CN110165679B - 计及系统频率和电压特性的自适应切负荷方法 - Google Patents

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CN110165679B CN201910431497.5A CN201910431497A CN110165679B CN 110165679 B CN110165679 B CN 110165679B CN 201910431497 A CN201910431497 A CN 201910431497A CN 110165679 B CN110165679 B CN 110165679B
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Abstract

本发明提供了一种紧急情况下计及系统频率和电压特性的自适应切负荷方法，计算系统紧急情况下的不平衡功率；确定切负荷动作轮次和各轮次的动作频率值、动作时延、切负荷量；根据母线电压灵敏度确定切负荷地点，分配切负荷量；根据负荷重要性和频率变化率，选择切除负荷。本发明根据系统紧急情况下的频率、电压特性动态整定功率缺额，根据母线电压灵敏度动态分配各负荷节点的切负荷量，比传统离线整定切负荷量方法的自适应性及切负荷的准确性更高，避免了系统出现过切的情况，提高了系统运行的经济性。

Description

计及系统频率和电压特性的自适应切负荷方法
技术领域
本发明电力电子技术，具体涉及一种计及系统频率和电压特性的自适应切负荷方法。
背景技术
在电网遭受扰动时，切负荷装置可以根据系统功率缺额有选择地切除部分负荷，使频率和电压尽快恢复到正常运行状态，对维护电力系统安全稳定运行具有重要的意义。传统的切负荷方案需要先进行电网稳定计算，离线整定出各故障状态下系统的需切量和动作轮次，形成相应的策略表，发生故障时，再根据系统的实际情况和策略表，依次动作切除多余的负荷。由于通过离线计算系统可能遇到最严重方式下的功率缺额来分配各个轮次的切负荷量，其本质上是一种静态分析的手段，未考虑到频率、电压和负荷动态特性的交互影响，与电网实际故障导致的实时功率缺额不一定匹配，切负荷的准确性不高，无法适应于运行方式多变、故障状态多变、不确定因素多的互联大系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种计及系统频率和电压特性的自适应切负荷方法，以提高切负荷的准确性。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种紧急情况下计及系统频率和电压特性的自适应切负荷方法，包括以下步骤：
步骤1、计算系统紧急情况下的不平衡功率；
步骤2、确定切负荷动作轮次和各轮次的动作频率值、动作时延、切负荷量；
步骤3、根据母线电压灵敏度确定切负荷地点，分配切负荷量；
步骤4、根据负荷重要性和频率变化率，选择切除负荷。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明根据系统紧急情况下的频率、电压特性动态整定功率缺额，根据母线电压灵敏度动态分配各负荷节点的切负荷量，比传统离线整定切负荷量方法的自适应性及切负荷的准确性更高；2)本发明优先切除三类负荷，若三类负荷量小于应切负荷量，再根据紧急情况下的系统频率变化率按比例进行选切二类负荷，在保证有效恢复频率和电压的同时，还能够避免系统出现过切的情况，减少由于切除第二类负荷造成的经济损失。
附图说明
图1是本发明计及系统频率和电压特性的自适应切负荷方法的流程图。
图2是惯量中心频率变化率-第二类负荷切除比例的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步说明本发明方案。
如图1所示，计及系统频率和电压特性的自适应切负荷方法，具体包括以下步骤：
步骤1：计算系统紧急情况下的不平衡功率。
本发明提出的自适应切负荷方法综合考虑了系统紧急情况下的频率、电压特性，根据惯量中心频率变化率、母线电压变化情况等参数计算出紧急情况下系统的有功功率缺额。
步骤11：计算出系统的等效惯性时间常数、惯量中心频率、有功功率缺额等参数。
系统等效惯性时间常数Heq：
Figure BDA0002069133780000021
式中，Hi表示第i台发电机惯性时间常数。
系统惯量中心频率fCOI：
Figure BDA0002069133780000022
式中，fi表示第i台发电机频率。
步骤12：计算系统紧急情况下的不平衡功率。
系统需要调整的总减载量Pshed为：
Figure BDA0002069133780000023
式中，Seq为系统中所有发电机的额定功率之和，fN为系统额定频率，PSR为系统的旋转备用容量，PL0,i表示扰动前母线i的负荷有功功率值，U0,i、Ui表示扰动发生前负荷母线i的电压和当前的电压值；m为系统中所有负荷母线的数量；αi为负荷功率随电压变化的指数。
对于系统不同条件下的初始负荷PL0,i和指数αi，系统的实际功率缺额的变化程度是不同的，因为负荷的变化普遍受到频率和电压共同作用的影响，PL0,i、αi和母线电压Ui对负荷功率都有影响。同时，由于考虑了负荷的母线电压变化，通过式(3)确定系统扰动功率的时间相比单一采用频率变化率所用的时间留下了一定的裕度。
步骤2：确定切负荷动作轮次和各轮次的动作频率值、动作时延、切负荷量。
传统低频低压切负荷方法，在根据系统扰动后的频率、电压特性计算出功率缺额后，通常按照轮次法将功率缺额分配到切负荷动作的各个轮次，以有效抑制频率下降。轮次法一般分为基本轮和特殊轮，基本轮的作用是通过切除一定量的负荷防止频率进一步下降，特殊轮的作用是为了避免系统在切负荷动作后频率悬浮于某一过低频率值。基于轮次法的思想，本发明提出一种切负荷轮次和切负荷量的确定方法，各轮次的切负荷量由上一轮切负荷装置动作后的频率变化情况整定得到。
本发明将基本轮设置为m轮，特殊轮设置为n轮，并设置各轮次需要整定的参数，包括每轮的动作频率值、动作时延、切负荷量等。通常切负荷动作的轮次越多、每轮动作频率相差的越少，其阻止频率的下降速度和下降维度的效果就越好。但是切负荷的轮次变多之后会导致每轮动作的配合难度增加并且延时选择复杂，所以通常m设定为3～8轮，级差取0.2Hz。特殊轮的设置是为了避免系统频率长时间悬浮于不可接受的数值，所以各轮次的整定参数可以相同，通常n设定为3～5轮。基本轮动作频率值一般不超过49.3Hz并不低于47Hz，特殊轮动作频率上限比基本轮高0.1～0.2Hz。由于短路故障系统会出现频率暂态波动，切负荷装置需要加入动作延时避免装置误动，一般设定基本轮延时为0.2s，特殊轮动作延时则根据具体方案设置成5～20s。
根据上述整定规则，以m为5、n为3，即基本轮分为5轮，特殊轮分为3轮为例，说明各轮次切负荷量、动作频率值、动作延时的具体整定方法。
(1)整定基本轮第一轮动作值
动作频率49.25Hz，动作延时0.2s。
应切负荷总量Pshed,1由式(3)计算得出，其中dfCOI/dt由dfCOI,1/dt代替，dfCOI,1/dt为紧急情况下测得的系统惯量中心频率变化率。基本轮的第一轮分配的切负荷量P’shed,1整定为：
P’shed,1＝k1Pshed,1 式(4)
式中，k1为第一轮切负荷比例系数，通过仿真实验，在电网结构和故障类型相同的情况下，分别观察切除不同比例的负荷对系统频率恢复情况的影响，选择频率恢复值最高的切负荷比例系数整定为k1。不同的电网结构和频率变化情况dfCOI,1/dt整定得到的k1值不同。
(2)整定基本轮第二轮动作值
动作频率49.05Hz，动作延时0.2s。
应切负荷总量Pshed,2由式(3)计算得出，其中dfCOI/dt由dfCOI,2/dt代替，dfCOI,2/dt为第二轮切负荷动作前测得的系统惯量中心频率变化率。基本轮的第二轮分配的切负荷量P’shed,2整定为：
P’shed,2＝k2Pshed,2 式(5)
式中，k2为第二轮切负荷比例系数，整定方法同k1。
(3)整定基本轮第三轮动作值
动作频率48.85Hz，动作延时0.2s。
应切负荷总量Pshed,3由式(3)计算得出，其中dfCOI/dt由dfCOI,3/dt代替，dfCOI,3/dt为第三轮切负荷动作前测得的系统惯量中心频率变化率。基本轮的第三轮分配的切负荷量P’shed,3整定为：
P’shed,3＝k3Pshed,3 式(6)
式中，k3为第三轮切负荷比例系数，整定方法同k1。
(4)整定基本轮第四轮动作值
动作频率48.65Hz，动作延时0.2s。
应切负荷总量Pshed,4由式(3)计算得出，其中dfCOI/dt由dfCOI,4/dt代替，dfCOI,4/dt为第四轮切负荷动作前测得的系统惯量中心频率变化率。基本轮的第四轮分配的切负荷量P’shed,4整定为：
P’shed,4＝k4Pshed,4 式(7)
式中，k4为第四轮切负荷比例系数，整定方法同k1。
(5)整定基本轮第五轮动作值
动作频率48.45Hz，动作延时0.2s。
应切负荷总量Pshed,5由式(3)计算得出，其中dfCOI/dt由dfCOI,5/dt代替，dfCOI,5/dt为第五轮切负荷动作前测得的系统惯量中心频率变化率。基本轮的第五轮分配的切负荷量P’shed,5整定为：
P’shed,5＝k5Pshed,5 式(8)
式中，k5为第五轮切负荷比例系数，整定方法同k1。
(6)整定特殊轮动作值
特殊轮共设置3轮，每一轮的整定规则相同，如下：
动作频率49.5Hz，动作延时5s，切负荷量设定为：
P’shed,spe＝kspePshed,1 式(9)
式中，kspe为特殊轮切负荷比例系数，取0.08～0.1。
(7)确定基本轮和特殊轮动作次序
基本轮的作用是通过切除一定量的负荷防止频率进一步下降。当系统出现紧急情况时，切负荷装置检测系统频率变化情况。一旦频率下降到基本轮第一轮阈值时且持续时间超过设定动作延时，基本轮开始动作，切除相应负荷。例如，当频率下降到49.25Hz、持续时间超过0.2s时，基本轮第一轮动作，切除部分负荷，切负荷装置继续检测系统频率变化情况。若频率继续下降到基本轮第二轮动作阈值，则基本轮第二轮动作切除负荷。否则，基本轮动作结束；以此类推，每一轮动作切除负荷后均需要继续检测系统频率变化情况，以判断是否继续动作下一轮并计算功率缺额，直至基本轮操作结束。
特殊轮的作用是避免系统在基本轮切负荷动作后频率悬浮于某一不允许的较低值，其动作在基本轮动作结束之后。电力系统正常运行频率允许值为[49.8Hz,50.2Hz]，当长时间超过这个范围运行时将会对系统及负荷造成损害。在切负荷基本轮动作结束后，切负荷装置继续检测系统频率情况，若恢复频率低于基本轮第一轮阈值的持续时间超过特殊轮动作延时时，如恢复频率低于49.5Hz、持续时间超过5s，则说明系统不稳定，需要特殊轮第一轮动作，切除少量负荷使频率恢复到允许范围内。若特殊轮第一轮动作后频率恢复上升至允许范围，则特殊轮动作结束；否则，若频率仍然低于49.5Hz，则特殊轮第二轮动作切除少量负荷。以此类推，每一轮动作切除负荷后均需要继续检测系统频率恢复情况，以判断是否继续动作下一轮，直至频率恢复至允许值范围或者特殊轮操作结束。
步骤3：根据母线电压灵敏度确定切负荷地点，分配切负荷量。
在确定了功率缺额及切负荷动作轮次后，下一步需要确定每一轮切负荷母线位置和对应母线的切负荷量。当系统受到较大的功率扰动时，仅仅根据电压的下降幅值判断和制定相应的切负荷控制策略是不可靠的。因此本发明采用一种根据电压灵敏度确定切负荷量的分配方法。
母线的V-Q灵敏度表示在给定运行点上Q-V曲线的斜率。当V-Q灵敏度为正值，表示系统稳定运行，灵敏度越小，则系统越稳定。随着系统稳定度的降低，电压灵敏度的幅值增大，当达到稳定极限时，灵敏度为无限大。电压灵敏度反映了系统电压和无功功率的内在关系，电压稳定性差的负荷母线应该作为切负荷地点，且应该切除更多的过负荷量。
Q-V曲线斜率dQi/dVi数值的倒数dVi/dQi定义为电压灵敏度，根据所有母线的电压灵敏度分配各轮切负荷动作时负荷母线的切负荷量。每条负荷母线第k轮切负荷量P’shed,k,i的分配公式为：
Figure BDA0002069133780000051
其中，P′shed,k,i表示第k轮切负荷动作时负荷母线i分配的切负荷量，m表示系统中所有母线数；P′shed,k表示各轮次应切除的负荷量，基本轮和特殊轮的切负荷量分配原理相同。
步骤4：根据负荷重要性和频率变化率选择切除负荷。
电力系统负荷共分为三类，其中一类负荷要保证不间断供电，二类负荷长时间断电将造成较大的经济损失，故在切负荷动作选择时优先切除三类负荷，若三类负荷量无法满足需切量时，可切除部分二类负荷，一类负荷不可切除。本发明提出一种根据频率变化率
Figure BDA0002069133780000061
的大小协调的切负荷分配方案，基本轮和特殊轮的切负荷量分配原理相同，具体为：
步骤4.1：若P′shed,k,i≤Pload,k,i,Ⅲ，即第k轮第i条母线的应切负荷量小于或等于第k轮第i条母线上的三类负荷量时，则应切负荷量全部在三类负荷中选切。
步骤4.2：若P′shed,k,i＞Pload,k,i,Ⅲ，即第k轮第i条母线的应切负荷量大于第k轮第i条母线上的三类负荷量时，则将该母线上的三类负荷全部切除，剩余应切负荷量在第二类负荷中选切，遵循如下规则：
假设切除全部第三类负荷后，剩余的应切负荷量为ΔP′shed,k,i，由式(11)得出：
ΔP′shed,k,i＝P′shed,k,i-Pload,k,i,Ⅲ 式(11)
其中，P′shed,k,i表示第k轮切负荷动作时负荷母线i分配的切负荷量，Pload,k,i,Ⅲ表示第k轮切负荷动作时母线i上的可切三类负荷量。
由于第二类负荷被切除后会造成一定的经济损失，所以本发明提出根据各轮切负荷动作前的频率变化率
Figure BDA0002069133780000062
大小按比例切除剩余的应切负荷量，具体方案如下：
设置第二类负荷切除阈值K，结合惯量中心频率变化率的绝对值
Figure BDA0002069133780000063
确定第二类负荷切除比例kII，当/>
Figure BDA0002069133780000064
时，kII取/>
Figure BDA0002069133780000065
按照/>
Figure BDA0002069133780000066
切除第二类负荷的部分需切量；当/>
Figure BDA0002069133780000067
时，kII的取值恒为1，第二类负荷根据需切量全部切除。仿真实验发现，K一般取[5,10]。
以惯量中心频率变化率的绝对值
Figure BDA0002069133780000068
为横坐标、第二类负荷切除比例kII为纵坐标绘制曲线如图2所示，当/>
Figure BDA0002069133780000069
时图形为一条过原点的一次函数，当/>
Figure BDA00020691337800000610
时图形为一条平行于横坐标的水平直线，确定kII后，第二类负荷切除量由式(12)计算得出：
P′shed,k,i,II＝kIIΔP′shed,k,i 式(12)
其中，P′shed,k,i,II表示在第k轮母线i切除了全部三类负荷后，仍需要在二类负荷中切除的负荷量。由图中的关系可以看出，当
Figure BDA0002069133780000071
时，kII与/>
Figure BDA0002069133780000072
成正比例关系，且频率变化率越大，切除第二类负荷的比例也越大；当/>
Figure BDA0002069133780000073
时，kII的取值恒为1，表示当频率变化率超过K值时，第二类负荷根据需切量全部切除。其中，一次函数的斜率整定与电网结构大小相关，当电网结构较大时，一次函数的斜率取值较小；相反地，当电网结构较小时，一次函数的斜率取值较大。
该方案的最大特点是在系统出现大功率缺额的情况下，在保证有效恢复频率和电压的同时，可以少量欠切第二类负荷量，避免系统出现过切的情况，同时也可以减少由于切除第二类负荷造成的经济损失。

Claims (2)

1.一种紧急情况下计及系统频率和电压特性的自适应切负荷方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、计算系统紧急情况下的不平衡功率；
步骤2、确定切负荷动作轮次和各轮次的动作频率值、动作时延、切负荷量；
步骤3、根据母线电压灵敏度确定切负荷地点，分配切负荷量；
步骤4、根据负荷重要性和频率变化率，选择切除负荷；
步骤1中，计算系统紧急情况下不平衡功率的具体方法为：
步骤1.1、计算系统的等效惯性时间常数、惯量中心频率、有功功率缺额；
系统等效惯性时间常数Heq：
Figure FDA0003970903450000011
式中，Hi表示第i台发电机惯性时间常数；
系统惯量中心频率fCOI：
Figure FDA0003970903450000012
式中，fi表示第i台发电机频率；
步骤1.2、计算系统紧急情况下的不平衡功率；
系统需要调整的总减载量Pshed为：
Figure FDA0003970903450000013
式中，Seq为系统中所有发电机的额定功率之和，fN为系统额定频率，PSR为系统的旋转备用容量，PL0,i表示扰动前母线i的负荷有功功率值，U0,i、Ui表示扰动发生前负荷母线i的电压和当前的电压值；m为系统中所有负荷母线的数量；αi为负荷功率随电压变化的指数；
步骤2中，需要设置基本轮和特殊轮的轮次，以及对应的整定的参数，对于基本轮，轮次取3～8轮，各轮次动作频率值取[47Hz,49.3Hz]，级差取0.2Hz，延时取0.2s；对于特殊轮，轮次取3～5轮，各轮次动作频率值取[49.4Hz,49.5Hz]，延时取5～20s；当基本轮分为5轮、特殊轮分为3轮时，各轮次切负荷量、动作频率值、动作延时的具体整定方法：
(1)整定基本轮第一轮动作值
动作频率49.25Hz，动作延时0.2s；
应切负荷总量Pshed,1由式(3)计算得出，其中dfCOI/dt由dfCOI,1/dt代替，dfCOI,1/dt为紧急情况下测得的系统惯量中心频率变化率；基本轮的第一轮分配的切负荷量P’shed,1整定为：
P’shed,1＝k1Pshed,1 式(4)
式中，k1为第一轮切负荷比例系数，通过仿真实验，在电网结构和故障类型相同的情况下，分别观察切除不同比例的负荷对系统频率恢复情况的影响，选择频率恢复值最高的切负荷比例系数整定为k1；不同的电网结构和频率变化情况dfCOI,1/dt整定得到的k1值不同；
(2)整定基本轮第二轮动作值
动作频率49.05Hz，动作延时0.2s；
应切负荷总量Pshed,2由式(3)计算得出，其中dfCOI/dt由dfCOI,2/dt代替，dfCOI,2/dt为第二轮切负荷动作前测得的系统惯量中心频率变化率；基本轮的第二轮分配的切负荷量P’shed,2整定为：
P’shed,2＝k2Pshed,2 式(5)
式中，k2为第二轮切负荷比例系数，整定方法同k1；
(3)整定基本轮第三轮动作值
动作频率48.85Hz，动作延时0.2s；
应切负荷总量Pshed,3由式(3)计算得出，其中dfCOI/dt由dfCOI,3/dt代替，dfCOI,3/dt为第三轮切负荷动作前测得的系统惯量中心频率变化率；基本轮的第三轮分配的切负荷量P’shed,3整定为：
P’shed,3＝k3Pshed,3 式(6)
式中，k3为第三轮切负荷比例系数，整定方法同k1；
(4)整定基本轮第四轮动作值
动作频率48.65Hz，动作延时0.2s；
应切负荷总量Pshed,4由式(3)计算得出，其中dfCOI/dt由dfCOI,4/dt代替，dfCOI,4/dt为第四轮切负荷动作前测得的系统惯量中心频率变化率；基本轮的第四轮分配的切负荷量P’shed,4整定为：
P’shed,4＝k4Pshed,4 式(7)
式中，k4为第四轮切负荷比例系数，整定方法同k1；
(5)整定基本轮第五轮动作值
动作频率48.45Hz，动作延时0.2s；
应切负荷总量Pshed,5由式(3)计算得出，其中dfCOI/dt由dfCOI,5/dt代替，dfCOI,5/dt为第五轮切负荷动作前测得的系统惯量中心频率变化率；基本轮的第五轮分配的切负荷量P’shed,5整定为：
P’shed,5＝k5Pshed,5 式(8)
式中，k5为第五轮切负荷比例系数，整定方法同k1；
(6)整定特殊轮动作值
特殊轮共设置3轮，每一轮的整定规则相同，如下：
动作频率49.5Hz，动作延时5s，切负荷量设定为：
P’shed,spe＝kspePshed,1 式(9)
式中，kspe为特殊轮切负荷比例系数，取0.08～0.1；
(7)确定基本轮和特殊轮动作次序
当系统出现紧急情况，频率下降到基本轮第一轮阈值的持续时间超过基本轮动作延时时，基本轮开始动作，切除相应负荷，基本轮第一轮动作，切除部分负荷；若频率继续下降到基本轮第二轮动作阈值，则基本轮第二轮动作切除负荷；否则，基本轮动作结束；以此类推，每一轮动作切除负荷后均需要继续检测系统频率变化情况，以判断是否继续动作下一轮并计算功率缺额，直至基本轮操作结束；
在切负荷基本轮动作结束后，若恢复频率低于基本轮第一轮阈值的持续时间超过特殊轮动作延时时，则说明系统不稳定，需要特殊轮第一轮动作；若特殊轮第一轮动作后频率恢复上升至允许范围，则特殊轮动作结束；否则，继续特殊轮第二轮动作，以此类推，每一轮动作切除负荷后均需要继续检测系统频率恢复情况，以判断是否继续动作下一轮，直至频率恢复至允许值范围或者特殊轮操作结束；
步骤4中，在切负荷动作选择时优先切除三类负荷，若三类负荷量无法满足需切量时，可切除部分二类负荷，一类负荷不可切除，具体的切负荷分配方案为：
若P'shed,k,i≤Pload,k,i,Ⅲ，即第k轮第i条母线的应切负荷量小于或等于第k轮第i条母线上的三类负荷量时，则应切负荷量全部在三类负荷中选切；
若P'shed,k,i＞Pload,k,i,Ⅲ，即第k轮第i条母线的应切负荷量大于第k轮第i条母线上的三类负荷量时，则将该母线上的三类负荷全部切除，剩余应切负荷量在第二类负荷中选切，遵循如下规则：
假设切除全部第三类负荷后，剩余的应切负荷量为ΔP'shed,k,i，由下式得出：
ΔP'shed,k,i＝P'shed,k,i-Pload,k,i,Ⅲ 式(11)
其中，P'shed,k,i表示第k轮切负荷动作时负荷母线i分配的切负荷量，Pload,k,i,Ⅲ表示第k轮切负荷动作时母线i上的可切三类负荷量；
根据各轮切负荷动作前的频率变化率
Figure FDA0003970903450000041
大小按比例切除剩余的应切负荷量，具体方案如下：
设置第二类负荷切除阈值K，结合惯量中心频率变化率的绝对值
Figure FDA0003970903450000042
确定第二类负荷切除比例kⅡ，当/>
Figure FDA0003970903450000043
时，kⅡ取/>
Figure FDA0003970903450000044
按照/>
Figure FDA0003970903450000045
切除第二类负荷的部分需切量；当/>
Figure FDA0003970903450000046
时，kⅡ的取值恒为1，第二类负荷根据需切量全部切除，确定kⅡ后，第二类负荷切除量由式(12)计算得出：
P'shed,k,i,Ⅱ＝kⅡΔP'shed,k,i 式(12)
其中，P'shed,k,i,Ⅱ表示在第k轮母线i切除了全部三类负荷后，仍需要在二类负荷中切除的负荷量。
2.如权利要求1所述一种紧急情况下计及系统频率和电压特性的自适应切负荷方法，其特征在于，步骤3中，根据所有母线的电压灵敏度分配各轮切负荷动作时负荷母线的切负荷量，每条负荷母线第k轮切负荷量P’shed,k,i的分配公式为：
Figure FDA0003970903450000047
其中，dVi/dQi表示电压灵敏度；P'shed,k,i表示第k轮切负荷动作时负荷母线i分配的切负荷量，m表示系统中所有母线数；P'shed,k表示各轮次应切除的负荷量。
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