（电力系统及其自动化专业论文）基于组合优化的低频减载方案的整定.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e rs y s t e m ，t h ei n c r e a s i n gs c a l eo fp o w e rg r i d s ， a n dt h ei n p u to fv a r i o u sd y n a m i cc o m p o n e n t sw h i c hm a k et h ed y n a m i ca c to f p o w e rs y s t e mg e tm o r ea n dm o r ec o m p l e x t h ed y n a m i cf r e q u e n c yr e s p o n s e so f l a r g ei n t e r c o n n e c t e dp o w e rs y s t e ms h o ws p a c e - t i m ed i s t r i b u t i o nf e a t u r e s t h e 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 sm e t h o dw h i c hi sc o m m o n l yu s e di nt h e c u r r e n tp o w e r s y s t e md o e s n ts u i tt ot h en e e d so fs e t t i n gf o rt h eu n d e r f r e q u e n c y l o a d s h e d d i n g ( u f l s ) t h es t u d y o fd y n a m i c f r e q u e n c yr e s p o n s e s i n m u l t i m a c h i n ep o w e rs y s t e ma n dd e s i g nt h eu f l ss h e m e sw h i c ha d a p tt oi ta r e p a r t i c u l a r l yi m p o r t a n t h o w e v e r , s of a rt h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no fp o w e rs y s t e m d y n a m i cb e h a v i o r ( i n c l u d i n gf r e q u e n c y ) c a n tb eg e t t e d i n t h i s p a p e r ，t h e d y n a m i cf r e q u e n c yr e s p o n s e so fs y s t e ma r eg e t t e db y t h ep o w e rs y s t e m s i m u l a t i o ns o f t w a r e ，a n dt h ec o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m si su s e dt o a c h i e v eu f l so p t i m a ls h e m e s t h ep r e s e n ts t a t u so fu f l sr e s e a r c hi ss u m m a r i z e da n da n a l y z e d ，a n dt h e k e yp r o b l e m sa r ep o i n t e do u ti nt h i sp a p e r t h er e q u i r e m e n t s ，p r i n c i p l e sa n d m e t h o d so fs e t t i n gf o rt h et r a d i t i o n a lu f l ss h e m ea r ea l s oi n t r o d u c e da n d a n a l y z e d m a t h e m a t i c a lm o d e la n di t ss o l u t i o no fo p t i m a ls e t t i n gf o ru f l sa r e p r o p o s e d b a s e do nt h ec o m b i n a t o r i a l o p t i m i z a t i o n m e t h o du n d e rv a r i o u s o p e r a t i n gc o n d i t i o n sa n df a u l t s ot h ea l g o r i t h mh a ss t r o n ga d a p t a b i l i t y b ym e a n s o fu s e r - d e f i n e df u n c t i o n ，e x c i t a t i o ns y s t e ma n dg o v e r n o rm o d e lw h i c ha r eu s e d w i d e l yi nc h i n a ，a n dt h et r a d i t i o n a lu f l sm o d e l a r eb u i l ti np s s e o nt h i sb a s i s ， ac e r t a i na c t u a lp o w e rs y s t e mi nc h i n ai sb u i l t ，w h i c hr e a l i z e st h ed a t ac o n v e r s i o n f r o mt h eb p at op ss e t h ep o s s i b l ep o w e r l o a du n b a l a n c ec o n t i n g e n c i e so f f o u rt y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sa r es e t - t e df o rt h ep o w e rg r i d t h e nt h eo p t i m a l s e t t i n g f o ru f l ss h e m e sa r ee s t a b l i s h e di nt w oc a s e sw h i c hc o n s i d e rt h e p r o b a b i l i t yo ff a i l u r ea n dd o n tr e s p e c t i v e l y c o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n ts h e m e ， t h eo p t i m a ls h e m ew h i c hp r o p o s e db yt h i sp a p e rc a ne f f e c t i v e l yc o n t r o lt h e a m o u n to fl o a ds h e d d i n g ，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 gp h e n o m e n ac a n b ea v o i d e d ，s ot h et h es y s t e mf r e q u e n c yc a nr e s t o r et ot h eg o o ds t a t e ，a n dt h e a m o u n to f1 0 a ds h e d d i n gr e d u c es i g n i f i c a n t l y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 t h i sd i s s e r t a t i o np r o v i d e st h en e wm e t h o da n dm e a n so fs e t t i n gf o ru f l si n l a r g ep o w e rs y s t e m ，w h i c hc o n s i s t e n t w i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o n i th a sg r e a t t h e o r e t i c a ls i g n i f i c a n c ea n dp r a c t i c a lr e f e r e n c ev a l u et oc o n f i g u r et h er e l i a b l e t h i r dl i n eo fd e f e n s ef o rp o w e rg r i ds a f ea n ds t a b l eo p e r a t i o n k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；c o m b i n a t o r i a lo p t i m i z a t i o n ；u n d e r - f r e q u e n c yl o a d s h e d d i n g ；p s s e ；u s e r - d e f i n e dm o d e l i n g 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：儆宣 日期：砷6 5 指导老师签名：互川巳瓦 日期：二卯9 二厂 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作 所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 1 、目前电网低频减载整定常用的单机带集中负荷模型越来越不适应需 要。然而现代电力系统是一个强非线性、高维数的动态系统，迄今为止无法 对其动态行为( 包括频率) 进行解析求解。因此无法利用解析的优化方法求 得低频减载各个所需整定参数。本文借助于电力系统仿真工具研究频率的动 态行为，提出了低频减载方案整定的优化模型及其求解方法，即引入了组合 优化方法，将待求变量离散化，从而实现对低频减载方案优化整定。 2 、利用p s s e 的自定义功能，建立了我国电力系统采用而p s s e 标准 模型库中没有的励磁系统和调速器模型，建立了能整定8 轮的传统低频减载 模型。 似塑 猡尹多5 - ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 引言 第1 章绪论 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。继电 保护装置的潜在故障、多馈入直流系统与交流电网的相互影响、机组非计划 停运、受端无功支撑能力、低频振荡、功角稳定和电压稳定等因素更增加了 相继故障演化为大停电的风险( 1 】。大电网一旦发生事故且不能迅速消除时， 很可能导致稳定破坏和不可控连锁反应，造成大范围、长时间的停电。国内 外曾多次发生这种大规模的停电事故。 2 0 0 6 年7 月1 日，华中( 河南) 因继电保护误动作和安全稳定控制装置拒动 等原因引起多条5 0 0 k v 和2 2 0 k v 线路相继跳闸、多台机组退出运行、电网发生 了较大范围、较大幅度的功率振荡事故。在事故发生过程和处置过程中，共 有5 条5 0 0 千伏、5 条- 2 2 0 千伏线路跳闸；共停运发电机组3 2 台，减少发电出力 5 7 7 0 m w ：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 5 6 m w ，河南省电网切除负荷2 7 6 5 m w ( 华中电网共损失负荷3 7 9 4 m w ) t 2 l 。 2 0 0 6 年1 1 月4 日欧洲发生了大面积停电事故。这次大停电事故的直接起 因，是德国为了让一艘船出厂切断了两条高压线，从而造成欧洲电网东部电 力输出负荷过重，而西部电力输入严重不足，引发欧洲电网连锁反应。连锁 反应导致欧洲u c t e 电网解列为三部分。在此情况下，系统内发电出力分布 不均衡，东北部系统多余发电出力约为6 0 0 0 m w ，西部和东南部系统均出力 不足。为保持系统发供电平衡，各系统均采取切除工业及民用负荷的措施进 行减载。共切除负荷9 7 0 0 m w t 引。 这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，同时也说明切负荷是电力系统安全稳定紧急控制的主要措 施之一。当系统发生严重故障或突然失去大量电源后，快速切除部分负荷可 以减小发电机组输入输出之间的功率不平衡，从而保证系统的稳定1 4 j 。 三种典型事故切负荷是有效的办法。第一，由于动态不稳引起的发电机 失步。发电机失步将会产生两种后果，发电机被切除或发电机群间的联络线 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 被断开。发电机的切除导致功率缺额，联络线的切除将把系统分成若干个孤 岛，孤岛内通常存在着发电机与负荷功率间的不平衡。功率缺额地区，将导 致频率下降，切除部分负荷，将恢复功率平衡，阻止频率的下降，避免出现 更大范围的事故。 第二，由线路或元件过负荷引起的事故。通常情况下，系统元件能够经 受过负荷一段时间，但如果长时间过负荷，元件的自动装置将会跳闸甚至毁 坏元件。这可能导致同区域的其他元件的过负荷，造成连锁事故，甚至导致 系统崩溃。而切负荷是防止这类事故最有效最直接的方法。 第三，由电压不稳定引起的事故。切负荷可以减少无功缺额，避免电压 崩溃。 正是因为切负荷控制能恢复功率平衡；保持系统的稳定；保证对重要负 荷的持续供电；避免系统出现更大范围的事故，因此切负荷控制成为电力系 统重要的研究课题，国内外学者对此做了大量研究。现在切负荷控制装置有 低频减载、自动或连锁切负荷、低压减载等。 最早被提出的切负荷方案是低频减载，目前仍是安全稳定运行的最后 道防线，是一种防止电力系统发生频率崩溃的低成本的紧急措施，在世界范 围内得到了广泛应用【5 】。低频减载是控制电力系统一般故障及大面积复杂故 障重要而有效的手段。合理而快速地切除部分负荷或解列，可以使整个电网 在最短的时间内恢复至稳定运行状态，是保证系统安全运行的重要措施之一。 1 2 低频减载方案的研究现状 围绕着低频减载问题，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，对于一个具体的低频减载方案，需要整定的有： 低频减载装置的切负荷轮数、每轮启动频率值及人为附加延时的整定、每轮 所切负荷数量。 目前的低频减载装置整定方法是基于单机带集中负荷模型分析法。事先 估计系统可能出现的最大功率缺额( 是个比例系数) ，通过提出的模型计算 初始方案，利用其频率动态响应模型计算频率动态过程，如果不满足要求， 则适当更改某些参数，直到满足所有要求为止。 1 2 1 低频减载的分类及特点 低频减载方案大致可以分为：传统法、半适应法和自适应法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 1 ) 传统法l 6 ，7 j 传统法设定简单，不需要复杂的继电器( 如不需用到能够测量频率变化 率的继电器) ，应用最为广泛。当系统频率低于整定值时，切除一部分负荷， 如果频率继续下降又低于第二步整定值时，再切除一部分负荷，如此重复至 频率恢复。其继电器的整定是离线的，基于操作人员的运行经验、系统分析 及系统仿真。 由于传统法是采用了“逐次逼近的计算方法，必须保证系统发生最大 可能的功率缺额时，也能切开相应负荷。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。各地区切负荷大小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。 传统法是根据系统运行数据预测可能会出现的事故，再提出相应的切负 荷方案和时延。 传统法整定的低频减载装置在大多数情况下运行良好。但是这种离线整 定的传统法通常是根据系统最严重故障下的频率绝对值进行整定，虽然可以 有效阻止系统频率下降，但由于没有考虑到运行时的具体情况，以及事故等 级的不同，往往会过量切除负荷，引起不必要的经济损失。 另外，根据传统法整定的低频减载装置必须等到频率下降到整定值以下 才动作切除负荷，可能会错过最佳切除时间。其继电器也有可能由于电压或 电流低于正常工作值，而被闭锁，无法动作。 ( 2 ) 半适应法瞵j 半适应法是在传统法上的一种改进算法。当频率下降到设定的频率点时， 同时测量当前的频率变化率d r d r 。根据频率变化率的值决定具体切除负荷的 量。半适应法在频率下降到设定点时，测量的频率变化率越高，切除的负荷 就越多。 通常，频率变化率的测量点选择在继电器动作的首轮频率设定点，其后 继电器动作的整定与传统法相同。 半适应法在切负荷的首轮监测了频率变化率，因此首轮的切负荷量在理 论上比传统法更具有选择性。但实践表明，这还远远不够。文献 8 】中的比较 可以发现，半适应法虽然切负荷量比传统法有所改善，但优势不明显。在严 重故障时，动作曲线与传统法基本相同，没有明显改善。原因在于，当严重 故障导致系统功率缺额较大时，半适应法只是在首轮监测了频率变化率，没 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 有对后续动作改善。因此，半适应法与传统法相比优势微弱。 ( 3 ) 自适应法 9 - 1 2 】 自适应法基于系统频率响应模型建立。根据简化的系统频率响应模型， 可以得到频率变化率初值与实际扰动大小只把。的关系，如式1 1 所示，其中厂 和只地。均为基于系统基准值的标幺值，h 为系统惯性时间常数。由此可以计 算出应切除的负荷量。这种根据系统扰动大小，有选择的切除负荷，是其名 为白适应方案的原因。考虑到自适应方案是基于简化的系统频率响应模型， 计及简化条件，应乘以修正系数，通常通过上述计算得出切除负荷的估计值。 轧= 鲁 ) 自适应方案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， 改善了系统的低频减载性能。但是也存在一些问题：自适应方案虽然能够减 少切负荷量，但却是以更低的频率峰值和更低的稳态频率为代价，实践表明， 在严重事故时，可能会使频率下降较大低于最低频率点【6 】。其次，由于基于 简化的频率响应模型，系统发电机退出时，惯性常数又发生变化，因此自适 应法有时会存在一定偏差。另外，在大系统中，由于频率下降过程中同一时 间不同地点的频率变化率可能存在较大的差异，无法准确反映系统的频率变 化率，这样也会带来一定的误差，此外由于频率测量采样的精确性f 1o 】使得测 量的频率变化率可能存在很大的误差，降低了装置的准确性。从而显著地减 弱了其优越性。 1 2 2 目前电网主要采用的低频减载方案 目前国内采用的低频减载方案主要以传统低频减载方案为主f 1 3 17 1 ，如南 方电网、宁夏电网、江西电网、河南电网、上海电网等，少部分采用的是半 适应低频减载方案，如江苏电网【1 8 】。其他国家基本也是这种情况，部分国家 采用的减载方案表1 1 所示【1 9 】： 表卜1 部分国家目前采用的低频减载方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 从表1 1 可以看出，由于经过适当整定的传统低频减载方案在大多数情 况下均运行良好，并且具有设置简单、运营维护费用相对较低等特点，因此 目前各国实际低频减载方案仍然以传统法为主。 1 2 3 优化理论在低频减载整定算法中的应用 低频减载作为安全稳定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。然而不同的低频减载方案可能使最终切负荷量、 控制效果不尽相同，如何在实际电网中优化配置低频减载装置，优化减载量， 以最少的切负荷代价换取电网的安全性，是个关键问题。因此优化理论在低 频减载整定算法中不断得到应用。 文献 2 0 】提出了一种基于特定孤立系统( 以色列电力系统) 的优化切负 荷方案，采用频率控制系统的集总模型，该模型把所有发电机等值为一台发 电机( 包括调速器) ，将切负荷轮数设置为1 6 轮，在整定频率、延时固定确 定的情况下，采用梯度投影算法算出每轮切负荷量，该算法容易陷入局部最 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 优，依赖于初值的选取，初值不同，优化的结果可能也不同。 随着计算机技术的快速发展，有些文献利用神经网络和遗传算法计算速 度快、自学能力强等优点，进行自适应法的设计和优化 2 1 - 2 5 j ，以适应电网拓 扑结构和参数的实时变化。 此外，随着电网规模的扩大和电力市场化改革的发展，电网运行经济性 以及控制优化的综合优化思想越来越深入人心，电力系统低频减载控制设计 的优化研究得到了广泛关注和发展。文献 2 6 】提出了一种基于成本效益分析 的以旋转备用投资、运行、维护费用及低频减载对用户停电影响( 货币化) 等 总费用最小为控制目标的系统化优化方法，综合地对系统旋转备用容量及低 频减载方案进行优化。文献 2 7 贝j j 探讨了一种采用b e n d e r 分解法，综合考虑 旋转备用、低频减载和经济调度的序列优化算法。 以上文献采用的优化算法和优化目标各有不同，但对频率的动态响应过 程都是基于单机带集中负荷模型，对小系统而言，精度可能足够了，但如果 系统较大，可能出现较大偏差。 1 2 4 元件及模型参数对低频减载方案的影响 基于单机带集中负荷模型的低频减载方案不考虑调速器、励磁系统、负 荷模型等的影响，即使考虑也是采用简化的集总模型。然而随着各种与低频 减载相关的设备特性及其模型和技术等得到了越来越详细、深入的研究和发 展，包括电力系统中各种动态元件与参数模型对系统控制性能的影响、不同 的动态变量之间的相互影响关系以及不同控制措施与技术之间的相互协调以 实现优化控制等。这种低频减载控制设计方案体现出了许多不足和弊端。 文献 2 8 1 就不同的负荷模型对低频减载控制设计及方案性能的影响进行 分析，说明了各种负荷模型对控制设计及实施的影响方式与特点；并在分析 的基础上，兼顾模型对系统模拟的准确性和模型实现及其参数获取的简易可 行性，将由静态负荷模型和动态电机模型所复合而成的综合负荷模型作为电 力系统负荷模拟的推荐模型。 通常在研究低频减载问题时，对发电机的惯量和调速系统模型与参数比 较关注，而忽视了发电机模型的选取。文献【2 9 】指出，在进行低频减载整定 时，采用不同的发电机模型，得到的方案会有一定的区别。按定子绕组电压 平衡方程和转子运动方程分别是否计及频率变化的影响，将发电机模型分成4 种组合方式。仿真结果表明，如果定子绕组电压方程和转子运动方程都不计 及频率变化的影响，则分析计算结果最为保守；如果定子绕组电压方程和转 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 子运动方程都计及频率变化的影响，则分析计算结果最为乐观；其它两种处 理方式的分析结果界于两者之间。 文献e 3 0 为了分析系统动态模型对低频减载方案的影响，考虑了四种情 况，分别为：静态模型( 集总模型，也就是单机带集中负荷模型) ；静态模 型，并考虑调速器；考虑系统网络、调速器、励磁系统、静态负荷模型；考 虑系统网络、调速器、励磁系统、动态负荷模型。通过比较四种情况下低频 减载的动作轮数、最低频率及稳态频率，表明单机带集中负荷模型的低频减 载方案的整定相对简单，但不能得到优化的整定参数。只有考虑适当的系统 模型，才能得到较优的低频减载方案。 理论上，影响频率动态过程的因素有【3 0 3 3 】：发电机惯性时间常数凰 调速器调差系数灭；再热时间常数环；高压比例系数厢；负荷频率 调节效应系数k i ) ：阻尼系数d 等。 这些研究结果表明，不同的系统、元件模型对低频减载方案的设计与控 制影响较大。传统采用的集中参数模型的静态分析方法不足以使系统获得最 佳匹配的低频减载方案，最佳匹配的低频减载方案应建立在了解系统频率动 态特性之上。 1 3 课题研究的意义 频率是电力系统最重要的物理量之一，其动态特性直接影响着系统的安 全稳定运行，目前的频率动态分析方法基本还是基于等效单机带集中负荷模 型，因此低频减载整定方法是采用此思想进行的简化计算。忽略了系统中各 机组之间摇摆、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。该方法简单易行，计算量较小，对模型和参数的 依赖性小，但随着系统越来越庞大和复杂，单机带集中负荷模型越来越不适 应低频减载整定需要，主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 当系统发生扰动而产生较大的功率缺额后，系统频率会产生比较 明显的过渡过程【3 4 , 3 5 】，过渡过程中各点频率随时间的变化过程构 成系统动态频率响应，并表现出明显的时空分布特征 3 3 , 3 6 】。而单 机带集中负荷模型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，因此与实际系统相差很大，特别是开始 十几秒的过程，与系统的实际情况大相径庭。 ( 2 ) 多机系统中，负荷点电压的变化对频率动态过程有明显影响，特 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 别是在重要负荷点缺乏必要的调压手段时更是如此。负荷的电压 特性在一定程度上降低了低频减载制止频率下降并恢复频率的能 力【3 3 , 3 7 】。而单机带集中负荷模型却忽略了电压影响，往往不能准 确预测频率的动态过程，也不能真实反映系统低频减载装置的动 作情况。 ( 3 ) 如1 2 4 节所述，元件及模型参数对低频减载方案的设计与控制影 响较大。单机带集中负荷模型则体现不出这种影响，已经无法满 足准确性的要求，可能出现较大误差。 因此低频减载装置动作效果不仅与功率缺额大小有关，扰动发生地点、 系统电压维持特性、元件及模型参数等因素对其也有重大影响，研究多机系 统的频率动态过程，设计出适应多机系统下的低频减载方案则显得尤为重要。 由于对多机系统频率动态过程的特点尚缺乏足够的了解，因而在低频减载方 案的设计和分析中仍存在一些问题，如频率的过调和悬浮现象，大机组的频 率保护与低频减载的配合问题等。这些问题严重影响了低频减载制止频率下 降并恢复频率的效果，迫切需要加以解决。 借助于某些电力系统仿真工具，在模型和参数足够准确的情况下，可以 得到系统的频率动态过程，并可以考虑频率动态的时空分布特征。很多文献 3 3 , 3 8 - 4 0 】也都强调了暂态时域仿真软件在低频减载方案研究与制定中的重要 性，但仅是通过时域仿真对制定的方案进行评估与校核。 虽然通过这些软件可以获取系统的频率动态特性，但现代电力系统是一 个强非线性、高维数的动态系统，迄今为止，大规模电力系统动态行为( 包 括频率) 无法进行解析求解。因此无法利用解析的优化方法进行低频减载方 案的优化整定，如何借助于电力系统仿真实现低频减载方案的优化整定，正 是本文所要研究的内容。 1 4 本文的主要工作 针对低频减载方案的设计和分析中存在一些的问题，根据实际情况，本 文主要从事了以下几个方面的工作： 1 分析了传统的低频减载方案的整定方法，分析阐述了低频减载的整定 要求和原则，对我国常用的两种低频减载设计方法做了简要介绍。 2 由于大规模电力系统的频率动态呈时空分布，根据低频减载一般性准 则，考虑各种可能出现的运行方式和可能发生的功率缺额故障，借助 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 于电力系统仿真工具，基于组合优化方法，提出考虑频率动态过程的 低频减载整定方法。 3 基于电力系统机电暂态仿真软件p s s e ，建立了某实际电网系统。基 于f o r t r a n 语言，利用p s s e 自定义功能建立了我国电力系统采 用而p s s e 标准模型库中没有的励磁系统和调速器模型，建立了能 整定8 轮的传统低频减载模型，为实现低频减载算法奠定了基础。 4 利用p s s e 提供的二次开发语言i p l a n 语言编写程序，直接调用 p s s e 强大的计算功能对各种可能的功率缺额故障的动态行为进行 分析，引入组合优化算法实现了某实际电网的低频减载优化整定，求 出适合该电网的最优低频减载方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 第2 章传统低频减载方案整定方法 2 1 研究低频减载的单机模型 电力系统在正常运行时，发电机总机械功率= 总负荷功率+ 系统损耗，如 果系统由于某种扰动，出现功率缺额，不再平衡，系统频率厂将按式( 2 1 ) 发生改变。 2 h d f ，。：圪一只 ( 2 1 ) 拓 其中，日为系统惯性时间参数；己、分别为发电机机械功率和电功率( p u ) 。 早期电力系统频率动态行为研究中，多采用等效单机带集中负荷模型， 其假设系统刚性连接，系统出现有功功率不平衡时，各母线处的频率响应相 同，从而可用一台等值的发电机模型进行模拟，这一模型可以忽略掉原系统 中各发电机之间的振荡，从而得到平均系统频率响应。在单机模型加上u f l s ( u n d e r f r e q n e n c yl o a ds h e d d i n g ，即低频减载) 回路后得到设计u f l s 用的单 机模型框图，其传递函数框图如图2 1 所示1 3 6 1 。 图2 1 设计u f l s 用的单机系统模型框图 发电机采用经典模型，且考虑了负荷的频变效应和调速器的一阶模型。 其中，必为系统初值功率缺额；k 为系统负荷频率调节效应系数：h 为等 值发电机的惯性时间常数；k 为调速器单位调节功率，露为其时间常数。如 不考虑旋转备用容量且低频减载不动作，此时的频率动态过程是一条指数曲 线，如式( 2 2 ) 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 一一讣p - ( 参吁 ( 2 2 ) 因此给定任一低频减载方案，可根据式( 2 1 ) 求出系统的频率动态响应， 初步校验低频减载方案的是否满足要求。 低频减载方案需要整定的有：切负荷轮数、每轮启动频率值及人为附加 延时的整定、每轮所切负荷数量等。对于传统法低频减载方案，设系统观测 到的频率为厶，整定频率为石，以，无( 即低频减载总轮数为n 轮) ， 对应的切除负荷量为只，只，只，厂为第i 轮的整定频率，只为第i 轮的 整定切负荷量。则其结构图2 2 所示。 图2 - 2 传统低频减载算法的结构图 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 2 低频减载的整定要求及原则 2 2 1 低频减载的整定要求 当电力系统发生严重功率缺额时，低频减载装置中的低频继电器向断路 器发送断开信号，通过断路器迅速断开相应数量的负荷，使系统频率在不低 于某一允许值的情况下，达到有功功率的平衡，防止事故的进一步扩大，保 证电力系统的安全稳定运行和重要负荷的不间断供电。 一个理想的低频减载方案应能满足下列要求【4 1 , 4 2 】： ( 1 ) 能在各种运行方式和功率缺额下有效地防止系统频率下降到危险点 以下，这主要是为了与电网低频解列及机组低频保护相协调，防止电网内大 机组的低频保护跳闸，或因低频导致电网解列。 ( 2 ) 与机组高周切机及过频率保护相协调。因负荷过切引起恢复时的系 统频率超调，其最大值不应超过5 1 h z ，并必须与运行中机组的过频率保护相 配合。避免自动控制程度高的大型汽轮机组在过频率过程中的可能误断开， 进一步扩大事故。 ( 3 ) 不出现频率悬浮状态。低频减载动作后应使运行系统稳态频率恢复 到不低于4 9 5 i - i z 的水平( 或低频减载首轮动作频率与5 0 h z 之间) 。考虑到 某些难以预计的可能情况，应增设长延时的特殊轮，使系统运行频率不致于 长期停留在低于4 9 h z 的水平。 ( 4 ) 与系统的旋转备用容量相配合。系统故障后，低频减载应充分利用 系统旋转备用容量恢复系统频率，当发生使系统稳态频率只下降到不低于 4 9 5 i - i z 的有功功率缺额时，低频减载装置不动作。 ( 5 ) 切除的负荷量应尽可能少。应该在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下使切负荷量最小。 ( 6 ) 联络线传输功率不过载，母线电压不越限。 ( 7 ) 应能保证解列后的各孤立系统也不发生频率崩溃。 此外，低频减载装置应能够抵御系统可能发生的最大功率缺额故障。各 地区的低频减载装置切除负荷数值除了要满足整个系统按级按量的要求外， 还应当满足本地区系统发生严重事故时的要求。 2 2 2 低频减载整定的基本原则 为满足上述要求，整定时可按照以下原贝, u 3 3 , 3 6 , 4 1 , 4 3 - 4 6 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 1 关于低频减载的总负荷量 在电力系统中，低频减载装置是用来抵御严重功率缺额事故的重要措施 之一，它通过切除一定量的负荷来制止系统频率的大幅度下降。因此系统出 现最大可能的功率缺额时，低频减载装置切除负荷后也能使系统频率恢复在 可运行的水平，以避免故障扩大而导致频率崩溃。 通常对系统最大功率缺额的估计，按系统不同运行方式下实际可能发生 的最大功率缺额来考虑。例如：占系统容量比重很大的某一台大机组、一个 大电厂或一个输电通道方向的全部输电线路断开。中、小型电力系统中低频 减载装置上的总负荷大约应该为全系统总负荷的4 0 - - 5 0 ，较多的电力系 统考虑3 0 - - 5 0 。 2 第一轮定值和减载量的选取 国内电网低频减载第一轮动作的频率定值一般都选为4 9 h z ，个别电网为 了考虑旋转备用不足的问题i 把首轮定值提高为4 9 2 h z , 动作的延时定值多 设为0 2 s ；减载量取5 7 。对于“大机小网 系统则必须考虑下列问题i 删： ，( 1 ) 电网内一般机组跳闸不应使低频减载装置首轮频繁动作。例如海南 电网2 0 0 6 年减载方案中，如果把第一轮频率定值选为4 9 1 h z ，一台4 0 m w 的 机组跳闸，低频减载第一轮就要动作，如果选为4 8 9 h z 则可避免频繁动作。 ( 2 ) 为了限制低频减载动作后系统最低的频率值，防止电网内大机组的 低频保护跳闸，低频减载的首轮动作频率也不能太低，目前国内取4 9 0 或 4 8 9 h z 是比较合适的。 ( 3 ) 第一轮减载量的选取应考虑导致第一轮动作的功率缺额值比例，如 果减载量过大，切负荷后将会导致频率超调，过小又不能抑制频率的下滑。 对于频率定值为4 9 h z 的减载量取6 7 比较合适。 3 关于低频减载最后一轮定值的选取 考虑电网内大机组对低频的限制，频率下降的最低值一定要在大机组允 许范围内，即保证大机组的低频保护不能动作，例如大机组允许频率为 4 7 0 h z ( 水轮发电机组允许频率较此值低) ，最后一轮定值就应高于这一值， 选择4 7 5 h z 。最后几轮频率定值如果低于此值，则不仅不能发挥应有的作用， 而且还可能由于大机组跳闸，发生频率崩溃事故。通常末轮启动频率为 4 7 5 - 4 8 h z 左右。 7 4 频率级差的选择 为了保证各轮间的选择性，防止过切，每轮间的启动频率需要合理的差 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 值。由于频率的空间分布，不同地区的同一级低频减载装置可能不同时达到 其整定值，因此可能出现各地区同一级低频减载装置在动作时间上的差异， 甚至可能出现某一地区某一级低频减载装置动作而另一地区的同一级低频减 载不动作的情况，在低频减载减载装置的级差减小为0 2 h z 左右时这一现象 可能更为明显，因此频率级差最好不小于0 2 h z 。 总的说来，所选级差过大，容易导致欠切，以致使频率悬浮于额定值以 下。如果级差过小，将使低频减载装置失去选择性，且容易造成过切。 5 时延的选择 低频减载时延可分为固有延时和人为延时两类，固有延时包括启动继电 器的动作时间、断路器的动作时间等，与装置本身有关。人为延时主要是为 了提高低频减载性能，保证选择性且可以防止误动，这里的时延指的是人为 延时。延时选择要恰当，过小容易照成误动作，如果给定的时延过长，显然 又不利于轮间的选择性和抑制最低频率。一般考虑可以取为o 2 o 3 s ，要与 频率级差的选定相互协调。 6 引入特殊论 虽然在有些功率缺额故障情况下基本级可以直接将频率恢复到允许值， 但在某些有功功率缺额下，系统频率可能长期悬浮在4 9 0 h z 以下，如果只安 排基本轮，不论如何整定，系统频率悬浮情况都是不可避免的，为此，需要 用特殊轮来弥补上述的不足。 7 切负荷点的选择 在选择切除负荷时，应当考虑： ( 1 ) 被切除的负荷应为次要负荷。除了必须保证重要用户的供电外，对 停电后会引起的人身伤亡，设备损坏等事故的用户也不应切除。 ( 2 ) 切除负荷总容量应按最大负荷或最小负荷时可能发生的最大功率缺 额决定。被切除的负荷应根据具体情况按平均负荷或按系统最大负荷及最小 负荷时的实际负荷水平计算。 ( 3 ) 被切除的负荷，除了要考虑重要性外，还应该考虑负荷切除后对有 关设备的影响：如设备过负荷、电源联络线上功率是否超过稳定极限等。 ( 4 ) 被切除的负荷不应被自动重合闸重新投入( 低频减载本身所带的重 合闸例外) 。 ( 5 ) 在次要负荷全部切除后，如仍不能满足系统或地区的要求时，则应 切除部分较重要的负荷。此时，对停电后需要送保安电力的用户，应明确规 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 定停电后立即送出保安电力的措施。 因此，轮数、轮间频率级差、每轮所切负荷等，应按各种运行结构( 大 系统解列后的部分系统或孤立网) 和各种运行方式( 包括低谷负荷期情况， 此时系统惯性小，失去一台大机组或主要的电源联络线时，剩余系统容量较 小) 进行优选组合。 2 3 两种低频减载设计方法简介 传统低频减载整定方法首先考虑系统拓扑结构及各种运行方式，预想系 统可能出现的事故，得出各种组合方式下最大功率缺额，根据单机模型，假 设系统无备用容量，进而计算出各级的减载量，下面介绍两种低频减载设计 方法。 2 3 1 最大可用容量法 低频减载的目的是制止频率下降，防止频率崩溃，如从制止频率下降的 角度出发，则切除负荷愈多愈好，但又不能使系统频率出现超调，因而在任 一频率定值下存在一个负荷切除量的上限，切除量少于该值将使u f l s 制止 频率下降的效果变差；切的过多则将产生频率的超调，如能找出该值并以此 为基础整定u f l s 方案，其优越性是显然的，这就是最大可用容量法的基本 思路 3 6 , 4 7 】。 具体做法为：假如频率由f o = 1 0 下降到，并稳定在该值，对应的可切除 最大负荷量为： = ( 1 一z ) ( 2 - 1 ) 则基本级总切负荷量为： 也一r = 气，= k o ( 1 - y , ) = k o ( 1 - f ) + k d ( i - 1 ) 奉鲈】 ( 2 2 ) t = li = li = 1 式中，刀表示低频减载总轮数；为负荷调节效应系数；石为首轮动作 ff 频率；鲈为低频减载频率定值的级差，将v = 等代入上式( 其中工为末 轮动作频率) ，有： 兄一r = 窆= i 刀( 1 - 石) 4 - 詈( 石一) i ( 2 - 3 ) 在给定石后，改变a f ，从而可以确定和轮数n ，并计算低频减载总容 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 量，如容量不在事先给定的范围内则重新修改直到总容量合适为止。 2 3 2 恢复系统频率法 该方法将基本级以恢复频率为目的，特殊轮仅作为基本轮的后备级，是 早期我国系统中常用的设计方法，其设计思路是试图恢复系统频掣4 6 1 。如第 i 1 级低频减载动作后使频率稳定在第i 级的频率等值f 上，则希望第i 级动 作后可将频率恢复至给定的恢复频率厶，由此条件可计算出各级切除的负荷 量为： 土量 置s ；= ( 矗一z ) 幸( 1 一置s j ) ( 2 4 ) j - - i 其中，k 为负荷调节效应系数；在实际应用中为简化计算过程，恢复频 率名常取5 0 h z 。在整定频率事先确定的情况下，可方便的求取每轮切负荷 量。且基本级所切除的负荷总和应等于或略大于系统可能发生的最大功率缺 额哦：，从而确定低频减载级数及切负荷总量。 2 4 多机系统下低频减载方案的校验 单机模型具有计算量小、原理简单、所需参数少，给低频减载整定带来 方便，但单机模型与实际情况相去甚远，因此其结果常常有很大的误差。故 在单机模型下得到的合适的低频减载方案后，需要在实际的多机系统模型中 进行校核【1 4 - 1 7 , 3 3 , 3 8 - 4 0 。校核的目的是检查低频减载方案在不同地区发生不同 的功率缺额时是否能达到设计要求，以及在低频减载装置动作时是否会产生 联络线过载及电压越限等情况。如果校核结果不合乎要求则需进一步修改低 频减载方案，然后再进行仿真校验，如此的反复校验调整，直到某一方案满 足所有要求为止。这种校验调整既费时又枯燥，缺乏灵活性，且最终确定的 方案也不一定是最优方案。 从这层意义上讲，为电网低频减载整定提供新的方法和手段，提供方便 有效和精确的计算工具，提高制定电网低频减载方案的技术水平，为电网配 置可靠的安全稳定运行第三道防线，也有重要的实用价值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第3 章基于组合优化的低频减载方案的整定 随着电力系统的发展，电网规模越来越大，各种动态元件的投入使得电 网运行情况越来越复杂，动态频率表现出时空分布特征。目前电网低频减载 整定常用的单机带集中负荷模型越来越不适应需要。然