電網(wǎng)自動(dòng)減載監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

魏珍，周驥飛，翟曉磊

（1.天津市電力公司，天津 300010；2.天津市城東供電分公司，天津 300250）

現(xiàn)代電力系統(tǒng)主要特征是大容量機(jī)組、超高壓線路和大范圍的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，在提高了經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也削弱了電力系統(tǒng)在大擾動(dòng)下維持頻率穩(wěn)定性的能力，電力失衡可能性增大，導(dǎo)致“頻率崩潰”，進(jìn)而引起勵(lì)磁機(jī)、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，加劇系統(tǒng)無功不足，最終導(dǎo)致“電壓崩潰”，造成電網(wǎng)大面積癱瘓，后果影響嚴(yán)重。

“逐次逼近”式低頻減載方案是目前應(yīng)用最為普遍的一種方式。該方式預(yù)先估計(jì)出系統(tǒng)的功率缺額，并按照各輪的動(dòng)作頻率，在電力系統(tǒng)的分散節(jié)點(diǎn)上采取逐級(jí)整定切負(fù)荷措施，以達(dá)到穩(wěn)定系統(tǒng)頻率的目的。但其編制方法一般采用手工編制，具有響應(yīng)速度慢、編制工作量大、缺乏系統(tǒng)管理的缺點(diǎn)。

針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)的電網(wǎng)自動(dòng)低頻減載監(jiān)控管理系統(tǒng)，首次在天津市調(diào)和所有地調(diào)完成電力平衡在線評(píng)估、動(dòng)態(tài)監(jiān)視電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)、在線計(jì)算低頻減載方案；并通過方案執(zhí)行過程模擬，預(yù)測系統(tǒng)穩(wěn)定變化趨勢；同時(shí)完善各類統(tǒng)計(jì)報(bào)表，通過文字、圖形和報(bào)表等形式來表達(dá)和傳遞各種信息，提高了工作質(zhì)量和工作效率，實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)自動(dòng)減載監(jiān)控管理的系統(tǒng)化、條理化和高效化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要分為模型建立、方案管理、運(yùn)行監(jiān)視、報(bào)表管理、數(shù)據(jù)維護(hù)等幾大模塊。

1.1 電網(wǎng)統(tǒng)一模型建立

為了達(dá)到全網(wǎng)一體化管理，系統(tǒng)首次建立了天津全網(wǎng)范圍內(nèi)的電網(wǎng)統(tǒng)一模型，覆蓋天津地區(qū)管轄主網(wǎng)架和各地區(qū)調(diào)度所管轄的35 kV及以上電網(wǎng)。圖1為天津市兩級(jí)調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

圖1 兩級(jí)調(diào)度系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 The network topology of the two-level scheduling system

該系統(tǒng)模型具有以下特點(diǎn)：

1）建立自動(dòng)導(dǎo)圖對(duì)接功能，以市調(diào)以及各地調(diào)能量管理系統(tǒng)（Energy Management System，EMS）為導(dǎo)出模型，將公共信息模型（Common Information Model，CIM）及可縮放矢量圖形（Scalable Vector Graphics，SVG）文件作為數(shù)據(jù)載體，并與發(fā)電計(jì)劃系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接，將開關(guān)設(shè)備和發(fā)電機(jī)設(shè)備歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)導(dǎo)入到本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中。

2）數(shù)據(jù)對(duì)接部分采用一次性導(dǎo)入基本數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，間隔性刷新導(dǎo)入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的策略。針對(duì)不同數(shù)據(jù)字段、類型及數(shù)據(jù)殘缺，在對(duì)接時(shí)調(diào)整數(shù)據(jù)類型的同時(shí)，轉(zhuǎn)換補(bǔ)全殘缺的數(shù)據(jù)。

3）采用全網(wǎng)拓?fù)浞治龊凸こ探?jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方法，通過模擬電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過程的仿真計(jì)算，進(jìn)行自動(dòng)低頻減負(fù)荷裝置參數(shù)整定，對(duì)得到的參數(shù)進(jìn)行校核，進(jìn)而預(yù)制全網(wǎng)和局部小地區(qū)低頻減載控制策略。

1.2 自動(dòng)制定低頻減載方案

系統(tǒng)將依照電力系統(tǒng)自動(dòng)低頻減負(fù)荷技術(shù)規(guī)定及規(guī)則，通過界面選擇方式選定基本輪和特殊輪的輪數(shù)、起始頻率和頻率間隔，并通過負(fù)荷頻率變化計(jì)算，自動(dòng)生成低頻減負(fù)荷方案的相關(guān)數(shù)據(jù)，且能夠與華北網(wǎng)調(diào)低頻減載方案相對(duì)比。

當(dāng)系統(tǒng)頻率低于整定值時(shí)，系統(tǒng)開始采用傳統(tǒng)算法輸入整定頻率、輪次等信息，而后開始計(jì)算本輪切除負(fù)荷量，并將切除負(fù)荷后的系統(tǒng)頻率與第二步整定值相比較。若頻率繼續(xù)下降，且低于第二步整定值時(shí)，說明切負(fù)荷量不足，自動(dòng)重復(fù)上述步驟，直至頻率恢復(fù)。

電網(wǎng)中應(yīng)分別裝設(shè)基本段和后備段低頻減載裝置?；径螒?yīng)快速動(dòng)作，為了防止在系統(tǒng)振蕩或電壓急劇下降時(shí)誤動(dòng)作，一般可帶0.3～0.5 s的時(shí)限;基本段按頻率等距分級(jí)，每級(jí)切負(fù)荷量分別確定。后備段是為了防止基本段動(dòng)作后頻率滯留在某一不允許的水平上或防止頻率緩慢降低。后備段設(shè)置為經(jīng)一定延時(shí)動(dòng)作，一般采用15～25 s。

1.2.1 自動(dòng)低頻減載基本原理

依據(jù)低頻減載技術(shù)管理規(guī)定，采用恢復(fù)頻率算法，按照式（1）設(shè)計(jì)了系統(tǒng)流程，設(shè)定相關(guān)參量后，通過循環(huán)計(jì)算每段時(shí)間（默認(rèn)0.01 s）內(nèi)各輪次操作的相關(guān)數(shù)據(jù)，判斷出各輪次（包括基本輪和特殊輪）的動(dòng)作情況，做出相應(yīng)的處理，同時(shí)判斷是否滿足結(jié)束條件，自動(dòng)得出相應(yīng)結(jié)果。

其設(shè)計(jì)原理為：

當(dāng)試圖恢復(fù)系統(tǒng)頻率時(shí)，若想使第i-1級(jí)低頻減載裝置動(dòng)作后頻率穩(wěn)定在第i級(jí)的頻率定值fi上，則要求第i級(jí)低頻減載裝置動(dòng)作后可將頻率恢復(fù)至給定的恢復(fù)頻率fhf處，由此可計(jì)算出各級(jí)切除的負(fù)荷量PLi為

式中，ΔPLi為第i輪切除的負(fù)荷量，MW；fi為第i輪的啟動(dòng)頻率，Hz；fhf為要恢復(fù)到的頻率，這里采用系統(tǒng)的額定頻率，Hz；fe為額定頻率，Hz；KL為負(fù)荷的頻率調(diào)節(jié)系數(shù)。

由式（1）經(jīng)計(jì)算可得出系統(tǒng)負(fù)荷頻率曲線圖，如圖2所示。

1.2.2 自動(dòng)低頻減載方案實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)依據(jù)全網(wǎng)電力供需平衡、多種約束條件及經(jīng)濟(jì)調(diào)度的原則，通過對(duì)接EMS數(shù)據(jù)，一方面實(shí)時(shí)監(jiān)視電網(wǎng)動(dòng)態(tài)，并根據(jù)全網(wǎng)電力平衡趨勢和小地區(qū)負(fù)荷走勢，調(diào)整地區(qū)發(fā)電、聯(lián)絡(luò)線負(fù)荷及負(fù)荷缺額比例，驗(yàn)證全網(wǎng)和小地區(qū)穩(wěn)定時(shí)限和穩(wěn)定域，動(dòng)態(tài)分析控制策略，實(shí)現(xiàn)低頻減負(fù)荷方案的在線整定；另一方面，通過輸入繼電器延時(shí)和基本輪設(shè)定延時(shí)等數(shù)據(jù)，在指定負(fù)荷缺額情況下，自動(dòng)生成方案執(zhí)行過程模擬曲線并得出結(jié)論，同時(shí)通過文字、圖形和報(bào)表等形式傳遞各種信息，預(yù)測低頻減載裝置動(dòng)作過程，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)預(yù)測和評(píng)估電網(wǎng)穩(wěn)定趨勢。方案執(zhí)行過程模擬曲線如圖3所示。

圖2 負(fù)荷頻率曲線圖Fig.2 Load frequency curve

圖3 方案執(zhí)行過程模擬曲線Fig.3Simulationcurveoftheprogramperformanceprocess

該系統(tǒng)主要可實(shí)現(xiàn)以下功能：

1）根據(jù)電網(wǎng)的基本參數(shù)，利用穩(wěn)定頻率算法，通過獲取的全網(wǎng)負(fù)荷、地區(qū)發(fā)電、聯(lián)絡(luò)線負(fù)荷、系統(tǒng)周波數(shù)據(jù)，在有聯(lián)絡(luò)線或無聯(lián)絡(luò)線的情況下，通過輸入切除負(fù)荷數(shù)，精確計(jì)算穩(wěn)定頻率和整定負(fù)荷。

2）自動(dòng)制定低頻減負(fù)荷方案。選定好基本輪的輪數(shù)、頻率和頻率間隔，通過系統(tǒng)對(duì)負(fù)荷頻率計(jì)算，自動(dòng)生成低頻減負(fù)荷方案的數(shù)據(jù)。

3）模擬與網(wǎng)調(diào)低頻方案對(duì)比。自動(dòng)制定的低頻減負(fù)荷方案，通過選定對(duì)應(yīng)年份華北網(wǎng)調(diào)低頻減載方案，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)調(diào)低頻減載方案對(duì)比。

4）實(shí)時(shí)監(jiān)視電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，動(dòng)態(tài)調(diào)整方案，并完善各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表，通過文字、圖形和報(bào)表等來表達(dá)和傳遞各種信息。

1.3 報(bào)表管理設(shè)計(jì)

智能報(bào)表管理模塊主要由模板設(shè)計(jì)器、報(bào)表解析器和報(bào)表瀏覽器組成。通過對(duì)各地調(diào)數(shù)據(jù)集中進(jìn)行過濾和計(jì)算，使信息更加全面和細(xì)化。報(bào)表形式可分為上報(bào)匯總、實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、日?qǐng)?bào)、月報(bào)、年報(bào)和裝置匯總統(tǒng)計(jì)表，適用于不同工作需求，也縮短了數(shù)據(jù)顯示時(shí)間。

模板設(shè)計(jì)器為獨(dú)立的桌面版程序，按照?qǐng)?bào)表需求設(shè)計(jì)出報(bào)表模板，并將模板文件轉(zhuǎn)到報(bào)表服務(wù)器上。

報(bào)表解析器為解析程序，在服務(wù)器端運(yùn)行，用于加載報(bào)表模板、獲取報(bào)表數(shù)據(jù)、輸出靜態(tài)報(bào)表文件、報(bào)表緩存處理和設(shè)置報(bào)表顯示參數(shù)等。

報(bào)表瀏覽器是基于ActiveX WEB插件的瀏覽器界面，實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)頁中瀏覽和打印、并按照不同需求輸出報(bào)表。

2 系統(tǒng)應(yīng)用分析

本系統(tǒng)已于2011年在天津市電力公司和其所轄10個(gè)地區(qū)調(diào)度投入使用，實(shí)現(xiàn)了電力平衡方案自動(dòng)生成、在線整定、實(shí)時(shí)監(jiān)視、方案匯總以及方案的多樣化報(bào)表管理。運(yùn)行監(jiān)視功能可以查看天津地區(qū)市調(diào)以及地調(diào)電力平衡的各類曲線，有聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃、整體上下限、調(diào)整發(fā)電機(jī)的上下限、實(shí)際曲線、預(yù)測曲線、基點(diǎn)計(jì)劃等曲線以及指定時(shí)間的低頻低壓減負(fù)荷輪次明細(xì)表。圖4為電網(wǎng)運(yùn)行曲線監(jiān)視界面。

圖4 電網(wǎng)運(yùn)行曲線監(jiān)視Fig.4 Monitoring of the power grid operation curve

通過自動(dòng)獲取或人為設(shè)定全網(wǎng)負(fù)荷和地區(qū)發(fā)電負(fù)荷、系統(tǒng)周波和系統(tǒng)負(fù)荷頻率特性系數(shù)，并根據(jù)輸入的基本輪數(shù)、起始頻率以及頻率間隔，自動(dòng)計(jì)算并制定出天津電網(wǎng)低頻減負(fù)荷方案，同時(shí)與以往下發(fā)的方案進(jìn)行對(duì)比。圖5為電網(wǎng)在線低頻減載方案的制定。

圖5 電網(wǎng)在線低頻減載方案制定Fig.5 Making the program of the on-line UFLS scheme for the power grid

系統(tǒng)根據(jù)全網(wǎng)及各地調(diào)負(fù)荷增長趨勢和負(fù)荷特點(diǎn)，可合理的編制出全網(wǎng)年度低頻減載整定方案。

通過應(yīng)用系統(tǒng)達(dá)到了以下效果：

1）實(shí)現(xiàn)了對(duì)電力平衡曲線的實(shí)時(shí)監(jiān)視，及時(shí)掌握電力平衡信息、負(fù)荷變化趨勢及量化值。

2）首次搭建了4個(gè)電壓等級(jí)的兩級(jí)全網(wǎng)拓?fù)?，?shí)現(xiàn)兩級(jí)互聯(lián)電網(wǎng)一體化模型的建立，根據(jù)頻率穩(wěn)定算法及多種約束條件、經(jīng)濟(jì)調(diào)度的原則和全網(wǎng)或小地區(qū)負(fù)荷走勢，動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)電、聯(lián)絡(luò)線、負(fù)荷缺額比例，分析制定控制策略，自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)模擬過程曲線和穩(wěn)定結(jié)論。

3）首次實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)調(diào)度間方案自動(dòng)協(xié)調(diào)整定，以及全網(wǎng)和小地區(qū)低頻減負(fù)荷方案智能整定、報(bào)表綜合展示等。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)通過系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)和全網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立，智能地將全網(wǎng)運(yùn)行相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、分類、歸納、自動(dòng)計(jì)算、匯總及分析輸出，從而實(shí)現(xiàn)低頻減載方案在線整定、實(shí)施方案自動(dòng)匯總及運(yùn)行監(jiān)控等功能，通過易于操作、簡潔直觀的界面，提高了各項(xiàng)結(jié)論輸出的時(shí)效性、準(zhǔn)確性和可操作性，為確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要的技術(shù)支持。

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