大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)實切試驗技術(shù)

劉華偉， 李虎成， 袁宇波，張小易

( 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

·專論與綜述·

大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)實切試驗技術(shù)

劉華偉， 李虎成， 袁宇波，張小易

( 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103)

簡要介紹了大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)實切試驗，提出了基于預(yù)置指令下發(fā)模式的策略驗證技術(shù)，基于全局GPS時鐘同步的實切試驗控制指令傳輸時間測試技術(shù)，以及基于過零點檢測和濾波算法的頻率分析技術(shù)，實現(xiàn)了對系統(tǒng)控制時間、動態(tài)頻率的準(zhǔn)確測量。試驗結(jié)果表明，實切試驗的快速切負荷響應(yīng)時間和直流閉鎖故障瞬間電網(wǎng)頻率變化滿足要求，有效驗證了大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)的功能設(shè)計的可行性。

源網(wǎng)荷； 實切試驗； 時間測試； 頻率分析

0 引言

特高壓電網(wǎng)入蘇及可再生清潔能源的大規(guī)模消納正在改變江蘇電網(wǎng)的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，電網(wǎng)運行特性也隨之發(fā)生根本性改變，逐步形成一個大受端電網(wǎng)。隨著區(qū)域電網(wǎng)中的發(fā)電機等效慣性及穩(wěn)定調(diào)節(jié)能力減弱，面臨多直流雙極閉鎖或換向失敗導(dǎo)致的頻率、功角、電壓等穩(wěn)定問題[1-8]。

1 實切試驗概況

2015年9月19日21：58：03，位于江蘇落點的特高壓錦蘇直流故障，損失功率4900 MW(直流逆變側(cè))，故障后，系統(tǒng)頻率快速跌落，經(jīng)過12 s(21:58:15)后頻率達到最低值49.563 Hz，頻率曲線如圖1所示。

圖1 09-19錦蘇直流閉鎖時電網(wǎng)頻率曲線Fig.1 Frequency curve of “09-19” Jin-Su DC blocking fault

應(yīng)對大電網(wǎng)風(fēng)險和平抑清潔能源波動的傳統(tǒng)方式是以可控的電源適應(yīng)不可控的負荷，在電源調(diào)整不能適應(yīng)負荷變化的情況下，則采用粗放的方式，比如拉路、限電等，調(diào)整負荷以實現(xiàn)電源與負荷的平衡[7-12]。2016年，國內(nèi)首套“大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)”(以下簡稱源網(wǎng)荷系統(tǒng))在江蘇順利投入試運行，為大電網(wǎng)安全解決方案提供了新方式。主要是將分散的海量可中斷負荷集中起來進行精準(zhǔn)實時控制，從調(diào)控電源轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)控負荷，實現(xiàn)電網(wǎng)與電源、負荷友好互動，保障電力供需平衡[1,2]。源網(wǎng)荷系統(tǒng)是應(yīng)對大受端電網(wǎng)故障時快速而有效的切負荷手段，在預(yù)防電網(wǎng)頻率波動造成的大面積停電、潮流越限等方面可以發(fā)揮更多積極作用，是一種負荷調(diào)控應(yīng)用創(chuàng)新。通過開展系統(tǒng)實切試驗，可更逼真地驗證系統(tǒng)的設(shè)計功能和切負荷快速性等效果。

為實際驗證華東電網(wǎng)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的整體功能及應(yīng)對電網(wǎng)大功率缺額緊急故障下的頻率控制效果，江蘇源網(wǎng)荷系統(tǒng)的系統(tǒng)保護快速切負荷功能作為組成部分配合華東頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進行聯(lián)動，于2017年5月24日參與錦蘇特高壓直流閉鎖系統(tǒng)沖擊試驗，并進行實切負荷功能驗證。

1.1 實切試驗?zāi)康?/h3>

配合華東電網(wǎng)頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的整體功能試驗，驗證源網(wǎng)荷系統(tǒng)的控制策略和執(zhí)行效果是否滿足華東電網(wǎng)特高壓直流雙極閉鎖等嚴(yán)重故障時的電網(wǎng)應(yīng)急處置要求。

(1) 驗證源網(wǎng)荷系統(tǒng)接收華東頻率緊急協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)指令后負荷切除與恢復(fù)控制策略，以及執(zhí)行效果的正確性；

(2) 測試源網(wǎng)荷系統(tǒng)通過2M專線和無線4G專網(wǎng)實切負荷的整組動作響應(yīng)時間；

(3) 優(yōu)化各分系統(tǒng)間的配合策略，提高系統(tǒng)的整體運行性能。

1.2 實切試驗內(nèi)容

源網(wǎng)荷系統(tǒng)實切試驗是在特高壓錦蘇直流閉鎖，產(chǎn)生系統(tǒng)沖擊的緊急情況下，接收華東頻率協(xié)控系統(tǒng)控制指令，完成可中斷負荷的快速切除，以驗證系統(tǒng)指令執(zhí)行、控制策略、終端動作和負荷恢復(fù)的正確性，并針對不同接入類型的用戶(2M專線和無線4G)，進行整組切除時間測試。

整體功能實切試驗前對調(diào)度主站、木瀆中心站、木瀆子站、太倉子站、玉山子站、吳江子站和網(wǎng)荷互動終端之間的通道狀態(tài)、所有裝置和網(wǎng)荷互動終端的壓板狀態(tài)和裝置定值進行檢查，在正常運行狀態(tài)下開展整體功能實切試驗。

根據(jù)華東協(xié)控總站下發(fā)的切負荷容量和木瀆中心站各層級可切負荷容量確定控制策略；根據(jù)子站和網(wǎng)荷互動終端動作情況檢查實切負荷策略及網(wǎng)荷互動終端響應(yīng)的正確性；根據(jù)各子站上送的實切負荷前后及負荷恢復(fù)前后的可切容量信息變化，檢查系統(tǒng)接受華東指令后的實切執(zhí)行效果；驗證網(wǎng)荷互動終端的實際動作情況。針對2M專線和4G無線專網(wǎng)不同接入方式，分別選定4個2M專線用戶、1個無線4G專網(wǎng)用戶測試整組切除時間。

1.3 實切試驗工況

實切試驗前，華東全網(wǎng)負荷170 GW，江蘇全省負荷64 150 MW，蘇州地區(qū)負荷17 510 MW，全網(wǎng)頻率50.00 Hz，錦蘇直流送電功率3030 MW，復(fù)奉直流送電功率2536 MW，賓金直流送電功率2483 MW，靈紹直流送電功率1922 MW，龍政直流送電功率970 MW，葛南直流送電功率740 MW，宜華直流送電功率1807 MW，林楓直流送電功率883 MW。

1.4 實切試驗效果

5月24日14:04:57，開始實切試驗，人工觸發(fā)蘇州換流站直流閉鎖故障。華東區(qū)域內(nèi)除錦蘇特高壓外的7回特高壓直流均參與直流功率提升，切除華東7臺抽水運行機組(半嶺、仙居、天荒坪、桐柏、宜興、響水澗、瑯琊山抽水蓄能電廠各1臺)，并實際切除部分蘇州地區(qū)實時可中斷負荷。其中，錦蘇直流閉鎖后，其他直流功率提升總量為680 MW，抽蓄切除功率2020 MW。源網(wǎng)荷系統(tǒng)蘇州地區(qū)毫秒級實時可中斷負荷(最大可切容量1100 MW)全部參與實切驗證。

華東頻率協(xié)控系統(tǒng)向江蘇下發(fā)切負荷總?cè)萘?60 MW，木瀆中心站實際下發(fā)切除可中斷負荷容量260 MW，均為第一層級，切除用戶233戶，實際切除功率260 MW。實切過程中，中心站、子站、就近變電站至網(wǎng)荷互動終端各通道信號正常，動作執(zhí)行正確?？刂葡到y(tǒng)動作后，全網(wǎng)頻率波動在預(yù)期范圍內(nèi)，源網(wǎng)荷系統(tǒng)對穩(wěn)定電網(wǎng)頻率作用效果顯著。14：20，80%的可中斷負荷用戶根據(jù)負荷恢復(fù)提示信息，在駐場人員的指導(dǎo)下自行恢復(fù)負荷。14:30，全部負荷恢復(fù)。16:55，錦蘇直流雙極恢復(fù)運行。

實切試驗前后蘇南地區(qū)重要斷面潮流分布如表1所示。由于錦蘇直流閉鎖，直流落點蘇南地區(qū)存在大額功率缺失，引起蘇南地區(qū)相關(guān)輸電斷面功率增大，但未發(fā)生越限。

表1 重要斷面實切試驗前后潮流值Table 1 Power flow of important sections before and after real load shedding MW

2 基于預(yù)置指令下發(fā)模式的策略驗證技術(shù)

為確保實切試驗的順利進行，需提前驗證系統(tǒng)通信鏈路和策略執(zhí)行的正確性，提出基于預(yù)置指令下發(fā)模式的策略驗證技術(shù)。在系統(tǒng)中設(shè)定預(yù)置模式，從中心站開始只發(fā)待測試位的切負荷指令，不執(zhí)行動作，有預(yù)置返回。啟動條件為由中心站投入傳動試驗壓板，退出總功能壓板，預(yù)置選項啟用，發(fā)送的指令為預(yù)置命令。系統(tǒng)實切試驗測試內(nèi)容如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)實切試驗測試框架Fig.2 System test framework of real load shedding

為配合實切試驗的策略驗證，中心站、子站、終端分別設(shè)置軟硬壓板，邏輯實現(xiàn)如圖3所示。其中，中心站硬壓板包括總功能壓板和負荷恢復(fù)壓板；子站包括總功能硬壓板和通道硬壓板，軟壓板包括通道軟壓板和負荷恢復(fù)軟壓板；網(wǎng)荷互動終端包括精準(zhǔn)切負荷快切軟壓板，精準(zhǔn)切負荷合閘軟壓板，用戶分路開關(guān)跳閘硬壓板，用戶分路開關(guān)合閘硬壓板。各階段壓板狀態(tài)如表2所示。

圖3 系統(tǒng)壓板設(shè)置邏輯Fig.3 System board setting logic diagram

壓板所在位置試驗前模擬試驗實切試驗總功能硬壓板中心站分合合負荷恢復(fù)硬壓板中心站分合合總功能硬壓板子站分合合通道硬壓板子站合合合通道投入軟壓板子站分合合負荷恢復(fù)軟壓板子站分分分快切軟壓板參與終端分合合合閘軟壓板參與終端分分分跳閘硬壓板參與終端合合合合閘硬壓板參與終端分分分

3 基于全局GPS時鐘同步的時間測試技術(shù)

針對實切演練開展基于全局GPS時鐘同步技術(shù)的控制指令傳輸時間測試，測試方案如圖4所示。依次設(shè)T0為蘇州換流站直流子站直流控保發(fā)出閉鎖信號的時標(biāo)；T1為華東協(xié)控中心站向木瀆主站下發(fā)控制命令時的時標(biāo)；T2為切負荷控制主站向切負荷子站下發(fā)控制命令時的時標(biāo)；T3為切負荷子站向用戶下發(fā)控制命令時的時標(biāo)；T4為網(wǎng)荷終端向開關(guān)下發(fā)跳閘指令時的時標(biāo)；T5為開關(guān)跳閘信號到達方天網(wǎng)荷終端時的時標(biāo)；T5-T4為用戶開關(guān)動作時延。則整組時延(直流雙極閉鎖至用戶開關(guān)跳閘的時延)可表示為ΔT=T5-T0。

其中，T0,T1,T2,T3為各控制站系統(tǒng)記錄的事件時間，通過站內(nèi)時間同步裝置獲得GPS時間，時標(biāo)精度1 ms；T4,T5分別由高精度時間測試儀的外接GPS時鐘進行自對時，獲得開關(guān)空接點動作時間，時標(biāo)精度1 ms。所選高精度時間測試儀的對時精度為1 μs，與各控制站系統(tǒng)時間誤差在1 ms以內(nèi)。

經(jīng)測試，參與試驗的時間測試儀平均對時誤差小于70 μs。同時，各控制站系統(tǒng)均經(jīng)GPS統(tǒng)一對時，整體試驗系統(tǒng)滿足本次時間測試需求。

在4個精準(zhǔn)切負荷子站下分別選擇一個專用光纖用戶，并對每個用戶分路支路開關(guān)輔助節(jié)點進行時間測試。同時，選擇玉山子站下的一個無線4G用戶進行測試。用戶終端動作時間測試如表3所示。切負荷整體過程無線4G專網(wǎng)整組動作時間為261 ms，光纖專線整組動作時間最快為212 ms，平均為226.5 ms。

4 基于過零檢測和濾波算法的頻率分析技術(shù)

在吳江子站通過DEWETRON數(shù)據(jù)記錄儀對直流閉鎖時刻的500 kV母線電壓波形進行測錄，采樣頻率為10 kHz，電壓測錄數(shù)據(jù)繪制如圖5所示。在直流閉鎖時，電壓測錄窗中的電壓波形發(fā)生畸變。

電壓頻率值可以由電壓測錄值分析獲得。傳統(tǒng)的頻率測量包括過零點算法、離散傅里葉變換以及遞推DFT算法等。過零點算法通過相鄰過零點時間間隔的計算跟蹤電壓頻率。錄波儀記錄一系列離線數(shù)據(jù)序列(t0,v0),(t1,v1),...,(tN-1,vN-1),...。通過相鄰2個電壓符號不同的數(shù)據(jù)點進行過零檢測計算，求得過零點時間[10-12]。

線性化過零時刻計算公式：

(1)

式中：vk,tk為電壓數(shù)據(jù)的第k個采樣值、采樣時間；t為計算的過零點時刻。

通過過零點算法對所測電壓波形的頻率進行跟蹤分析，得到如圖6所示頻率波形。由圖6可知，頻率最低點發(fā)生在波形畸變的周期，最低點頻率為49.528 Hz，判斷該點數(shù)據(jù)為電壓畸變引起的頻率測量誤差，如果考慮電壓畸變給過零點算法帶來的影響，最低點頻率為49.988 Hz，穩(wěn)態(tài)階段系統(tǒng)頻率為50.03 Hz，頻率跌幅為0.042 Hz。

圖4 源網(wǎng)荷系統(tǒng)精準(zhǔn)負荷控制時間測試Fig.4 Precision load control time test of “Source-Grid-Load” system

用戶類型直流功率失去時刻時標(biāo)用戶側(cè)開關(guān)輔助節(jié)點動作時標(biāo)整組動作時間/ms光纖用戶114:04:57:53014:04:57:768238光纖用戶214:04:57:53014:04:57:759229光纖用戶314:04:57:53014:04:57:742212光纖用戶414:04:57:53014:04:57:757227無線4G用戶14:04:57:53014:04:57:791261

圖5 直流閉鎖時吳江變母線電壓測錄曲線Fig.5 Busbar voltage curve of Wujiang substation when “09-19” Jin-Su DC blocking fault

圖6 過零點算法頻率計算曲線Fig.6 Frequency calculation curve by zero-crossing algorithm

從上述實驗結(jié)果中可以看出，在錦蘇直流閉鎖時，系統(tǒng)電壓會發(fā)生1～2個周波的畸變，這種電壓的畸變會對常見的頻率跟蹤算法產(chǎn)生影響，造成頻率波形的振蕩，使得頻率在畸變周波范圍內(nèi)出現(xiàn)較大幅度的下跌。

為了降低電壓畸變對頻率測量的影響，采用濾波算法先對電壓波形進行濾波，然后使用過零點算法對電壓頻率進行跟蹤計算，可以得到圖7所示波形[13-15]。從仿真結(jié)果中可以看出，經(jīng)過濾波之后再進行頻率跟蹤可以減小電壓畸變對頻率測量的影響，但并不能完全消除。

圖7 濾波后過零點算法頻率計算曲線Fig.7 Frequency calculation curve by fourier filter and zero-crossing

綜合分析：全網(wǎng)頻率在閉鎖故障后最低跌落至49.97 Hz，500 kV吳江變電站(距離特高壓蘇州換流站約1.8 km)母線線電壓頻率如圖7所示。其中，在直流閉鎖瞬間，由于換流站的無功補償濾波器大組未能快速切除，吳江站母線電壓瞬間升高，電壓波形略有畸變，導(dǎo)致頻率測量算法的數(shù)據(jù)窗產(chǎn)生瞬間頻率測量誤差，實際電網(wǎng)的真實頻率應(yīng)忽略直流閉鎖故障時刻前3個周波的暫態(tài)測量誤差。

5 結(jié)語

圍繞大規(guī)模源網(wǎng)荷友好互動系統(tǒng)實切試驗，展開介紹了預(yù)置模式的策略驗證、實切試驗控制指令時間測試和系統(tǒng)動態(tài)頻率計算等技術(shù)，為系統(tǒng)調(diào)試試驗提供了技術(shù)手段和有效分析方法。無線4G專網(wǎng)整組動作時間為261 ms，光纖專線整組動作時間最快為212 ms，平均為226.5 ms，滿足了系統(tǒng)保護快速切負荷的時間要求。圍繞母線電壓錄波數(shù)據(jù)，開展了不同算法的頻率分析，實現(xiàn)了實切試驗故障時刻電網(wǎng)頻率的精確測錄和計算，驗證了源網(wǎng)荷系統(tǒng)對大電網(wǎng)故障應(yīng)急處置的頻率控制效果。

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劉華偉

劉華偉(1966—)，男，江蘇宜興人，高級工程師，主要研究方向為電網(wǎng)運行與控制、智能電網(wǎng)技術(shù)、電力企業(yè)管理等(E-mail:hwliu@js.sgcc.com.cn)；

李虎成(1987—),男，湖北十堰人，工程師，主要研究方向為電網(wǎng)運行與控制、調(diào)度自動化；

袁宇波(1975—)，男，江蘇丹陽人，高級工程師，主要研究方向為電網(wǎng)運行與控制、繼電保護試驗和研究；

張小易(1978—)，男，河南許昌人，高級工程師，主要研究方向為繼電保護、調(diào)度自動化相關(guān)技術(shù)研究。

(編輯錢 悅)

TheActualLoadSheddingVerificationTestTechnologyofLarge-scale“Source-Grid-Load”FriendlyInteractiveSystemIntroduction

LIU Huawei, LI Hucheng, YUAN Yubo,ZHANG Xiaoyi

(State Grid Jiangsu Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China)

The actual load shedding verification test of large-scale “source-grid-load” friendly interactive system is introduced. A strategy validation technique based on preset instruction release mode is proposed. A time test method of actual load shedding control command transmission according to global GPS clock synchronization technology, and a frequency measurement method according to zero-crossing detection and digital filter technology are also proposed. The system’s control time and dynamic frequency can be accurately measured. Results show that quick load shedding time and frequency changes when DC blocking fault happens meet system requirements. The feasibility of the system function design is validated.

source-grid-load; real load shedding verification; time test; frequency analysis

TM732

A

2096-3203(2017)06-0001-06

2017-07-05；

2017-08-08

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YEB0901104);國家電網(wǎng)公司科技項目(面向特高壓交直流大受端電網(wǎng)的大規(guī)模負荷精準(zhǔn)協(xié)調(diào)互動控制技術(shù)研究)