送端电网高频切机安全自动装置配置方案的仿真评估方法

摘要

本发明提出一种送端电网高频切机安全自动装置配置方案的仿真评估方法，其包括：建立包含机组侧和电网侧频率控制相关重要元件的送端电网频率仿真数据模型；设定送端电网电力外送水平的基础研究工况点；假定直流闭锁连锁切机安全自动装置正确动作，逐个对各个基础研究工况点计算送端电网的2种外送通道故障形式，获得送端电网的仿真结果；假定直流闭锁连锁切机安全自动装置拒动，逐个对各个基础研究工况点计算送端电网的2种外送通道故障形式，获得送端电网的仿真结果；根据步骤C和步骤D所获得的仿真结果，来评估高频切机安全自动装置配置方案的效果是否良好。该方法具有评估快速、准确，考虑因素全面，操作简单方便等优点，具有较高的实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及电力系统频率稳定方法，具体涉及送端电网高频切机安全自动装置配置方案 的仿真评估方法。

背景技术

大型能源基地和负荷中心在地域分布的不一致要求电力大容量、远距离传输，为同时发 挥直流输电经济传输距离远、交流输电运行方式调整灵活且可靠度高的优点，目前在能源基 地同时建设交流通道和直流通道向外网送电呈增多趋势，当交流通道因故障断开，或者交流 通道与直流通道同时因故障断开，送端电网的频率会在通道断开瞬间因存在功率过剩而迅速 升高，随后动态变化，系统中机组侧和电网侧的一些控制元件将响应频率的变化进行调节或 者动作，通常主要包括：(1)汽轮发电机组的调速控制系统测量电网频率改变汽轮机的调节 汽门开度，进而改变机组的机械功率；(2)水轮发电机组的调速控制系统测量电网频率改变 水轮机的导叶开度，进而改变机组的机械功率；(3)汽轮发电机组的汽轮机超速保护测量电 网频率，当达到启动定值时暂时关闭机组的调节汽门，降低机组的机械功率，待电网频率降 低至超速保护的恢复定值时重新开启机组的调节汽门，增加机组的机械功率；(4)直流送端 换流站安装的直流闭锁连锁切机安全自动装置监测直流线路的运行状态，当发生直流闭锁故 障，直流通道断开时，切除送端电网一些电厂的机组；(5)变电站安装的低频减载安全自动 装置测量电网频率，当频率达到启动定值时切除部分负荷。这些控制手段对于送端电网在外 送电力较少的情况下通常可以将频率控制在要求的范围内，但是对于外送电力较多的情况， 由于外送通道断开后频率变化的幅度较大，传统的频率控制手段效果将较为有限，很难保证 频率的安全和稳定。

为送端电网配置高频切机安全自动装置是解决外送电力较多情况下发生外送通道断开故 障时的频率控制问题的一项重要技术措施，即在电网多个适当位置的电厂内分散布设高频切 机安全自动装置，装置上设定若干轮次的动作定值，当测量电网频率达到动作定值时自动切 除相对应的机组，达到平衡电网功率，控制电网频率的目的。要保证高频切机安全自动装置 的效果，必须使它与系统原有的主要频率控制元件间的协调配合关系良好，并且对电网不同 的运行工况和控制条件具有广泛的适应性。由于实际电力系统对运行的安全性和稳定性要求 极高，高频切机安全自动装置的配置方案不可能通过实际电网发生故障时才进行检验，只能 通过仿真计算提前进行评估，论证其科学有效后再投入电网使用。

发明内容

本发明的目的在于提出一种评估快速、准确，考虑因素全面，操作简单方便的送端电网 高频切机安全自动装置配置方案的仿真评估方法。该方法通过建立送端电网频率仿真数据模 型，设定送端电网多个电力外送的运行工况和2种外送通道的故障形式，进行仿真分析，评估 高频切机安全自动装置配置的效果，判定配置方案与主要频率控制元件间的协调配合关系是 否良好，判定对电网不同的运行工况和控制条件的适应性是否良好。

为实现上述目的，本发明提供了送端电网高频切机安全自动装置配置方案的仿真评估方 法，具体包括如下步骤：

步骤A：建立包含机组侧和电网侧频率控制相关重要元件的送端电网频率仿真数据模型；

步骤B：设定送端电网电力外送水平的基础研究工况点；

步骤C：假定直流闭锁连锁切机安全自动装置正确动作，对各个基础研究工况点、逐个 计算送端电网的2种外送通道故障形式，获得送端电网的仿真结果；

步骤D：假定直流闭锁连锁切机安全自动装置拒动，对各个基础研究工况点、逐个计算 送端电网的2种外送通道故障形式，获得送端电网的仿真结果；

步骤E：根据步骤C和步骤D所获得的仿真结果，来评估高频切机安全自动装置配置方 案的效果是否良好。

本发明的一个优选技术方案为：所述步骤A中，频率控制相关重要元件包括有机组侧的 汽轮发电机组调速控制系统、水轮发电机组调速控制系统和汽轮发电机组的汽轮机超速保护， 以及送端电网侧的直流闭锁连锁切机安全自动装置和低频减载安全自动装置。

本发明的一个优选技术方案为：所述步骤B中，采用牛顿-拉夫逊法进行潮流计算，并设 定至少4个送端电网电力外送水平的基础研究工况点，每个工况点应满足：调整送端电网外 送功率P_t占电网机组总出力P_g的比例值λ在30％-50％之间。所述选取基础研究工况点的数量 以4个为佳。

本发明的一个优选技术方案为：所述步骤C和步骤D中，采用隐式梯形数值积分算法， 逐个计算各个基础研究工况点的送端电网的2种外送通道故障形式。

本发明的一个优选技术方案为：所述步骤C和步骤D中，送端电网的2种外送通道故障 形式为：(1)交流通道断开，同时直流通道发生部分闭锁使直流外送电力降低为原送电功率 值的一半；(2)交流通道断开，同时直流通道发生全部闭锁使直流外送电力降低为0。

本发明的一个优选技术方案为：所述步骤C和步骤D中，获得送端电网的仿真结果包括：

1)汽轮发电机组的汽轮机超速保护动作次数N；

2)送端电网侧的低频减载安全自动装置是否动作；

3)送端电网侧的频率在动态变化过程中的最高频率f_h；

4)送端电网侧的频率经历动态变化后达到的稳态值f_s。

本发明的一个优选技术方案为：所述步骤E中，当步骤C和步骤D中的仿真结果满足下 述全部条件时，则认为高频切机安全自动装置配置方案的效果良好；否则，认为效果不好：

1)汽轮发电机组的汽轮机超速保护动作次数N满足：N＜4；

2)送端电网侧的低频减载安全自动装置没有动作；

3)送端电网侧的频率在动态变化过程中的最高频率f_h满足：f_h＜53Hz；

4)送端电网侧的频率经历动态变化后达到的稳态值f_s满足：49.5Hz＜f_s＜50.5Hz。

本发明的有益效果：本发明送端电网高频切机安全自动装置配置方案的仿真评估方法计 及了机组侧和电网侧频率控制相关重要元件的调节特性和动作特性，通过设定送端电网多个 电力外送的运行工况和2种外送通道的故障形式，对高频切机安全自动装置配置方案的效果 进行有效检验和科学评估，及时发现配置方案的缺陷和问题，防止效果不好的配置方案投入 电网使用，给电网的频率稳定控制带来安全隐患。本发明的仿真评估方法具有评估快速、准 确，考虑因素全面，操作简单方便等优点，具有较高的实用价值和良好的市场前景。

附图说明

图1为本发明方法采用的汽轮发电机组调速控制系统传递函数框图；

图2为本发明方法采用的水轮发电机组调速控制系统传递函数框图；

图3为本发明方法采用的汽轮发电机组的汽轮机超速保护与调速控制系统连接关系示意 图；

图4为本发明实施例中宁夏电网电力外送通道情况示意图；

图5为本发明送端电网高频切机安全自动装置配置方案的仿真评估方法的流程图。

具体实施方式

下面以运用本发明方法对作为典型送端电网的宁夏电网一套高频切机安全自动装置配置 方案进行仿真评估为实施例，对本发明方法进行详细描述。宁夏电网该套高频切机安全自动 装置配置方案如表1所示。

表1宁夏电网的一套高频切机安全自动装置配置方案

图5示出了本发明送端电网高频切机安全自动装置配置方案的仿真评估方法的流程图， 具体包括如下步骤：

步骤A：建立宁夏电网的频率仿真数据模型，包含的频率控制相关重要元件有：汽轮发 电机组调速控制系统、水轮发电机组调速控制系统和汽轮发电机组的汽轮机超速保护，± 660kV银东直流闭锁连锁切机安全自动装置和低频减载安全自动装置。所建立的汽轮发电机 组调速控制系统的传递函数如图1所示，以机组转速偏差Δω和增益系数K的乘积为输入量， 经过汽轮机控制器和油动机环节，输出调门开度指令P_GV给汽轮机。所建立的水轮发电机组 调速控制系统的传递函数如图2所示，以机组转速偏差Δω和增益系数K的乘积为输入量，经 过水轮机控制器和油动机环节，输出调门开度指令P_GV给水轮机。所建立的汽轮发电机组的 汽轮机超速保护与汽轮机调速控制系统连接关系如图3所示，汽轮机超速保护输出控制信号 到汽轮机的高压调速汽门和中压调速汽门，当达到启动条件时关闭调速汽门，当达到恢复条 件时重新开启调速汽门。所建立的±660kV银东直流闭锁连锁切机安全自动装置以±660kV银 东直流是否发生直流闭锁为动作条件，若发生则发出切机指令给电厂机组。所建立的低频减 载安全自动装置以电网频率是否降低至小于49Hz并且持续时间达到0.2s为动作条件，若发 生则发出切负荷指令给变电站。

步骤B：通过潮流计算，设定宁夏电网4个电力外送水平的基础研究工况点，如表2所 示，宁夏电网外送功率P_t占该电网机组总出力P_g的比例λ分布于30％-50％之间。

表2宁夏电网的基础研究工况点

图4示出了宁夏电网电力外送通道的情况示意图，本例中以±660kV银川东-山东青岛 的直流线路构成宁夏电网的电力外送直流通道，以750kV银川东-甘肃白银、330kV迎水桥- 甘肃石城、330kV宁安-甘肃白银、330kV清水河-甘肃固原构成宁夏电网的电力外送交流通道。

步骤C：假定±660kV银东直流闭锁连锁切机安全自动装置可正确动作，对各个基础研 究工况点，逐个利用动态仿真程序计算宁夏电网的2种外送通道故障形式，即(1)交流通道 断开，同时±660kV银东直流发生单极闭锁使直流外送电力降低为原送电功率值的一半；(2) 交流通道断开，同时±660kV银东直流发生双极闭锁使直流外送电力降低为0。获得宁夏电网 主要频率控制元件的动作行为和频率的动态变化情况如表3所示，作为评估高频切机安全自 动装置配置方案的判断依据的第一种情况。

表3银东直流闭锁连锁切机安全自动装置可正确动作时宁夏电网外送通道故障下主要频率控制元件的动 作行为和频率的动态变化情况

步骤D：假定±660kV银东直流闭锁连锁切机安全自动装置拒动，对各个基础研究工况 点，逐个利用动态仿真程序计算宁夏电网的2种外送通道故障形式，即(1)交流通道断开， 同时±660kV银东直流发生单极闭锁使直流外送电力降低为原送电功率值的一半；(2)交流 通道断开，同时±660kV银东直流发生双极闭锁使直流外送电力降低为0。获得宁夏电网主要 频率控制元件的动作行为和频率的动态变化情况如表4所示，作为评估高频切机安全自动装 置配置方案的判断依据的第一种情况。

表4银东直流闭锁连锁切机安全自动装置拒动时宁夏电网外送通道故障下主要频率控制元件的动作行为 和频率的动态变化情况

步骤E：根据步骤C和步骤D获得的仿真结果，评估宁夏电网该套高频切机安全自动装 置配置方案的效果，根据表3和表4可见：

(1)汽轮发电机组的汽轮机超速保护动作次数N＝0，满足：N＜4；

(2)送端电网的低频减载安全自动装置没有动作；

(3)送端电网的频率在动态变化过程中的最高频率f_h满足：f_h＜53Hz；

(4)送端电网的频率经历动态变化后达到的稳态值f_s满足：49.5Hz＜f_s＜50.5Hz；

因此该套宁夏电网高频切机安全自动装置的配置方案与主要频率控制元件间的协调配合 关系良好，对电网不同的运行工况和控制条件具有良好的适应性。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照 上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本 发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等 同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。