基于實時仿真的穩控系統切負荷建模方法

陳勇

（云南電網有限責任公司電力科學研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

隨著電力系統安全穩定性和供電可靠性要求的提高，電力系統安全穩定控制系統（以下簡稱“穩控系統”）在全國各電網得到普遍應用，并成為電網日常運行不可或缺的重要組成部分。電力系統安全穩定控制系統規模龐大、裝置數量眾多，控制策略復雜多變，必須通過RTDS試驗系統進行動態仿真測試，以確保系統運行的可靠性[1-4]。

穩控系統在執行切負荷策略時，一般需要配置一個或多個切負荷執行站，實施對地區負荷的分級分輪切除，以確保切負荷量能夠最優化匹配到切負荷控制站計算的總切負荷容量。切負荷執行站一般需要采集本站多達16回110 kV/35 kV/10 kV負荷線路或主變低壓側分支，并具備對每條線路配置單獨的切除控制出口，因此系統接線規模極為龐大。

長期以來，在試驗室搭建穩控試驗系統時，由于實時仿真系統規模和試驗裝置配置數量的限制，對穩控系統中實際存在的大量切負荷執行站沒有配置或僅部分配置，系統的策略僅驗證到穩控系統的切負荷控制站，穩控控制策略的動作結果并沒有反饋回由實時仿真系統構建的一次系統中以形成真正的閉環測試，試驗結果的可信度不高；在某些網架比較薄弱的區域，為了考察穩控系統切負荷策略動作后系統的頻率和電壓是否能夠快速恢復到穩定水平，需要精確地模擬穩控系統切負荷執行站分級分輪切負荷的功能，實現切負荷的最優化控制，以驗證穩控系統控制策略的有效性；如果完全配置穩控系統的切負荷執行站，則仿真試驗系統將極為龐大和繁瑣，仿真試驗的效率不高[5-7]。

因此，針對現有穩控系統動態仿真試驗技術的不足，提供基于實時仿真系統的穩控系統切負荷建模方法以克服現有技術不足甚為必要。

1 系統結構

該系統包括如下結構：

1）模型建立單元，用于從電力仿真數據庫獲取預置運行方式下切負荷執行站中各個負荷的有功功率、無功功率和負荷輪次整定值，根據各個負荷的有功功率、無功功率和負荷輪次整定值建立切負荷執行站仿真模型；

2）切負荷計算單元，用于接收切負荷控制站發送的切除輪次，將負荷輪次整定值大于切除輪次、負荷輪次整定值為0或有功功率小于0的負荷設置為初始負荷；

3）初始計算單元，用于將各個初始負荷的有功功率相加得到初始負荷總有功功率，將各個初始負荷的無功功率相加得到初始負荷總無功功率。

4）綜合計算單元，用于根據初始負荷總有功功率和初始負荷總無功功率建立ZIP綜合負荷模型，通過ZIP綜合負荷模型的通用公式計算切負荷執行站仿真模型的并聯負荷實時有功功率和并聯負荷實時無功功率。

5）切負荷計算單元，具體用于接收切負荷控制站發送的初始符合，切除輪次之前，切負荷執行站仿真模型中的所有負荷皆為初始負荷，接收切負荷控制站發送的切除輪次之后，將負荷輪次整定值大于切除輪次、負荷輪次整定值為0或有功功率小于0的負荷設置為初始負荷，其余負荷為非初始負荷，將非初始負荷的有功功率和無功功率鎖定為0。

6）電力仿真數據庫包括：BPA電力系統數據庫和穩控系統裝置定值數據庫。

2 建模方法

基于實時仿真的穩控系統切負荷建模方法，首先從穩控系統和電網仿真數據庫中獲取負荷輪次整定值和可切負荷等數據，由切負荷輪次計算模塊、實時負荷容量計算模塊結合鎖存的穩控系統切負荷動作信號，將按輪次被切除的負荷從本站負荷中扣除，形成實時的本站初始負荷容量；最后通過計及頻率和電壓影響的綜合負荷計算模塊最終輸出本站并聯負荷實時的有功功率和無功功率。

電網仿真數據庫包括但不限于常用的仿真軟件電力系統數據等，其潮流計算結果包含了當前運行方式下各執行站負荷的有功功率和無功功率值，通過實時仿真軟件的滑塊元件（slider）將相應的數據輸入到對應的模型負荷變量名稱中。同樣地，根據各切負荷執行站裝置的實際整定值，將各站的負荷輪次整定值數據同樣以slider的形式輸入到模型對應的輸入變量中。

通過上述實時仿真系統的穩控系統切負荷建模方法所建立的仿真模型能夠在同一個實時仿真系統中多次重復地使用。如一個穩控系統存在A、B、C和D共4個切負荷執行站，那么就在這4個執行站對應的母線上建立4個同樣的模型，除了模型的變量名稱不同，其內部邏輯完全相同。各站的負荷輪次整定值數據和可切靜態負荷數據，依據實際存在的穩控系統分別配置，從而能獲取切負荷執行站的各自的并聯負荷輸出，實現同時模擬多個切負荷執行站功能的目的。

穩控系統的動作輸入，為了保證穩控系統動作時序的有效性，一般取自切負荷控制站的裝置動作信號輸出接點；有條件時，可以搭建穩控系統中任一切負荷執行站并與切負荷控制站通信，以其切負荷動作輸出接點作為實時仿真平臺的輸入接點，則時序模擬的準確度更高。實時仿真平臺通過開關量輸入板卡接收該動作信號，并通過觸發器鎖存，在切負荷動作期間保持被切除的負荷有功功率和無功功率始終為0；當且僅當手動復歸動作信號后，才將被切除的負荷功率值恢復到給定的初始值。

3 切負荷計算方法

穩控系統切負荷動作輪次，通過預先計算的方法，通過slider的形式輸入到切負荷模型的對應變量，記為sl_set，各負荷輪次定值記為sl_loadx(x為數值編號，范圍為0~16，以下同)。切負荷輪次計算模塊比較各負荷輪次與sl_set的大小，當sl_loadx=0(負荷不可被切除)或sl_loadx＆gt;sl_set，輸出允許統計本負荷的標志flg_lx，其邏輯表達式為：

初始負荷容量計算模塊，首先從上述的變量輸入中獲取原始的負荷有功功率Plx和無功功率Qlx，之后統計獲取的各負荷Plx是否滿足Plx＆gt;0，若Plx≤0，則認為其為上網機組，直接統計為初始負荷。結合切負荷輪次計算模塊輸出的flg_lx標志，決定各負荷是否被統計為初始負荷，各負荷初始有功功率Plsx和初始無功功率Qlsx可由以下邏輯表達式統計：

本站初始負荷計算的總邏輯圖如圖2所示，邏輯圖中的變量名稱如上定義。計算出各個負荷的初始值后，對其有功功率和無功功率分別求和，則得出最終的本站初始負荷容量P0和Q0。特別地，當穩控系統沒有發出切負荷動作命令時，flg_lx均滿足flg_lx!=0，所以此時的本站初始負荷就包含了本站的所有負荷。

圖1 基于實時仿真的穩控系統切負荷建模方法示意圖

圖2 初始負荷計算方法的邏輯示意圖

根據初始負荷容量計算模塊計算得到的初始負荷容量P0和Q0，建立起由恒阻抗負荷（Z）、恒電流負荷（I）和恒功率負荷（P）組成的ZIP綜合負荷模型，并考慮到頻率和電壓的影響，根據以下公式，就可以計算出本站并聯負荷實時的有功功率P和無功功率Q：

其中，V表示實際電壓，V0表示基準電壓，P0表示總的有功負荷，Q0表示總的無功負荷，P1、P2、P3分別表示恒阻抗、恒電流、恒功率有功負荷所占比例，Q1、Q2、Q3分別表示恒阻抗、恒電流、恒功率無功負荷所占比例，且有P1+P2+P3=1，Q1+Q2+Q3=1；

Δf表示頻率變化百分數，LDP表示頻率變化1%引起的有功變化百分數，LDQ表示頻率變化1%引起的無功變化百分數。

4 結束語

基于實時仿真的穩控系統切負荷建模方法，以電網仿真數據庫的負荷數據替代了穩控系統切負荷執行站的負荷采集數據域，以穩控系統的切負荷動作信號作為模型的動作時序基準，利用實時仿真系統的邏輯和算法處理，精確地計算出穩控系統動作前后各切負荷站點實時的負荷數值，并考慮了系統故障過程中頻率和暫態電壓變化的影響。該模型能夠精確模擬穩控系統切負荷執行站的分輪次切負荷功能，簡化了穩控實時仿真試驗系統的接線和配置，提高了仿真試驗的效率；同時，所形成的穩控系統切負荷模型使得穩控切負荷控制站與實時仿真系統形成閉環試驗系統，并從動作時序上保證系統控制策略執行的有效性，從而能夠獲得更加準確可信的測試結果。