CN112186782A - 一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提出了一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统及方法，包括：控制中心站、控制子站和执行子站，控制中心站与若干个控制子站通信，每个控制子站均与若干个执行子站通信；每个执行子站本站当前时刻各优先级的可切除负荷量上传至各自对应的控制子站，控制子站将各执行子站实时收集的各优先级的可切除负荷总量上传至控制中心站，控制中心站同时接收电网的实时频率；所述控制中心站根据接收到的电网的实时频率确定当前时刻待切除的负荷量，并依据待切除的负荷量和存储在控制中心站的切负荷优先顺序表，决策出各执行子站实际需要切除的负荷。能够确保快速切除需要切除的负荷，使得频率恢复的暂态过程的耗时减少，提升电力系统的频率安全。

Description

一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统及方法
技术领域
本公开涉及电力系统技术领域，特别是涉及一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统及方法。
背景技术
电力系统的频率稳定是指，在电力系统遭受致使发电机和负荷功率严重不平衡的大扰动后，维持或者恢复系统频率在允许的范围内，不发生频率崩溃的能力。低频减载被认为是保障频率安全稳定的最后一道防线。
现有的低频减载方案可划分为3种类型：传统低频减载方案、自适应低频减载方案和半适应低频减载方案。其中传统低频减载方案的应用最广泛，该方案将可切除的负荷划分为若干个轮次，依据电网可能出现的最大功率缺额，离线整定各个轮次的动作频率和切负荷量。传统低频减载方案还设置有一个特殊轮，当所有轮次动作均结束，若频率出现悬停的现象，附加轮动作。自适应低频减载方案则是一种基于在线计算的方案，它通过系统的惯性时间常数以及测量到的扰动发生时刻的初始频率变化率，推算出实际扰动的大小，然后分段切除和扰动大小相等的负荷。半适应低频减载方案是介于传统低频减载和自适应低频减载之间的一种改进方案，首轮按照初始频率变化率切除部分负荷，剩余轮次的整定和传统低频减载相同。
发明人在研究中发现，上述低频减载方案虽然在多数情况下能够保证频率恢复到能使电网频率快速恢复到安全范围内，但仍存在一些问题。逐级切除方案的主要问题是动作轮次少，各轮次之间的频率差较大，因此可能出现过切除或欠切除的现象。自适应方案的主要问题是频率变化率不断变化，且惯性时间常数会随系统的运行状态不断变化，这就使得计算的切负荷量存在误差。半适应方案是逐级切除方案和自适应方案的结合，所以逐级切除方案和自适应方案存在的问题并没有在半适应方案中得到解决。
此外，现有大部分的低频减载方案没有考虑到切除不同优先级负荷的影响。虽然有一些现有的方案考虑到了负荷的优先级，但通常也仅仅划分出三个优先级，一般情况下只能保证一部分重要的负荷不被切除。因此，现有的低频减载方案仍然存在造成较大的社会经济损失的风险。
发明内容
本说明书实施方式的目的是提供一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统，利用精准负荷控制系统的控制方式，对切除的负荷进行精细化控制，并将负荷按照优先级进行排序，自动切除优先级较低的负荷，有效地解决了现有低频减载方案存在的问题。
本说明书实施方式提供一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统，通过以下技术方案实现：
包括：
控制中心站、控制子站和执行子站，控制中心站与若干个控制子站通信，每个控制子站均与若干个执行子站通信；
每个执行子站本站当前时刻各优先级的可切除负荷量上传至各自对应的控制子站，控制子站将各执行子站实时收集的各优先级的可切除负荷总量上传至控制中心站，控制中心站同时接收电网的实时频率；
所述控制中心站根据接收到的电网的实时频率确定当前时刻待切除的负荷量，并依据待切除的负荷量和存储在控制中心站的切负荷优先顺序表，决策出各执行子站实际需要切除的负荷；
所述控制中心站将各执行子站实际需要切除的负荷的指令通过控制子站发送至各执行子动作。
本说明书实施方式提供精准低频减载系统的切除负荷方法，通过以下技术方案实现：
包括：
控制中心站通过控制子站接收各执行子站各优先级的负荷信息，并对各执行子站各优先级的负荷信息实时汇总并更新各优先级的负荷信息，按照负荷优先级由低到高的顺序形成当前时刻的负荷优先级表；
在负荷优先级表的基础上，将同优先级的负荷按照从小到大的顺序进行排序，形成切负荷优先顺序表；
控制中心站根据电网的实时频率确定待切除负荷量；
控制中心站根据待切除负荷量和切负荷优先顺序表，决策出各执行子站实际需要切除的负荷。
与现有技术相比，本公开的有益效果是：
本公开精准低频减载方案能够对负荷进行精细化控制，且计及了负荷的优先级，有效地解决了现有低频减载方案所存在的切除的出线电压等级高、没有考虑到负荷的优先级以及可能出现过切除的问题，将低频减载可能造成的社会经济损失最小化。利用电力系统暂态仿真进行整定或依据调控人员的经验选取大小合适的切负荷系数KLS，能够确保快速切除需要切除的负荷，使得频率恢复的暂态过程的耗时减少，提升电力系统的频率安全。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1为本公开实施例子的精准低频减载系统的架构图；
图2为本公开实施例子的执行子站各模块功能的示意图；
图3为本公开实施例子的优先级数量不同时的精准低频减载方案以及传统低频减载方案的频率响应示意图，其中各执行子站以及各优先级的负荷相等；
图4为本公开实施例子的优先级数量不同时的精准低频减载方案以及传统低频减载方案的频率响应示意图，其中各执行子站以及各优先级的负荷不相等；
图1和图2中.虚线表示负荷数据的传输，实线表示切负荷命令的传输。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。
实施例子一
该实施例公开了精准低频减载系统的架构如图1所示，其主要包括：控制中心站、控制子站和执行子站。
在该实施例中，执行子站的数量为M个，执行子站分为若干组，每组的若干个执行子站连接至一个控制子站，若干个控制子站连接至控制中心站。
在一实施例中，控制中心站由通信模块、计算模块、决策模块和频率测量模块构成，设置在220kV变电站。通过控制中心站的计算模块汇总各控制子站实时收集的各优先级的可切除负荷总量，通过频率测量模块监测电网的实时频率。通信模块将这两个信息，即当前时刻各优先级的可切除负荷量和实时频率传送至决策模块。决策模块依据实时监测到的电网频率并结合当前时刻各优先级的可切除负荷量，决策出精准低频减载各次动作需要切除的具体负荷。
当本站的实时频率不断降低并满足精准低频减载的动作条件(详见动作逻辑)，由通信模块将本次动作的切负荷信息实时下发至各控制子站。控制子站由通信模块和计算模块构成，一般设置在110kV变电站，负责联系控制中心站和执行子站。控制子站将各执行子站实时收集的各优先级的可中断负荷总量上传至控制中心站。当接收到控制控制中心站下发的切负荷信息时，控制子站负责将切负荷信息下发至各执行子站。控制中心站就安装在220kV变电站处。控制子站安装在110kV变电站处。
通信模块包括：收信机、发信机。其中收信机用来接收子站上传的各优先级的可切除负荷量；发信机用来下发切负荷信息
决策模块：处理器。能够完成待切除的负荷量的计算以及动作逻辑的判断。频率测量模块：数字频率计。
计算模块：处理器。将各控制子站实时收集的各优先级的可切除负荷总量进行累加，完成累计负荷的计算。
在一实施例中，每个执行子站均由通信模块、智能负荷控制终端和计算模块组成，通常设在10kV的终端变电站。执行子站各模块的功能如图2所示。各执行子站依据用户的重要程度，将负荷划分为N个优先级。通过智能负荷控制终端实时监测本站所有低压侧出线上的负荷，并经计算模块汇总后将本站各优先级的可切除负荷量上传至控制中心站。当执行子站接收到控制中心站的切负荷命令时，由相应智能负荷控制终端跳开对应的断路器，完成一次精准低频减载的动作。切负荷信息是从控制中心下发到子站的。各优先级的可切除负荷总量是从控子站上传至控制中心的。
在一实施例中，精准低频减载的动作逻辑为：
1)由决策模块形成当前时刻的负荷优先级表。设执行子站的数量为M，负荷优先级的数量为N。各执行子站的负荷测量模块负责收集本站各优先级的负荷信息，并通过控制子站上传至控制中心站。控制中心站的决策模块实时汇总并更新各优先级的负荷信息，按照负荷优先级由低到高的顺序形成当前时刻的负荷优先级表，如表1所示。其中，优先级低的负荷优先被切除。
表1负荷优先级表
Figure BDA0002711242580000061
n代表第n个优先级。m代表第m个执行子站。此处没有特殊的意义，n、m分别可以为1至N、1至M之间的任意的数。仅仅是为了后面给出任意情况下累计负荷的表达式。
2)在负荷优先级表的基础上，将同优先级的负荷按照从小到大的顺序进行排序，形成切负荷优先顺序表，如表2所示。依据切负荷优先顺序表，精准低频减载动作时，优先切除优先级编号最小的负荷。对于同一个优先级的负荷，优先切除负荷编号最小的负荷。
表2切负荷优先顺序表
Figure BDA0002711242580000071
S仅用于区分，可理解为Shed的缩写。
3)控制中心站依据待切除负荷量和切负荷优先顺序表，决策出各执行子站实际需要切除的负荷。
当第n个优先级中第m个负荷被切除之后，该低频减载方案累计切除的负荷总量。
计算方法就是下面的这组公式，同时结合上面的切负荷优先顺序表。
根据这组公式可以计算出本低频减载方案中可能出现的全部情况下的切负荷量。累计负荷给出了总切负荷量全部的可能性，可以将其理解为一个集合，总切负荷量只能为该集合中的某一个数值。它仅和负荷优先级和执行子站有关，与频率是无关的。
定义累计负荷PΣnm为：
Figure BDA0002711242580000072
i为1至m之间的任意一个数。j为1至n之间的任意一个数。
将精准低频减载待切除的负荷量表示为频率偏移量的线性函数。
累计负荷给出了总切负荷量全部的可能性，可以将其理解为一个集合，即总切负荷量只能为该集合中的某一个数值。它仅和负荷优先级和执行子站有关，与频率是无关的。
随着频率下降，需要切除更多的负荷以维持频率在安全范围。根据频率变化计算出的需要切除的负荷就叫做待切除的负荷量。
设控制中心站监测到的实时频率为f，则当前时刻待切除的负荷量可用表示为：
PWS＝-KLS(f-fN)f<fN
式中，PWS为待切除的负荷总量，KLS为切负荷系数，fN为系统频率的额定值。
精准低频减载的动作条件为：
PWS＝PΣnm
当二者相等，即需要切除的负荷达到了总切负荷量集合中的某一个数值，显然此时应该切负荷。
可以把累计负荷理解为一个个阈值，当待切除的负荷量首次超过任一阈值时，切除PSnm的负荷。
满足上述动作条件时，切除大小为PSnm的负荷，并停止更新已切除负荷的信息。直至已切除的负荷重新恢复供电，才继续更新负荷信息。
工程实例一
以山东电网模型为例说明精准低频减载方案的实施方式。在山东电网模型中，共有39台等值发电机，126条电压等级为500kV及以上的交流线路，3条高压直流线路以及64个负荷。在模型中，三条直流线路的传输功率分别为8GW、8GW和4GW，系统的负荷总量为59.674GW。理论上，系统可能出现的最大功率缺额为20GW，即三条直流线路同时发生闭锁故障，故PDmax＝0.3352。
将山东电网中所有220kV变电站设为控制主站,所有110kV变电站设为控制子站,所有10kV变电站设为执行子站。各站点之间通过专用的通信网络连接，且在各控制主站及控制子站处安装专用路由器以减少通讯时间。假设每个控制主站下共有10个执行子站，且各执行子站下的负荷量相等，各优先级的负荷量也相等。取KLS＝19.26，即相对于门槛值，频率每下降1Hz，精准低频减载自动切除38.53％的负荷。各低频减载方案的旋转备用水平均为10％。
当扎青直流、昭沂直流和青银直流三条直流线路同时发生双极直流闭锁故障时，会使山东电网出线20GW的功率缺额。此时山东电网的频率响应曲线如图3所示，图中不同颜色的曲线分别为传统低频减载方案及不同优先级数量的精准低频减载方案对应的频率曲线。可以看出，传统低频减载方案和精准低频减载方案都能够使频率恢复到额定频率附近，满足紧急状态下电网的频率要求。通过比较可以发现，精准低频减载方案对应的暂态最低频率明显高于传统低频减载方案对应的暂态最低频率，且精准低频减载方案下频率恢复至49.5Hz以上所需的调整时间明显更少。也就是说，将精准低频减载方案应用于山东电网中，不仅能够计及负荷优先级，减少切除代价，而且其频率响应特性比传统低频减载方案更好。进一步比较可以发现，随着优先级的数量的增多，精准低频减载方案对应的最大频率偏移量越小，切除的负荷越少。也就是说，控制方式的精细化程度越高，切除的负荷越少。
工程实例二
本例中，选用的模型、参数和实施方法和例1中基本一致，唯一的区别在于，为了更好地模拟实际中负荷分布的情况，本例中各执行子站下的负荷量、各优先级的负荷量均不相等。本例中的切负荷顺序表如表3所示。
表3 N＝2、3、4时的切负荷优先顺序表
Figure BDA0002711242580000101
按上述切负荷顺序表动作的精准低频减载方案对应的频率响应曲线如图4所示。比较图3和图4可以看出，负荷的分布情况对精准低频减载方案没有明显的影响。可以说，不管各执行子站、各优先级下的负荷分布情况如何，精准低频减载方案都能保证在计及负荷优先级的同时使得频率恢复到额定频率附近，且具有比传统低频减载方案更好的频率响应特性。因此，可以说本发明提出的精准低频减载方案具有良好的适应性，契合工程实际，值得在电力系统中逐步推广和应用。
本公开的一种用于电力系统频率安全稳定的精准低频减载方案，不同于电力系统中的传统低频减载方案切除220kV变电站出线的减载方式，精准低频减载方案结合了精准负荷控制的控制方式，在低频减载时跳开10kV变电站的出线。在精细化控制的基础上，该方案能够按照负荷重要性由低到高的顺序切除负荷，保证了电力系统出现严重故障的情况下仍能够保证对重要负荷的持续供电。并且经过理论推导，发现精准低频减载档案不会出现过切除的问题。通过采用精准低频减载方案，能够有效地保障电力系统的频率安全，且能够大大减小切负荷带来的社会经济损失。
可以理解的是，在本说明书的描述中，参考术语“一实施例”、“另一实施例”、“其他实施例”、或“第一实施例～第N实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统，其特征是，包括：
控制中心站、控制子站和执行子站，控制中心站与若干个控制子站通信，每个控制子站均与若干个执行子站通信；
每个执行子站本站当前时刻各优先级的可切除负荷量上传至各自对应的控制子站，控制子站将各执行子站实时收集的各优先级的可切除负荷总量上传至控制中心站，控制中心站同时接收电网的实时频率；
所述控制中心站根据接收到的电网的实时频率确定当前时刻待切除的负荷量，并依据待切除的负荷量和存储在控制中心站的切负荷优先顺序表，决策出各执行子站实际需要切除的负荷；
所述控制中心站将各执行子站实际需要切除的负荷的指令通过控制子站发送至各执行子动作。
2.如权利要求1所述的一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统，其特征是，所述控制中心站由通信模块、决策模块和频率测量模块构成；
利用所述通信模块实现控制中心站与控制子站之间的通信；
所述通信模块和频率测量模块分别将当前时刻各优先级的可切除负荷量和本站的实时频率传送至决策模块；
所述决策模块依据实时监测到的电网频率并结合当前时刻各优先级的可切除负荷量，决策出各执行子站各次动作需要切除的具体负荷。
3.如权利要求1所述的一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统，其特征是，当所述控制中心站的实时频率不断降低并满足精准低频减载的动作条件，由通信模块将本次动作切负荷信息实时下发至各控制子站。
4.如权利要求1所述的一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统，其特征是，控制中心站设置在220kV变电站，控制子站设置在110kV变电站，执行子站设在10kV的终端变电站。
5.如权利要求1所述的一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统，其特征是，所述控制子站负责联系控制中心站和执行子站；所述控制子站将各执行子站实时收集的各优先级的可切除负荷总量上传至控制中心站；当所述控制子站接收到控制控制中心站下发的切负荷信息时，控制子站负责将切负荷信息下发至各执行子站。
6.如权利要求1所述的一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统，其特征是，所述执行子站由通信模块、智能负荷控制终端和计算模块组成；
各执行子站依据用户的重要程度，将负荷划分为N个优先级；通过智能负荷控制终端实时监测本站所有低压侧出线上的负荷，并经计算模块汇总后将本站各优先级的可切除负荷总量上传至控制中心站；
当执行子站接收到控制中心站的切负荷命令时，由相应智能负荷控制终端跳开对应的断路器，完成一次精准低频减载的动作。
7.如权利要求1所述的一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统，其特征是，各执行子站下的负荷量相等，各优先级的负荷量也相等；或
各执行子站下的负荷量、各优先级的负荷量均不相等。
8.一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统的切除负荷方法，其特征是，包括：
控制中心站通过控制子站接收各执行子站各优先级的负荷信息，并对各执行子站各优先级的负荷信息实时汇总并更新各优先级的负荷信息，按照负荷优先级由低到高的顺序形成当前时刻的负荷优先级表；
在负荷优先级表的基础上，将同优先级的负荷按照从小到大的顺序进行排序，形成切负荷优先顺序表；
控制中心站根据电网的实时频率确定待切除负荷量；
控制中心站根据待切除负荷量和切负荷优先顺序表，决策出各执行子站实际需要切除的负荷。
9.如权利要求8所述的一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统的切除负荷方法，其特征是，当前时刻待切除的负荷量：
PWS＝-KLS(f-fN) f<fN
式中，控制中心站监测到的实时频率为f，PWS为待切除的负荷总量，KLS为切负荷系数，fN为系统频率的额定值。
10.如权利要求9所述的一种与频率偏移成比例的精准低频减载系统的切除负荷方法，其特征是，精准低频减载的动作条件为：
PWS＝PΣnm
PWS当前时刻待切除的负荷量，PΣnm为累计负荷。
满足上述动作条件时，切除大小为PSnm的负荷，并停止更新已切除负荷的信息，直至已切除的负荷重新恢复供电，才继续更新负荷信息。
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