龔石林，陳夢(mèng)濤，馮彥釗，張兆云，陳衛(wèi)

（1. 云南電網(wǎng)公司，云南 昆明 650011；2. 華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074）

電能不能大量存儲(chǔ)的特性導(dǎo)致電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)必須保證電能生產(chǎn)與消耗的平衡，一旦系統(tǒng)出現(xiàn)有功缺額，電力系統(tǒng)頻率會(huì)隨之下降，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致頻率崩潰事故的發(fā)生[1-2]。低頻減載[3]作為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定的最后一道防線，是保證系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的重要手段。目前，變電站內(nèi)傳統(tǒng)低頻減載功能的實(shí)現(xiàn)方式可以分為2種[4-6]：

1）通過(guò)集中式低頻減載裝置實(shí)現(xiàn)。通過(guò)集中式低頻減載裝置測(cè)量變電站的母線頻率，當(dāng)母線頻率下降到某輪次動(dòng)作頻率且延時(shí)到，通過(guò)電纜下發(fā)跳閘命令，動(dòng)作切除預(yù)設(shè)的負(fù)荷線路。

2）通過(guò)各線負(fù)荷路保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)分布式低頻減載功能。在各負(fù)荷線路保護(hù)裝置中集成低頻減載模塊，當(dāng)?shù)皖l減載模塊檢測(cè)到本負(fù)荷線路的頻率低于整定值，經(jīng)特定延時(shí)，動(dòng)作切除本回線路。

傳統(tǒng)低頻減載方案動(dòng)作方式固定，無(wú)法獲取負(fù)荷的實(shí)時(shí)狀態(tài)信息，不能實(shí)現(xiàn)精確切負(fù)荷，出口回路采用開(kāi)環(huán)控制，可能會(huì)切除一些已經(jīng)退出運(yùn)行的線路[7]。此外，對(duì)負(fù)荷頻率特性考慮不足，不能充分利用負(fù)荷自身的調(diào)節(jié)作用[7-9]。

隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，國(guó)家電網(wǎng)公司提出充分利用智能變電站信息共享的優(yōu)勢(shì)，在智能變電站內(nèi)實(shí)現(xiàn)站域低頻減載功能。文獻(xiàn)[10]利用智能變電站GOOSE機(jī)制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)化低頻減載技術(shù)實(shí)現(xiàn)常規(guī)變電站依靠專用設(shè)備實(shí)現(xiàn)的低頻減載功能。但是低頻減載的功能架構(gòu)仍然沿用傳統(tǒng)方案，無(wú)法識(shí)別負(fù)荷的實(shí)時(shí)狀態(tài)，沒(méi)有充分利用智能變電站信息共享的特點(diǎn)，仍然無(wú)法克服常規(guī)變電站低頻減載的缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[11]從網(wǎng)絡(luò)的歸一化和設(shè)備的集成化的角度設(shè)計(jì)了基于SV組網(wǎng)、通用面向?qū)ο笞冸娬臼录℅OOSE）組網(wǎng)的集中式保護(hù)測(cè)控裝置，集成了低頻低壓減載控制功能。文獻(xiàn)[12]采用GOOSE機(jī)制實(shí)現(xiàn)站域控制系統(tǒng)，由間隔層裝置、監(jiān)控子系統(tǒng)和站域控制子系統(tǒng)3部分協(xié)調(diào)配合實(shí)現(xiàn)智能站域控制的實(shí)時(shí)動(dòng)作性能。但他們都沒(méi)有詳細(xì)闡明站域低頻減載的實(shí)現(xiàn)方案，同時(shí)也沒(méi)有充分利用智能變電站的信息共享優(yōu)勢(shì)來(lái)改進(jìn)常規(guī)變電站低頻減載策略的不足。

針對(duì)這些問(wèn)題，本文提出了智能變電站站域低頻減載的框架和實(shí)現(xiàn)方案，充分利用智能變電站信息共享的優(yōu)勢(shì)，準(zhǔn)確獲取負(fù)荷的實(shí)時(shí)信息，將低頻減載問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一個(gè)多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題；通過(guò)最優(yōu)切負(fù)荷算法綜合負(fù)荷的重要性、實(shí)際功率、單位停電損失和負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，獲得最優(yōu)切負(fù)荷策略。實(shí)例仿真驗(yàn)證了本文方法的正確性和適應(yīng)性。

1 智能變電站站域低頻減載的框架

1.1 站域低頻減載的框架

通過(guò)就地安裝的智能終端和合并單元，智能變電站全站所有間隔的模擬量和電氣信號(hào)都轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行傳輸；通過(guò)接入過(guò)程層網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)，智能變電站可以實(shí)現(xiàn)全站所有間隔信息的共享。全站信息共享為站域低頻減載裝置的實(shí)現(xiàn)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，本文提出的智能變電站站域低頻減載裝置的框架如圖1所示。

圖1 智能變電站站域低頻減載裝置的框架Fig. 1 Architecture diagram of substation optimal under frequency load shedding

站域低頻減載裝置通過(guò)SV網(wǎng)，從母線保護(hù)測(cè)控裝置獲取母線的電壓、電流、頻率、滑差等信息并完成低頻減載裝置的主邏輯判斷；通過(guò)GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)從各出線保護(hù)測(cè)控裝置獲得各出線斷路器的位置信息、各出線的重要性、實(shí)際功率、單位停電損失和頻率調(diào)節(jié)系數(shù)等信息。通過(guò)站域低頻減載最優(yōu)切負(fù)荷算法對(duì)信息的綜合和判斷，獲得各輪次的最優(yōu)切除策略；通過(guò)GOOSE網(wǎng)傳輸給各出線斷路器智能單元，完成減載邏輯的執(zhí)行。

1.2 站域低頻減載實(shí)現(xiàn)方案

由于電網(wǎng)頻率的分布特性[13]，站域低頻減載裝置僅僅依靠站內(nèi)信息無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)電網(wǎng)的缺負(fù)荷總量。因此，智能變電站站域低頻減載裝置仍然采用“按輪動(dòng)作，逐次逼近”的方式，站域低頻減載裝置通過(guò)GOOSE網(wǎng)和SV網(wǎng)獲得全站的實(shí)時(shí)全景數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)變電站母線頻率，當(dāng)母線頻率下降至某一輪頻率動(dòng)作整定值后，啟動(dòng)該輪減載決策，通過(guò)綜合變電站各負(fù)荷線路的重要性信息、實(shí)時(shí)功率、負(fù)荷的停電損失以及負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，運(yùn)用最優(yōu)切負(fù)荷算法，獲得最優(yōu)的切除策略，延時(shí)時(shí)間到，向相應(yīng)的負(fù)荷線路發(fā)送跳閘信息，各負(fù)荷線路收到跳閘信息后，跳開(kāi)各出線斷路器；站域低頻減載裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)各線路斷路器的跳閘情況，如果出現(xiàn)線路斷路器拒跳，為了滿足本輪次的切負(fù)荷量，低頻減載裝置通過(guò)快速計(jì)算，得到仍需要切除的負(fù)荷量（整定負(fù)荷和已切負(fù)荷和之間的差值），并更新負(fù)荷線路信息，通過(guò)最優(yōu)切負(fù)荷算法，快速找到備用切除線路，不經(jīng)延時(shí)，下發(fā)切負(fù)荷命令，各負(fù)荷線路收到下發(fā)的切除命令，跳開(kāi)備用線路，實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的低頻減載。具體流程如圖2所示。

2 低頻減載最優(yōu)切負(fù)荷模型

2.1 頻率調(diào)節(jié)系數(shù)對(duì)低頻減載的影響

現(xiàn)有的低頻減載裝置一般采用“基本輪+特殊輪”的模式。基本輪的作用在于快速動(dòng)作切除負(fù)荷，阻止系統(tǒng)頻率的持續(xù)下降，避免系統(tǒng)頻率下降到一個(gè)不可接受的范圍；特殊輪的作用是防止系統(tǒng)頻率長(zhǎng)時(shí)間懸停在一個(gè)不可接受的范圍，通過(guò)切除部分負(fù)荷，使系統(tǒng)頻率恢復(fù)到可接受的范圍。

在頻率下降過(guò)程中，頻率調(diào)節(jié)系數(shù)大的負(fù)荷，隨頻率的下降，其功率減少的較快，對(duì)阻止頻率下降有利。因此，在基本輪中，應(yīng)優(yōu)先切除頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KL小的負(fù)荷，保留KL大的負(fù)荷；而頻率調(diào)節(jié)系數(shù)小的負(fù)荷，隨著頻率的上升，其功率增加較慢，故對(duì)頻率恢復(fù)的特殊輪來(lái)講，應(yīng)優(yōu)先切除頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KL大的負(fù)荷，保留KL較小的負(fù)荷，以充分利用負(fù)荷自身的調(diào)節(jié)效應(yīng)，減少低頻減載的切負(fù)荷損失，加快系統(tǒng)頻率的恢復(fù)。

圖2 變電站精確切負(fù)荷方案的邏輯框圖Fig. 2 Logic of substation accurate UFLS

2.2 綜合負(fù)荷信息的最優(yōu)切負(fù)荷模型

為獲得各輪次的最優(yōu)跳閘策略，綜合負(fù)荷負(fù)荷的重要性、實(shí)際功率、單位停電損失和頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，對(duì)低頻減載各輪建立如下最優(yōu)切負(fù)荷模型。

1）對(duì)各變電站而言，為了可能減少低頻減負(fù)荷造成的停電損失，應(yīng)在滿足各輪次減載量要求的基礎(chǔ)下，盡量減少本站的切負(fù)荷損失。為此，應(yīng)滿足如下的目標(biāo)函數(shù)：

式中，F(xiàn)為本輪次減載所造成的切負(fù)荷損失；Ci為第i條負(fù)荷線路的單位切負(fù)荷損失；Pi為第i條負(fù)荷線路的實(shí)際功率；n為參與切負(fù)荷的線路總數(shù)；Ps為調(diào)度中心下發(fā)的本輪次減載量；Xi=0為第i條負(fù)荷線路不參與本輪次減載；Xi=1表示第i條負(fù)荷線路參與本輪次減載。

2）對(duì)系統(tǒng)而言，為了保證系統(tǒng)頻率的快速恢復(fù)，在基本輪中，應(yīng)盡量保留頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KL大的負(fù)荷，切除頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KL小的負(fù)荷；在特殊輪中，應(yīng)盡量保留頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KL小的負(fù)荷，切除頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KL大的負(fù)荷。2種情況下，各自應(yīng)滿足的目標(biāo)函數(shù)如式（3）所示。

式中，KLi為第i條負(fù)荷線路的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)；KLs為本輪次所切負(fù)荷的等效頻率調(diào)節(jié)系數(shù)。

3 模型的解算

3.1 模型的化簡(jiǎn)

由于實(shí)際變電站的出線可能有16～18條，則2.2節(jié)的優(yōu)化模型將是一個(gè)非常龐大的組合優(yōu)化問(wèn)題。但由于變電站低頻減載裝置每一輪次實(shí)際的跳閘線路只有2～3條，因此在2.2節(jié)算法中，為了獲得每輪次的最優(yōu)跳閘策略，實(shí)際只需要最疑似的幾條線路參與計(jì)算，即可達(dá)到近似最優(yōu)的效果，從而減少了計(jì)算量。疑似線路的確定方法：參照常規(guī)變電站低頻減載，對(duì)各個(gè)負(fù)荷線路按照重要性等級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)排序，重要性低的線路排在前面；相同重要性的線路則按照頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KL的大小進(jìn)行排序：對(duì)于基本輪則按照頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KL遞減的順序進(jìn)行排序；對(duì)于特殊輪則按照頻率調(diào)節(jié)系數(shù)KL遞增的順序進(jìn)行排序。每次取排序中前面的6條線路為疑似線路，則參與第一輪減載的疑似線路為排序1～6號(hào)線路；第一輪減載完成后，對(duì)余下的線路進(jìn)行重新排序，排序中前6條線路為第二輪的疑似線路，依次類推。由于低頻減載裝置在各輪減載過(guò)程中經(jīng)過(guò)一定延時(shí)才出口動(dòng)作跳開(kāi)負(fù)荷斷路器，依靠此延時(shí)可以滿足最優(yōu)模型的解算，達(dá)到實(shí)時(shí)性的要求。這樣，在不影響性能的情況下，大大減少了計(jì)算量，提高了計(jì)算速度。

3.2 多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)

由于基本輪和特殊輪的目標(biāo)函數(shù)相似，下面僅以基本輪為例說(shuō)明多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)的方法，特殊輪與此類似。

步驟1：首先，不考慮頻率調(diào)節(jié)系數(shù)的影響，通過(guò)單純形法求解式（1）—式（2）所構(gòu)成的單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，得到最優(yōu)目標(biāo)值F′；其次，不計(jì)停電損失，通過(guò)單純形法求解式（2）—式（3）所構(gòu)成的單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，得到最優(yōu)目標(biāo)值KLs′。

步驟2：通過(guò)引入偏差變量可將式（1）—式（3）的多目標(biāo)規(guī)劃問(wèn)題轉(zhuǎn)化為如下所示的多目標(biāo)規(guī)劃：

至此，目標(biāo)函數(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，利用單純形法可以很方便地求解，此外不再贅述。

4 實(shí)例分析

以圖3所示的某110 kV的變電站為例，在PSCAD中搭建變電站的模型，仿真分析本文所提的低頻減載方法的正確性和優(yōu)越性。

圖3 某110 kV的變電站電氣接線圖Fig. 3 Diagram of a certain 110 kV substation electrical wiring

圖3中，L1-L18為負(fù)荷線路，各負(fù)荷線路實(shí)際負(fù)荷特征信息如表1所示。表中：KL為負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)；pu表示標(biāo)幺值；C為單位電能停電損失；I為負(fù)荷的重要程度；P為負(fù)荷的實(shí)時(shí)功率。

該變電站配置了基本輪第一輪到基本輪第五輪，共5輪低頻減載裝置，其傳統(tǒng)低頻減載裝置的整定方案如表2所示。

當(dāng)變電站內(nèi)功率缺額為15%，由于系統(tǒng)備用旋轉(zhuǎn)容量不足，頻率下降，變電站內(nèi)低頻減載裝置動(dòng)作。以下分2種情況驗(yàn)證本文所提策略的優(yōu)越性。

情景1：各負(fù)荷線路斷路器正常時(shí)，常規(guī)低頻減載和本文所提出的站域低頻減載各自的頻率恢復(fù)曲線分別如圖4中曲線1、2所示。

表1 負(fù)荷特征信息Tab. 1 Load characteristic information

表2 該變電站配置的低頻減載整定方案Tab. 2 Low frequency load shedding strategy for the substation

不難看出，由于常規(guī)低頻減載不能識(shí)別負(fù)荷線路的狀態(tài)，當(dāng)頻率下降到第一輪的動(dòng)作頻率49.25 Hz時(shí)，第一輪動(dòng)作，跳開(kāi)了已經(jīng)退出運(yùn)行的線路L3（負(fù)荷功率為0），造成減載不足，系統(tǒng)頻率繼續(xù)下降；到第二輪的動(dòng)作頻率49 Hz時(shí)，第二輪動(dòng)作，切除線路L15、L9，由于第二輪所帶負(fù)荷較大，動(dòng)作后造成了頻率恢復(fù)超過(guò)了50 Hz，造成了部分過(guò)切。本文所提出的智能變電站站域低頻減載方案，準(zhǔn)確識(shí)別負(fù)荷線路的狀態(tài)，當(dāng)頻率下降到第一輪的動(dòng)作頻率49.25 Hz時(shí)，通過(guò)最優(yōu)切負(fù)荷算法綜合負(fù)荷的重要性、實(shí)際功率、單位停電損失和負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，獲得第一輪的最優(yōu)切負(fù)荷線路L11、L17，延時(shí)到向?qū)?yīng)的斷路器發(fā)出GOOSE跳閘命令，第一輪動(dòng)作后頻率回升到合理的范圍。

圖4 情景1頻率變化曲線Fig. 4 The frequency control curve for Case 1

不難看出本文所提出的方法，可以準(zhǔn)確識(shí)別運(yùn)行線路的狀態(tài)，通過(guò)最優(yōu)切負(fù)荷算法綜合負(fù)荷的重要性、實(shí)際功率、單位停電損失和負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，保證每輪的準(zhǔn)確切負(fù)荷，切負(fù)荷量小，停電損失小，頻率下降小。同時(shí)，也充分利用了負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)作用，有利于系統(tǒng)頻率的快速恢復(fù)。

情景2：某負(fù)荷線路斷路器拒跳。針對(duì)情景1的故障，本文所提出的站域低頻減載方案，當(dāng)頻率下降到第一輪的動(dòng)作頻率49.25 Hz時(shí)，通過(guò)最優(yōu)切負(fù)荷算法綜合負(fù)荷的重要性、實(shí)際功率、單位停電損失和負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)，獲得第一輪最優(yōu)切負(fù)荷線路L11、L17，延時(shí)到，向?qū)?yīng)的斷路器發(fā)出跳閘命令，當(dāng)出現(xiàn)線路L17拒跳時(shí)，其頻率曲線如圖5中曲線1所示。

圖5 情景2頻率變化曲線Fig. 5 The frequency control curve for Case 2

由于斷路器拒跳，造成低頻減載裝置第一輪切負(fù)荷量不足，系統(tǒng)頻率只能恢復(fù)到49.67 Hz。由于不滿足低頻減載其他輪次的動(dòng)作條件，其他輪次不動(dòng)作，系統(tǒng)頻率長(zhǎng)期處于懸停于較低的水平。為防止此類現(xiàn)象的發(fā)生，本文依據(jù)智能變電站的信息優(yōu)勢(shì)，迅速獲取為滿足第一輪減載量仍需要切除的負(fù)荷量，通過(guò)最優(yōu)切負(fù)荷算法獲得備用跳閘策略L2、L7，不經(jīng)延時(shí)，迅速下發(fā)GOOSE跳閘命令，切除負(fù)荷線路L2、L7，使頻率回升到49.9 Hz，其頻率曲線如圖5中曲線2所示。

可以看出，本文站域低頻減載方案可以準(zhǔn)確的保證每一輪的減載量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)低頻減載命令的執(zhí)行情況，真正實(shí)現(xiàn)了低頻減載的閉環(huán)控制。

5 結(jié)論

充分利用智能變電站信息共享的優(yōu)勢(shì)，提出了智能變電站站域低頻減載的框架，綜合利用負(fù)荷負(fù)荷的重要性、實(shí)際功率、單位停電損失和頻率調(diào)節(jié)系數(shù)等信息，獲得最優(yōu)切負(fù)荷策略。所提方法具有如下特點(diǎn)：

1）能夠準(zhǔn)確識(shí)別所切線路狀態(tài)，當(dāng)有被切線路停運(yùn)時(shí)，裝置能自動(dòng)地選擇其他負(fù)荷線路代替已經(jīng)停運(yùn)的線路。

2）可以充分利用負(fù)荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)等特征信息，優(yōu)化低頻減載動(dòng)作效果。

3）可以實(shí)現(xiàn)精確切負(fù)荷，能根據(jù)負(fù)荷實(shí)時(shí)功率選擇相應(yīng)的被切線路，做到按容量切負(fù)荷。

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