一种基于负荷控制灵敏度的低频低压减载优化控制方法

摘要

本发明公开了一种基于负荷控制灵敏度的低频减载优化控制方法，充分考虑了频率电压的空间分布特性，同时计及了频率、电压、有功、无功之间的动态实时交互，利用负荷控制灵敏度指标将不同母线控制效果的差异性体现出来；在获取故障下频率、电压等实时信息的基础上，该控制方法利用灵敏度指标指导减载量在各负荷点的分配，对原有低频低压减载方案进行优化，可以有效改善频率(电压)的恢复效果。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统稳定分析控制技术领域，尤其涉及一种基于负荷控制灵敏度的低频低压减载优化控制方法。

背景技术

当电网在故障下产生了大的有功缺额时，系统的频率电压会产生比较明显的过渡过程。由于网络架构、机组参数、负荷特性等多种因素的影响，分布于电网不同空间的各节点频率变化趋势各不相同；而电压作为一个局部状态量与当地的无功功率密切相关，本身就具有一定的分布特性，在故障情况下其分布特性可能表现得更加明显。频率电压的空间分布特性是扰动下不同节点的受扰程度存在差异的体现，这也是系统在采取控制措施时，控制量相同而控制地点不同时对系统频率或电压的恢复效果通常不同的原因之一。

复杂电力系统中频率与电压，有功和无功之间存在动态交互影响。当比较薄弱的受端系统中失去主系统电源或大机组导致功率缺额足够大时，可能发生电压跌落先于频率跌落，出现电压全面降低，运行机组全面过电流而系统频率下降并不突出的现象，这种现象在一些电压敏感性负荷或感应电动机负荷比例较大的受端系统内更容易发生。系统中电压主要通过负荷功率的变化影响着频率的动态过程，使全网的有功功率缺额降低，延缓了频率的跌落，而在频率动态变化过程中，机组间的同步摇摆又会导致系统潮流和各节点电压发生动态变化。

低频减载(UFLS)和低压减载(UVLS)长期以来作为安全稳定第三道防线的重要技术手段，为保证电力系统安全稳定运行和防止大停电事故的发生发挥了重要作用。目前关于低频低压减载的理论和算法研究很少考虑频率电压的空间分布特性，而且它们大部分的思路都是将频率和电压分别对待，虽然把频率和电压解耦可以大大的简化分析，但这样也使得在研究其控制策略时无法准确计及它们之间的交互影响。

发明内容

发明目的：本发明目的是充分考虑频率电压的空间分布特性，通过寻找负荷控制灵敏的节点，并计及频率、电压、有功、无功等多种状态信息实时动态交互，提供一种基于负荷控制灵敏度的低频低压减载优化控制方法。

技术方案：一种基于负荷控制灵敏度的低频低压减载优化控制方法，包括顺序相接的以下步骤：

(1)装设有低频低压减载装置的各母线实时测量系统在正常运行条件下母线的初始频率f₀、电压U₀，有功功率P₀、无功功率Q₀；

(2)当装设有低频低压减载装置的各母线实时测量系统检测到系统发生扰动或者母线频率电压越限时，装设有低频低压减载装置的每个母线实时测量系统分别实时测量各自的频率f(t)、电压U(t)、有功功率P(t)、无功功率Q(t)。

(3)母线i利用实时测量的就地状态信息计算该母线的负荷控制灵敏度指标T_Li；

(4)当母线i的频率电压跌落至低频低压减载装置第j轮动作启动值时，计算该母线本轮的切负荷量P_LSi,j；

(5)经过预设延时，低频低压减载装置动作，切除负荷；

(6)如果频率电压没有恢复，则返回步骤(2)，直到母线的频率、电压恢复至可接受的水平之上。

上述可接受的水平指频率恢复至49.5Hz以上，电压恢复至0.9p.u.以上。

所述步骤(3)中负荷控制灵敏度指标计及了多种就地状态信息交互，它的求取具体表示为：

暂态过程中，负荷有功的自身调整量越小或无功的自身调整量越大，其负荷控制灵敏度指标越高，通过安控或低频减载切除其负荷对频率的改善越为有利。

综合频率、电压、有功、无功之间交互关系的分析，负荷控制灵敏度指标T_L的表达式为：

$>T_L·\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}=\frac{P\left(t\right)}{P_0-P\left(t\right)}·\frac{Q_0}{Q\left(t\right)}·\frac{U_0}{U\left(t\right)}$>

式中，T_L为负荷控制灵敏度指标，P₀、Q₀、U₀分别为母线有功功率、无功功率和电压的初始值，P(t)、Q(t)、U(t)分别为母线实时测量的有功功率、无功功率和电压，f为频率，df代表频率与基准值的偏差(均采用标幺值表示)，t为时间，dt代表信息采集时间点之间的时间间隔。

为便于计算，避免出现df/dt＝0的情况出现，对负荷控制灵敏度指标T_L的表达式简化得到：

$>T_L·\frac{1-f_{*}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{P_{*}\left(t\right)}{1-P_{*}\left(t\right)}·\frac{1}{Q_{*}\left(t\right)}·\frac{1}{U_{*}\left(t\right)},$>

式中：T_L为负荷控制灵敏度指标，P_*(t)、Q_*(t)、U_*(t)、f_*分别是母线有功负荷、无功负荷、电压和频率的标幺值，1/Q_*(t)表示无功负荷对T_L的影响因子，1/U_*(t)表示电压对T_L的影响因子，t为时间。

对于每一条母线i可以得到其负荷控制灵敏度的表达式为$>T_{\mathrm{Li}}·\frac{1-f_{i*}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{P_{i*}\left(t\right)}{1-P_{i*}\left(t\right)}·\frac{1}{Q_{i*}\left(t\right)}·\frac{1}{U_{i*}\left(t\right)},$>

假设传统的低频低压减载方案中，有n条母线上装设有低频低压减载装置，其中母线i在第j轮动作切除负荷的比例为a_i,j，则母线i上低频低压减载装置的第j轮动作切除负荷量P_LSi,j为：

$>P_{\mathrm{LSi},j}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(P_{0i}·a_{i,j})·\frac{K_i}{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Sigma }}{K}_i}$>

式中：T_Li为母线i的负荷控制灵敏度指标，P_i*(t)、Q_i*(t)、U_i*(t)、f_i*分别是母线i的有功负荷、无功负荷、电压和频率的标幺值，1/Q_i*(t)表示无功负荷对T_Li的影响因子，1/U_i*(t)表示电压对T_Li的影响因子，1-f_i*表示母线i的频率与标准值的偏差(用标幺值表示)，Δt表示信息采集时间点之间的时间间隔；

P_0i表示母线i的初始负荷量，是去掉T_Lmin所在母线后其他母线得到的K的和值，T_Lmin和T_Lmax表示的所有母线T中的最小值和最大值。

工作原理：本发明充分考虑频率电压的空间分布特性，同时计及频率、电压、有功、无功之间的动态实时交互，利用负荷控制灵敏度指标对原有低频低压减载方案进行优化。

有益效果：本发明一方面考虑不同节点负荷自身调节特性差异带来的空间分布，另一方面考虑了频率、电压、有功和无功等状态信息之间的交互影响，能使得系统的频率(电压)更快恢复至额定值附近。

附图说明

图1为本发明基于负荷控制灵敏度的低频低压减载优化控制方法的具体流程图；

图2为武南岷珠地区电网地理接线图；

图3为具体实施方式中情形1下不同减载方案系统的频率响应曲线；

图4为具体实施方式中情形2下不同减载方案系统的电压响应曲线。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

典型运行方式下武南、岷珠地区地理接线图如图2所示，装机容量为1950MW，负荷2892MW。考虑武南、岷珠地区电网和外部电网的500kV联络线岷珠-廻峰在0.1s时发生三相短路故障，0.2s时故障清除，武南-惠泉、岷珠-廻峰(双回线)、武南-妙西这4回线同时断开，导致武南、岷珠地区孤网运行，功率缺额759.4MW，约占该地区全部负荷的26.3％。选取节点美栖作为监测母线。

所提出的基于负荷控制灵敏度的低频低压减载优化控制方法具体流程图如图1，主要步骤为：

(1)装设有低频(低压)减载装置的各母线实时测量系统在正常运行条件下该母线的初始频率f₀、电压U₀，有功功率P₀、无功功率Q₀。

(2)当检测到系统发生扰动或者母线频率(电压)越限时，装设有减载装置的每条母线分别实时测量各自的频率f(t)、电压U(t)、有功功率P(t)、无功功率Q(t)。

(3)母线i利用实时测量的就地状态信息计算该母线的负荷控制灵敏度指标T_Li。

(4)当母线i的频率(电压)跌落至低频(低压)减载装置第j轮动作启动值时，计算该母线本轮的切负荷量P_LSi,j。

(5)经过预设延时，低频(低压)减载装置动作，切除负荷。

(6)如果频率(电压)没有恢复，则返回步骤(2)，直到母线的频率、电压恢复至可接受的水平之上，即频率恢复至49.5Hz以上，电压恢复至0.9p.u.以上。

所述步骤(3)中负荷控制灵敏度指标的求取，具体表示为：

暂态过程中，负荷有功的自身调整量越小或无功的自身调整量越大，其负荷控制灵敏度指标越高，通过安控或低频减载切除其负荷对频率的改善越为有利。综合频率、电压、有功、无功之间交互关系的分析，可写出如下概念公式：

$>T_L·\frac{\mathrm{df}}{\mathrm{dt}}=\frac{P\left(t\right)}{P_0-P\left(t\right)}·\frac{Q_0}{Q\left(t\right)}·\frac{U_0}{U\left(t\right)}$>

为便于计算，避免出现df/dt＝0的情况出现，对公式进行简化得到：

$>T_L·\frac{1-f_{*}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{P_{*}\left(t\right)}{1-P_{*}\left(t\right)}·\frac{1}{Q_{*}\left(t\right)}·\frac{1}{U_{*}\left(t\right)}$>

式中：T_L为负荷控制灵敏度指标，P₀、Q₀、U₀分别为母线有功负荷、无功负荷和电压的初始值，P(t)、Q(t)、U(t)分别为母线实时测量的有功功率、无功功率和电压，P_*(t)、Q_*(t)、U_*(t)、f_*分别是母线有功负荷、无功负荷、电压和频率的标幺值，1/Q_*(t)表示无功负荷对T_L的影响因子，1/U_*(t)表示电压对T_L的影响因子。

对于每一条母线i可以得到其负荷控制灵敏度的表达式为$>T_{\mathrm{Li}}·\frac{1-f_{i*}}{\mathrm{\Delta t}}=\frac{P_{i*}\left(t\right)}{1-P_{i*}\left(t\right)}·\frac{1}{Q_{i*}\left(t\right)}·\frac{1}{U_{i*}\left(t\right)}.$>

假设传统的低频低压减载方案中，有n条母线上装设有减载装置，其中母线i在第j轮动作切除负荷的比例为a_i,j，则新型低频/低压减载方案中，母线i上减载装置的第j轮动作切除负荷量P_LSi,j为：

$>P_{\mathrm{LSi},j}=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}(P_{0i}·a_{i,j})·\frac{K_i}{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\Sigma }}{K}_i}$>

式中，P_0i表示母线i的初始负荷量，是去掉T_Lmin所在母线后其他母线得到的K的和值。

情形1：考虑该地区负荷以静态负荷为主，故障后暂态电压快速恢复，低压减载不动作。原有的低频减载方案和本申请优化后的方案如表1所示，表中所列百分数是根据本申请上述方法计算得到的切除负荷量P_LSi,j算出的所切负荷比例。图3为不同减载方案下系统的频率响应曲线。

表1 不同的减载方案

情形2：考虑该地区负荷以感应电动机负荷为主，故障后暂态电压快速跌落，而频率维持在额定值附近，原有的低压减载方案和优化后的方案如表2所示，表中所列百分数是根据本申请上述方法计算得到的切除负荷量P_LSi,j算出的所切负荷比例。图4为不同减载方案下系统的电压响应曲线。

表2 不同的减载方案

从仿真中可以看到，不同于传统减载方案的均一化切负荷方式，优化后的减载方案充分考虑了频率电压的空间分布特性，在各个节点采取差异化控制以改善系统频率(电压)的恢复效果。

本申请优化后的方案可能导致部分灵敏度较高的节点减载比例较大，例如在情形1中节点洛西减载比例达到了100％，而599号令中以减供负荷的比例来评定事故等级是针对区域而言并非某一节点，所以该方法并不违背599号令。此外，系统电压的恢复效果与电网本身网架结构密切相关，强壮的网架缩小了不同节点之间的控制差异性，情形2的仿真验证了这一点。