电网自动减载监控管理系统设计

魏珍，周骥飞，翟晓磊

（1.天津市电力公司，天津 300010；2.天津市城东供电分公司，天津 300250）

现代电力系统主要特征是大容量机组、超高压线路和大范围的网络互联，在提高了经济效益的同时，也削弱了电力系统在大扰动下维持频率稳定性的能力，电力失衡可能性增大，导致“频率崩溃”，进而引起励磁机、发电机转速降低，加剧系统无功不足，最终导致“电压崩溃”，造成电网大面积瘫痪，后果影响严重。

“逐次逼近”式低频减载方案是目前应用最为普遍的一种方式。该方式预先估计出系统的功率缺额，并按照各轮的动作频率，在电力系统的分散节点上采取逐级整定切负荷措施，以达到稳定系统频率的目的。但其编制方法一般采用手工编制，具有响应速度慢、编制工作量大、缺乏系统管理的缺点。

针对这种现状，本文设计的电网自动低频减载监控管理系统，首次在天津市调和所有地调完成电力平衡在线评估、动态监视电网运行状态、在线计算低频减载方案；并通过方案执行过程模拟，预测系统稳定变化趋势；同时完善各类统计报表，通过文字、图形和报表等形式来表达和传递各种信息，提高了工作质量和工作效率，实现了电网自动减载监控管理的系统化、条理化和高效化。

1 系统设计

系统主要分为模型建立、方案管理、运行监视、报表管理、数据维护等几大模块。

1.1 电网统一模型建立

为了达到全网一体化管理，系统首次建立了天津全网范围内的电网统一模型，覆盖天津地区管辖主网架和各地区调度所管辖的35 kV及以上电网。图1为天津市两级调度系统网络拓扑图。

图1 两级调度系统网络拓扑图Fig.1 The network topology of the two-level scheduling system

该系统模型具有以下特点：

1）建立自动导图对接功能，以市调以及各地调能量管理系统（Energy Management System，EMS）为导出模型，将公共信息模型（Common Information Model，CIM）及可缩放矢量图形（Scalable Vector Graphics，SVG）文件作为数据载体，并与发电计划系统进行对接，将开关设备和发电机设备历史数据、实时数据导入到本系统数据库中。

2）数据对接部分采用一次性导入基本数据和历史数据，间隔性刷新导入实时数据的策略。针对不同数据字段、类型及数据残缺，在对接时调整数据类型的同时，转换补全残缺的数据。

3）采用全网拓扑分析和工程经验相结合的方法，通过模拟电力系统动态过程的仿真计算，进行自动低频减负荷装置参数整定，对得到的参数进行校核，进而预制全网和局部小地区低频减载控制策略。

1.2 自动制定低频减载方案

系统将依照电力系统自动低频减负荷技术规定及规则，通过界面选择方式选定基本轮和特殊轮的轮数、起始频率和频率间隔，并通过负荷频率变化计算，自动生成低频减负荷方案的相关数据，且能够与华北网调低频减载方案相对比。

当系统频率低于整定值时，系统开始采用传统算法输入整定频率、轮次等信息，而后开始计算本轮切除负荷量，并将切除负荷后的系统频率与第二步整定值相比较。若频率继续下降，且低于第二步整定值时，说明切负荷量不足，自动重复上述步骤，直至频率恢复。

电网中应分别装设基本段和后备段低频减载装置。基本段应快速动作，为了防止在系统振荡或电压急剧下降时误动作，一般可带0.3～0.5 s的时限;基本段按频率等距分级，每级切负荷量分别确定。后备段是为了防止基本段动作后频率滞留在某一不允许的水平上或防止频率缓慢降低。后备段设置为经一定延时动作，一般采用15～25 s。

1.2.1 自动低频减载基本原理

依据低频减载技术管理规定，采用恢复频率算法，按照式（1）设计了系统流程，设定相关参量后，通过循环计算每段时间（默认0.01 s）内各轮次操作的相关数据，判断出各轮次（包括基本轮和特殊轮）的动作情况，做出相应的处理，同时判断是否满足结束条件，自动得出相应结果。

其设计原理为：

当试图恢复系统频率时，若想使第i-1级低频减载装置动作后频率稳定在第i级的频率定值fi上，则要求第i级低频减载装置动作后可将频率恢复至给定的恢复频率fhf处，由此可计算出各级切除的负荷量PLi为

式中，ΔPLi为第i轮切除的负荷量，MW；fi为第i轮的启动频率，Hz；fhf为要恢复到的频率，这里采用系统的额定频率，Hz；fe为额定频率，Hz；KL为负荷的频率调节系数。

由式（1）经计算可得出系统负荷频率曲线图，如图2所示。

1.2.2 自动低频减载方案实现

系统依据全网电力供需平衡、多种约束条件及经济调度的原则，通过对接EMS数据，一方面实时监视电网动态，并根据全网电力平衡趋势和小地区负荷走势，调整地区发电、联络线负荷及负荷缺额比例，验证全网和小地区稳定时限和稳定域，动态分析控制策略，实现低频减负荷方案的在线整定；另一方面，通过输入继电器延时和基本轮设定延时等数据，在指定负荷缺额情况下，自动生成方案执行过程模拟曲线并得出结论，同时通过文字、图形和报表等形式传递各种信息，预测低频减载装置动作过程，从而实现动态预测和评估电网稳定趋势。方案执行过程模拟曲线如图3所示。

图2 负荷频率曲线图Fig.2 Load frequency curve

图3 方案执行过程模拟曲线Fig.3Simulationcurveoftheprogramperformanceprocess

该系统主要可实现以下功能：

1）根据电网的基本参数，利用稳定频率算法，通过获取的全网负荷、地区发电、联络线负荷、系统周波数据，在有联络线或无联络线的情况下，通过输入切除负荷数，精确计算稳定频率和整定负荷。

2）自动制定低频减负荷方案。选定好基本轮的轮数、频率和频率间隔，通过系统对负荷频率计算，自动生成低频减负荷方案的数据。

3）模拟与网调低频方案对比。自动制定的低频减负荷方案，通过选定对应年份华北网调低频减载方案，实现与网调低频减载方案对比。

4）实时监视电网的运行状态，动态调整方案，并完善各种统计报表，通过文字、图形和报表等来表达和传递各种信息。

1.3 报表管理设计

智能报表管理模块主要由模板设计器、报表解析器和报表浏览器组成。通过对各地调数据集中进行过滤和计算，使信息更加全面和细化。报表形式可分为上报汇总、实时统计、日报、月报、年报和装置汇总统计表，适用于不同工作需求，也缩短了数据显示时间。

模板设计器为独立的桌面版程序，按照报表需求设计出报表模板，并将模板文件转到报表服务器上。

报表解析器为解析程序，在服务器端运行，用于加载报表模板、获取报表数据、输出静态报表文件、报表缓存处理和设置报表显示参数等。

报表浏览器是基于ActiveX WEB插件的浏览器界面，实现在网页中浏览和打印、并按照不同需求输出报表。

2 系统应用分析

本系统已于2011年在天津市电力公司和其所辖10个地区调度投入使用，实现了电力平衡方案自动生成、在线整定、实时监视、方案汇总以及方案的多样化报表管理。运行监视功能可以查看天津地区市调以及地调电力平衡的各类曲线，有联络线计划、整体上下限、调整发电机的上下限、实际曲线、预测曲线、基点计划等曲线以及指定时间的低频低压减负荷轮次明细表。图4为电网运行曲线监视界面。

图4 电网运行曲线监视Fig.4 Monitoring of the power grid operation curve

通过自动获取或人为设定全网负荷和地区发电负荷、系统周波和系统负荷频率特性系数，并根据输入的基本轮数、起始频率以及频率间隔，自动计算并制定出天津电网低频减负荷方案，同时与以往下发的方案进行对比。图5为电网在线低频减载方案的制定。

图5 电网在线低频减载方案制定Fig.5 Making the program of the on-line UFLS scheme for the power grid

系统根据全网及各地调负荷增长趋势和负荷特点，可合理的编制出全网年度低频减载整定方案。

通过应用系统达到了以下效果：

1）实现了对电力平衡曲线的实时监视，及时掌握电力平衡信息、负荷变化趋势及量化值。

2）首次搭建了4个电压等级的两级全网拓扑，实现两级互联电网一体化模型的建立，根据频率稳定算法及多种约束条件、经济调度的原则和全网或小地区负荷走势，动态调整发电、联络线、负荷缺额比例，分析制定控制策略，自动生成动态模拟过程曲线和稳定结论。

3）首次实现了两级调度间方案自动协调整定，以及全网和小地区低频减负荷方案智能整定、报表综合展示等。

3 结语

本系统通过系统程序设计和全网拓扑结构的建立，智能地将全网运行相关数据进行集成、分类、归纳、自动计算、汇总及分析输出，从而实现低频减载方案在线整定、实施方案自动汇总及运行监控等功能，通过易于操作、简洁直观的界面，提高了各项结论输出的时效性、准确性和可操作性，为确保电网安全稳定运行提供了重要的技术支持。

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