（控制理论与控制工程专业论文）电力系统低频减负荷优化配置的研究及应用.pdf

摘要 低频减负荷( u f l s ) 作为电力系统的第三道防线，是一种防止系统频率崩 溃的有效手段。当电网出现大的有功缺额时能够有效地阻止系统频率的持续下 降，从而避免系统出现频率、电压崩溃等大面积停电事故，本文结合江苏电网实 际情况，对电力系统低频减负荷优化配置进行了研究，主要做了以下三个方面的 工作： 1 介绍了用于低频减负荷方案优化配置的时域动态仿真分析法。比较了该方 法与单机带集中负荷模型传统分析法的优缺点。传统分析法简单易行、模型参数 依赖性小，但误差较大、只能估算频率稳态值而不能够反映系统的动态过程；时 域动态仿真分析法考虑电网中各元件模型和参数的影响，能够较准确地反映系统 动态特性，但优化配置工作复杂、计算量大、依赖于预想故障的设置。研究表明， 采用以时域动态仿真为主，单机带集中负荷分析为辅的方法进行低频减负荷优化 配置是目前比较合理的方法。 2 研究了电网各元件模型及参数在仿真中对系统频率动态过程的影响。采用 时域动态仿真分析法确定了适用于江苏电网2 0 0 7 年低频减负荷优化配置的模型 参数。本文通过进行模型参数灵敏度分析，得出了影响系统频率动态过程的主要 参数，再通过对江苏电网近期两次实际故障的仿真，拟合得到了其余参数值。研 究表明，时域动态仿真法依赖于模型与参数，而模型与参数的确定依赖于系统实 际故障数据的数量。 3 采用时域动态仿真分析法研究了2 0 0 7 年江苏全网和各分区电网的综合负 荷频率特性。首先制定了适合江苏电网低频减负荷优化配置的假想故障集，基于 此对江苏电网现行的低频减负荷方案进行动态仿真校核，指出轮级间独立的分散 控制策略可能造成负荷过切或欠切是现行方案的最大不足，带后加速的轮级间协 调控制策略是优化配置的主要改进方向。最后，采用时域动态仿真法得到了一套 适合江苏全网和各分区电网的低频减负荷配置方案。研究表明，新方案可以更加 有效地抵御频率崩溃的风险、提高供电可靠性，为社会带来可观的经济效益。 关键词：电力系统、低频减负荷、优化配置、时域动态仿真 s t u d ya n da p p l i c a t i o no fo p t i m a ls e t t i n go fu n d e r f r e q u e n c y l o a ds h e d d i n gi np o w e rs y s t e m b y w e iq i u ，f o rm a s t e rd e g r e eo fh o h a i u n i v e r s i t y a b s t r a c t u n d e r f r e q u e n c yl o a ds h e d d i n g ( u f l s ) ，w h i c hi st h et h i r dd e f e n s i v el i n eo f p o w e rs y s t e m , i so n eo fe f f e c t i v em e t h o d st om i t i g a t et h ef r e q u e n c yc o l l a p s e s u f l s c o u l dr e l i e v et h ec o n t i n u e d d r o p p i n go ff r e q u e n c ya n da v o i dc o l l a p s e so rb l a c k o u t si n c a s eo ft h em a s sr e a lp o w e rm i s m a t c h e s i nt h i st h e s i st h eo p t i m a ls e t t i n go fu l f s s c h e m ei ss t u d i e da n di t sa p p l i c a t i o no nt h ej i a n g s up o w e rg r i di sc a r d e do u t i t c o m p r i s e st h r e ep a r t s ： a tf i r s t ，t h et i m e d o m a i nd y n a m i cs i m u l a t i o n ( t d d s ) m e t h o du s e df o rt h e o p t i m a ls e t t i n go fu f l ss c h e m ei si n t r o d u c e da n dc o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a l s i n g l eg e n e r a t o rs i n g l el o a da n a l y s i s ( s g s l a ) m e t h o d t h es g s l am e t h o di s s i m p l e ，e a s yt ou s ea n d i t sl e s sd e p e n d e n c yo ft h em o d e l sa n dp a r a m e t e r s h o w e v e r , t h ee r r o r sr e s u l t e df r o mt h es g s l am e t h o da r eb i g g e ra n do n l yt h ep o s t f a u l ts t a t i c f r e q u e n c yi so b t a i n e dw h i l et h e w h o l ed y n a m i cr e s p o n s ep r o c e s si si g n o r e d t h e t d d sm e t h o dc a nc o n s i d e ra l lm o d e l sa n dp a r a m e t e r si np o w e rs y s t e ma n dg i v et h e d e t a i l e dd y n a m i cf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c h o w e v e r , i ti sm o r ec o m p l i c a t e da n dt h e c o m p u t a t i o n a ld e m a n d sa r eh l l g e e s p e c i a l l y , i ti sd e p e n d e n to nt h ed e f i n i t i o no ft h e c o n t i n g e n c ys e t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w nt h a tt h et d d sm e t h o di sr e a s o n a b l e f o ro p t i m a ls e t t i n go ft h eu f l ss c h e m ew h i l et h es g s l am e t h o di su s e da sa n c o m p l e m e n t a r yt 0 0 1 s e c o n d l y , t h es e n s i t i v i t i e so ft h ed y n a m i cf r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cw i t hr e s p e c t t ot h em o d e l sa n dp a r a m e t e r so fa l l e q n i p m e n t sa l es t u d i e d t h em o d e l sa n d p a r a m e t e r s ，w h i c ha r es u i t a b l ef o rt h eo p t i m a ls e t t i n go fu f l ss c h e m ei nj i a n g s u p o w e rg r i di n2 0 0 7 ，a r eo b t a i n e db yu s i n gt h et d d sm e t h o d t h em a i np a r a m e t e r s a r ef i x e db ya n a l y z i n gt h es e n s i t i v i t i e so ft h ed y n a m i cf r e q u e n c yc u r v e sw i t hr e s p e c t t ot h em o d e l s t h er e s tp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e dt h r o u g ht h es i m u l a t i o ns t u d i e so f s e v e r a lr e a lf a u l tr e c o r d e dc u r v e si nj i a n g s up o w e rg r i d t h es i m u l a t i o nr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ep e r f o r m a n c eo ft h et d d sm e t h o dd e p e n d so nt h em o d e l sa n d p a r a m e t e r sa n dt h ei d e n t i f i c a t i o no ft h em o d e l sa n dp a r a m e t e r sd e p e n do nt h ea m o u n t o ft h et e a 】f a u l td a t a a tl a s t ，t h ei n t e g r a t e dl o a df r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so fj i a n g s up o w e r g r i da n d a l lp o s s i b l ei s l a n d i n gz o n e si n2 0 0 7a r es t u d i e db y u s i n gt h et d d sm e t h o d a tf i r s t ，a c r e d i b l ec o n t i n g e n c ys e ti sd e f i n e df o rt h eo p t i m a ls e t t i n go fu f l si nj i a n g s up o w e r g r i d t h ec u r r e n tu f l ss c h e m eo fj i a n g s up o w e rg r i di sv e r i f i e db yu s i n gt d d s m e t h o di nt e r m so ft h i s c o n t i n g e n c ys e t t h eo v e r - s h e d d i n go ru n d e r - s h e d d i n g p h e n o m e n ar e s u l t e df r o mt h es t e pi n d e p e n d e n tc o n t r o ls t r a t e g yu s e di nu f l sd e v i c e s a r em a i nd i s a d v a n t a g e so ft h ec u r r e n ts c h e m e t h es t e pc o o r d i n a t e dc o n t r o ls t r a t e g y w i t ht h ea f t e ra c c e l e r a t i o ni st h ek e yd e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h eo p t i m a ls e t t i n go f u f l ss c h e m e a tl a s t ，an e wu f l ss c h e m eo fj i a n g s up o w e rg r i da n da up o s s i b l e i s l a n d i n gz o n e si so b t a i n e db yu s i n gt h et d d sm e t h o d t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r e s h o w nt h a tt h en e wu f l ss c h e m ec a nm o r ee f f e c t i v e l yw i t h s t a n dt h er i s k so ft h e f r e q u e n c yc o l l a p s e s ，i m p r o v et h ep o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t ya n db r i n ge n o r m o u s e c o n o m j cr e v e n u e s k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，u n d e r f r e q u e n c yl o a ds h e d d i n g ，o p t i m a ls e t t i n g ， t i m e d o m a i nd y n a m i cs i m u l a t i o n 学位论文独创性声明： 本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师指导下，独立 进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 学位论文作者( 签名) ： 争月夕日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 学位论文作者( 签名) - 聋越 铲月6 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力系统低频减负荷的意义 随着负荷的增长，送电距离的增加，大量高压直流输电( h v d c ) 和灵活交 流输电系统( f a c t s ) 的投运，现代电力系统的动态特性越来越复杂。电力市场 的开放突出了对优化和协调的要求，增加了稳定分析与控制的难度1 ，2 1 。近年来 国内外的一些大停电事故说明了电力安全的全局概念以及电网事故后进行快速 有效控制的重要性，同时也说明了研究低频减负荷( u f l s ) 和低压减负荷 ( u v l s ) ，对阻止停电范围的扩大，保证系统安全运行有重要的意义。 2 0 0 6 年7 月1 日，华中( 河南) 电网因继电保护误动作、安全稳定控制装 置拒动等原因引发一起重大电网事故，导致华中( 河南) 电网多条5 0 0 千伏线路 和2 2 0 千伏线路跳闸、多台发电机组退出运行，电网损失部分负荷，系统发生较 大范围、较大幅度的功率振荡。系统功率振荡期间频率最低为4 9 1 1 h z ，华中东 部电网与川渝电网解列，华中电网与西北电网直流闭锁、与华北电网解列。在事 故发生过程和处置过程中，河南、湖北、湖南、江西四省电网低频减载装置动作 切除负荷1 6 0 0 m w ，河南省电网减供负荷2 7 6 5 m w ( 华中电网共损失负荷 3 7 9 4 m w ) 【3 】a 2 0 0 6 年1 1 月4 日欧洲发生了大面积停电事故。由于电网方式安排不当，事 故预想不细，当日晚大约2 2 ：l o 分u c t e ( u n i o n o f t h e c o n n e c t i o no f t r a n s m i s s i o n o fe l e c t r i c i t y ) 联合电网遭受了一系列事故，导致了系统西部大部分电力的供应 中断。欧洲电网解列，法国、德国的部分地区大面积停电，造成巨大的政治影响 和经济损失。解列后由德国西部，荷兰，比利时，法国，西班牙，葡萄牙，瑞士， 意大利，和部分奥地利及斯洛文尼亚地区组成的孤岛中电网频率下降低于4 9 h z 以下，低频减载装置动作切除负荷1 6 0 6 0 m w 4 5 1 。 为保证电力系统的安全稳定运行，一次系统应建立合理的电网结构、配备完 善的电力设旌、安排合理的运行方式，二次系统应配备性能完善的继电保护系统 和适当的安全稳定控制措施，组成一个完备的防御系统【6 】。通常分为三道防线， 第一道防线在故障发生前采取预防性措施将不稳定工作点移向稳定域或在故障 发生后，有选择的快速切除故障支路；第二道防线是识别出故障地点和故障类型 河海大学硕士学位论文 后，根据实际工况选择广域的紧急控制措施来改变稳定域，增加系统的稳定性； 一旦监测到系统失步，或母线长期低频或低压等违反安全规程的动态行为，则通 过第三道防线的失步解列，低频减载( i q s ) 和低压减载( t r v l s ) 措施来阻止 停电范围的扩大，即利用牺牲局部来保全整体。正是由于重视了第三道防线，特 别是应用紧急控制和校正控制，才使相当薄弱的我国电网没有发生过北美“8 1 4 那样的大停电，但也往往会付出过度控制的代价【”。所以研究如何对电网发生事 故时快速减负荷的优化配置，既关系到电力系统的安全，同时又具有很大的经济 意义。 1 2 研究现状 电力系统频率是电力系统运行参数中最重要的参数之一，电力系统频率变化 过大会对发电机和系统安全带来严重影响。因此，将电力系统频率变化控制在很 小的范围内是电力系统安全稳定运行的主要目标之一，如果发生恶性频率事故， 在现代电力系统中则会波及面较厂1 ，影响较大。低频减负荷( u n _ s ) 作为电力 系统的第三道防线，是一种抑制频率下降的有效方法，能有效地阻止系统频率继 续下降，从而避免系统出现频率崩溃、电压崩溃等事故，以保证系统安全运行和 向重要用户的不间断供电j 。 1 2 1 国内外发展概述 1 9 9 6 年夏季美国发生的两次大停电促使美国西部协调委员会( w s c c ) 于 1 9 9 7 年3 月颁布了新的电网运行可靠性准则，其中明确提出了暂态频率跌落可 接受性的要求【8 】，1 9 9 7 年1 1 月制定了针对频率异常的减载和恢复计划【9 。我国 于1 9 9 1 年1 0 月就颁布了“电力系统自动低频减负荷技术规定”，用于指导电网调 度部门配置u f l s 装置和整定参数【1 “。国内外都采用u f l s 自动装置作为安全稳 定自动控制的最后一道防线，来保证电网受到扰动后的安全性，避免大面积停电。 如何在实际电网中优化配置u f l s 装置，优化减载量，以最少的减负荷代价换取 电网的安全性，是个关键问题。参数的整定应该在考虑暂态安全性的基础上，结 合中长期动态和静态安全性的要求进行。u f l s 装置动态采集就地的频率f 、频 率变化率d f d t 以及低频持续时间等信息，构成动作判据。装置的减载量一旦设 第一章绪论 置好，就不再随运行方式和故障而变。事实上，系统动态过程中的频率特性与电 网的运行方式密切相关，不同运行方式下频率f 和频率变化率d f f d t 可能有显著 差异1 。 1 2 2 低频减负荷方案研究现状 围绕着低频减负荷的问题，国内外专家学者进行了多年的研究，低频减负荷 方案的整定成为研究重点，考虑低频切负荷方案时，应从以下几点出发：系统安 全运行的最低频率值：在系统严重故障时，防止系统崩溃的切负荷量；不同频率 点，即在什么频率时开始切负荷；切负荷动作频率的步长的数量和大小。 正确有效的低频减负荷方案应满足：快速动作，故障后能及时阻止频率下降； 避免误动作导致负荷过切和拒动作导致负荷欠切；保证恢复系统稳定性和不越过 系统安全运行频率点的前提切负荷量最小1 2 1 。 基于近年来对低频减负荷的研究，可将低频减负荷方法分为离线和在线两大 类。 一、在线低频减负荷控制 在线低频减负荷控制是随着相量测量单元p m u 和广域监测系统w a m s 的发 展以及现代卫星通讯，光纤传输，远程控制等技术的日益成熟，出现的一种低频 切负荷优化控制方法。该方法针对常规低频减负荷在设置整定等方面存在许多困 难，基于系统出现功率缺额时的频率动态在线快速分析，将保证频率稳定的减载 控制表述成一个线性规划问题n 3 】，通过一定的优化算法确定最佳的减载地点和 减载量。该方法原则上适应于任何故障造成的系统频率下降，能够在系统出现功 率缺额时快速有效切除负荷，并且保证切负荷地点最优，切负荷量最小，解决了 运行中常出现过切、欠切或根本来不及动作等多方面的问题。在线方法在很大程 度上依赖于数据传输速度和在线优化分析的速度。作为电力系统的第三道防线， 特别是对于大规模的现代电力系统，必须能够迅速可靠地动作，以防止系统崩溃， 而目前各方面尚未达到上述要求，因此在线低频减负荷控制仍处于理论研究阶 段，并无实际应用。 二、离线低频减负荷控制 河海大学硕士学位论文 离线低频减负荷控制方法目前应用最为广泛，它是基于目前各电网的低频减 负荷装置，设计出一套与之相适应的装置整定方案。该方法采用逐次逼近的计算 方法，按照各轮级的整定动作频率切除预先设定的负荷。离线低频减负荷方案的 配置具体有单机带集中负荷模型分析法和时域动态仿真分析法。 1 单机带集中负荷模型分析法( s g s l a ) 以单机带集中负荷模型进行低频减负荷方案设计，是忽略了系统中各机组之 问摇摆、节点电压及负荷特性等的影响，认为扰动后整个系统将以同一频率过渡 到新的稳定值。 ( 1 ) 传统法 传统法设定简单，不需要复杂的继电器，因而应用最为广泛。当系统频率低 于整定值时，传统法设定的继电器切除一部分负荷。如果频率继续下降，说明切 负荷量不足，当频率又低于第二步整定值时，继电器再次动作，并重复如上步骤， 直到频率恢复。传统法中继电器的整定是离线的，基于操作人员的运行经验和系 统仿真 1 2 1 。低频减载所切负荷的总量，应根据各种运行方式和各种可能发生的事 故情况找出实际可能发生的最大功率缺额来确定。各地区切负荷值除了应满足整 个系统按级按量的要求外，还应满足本地区电网发生严重事故时的要求。在大多 数系统中取系统额定容量的3 0 为切负荷总量。电网中分别装设普通轮和特殊 轮低频减载装置。普通轮应快速动作，为了防止在系统振荡或电压急剧下降时误 动作，一般可带一定的延时；普通轮按频率等距分级，每轮级切负荷量分别确 定。特殊轮是为了防止普通轮动作后频率滞留在某一不允许的水平上或防止频率 缓慢降低；特殊轮经一定较长延时动作。一般特殊轮按时间分级。 但是这种离线整定的方法往往是根据系统最严重故障下的频率绝对值情况 来整定，虽然可以有效的阻止频率下降，但没有考虑到运行时具体情况，以及事 故等级的不同，往往会过量切除负荷，或者无选择的切负荷，引起不必要的经济 损失。 ( 2 ) 自适应法 自适应法是基于频率微分和系统频率响应模型建立的。根据简化的系统频率 响应模型，可以得到频率变化率d f d t 的初值与导致系统频率下降的有功缺额a p 4 第一章绪论 的关系成比例，通过测量动作时刻的d f d t 就可以算出应切除的负荷值。这种有选 择的切负荷法，也是其名为自适应法的原斟1 2 l 。 自适应法可以相对准确的根据实时系统频率变化情况，决定切负荷量，对系统 的低频减负荷性能有了较大的改善。但是也存在一些问题：简化频率响应模型的 简化对切负荷的影响未可知；系统发电机退出时，惯性常数发生变化，导致计算偏 差( 虽然在大系统中，发电机引起的惯性常数变化通常可以忽略) ；一些实验表明， 自适应法在减少切负荷量的同时，频率下降较大，可能会低于最低频率点。 2 时域动态仿真分析法( ) d s ) 随着系统越来越庞大和复杂，新的动态元件越来越多，单机带集中负荷的分 析方法已经无法满足准确性的要求 1 4 a 5 。进入本世纪以来，基于实际系统全模型 长过程动态仿真思想的优化配置计算方法成为主流。该方法要求通过调整动态元 件的参数来最匹配地拟合出研究系统的实际扰动动态过程来得到一组可信的模 型参数。需要考虑的元件包括发电机、励磁系统、调速器、原动机、锅炉和负荷 等。 1 3 本文的主要工作 根据目前低频减负荷的研究现状，结合江苏电网实际情况，本文主要从事了 以下几个方面的工作： 1 介绍了用于低频减负荷方案优化配置的时域动态仿真分析法。通过对该方 法与单机带集中负荷模型传统分析法的比较，得出了两种设计方法的优缺点。传 统分析法设计简单易行，但误差较大且只能计算频率稳态值，不能够反映系统的 动态过程；频率时域动态仿真分析法考虑电网中各元件模型对系统的影响，能够 较准确反映系统动态特性，但设计工作复杂计算量大。本文研究中以时域动态仿 真分析法为主、传统方法为辅，将两种方法优点相结合，相互弥补不足。此外， 对现在国内主流时域动态仿真软件p s d 和f a s t e s t 进行了介绍，并结合仿真实 践对二者的特点进行了比较。 2 研究了电网各元件模型及参数在仿真中对系统频率动态过程的影响，确定 适用于本文研究的模型参数。动态仿真中所有元件模型及参数共同决定了系统的 河海大学硕士学位论文 动态特性，因而仿真结果的正确性依赖于元件有效的模型和准确的参数。通过在 仿真中调整动态元件的参数来最匹配地拟合出实际系统在扰动后的动态过程，得 到一组可信的模型参数。需要考虑的元件包括发电机、励磁系统、调速器、原动 机、负荷等。本文通过进行模型参数灵敏度分析，得出了影响系统频率动态过程 的主要参数，再通过故障仿真法调整它们得到与实际电网近两次故障频率实测曲 线最佳匹配的动态曲线，从而得到一套适用于本文研究的系统仿真参数。这套仿 真参数是本文后续研究的基础和起点 3 结合江苏电网实际情况研究了江苏全网和各分区电网的综合负荷频率特 性。对江苏全网和各分区电网的不同功率缺额故障分别进行仿真研究，绘制故障 后系统频率响应曲线，采用最小二乘法拟合得出全网和各分区电网的负荷频率调 节系数。该系数不仅可以作为运行人员进行电网频率调节的一般指导，同时 也可作为低频减载附加轮定值的计算依据。根据我国“电力系统安全稳定导则” 中对于电网第三道防线所要防御的电网故障的要求，并借鉴华中电网“7 1 事故” 的发生和发展过程，制定一个江苏全网及各分区电网低频减负荷用故障列表；基 于这个故障集，对2 0 0 6 年底江苏电网低频减负荷分配方案( 适用至2 0 0 7 年7 月) 进行详细仿真校核，绘制频率响应曲线，发现目前方案的不足，明确优化整定的 方向。针对原低频减负荷方案中存在的问题进行调整和修正。优化配置的主要手 段是通过采用集中控制型低频减负荷装置的轮级协调动作和轮级后加速来提高 系统的频率稳定性。 第二章低频减负荷研究方法 第二章低频减负荷研究方法 本章介绍了用于低频减负荷方案配置的单机带集中负荷模型分析法和时域 动态仿真分析法。结合两种方法的优缺点，得出了应用于本文的低频减负荷研究 方法。最后，介绍了文中使用的两套仿真软件，并对其特点进行了比较。 2 1 单机带集中负荷模型分析法( s g s l a ) 攮十早机币集甲负何模掣分析珐忽昭电例各机组乙1 日j 的瑶拦、币点电盘及负 荷特性的影响，认为故障后整个系统以同一频率过渡到新的稳态值。全系统的平 均频率变化标么值譬的表示式如下【1 0 l ： 等= 丹e 鲁 泣- ， ，d fl j l = 鲁一鲁 眨z ， d f = 鲁+ ( e _ 1 ) 鲁 ( 2 3 ) 上三式中等系统频率变化的标么值； ，计算阶段开始时的系统频率： 瓦以保留在运行中发电机力矩为基准的加速力矩标么值； 己保留在运行中发电机输出的有功功率； d f 总阻尼因数； m 一以保留在运行中发电机容量为基准的系统惯性常数； 最在系统频率为，时的负荷有功功率，表达式为： 时 旺4 ， 其中：厶额定频率； 只f = 时的负荷有功功率； 河海大学硕士学位论文 置，负荷的频率调节系数。 基于单机带集中负荷模型的低频减负荷方案配置的目的是尽快制止频率的 下降并恢复频率，防止频率的超调和悬浮现象。主要包括对基本轮和特殊轮各级 频率定值f i 、延时t i 及负荷切除量p l s i 的确定，基本轮和特殊轮的作用已由前文 给出。按频率动作的基本轮其动作特性一般为图2 1 所示阶梯型特性，即使其级 数足够多，使动作特性区域图2 2 所示的线性特性时，仍只是相当于增加了一个 有差调节的比例环节，不能完成恢复频率的任务，需要加长延时的特殊轮动作恢 复频率至额定范围1 4 l 。 孚 寮 乱 f ( h z ) 求 高 山 b , 1 f ( h z ) 图2 1 实际u f l s 方案动作特性图2 2 理想u f l s 方案动作特性 低频减负荷基本轮切除负荷的总量大于系统可能发生的最大功率缺额，并且 每级切除的负荷量越多，制止频率下降的效果越好；但为了避免频率超调，又要 求任一级的减负荷量不得大于某一特定值。对于任一频率f i 处，可以找到在不发 生过切情况下可切除的最大负荷量，当系统实际的负荷频率特性系数为托时， 最大可用负荷切除量为：a p = k ：( 1 一工) 。 2 2 时域动态仿真分析法( t d d s ) 时域动态仿真分析法是对实际电网中发电机、励磁系统、调速器、原动机、 锅炉和负荷等各元件建模并辨识参判坫】，利用仿真软件模拟各种预想故障，研 究系统频率、电压等在故障后的动态变化过程。时域动态仿真分析法充分考虑了 系统各元件对系统频率动态过程的影响，在各元件模型和参数正确的情况下，能 够在仿真中如实地反映系统各节点的动态特性。 第二章低频减负荷研究方法 图2 3 近故障点和远故障点频率曲线 图2 3 是用时域动态仿真软件模拟的电网频率事故，可以看出在出现功率缺 额后电网不同地点的频率是不同的。故障地点频率的动态过程较远离故障地点的 变化剧烈，这是由于频率的变化是以波的形式由故障点开始向周围衰减扩散，离 故障点电气距离越远，波动越小；在故障后的初期频率的空间分布特性较明显， 可能会出现对应同一故障的频率动态过程中，不同地点同一轮级的低频减负荷装 置动作不一致，即某些地方装置动作，而另一些地方不动作，这种现象反映了频 率的空间分布情况；在故障后期频率的空间分布特性不显著，此时各元件动态过 程结束，各点频率趋于一致，电压恢复其某一稳态值。 2 3 两种方法的比较及在文中的应用 2 3 1 两种方法的比较 传统的电力系统低频减负荷配置方法是采用基于单机带集中负荷等值思想 的简化计算法。该方法简单易行，计算量较小，对模型和参数的依赖性小，但只 能估算系统稳态频率平均值，不能反映系统各节点频率的动态过程，而且随着系 统越来越庞大和复杂，新的动态元件越来越多，该方法已经无法满足准确性的要 求了，可能出现较大误差。进入本世纪以来，基于实际系统全模型长过程动态仿 真思想的优化配置计算方法成为主流。时域动态仿真方法考虑电网的各元件动态 特性，能够更好地反应电网的实际情况，使得仿真结果更为真实可靠。该方法可 以得到系统任一节点任意时刻的频率值，能够反映系统各节点频率的动态过程。 但是该方法计算量较大，配置工作复杂，计算结果正确性依赖于模型参数的准确 9 河海大学硕士学位论文 度。具体两种方法的比较见表2 1 所示。 表2 1 两种方法的比较 比较项目各节点 模型和参 方结 计算量 误差 动态频率稳态频率 频率 数精确度 要求 单机带集中负 小大否 是 否低 荷模型分析法 时域动态仿真 大小是是是商 分析法 通过比较两种方法的优缺点可知时域动态仿真分析法总体优于单机带集中 负荷模型分析法，更加适用于目前复杂的电力系统，其反映系统各节点动态过程 的特点更加有利于研究系统低频减负荷方案配置。因此，时域动态仿真法将是研 究电力系统低频减负荷方案配置的主要方法。 2 3 2 本文采用的研究方法 本文将主要基于时域动态仿真分析法对江苏电网进行低频减负荷方案配置。 但目前基于该方法尚无方案的整体设计方法，只能在具体系统中进行反复试凑。 因此本文将以时域动态仿真分析法为主，并与单机带集中负荷模型的方法相结 合。使用时域动态仿真分析法对低频减负荷普通轮级进行校核和优化，然后使用 单机模型的方法对低频减负荷特殊轮级进行配置，得到最终适用的低频减负荷方 案。 时域动态仿真分析法需要考虑的元件包括发电机、励磁系统、调速器、原动 机、锅炉和负荷等，这些元件模型和参数的准确度决定了仿真结果的正确性。元 件的建模和参数辨识将是一个复杂而氏期的过程。本文对于未知参数元件，使用 故障仿真法，通过调整动态元件的参数来最匹配地拟合出实际系统扰动后动态过 程，来得到一组可信的模型参数。 如图2 4 所示，故障仿真法确定模型参数是对于模型的未知参数先采用典型 参数，仿真实际系统事故，将仿真输出曲线与实际曲线进行对比，分析误差，做 参数敏感度的分析，进行参数修正，直到仿真输出与实际曲线最好拟合。这种作 法在国外已有先例，美国p t i 公司使用p s s e 软件对北美w s c c 系统1 9 9 6 年8 月1 0 日事故进行重现，发现仿真结果与实际情况不符，通过对仿真模型和参数 1 0 第二章低频减负荷研究方法 的修正，减小误差，实现了与实际情况很好的拟合。 图2 4 故障仿真法确定未知参数在很大程度上取决于故障的程度和数量。不同程度 的故障激发出系统动态性能可能不同。拟合同一故障的曲线，可能会调整出数套 参数，即未知参数不能唯一确定，因此，要确定模型参数就需要充足的故障。然 而在实际电网中适合用来确定未知参数的故障是可遇不可求的，很难保证做到参 数的唯一确定。所以调整参数使之尽量满足较多的实际故障情况，即可认为这套 参数能够较准确反映系统元件动态特性。 本文首先研究未知参数元件典型模型中各参数对于系统频率、电压动态特性 的影响，确定其中灵敏度最大的部分参数；然后通过调整它们得到与系统故障后 频率实测曲线最佳匹配的频率变化曲线，从而得到一套可信的系统仿真参数。这 套模型参数将作为低频减负荷仿真研究的基础和起点。 2 4 仿真软件介绍与比较 本文采用了两套商业化标准电力系统分析软件。一套是中国电力科学研究院 系统所开发的p s d 电力系统分析软件；另一套是国电南京自动化研究院稳定所 开发的电力系统暂态稳定量化分析软件包( f a s t e s t ) 。下面首先介绍一下它们的 功能和特点，再对它们进行一下比较，从而说明本文使用两套软件的原因。 1 p s d 电力系统分析软伴”“2 0 l p s d 电力系统分析软件是中国电力科学研究院系统所开发的用于电力系统 长过程仿真的软件。该软件将电力系统机电暂态、中长期动态过程有机地统一起 来进行数字模拟的仿真软件，是电力系统调度运行、规划设计和试验研究所必备 河海大学硕士学位论文 的电力系统动态分析重要工具。电力系统受扰动后的机电暂态过程和中长期动态 过程是相互联系和相互影响的，它们之间没有明显的界线。机电暂态对中长期过 程有影响，中长期过程对后续新的暂态过程也有作用。 2 电力系统安全稳定量化分析与优化决策软件( f a s t e s t ) 2 0 - 2 5 1 f a s t e s t ( f a s t a n a l y s i so f s t a b i l i t y u s i n g t h e e x t e n d e d e q u a la l e a c n t e d o na n d s i m u l a t i o n t e c h n o l o g i e s ) 是国电南京自动化研究院在e e a c 研究基础上，针对电 力市场开放环境中日益增长的挑战和信息社会对动态电能质量提出的新挑战而 设计的。f a s t e s t 能够系统全面地快速定量评估电网的暂态功角、电压和频率 安全性，满足在线动态安全分析的要求。该软件解决了满足各种运行方式和各种 故障的低频低压减载参数的优化整定难题。为了全面分析电力系统动态安全稳定 性，f a s t e s t 软件已扩充到中期准静态仿真和中期电压稳定分析功能。 3 两套仿真软件的应用情况比较 通过各自的使用结果比较了p s d 电力系统分析软件和f a s t e s t 软件的功能 及应用范围，再通过同样的算例对比验证两者的仿真结果，比较结果见表2 2 。 表2 2f a s t e s t 软件与p s d 电力系统分析软件比较 比较项p s d 电力系统分析软件f a s t e s t 软件 采用b p a 潮流和稳定手册巾定除部分发电机励磁模型适应性效果较差外其 系统模型 义的各种元件模型它均能适应 b p a 格式的潮流数据文件和稳兼容b p a 格式的潮流和稳定数据文件 数据输入 定数据文件可另加故障表文件控制进行多目标仿真计算 高频切机模拟不能需手动添加切机故障模拟可以设置高频切机卡对高频切机过程仿真 分区解列稳定仿真计算同时进行各分区稳定仿真计算可以挑选感兴趣的分区独立计算 故障批处理功能无有 各轮级判据独立，即满足轮级启 后一轮动作的计时是在前一轮动作时开始的， u f u v 仿真逻辑判断即前一轮是后面轮级动作的前提，无法仿真特 动值和延时即动作 殊轮的动作 u f u v 参数整定功能 无有 计算结果以文件输出，带有曲线 结果可同时以文件和表格输出，自带曲线阅读 结果输出工具，同时还输出其定义了多项仿真指标如暂 阅读工具和曲线对比工具 态安全裕度等 仿真计算精度通过同一算例在计算参数设置相同的情况下仿真验证两者的精度相当 目前两套软件在低频低压减负荷研究方面存在的最大的不同就是各轮减负 荷的逻辑方面，下文将用专门的章节比较它们的不同。p s d 电力系统分析软件低 频低压减负荷动作逻辑是各轮级的判据都是相对独立的，正好对应于江苏电网当 前使用的低频、低压减负荷装置属于分散控制装置，每一套装置只对应一轮减负 荷轮级，低频减负荷装置动作逻辑是当出现低频时判断频率是否到低于本装置定 1 2 第二章低频减负荷研究方法 值，然后经过一定延时后判断频率是否低于定值，如果仍然低于定值则装置动作， 因此在低频低压校核这一章节采用p s d 电力系统分析软件来进行仿真校核计算。 f a s t e s t 软件的低频、低压减负荷动作逻辑是，各轮级减负荷不是独立的，后 一轮减负荷配置是在前一轮基础上的，动作延时也是从前一轮动作开始后开始计 算的，而且无法仿真特殊轮( 长延时轮) 动作的情况，这一减负荷逻辑是比较适 合区域集中减负荷配置的。 河海大学硕士学位论文 第三章元件模型及参数对系统频率影响的研究 3 1 意义 电力系统动态仿真中所有元件模型及参数共同决定了系统的动态特性，因而 仿真结果的正确性依赖于元件有效的模型和准确的参数。本章将首先研究各类元 件的模型和参数对系统动态特性的影响。为了更好研究系统的动态特性，仿真中 不但考虑了系统暂态过程，而且还考虑了系统的中长期过程。暂态过程时间较短 一般为秒级，主要关心的是角度和电压的变化；中长期过程是指电网受到扰动后 较长时间内动态过程，一般为几秒至几分钟，主要关心的是频率和电压。除了时 间上的差别，仿真模型上考虑的不同是中长期动态仿真与暂态仿真的重要区别。 暂态过程主要取决于发电机、励磁系统、p s s 等，中长期动态过程除了取决于暂 态模型外，还取决于系统中其它的模型，如：调速系统、锅炉、a g c 系统等。 本文基于江苏电网实际研究模型参数对系统频率的影响。江苏电网暂态元件 模型( 发电机、励磁系统、p s s 等) 参数已实测，而中长期过程中起主要作用的 调速器、锅炉模型参数未知。本文将首先对模型进行研究，通过分析各参数灵敏 度，确定影响系统动态性能的主要参数。通过仿真电网实际发生的故障，比较故 障后实际记录的系统频率曲线与仿真得出的频率曲线，调整主要参数使得仿真系 统能够拟合出最为接近实际系统动态的频率曲线，寻求一组适应2 0 0 7 年江苏电 网实际特性的仿真模型参数。 3 2 发电机模型 本文研究中发电机采用发电机次暂态( 6 阶) 模型1 9 1 ，方程如下 电压方程： = 巳一x d 屯 = 一一x 。 转子回路方程： 1 4 u d = e a + x q i q 一吃屯 u q = e a + x d 屯一兄 第三章元件模型及参数对系统频率影响的研究 洳d - - - 7 “- e q - e q - ( x ：一x ：) 屯 丁。鲁砷t 糍c “， 丁”卵- 山- - - 万”- t = ea - - e a _ ( x ：一x ：) 丁。鲁一：一瓦x q 吨- x q 7 心瑚 转子运动方程 警却- 1 ) t 锄d 0 9 一乙一d w - p m 一丢一。国 3 3 调速系统 3 3 1 调速器和原动机模型 汽轮机调速器模型采用调速器g s 模型，原动机模型采用串联组合、单再热 器汽轮机t b 模型，模型见图3 1 、3 2 ，典型参数见表3 1 。 图3 1 调速器模型( g s 型) 图3 2 汽轮机模型( t b 型) 河海大学硕士学位论文 表3 1 汽轮机调速器和原动机典型参数 调差系数r 0 0 4 t 1 0 s t 2 0 s 伺服机构时间常数t ， 0 1 s 最大汽门关闭速度v e l c l o s