Analysis of Low-frequency and Low-voltage Combined Load Shedding Scheme in Power system Considering Load Response

大连交通大学电气信息工程学院   朱楷达 王娟娟

摘    要：电压的稳定性和频率的稳定性是影响电力网络系统安全性及稳定性的主要因素，这两个方面已经成为当前我国电力系统研究的主要内容。低压减载和低频减载的作用已经成为电力网络系统安全稳定控制的“第三道防线”，对于保障电力系统稳定发挥着重要的作用。本文对计及负荷响应的电力系统低频低压联合减载方案进行了深入的研究与分析，并提出了一些合理的意见和措施，旨在进一步促进我国电力系统改革与完善，为社会提供安全、稳定、高效的电力能源输送。

关键词：电力网络系统；电压低频联合减载；安全稳定性；优化策略

Abstract: Voltage stability and frequency stability are the main factors affecting the security and stability of power network system, and these two aspects have become the main contents of power system research in China at present.Low-voltage load shedding and low-frequency load shedding have become the "third line of defense" for the security and stability control of power network system, and play an important role in ensuring the stability of power system.In this paper, the low-frequency and low-voltage combined load shedding scheme of power system considering load response is deeply studied and analyzed, and some reasonable opinions and measures are put forward, aiming at further promoting the reform and improvement of China's power system and providing safe, stable and efficient power energy transmission for the society.

Key words: Power network system; Voltage and low frequency combined load shedding; Safety and stability; Optimization strategy

1    引言

我国电力系统中所采用的传统减载方式是逐轮次低压减载和低频减载相互独立的模式，减载时没有计及负荷的频率电压特性以及频率电压之间的相互影响，这种模式存在着一定的局限性，在我国社会总用电量需求增加的背景下，如果电力网络系统被严重干扰，则可能会因为欠压或者过切负荷导致电力系统稳定性降低，从而影响电力输送，且可能会导致电力设备损坏。为此，本文提出了一种基于响应的电力系统低压、低频联合减载方案，该方案具有动态响应机制，能够根据电力网络系统实时的负载进行减载调整，从而能够提高减载效果。

2    传统电力系统减载模式研究现状分析

当今现阶段，我国电力系统所采用的减载方案主要是分散式减载方法，也就是低压减载和低频减载两个系统是相互独立的，主要根据本地所检测的电压、频率进行逐轮次就地减载。这种减载模式所需要监测的信息量较少，计算方法也相对简单，且应用成本较低，因此在我国电力网络系统中有着广泛的应用^[1]。但是我国电力网络系统经过多次调整和改革，供电网络系统的承载量不断提高，该减载方法的局限性逐渐暴露，主要是没有将负荷频率电压特征对于有功功率的影响和电力系统中频率与电压之间的影响关系考虑在内，所以当电力系统在受到较大干扰的情况下容易出现负荷过切或欠切的问题。根据当前我国电力行业研究的相关内容可知，负荷电压与电力系统频率之间存在着一定的耦合效应，所以在设计电力系统减载方案中需要考虑到低频和低压切负荷控制的负效应。当前我国许多学者已经在联合减载方面做出了相应的尝试，例如有学者在设计方案中提出了以多代理技术的切负荷方案提高电力系统频率和电压稳定性的方式，还有学者根据负荷电压和有功变化采取比较低压减载和低频减载切负荷量的方式计算综合减载量，但是都没有充分考虑到负荷频率电压特征对负荷功率的影响^[2]。

针对此研究现状，本文设计了基于响应的电力系统低压、低频联合减载方案，此方案将负荷有功功率的动态响应解耦为负荷母线频率和负荷电压的动态响应，根据实际测量的本地负荷电压响应与频率响应计算低电压减载量，再根据离线计算的低频减载量，按照相应的比例构成综合减载量。

3    低压低频联合减载方法分析

传统电力系统减载模式中低压减载和低频减载已经不能满足当前我国电网络运行系统的减载需要，为此需要对减载模式进行调整和升级。

3.1    低压低频减载量计算分析

在我国当前的电力网络系统中，电力系统的负荷特征可以通过函数模型进行计算，计算公式为：

                         （1）

在式（1）公式中，表示实际有用功率，表示额定有功功率，V表示实际负荷电压，表示额定负荷电压，表示母线的实际频率，表示系统的额定频率，一般为50Hz，表示与负荷功率变化有着密切关系的电压和频率指数数值，该数值可以通过试验和分析的方式进行确定。根据上述公式可以看出，如果负荷电压或者频率出现了变化，那么受到负荷的电压频率特性影响负荷有功功率也会跟随产生变化；如果电力网络系统中的电压出现了下降或频率出现了下降的情况，那么负荷有功功率也会变小，从而能够产生调节作用，将电力网络系统维持在平衡的状态下，这时负荷的电压频率特征对于负荷频率和电压的恢复是有利的，负荷电压频率特征此时即为正效应，但是如果电力网络系统中的电压出现了大幅度下降或频率出现了较为严重的跌落时，将会导致低压或低频减载，减载后所剩余的负荷有功功率将会随着电力网络系统的频率回升或电压回升而提高，从而对频率电压的恢复造成很大的阻碍，此时对减载控制的作用即为负效应^[3]。

所以在设计低压低频联合减载方案时，需要考虑到负荷的电压频率特性对于低压低频减载控制的负荷效应，从而能够根据电压和频率的变化对其实时减载量进行科学的计算，计算公式为：

                                （2）

通过公式（2）即可对负荷功率的动态响应解耦为负荷母线的频率及负荷电压响应，所以本文根据频率和电压响应对负荷有功功率的影响程度，按照负荷电压变化和频率变化占有功率的变化比例对其进行计算，即可计算出需要减载的实际电压量。如果假设减载前和减载后电力网络系统的传输能力保持相同，那么电力系统能够为特定负荷点提供的有功功率仍然为，经过变化后的负荷所吸收的功率则等于系统所能传输的功率，也就可以得出，这时电力系统负荷的电压和频率将会逐渐恢复到正常数值，此时

3.2    低压低频联合减载设计方案

根据上述公式可以计算出负荷电压频率响应的信息，从而能够得到低压低频综合减载量，但是仅仅考虑低压低频问题是不够全面的，因为电力网络系统运行过程中还存在着一些单一的低频和低压问题，单一的低频和低压则不需要进行综合减载，所以在对综合减载量进行计算时，需要考虑到负荷母线的频率变化以及电压变化的量级，从而对其进行分别考虑和计算，能够提高综合减载量的科学性和精准性^[4]。

因此本文采用了如下设计方案：当电力网络系统出现低压问题时，负荷的频率变化较小，那么就忽略频率变化对负荷有功功率的影响，直接采取低压减载措施；当电力网络系统出现低频问题时，负荷的电压变化频率较小，那么就忽略电压变化对负荷有功功率的影响，直接采取低频减载措施，从而对传统减载模式中相互独立的低压减载和低频减载系统进行重新构建。

以下是该低压低频联合减载的具体实施步骤：

步骤1：对负荷电压和母线频率进行实时测量，如果负荷电压偏移超过10%，同时在连续两个周波内dv/dt小于0时，可以直接跳转到步骤2；当频率f小于49Hz时，同时在连续两个周波内df/dt小于0，可以直接跳转到步骤3。

步骤2：对母线频率变化情况进行实时测量，如果df/dt小于-0.01，则需要根据相应的公式对综合减载量进行计算；如果df/dt大于-0.01，那么将低频减载量计算重置，使其归于0的状态，并根据相应的计算公式进行低压减载量计算，在减载后的1s内，dv/dt小于0，或在10s内无法将电压恢复到标准值的情况下，则跳转到步骤2重新进行减载，否则将跳转到步骤1。

步骤3：对负荷电压变化情况进行实时监测。如果dv/dt小于-0.05，则根据相应的计算公式自动计算综合减载量；如果dv/dt大于-0.05，则将低压减载量计算重置，使其归于0的状态，并按照独立的低频减载模式进行减载，在第一轮减载完成后，会根据相应的计算公式对附加减载量进行计算，在减载完成后，如果频率下降到了一轮定值以下，那么将跳转到步骤3继续减载，否则会跳转到步骤1^[5]。

4     低频低压联合减载系统仿真分析

为了验证本文所设计的低压低频联合减载系统的实效性，本文将低压低频联合减载系统与传统的减载系统在IEEE38节点中进行对比分析，仿真软件采用的是一般电力网络系统分析常用的PSASP软件。在仿真过程中，为了提高仿真验证结果的准确性，在不考虑调压器和调速器作用的情况下，负荷模式性采用函数模型进行计算，其中的数值为1.5。表1是传统减载模式中低压减载和低频减载方案的具体仿真数值，在本文所设计的低压低频联合减载方案仿真测试中，选择了与表2低频减载模式相同的数值。

5    结论本文所设计的低压低频减载方案因为综合考虑了负荷电压的频率特性，在减载后电压会迅速恢复到0.96的标注值之上，系统恢复速度更快，相比于传统独立的减载模式其效果更好，因此可以代替传统独立的减载模式，从而提高我国电力减载系统的效率和有效性。

综上所述，本文提出我国电力网络系统中传统独立减载模式的局限性，并设计了低压低频联合减载方案，经过仿真验证该减载方案的效率更高，电压恢复更快，因此能够提高我国供电网络系统的稳定性，希望能够对电力行业发展起到一定的借鉴和帮助作用。

参考文献：

[1]李晔. 计及负荷响应的电力系统低频低压联减载方案[J]. 中国电业, 2019, 945(04):P.86-88.

[2]吴胜聪, 吴峰, 粟世玮. 基于低频减载的在线电力系统控制算法[J]. 自动化应用, 2019,(006):P.676-676.

[3]陈云飞. 计及响应的电力系统防电压失稳综合控制策略[J]. 轻松学电脑, 2019, 000(018):P.1-1.

[4]刘文霞, 李征洲, 杨粤,等. 计及需求响应不确定性的综合能源系统协同优化配置[J]. 电力系统自动化, 2020, v.44;No.680(10):P.50-62.

[5]李京平, 于昌剑, 蔡志平,等. 结合电力用户负荷曲线聚类的需求响应策略分析[J]. 电子测试, 2019, 408(Z1):P.73-75.

作者简介：

朱楷达(1994年),男 ,硕士在读,研究方向为电力系统频率调节。