改进低频减载方案研究（精选4篇）
改进低频减载方案研究 篇1
0 引言
国内外电网运行经验表明:在电网内装设低频减负荷装置是防止系统崩溃、避免长时间大面积停电的基本措施[1]。低频减载方案的设计需要考虑负荷频率特性[2]、系统模型及相关动态变量之间的关系[3]等重要因素。好的低频减载方案对维持系统安全、稳定和经济运行起着至关重要的作用。目前低频减载方案主要有三类,即传统方案、自适应方案和半适应方案[4]。
传统的低频切负荷装置整定的方案往往是依据系统运行经验和事故统计,决定出最大功率缺额,由系统各大机组运行危险点决定最小频率。根据经验决定切负荷装置动作级差,多数是等差排列[5]。这种整定切负荷方案的方法没有考虑到发电机的调速特性,也没有考虑到由于事故功率缺额与整定方案不同对切负荷效果所造成的影响,所以不具有针对性,往往容易过切或切负荷量不足,与发电机调速特性缺乏配合还可能会导致严重超调,这在电力市场下,会造成巨大的经济损失,也给广大电力用户带来不便。而自适应及半适应方案将频率差变化率作为了切负荷方案设计的依据之一,通过频率差变化率与系统功率缺额之间的关系来整定系统切负荷量,从而使得切负荷方案更加合理,系统切负荷频率特性及运行经济性得到提高。
本文采用计及调速器的经典模型,推导出汽轮机模型下,频率差变化率与系统功率缺额的定量关系,设计了基于实时频率差变化率的切负荷自适应方案,并与传统方案和半适应方案分别比较,分析了自适应方案的优越性。最后,将不同自适应方案之间做了对比,总结出设计整定中应遵循的规律。
1 计及调速器的发电机经典模型
摇摆方程决定了电机转子的运动,并建立了惯性转矩与在转子上机械转矩和电磁转矩合成量的关系式,如式(1)所示[6]:
式中:J为加在旋转轴上所有转动部分的转动惯量;为对应一个固定参考轴线的转轴的机械角速度;Ta是作用于转轴上的加速转矩。
由于功率P与转矩T存在如式(2)关系:
结合摇摆方程,可以推导出功率偏差与转轴角速度的关系,可建立如图1的传递函数[7]:
其中:H为系统惯性常数;D为发电机负荷阻尼常数;H与D的大小取决于发电机特性与结构。
计及发电机调速器,以某再热汽轮机为例,可以得到分析系统频率响应的发电机经典模型(图2)。
图2中,各参数均为标么值,M=2H。由于标么值下f=ω,所以∆f=∆ω。通过分析∆ω的变化来分析∆f的变化。ω0为同步角速度,∆ωr为当前转速的偏离值,也等于当前系统频率与稳态频率(50 Hz)的差值。当∆ωr为正时,系统频率高于稳态频率值,∆ωr为负时,系统频率低于稳态频率值。R为发电机组的调差系数[7],R的值决定了发电机稳态转速-负荷特性。可以用转速偏差∆ωr(或频率偏差∆f)与阀门位置(∆Y)的比值来计算。R的大小取决于发电机调速系统。
图2中Load reference(即∆PLR)为发电机额定带负荷指标,在系统发生失机或联络线跳闸等大型事故引起频率变化时,由于事故发生后频率下降较快,所以一般保持不变,可以认为等于零。∆PL为发电机端负荷相对于稳态值的功率变化,事故时,认为等于功率缺额。∆Y为调速器在机端频率差值闭环反馈下对汽轮机的调整。∆Pm为发电机输出在事故时的变化,当∆Pm=∆PL时,说明发电机输出变化等于机端负荷变化,即发电机输入输出平衡,频率即达到稳定值。图中各参数取值可参见文献[7]。
当系统发生事故,导致发电机输入与输出不平衡,引起频率下降或上升。闭环的负反馈引导调速器动作,调节汽轮机汽门,从而调节发电机出力,最终达到平衡。但是由于事故发生后,系统频率快速变化,发电机的调速系统来不及完全动作,为了防止频率崩溃,就要投入切负荷装置,通过投切适量负荷,减小∆PL的值,加速达到平衡。
2 ROCOF与系统功率缺额的关系
ROCOF(rate of change of frequency),即系统频率差变化率[8],表征了系统发生事故的严重性,通过ROCOF的计算,可以较为准确地估计系统功率缺额。
从图2可以得到系统频率变化表达式(3):
由于实际系统中,Load reference一般保持不变,即∆PLR=0,系统功率缺额在两次变化之间保持常数,即为阶跃函数,拉氏变换后为:∆PL/s。所以式(3)可以化简为式(4):
考虑时间t→0时,即s→∞,可以近似地认为N=0,式(4)可以化简为式(5):
拉氏反变换式(5)得到时域表达式(6):
对式(6)求导,即得到ROCOF式(7):
考虑t→0时的值可得:
根据式(8),若测知t=0时刻系统的ROCOF,就可以算出此时系统的功率缺额。基于这一理论,发展了半适应(semi-adaptive)和自适应(adaptive)的低频切负荷方法。
3 与传统方案和半适应方案的比较
根据文献[1],半适应的方法是:通过测定系统t=0的ROCOF,用式(8)计算得出当前系统功率缺额(即发电机调速器为动作时,系统的功率缺额),调节继电器,在一定的时间或频率下,一次性切除较大百分比的总功率缺额,接下来就按照传统方案的方法整定继电器按照频率绝对值切除预先整定的功率值。自适应方法与半适应方法的不同在于,计算出t=0时刻系统功率缺额以后,整定继电器在不同的频率点处,按照功率缺额的百分比来切负荷。可以看出,自适应切负荷的方法最有针对性,而且避免了由于选择切负荷总量的不同造成的不利影响。以下将讨论上述三种方法,表1为上述方法的整定方案。文中所用到的最低频率、下降时间、恢复时间、稳态频率[9]等定义见附录。
3.1 功率缺额为0.15时(图3)
由图3可以看出,三种方案都只动作了一步。其中传统方案切负荷0.08大于半适应和自适应的方案(50%ΔP),但与调速器缺乏配合,造成超调,虽然稳态频率接近50 Hz,但显然是不理想的。半适应和自适应切负荷量低于传统方案,所以与调速器配合良好,未造成超调,但由于第一步的动作值相同,所以曲线重合。另外这两种方案稳态频率大于49.5 Hz,满足电力系统安全运行的要求。
3.2 功率缺额为0.25时(图4)
功率缺额为0.25时,三种方案都是动作了一步。传统方案切负荷量仍为0.08,低于半适应和自适应方案的50%∆P,所以最小频率低于这两种方案,另外,由于和调速器缺乏配合,出现超调。半适应和自适应的方案由于切除同样负荷量,曲线重合,稳态频率同样满足系统要求。
3.3 功率缺额为0.35时(图5)
从图5看出,传统方案动作了三步,共切负荷0.2,最小频率低于另外两种方案。半适应方案共切负荷约0.235,自适应方案切负荷约0.245,可见自适应方案切负荷量略大于半适应方案,其恢复时间和稳态频率指标也好于半适应方案。
3.4 功率缺额为0.45时(图6)
功率缺额为0.45时,曲线与功率缺额为0.35时相似。但由于此时自适应方案切负荷量0.315,大于半适应方案0.235,所以曲线高于半适应方案,调整时间和稳态频率均明显优于半适应方案。
3.5 分析比较
传统方案中当功率缺额较小时,其首轮切负荷量决定了其低频减载的效果,如图3、4;当功率缺额较大时,其总的切负荷量决定了减载的效果,如图6;当方案实际切负荷量与功率缺额接近时由于调速器的作用容易产生频率的超调,如图3。半适应方案记及了频率差变化率,通过计算初始时刻功率缺额来确定首轮切负荷量,因此功率缺额较小时切负荷效果较好,如图5;当功率缺额较大时切负荷特性与传统方案类似。自适应方案完全按照计算的初始时刻功率缺额来整定各轮切负荷量,其切负荷效果受功率缺额变化的影响较小,因此在各种事故下均具有良好的低频减载特性。
4 不同自适应方案的比较
以下讨论不同的自适应方案在低频减载中的作用,表2为几种自适应的整定方案。
由表2可以看出,方案1与方案2的动作频率相同,不同在于每一频率对应的切负荷百分比不同;方案2与方案3的切负荷百分比相同,但是动作频率值不同,下图为不同功率缺额时,以上三种方案作用下,系统的频率响应。
4.1 功率缺额为0.15(图7)
从图7中可以看出,三种方案都只动作了一步。方案1和方案2在频率降到49.4 Hz之前曲线重合,在频率为49.4 Hz时,由于切负荷量的不同,曲线变化也不同,由于方案1切负荷50%,大于方案2的33.3%,所以曲线明显高于曲线2,稳态频率高于曲线2,调整时间也较短。方案2、3的曲线比较接近,从表2可见,两方案下切负荷总量相同,所以稳态频率几乎相等,但是由于方案3在频率为49.6 Hz时就切除负荷,早于频率为49.4 Hz时动作的方案2,所以其最低频率略高于方案2。
4.2 功率缺额为0.25(图8)
由图8可见,曲线1动作了一步(共切负荷50%),曲线2、3各自动作了两步(共切负荷53.3%)。可见,曲线2、3下,由于切负荷总量大,恢复频率高于曲线1,且两者相近。但是由于动作频率的不同,动作频率高的方案3的最小频率高于方案2,且未出现超调,性能优于方案2。
4.3 功率缺额为0.35(图9)
可以看出,当系统功率缺额较大时三种方案之间的差异变得不明显。但仍可以看出,曲线2、3的稳态频率几乎重合,而与方案1的稳态频率略有差异。并且在频率下降期间,曲线3略高于曲线2。
4.4 分析比较
不同自适应方案在功率缺额较小时切负荷特性差异较大,如图7、8,但在功率缺额较大时差异就不明显了,如图9。通过比较不同自适应方案低频减载特性曲线可以看出:在一定范围内,首轮切负荷量及动作频率的值越大其切负荷效果越好,但这样也增加了频率超调的几率,同时也可能影响系统运行的经济性。
5 结论
从自适应方案与传统方案和半适应方案的比较可以看出以下规律:
1)传统方案由于切负荷量固定,当实际功率缺额与方案整定的切负荷量偏差较大时,其切负荷效果将变得较差(如图3、5、6)。半适应方案中第一轮考虑了ROCOF,对实际功率缺额进行了计算,首轮切负荷量与实际功率缺额一致,因此切负荷效果有所改善。自适应方案各轮切负荷量均与实际功率缺额一致,切负荷效果较半适应方案更好。
2)功率缺额较小时,传统方案与调速器的配合不如半适应和自适应方案好,容易出现超调(如图3);半适应方案与自适应方案切负荷频率特性基本相同(如图3、4)。功率缺额较大时传统方案容易出现切负荷不足,且频率下降严重;半适应方案由于只是第一步根据功率缺额动作,第二步切负荷按照整定值,所以对功率缺额较大的事故切负荷的效果不如自适应方案。
3)不同的自适应方案也会影响切负荷的效果,从文中第四部分的分析可以看出:相同动作频率时,切负荷量大的方案下,曲线最低频率高;切除负荷量相同时,动作频率值大的,曲线最低频率高;总切负荷量相同时,曲线的稳态频率接近。考虑经济性和频率恢复特性,方案动作频率和切负荷量应当相互合理地配合。另外,切负荷量大小的影响要高于动作频率值高低的影响。由于通过分析t→0时刻系统ROCOF的值,可以在较短时间内计算出系统的总功率缺额,从而做出响应处理,这在防止事故恶化、系统崩溃上有不可取代的重要性。
综合上述分析,可以看出:自适应方案与类似条件下半适应方案和传统方案在切负荷规律上有一定的相似性,比如:切负荷量大,切负荷时动作频率高则最低频率高。但比较不同功率缺额下,三种方案切负荷效果时,差异明显。总的来说,半适应和自适应方案性能好于传统方案,在功率缺额较小时,两者很接近,但功率缺额较大时,自适应方法对频率特性的恢复效果明显好于半适应方法。
附录
现定义文中用到的几个参数[9]。
1)最低频率
见图10,定义最低频率为频率下降所至最低并开始回升点,即fmin。
2)下降时间
定义下降时间为频率从50 Hz降至最低点的时间,即图中tmin。
3)调整时间
定义调整时间为系统频率值到达稳态值(±5%)的最早时间,即图中tregulate。
4)稳态误差
定义稳态误差为系统频率稳态值f∞与额定频率50 Hz的差值:∆f=50-f∞。
5)最大超调量
定义最大超调量为暂态期间输出超出输出稳态的百分数:。
超调量考察的是切负荷方案与调速器配合的情况。
6)总切负荷量
总切负荷量指所切负荷的总量,体现了切负荷整定方案的经济性。所切负荷量越少,说明损失负荷较少,方案经济性能越好。这在电力市场下,是尤为重要的。
摘要：通过分析计及调速器的发电机经典模型,推导出频率差变化率与系统有功功率缺额之间的定量关系。简要介绍了基于上述关系的自适应和半适应低频减载方案。设计了基于实时频率差变化率的切负荷自适应方案,并通过在不同负荷缺额下进行切负荷仿真来比较和分析自适应方案与半适应、传统方案的切负荷性能差异。总结出了在不同功率缺额下三种方案的切负荷特性。为更深入研究计及频率差变化率的低频减载效果,单独对不同的自适应方案进行了仿真分析。给出了计及频率偏差变化率的自适应方案在低频减载中的优势,由此得出低频减载方案设计整定中应遵循的规律。
关键词：ROCOF,低频减载,自适应方案,半适应方案,电力系统
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县级电网低频减载管理的方法改进 篇2
低频减载是指当供电系统频率下降时, 为了仍然维持电力系统的正常供电, 会以保障主要部门的供电为先, 暂时断开一部分次要负荷的过程, 这是维持电网稳定的措施之一。低频电网在各地区中往往能够得到很好的控制, 但县级电网低频减载管理上还存在若干问题, 主要表现在如下几个方面:
1.1 对电网低频减载管理意识不足
在目前的很多县级地区, 普遍存在的是对于电网低频减载管理的意识薄弱, 很多地区首先对于电网低频减载无论是从技术上还是从功效上都没有全面的认识, 也不会考虑其在维护供电系统稳定性中可以发挥的重要作用。由于认识的不足, 使得很多县级地区对于电网低频减载管理上很松懈, 没有完整的方案支持相应项目的管理运营, 也没有专门的团队和技术人员特定的负责这个部分的工作, 意识不足使得电网低频减载管理变得很薄弱, 其对于维护电力系统稳定性可以发挥的功效也没有得以体现。
1.2 装置设备落后
很多县级地区由于经济相对落后, 使得电网系统中的很多装置设备也很落后, 对于电力系统的定期排查没有得到很好的落实, 很多陈旧的元件都没有及时得以更换, 这些在很多县级地区都极为普遍。大部分低频装检验设备及其陈旧, 有些地区甚至没有专用的检验设备, 老化失效的低频设备没有人负责更换, 这给整套系统运营起来存在带来很大障碍。
1.3 人员技术水平欠佳, 经验不足
县级地区由于人员整体受教育水平不高, 在电力系统工作中的人员也存在这个问题。然而对于电网的有效维护是一项需要具备较好技术水平的人员来完成的。因此在县级地区中经常发现低频减载装置检验人员经验不足, 技术水平不够, 对于很多问题的分析判断都不够准确, 检验项目做的不完全或精度不够, 很多突发状况或故障问题都得不到很好的处理应对。此外, 很多地方存在低频减载设备传动方法的掌握不到位, 报告上看到的是百分之百落实, 实际上却经常出现回路不同, 这都是技术人员的工作不到位所致。
2 县级电网低频减载管理中存在问题的改进
由上述分析不难看出, 目前县级地区对于独立实施电网低频减载管理能力不够, 代管县级公司低频减载方案的落实情况不足是以上问题存在的根源, 针对这个问题, 可以采用以下方案进行改进。
2.1 由市级公司直接接入对县级电网低频减载管理加以落实
这个是市级公司最直接的介入县级地区电网低频减载管理的方式, 也是最彻底的一条路线。有了市级公司的支援, 首先技术水平上是十分到位的, 对于设备的检修更换都能够很好的有效落实, 此外专业的人员及团队能够让低频减载系统得到及时有效的整修及维护, 保障了县级电网系统的安全稳定运行。在实施这个方法时, 市级公司确实能够很好的帮助县级公司落实各方面工作, 但这并不是长久之计, 从本质上而言市级公司要进一步规范县级地区对于电网低频减载的管理, 加强他们的重视程度及管理意识, 通过有效指导帮助他们形成一套完整的高效的规章制度, 让管理有条例可依, 操作有方案可循。此外要让管理人员重视对于人员的培养及加强团队建设, 只有很有的提升了自身团队的人员素养及技术水平, 才能够更好的为自己的低频减载系统服务, 从而实现县级城市自己也能很好的对电网系统实施有效管理, 保障其安全稳定运营。
2.2 由市级公司调派专业的人员及团队帮助县级完成方案实施
这是市级公司对县级地区实施有效支援的途径, 县级公司在对电网低频减载管理时, 很多时候是因为技术人员的操作水平和实际经验欠缺, 让工作进行的不彻底, 检查精度不到位, 这无疑会为后续使用留下很多隐患。市级公司调派专业的人员不仅能帮助县级地区解决相应的技术问题, 维护整个电网的稳定安全运营, 过程中对于县级工作人员也可以做相应指导, 实践过程中遇到的各种问题是最好的课堂, 通过对于问题的处理应对上, 能够传授给县级地区技术人员很多非常宝贵的操作经验, 对于提升他们的技术水平及实操能力都能发挥很大作用。县级地区的工作人员在配合市级人员共同解决相应问题时, 也可以就特定问题展开探讨, 这是一个很好的相互学习的过程, 对于提升双方技术能力都是很有益处的。
2.3 由市级公司对县级组织相应的专业技术培训, 协助其完成工作
对于县级组织工作人员进行专业的技术培训与指导是非常有必要的。只有切实提升他们的技术水平及操作能力才能有效提高县级地区低频减载的管理工作。对于县级地区技术人员的技术培训要有针对性的展开, 想要加强他们的专业技能, 培训的内容必须有针对性, 培训内容可以围绕以下几个要点展开:
1) 深入他们对于低频减载方案重要性的意识, 加强他们工作的责任心及积极性。2) 对于各种型号、类别的设备及装置能够准确识别与判定, 并能结合特定装置实物及具体的回路进行讲解。3) 可以要求设备制造厂家对于设备的制造原理及应当使用的特定的设备检验工具、检验过程、操作方法进行系统的讲解, 帮助他们深化其技术水平。同时对于他们操作中的不正确的地方要及时指出, 并且督促他们从设备识别、操作等过程的相应的理论知识到实践过程都能够落实到位。4) 市级公司要对培训的成果进行有效跟踪, 并定期进行抽查, 落实县级技术人员的工作水平是否有实际的改善与提升, 同时也落实县级地区电网低频减载管理工作是否有改善与进步。要确保培训起到了相应作用。
3 结语
随着越来越多县级地区电网低频减载管理落实不到位, 管理效率低下等状况的发生, 对其管理中存在的问题进行及时改进是很有必要的。县级地区由于管理意识不足, 人员技术水平落后, 针对这样的现状, 很有必要让市级公司介入, 帮助提升其管理水平。可以由市级公司直接接入对县级电网低频减载管理加以落实, 也可以由市级公司调派专业的人员及团队帮助县级完成方案实施, 还可以让市级公司对县级组织相应的专业技术培训, 协助其完成工作。无论采取哪种方法, 有效提升县级的管理水平, 首先要着手加强其思想意识及对于低频减载的重视, 然后要切实提升县级工作人员的技术水平及实操能力, 只有具备了好的管理水平及技术团队, 有好的技术人员来落实工作, 才能让县级电网低频减载管理得到实质性的改进, 从而让电力系统安全稳定的运用。
摘要：对于电力的需求与依赖已经深入到各个领域与行业及各个地方, 电力系统的安全稳定有效作业是保证电力持续稳定供给的途径, 然而实际操作中难免由于各种因素造成电网的故障, 这时通过电网低频减载的管理方法能够确保主要部门的持续供电, 从而降低造成的相应损失。
关键词：电网,低频减载,管理,改进
参考文献
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[2]冯平.继电保护故障信息管理系统在"大运行"体系中的应用[J].湖北电力, 2011.
改进低频减载方案研究 篇3
电力系统低频减载作为电力系统稳定的最后一道防线[1,2,3],其保护特性的优劣直接决定了电网承受重大事故的能力。低频减载是应对系统有功过负荷、频率下降的一种有效手段,当低频减载继电保护装置检测到系统频率过低时,将根据预先设定的减负荷策略切去一定的负荷,从而使系统频率恢复到额定值附近。因此低频减载的减负荷方案对于低频减载的效果有着主导作用,低频减载方案的设计是低频减载研究的重点之一。
目前低频减载的主要策略有四种类型[4,5]:传统方案、半适应方案、自适应方案和智能减负荷方案[6,7]。传统方案仅将频率大小作为减负荷的依据,各轮次切负荷量均根据经验和仿真测试来确定;而另外三种方案将频率下降的速度作为了减负荷的依据,并且根据系统频率、频率变化率、系统电压等信息采用一定的算法可近似计算出系统有功缺额、动态确定减负荷量,因此后三种方案也称为动态方案[8]。显然动态方案相比传统方案更准确,但是动态方案中频率变化率的测量较繁琐、增加了硬件成本[9],而且动态方案的算法计算量大、耗时多,难以及时根据系统频率变化做出快速响应[8,10],所以相对于传统方案其应用范围较小。
无论上述哪种方案,在进行方案设计时均会涉及到备选方案的设计以及最优方案的决策[11],对于传统方案更是如此。以往在设计方案时,一般先根据运行经验整定几组备选方案,然后在目标系统内对各方案进行切负荷仿真,通过分析仿真得出的频率特性参数确定相对较优方案,并对该方案不断修改测试以达到最终要求,另外故障后会对方案作进一步修改、优化[12,13]。这种方法计算量相对较小,设计的方案对一些典型事故具有较好的减载性能,但这种方式下只能整定少数几组备选方案,方案基础集过小、难以覆盖高质量的减载方案,而且该方法在进行参数调整时过程比较繁琐,难以达到预期目标。另一方面,在进行备选方案筛选决策时,由于低频减载方案的评价指标或属性[14]有多个,如:最低频率、下降时间、总切负荷量等等,且各参数之间是存在矛盾,也即不可能使所有参数都达到最优。由于目前尚未有关于低频减载方案多属性优化决策问题的研究,因此决策者在评价方案优劣时难以有比较有效的决策方法。
针对上述两方面问题,本文首先提出了一种基于参数取值集合的低频减载方案基础集合(简称基础集)构建方法,该方法可以构建相对完善的方案基础集,相对前述传统的方案设计方法能包含更多的低频减载方案且能避开繁琐的参数调整过程。然后根据低频减载方案决策问题的特性,结合多准则决策中多属性决策的相关理论[15],提出了基于接近理想方案的序数偏好方法(Technique for Order Preference by Similarity to an Ideal Solution,TOPSIS)[16]的低频减载方案的多属性决策方法。基于TOPSIS的方案决策方法能够根据决策者的偏好对离散的有限数目的方案进行多属性决策,为决策者提供了有效的低频减载最优方案的筛选方法。最后给出了实例分析,结果表明本文提出的基础集构建方法和基于TOPSIS的低频减载多属性决策方法相比于传统的方案设计方法更加简单、有效,更加系统化,具有指导意义。
1 低频减载方案基础集
低频减载方案设计的一般过程是先设计出多个候选方案即低频减载方案的基础集,然后通过对基础集中各候选方案进行切负荷仿真,根据仿真得出的频率曲线特性参数筛选确定最终方案,因此建立低频减载方案基础集是方案整定的前提。候选方案的设计重点是确定方案各参数的值,当方案中参数发生变化时即可形成新的方案,通过在一定的范围内改变方案参数的值就可以生成多个候选方案、形成方案基础集。基于这一思想,可通过方案参数的变化构建方案基础集。根据参数变化建立方案基础集需要首先确定以下内容:1)参数的个数;2)参数变化的范围;3)参数变化步长;4)参数变化的方式。然后根据对应的算法可得到各参数的取值集合,最后按照方案的构成将这些参数进行组合即可得到低频减载的方案基础集。设计低频减载方案时一般先确定轮次数、动作频率和时延,最后确定切负荷量。
轮次数又可分为两类即基本轮轮次数NF和后备轮轮次数NB,由文献[17]可知后备轮方案的轮次数、动作频率及切负荷量均可由基本轮推出,因此实际变化的参数仅有NF。根据NF的取值范围Nmin≤NF≤Nmax取一定的步长∆N,从Nmin开始按∆N递增直到Nmax即可建立NF的取值集合,记为ΦNF。
基本轮动作频率整定需考虑两个方面:首切频率值和轮次间频率级差。首切频率fs1变化范围fs1 min≤fs 1≤fs1 max,取变化步长为∆fs1,同ΦNF计算的方法一样可计算首切频率的取值集合Φfs1。同理可确定频率级差∆f的取值集合Φ∆f。
与轮次数相似,切负荷的延迟时间也分为两项即基本轮时延tF和后备轮时延tB,但这两者的取值范围与变化步长大小均不相同,因此需分别计算取值集合ΦtF和ΦtB。一般基本轮各轮的时延都相同,后备轮也是一样。
切负荷量的整定相对更复杂,首先需要确定切负荷总量∆P∑,然后根据一定的分配方式分配到各个轮次中去,其中分配方式的选取对低频减载的性能有很大的影响。∆P∑取值集合ΦP∆∑的建立应根据以往的事故功率缺额来计算。ΦP∆∑的求取与ΦNF相同,即确定最值∆PΣmin、∆PΣmax和步长δ∆PΣ,然后在取值范围内等步长递增就得到了∆P∑的取值集合。
切负荷量的分配方式主要有平均分配、递增分配和递减分配,其中平均分配方式由NF和∆P∑决定,故不需要另作计算。递增与递减切负荷方式应分别满足式(1)和式(2)的约束。
其中,∆Pk为第k轮切负荷量。
设δ∆P i=∆Pi+1-∆Pi,1≤i≤NF-1,则δ∆Pi为切负荷分配的步长。令δ∆Pi=g(i),若g(i)为常数函数,那么轮次间切负荷量为等步长变化,否则切负荷量是变步长变化的。不同的切负荷分配方式对方案切负荷频率特性有着很大的影响,因此应该考虑多种典型的分配方式,即取典型的g(i)函数。式(1)和式(2)中的等式约束用δ∆Pi可表示为式(3)的形式。
在给定∆P∑、NF后根据不同的∆P1和g(i)的组合就可以求出多种切负荷量分配的集合,记为ϕ∆P,注意ϕ∆P中的每个元素均为有序序列。所有∆P∑与NF的组合可通过求笛卡尔积[18]ΦNF×Φ∆P∑得到,然后按上述方法求ΦNF×Φ∆P∑中每个元素对应的ϕ∆Pl,l=1,2,,n,其中n为ΦNF×Φ∆P∑中元素的个数,则总的切负荷量分配集合
至此求出的相互独立的参数取值集合有:Φfs1、Φ∆f、ΦtF、ΦtB、Φ∆P,然后对这些集合中的元素进行组合就可以确定低频减载方案的基础集,具体方法如下:
1)求笛卡尔积ΦF=Φfs1×Φ∆f×ΦtF×Φ∆P,其中ΦF为基本轮方案的集合;
2)根据基本轮方案ΦF推出后备轮方案的动作频率、切负荷量参数取值集合记为ΦB;
3)求笛卡尔积ΦB=ΦB×ΦtB得出后备轮方案的集合;
4)由ΦF与ΦB的关系可知ΦF与ΦB中后备轮方案具有对应关系,故可将ΦF与ΦB中的元素对应组合从而得到完整方案的基础集Φ。
低频减载方案基础集设计过程中部分参数的取值集合可依据以往事故经验进行设定,对其他参数可根据文献[17]中的建议进行设计。
2 低频减载方案的可行集
低频减载基础集是根据方案参数变化建立,并未考虑其实际的减负荷效果,因此还需对方案作筛选并选取最优方案。基础集筛选的第一步是从基础集中筛选出可行集,这样可以减少计算量,提高方案决策的效率。在方案选优前需要对各方案进行切负荷仿真,以获得方案的切负荷性能指标。低频减载方案的评价指标以其切负荷频率曲线的特性参数表示,具体各指标参数如下:
文献[17]中规定,低频减载的最低频率、最高频率、稳态频率都有最低要求,当低频减载无法满足这些要求时,系统运行状态将无法得到缓解,甚至会进一步恶化。可行方案集合的约束条件可表示为式(4)。
其中:fmins为允许的频率最小值;fmaxs为允许的频率最大值;fss为稳态频率允许的最小值。
由系统运行的动态特性及故障模式的可变性可知,方案设计时往往会设定多种运行状态和多种故障模式,如系统设备参数的改变、事故时系统拓扑结构的变化[19]等。因此对各方案进行切负荷仿真时需要在多种状况下进行,这样每个候选方案均会产生多组特性参数。为保证方案在各种运行状态下可行,可行方案的每组仿真参数均应该满足可行集约束条件。
设通过前述构建基础集的方法得到的分区k的基础方案集合为Φk,对Φk中的每个方案在分区k中进行切负荷仿真分析。当方案的任意一组切负荷频率特性参数都满足式(4)时,该方案是可行方案;否则该方案在部分运行状态下不可行,应当舍弃。通过此筛选过程可得到单分区下分区k的方案可行集ΦkF。
3 低频减载最优方案决策
可行集的筛选可使得到的方案满足低频减载的最低要求,同时还可以减少候选方案的数目。为得到全局最优方案还需对方案可行集作最优决策。
3.1 低频减载方案的多属性决策
第2节中列出了评价低频减载方案的各项指标参数,其中低频减载的最低频率与下降时间反映了低频切负荷的暂态过程,由于机组[20]和一些频率敏感负荷受频率波动的影响较大,过低的系统频率及较长的低频运行时间会对这些设备造成损害。严重时机组低频保护装置会将机组切除,从而进一步增加了系统功率缺额导致系统频率继续下降、形成恶性循环最终使整个系统崩溃。因此好的减载方案应当使最低频率较大同时使系统频率下降时间较短。调整时间、稳态误差及最大超调量反映了切负荷方案与系统惯性及调速器的协调情况,最优方案应使这些参数达到最小。总的切负荷量反映了方案的经济性,应当在保证系统频率快速恢复到额定值的前提下尽可能减少切负荷量。
上述指标反映了方案的频率恢复性能,在优化理论中也称为方案的属性[15],评价一个方案的优劣需要根据方案的各项属性进行综合考虑。方案决策的目的是筛选出各项属性都达到最优的方案,但由低频减载的基本原理[21]可知部分属性之间是存在矛盾的,也即不存在方案其各项属性都达到最优。例如:为提高系统最低频率、减小下降时间,需要增加切负荷量,这样就会导致总切负荷量的增加,同时也可能造成较大超调量。
考虑到低频减载方案决策问题的特性,可采用多属性决策的相关方法来进行最优方案的决策。多属性决策也称为有限方案多目标决策,多属性决策问题具有如下特征:备选方案、多个属性、不同量纲、属性权重,这些特性与低频减载方案决策问题的特性相一致,因此低频减载方案可行集的决策问题是一个多属性决策(Multiple Attribute Decision Making,MADM)问题,可以通过多属性决策方法来完成。
多属性决策理论中,各方案仅有一组固定的属性可供评价,而根据前述可行集筛选中的描述可知,实际进行方案设计时各方案会有多组属性值,这样不便于最优方案的决策。为解决这一问题可以通过一定的算法计算每个方案的综合属性,将多组属性值综合到一组属性中。如根据各事故统计概率对各组属性进行加权求和得出方案的综合属性。由于本文侧重于论述基于TOPSIS的方案决策方法,将对上述问题不做过多讨论。下文中提到的各属性、指标均认为是方案的综合评价属性,并且因篇幅所限,实例切负荷仿真仅考虑一种故障运行状态。
3.2 基于TOPSIS法的可行集多属性决策
TOPSIS方法是C.L.Hwang和K.Yoon提出的接近理想方案的序数偏好方法[16],该方法是解决有属性信息多属性决策问题的基本方法之一。TOPSIS方法的核心思想是:选择与理想方案距离最近同时与负理想方案距离最远的方案作为最优方案。由于在对方案进行评价的过程中某些方案可能距理想解与负理想解的距离都小于其他方案,这样不便于方案的选优,因此TOPSIS方案通过与理想解的相对接近程度来评价方案的优劣。注意多属性决策中方案是以该方案的属性集合表示的,而前述方案基础集、可行集中各方案是以实际方案参数表示的,两者需要区分开。
对于低频减载方案的多属性决策问题,设可行集中共有m个待评价的方案和n个评价指标,分别记M={1,2,3,,m},N={1,2,3,,n};可行集记为ΦF={A1,A2,A3,,Am};方案的属性集,即指标集,记为G={X1,X2,X3,,Xn};并记J、J′分别为收益型、成本型属性下标集合;在低频减载方案决策中除最低频率为收益型指标外其他均为成本型指标,从而方案决策问题的决策矩阵可表示为式(5)。
其中,xij表示第i个方案Ai的第j项属性值。
TOPSIS方法的具体步骤如下:
1)构造标准化决策矩阵R=(r ij)m×n。为避免之后计算权值时标准化决策矩阵中出现负值,按式(6)计算R标准化决策矩阵[22]。
其中,通过将决策矩阵标准化可使方案的各个属性的度量标准相同。
2)确定属性的权重向量W
评估属性权重的方法主要有两大类[22,23]:主观赋权法和客观赋权法,根据低频减载的目标和要求[4,17],本文选取考虑主观权重的熵权法[15,24]来计算属性权值。针对决策矩阵为D的MADM问题,首先根据式(7)计算各个属性的熵值。
式中,Ej为属性Xj的熵,其值在[0,1]之间。由于因此对于pij=0的项pij lnpij始终为0。
然后根据式(8)计算无主观偏好的属性权重。
其中:dj和wj分别为属性Xj的信息偏差度和无主观偏好的权重。
最后考虑决策者预设的主观权重向量λ={λ1,λ2,,λj,,λn},对权重w进行修正,其修正方法如式(9)。
通过上述修正可得到相对更为准确的属性权值向量wo={w1o,w2o,,wjo,,wno}。
3)建立加权标准化决策矩阵V=(v ij)m×n,其中vij=wj⋅rij,i∈M;j∈N。
4)确定理想解A+和负理想解A-
其中:vj+和vj-分别为A+和A-的第j个属性值,各属性值按式(10)计算。
5)分别计算方案与理想解、负理想解之间的距离S+、S-。本文采用欧几里德距离来计算各方案与A+、A-之间的距离。
其中:Si+为方案i与理想解距离;Si-为方案i与负理想解距离,且
6)计算各方案与理想解的相对接近程度C+,并据此排序。方案iA与A+的相对接近程度Ci+为
方案的优劣程度与Ci+的大小成正相关,按Ci+降序排列即可得到方案的优劣次序。对各分区低频减载方案的可行集分别应用TOPSIS方法进行评价排序即可得出各个分区的相对最优方案。
4 算例分析
对如图1所示的辐射型区域电网进行低频减载方案设计。该系统内总出力为279.5 MW,系统总负荷为354.467 MW,有20%的功率由主网提供。
4.1 方案基础集的设计
首先建立低频减载方案的基础集合。取方案基础集参数集合为:Φ∆P∑={20%},ΦNF={4},ΦNB={2},分别选取平均轮次、递增方式和递减方式进行切负荷量分配。其中递增方式取首轮切负荷量为10%∆P∑;递减方式首轮切负荷量为40%∆P∑。从而可得:
另取Φfs1={49},Φ∆f={0.25,0.5},ΦtF={0.2},ΦtB={12}。根据基础集构建方法可得如表1中的6个基础方案。
4.2 方案可行集筛选
可行集筛选之前需对各方案进行低频减载仿真。仿真中采用单机带集中负荷的模型来计算系统平均频率的动态变化过程,并分析系统减载时的频率变化特性。该模型中频率变化与负荷和系统有功输出之间的关系[17](以下均是标幺值)为
其中:Pm为保留在运行中发电机输出的有功功率;ω为等效发电机的转速,标幺制下就等于频率f;PL为在系统频率为f时的负荷有功功率,负荷频率特性如式(14)。
其中:P0为初始额定频率时的负荷有功;KL为负荷的频率调节系数。
故障设置考虑该系统与主系统联络线发生三相短路被切除,使得该区域与主系统解列,此时系统功率缺额为20%。采用上述仿真模型进行切负荷仿真可得各方案切负荷频率特性参数如表2。
根据表2中方案各项指标参数进行可行集筛选。取fmins=47 Hz,fmaxs=51 Hz,fss=49.5 Hz,应用式(4)对方案进行筛选。由于方案2的稳态频率不满足筛选标准,故方案2被淘汰。
4.3 可行方案的TOPSIS多属性决策
由于稳态频率fs可由稳态频率偏差∆f计算出,故决策矩阵中将不包含fs这一属性,另外方案2已被淘汰,故不再包含此方案。有此可得TOPSIS中各项参数和集合的取值为:
TOPSIS多属性方案决策方法具体步骤如下:
1)构造决策矩阵D。
2)根据式(6)计算标准化决策矩阵。
3)应用考虑主观权重的熵权法计算属性权重向量。根据3.1节中有关各评价指标的分析可知,低频减载过程中的各特征频率决定了系统暂态及稳态的频率稳定性,是评价低频减载方案的关键指标,因此设定各属性主观权重为
结合熵权法计算各属性的修正权重:
4)计算加权标准化决策矩阵V。
5)分别计算理想解与负理想解。
6)计算各方案与理想解、负理想的欧几里得距离。
由式(12)可得各方案与理想解的相对接近程度为C+={0.5550,0.5212,0.5010,0.5044,0.5013}。
通过TOPSIS方法对各可行方案评价的最终结果如表3所示。
通过排序可知方案1为最优方案。各方案低频减载仿真频率特性曲线如图2所示。从图中可以看出显然方案1和3的频率恢复性能要优于其他方案,并且方案3的下降时间和最低频率要优于方案1。但从表2中可以看出方案1的稳态频率误差和超调量要优于方案3,且从计算的修正权重向量ωo中可以看出∆f和δ在评价过程中所占的比重均大于tmin,综合起来最终的评估结果方案1与理想解最接近,因此方案1为最优方案。
5 结论
本文提出的基于参数取值集合的方案基础集设计方法及基于TOPSIS多属性方案决策方法相对于传统的方案设计方法有较明显的优势:
1)基于参数取值集合的方案基础集设计方法可以构建相对更为完整的方案基础集;
2)构造方案基础集的整个过程易于实现,并且更便于方案的选优;
3)基于TOPSIS的方案决策方法解决了方案决策中各属性间相互矛盾的问题,且实现了方案决策过程中的定量分析;
4)方案基础集设计方法与TOPSIS决策方法法构成了系统化的低频减载方案设计方法,使低频减载方案的设计过程更高效、更可靠。
低频低压减载装置测试方法的研究 篇4
关键词：低频低压减载装置,频率测试试验,电压变化率测试
1 引言
近年来, 随着电力系统的发展和容量的扩大, 运行状况变得十分复杂, 当系统发生突然的有、无功功率缺额后, 频率或电压或两者同时下降, 依靠自动减载装置的动作, 使保留运行的负荷容量能与运行中的发电容量相适应, 以保证电力系统的继续安全运行, 保证向重要负荷的不间断供电, 就显得尤为重要。其中, 低频低压减载控制技术也在不断得到改进和提高。因此, 如何建立测试模型, 对低频低压减载装置进行检测, 正确评估低频低压减载装置的动作特性, 显得尤为重要。
低频低压减载装置的动作特性检测主要包含动作值、启动时间、滑差等参数。本文提出一种以数字技术为核心的测试系统模块, 采用突变量启动和时间补偿的方法, 提高测试滑差和动作时间的准确性, 能够满足现场对低频减载装置的定期检测与校验。
2 测试方法的研究
本项目针对国内部分测试装置应用的频率电压测试原理与方法, 提出高精度信号控制和检测技术, 满足装置对动作特性检测的实时、准确性的要求。
2.1 测试频率与电压信号
一般测试装置的电压、电流输出信号, 其频率要能按所设定的变化率动作, 其数值能够任意进行设定。本测试系统的技术难点和关键性指标是频率滑差的精度。常规测试仪采用整周波变频的非实时计算方法, 由计算机对于每个周期的电压波形依次计算之后, 以整周波的形式回放并输出。该方法频率的最小变化为0.05Hz, 分辨率会受到一定限制[1]。
若信号的输出方式按照固定周期Ts输出, 则相对工频信号而言, 其周波输出即为800点, 信号的频率值越小时, 每周波输出的点数就越多, 精度也就越高。
每点的数字量计算公式为:
上式中DA为16位DA的设定值, Us为设定的输出信号的峰值, f0为设定的信号的初始频率, d F为每点的频率变化步长, N为当前的变化点数, 0为初始相位。以上每点输出值均由上位机计算后下发至数控板CPU, 其量化误差可忽略不计。对于数字控制板上DSP的晶振误差, 可能会影响定时器中断时间不准确, 其影响滑差误差为十万分之一左右。因此该实现方法能够使滑差的误差很小, 能满足各种对于滑差高精度的精度需求。
高精度测试装置的电压信号按等时间间隔Ts的方式输出, 对于50Hz的信号来说, 若周期Ts取25 us, 则每周波输出20ms/25us=800点。如果系统设定滑差du/dt=10 V/s, 低压减载测试设定起始电压为100V, 终止电压为50V, 变化步长为1V, 则总变化时间= (100V-50V) / (10V/s) =5.0s, 输出总点数=5.0s/25us=200000 (点) , 测试装置变化步长的间隔点数n=1V/ (25us*10.0V/s) =4000。每点的电压变化值:du= (100V-50V) /200000=0.25m V
2.2 测试启动值
低频低压减载装置启动值 (也即动作值) 的检测, 一般常见有连续变化测试逻辑、单次重复测试逻辑和单步长多轮连续测试逻辑[1]。其中连续变化测试方法需要考虑装置固有动作延时, 测试记录的动作值在实际收到装置出口动作接点信息时, 已经变化有段时间了, 因此记录的误差较大。另外, 单次重复测试在上电复归后, 每次都从额定电压开始下降, 变化步长按照设定的滑差降低, 下降到每一步设定电压值时, 保持一个时间即保持时间。该方法全部检测各轮次动作时间会很长。本项目采用固定步长多轮连续测试的方法, 系统先上电复归后, 按照设定的滑差降低一个步长的电压, 并保持此电压输出一个单步时间, 如果保护不动作, 则继续下降一个步长的电压, 直到保护动作或到所设的电压终值。这种检测方法可同时满足测试精度和多轮次动作值测试的要求。
2.3 测试动作时间
低频低压减载装置的动作时间测试重点是确定计时的启动点。本项目采用固定时间补偿方法测动作时间, 由突变量启动计时, 并延时10ms来确定实际动作时间的启动点。另外, 测试频率动作时间时, 可先将频率按滑差缓慢变化到fs+0.2%*f0时停留0.5s, 然后突变到fs-0.2%*f0后再停留0.5s。频率从fs+0.2%*f0突变量下降时启动计时器, 动作出口 (或保护接点翻转) 时停止计时器, 所测时间即为实测动作时间。
3 测试系统的设计
基于TQWX型微机继电保护试验测试仪原硬件平台, 重新搭建功能较完备的新型频率电压紧急控制装置测试系统开发平台。该测试装置采用一套DSP+CPLD和一套DSP+ARM构成信号发生主控模块和嵌入式人机监控模块, 采用自定义的内部通信协议, 通过模块间内部CAN通讯接口传输测试数据, 系统与频率电压紧急控制装置相连接, 可以根据操作需要灵活配置, 通过从上位机下载保护程序软件, 可完成继电保护以及备自投、低频减载、故障录波和故障测距等多种功能测试。测试装置采用模块化结构, 采用实时多任务操作系统设计, 能方便完成对各种参数的测量、计算、控制和显示等操作。
4 系统的功能测试应用
4.1 试验接线
测试仪应能模拟系统在正常与发生功率缺额事故情况下频率和电压的静态与动态特性, 并且能够对自动低频、低压减载装置的动态、静态性能指标进行足够精度的测试。频率电压紧急控制装置测试系统、低频低压减载装置以及上位机 (PC机) 的试验接线图 (如图1所示) 。
对被测装置的静态指标测试时可不接反馈信号, 通过系统的试验窗口界面将f、u数字输入逐步改变输出电压的频率或幅值来测试减载装置的频率电压静态精度。动态测试时需接入动作反馈信号, 通过点击触发故障按钮, 使测试系统按照给定滑差发出频率衰减或幅值衰减的正弦电压信号, 并监视被测装置的动作情况, 从而测试被测装置的下降率动作定值或闭锁定值以及动作延时时间。
其中频率电压紧急控制装置测试系统模块的电流、电压输出分别连接到频率电压紧急控制装置的CT、PT输入端, 测试装置的开关量输入 (共有6路) 连接到频率电压紧急控制装置的开出节点, 以便实时观察保护的动作信息。测试系统模块的参数设置、故障类别、故障点的选择、试验的起始、结束时间均由上位机 (PC机) 进行控制, 试验过程中还可在上位机界面中观察到矢量显示 (电流、电压幅值、相位的改编均可直观地显示出来) 、开关量颜色的变换 (表明保护动作) 、动作时间的记录等。
4.2 试验操作
用测试系统的操作界面上设置电流电压值、启动值、各轮定值、变化终值、终值保持时间 (终值保持时间一定要大于最后一轮的出口时间) 、频率滑差值, 正常运行时, 测试仪输出设定值, 频率为50Hz, 点击触发故障按钮, 测试仪输出模拟量的频率按照设置的滑差向下滑, 频率滑到本轮定值以下时保护满足跳闸要求出口, 测试仪用开入量或者模拟断路器接收信号记录时间。试验完成, 装置自动记录时间, 保存报告。减载装置的定值逻辑检验操作界面 (如图2所示) 。
5 结语
本装置用于某型微机继电保护测试仪中, 现场测试各项技术指标均满足设计要求。该系统能够准确生成频率、电压变化率信号, 可准确地对电力系统低频、低压减载装置中df/dt、du/dt定值 (或闭锁值) 进行测试与校验, 为调试和校验频率电压紧急控制装置提供了便利。但是研究中还有许多深入细致的问题有待解决。比如系统电压中存在谐波和噪声干扰等。怎样更确切、定量地描述这些问题并给以恰当的模拟和实现, 还有待于更深入的研究。
参考文献
[1]孙玉军, 凌海燕.SCS-200A频率电压紧急控制装置组态式软件的设计与实现[J].江苏电机工程, 2010, 29 (6) :32-34.
[2]北京四方公司.CSS-281数字式频率电压紧急控制装置说明书[R].北京:2007.