电力系统自动切负荷控制仿真研究

特别策划 I SPECIAL FEATURES 电力系统自动切负荷控制仿真研究 崔芳芳 张 薇 王晓茹 谢大鹏 赵茜茜 ／西南交通大学 电气 学院 摘 要 利用PSS／E在IEEE50机改进测试系统上实现一种基于广域量测的自动切负荷 算法，并进行了仿真研究；在切负荷总量一定的情况下，随机选取三种切负荷，分析 不同的切负荷地点及切负荷量分配对系统频率以及母线电压的影响。仿真结果表明该自动 切负荷算法能有效地将系统频率保持在预设值，切负荷地点及切负荷量分配对电压的影响 较对频率影响大。 关键词 频率稳定 广域量测 自动切负荷 PSS／E 1 引言 当系统由于扰动引起有功缺额时，系 统频率会下降，严重情况下可能会造成频 率崩溃，引发系统大范围停电。低频减载 是 电力系统安 全稳定控制的最后一道防 线，它从早期按频率切负荷发展到按频率 变化率加速切负荷，以及 自适应法切负 荷，是目前防止频率崩溃的主要手段。但 系统功率缺额严重时，低频减载较难发挥 作用，需要补充采用自动切负荷控制，迅 速切除集中负荷，改善系统频率。 目前国内外对自动切负荷算法的研究 较少，自动切负荷控制主要是基于离线计 算策略或按跳闸前联络线功率值估计切负 荷量。近年广域量测技术的发展为自动切 负荷控制提供了新方法，利用扰动前广域 同步相量测量来估计有功缺额，实现频率 预测控制。考虑发电机一次调频时原动机 实际阀门限制，根据同步相量测量信息对 负荷及网损在扰动时的影响进行估计。 本文利用机电暂态仿真软件PSS／E建 立IEEE50机改进测试系统，在该系统上实 现的切负荷算法。同时仿真分析在切负荷 总量一定时，不同的切负荷地点及切负荷 10 l 县tjj·2008年第27卷第9期 量分配对系统频率以及母线电压的影响。 通过仿真对比发现切负荷地点及切负荷量 分配对母线电压的影响较对频率影响大， 实施的自动切负荷方案能有效地将频率保 持在预设值，利于系统迅速恢复，防止系 统频率崩溃。 2 自动切负荷算法 系统受到扰动时，发电机转子的机械 转矩与电转矩失去平衡，转子将按旋转体 的运动定律加速或减速，标么值转子运动 方程表示为 2H03=P —P (1) 对于一个有多台发电机的系统，则 2∑ (E) =∑(P 一P。 ) (2) i： 1 i= I 其中， 和 分别表示第台发电机的 惯性时间常数和角频率；P ，，Pe 分别是第 i台发 电机的机械功率和电磁功率。 定义系统惯性中心频率(E)。 。为 ∞ = ∑( ∞『)／∑ (3) i l i 令系统惯性时间常数(E)。 ，则式 (2) 可重新表示为 ‘ 2H =P (4) 维普资讯 http://www.cqvip.com Pa=∑(P 。一P。。) (5) j 1 式中，P 表示系统加速功率。 自动切负荷算法是根据扰动前的广域量测信息 估算出系统遭受切机扰动后的有功缺额，从而预测 出扰动后的稳态频率，以及为保持系统频率为整定 值所需的切负荷量。 在扰动后第一个瞬间，P 由扰动量P ，以及由 于扰动引起电网潮流变化而造成的电磁功率增量 △P 组成 ，即 P Pd— A P 。 (6) △P 可以通过广域量测扰动前后瞬间发电机的电磁 功率求得 A P 。 = ∑P啪+一∑P啪一 f71 = l l 、 下标0一，0 分别表示系统扰动前、后瞬间，根 据式 (4)～ (7)可估算出P 。 设为使受扰系统的稳态频率(c， 保持在预设值 (c， ，需切除负荷Ps 甜。在系统扰动后的稳态时刻 (以 下标oo表示)，发电机的机械功率与电磁功率平衡， (c， =0，则 Pd— A P 。 + A P + P 。h。d 0 (8) A P 。 f_∑P⋯一∑P啪一 (9) i 1 i l 式中△P 示在扰动前到扰动后稳态过程中的电 磁功率变化量，且P。 =P ；A P 是在扰动前到 扰动后稳态过程中由于调速器作用而增加的机械功 率。对于每台发电机，由于调速器动作调节阀门，增 加输入的机械功率 ，即 A P 一 R 一 R (10) =一—— =一— 二——— u_ f】01 mJ 、～， 令P 。 =0，由式 (8)估算出不减载时，系统 扰动后的稳态频率。令(c， (c， 。 ，由式 (8)可估 算出为保持系统扰动后的稳态频率为预设值所需的 切负荷量P。h。 。 3 仿真方案对比分析 电力系统机电暂态仿真软件 PSS／E采用最新的 计算机技术和数值计算方法，为电力系统分析提供 了先进的元件模型及完整的分析功能。本文基于 www．eage．com．cn SPECIAL FEATURES l特别策划 PSS／E建立IEEE50机改进测试系统，并实现上述自动 切负荷算法。利用PSS／E的中长期动态仿真模块对受 扰系统进行动态仿真，将常规分开独立研究的频率 和电压问综合仿真分析。在保证切负荷总量一定 的情况下，随机选取三种切负荷方案来对比分析不 同切负荷地点及切负荷量分配对系统频率及母线电 压的影响。 3．1 IEEE50机改进测试系统 IEEE50机改进测试系统是基于IEEE50机标准测试 系统作的修改：增加一条从母线 1到母线 25的 500 kV 线路 ；系统总容量减少到 30 050．00 MW，使主要的 500 kV输电走廊承载4 277 Mw潮流；母线1到母线 6的500 kV输电线由于故障已被切除，线路1～25的 功率增加到 1 384 Mw；恒阻抗负荷所占比例减少到 5．02％，其余均是恒功率负荷。 对系统作改进的目的是使线路 1～25更重要，若 该线路发生三相短路故障被切除，会加剧系统有功 短缺，可能导致低频减载装置来不及动作，必须采 取 自动切负荷快速切除负荷，改善频率稳定。 建立测试系统，具体仿真过程如下：0 S线路 1～ 25在母线1端发生三相短路故障，0．07 S切除该线路， 为防止系统暂态失稳，考虑在0．1 S切除93号发电机。 根据自动切负荷算法估算出由此会造成 1 862 Mw的 有功缺额，系统频率将下降到57．45 Hz，设自动切负 荷动作后使得稳态频率保持在预设值58．8 Hz，系统 共需要切除约886 Mw的负荷。 3．2 切负荷方案对比 在切负荷总量一定的前提下，随机选取三种切 负荷方案，分析比较切负荷后的系统稳态频率以及 母线电压 。 方案 1：在 14、25、27、63、69号母线处分别切 除负荷85．97 MW、293．29 MW、182．25 MW、157．16 MW、 167．92 Mw，各切除的负荷量占各自原负荷的比例均 为 17．2％。 方案2：在 116、117、119及 120号母线处分别 切除负荷261．72 Mw、316．49 Mw、1 12．36 Mw和 196．02 Mw，各切除的负荷量占各自原负荷的比例 均为 12．2％。 方案3：在121、128、131、134、138、141、143号 母线处分别切除负荷50 Mw、50 Mw、50 Mw、 2oO8年第27卷第9期· 与明l 11 维普资讯 http://www.cqvip.com 特别策划 I SPECIAL FEATURES 50MW、50 Mw、150 Mw 和 486 Mw，各切除的负 荷量占各自原负荷的比例分别为8．8％、8．8％、9．2％、 1D％，35．7％ 45．1％_及 84．1％ 由于自动切负荷动作是在500 ms内完成，对该 系统在0．2 S实施切负荷操作。仿真结果如下。 (1)系统频率 实施三种切负荷方案后的系统频率如图1所示。 系统 频率 1 0．995 0 99 0．985 O．98 U lU 2U jU 40 U 时间／s 图 1 三种切负荷方案的系统频率 (标么值) 由系统频率曲线图可看出，三种切负荷方案的 频率下降速度相同，切负荷后的稳态频率也十分接 近。(见表 1)这表明在切负荷总量一定时，不同的 切负荷地点及切负荷比例分配对系统频率几乎没有 影响。 表 1 切负荷操作后的系统稳态频率 稳态频率／I-Iz (2)母线电压偏差 对比三种方案在某一时刻 (例如50 S)各母线的 电压偏差 (％)，结果如图2～4所示。 ＼ 理 心 Il1． 8 l ： ” ” 。。¨ 一。： 0 20 40 60 8O 1OO 120 140 母线号 图 2 方案 1各母线电压偏差 由仿真结果可看出，方案 1和方案3的母线电压 偏差值相差不大，方案2的电压偏差在5％之内的母 12 I 嗣·20D8年第27卷第9期 线数最多，但其最大偏差已达到 15％左右。可见切 负荷地点对母线电压的影响比对频率的影响大 (见 表2)。 ＼ 理 亩 ＼ 理 亩 -j．-_-- ILl 。J· ． ‘lI‘J▲ I唧 I 。 。 ’~rrr]l～。一：1 0 2O 4O 6O 8O 1OO 12O 140 母线号 图 3 方案 2各母线电压偏差 |ll 1．_ 1．‘l 』： ：¨¨ 盯 川rr 1 0 20 40 60 80 100 120 140 母线号 图 4 方案 3各母线电压偏差 表 2 5 0 S时母线 电压偏差分布情况 ■圆一 4 结束语 本文在研究一种基于广域量测的 自动切负荷算 法的基础上，用PSS／E软件建立了IEEE50机改进测 试系统，并实现该自动切负荷算法。同时仿真分析 了在切负荷总量一定时，不同的切负荷地点及切负 荷量分配对系统频率及母线电压的影响。仿真结果 表明该自动切负荷方案能有效防止频率下降过多， 迅速将系统频率保持在预设值，同时仿真发现较频 率而言，切负荷地点及切负荷量分配对母线电压的 影响更大。该仿真结果为切负荷对频率和电压影响 的综合研究提供了一定的参考价值。 收稿 日期 ：200 8—02—1 3 回 维普资讯 http://www.cqvip.com