基于PMU的忻州電網(wǎng)負荷頻率響應(yīng)特性研究

摘 要：電力系統(tǒng)在發(fā)生頻率波動時的調(diào)節(jié)性能可通過電力系統(tǒng)的負荷頻率響應(yīng)特性反應(yīng)出來，是維持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)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(shù)對忻州電網(wǎng)的負荷頻率響應(yīng)特性進行了研究。

關(guān)鍵詞：同步相量測量（PMU） 負荷頻率響應(yīng)特性 電力系統(tǒng)

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

電力系統(tǒng)頻率是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，它反應(yīng)了電力系統(tǒng)中有功功率的供需平衡情況，在穩(wěn)態(tài)條件下，電力系統(tǒng)的頻率是一個全系統(tǒng)一致的運行參數(shù)。當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)有功缺失時，就會直接導(dǎo)致系統(tǒng)頻率的下降，特別是復(fù)雜的電力系統(tǒng)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(tǒng)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(qū)頻率變化不相同。

現(xiàn)在對單機系統(tǒng)頻率在動態(tài)過程中的行為的研究比較深入，但對于復(fù)雜系統(tǒng)的研究公開發(fā)表研究成果的不多見，一般復(fù)雜系統(tǒng)也采用簡單系統(tǒng)模型來分析負荷頻率響應(yīng)過程與實際系統(tǒng)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(wǎng)各關(guān)鍵節(jié)點的電壓、電流相量要同時進行，用來測量電力系統(tǒng)在暫態(tài)過程中各節(jié)點的電壓向量、整個電力系統(tǒng)的負荷頻率響應(yīng)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(tǒng)的負荷頻率特性。

1 負荷頻率響應(yīng)特性

電力系統(tǒng)的負荷頻率從響應(yīng)特性KL表示電網(wǎng)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(tǒng)的組成和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。

當(dāng)系統(tǒng)的頻率發(fā)生變化時，整個系統(tǒng)的有功負荷也要隨之發(fā)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(tǒng)負荷功率為PLe（圖中a點），當(dāng)頻率下降到fb時，系統(tǒng)的負荷功率由下降到PLb（圖中b點）。如果系統(tǒng)的頻率升高，負荷功率將增大，也就是說，系統(tǒng)負荷會在系統(tǒng)內(nèi)機組的輸入功率和負荷失去平衡時，參與到調(diào)節(jié)作用，它的特性有利于系統(tǒng)中有功功率在另一頻率值下重新平衡。這種現(xiàn)象稱為負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)。通常用KL*來衡量調(diào)節(jié)效應(yīng)的大小。稱為負荷的頻率調(diào)節(jié)效應(yīng)系數(shù)（或稱為負荷的單位調(diào)節(jié)功率）。

2 相量測量單元（PMU）

電力系統(tǒng)在實際運行中，每隔4 s都會將SCADA量測數(shù)據(jù)記錄一次，如果只利用SCADA量測數(shù)據(jù)進行狀態(tài)估計，那么系統(tǒng)要想對狀態(tài)估計，就要每隔4 s才能進行一次，就無法得到準(zhǔn)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(shù)據(jù)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(wǎng)各關(guān)鍵節(jié)點的電壓電流相量，這些同步相量數(shù)據(jù)不需要如同原始波形的采集密度就可對電網(wǎng)的動態(tài)運行狀態(tài)進行實時精準(zhǔn)的狀態(tài)預(yù)測，可用來測量電力系統(tǒng)在暫態(tài)過程中各節(jié)點的電壓向量，已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的動態(tài)監(jiān)測，并逐步與SCADA/EMS系統(tǒng)及安全自動控制系統(tǒng)相結(jié)合，以加強對電力系統(tǒng)動態(tài)安全穩(wěn)定的監(jiān)控，是保障電網(wǎng)安全運行的重要設(shè)備。

PMU子站系統(tǒng)上傳數(shù)據(jù)有：發(fā)電機功角、內(nèi)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(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

3 PUM的測量方法

同步相量測量是采用標(biāo)準(zhǔn)的時間信號作為測量參考，通過對采樣數(shù)據(jù)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(xiàn)對電網(wǎng)母線電壓和線路電流相量的同步測量，通過通信系統(tǒng)傳送到電網(wǎng)的控制中心或保護、控制器中，用于實現(xiàn)全網(wǎng)運行監(jiān)測控制或?qū)崿F(xiàn)區(qū)域保護和控制。

4 基于PMU的忻州電網(wǎng)負荷頻率響應(yīng)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(shù)據(jù)說明分析計算過程。

系統(tǒng)負荷吸收的有功功率與系統(tǒng)頻率的關(guān)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(tài)頻率特性曲線近似為直線。通過對系統(tǒng)不同功率缺額情形進行測試，求得相應(yīng)的系統(tǒng)頻率穩(wěn)態(tài)頻率值，就可得到負荷靜態(tài)特性曲線的一組數(shù)據(jù)點。用最小二乘法擬合直線，該直線的斜率即為電網(wǎng)的負荷頻率調(diào)節(jié)系數(shù)。

通過對3個變電站2周時間的監(jiān)測，系統(tǒng)的負荷頻率響應(yīng)系數(shù)為1.6～1.8之間。由于測量期間系統(tǒng)的運行方式變化不大，故測得的數(shù)據(jù)可能無法反映全年的數(shù)據(jù)，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(yōu)切負荷調(diào)節(jié)策略，取其均值1.73，即1Hz對應(yīng)系統(tǒng)負荷變化3.46%。

參考文獻

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