34.2％，高周切机动作三轮，共切除机组功率约为21000MW，山西电网频率瞬时最高达到51.02Hz,高周切机动作后系统稳态频率达50.02Hz。

参照图5，在四回特高压落地九回联络线全解大负荷方式下，雁淮直流双极闭锁故障后，长南线和晋中～石家庄，晋北～北京西解列，山西盈余功率约达30000MW，占山西电源总量(含蒙西和榆林特高压电源)的46.6％，高周切机动作四轮，共切除机组功率约为28000MW，山西电网频率瞬时最高达到51.45.Hz,高周切机动作后系统稳态频率达50.05Hz。

电网在大负荷运行方式下，发生极端故障后的相关特性和高周切机方案如表2所示：

表2

参照设计的高周切机方案进行切机，电网系统在发生如表2所示的故障后的稳态频率值不低于设定的49.5Hz，发生故障后的电网瞬时最高频率值不高于51.5Hz，即设计的高周切机方案满足各种极端故障后频率稳定的要求。

(b)在小负荷方式下校验各种极端故障发生后系统的频率稳定性

山西电网小负荷运行方式系统分分布潮流图如图6所示，在四回特高压落地，500KV线路全解环，小负荷方式下，山西电网电源约33700MW，蒙西配套特高压电源约3600MW，榆林特高压电源约4000MW，山西本地负荷约18000MW,晋北-北京西特高压输送功率约5260MW，晋中石家庄特高压输送功率约6670MW，长南线南送约5000MW，雁淮直流输送功率约8000MW。

参照图7，在四回特高压落地九回联络线全解小负荷方式下，晋北～北京西发生N-2故障后，长南线和晋北～北京西解列，山西盈余功率约达17000MW，占山西电源总量(含蒙西和榆林特高压电源)的41.1％，高周切机动作三轮，共切除机组功率约为21000MW，山西电网频率瞬时最高达到51.08.Hz,高周切机动作后系统稳态频率达49.6Hz。

参照图8，在四回特高压落地九回联络线全解小负荷方式下，晋中～石家庄发生N-2故障后，长南线和晋北～北京西解列，山西盈余功率约达17000MW，占山西电源总量(含蒙西和榆林特高压电源)的41.1％，高周切机动作三轮，共切除机组功率约为21000MW，山西电网频率瞬时最高达到50.92Hz,高周切机动作后系统稳态频率达49.6Hz。

参照图9，在四回特高压落地九回联络线全解小负荷方式下，雁淮直流双极闭锁故障后，长南线解列，山西盈余功率约达13000MW，山西电网频率瞬时最高达到50.42Hz,山西电网未形成孤网，高周切机不需要动作。

电网在小负荷运行方式下，发生极端故障后的相关特性和高周切机方案如表3所示：

表3

参照设计的高周切机方案进行切机，电网系统在发生如表3所示的故障后的稳态频率值不低于设定的49.5Hz，发生故障后的电网瞬时最高频率值不高于51.5Hz，即设计的高周切机方案满足各种极端故障后频率稳定的要求。

本发明实施例还提供了一种高周切机方案的设计系统，用于实现上述高周切机方案的设计方法，系统包括：

设置模块：用于设置高周切机方案参数；

获取模块：用于根据电力系统的运行方式预设系统中可能出现的故障，将设置的高周切机方案相关参数和系统中可能出现的故障相关参数输入PSD-BPA潮流计算程序中，获取切机后电力系统的稳态频率、切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率；

输出模块：若获取的切机后的稳态频率值不低于满足电力系统安全运行要求的稳态频率值，切机后发生故障时的电网瞬时最高频率值不高于满足电力系统安全运行要求的最高频率值，输出高周切机方案；

所述设置模块还用于，当获取的切机后的稳态频率值低于满足电力系统安全运行要求的稳态频率值和或切机后发送故障后的电网瞬时最高频率值高于满足电力系统安全运行要求的最高频率值时，设置新的高周切机方案的设计参数。

本发明实施例提供的高周切机方案的设计方法及系统，根据电网情况设置高周切机方案的各种参数，再预设不同运行方式下系统出现的各种故障，使用PSD-BPA潮流计算程序对高周切机方案的设计进行校验和调试，使高周切机方案适用于不同运行方式下的不同故障，能在各种运行方式发生极端严重故障下保证系统的频率不升高至机组的高频跳闸保护频率而使机组大规模脱网造成系统失稳；本发明实施例分析了高周切机方案中不同参数对高周切机方案适应能力的影响，为电网增强其高周切机方案适应能力提供了借鉴；本发明提出了三种高周切机切机方法，包括均匀分配切机量法、前加速法、后加速法以适应不同规模的送端电网。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高周切机方案的设计方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

设置高周切机方案相关参数；

根据电力系统的运行方式预设系统中可能出现的故障，将设置的高周切机方案相关参数和系统中可能出现故障的相关参数输入PSD-BPA潮流计算程序中，获取切机后电力系统的稳态频率、切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率；

若切机后电力系统的稳态频率和切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率满足电力系统安全运行的频率要求，输出高周切机方案，否则，重新设置高周切机方案的相关参数。

2.根据权利要求1所述的高周切机方案的设计方法，其特征在于，所述高周切机方案相关参数包括高周切机首末轮频率定值、高周切机的动作延时、高周切机的切机总量、高周切机的每级切除量。

3.根据权利要求2所述的高周切机方案的设计方法，其特征在于，设置高周切机的切机总量的方法包括如下步骤：

获取电力系统发生极端故障时系统出现的最大功率盈余量；

设置高周切机的切机总量为最大功率盈余量的0.8～0.95倍。

4.根据权利要求2所述的高周切机方案的设计方法，其特征在于，设置高周切机的首末轮频率定值的方法包括如下步骤：

设置高周切机的首轮频率整定值、级差、切机轮次；

根据高周切机的首轮频率整定值、级差、切机轮次，获取末轮频率整定值。

5.根据权利要求4所述的高周切机方案的设计方法，其特征在于，所述级差为0.2～0.3Hz；

所述首轮频率整定值为50.5～51.0Hz；

所述切机轮次为3～5轮；

所述末轮频率整定值小于51.4Hz。

6.根据权利要求2所述的高周切机方案的设计方法，其特征在于，所述高周切机的动作延时t≤0.3S。

7.根据权利要求2所述的高周切机方案的设计方法，其特征在于，设置高周切机的每级切除量的方法包括如下步骤：

设置高周切机的切机方法；

根据高周切机的切机总量，参照高周切机的切机方法，获取高周切机的每级切除量。

8.根据权利要求7所述的高周切机方案的设计方法，其特征在于，高周切机的切机方法包括均匀分配切机量法、前加速切机法、后加速切机法；

前加速切机法的每轮切机量满足第i轮切机量>第i+1轮切机量；

后加速切机法的每轮切机量满足第h轮切机量＜第h+1轮切机量。

9.一种高周切机方案的设计系统，其特征在于，所述系统包括：

设置模块：用于设置高周切机方案相关参数；

获取模块：用于根据电力系统的运行方式预设系统中可能出现的故障，将设置的高周切机方案相关参数和系统中可能出现的故障的相关参数输入PSD-BPA潮流计算程序中，获取切机后电力系统的稳态频率、切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率；

输出模块：若切机后电力系统的稳态频率和切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率满足电力系统安全运行的频率要求，输出高周切机方案

所述设置模块还用于，当切机后电力系统的稳态频率和切机后电力系统发生故障时的电网瞬时最高频率不满足电力系统安全运行的频率要求，设置新的高周切机方案相关参数。