（电气工程专业论文）低频减载装置在线整定研究.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文 摘要 低频减载是保证电网安全稳定运行的最后一道防线。为了提高低频减载装置定值计 算的准确性，最大限度的消除过切或欠切现象，优化系统中各低频减载装置的减载量， 本文对传统电力系统低频减载的整定计算过程及遗传算法进行了研究，并针对目前低频 减载装置在整定计算方面的不足，在总结前人低频减载方法的基础上，提出了种基于改 进遗传算法的电力系统低频减载装置在线优化整定的方法。 本文以辽宁电网为例，进行了低频减载装置优化整定。从算例结果可以看出，该低 频减载整定方法同当前的低频减载在在总切负荷量及系统频率恢复方面相比，有一定 程度的改善。 关键词：电力系统，低频减载，优化，遗传算法 a b s t r a c t u f l si st h el a s td e f e n s et h a tg u a r a n t e e st h ee l e c l r i cp o w e rn e t w o r k ss a f e t ya n dr e l i a b i l i t y i n o r d e rt oi m p r o v ea c c u r a c yo fu f l si n s t a l l m e n tf i x e dv a l u ec o m p u t a t i o n ，t oc l e a ro v e r - c u ta n do w e s - c u t p h e n o m e n o ni nm a x i m u m ，a n dt oo p t i m i z ea m o u n to fr e d u c e dl o a do f u f l si no p t i m u ms y s t e m ，t h i s a r t i c l es t u d i e so nu f l ss e t t i n gc a l c u l a t i o no f t r a d i t i o n a lp o w e rs y s t e ma n dg e n e t i ca l g o r i t h m s ，a n dp u to u t p o w e rs y s t e mu f l se q u i p m e n t so p t i m i z e ds e t t i n go n l i n eo nt h eb a s i so f e x i s t e dm e t h o d s ，b e c a u s eo ft h e s h o r t - c o m i n go f t h ec u r r e n ts e t t i n gc a l c u l a t i o n s f o rt h ee x a m p l eo fl i a o n i n ge l e c t r i cp o w e rn e t w o r k ，t h i sa r t i c l eo p t i m i z e ds e t st h eu f l se q u i p m e n t s f r o mt h ec o n c l u s i o no fc a l c u l a t i o ne x a m p l e sw ec a ns e et h a tt h em e t h e di n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l eh a s s o m e t h i n gi m p r o v e da sc o m p a r i n gw i t hc u r r e n tu f l si na m o u n to fu f l sa n dr e s t o r a t i o no fs y s t e m f r e q u e n c y k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，u f l s ，o p t i m i z a t i o n , g e n e t i ca l g o r i t h m s g u o q u a n l i ( e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gd o n g y i n g i i l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文低频减载装置在线整定研 究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 刎胗 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 f 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名； 日期： i i 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 现代电力系统的特征 第一章引言 我国电力工业在近几年来得到了高速发展，装机容量跃居世界第二位，大型发 电厂在系统中所占容量比例越来越高，发电区域与用电区域间距离越来较远，这种 大容量机组、超高压线路、大范围远距离输电、重负荷、大区域联网以及交流直流 联合输电的生产和运行方式，使得我国电力工业已具备现代电力系统的特征。这种 互联运行使系统的经济性和可靠性得到了显著提高，但同时也削弱了系统在大扰动 下维持系统频率稳定的能力“1 。主要体现在以下几个方面： ( 1 ) 大机组的增多和单机容量的日益增大使得系统可能遭受的有功功率扰动增 大1 2 】； ( 2 ) 大容量机组的惯性时间常数减少0 1 ； ( 3 ) 工业负荷的恒频传动负荷以及民用负荷的增长使得负荷的频率调节效应减 少； ( 4 ) 大机组对频率质量的要求严格，为了保护机组本身，一些大型汽轮发电机 配置了频率保护。运行频率过高或是过低，都可能导致保护动作，从而引起破坏系 统频率稳定的事故连锁发生“1 。 ( 5 ) 目前我国某些系统中缺电还比较严重，在高峰期间常常热备用不足甚至没 有热备用。 由以上几方面可知，当系统中的有功功率电源不足或负荷增大时，将会出现有 功功率不平衡，进而引起系统频率下降。随着电力系统的不断扩大，系统结构及运 行方式不断复杂化，在电力系统中任何一处发生故障或误操作，如处理不当，极易 影响系统的有功平衡，发生频率过低甚至频率崩溃的恶性事故，导致全系统频率的 瓦解，进而扩大为大规模的停电事故。所以频率过低甚至频率崩溃往往是造成大范 围停电事故的主要原因之一。 1 2 低频运行的危害 由于频率稳定对于电网的稳定具有重要的意义，因此，频率一直是监控电能质 量的重要指标，也是重要的电力系统运行指标。根据我国有关规程规定“1 ，系统的 额定频率为5 0 h z ，正常运行时，允许的频率偏差不超过o 2h z 。在使用调频装置 时，规定频率偏差不超过o 0 5 o 1 5h z 。但是电力系统中有时会出现严重的有 功功率缺额，导致系统的频率下降，即使这种下降没有达到令系统崩溃的程度，系 华北电力大学工程硕士专业学位论文 统在低频下运行，也会出现很大危害“”： ( 1 ) 系统频率降低将会影响某些测量仪表的准确性。 ( 2 ) 对于用户来说，系统频率下降，电动机无法稳定在额定转速，电动机带 动的生产设备会生产出不合格产品。 ( 3 ) 系统频率长期运行在( 4 9 5 4 9 ) h z 以下时，不仅影响电厂和系统运行 的经济性，而且会致使某些汽轮机损伤，甚至破坏。 如果有功功率缺额的程度继续恶化，将会引起系统的崩溃： ( 1 ) 由于频率减低，火电厂厂用机械生产率下降，因而必然导致发电厂有功 出力的降低，进一步使系统频率降低，严重时将引起系统频率崩溃。 ( 2 ) 系统频率的降低引起发电机转速降低，导致系统电压水平下降，严重时 将引起系统电压崩溃。 系统频率下降还伴随着潮流失调、线路过载及稳定失步等现象出现，这些现象 也同样会影响系统的稳定。为了保证系统的稳定，目前各国电网已普遍采用了低频 减载措施作为保障系统安全的最后一道防线。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 3 低频减载的意义 电力系统安全稳定导则将电力系统的扰动分为三类：第一类为常见的普通 故障，要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行与正常供电；第二类故障为出现 概率较低的较严重的故障，要求系统在承受此类故障时能保证稳定运行，但允许损 失部分负荷；第三类故障为罕见的严重复杂故障，电力系统在承受此类故障时，如 不能保持系统稳定运行，则必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。 针对上述三种情况所采取的措施，即所谓保证安全稳定的三道防线。其中第三 道防线就是要保证电力系统在严重复杂的故障下，防止事故扩大，防止导致长时间 的大范围停电，以免造成巨大经济损失和社会影响。这也是设置第三道防线的意义。 系统的扰动往往造成发电、用电功率的不平衡。调节系统功率不平衡主要有两 种措施：增加功率输入或裁切负荷”1 。如果事故发生出现功率缺额时，系统旋转备 用容量将积极、尽可能快的阻止系统崩溃，这一方案称为低频调速控制。低频调速 控制必须在系统频率刚开始下降时动作，并且是一种独立于能量管理系统( e m s ) 地 区性的控制。但当系统发生严重事故，旋转备用容量不足以弥补系统功率缺额时， 就应该有选择地切掉一部分负荷，从而阻止频率下降，这一方案称为低频减载控制。 由于现代电网经济运行的要求，系统的备用容量偏低，低频减载成为严守第三道防 线，维持整个电网的稳定运行，防止系统崩溃的主要手段。 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 4 低频减载技术发展现状及发展方向 目前，低频减载方案大致分为三类：传统法、半适应法、自适应法以及计算机 辅助算法n 0 1 “。现对其分别进行介绍和比较。 1 4 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。 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。 电网中应分别装设基本段和后备段低频减载装置。基本段应快速动作，为了防 止在系统振荡或电压急剧下降时误动作，一般可带0 3 o 5 s 的时限；基本段按频 率等距分级，每级切负荷量分别确定。后备段是为了防止基本段动作后频率滞留在 某一不允许的水平上或防止频率缓慢降低：后备段经一定时延动作。一般采用1 5 2 5 s ，后备段通常按时间分级。 基本级中末级动作频率要根据系统中各大机组对运行频率的危险点而定，一般 应略高于该危险点，设为f 。确定基本级首级动作频率时，要考虑发挥旋转备用 的作用，设为f ，。低频减载的级差取得越小，则恢复效果越好，但级差增多也使低 频减载装置的成本增高。级差取鲈，则基本级数为n = 【( z 一五) 矽】+ 1 。传统法的 整定没有固定的公式，针对同一个系统可以有不同的整定方法，其动作效果需要通 过仿真和实验测试来比较。后备段通常是由运行人员手动拉闸，各电业局有本地区 一次拉闸顺序表，其动作时间与切负荷量通常因地区而异，不能一概而论。 传统法是根据系统运行数据预测可能会出现事故点，再提出时延和切负荷的方 案。实践证明大多数情况下，传统法整定的切负荷装置工作正常，运行良好。 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，虽然可以有效地阻止频率下降，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。 另外根据传统法整定减负荷装置切负荷必须等到频率降低到整定值以下才动作，可 能会错过最佳切除时间，也会导致对继电器正确动作的依赖，在伴随低电压等其他 故障时，继电器可能由于电压或电流低于正常工作值而被闭锁，无法动作。 1 4 2 半适应法 华北电力大学工程硕士专业学位论文 半适应法当频率下降到设定的频率点时，测量当前的频率变化率d f d r 。根据 频率变化率的值决定具体切负荷的量3 。也就是说，半适应法测量频率通过某一频 率点的速度，这一速度越高，切除的负荷就越多。 通常，频率变化率的测量点选择频率下降、继电器动作的第一点，其后继电器 动作的整定与传统法相同。 通过频率变化率可以得知系统功率缺额，从而决定减载量，所以频率变化率的 测量尤为重要。由于系统紧急情况时频率的波动使得传统继电器很难快速、准确的 测量频率变化率。近年来，出现了基于微处理器的智能继电器，采用智能软件控制 硬件在过频、低频的情况下有选择地切负荷。实践证明比传统继电器有更好的特性。 半适应法在切负荷的第一步监测了频率变化率，那么第一步的切负荷量在理论 上说比传统法有选择性。但实践表明，这还远远不够。文献 1 4 中的比较发现，半 适应法虽然切负荷量比传统法有改善，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，严重故障功率缺额较大，通常需要动 作一步以上，半适应法只是在第一步监测了频率变化率，对后续动作没有性能改善。 1 ，4 3 自适应法 统频率响 | ，；0 2 亩 可见频率 变化率与系统功率缺额成比例。通过测量动作时刻的频率变化率就可以算出应切除 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因。 可以看出，理论上自适应法可以准确的切除多余负荷。但实际切负荷量不用等 于根据上式算出的值。考虑到自适应法是基于简化的系统频率响应模型的，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。实践表明， 自适应法在严重事故时，切负荷量明显低于前述方法。 自适应法可以相对准确地根据实时系统频率变化情况决定切负荷量，对系统的 低频减载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。 1 4 4 计算机辅助算法 现代电力系统是以高电压、大电网、大机组为主要特征的。系统的运行复杂， 突发事故增加，要求相关装置在异常时迅速、准确的做出反应，采取适当措施，这 需要准确的采集系统信息。相关工具应运而生，其中有代表性的是专家系统，专家 系统由以下几部分构成：设备与子系统诊断与故障定位：警报分析：负荷预 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 测；稳定分析；阻止与更正措施的实施。 现代信息技术的发展使大规模数据信息的采集成为可能，使用s c a d a 或d c s 等 软件可以在线采集数据信息，网络与现场总线技术的发展又可以远程控制切负荷。 可见专家系统的出现使得电力系统自动化和智能化的程度明显提高。专家系统还可 以离线使用，作为训练工具来训练操作员在紧急情况下如何做出正确反应。 应用在电力系统低频减载方面的专家系统主要是通过对数据采集系统的采集 信息分析，采用一定算法，在故障情况下，决定最优减负荷方案，主要是针对切负 荷点和切负荷量的确定。 下面主要介绍专家系统中针对低频减负荷方案整定的几种代表性的算法。 ( 1 ) 神经网络 过去十年，神经网络( n e t r u a ln e t w o r k s ，简称n n ) 成为人工智能领域中突出的 一支，信息传入某一神经元，经过一定的处理，再传入另一神经元。神经元连在一 起就构成神经网络。人工的神经元与人脑中的神经元类似。 迄今为止，研究发展了多种神经元和神经网络。基本的技术可分为三类：多 层感知器；k o h o n e n 发现的自重组特性图；大型神经网络互联。第一类广泛应 用于许多领域。最常见的多层感知器网络中调节重力的学习算子是反向传播过程 ( b p ) ，它是基于最不可能的遗传来最小化考虑神经网络联络重力异常值的错误。 在系统切负荷研究中，神经网络被用来计算发电机退出时，动态系统下最小频 率和决定切负荷系统的动作等级。这两类问题有联系，但非线性。主要的触发信号 是切负荷系统的频率值。这样最小频率和切负荷量就联系起来了。实验表明，神经 网络在低频减载中的应用，速度明显提高，计算偏差较小，性能优于传统算法。最 近，有人提出神经网络结合遗传算法，用遗传算法来训练神经网络中的神经元，从 而优化迭代，但还没有应用于实际。 ( 2 ) 模糊理论 模糊逻辑最早发展于日本，主要是模仿人类的模糊知识和模糊推理。基于控制 器的模糊理论一般包括四个基本部分：模糊机；知识库：干涉机：逆模糊 机。 模糊机包括如下功能：测量输入变量值；展示将输入变量的范围转换为相应讨 论域；展示函数，将输入量转化为可看作模糊标签的适当语言值。 知识库包括所研究领域的知识和控制目标，包括数据库和规则库。数据库包含 必须的定义，用于定义语言控制规则和模糊数据操作。一般的，模糊控制器的设计 是基于操作者对操作流程的把握丽不是对具体数学模型细节的掌握。这一方法最大 的好处是易于完成规则控制。 决策机是核心。基于模糊理论可以仿真人的决策过程，通过干涉模糊行为来实 现模糊控制目标。 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 逆模糊机有如下功能：范围图，展示将输出变量转化为相应讨论域；防止非模 糊行为干扰模糊行为的决策。 模糊理论可被应用于计算低频减负荷量。定义负荷控制母线的切负荷量语音控 制规则后，基于模糊推理可以得出切负荷量的语音值。用中央法解码所有规则下的 推理结果，就可以得到负荷控制母线的模糊指示器。模糊控制器与离线状态下计算 的切负荷量相关连，那么切负荷量就可以由模糊控制器所落在的区域决定。 实践表明，虽然模糊理论不一定能提供更优化的切负荷方案，但在一定方案下， 可由严密推理过程，使基于信息的决策更准确。 ( 4 ) 遗传算法 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m ，简称g a ) 是建立在自然选择和自然遗传学基础 上的迭代自适应概率性搜索算法，该算法借鉴了生物进化优胜劣汰、适者生存的自 然选择机理和生物界繁衍的遗传机制，简单通用、鲁棒性强，应用范围广，是2 1 世纪智能计算的重要技术之一。 遗传算法作为一种新兴的全局优化算法，对求解问题几乎没有什么限制，也没 有常规优化问题求解的复杂数学过程，特别是对于一些大型、复杂非线性系统，它 更表现出了比传统优化方法更加独特和优越的性能，适合于求解类似于低频减载等 复杂非线性优化问题。近年来把遗传算法应用电力系统求解，已成为电力工作者研 究的热点之一，并已取得了许多成果。但是遗传算法在实际应用过程中存在收敛速 度慢，易早熟等缺陷，故有必要对遗传算法进行改进以提高其在低频减载问题上的 性能。 1 5 本文的主要工作 为了最大限度的消除过切或欠切现象，本文以系统中低频减载装置总切负荷量 最小为优化目标，研究基于多机模型的在线低频减载装置定值计算问题。本文的主 要工作为： ( 1 ) 在总结分析传统电力系统低频减载的整定计算过程及其不足的基础上，提 出低频减载装置定值在线整定需要解决的关键问题和设计思路。 ( 2 ) 提出一种基于改进遗传算法的低频减载装置在线优化整定的方法。 由于遗传算法具有适用范围广，寻优能力强，程序实现简单等优点，所以本文 采用遗传算法进行低频减载装置在线优化整定。对算法深入研究，改进原有遗传算 法存在的缺陷，提出适台于求解低频减载问题的完整方案。 ( 3 ) 以辽宁电网为例，进行低频减载装置优化整定。 本文以实际电网为例采用改进后的遗传算法进行低频减载的仿真计算，并分析 算例结果，比较该低频减载整定方法同目前采用的低频减载整定方法在装置总切负 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 荷量及系统频率恢复方面是否有一定程度的改善。 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章低频减载算法 2 1 低频减载方案的设计要求 考虑低频减载方案时，应从以下几点出发“： ( 1 ) 系统安全运行的最低频率值，即频率危险点； ( 2 ) 切负荷量，在系统严重故障时，防止系统崩溃的最大切荷量； ( 3 ) 不同的频率点，即在什么频率时开始切负荷； ( 4 ) 切负荷动作频率的步长的数量和大小。 系统安全运行的最低频率值由系统设备的运行要求来决定。发电机可以低于稳 定转速运行，当然此时输出也会相应降低。电厂辅助设备对频率的要求比发电机更 为严格，它们在4 7 5 h z 时就会出故障，在大约4 4 4 6 h z 时处于临界状态，频率再 下降时，保护装置就会将辅助设备的异步电机切除。汽轮机则对频率下降更为敏感。 综上所述，系统最低频率为4 7 5 h z 时，将会保证系统电机的安全运行。 好的低频切负荷方案还应该满足如下要求： ( 1 ) 动作快，要在危险情况出现前阻止频率下降； ( 2 ) 避免误动作和多余的动作： ( 3 ) 保护系统应该准确、按时动作，因为它的一个小故障将导致全系统的大故 障甚至崩溃： ( 4 ) 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切负荷 量最小。 针对以上要求，低频减载方案的整定成为研究重点，其中切负荷量和切负荷点 以及动作时间的选择是衡量减载方案的关键。 2 2 低频减载传统算法 2 2 1 低频减载切除负荷的总容量和选择切除负荷的原则 低频减载装置所切除的总负荷容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。 全系统的低频减载装置切除负荷数值等于各个地区低频减载装置切除负荷数 值之和。这个数值有时大于全系统所需要切除负荷数值。在大型电力系统中，接到 低频减载装置上的总负荷大约为全系统总负荷的3 0 ，在中、小型电力系统中大约 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 为4 0 在选择切除负荷时，应当考虑： 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。 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在系统最大负荷及最小负荷时的实际 负荷水平计算。 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、中枢点电压是否超过 极限( 上限及下限都有可能超过) 值等。 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) 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，应明确规定停电后立即送出 保安电力的措施。 2 2 2 低频减载首级和宋级动作频率的整定 低频减载装置( 第一级) 动作频率与发电厂旋转备用容量动用速度和低频减载 装置动作后希望频率恢复到什么水平有关。通常要求首级应在系统事故时，当电厂 全部旋转备用均动作后，频率仍未恢复到规定水平时再动作。在火电厂为主的系统 中，由于电厂的旋转备用容量动用速度很快( 约为l 2 秒) ，因此首级动作频率一 般选为4 8 4 8 5 h z ；在水电厂为主的系统中，由于水电厂的旋转备用容量动用速度 很慢( 约1 0 1 5 秒) ，因此首级动作频率一般选为4 7 5 4 8 h z 。 末级动作频率决定于系统内火电厂机组的最低允许频率。或系统静态稳定所允 许的最低频率。对有高温高压电厂的系统，末级动作频率不应低于4 7 h z ；对没有高 温高压电厂的系统，末级动作频率不应低于4 6 h z ；按静态稳定条件所允许的最低频 率为4 5 h z 。因此末级动作频率的极限不应低于4 5 h z 。 2 2 3 低频减载装置级数的确定 低频减载装置级数多少主要决定于首末两级的动作频率和频率继电器本身误 差。国产频率继电器的误差为士0 2 h z ，如取频率的储备系数为0 1 h z ，则低频 减载装置两级问的频率级差为2 0 2 + 0 1 = o 5 h z 。假定首、末两级的动作频率 为4 8 5 h z 和4 n t z ，则低频减载装置的级数为： r ：竺竺1 - l ：6 像) ( 2 - 1 ) 但是，低频减载装置每级应切除的负荷与发生的功率缺额大小无关，它只与低 频减载装置的动作频率、负荷的频率调节效应系数和切除负荷后希望频率最后稳定 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 在什么水平及基本级的整定原则有关。所以当各级应切除的负荷总和小于最大可能 发生的功率缺额时，就应当增加频率减载装置的级数，即除低频减载分级外，尚须 按时限分级。 2 2 4 低频减载装置的时限整定 低频减载装置原则上是不允许带时限的，因为延时减负荷可能会进一步引起频 率及电压的严重下降，会带来更大的损失。但瞬时( 零秒) 动作的低频减载会在电压 急降时误动作，因此不能采用。目前基本级通常采用0 3 0 5 秒时限，特殊级 大约采用1 5 2 5 秒。当低频减载级数较少，而又保证切除负荷总和不小于最大功 率缺陷时，每级切除的负荷则可以再按时间分级。在这种情况下，每级的时限分别 整定为0 5 ，2 ，4 ，6 秒共4 级。 2 2 5 低频减载基本级和特殊级的整定 基本级的整定方法有两种：一种方法是基本级的动作仅作为制止频率的下降； 另一种方法是基本级动作后就应当使频率恢复至接近正常水平。按前一种方法整定 时，恢复频率的任务就完全由特殊级来完成；按后一种方法来整定时，特殊级仅仅 作为基本级的后各级，即当基本级动作后，频率尚未恢复到正常水平时，经过一定 的时延，特殊级动作，使频率恢复至接近正常水平。 特殊级的动作频率一般只取一个，动作频率通常取比基本级的第一级高一级， 但不宜高于4 9 h z ，亦不希望低于4 7 5 h z 。 特殊级通常是按时间分级，第一级动作时间不小于1 5 秒，时限级差为5 秒， 最后一级的时限一般不大于2 5 秒。 当基本级按第一种方法整定时，特殊级至少要2 3 级；当基本级按第二种方 法整定时，特殊级不少于2 级。特殊级的分级与基本级一样，在有条件时，应尽量 多分几级。 特殊级切除负荷数值与基本级的整定方法有关。当基本级按第一种方法整定 时，特殊级所切除的负荷应与基本级切除的负荷分开；当基本级按第二种方法整定 时，特殊级所切除的负荷最好与基本级切除的负荷分开。在这样做有困难时，也允 许将基本级中最低一级或二级所切除的负荷的一部分或全部作为特殊级的切除负 荷，即基本级与特殊级切除同一负荷。 2 3 扩充d r a t 功能的传统低频减载方式 近几年来在国内出现了增加频率变化率( d f d t ) 的辅助判断的低频减载装置。 目前，d f d t 的在频率紧急控制装置中的功能归结起来有两个“： 加速功能 i o 华北电力大学工程硕士专业学位论文 当电力系统频率下降到某一整定值时，按不同的频率下降速度作出不同的减载 出口决策： 1 ) 频率下降速度很小一只动作于本级； 2 ) 频率下降速度较大一同时动作于本级与下一级( 一次动作2 级) ； 3 ) 频率下降速度很大一同时动作于本级与下两级( 一次动作3 级) 。 当频率下降较快时，加速切负荷，尽早抑制频率的大幅度变化，防止出现频率 稳定破坏事故。 闭锁功能 主要是用以防止由于系统短路、负荷反馈等非正常情况可能引起的装置误动 作。 为充分发挥电力系统旋转备用的作用，尽量少切负载，对d f d t 的使用提出了 两点改进： 1 ) 在基本轮出口中引入d f d t 符号判据，在系统频率的下降过程中( d f d t o ) ，闭锁基本轮出口，以充分 利用系统的备用容量，经系统自动调整1 0 1 5 秒后，再由后备轮恢复系统频率至额 定值附近。 2 ) 利用d f d t 给装置设置一个合理的“死区”，满足系统的多种运行方式要求。 即在装置中设置一个合理的d r d r “死区”，利用小电网孤立运行时负荷波动、切机 切负荷装置过切或欠切时d f d t 变化范围较小，而在功率突然缺额或过剩时，d f d t 的的值较大的特点，使装置在d r d r 小于一定值时可靠闭锁，不仅可以解决系统多 种运行方式的需要，而且还能较好地解决切机和切负荷装置相互影响的矛盾。 2 4 现行低频减载方式的缺陷及改进的方向 2 4 1 现行低频减载方式的缺陷 1 传统法是将系统的网络结构和参数的集合、系统潮流方式的集合以及预想事 故的集合按照某种方式进行组合，离线计算出各种组合方式下最大功率缺额，进而 计算出各级的减载量。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 率绝对值情况来攘定，存在如下缺陷： 减载量不准确； 由传统低频减载方式的整定原则可见，传统的低频减载装置整定方法将整个系 统等值为一个惯性系统，低频减载装置的整定值主要取决于等值系统的最大功率缺 额及负荷调节效应系数，没有考虑到运行时具体情况，以及事故等级的不同。而等 值系统的通常难以准确的获取。这样往往会出现过切、欠切或者根本来不及动作等 问题 1 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 减载速度慢 因为传统减载的基本思想不是预测，而是一种揣测方式：每一级总是认为系统 频率正好下降到本级动作频率，因此必需设多个级次，为防止越级动作，每级都 需延时，势必导致减载速度慢。 频率恢复缓慢 减载速度慢和减载量不准确都会导致频率恢复缓慢。 2 复杂电力系统出现功率缺额时，系统各点的频率变化是不一致的，即频率的 动态过程具有空间分布性。根据传统法整定减负荷装置切负荷必须等到频率降低到 整定值以下才动作，可能会错过最佳切除时间，也会导致对继电器正确动作的依赖， 在伴随低电压等其他故障时，继电器可能由于电压或电流低于正常工作值，而被闭 锁，无法动作 3 ) 由于联络线功率的振荡使各点动态频率曲线不再是规则的指数曲线，而是 呈振荡下降趋势，测得的可d f d t 的符号也是不断变化的。因此，此种改良的传统 低频减载方式方只是在振荡平息之后才能保证动作的正确性。 2 4 2 改进方向 为了提高低频减载装置定值计算的准确性，最大限度地消除过切或欠切现象， 有机地协调系统中各低频减载装置减载量，构筑坚实的第三道稳定防线，本文提出 了建立一个基于多机模型的定值在线整定优化计算方法。 该方法的基本思想是对系统进行短期负荷预测( 日或时) ，获得系统可能损失的 最大电源，基于多机模型在线计算当失去最大可能损失电源后，对系统中可在线整 定的低频减载装置进行在线整定。 当今电力系统中越来越多地采用了微机低频减载装置，这些装置不仅可靠性、 准确性大大提高，更重要地是配有远方整定通讯接口，可在调度中心直接对低频减 载装置进行整定。电力系统中通讯网的建设日臻完善。计算机的性能也大大提高。 这使得基于多机模型的低频减载装景定值的在线整定成为可能。 低频减载装置定值在线整定核心问题是基于多机模型的在线低频减载装置定 值计算。即假定系统失去最大可能损失电源，对系统反复进行暂态稳定计算，确定 系统中每一个负荷节点的低频减载装置定值，以确保整个系统的惯性中心频率或系 统中每一个发电机节点的频率满足预先给定的系统频率恢复特性。 由于在线整定计算时所采用的最大可能失去电源是通过短期负荷预测得到的， 因而可认为基本是准确的。在线整定计算时考虑了每一台发电机调速器的调节作 用，以及每一个负荷节点中感应电动机负荷的动态过程，因此能够较真实的反映燕 个系统的负荷调节效应。在线整定计算时，采用分散决策方式，将在线计算的整定 值传送到低频减载装置中。因此较准确地考虑了系统中频率的波动过程。 1 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 基于多机模型的在线低频减载装置定值计算问题，可以描述为以系统中低频减 载装置总切负荷量最小为优化目标，以预先给定的系统惯性中心频率特性为约束条 件的晟优参数选取问题。 从实用化的角度考虑，低频减载所要考虑的控制变量中不仅包含每一级的切负 荷量，还要包括每一级切负荷的动作时间。对于实际的电力系统，需要处理的控制 变量的数目通常很大，这对所使用算法的计算速度和收敛性都提出了非常高的要 求。常规的梯度类算法很难满足这样的要求，经过分析和比较，本章采用基遗传算 法算法( g a ) 来进行求解。尽管在应用g a 算法计算低频减载装置的定值时需要进行 大量的暂态稳定计算，但对于低频减载集中管理系统在线计算来说是能够满足要求 的，因为集中管理系统只需一天或几个小时才计算一次定值。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第三章最大功率缺额的预测 现代电力系统的规模日趋庞大，结构和运行方式日趋复杂。随着电力工业市场 化改革和日趋严格的环保要求，现代电力系统经常可能在接近稳定极限的边缘运 行- 使电力系统的安全稳定运行面i 临新的严峻考验“”。现代电力系统发展对于其安 全稳定性提出了新的挑战，低频减载已经成为系统出现紧急状态时为防止系统失稳 和事故扩大而采取的重要的控制措施，为了改进传统算法的不足，本课题首先对功 率缺额的计算方法进行改进，实时分析在线统计的负荷量，获得系统可能损失的最 大电源。 由于低频减载装置采用在线整定，最大功率缺额只需考虑系统当前实际运行工 况，而无需考虑其它几千种可能的运行工况。所以最大功率缺额即是按当前的运行 方式、系统在可能的最大潮流运行方式下，发生最严重扰动情况下的功率缺额。因 此需要考虑的因素有： 负荷、系统的基本运行状况、系统扰动。 3 1 负荷 负荷是描述系统运行状况的重要参数，是计算最大功率缺额的基础数据之。 为了制定一个合理、可靠的运行状态，必须首先调查已有的负荷种类、负荷水平， 同时对电力负荷增长水平进行合理地预测，进而预测出可能出现的最大负荷。 3 1 1 电力负荷的构成与特点 电力系统负荷一般可以分为城市民用负荷、商业负荷、农村负荷、工业负荷以 及其他负荷等，不同类型的负荷具有不同的特点和规律“8 ”3 。 城市民用负荷主要是城市居民的家用电器，它具有年年增长的趋势，以及明显 的季节性波动特点，而且民用负荷的特点还与居民的日常生活和工作的规律紧密相 关。 商业负荷，主要是指商业部门的照明、空调、动力等用电负荷，覆盖面积大， 且用电增长平稳，商业负荷同样具有季节性波动的特性。虽然商业负荷在电力负荷 中所占比重不及工业负荷和民用负荷，但商业负荷中的照明类负荷占用电力系统高 峰时段。此外，商业部门由于商业行为在节假日会增加营业时间，从而成为节假日 中影响电力负荷的重要因素之一。 工业负荷是指用于工业生产的用电，一般工业负荷的比重在用电构成中居于首 位，它不仅取决于工业用户的工作方式( 包括设备利用情况、企业的工作班制等) ， 而且与各行业的行业特点、季节因素都有紧密的联系，一般情况下负荷是比较恒定 的。 1 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 农村负荷则是指农村居民用电和农业生产用电。此类负荷与工业负荷相比，受 气候、季节等自然条件的影响很大，这是由农业生产的特点所决定的。农业用电负 荷也受农作物种类、耕作习惯的影响，但就电网而言，由于农业用电负荷集中的时 间与城市工业负荷高峰时间有差别，所以对提高电网负荷率有好处。 从以上分析可知电力负荷的特点是多样的且经常变化的，不但按小时变、按日 变，而且按周变，按年变，同时负荷又是以天为单位不断起伏的，具有较大的周期 性，负荷变化是连续的过程，一般不会出现大的跃变，但电力负荷对季节、温度、 天气等是敏感的，不同的季节，不同地区的气候，以及温度的变化都会对负荷造成 明显的影响。 因此，电力系统中的负荷状况随时间的变化而不断改变，图( 3 - 1 ) 给出了典型 的日有功功率负荷曲线和周有功功率负荷曲线。为了保证预测负荷准确性，需要统 计出各种负荷所占的比重，此岁 还需要在中长期负荷预测的基础上增加几组能够反 映将来一定时期内系统负荷水平变化情况的数据。 图3 - 1 日负荷曲线和周负荷曲线( 有功) 3 1 2 负荷预测 由于电力负荷预测的重要性，为了找到使用方便、精度高、计算快的预测方法， 本文对负荷预测方法进行了研究，并加以归纳总结。电力负荷预测分为经典预测方 法和现代预测方法m l m “。 3 1 2 1 经典预测方法 1 指数平滑法 该方法是常用的预测方法之一，指数平滑法的基本思想是加权平均，选取一组 时间上有序的历史数据，x ，、x 。、x 。x 。，一次指数平滑预测的迭代公式为： 三= 二i + ( 1 一二) 厶 式中l ：- - t + l 时刻的负荷值 n 一所有数据记录的个数 对越近期的数据加权越大，这反映了近期数据对未来负荷影响更大这一实际情 况，同时能通过平滑作用消除序列中的随机波动。 2 趋势外推法 该方法根据负荷的变化趋势对未来负荷情况作出预测。电力负荷虽然具有随机 华北电力大学工程硕士专业学位论文 性和不确定性，但在一定条件下，仍存在着明显的变化趋势，例如农业用电，在气 候条件变化较小的冬季，日用电量相对稳定，表现为较平稳的变化趋势。这种变化 趋势可为线性或非线性，周期性或非周期性等等。 3 时间序列法 时间序列法是一种最为常见的短期负荷预测方法，它是针对整个观测序列呈现 出的某种随机过程的特性，去建立和估计产生实际序列的随机过程的模型，然后用 这些模型去进行预测。它利用了电力负荷变动的惯性特征和时间上的延续性，通过 对历史数据时间序列的分析处理，确定其基本特征和变化规律，预测未来负荷。 时间序列预测方法可分为确定型和随机性两类，确定型时间序列作为模型残差 用于估计预测区间的大小。随机型时间序列预测模型可以看作一个线性滤波器。根 据线性滤波器的特性，时间序列可划为自回归( a r ) 、动平均( m a ) 、自回归一动平均 ( a r m a ) 、累计式自回归一动平均( a r i m a ) 、传递函数( t f ) 几类模型，其负荷预测过程 一般分为模型识别、模型参数估计、模型检验、负荷预测、精度检验预测值修正5 个阶段。 4 回归分析法 回归分析法就是根据负荷过去的历史资料，建立可以分析的数学模型，对未来 的负荷进行预测。利用数理统计中的回归分析方法，通过对变量的观测数据进行分 析，确定变量之间的相互关系，从而实现预测。 3 1 2 2 现代负荷预测方法 2 0 世纪8 0 年代后期，一些基于新兴学科理论的现代预测方法逐渐得到了成功 应用。这其中主要有灰色数学理论、专家系统方法、神经网络理论、模糊预测理论 等。 1 灰色数学理论 灰色数学理论是把负荷序列看作一真实的系统输出，它是众多影响因子的综合 作用结果。这些众多因子的未知性和不确定性，成为系统的灰色特性。灰色系统理 论把负荷序列通过生成变换，使其变化为有规律的生成数列再建模，用于负荷预测。 2 专家系统方法 专家系统方法是对于数据库里存放的过去几年的负荷数据和天气数据等进行 细致的分析。汇集有经验的负荷预测人员的知识，提取有关规则。借助专家系统， 负荷预测人员能识别预测日所属的类型，考虑天气因素对负荷预测的影响，按照一 定的推理进行负荷预测。 3 神经网络理论 神经网络理论是利用神经网络的学习功能，让计算机学习包含在历史负荷数据 中的映射关系，再利用这种映射关系预测未来负荷。由于该方法具有很强的鲁棒性、 华北电力大学工程硕士专业学位论文 记忆能力、非线性映射能力以及强大的自学习能力，因此有很大的应用市场，但其 缺点是学习收敛速度慢，可能收敛到局部最小点；并且知识表达困难，难以充分利 用调度人员经验中存在的模糊知识。 4 模糊负荷预测 模糊负荷预测是近几年比较热门的研究方向。 ( i ) 模糊控制是在所采用的控制方法上应用了模糊数学理论，使其进行确定 性的工作，对一些无法构造数学模型的被控过程进行有效控制。模糊系统不管其是 如何进行计算的，从输入输出的角度讲它是一个非线性函数。模糊系统对于任意一 个非线性连续函数，就是找出一类隶属函数，一种推理规则，一个解模糊方法，使 得设计出的模糊系统能够任意逼近这个非线性函数。 ( 2 ) 基于神经网络集成的高木一关野模糊预测算法： 它是利用神经网络来求得条件部输入变量的联合隶属函数。结论部的函数f ( x ) 也可以用神经网络来表示。神经网络均采用前向型的b p 网络。 ( 3 ) 改进的模糊神经网络模型的算法： 模糊神经网络即全局逼近器。模糊系统与神经网络似乎有着天然的联系，模糊 神经网络在本质上是模糊系统的实现，就是将常规的神经网络( 如前向反馈神经网 络，h o p f i e l d 神经网络) 赋予模糊输入信号和模糊权。 对于复杂的系统建模，已经有了许多方法，并已取得良好的应用效果。但主要 缺点是模型精度不高，训练时间太长。此种方法的模型物理意义明显，精度高，收 敛快，属于改进型算法。 ( 4 ) 反向传播学习算法： 模糊逻辑系统应用主要在于它能够作为非线性系统的模型，包括含有人工操作 员的非线性系统的模型。因此，从函数逼近意义上考虑，研究模糊逻辑系统的非线 性映射能力显得非常重要。函数逼近就是模糊逻辑系统可以在任意精度上，一致逼 近任何定义在一个致密集上的非线性函数，其优势在于它有能够系统而有效地利用 语言信息的能力。万能逼近定理表明定存在这样一个可以在任意精度逼近任意给 定函数的高斯型模糊逻辑系统。反向传播b p 学习算法用来确定高颠型模糊逻辑系 统的参数，经过辨识的模型能够很好的逼近真实系统，进而达到提高预测精度的目 的。 以上这些算法均有一定的适用场合，各有各自的优势，又各自含有不可克服的 缺