基于暫態電壓擾動范圍判別的自適應低壓減載策略

劉巍，李曄，張保會，雷俊哲

(1.國網河南省電力公司電力科學研究院，鄭州市 450052；2.西安交通大學電氣工程學院，西安市 710049)

?

基于暫態電壓擾動范圍判別的自適應低壓減載策略

劉巍1，李曄2，張保會2，雷俊哲1

(1.國網河南省電力公司電力科學研究院，鄭州市 450052；2.西安交通大學電氣工程學院，西安市 710049)

傳統低壓減載方案僅根據本地電壓信息動作，未考慮全網暫態電壓響應特征。分析系統暫態電壓跌落與擾動范圍的關系，并基于負荷節點的電壓偏移量提出暫態電壓擾動范圍判別指標，將電壓擾動類型劃分為全網暫態電壓擾動和局部暫態電壓擾動。以該指標的判別結果為基礎，綜合考慮擾動后系統電壓與頻率的動態過程，構建基于暫態電壓擾動范圍判別的自適應低壓減載策略，該策略采用2套自適應減載方案分別應對全網暫態電壓擾動和局部暫態電壓擾動。對IEEE 39節點系統的仿真結果驗證了該策略在應對不同失穩場景時的有效性和優越性。

電壓穩定性；擾動范圍；切負荷；頻率動態；自適應控制

0 引 言

電壓是電力系統電能質量的重要指標之一[1]，電壓穩定性、頻率穩定性和功角穩定性被視為系統穩定性的三大方面[2-3]。目前，低壓減載(undervoltage load shedding，UVLS)已被廣泛用于防止電壓崩潰事故的發生，但傳統低壓減載方案僅根據本地電壓信息進行動作，一般設置有基本輪和特殊輪，當系統電壓低于每輪門檻值后經過一定延時切除固定比例的負荷，由于各繼電器間缺少信息交換，傳統低壓減載方案無法計及全網暫態電壓響應情況及電壓的時空分布特性，往往造成負荷的欠切或者過切，難以保障電力系統在發生嚴重故障時的暫態電壓穩定性[4-5]。另外，傳統低壓減載未考慮系統頻率響應，與低頻減載(underfrequency load shedding，UFLS)相互獨立，當電壓失穩時，由于負荷有功的急劇下降，導致頻率過高，造成發電機跳閘甚至引發大面積停電[6-8]。因此在考慮頻率動態響應的基礎上，設計一套能夠有效應對系統嚴重擾動的自適應低壓減載方案，具有重大的理論和實際意義。

目前，同步相量測量技術被認為是最先進且最精確的同步測量技術，它能夠實時地追蹤系統頻率和電壓等狀態量的變化情況[9]。同步相量測量單元(phasor measurement unit，PMU)的不斷發展，使得充分的信息交換成為可能，為自適應控制策略的實現提供了技術支撐[10-11]。文獻[12]討論了同步相量測量技術對于提高系統監測、保護和控制等方面的作用。文獻[13]利用同步相量測量裝置實現對電壓失穩問題的預測。文獻[14]分析了同步相量測量裝置在廣域測量系統(wide-area measurement system，WAMS)中的作用，提出了利用電壓跌落值ΔU和電壓穩定判別指標VQS分配切負荷量。文獻[15]提出了衡量電壓暫態失穩程度的L指標，并基于WAMS構建了自適應切負荷方案。文獻[16]綜合考慮了系統的頻率和電壓響應，并且提出利用頻率跌落值Δf和電壓穩定性判別指標VQS，根據潮流追蹤法分別計算負荷的有功切除量和無功切除量。

可以看出，學者們已經對自適應低壓減載進行了有益的探索，但是上述方案都需要獲得較多的系統響應信息以及網絡結構信息，并且往往是在全網進行切負荷操作，缺少對電壓時空分布特性和暫態電壓擾動范圍的考慮。

本文仿真分析了系統暫態電壓跌落與擾動范圍的關系，并基于負荷節點的電壓偏移量提出了暫態電壓擾動范圍判別指標，通過該指標將電壓擾動類型劃分為全網暫態電壓擾動和局部暫態電壓擾動。以該指標的判別結果為基礎，本文綜合考慮了擾動后系統電壓與頻率的動態過程，構建了基于暫態電壓擾動范圍判別的自適應低壓減載策略，該策略采用2套自適應減載方案來分別應對全網暫態電壓擾動問題和局部暫態電壓擾動問題。對IEEE 39 節點系統的仿真結果驗證了該策略在應對不同失穩場景時的有效性和優越性。

1 暫態電壓擾動范圍判別指標

當系統出現擾動時，負荷節點電壓下降。負荷節點電壓的跌落程度不僅受發電機勵磁調節器、系統無功充裕程度、網絡的拓撲結構以及負荷的電壓特性等因素的影響，還受到故障擾動地點的影響。相同的擾動量出現在系統的不同地點，造成的暫態電壓擾動范圍及電壓跌落程度也有所不同。

圖1為IEEE 39節點系統，考慮發電機調壓器和調速器，負荷采用70%電動機和30%恒阻抗并聯模型[17]，電動機考慮轉子電磁暫態，在PSASP上進行仿真。圖2和圖3為相同大小有功缺額分布在不同地點的暫態電壓偏移對比圖。

圖1 IEEE 39節點系統Fig.1 IEEE 39-bus system

圖2 負荷電壓偏移量(39母線)Fig.2 Voltage offset of load(39 bus)

圖3 負荷電壓偏移量(25母線)Fig.3 Voltage offset of load(25 bus)

圖2所設故障為39機脫落有功1 000 MW。系統的最大負荷電壓偏移量出現在39負荷母線，其暫態電壓在故障后0.2 s已跌落超過-0.2 pu，而此時的系統平均負荷電壓偏移量僅為-0.085 pu，最大負荷電壓偏移量超過平均負荷電壓偏移量的2倍。

圖3所設故障為30，32，33和38機分別脫落有功250 MW，總有功缺額也為1 000 MW。系統的最大負荷電壓偏移量出現在25負荷母線，其暫態電壓在故障后0.2 s內的跌落值為-0.039 pu，此時的系統平均負荷電壓偏移量為-0.030 pu，與最大負荷電壓偏移量相差不大。

對比圖2和3可知，相同有功缺額在系統的分布不同，暫態電壓擾動范圍也有所不同。有功缺額分布越集中，最大負荷電壓偏移量與平均負荷電壓量相差倍數越大，暫態電壓的擾動范圍越集中。

因此，本文通過比較最大負荷電壓偏移量與平均負荷電壓偏移量，將暫態電壓擾動劃分為局部暫態電壓擾動和全網暫態電壓擾動，并采用電壓跌落幅值按如下步驟判別暫態電壓擾動范圍。

(1)計算全網各負荷節點的電壓跌落幅值。

通過廣域測量系統計算電力系統在故障發生后0.2 s內各負荷節點的電壓跌落值：

ΔUj=Uj-Uj0，j=1,2,…,N

(1)

式中：j為負荷節點號；ΔUj為第j個負荷節點的電壓跌落值；Uj為故障后0.2 s時第j個負荷節點的電壓；Uj0為故障前第j個負荷節點的電壓；N為負荷節點總數。

(2)按照電壓跌落幅值大小對各負荷節點進行排序，使得：

(2)

注意：對負荷節點排序時，不考慮負荷電壓升高即ΔUj為正數的節點。

(3)計算負荷節點的平均電壓偏移量ΔUav：

(3)

(4)判別暫態電壓擾動范圍。

若最大負荷電壓偏移量小于平均負荷電壓偏移量的2倍即滿足式(4)，則判斷該擾動為全網暫態電壓擾動，即

ΔUmax<2ΔUav

(4)

若最大負荷電壓偏移量大于或等于平均負荷電壓偏移量的2倍即滿足式(5)，則判斷該擾動為局部暫態電壓擾動，即

ΔUmax≥2ΔUav

(5)

2 基于暫態電壓擾動范圍判別的自適應低壓減載新策略

2.1 有功缺額獲取

系統發生嚴重擾動出現有功不平衡量時，可通過廣域測量系統追蹤全網各機組的頻率動態變化過程，從而按式(6)根據各機組的頻率變化率計算系統的有功缺額大小，即

(6)

式中：i為發電機組號；N0為發電機總數；ΔPi為第i臺發電機有功缺額；Ti為第i臺發電機的慣性時間常數；Si為第i臺發電機額定容量；fn為額定頻率50 Hz；dfi/dt為通過廣域測量系統獲得的第i臺發電機在故障后0.2 s時的頻率變化率；fc為系統等效慣性中心頻率。

2.2 切負荷量分配

當系統發生負荷電壓跌落時，先按照暫態電壓擾動范圍判別指標確定暫態電壓擾動的范圍，若擾動類型為全網暫態電壓擾動，則采用全網切負荷控制方案，若擾動類型為局部暫態電壓擾動，則采用局部切負荷控制方案。

(1)全網切負荷方案：在所有負荷節點進行切負荷操作，各負荷節點的切負荷量按照其電壓跌落幅值大小根據式(7)和(8)進行分配，即：

(7)

ΔPj=wjΔP,j=1,2,…,N

(8)

式中：wj為第j個切負荷節點的電壓偏移量占所有負荷節點電壓偏移量總和的比例即切負荷分配比例；ΔPj為第j個切負荷節點的切負荷量；ΔP為由式(6)求得的全網有功缺額。

(2)局部切負荷方案：從電壓跌落最嚴重的負荷節點即|ΔUj|最大的節點開始進行切負荷操作，直到所切除負荷量與有功缺額總量相等，即

(9)

式中M為進行切負荷節點的個數。

具體的方案流程圖如圖4所示。

3 仿真結果分析

本文仿真分析了在全網電壓擾動和局部電壓擾動下新策略的低壓減載效果，仿真結果驗證了新方案相較于傳統低壓減載方案在應對不同失穩場景時的有效性和優越性。

3.1 失穩場景一：局部電壓失穩

0.5 s時IEEE 39節點系統31號機跳閘，同時14-4與11-6這2條線路跳開，通過各機組頻率響應可測得系統故障后0.2 s時的有功缺額為520.22 MW。

圖4 自適應低壓減載方案流程圖Fig.4 Adaptive scheme of UVLS

如圖5所示，該故障將造成負荷節點電壓失穩，并且不同母線的電壓跌落速度、電壓偏移幅度相差較大。圖6為各機組頻率響應曲線，由于感應電動機堵轉，使得負荷的有功功率急劇下降，導致除39機外的機組頻率在跌落約0.1 Hz后又迅速上升至51 Hz。另外，由于出現了功角失穩(39號機組失步)，使得頻率和電壓在失穩過程中發生振蕩。

圖5 負荷電壓響應Fig.5 Voltage responses of loads

圖7～9為本文的自適應低壓減載方案與傳統低壓減載方案的效果對比圖。傳統低壓減載方案定義如表1所示，共設5個基本輪和1個特殊輪，總切負荷率可達45%。在此故障擾動下，傳統方案將切除1 215.90 MW。而對于本文的自適應低壓減載方案，由于故障后0.2 s系統最大負荷電壓偏移量為-0.17 pu(31母線)，而系統平均負荷電壓偏移量為-0.05 pu，滿足式(5)，因此采用局部切負荷方案：依次切除31母線負荷、7母線負荷以及55.45%的4母線負荷，共520.22 MW。此方案比傳統方案少切除695.68 MW。

圖6 機組頻率響應Fig.6 Frequency responses of generators

圖7 減載后負荷平均電壓Fig.7 Average voltage of load after UVLS

圖8 減載后31母線電壓Fig.8 Bus-31 voltage after UVLS

圖9 減載后機組慣性中心頻率Fig.9 Frequency of inertia center after UVLS

表1 傳統低壓減載方案

Table 1 Conventional UVLS schemes

從圖7可以看出，雖然傳統方案切除負荷更多，但是由于各處低壓減載裝置需要逐輪動作，負荷的切除時間晚，使得負荷電壓恢復較慢，恢復后的穩態值過低。由圖8可以看出，利用傳統方案系統依然發生局部電壓失穩，其中31母線電壓將低于0.6 pu，且由于電壓失穩使得負荷有功功率降低，最終導致頻率升至50.8 Hz(如圖9所示)。利用本文的自適應低壓減載方案，在局部減載后使得系統平均電壓迅速恢復至額定值，最低電壓(31母線電壓)也恢復至接近0.9 pu，并且頻率偏差不超過±0.1 Hz，減載效果明顯優于傳統低壓減載方案。

3.2 失穩場景二：全網電壓失穩

0.5 s時IEEE 39節點系統30，32和38機組相繼跳閘，根據其余機組的頻率響應可測得系統故障后0.2 s時的有功缺額為1 730 MW。如圖10所示，系統將發生大面積電壓失穩，振蕩劇烈，并且不同負荷母線的電壓跌落速度、電壓偏移幅度相差很小。圖11為各機組頻率響應曲線，39機組與其他機組失步，并且除39機外的其余機組在故障后約0.4 s頻率均跌至49.7 Hz以下，而后由于感應電動機堵轉，使得機組頻率超出51 Hz。

圖12為本文的自適應低壓減載方案與傳統低壓減載方案的效果對比圖。傳統低壓減載方案定義如表1所示，在此故障擾動下，傳統方案將切除1 978.92 MW。對于本文的自適應減載方案，由于故障后0.2 s系統最大負荷電壓偏移量為-0.13 pu(28母線)，而系統平均負荷電壓偏移量為-0.10 pu，滿足式(4)，因此采用全網切負荷方案，在所有負荷節點按照電壓跌落幅度進行切負荷量的分配，共切除負荷1 730 MW，比傳統方案少切除248.92 MW。

從圖12可以看出，傳統低壓減載方案在減載后仍發生大面積電壓崩潰，并由于機組的失步出現嚴重振蕩；利用本文的自適應方案進行減載后，負荷平均電壓可以在故障后1 s內迅速恢復至額定值以上，且電壓在恢復過程中振蕩幅度小，在故障后5 s時負荷電壓基本達到新的穩定狀態。

圖10 負荷電壓響應Fig.10 Voltage response of loads

圖11 機組頻率響應Fig.11 Frequency responses of generators

圖12 減載后負荷平均電壓Fig.12 Average voltage of load after UVLS

4 結 論

相同擾動量出現在系統的不同地點，造成的暫態電壓擾動范圍有所不同。擾動越集中，系統中不同負荷母線的暫態電壓跌落程度相差越大；擾動越分散，不同負荷母線的暫態電壓跌落程度相差越小?；诖?，本文通過比較最大負荷電壓偏移量與系統平均負荷電壓偏移量，提出了暫態電壓擾動范圍判別指標，將暫態電壓擾動類型劃分為全網暫態電壓擾動和局部暫態電壓擾動。

以暫態電壓擾動范圍判別指標的判別結果為基礎，本文綜合考慮了擾動后系統電壓與頻率的動態過程，構建了基于暫態電壓擾動范圍判別的自適應低壓減載策略，該策略采用2套自適應減載方案來分別應對全網暫態電壓擾動問題和局部暫態電壓擾動問題。相較于傳統的逐輪次低壓減載方案，本方案具有動作迅速、切負荷量小等優點，并且能使系統具有更優的動態恢復過程和穩態恢復指標，能有效地保障電力系統在大擾動后的暫態電壓的穩定性，同時也有利于減小擾動過程中系統頻率的偏移量。

[1]孫華東，湯涌，馬世英.電力系統穩定的定義與分類評述[J].電網技術，2006，30(17)：31-35.Sun Huadong，Tang Yong，Ma Shiying.A commentary on definition and classification of power system stability[J].Power System Technology，2006，30(17)：31-35.

[2]薛禹勝.時空協調的大停電防御框架：(三)各道防線內部的優化和不同防線之間的協調[J].電力系統自動化，2006，30(3)：1-10,106.Xue Yusheng.Space-time cooperative framework for defending blackouts: Part Ⅲ optimization and coordination of defense-lines[J].Automation of Electric Power Systems, 2006, 30(3): 1-10,106.

[3]Sigrist L，Egido I，Rouco L.Frequency stability boundary of small isolated power systems[J].Electric and Electronics Engineers，2010：229-233.

[4]馬世英，易俊，孫華東，等.電力系統低壓減載配置原則及方案[J].電力系統自動化，2009，33(5)：45-49.Ma Shiying,Yi Jun,Sun Huadong, et al.Study on configuration of under-voltage load shedding in power systems[J].Automation of Electric Power Systems,2009,33(5):45-49.

[5]邢國華，喬衛東.低壓減載方案研究綜述[J].華東電力，2005，33(12)：23-26.Xing Guohua, Qiao Weidong.Study of undervoltage load shedding schemes[J].East China Electric Power,2005,33(12):23-26.

[6]薛禹勝，任先成，WU Q H，等.關于低頻低壓切負荷決策優化協調的的評述[J].電力系統自動化，2009，33(9)：100-107.Xue Yusheng，Ren Xiancheng，WU Q H，et al.A review on optimization and coordination of under frequency/voltage load shedding[J].Automation of Electric Power Systems, 2009，33(9)：100-107.

[7]陳樹勇，朱琳，丁劍，等.風電場并網對孤網高頻切機的影響研究[J].電網技術，2012，36(1)：58-64.Chen Shuyong, Zhu Lin, Ding Jian, et al.Impact of grid-connected wind farms on high frequency generator tripping in isolated power grid[J].Power System Technology,2012,36(1):58-64.

[8]王一振，馬世英，王青，等.電力系統孤網高頻問題研究現狀和發展趨勢[J].電網技術，2012，36(12)：165-169.Wang Yizhen, Ma Shiying, Wang Qing, et al.Present status and developing trend of research on over frequency in isolated power grid[J].Power System Technology,2012,36(12):165-169.

[9]Novosel D，Madani V，Bhargava B，et al.Dawn of the grid synchronization：Benefits，practical applications，and deployment strategies for wide area monitoring，protection，and control[J].IEEE Power Energy Magazine，2008，6(1)：49-60.

[10]Cai J Y，Huang Zhenyu，Hauer J，et al.Current status and experience of WAMS implementation in North America [C]//Transmission and Distribution Conference and Exhibition，2005：1-7.

[11]Xie Xiaorong，Xin Yaozhong，Xiao Jinyu，et al.WAMS applications in Chinese power systems[J].IEEE Power Energy Magazine，2006，6(1)：54-63.

[12]De La Ree Jaime，Centeno V，Thorp J S，et al.Synchronized.Phasor measurement applications in power systems[J].IEEE Transactions on Smart Grid，2010，1(1)：20-27.

[13]Glavic M，Van Cutsem T.Wide-area detection of voltage instability from synchronized phasor measurements[J].IEEE Transactions on Power Systems，2009，24(3)：1408-1416.

[14]Prasetijo D，Lachs W R，Sutanto D.A new load shedding scheme for limiting underfrequency[J].IEEE Transactions on Power Systems，1994，9(3)：1371-1378.

[15]Seethalekshmi K，Singh S N，Srivastava S C.WAMS assisted frequency and voltage stability based adaptive load shedding[J].IEEE Power and Energy Society General Meeting.IEEE，2009：1-8.

[16]Tang Junjie，Liu Junqi，Ferdinanda Ponci，et al.Adaptive load shedding based on combined frequency and voltage stability assessment using synchrophasor measurements[J].IEEE Transactions on Power Systems，2013，28(2)：2035-2047.

[17]Aboul-Seoud T，Jatskevich J.Dynamic modeling of induction motor loads for transient voltage stability studies[C]//Electric Power Conference.Canada：IEEE，2008：1-5.

(編輯：張媛媛)

Adaptive Undervoltage Load Shedding Strategy Based on Disturbance Scale Discrimination of Transient Voltage

LIU Wei1, LI Ye2, ZHANG Baohui2, LEI Junzhe1

(1.State Grid Henan Electric Power Research, Zhengzhou 450052, China;2.School of Electrical Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China)

Conventional undervoltage load shedding(UVLS) scheme only focuses on local voltages without considering the response characteristics of transient voltage in whole gird.This paper analyzed the relationship between transient voltage drops and disturbance scale, proposed discriminant index for the disturbance scale of transient voltages based on the offset of voltage drops, and divided the transient voltage disturbance into two categories: the whole-grid transient voltage disturbance and the partial-region transient voltage disturbance.On the basis of the discriminant index results, an adaptive UVLS strategy based on the disturbance scale discrimination of transient voltages was constructed, with consideration on the dynamic process of voltage and frequency after the disturbance, which could solve the whole-grid transient voltage disturbance and the partial-grid transient voltage disturbance respectively with two adaptive load shedding schemes.Finally, the effectiveness and superiority of this strategy in different instability scenarios were verified by the simulation on the IEEE 39-bus system.

voltage stability; disturbance scale; load shedding; dynamic frequency; adaptive control

TM 712

A

1000-7229(2015)03-0065-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.03.011

2014-10-14

2014-11-06

劉巍(1977)，女，高級工程師，碩士，主要從事電力系統安全穩定控制和電力系統風險管理等方面研究工作；

李曄(1990)，男，碩士研究生，本文通訊作者，主要研究方向為電力系統電壓穩定性控制；

張保會(1953)，男，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統繼電保護，安全穩定控制和電力系統通信等；

雷俊哲(1984)，男，工程師，碩士，主要從事電力系統安全穩定控制和電力系統風險管理等方面的研究工作。