胡潤閣 李璐 曲欣 吳西博 苗亞楠

摘 ?要：在電力市場化的今天，電能質(zhì)量問題已經(jīng)是供電企業(yè)必須面對的問題。當(dāng)電力系統(tǒng)頻率降低時(shí)，會(huì)威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行，此時(shí)不得不利用低頻減載裝置切除部分負(fù)荷，以使系統(tǒng)頻率恢復(fù)到可以安全運(yùn)行的水平以內(nèi)。由此可見，低頻減載裝置的動(dòng)作正確與否直接關(guān)系到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。在MATLAB/Simulink平臺(tái)下，應(yīng)用電力系統(tǒng)模塊（PSB）和狀態(tài)流（Stateflow），搭建了低頻減載的仿真模型，針對單機(jī)及互聯(lián)系統(tǒng)的低頻減載過程進(jìn)行仿真并分析。其中，利用狀態(tài)流對電力系統(tǒng)仿真是在以前的科學(xué)研究中沒有用到的，課題驗(yàn)證了狀態(tài)流的邏輯動(dòng)作性對電力系統(tǒng)仿真的有效性。

關(guān)鍵詞：MATLAB;狀態(tài)流;低頻減載;仿真

中圖分類號(hào)：TP391.9;TM743 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）05-0035-05

Abstract：In todays electricity market，power quality problem has become a problem that power supply enterprises must face. When the frequency of power system decreases，it threatens the security of power grid operation. At this time，the low frequency load shedding device has to be used to remove part of the load，so that the frequency of the system can be restored to the level of safe operation. Therefore，the correct operation of the low frequency load shedding device is directly related to the safe and stable operation of the power grid. Under the platform of MATLAB/Simulink，the simulation model of low frequency load shedding is built by using power system module （PSB） and Stateflow. The process of low frequency load shedding of single machine and interconnected system is simulated and analyzed. Among them，the simulation of power system using Stateflow is not used in previous scientific research. The subject verifies the validity of the logical action of Stateflow for power system simulation.

Keywords：MATLAB;stateflow;low frequency load shedding;simulation

0 ?引 ?言

近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力負(fù)荷構(gòu)成發(fā)生了重大變化，大量諧波注入電網(wǎng)，這些導(dǎo)致電能質(zhì)量出現(xiàn)諸如電壓跌落、電壓上升、頻率降低、間諧波等干擾。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重功率缺額時(shí)，系統(tǒng)頻率就會(huì)降低，此時(shí)，自動(dòng)低頻減載裝置的任務(wù)是迅速斷開相應(yīng)數(shù)量的用戶負(fù)荷，使系統(tǒng)頻率在不低于某一允許值的情況下[3]，達(dá)到有功功率的平衡，以確保電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，防止事故的擴(kuò)大。

MATLAB是一種科學(xué)計(jì)算軟件，適用于工程應(yīng)用各領(lǐng)域的分析設(shè)計(jì)與復(fù)雜計(jì)算，它使用方便，輸入簡捷，運(yùn)算高效且內(nèi)容豐富，很容易由用戶自行擴(kuò)展。Simulink作為MATLAB的一個(gè)附加組件，可以提供一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的建模與動(dòng)態(tài)仿真工作平臺(tái)。Simulink模型可以用來模擬線性或非線性、連續(xù)或離散或者兩者的混合系統(tǒng)，也就是說它可以模擬幾乎所有可遇到的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。狀態(tài)流（Stateflow）是有限狀態(tài)機(jī)（Finite-state machine）的圖形工具，它可以用于解決復(fù)雜的邏輯問題，用戶可以通過圖形化工具實(shí)現(xiàn)在不同狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。Stateflow是解決復(fù)雜邏輯問題的強(qiáng)有力的仿真工具，簡單高效，并可以與Simulink實(shí)現(xiàn)無縫連接，為我們提供了強(qiáng)大的邏輯控制仿真平臺(tái)[2]。

1 ?低頻減載過程理論分析

為了便于仿真計(jì)算，本文確定了以下參數(shù)：負(fù)荷調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)：KL*=0.5（以系統(tǒng)總功率容量為基準(zhǔn)）;調(diào)差系數(shù)：R*=5%;慣性常數(shù)：H=5.0s;正常運(yùn)行負(fù)荷：PL=2000MW;最大功率缺額：ΔPhmax=2000MW;恢復(fù)頻率：49.8Hz。

1.1 ?低頻減載裝置最大斷開功率的確定

1.2 ?自動(dòng)低頻減載裝置的動(dòng)作順序

在電力系統(tǒng)發(fā)生事故的情況下，應(yīng)力求盡可能少的斷開負(fù)荷。根據(jù)啟動(dòng)頻率的不同，低頻減載可分為若干級(jí)，也稱為若干輪[1]。

為了確定自動(dòng)低頻減載裝置的級(jí)數(shù)，首先應(yīng)選定第一級(jí)啟動(dòng)頻率f1和最末一級(jí)啟動(dòng)頻率fn的數(shù)值。

（1）第一級(jí)啟動(dòng)頻率f1的選擇。在事故初期如能及早切除負(fù)荷功率，這對于延緩頻率下降過程是有利的。因此，第一級(jí)的啟動(dòng)頻率宜選擇的高些，在本文中第一級(jí)啟動(dòng)頻率設(shè)定為49.7Hz。

（2）最末級(jí)啟動(dòng)頻率fn的選擇。電力系統(tǒng)允許最低頻率受“頻率崩潰”或“電壓崩潰”的限制，在頻率低于45Hz時(shí)，就有“電壓崩潰”的危險(xiǎn)。因此，末級(jí)的啟動(dòng)頻率不能低于46-46.5Hz為宜，本文中最末級(jí)啟動(dòng)頻率設(shè)定為47.2Hz。

1.3 ?頻率級(jí)差Δf的選擇

關(guān)于頻率級(jí)差Δf的選擇問題，當(dāng)前有兩種截然不同的原則，一種是按照選擇性確定級(jí)差，另一種是不強(qiáng)調(diào)選擇性確定級(jí)差?，F(xiàn)在的數(shù)字式頻率繼電器已在電力系統(tǒng)中廣泛采用，其測量誤差（0.015Hz，甚至更低）已經(jīng)大為減小且動(dòng)作延時(shí)也已縮短，為此頻率級(jí)差可相應(yīng)減小為0.3-0.2Hz。本文頻率級(jí)差Δf按照選擇性來確定，并取為0.3Hz。

1.4 ?每級(jí)切除負(fù)荷ΔPLi的整定

設(shè)第i級(jí)的動(dòng)作頻率為fi，它所切除的用戶功率為ΔPLi。電力系統(tǒng)頻率fx下降特性是與功率缺額相對應(yīng)的。典型的系統(tǒng)頻率變化過程可表達(dá)為如圖1所示。

2.3 ?負(fù)荷模型

雙擊Powerlib中的Elements模塊，進(jìn)入元件模塊庫，選擇三相串聯(lián)RLC負(fù)載Three-Phase Series RLC Load[5]。將負(fù)荷分為三類：

（1）最重要負(fù)荷。最重要負(fù)荷是不能切除的負(fù)荷，本文中設(shè)定為2000MW。用Most important Load標(biāo)記。

（2）次重要負(fù)荷。次重要負(fù)荷在需要切除負(fù)荷時(shí)，作為后備切除量，即不得不切除時(shí)才切除。在SIMULINK模型中用Restore Shedding Load來標(biāo)記。接到低頻減載裝置的后備段。因?yàn)榉譃?級(jí)，所以將次重要負(fù)荷用5個(gè)負(fù)載來模擬，總共負(fù)荷量設(shè)置為1000MW。

（3）不重要負(fù)荷。不重要負(fù)荷，在頻率降低時(shí)首先切除，接入到低頻減載裝置的基本段，分為10級(jí)，用10個(gè)負(fù)載來模擬，總負(fù)荷量設(shè)定為1000MW。在SIMULINK模型中用Basic Shedding Load來標(biāo)記。

負(fù)荷量的測量環(huán)節(jié)可以知道送入單區(qū)域系統(tǒng)中的負(fù)荷量是多少[6]。測量環(huán)節(jié)應(yīng)用PSB中的三相電源、三相電壓電流測量元件和功率測量元件來實(shí)現(xiàn)。

2.4 ?低頻減載裝置模型

狀態(tài)流的控制就是低頻減載裝置的模型。SIMULINK模型中，狀態(tài)流Stateflow就是其控制的核心部分。有兩個(gè)輸入數(shù)據(jù)頻率FREQ和頻率變化率df，再加上一個(gè)輸入事件脈沖發(fā)生器Pulse generator，用以產(chǎn)生脈沖，計(jì)數(shù)以激活內(nèi)部延時(shí)環(huán)節(jié)。狀態(tài)流Stateflow有15個(gè)控制輸出，分別是10個(gè)基本段的控制輸出和5個(gè)后備段的控制輸出。狀態(tài)流Stateflow的控制框圖總圖如圖4所示。

圖4中共分為3個(gè)狀態(tài)，進(jìn)入-返回/減載。其中進(jìn)入和返回都是控制負(fù)荷的斷路器合閘，返回的條件是頻率高于49.7Hz，并且頻率不下降（df≥0）。在狀態(tài)Shedding中分為基本段和后備段[7]。如圖5所示。其中Basic Shedding是基本段，Restore是后備段。基本段中分為10個(gè)子基本級(jí)。

（1）基本段。其狀態(tài)流圖如圖6所示。當(dāng)頻率低于49.7Hz時(shí)，激活基本段Basic Shedding狀態(tài)，進(jìn)入到此狀態(tài)下的頻率判斷節(jié)點(diǎn)，此時(shí)判斷頻率在哪個(gè)頻率段，以決定啟動(dòng)哪一基本級(jí)，不妨假設(shè)頻率為49.6Hz，此時(shí)啟動(dòng)第一基本級(jí)，延時(shí)0.2秒后control1=0，即動(dòng)作于跳閘，跳開基本段中的第一級(jí)負(fù)荷。此時(shí)，再根據(jù)SIMULINK中取得的頻率變化率信號(hào)df判斷頻率是否仍在下降，若df<0，即頻率還在下降，則返回到頻率判斷節(jié)點(diǎn);若頻率有所上升，這里取為df>0.01，以防止頻率上升過慢而導(dǎo)致動(dòng)作延緩，則狀態(tài)遷移至返回節(jié)點(diǎn)，再遷移至返回狀態(tài);在0

（2）后備段。后備段啟動(dòng)頻率整定為49.7Hz，且啟動(dòng)頻率均相同。因?yàn)楹髠涠问峭ㄟ^延時(shí)實(shí)現(xiàn)選擇性，所以后備段5個(gè)狀態(tài)同時(shí)被激活。后備段第一級(jí)延時(shí)10秒，其狀態(tài)流控制圖如圖7所示。

在頻率仍低于恢復(fù)頻率49.8Hz的條件下動(dòng)作，control- r1=0，切除后備段第一級(jí)負(fù)荷。其他4個(gè)后備級(jí)的控制圖與第一后備級(jí)相似，只不過是延時(shí)時(shí)間不同。

2.5 ?單區(qū)域系統(tǒng)建模

由上節(jié)的各個(gè)模型的分析可知，建立單區(qū)域系統(tǒng)低頻減載仿真模型需要有四個(gè)環(huán)節(jié)，即單區(qū)域系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)，頻率測量環(huán)節(jié)，負(fù)荷模擬環(huán)節(jié)，低頻減載環(huán)節(jié)。將這些環(huán)節(jié)連接起來，就構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型。在整個(gè)系統(tǒng)的仿真模型中，為了簡潔明晰，對于單區(qū)域系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)、基本段負(fù)荷和后備段負(fù)荷均進(jìn)行封裝，分別標(biāo)識(shí)為Single Area Power System，Basic Load和Restore Load[8]。整個(gè)系統(tǒng)SIMULINK模型如圖8（a）、（b）所示。

2.6 ?仿真及分析

單擊仿真開始按鈕，開始仿真。在系統(tǒng)沒有提示出錯(cuò)的情況下，仿真出的結(jié)果如圖9所示[9]。圖中最上邊曲線是頻率變化曲線，接下來是基本段的動(dòng)作曲線，由于基本級(jí)10級(jí)較多，僅有第一、二、三基本級(jí)動(dòng)作，切除前三級(jí)模擬負(fù)荷，故在此不一并列出基本級(jí)的動(dòng)作曲線，僅列出發(fā)生動(dòng)作的第一、二、三基本級(jí)動(dòng)作曲線。下邊的五條曲線是后備級(jí)的5級(jí)動(dòng)作曲線圖。

由仿真結(jié)果圖可知，第一基本級(jí)動(dòng)作于0.26s，第二基本級(jí)動(dòng)作于0.3s，第三基本級(jí)動(dòng)作于0.66s，在第一、二基本級(jí)動(dòng)作后頻率下降有所減慢，但是不太明顯，但在第三基本級(jí)動(dòng)作后，頻率下降的趨勢已經(jīng)明顯有所改善。但是，頻率最終穩(wěn)定在48.98Hz附近，并且不再下降。因?yàn)榈谌炯?jí)啟動(dòng)頻率為49.1Hz，第四基本級(jí)的啟動(dòng)頻率為48.8Hz，所以，頻率降低的程度，不足以使第四基本級(jí)啟動(dòng)，而出現(xiàn)頻率懸浮現(xiàn)象。

因此，需要啟動(dòng)后備段以使頻率恢復(fù)到恢復(fù)頻率以上。由后備段的動(dòng)作曲線，可以明顯的看出，每一級(jí)動(dòng)作時(shí)，頻率都明顯的上升。因?yàn)?，后備段的各子?jí)之間延時(shí)時(shí)差較長，所以頻率的回升時(shí)間也較長。到最末一級(jí)后備級(jí)動(dòng)作后，才恢復(fù)到恢復(fù)頻率49.8Hz以上，最終頻率是穩(wěn)定在50Hz，減載效果還是比較滿意的。

2.7 ?互聯(lián)系統(tǒng)建模仿真及分析

與單區(qū)域系統(tǒng)類似，互聯(lián)系統(tǒng)的仿真結(jié)果如圖10所示。

3 ?建模仿真結(jié)果小結(jié)

由上面的建模仿真結(jié)果，可以分析得出單區(qū)域系統(tǒng)和互聯(lián)系統(tǒng)二者的不同之處。

3.1 ?頻率最低值

單機(jī)系統(tǒng)頻率最低值低至48.98Hz，而互聯(lián)系統(tǒng)中區(qū)域2頻率最低為49.1Hz，區(qū)域1頻率最低值為49.5Hz。由此說明，互聯(lián)系統(tǒng)對于負(fù)荷增量的抗干擾性更強(qiáng)。

3.2 ?低頻減載裝置的動(dòng)作敏捷性

基本段動(dòng)作敏捷性。單區(qū)域系統(tǒng)中，在0.66秒時(shí)，基本段動(dòng)作使得頻率有明顯改善?；ヂ?lián)系統(tǒng)中，在0.86秒時(shí)，區(qū)域2的頻率才有所回升。

后備段動(dòng)作敏捷性。單區(qū)域系統(tǒng)中，第一后備級(jí)啟動(dòng)是在6.7秒，最后一級(jí)在27.5秒;而在互聯(lián)系統(tǒng)中，第一后備級(jí)啟動(dòng)是在8.6秒，最后一級(jí)在29.34秒。單區(qū)域系統(tǒng)在28秒左右就已經(jīng)恢復(fù)到恢復(fù)頻率49.8Hz以上了，而互聯(lián)系統(tǒng)在35秒時(shí)才恢復(fù)到恢復(fù)頻率以上。由此可見，動(dòng)作敏捷性上，互聯(lián)系統(tǒng)沒有單區(qū)域系統(tǒng)反應(yīng)快。

以上表明，在抗干擾能力以及對于系統(tǒng)的安全運(yùn)行上，互聯(lián)系統(tǒng)明顯表現(xiàn)出優(yōu)勢，這也是如今大力發(fā)展大系統(tǒng)互聯(lián)的原因之一。但大系統(tǒng)的劣勢也不容忽視，例如：小區(qū)域的故障，如果處理不及時(shí)或處理不當(dāng)，會(huì)危及大系統(tǒng)的安全等等。在不久的將來，通過科學(xué)家的努力研究，會(huì)克服諸多問題的[10]。

4 ?結(jié) ?論

對于電力系統(tǒng)的仿真有多種軟件可以實(shí)現(xiàn)，而采用基于狀態(tài)流的MATLAB仿真，并不多見，有其創(chuàng)新性。另外，低頻減載過程仿真減載方案不僅僅以電力系統(tǒng)頻率為依據(jù)進(jìn)行減載，還將頻率變化率作為參數(shù)來實(shí)現(xiàn)減載的判斷，提高了減載的準(zhǔn)確性。通過仿真，可以看到這種方法的有效性和可利用性，對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的仿真提出了新的方法。

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作者簡介：胡潤閣（1989.12-），男，漢族，河南鄭州人，工程師，本科，研究方向：一次變電設(shè)備;李璐（1980.09-），男，漢族，河南鄭州人，高級(jí)工程師，本科，研究方向：一次變電設(shè)備的管理。