基于负荷能量分析的电力系统低频减载研究

Abstract: For the defects of current UFLS, we introduce the transient energy function theory into the frequency analysis process. Researching the load shedding method based on load energy. The load potential energy function is proposed based on the branch transient potential energy method, testifing the validity of energy and evaluating the frequency through grey interconnect degree method, then many simulations are carried out to testify the load transient potential energy function on the distribution of the network potential energy during the transient period. Taking advantage of the load transient potential energy function, a new strategy of load shedding which aims at the heavily stressed transmission network is proposed through the analysis on the descent slope of the load energy during the fault time under the actual fault trajectory. Simulations have been carried out to testify the validity and quickness of this method. Keywords:Load energy; UFLS; Power system; Grey interconnect degree
1 引言
我国电力系统已具有现代电力系统的基本特征。 大电网的特征在提升了我国电网运行时的经济性和可 靠性的同时也降低了系统的稳定性。 互联电网可以显著 提高电力系统运行的经济性， 但互联电网在遇到切机等 大扰动情况下自身维持频率稳定的能力比较弱， 存在诸 [1-3] 多发生频率崩溃的可能性 。 电力系统频率从侧面反映了电力系统有功功率的 供需平衡状况，它是电力系统运行的重要技术指标，同 时也是影响电力系统安全可靠运行的主要因素。 为保证 系统频率运行于额定范围内，于事故状态下，电力系统 普遍采用低频减载措施。 低频减载将使系统频率快速恢 复的允许范围之内，保障电网安全，取得了比较好的效 果，避免了大量频率崩溃事故的发生[4-6]。 目前，低频减载整定的基本方法主要包括传统法、 半适应法、自适应法和人工智能法[5-13]。现有的低频减 载方案还有待完善，主要存在以下缺陷[14]：首先是现有
4
8
15
18
21 Load
24
26
28
31
8 7
图 4 母线频率和各单位负荷能量之间灰色关联度
上图表明，NEW ENGLAND 10 机算例系统在发生 有功功率缺额情况下各负荷母线的频率和各单位负荷 能量之间灰色关联度总体介于 0.7 到 0.8 之间，其关联 程度较高， 进一步验证了利用单位负荷能量评价频率的 合理性。
关键词：负荷能量；低频减载；电力系 Under Frequency Load Shedding of Power System Based on Load Energy Analysis
Mu Boyu
Northeast Dianli University, School of Electrical Engineering, Jilin City, Jilin Province, 132012, China
f (t ) = APb (t ) + PD (t )
(1) (2)
探求单位负荷能量运用在频率分析上的合理性。 在给定 的潮流方式下，设置30机在0s时退出运行。系统各负荷 频率示于图1，系统各负荷能量示于图2，单位负荷能量 示于图3。
50 49.95
两侧分别乘以节点角速度 ωi
Frequency(Hz)
i
ΔX k + ρ max max ΔX k
i k
k
i
k
(8)
荷的单位负荷能量在扰动期间的斜率。 再分别设置各负 荷低频减载装置在频率为 49.2Hz 时延迟 0.1s 动作，同 样取减载量为 130MW。系统各负荷母线频率示于图 6， 其具体频率恢复值示于表 1。
50
ΔX k 式中，
= X 0 (k ) − X i (k )
g =l
S & gω gω g + ∑ ( P bk (t ) − P bk )ωij + k =1
u = 2 m +1
∑ (P
n
s Du (t ) − P Du )ωu = 0
49.65 49.6
(4) 将上式两端以频率稳定时刻为参考点对时间求积 分，可建立全系统暂态能量函数
V=
l n t t 1 m S s ∑ M gω g2 + ∑ ∫t ( Pbk (t ) − Pbk )ωij dt + u =∑ ∫t ( PDu (t ) − PDu )ωu dt 2 g =l k =1 s 2 m +1 s
49.55 49.5
0
10
20
30
40 t(s)
50
60
70
80
90
图 1 各负荷频率
0 -0.5 -1 -1.5 Load Energy -2 -2.5 -3 -3.5 -4 -4.5
(5)
系统的总能量由动能和势能组成，其中动能为 系统中发电机的动能之和，势能分布于系统增广网 络的负荷支路中。
2.2 负荷暂态能量函数评价指标的建立
为第 k 个点 X0 与 Xi 的绝
对差；
i k
min min ΔX k 是其二级最小差；
i k
49.8
max max ΔX k 是其二级最大差； ρ 为分辨率，本文中取
49.6
49.4
为 0.5。 运用灰色关联度分析法对NEW ENGLAND 10机算 例系统在发生有功功率缺额情况下各负荷母线的频率 和各单位负荷能量之间灰色关联度进行计算。 其中，NEW ENGLAND 10机系统的计算结果如图4 所示。
2 计及负荷的暂态势能及其负荷势能评价指 标的建立
2.1 多机系统暂态能量函数的建立 假定发电机仍然采用二阶模型， 并且忽略调速 器对发电机遭受扰动的影响，故障后电网结构不发 生改变。
C-180
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
系统联络节点功率可以表示为： & i + f i (t ) = PMi M iω 网络中任意节点 i 的功率平衡方程为：
的低频减载方案在整定时并没有将负荷特性对系统频 率特性的影响作为考虑因素， 其次低频减载的减载速度 比较慢。 本文针对目前低频减载方案整定方法所存在的不 足，从支路暂态势能法出发，将遭受扰动后的暂态能量 分解到网络中的支路和负荷之中， 使得网络中蕴涵了与 系统频率稳定相关的信息。 在分析了扰动后负荷能量分 布特点的基础之上， 利用灰色关联度计算方法验证了利 用负荷能量评价系统频率的有效性。在此基础上，本文 提出了基于单位负荷能量的低频减载策略。
kUdu = ∑ (
j =1
-3 -4 -5 -6 -7 -8
0
10
20
30
40 t(s)
50
60
70
80
90
图 3 单位负荷能量
3 单位负荷能量分布特性及其与频率的关联 性
3.1 负荷能量的分布特点及仿真验证
在系统发生故障后， 单位负荷能量能够有效的反映 系统中各个负荷受故障冲击的大小。 在故障期间如果某 个负荷的单位负荷能量的变化斜率数值很大， 那么就说 明其受故障的影响严重， 大量仿真证明它与按照计算得 到的负荷能量的大小排序得到的排序结果是等同的。 下 面 本 文 就 利 用 单 位 负 荷 能 量 计 算 式 对 NEW ENGLAND 10机系统进行仿真计算， 分析系统在切机后 发生有功缺额情况下单位负荷能量和频率的变化情况，
1 0.9 0.8 0.7 Interconnect Degree 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
49.2
49
48.8
48.6
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
图 6 各负荷母线频率 表 1 具体数据
被切负荷 21 29 39 28 25 恢复频率 48.9930Hz 48.9656Hz 48.9128Hz 48.8877Hz 48.8865Hz 48.8725Hz 48.8614Hz 被切负荷 26 3 4 20 27 18 15 恢复频率 48.8580Hz 48.8364Hz 48.8235Hz 48.7961Hz 48.7699Hz 48.7673Hz 48.7480Hz
3.2 负荷能量与频率的关联度分析
引入灰色关联度来评价能量与频率之间的关联性
C-180
中国高等学校电力系统及其自动化专业第 29 届学术年会，湖北宜昌：三峡大学，2013
设负荷频率数列为参考数列为 X0，单位负荷能量数列 为比较数列为 Xi。则 X0 与 Xi 的关联系数为：