基于PMU的忻州電網負荷頻率響應特性研究

摘 要：電力系統在發生頻率波動時的調節性能可通過電力系統的負荷頻率響應特性反應出來，是維持電力系統頻率穩定的一大性能，由于其波動性大較難測量。該文采用基于同步相量測量裝置（PMU）的測量技術對忻州電網的負荷頻率響應特性進行了研究。

關鍵詞：同步相量測量（PMU） 負荷頻率響應特性 電力系統

中圖分類號：TM7 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（b）-0030-01

電力系統頻率是電能質量的重要指標之一，它反應了電力系統中有功功率的供需平衡情況，在穩態條件下，電力系統的頻率是一個全系統一致的運行參數。當電力系統出現有功缺失時，就會直接導致系統頻率的下降，特別是復雜的電力系統在受到大干擾（例如突然切機、跳閘或突然投入沖擊負荷）后，電力系統的負荷頻率將具有很強的時空分布特性：頻率不僅隨時間變化，而且各區頻率變化不相同。

現在對單機系統頻率在動態過程中的行為的研究比較深入，但對于復雜系統的研究公開發表研究成果的不多見，一般復雜系統也采用簡單系統模型來分析負荷頻率響應過程與實際系統的情況有很大的差異，特別是開始十幾秒的過程相差甚遠。為了解決這一問題，該文基于GPS同步時鐘的相量測量裝置（Phasor Measurement Unit，PMU），在采集電網各關鍵節點的電壓、電流相量要同時進行，用來測量電力系統在暫態過程中各節點的電壓向量、整個電力系統的負荷頻率響應特性、各負荷點的實時頻率信息，高效的利用這些信息可以實時分析系統的負荷頻率特性。

1 負荷頻率響應特性

電力系統的負荷頻率從響應特性KL表示電網負荷所吸收的有功功率隨頻率下降而減少的量，一般與電力系統的組成和電網結構有關。

當系統的頻率發生變化時，整個系統的有功負荷也要隨之發生變化，即PL=F（f）。這種有功負荷隨著頻率變化的特性叫做負荷的功率-頻率特性。負荷的功率-頻率特性一般表達式為：

由圖可知，在額定頻率fe時系統負荷功率為PLe（圖中a點），當頻率下降到fb時，系統的負荷功率由下降到PLb（圖中b點）。如果系統的頻率升高，負荷功率將增大，也就是說，系統負荷會在系統內機組的輸入功率和負荷失去平衡時，參與到調節作用，它的特性有利于系統中有功功率在另一頻率值下重新平衡。這種現象稱為負荷的頻率調節效應。通常用KL*來衡量調節效應的大小。稱為負荷的頻率調節效應系數（或稱為負荷的單位調節功率）。

2 相量測量單元（PMU）

電力系統在實際運行中，每隔4 s都會將SCADA量測數據記錄一次，如果只利用SCADA量測數據進行狀態估計，那么系統要想對狀態估計，就要每隔4 s才能進行一次，就無法得到準確的精度。通過基于GPS同步時鐘的相量測量裝置（Phase Measurement Unit，PMU），測量數據速度比較快，大約每40 ms傳送一次，且對時誤差不超過1 μs，頻率測量誤差不超過0.01 Hz，相量測量幅度誤差不超過0.2%。

PMU采集電網各關鍵節點的電壓電流相量，這些同步相量數據不需要如同原始波形的采集密度就可對電網的動態運行狀態進行實時精準的狀態預測，可用來測量電力系統在暫態過程中各節點的電壓向量，已被廣泛應用于電力系統的動態監測，并逐步與SCADA/EMS系統及安全自動控制系統相結合，以加強對電力系統動態安全穩定的監控，是保障電網安全運行的重要設備。

PMU子站系統上傳數據有：發電機功角、內電勢、機端三相基波電壓相量、機端基波正序電壓相量、機端三相基波電流相量、機端基波正序電流相量、有功功率、無功功率、勵磁電流、勵磁電壓、轉子轉速。

3 PUM的測量方法

同步相量測量是采用標準的時間信號作為測量參考，通過對采樣數據進行計算得出的相量。

同步相量測量的基本原理如下：利用高精度同步時鐘實現對電網母線電壓和線路電流相量的同步測量，通過通信系統傳送到電網的控制中心或保護、控制器中，用于實現全網運行監測控制或實現區域保護和控制。

4 基于PMU的忻州電網負荷頻率響應特性

該文采用在線測量離線分析的方式，選取500 kV忻州站、110 kV東寨站、220 kV原平站進行了一段時間的測試分析，選取其中某次量測數據說明分析計算過程。

系統負荷吸收的有功功率與系統頻率的關系一般為非線性曲線，在頻率變化范圍為45～50 Hz時，負荷的靜態頻率特性曲線近似為直線。通過對系統不同功率缺額情形進行測試，求得相應的系統頻率穩態頻率值，就可得到負荷靜態特性曲線的一組數據點。用最小二乘法擬合直線，該直線的斜率即為電網的負荷頻率調節系數。

通過對3個變電站2周時間的監測，系統的負荷頻率響應系數為1.6～1.8之間。由于測量期間系統的運行方式變化不大，故測得的數據可能無法反映全年的數據，如條件允許，若能采用在線測量的方式，將可以獲得更好的最優切負荷調節策略，取其均值1.73，即1Hz對應系統負荷變化3.46%。

參考文獻

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