大规模源网荷友好互动系统实切试验技术

刘华伟， 李虎成， 袁宇波，张小易

( 国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

·专论与综述·

大规模源网荷友好互动系统实切试验技术

刘华伟， 李虎成， 袁宇波，张小易

( 国网江苏省电力公司电力科学研究院，江苏 南京 211103)

简要介绍了大规模源网荷友好互动系统实切试验，提出了基于预置指令下发模式的策略验证技术，基于全局GPS时钟同步的实切试验控制指令传输时间测试技术，以及基于过零点检测和滤波算法的频率分析技术，实现了对系统控制时间、动态频率的准确测量。试验结果表明，实切试验的快速切负荷响应时间和直流闭锁故障瞬间电网频率变化满足要求，有效验证了大规模源网荷友好互动系统的功能设计的可行性。

源网荷； 实切试验； 时间测试； 频率分析

0 引言

特高压电网入苏及可再生清洁能源的大规模消纳正在改变江苏电网的现有结构，电网运行特性也随之发生根本性改变，逐步形成一个大受端电网。随着区域电网中的发电机等效惯性及稳定调节能力减弱，面临多直流双极闭锁或换向失败导致的频率、功角、电压等稳定问题[1-8]。

1 实切试验概况

2015年9月19日21：58：03，位于江苏落点的特高压锦苏直流故障，损失功率4900 MW(直流逆变侧)，故障后，系统频率快速跌落，经过12 s(21:58:15)后频率达到最低值49.563 Hz，频率曲线如图1所示。

图1 09-19锦苏直流闭锁时电网频率曲线Fig.1 Frequency curve of “09-19” Jin-Su DC blocking fault

应对大电网风险和平抑清洁能源波动的传统方式是以可控的电源适应不可控的负荷，在电源调整不能适应负荷变化的情况下，则采用粗放的方式，比如拉路、限电等，调整负荷以实现电源与负荷的平衡[7-12]。2016年，国内首套“大规模源网荷友好互动系统”(以下简称源网荷系统)在江苏顺利投入试运行，为大电网安全解决方案提供了新方式。主要是将分散的海量可中断负荷集中起来进行精准实时控制，从调控电源转变为调控负荷，实现电网与电源、负荷友好互动，保障电力供需平衡[1,2]。源网荷系统是应对大受端电网故障时快速而有效的切负荷手段，在预防电网频率波动造成的大面积停电、潮流越限等方面可以发挥更多积极作用，是一种负荷调控应用创新。通过开展系统实切试验，可更逼真地验证系统的设计功能和切负荷快速性等效果。

为实际验证华东电网频率紧急协调控制系统的整体功能及应对电网大功率缺额紧急故障下的频率控制效果，江苏源网荷系统的系统保护快速切负荷功能作为组成部分配合华东频率紧急协调控制系统进行联动，于2017年5月24日参与锦苏特高压直流闭锁系统冲击试验，并进行实切负荷功能验证。

1.1 实切试验目的

配合华东电网频率紧急协调控制系统的整体功能试验，验证源网荷系统的控制策略和执行效果是否满足华东电网特高压直流双极闭锁等严重故障时的电网应急处置要求。

(1) 验证源网荷系统接收华东频率紧急协调控制系统指令后负荷切除与恢复控制策略，以及执行效果的正确性；

(2) 测试源网荷系统通过2M专线和无线4G专网实切负荷的整组动作响应时间；

(3) 优化各分系统间的配合策略，提高系统的整体运行性能。

1.2 实切试验内容

源网荷系统实切试验是在特高压锦苏直流闭锁，产生系统冲击的紧急情况下，接收华东频率协控系统控制指令，完成可中断负荷的快速切除，以验证系统指令执行、控制策略、终端动作和负荷恢复的正确性，并针对不同接入类型的用户(2M专线和无线4G)，进行整组切除时间测试。

整体功能实切试验前对调度主站、木渎中心站、木渎子站、太仓子站、玉山子站、吴江子站和网荷互动终端之间的通道状态、所有装置和网荷互动终端的压板状态和装置定值进行检查，在正常运行状态下开展整体功能实切试验。

根据华东协控总站下发的切负荷容量和木渎中心站各层级可切负荷容量确定控制策略；根据子站和网荷互动终端动作情况检查实切负荷策略及网荷互动终端响应的正确性；根据各子站上送的实切负荷前后及负荷恢复前后的可切容量信息变化，检查系统接受华东指令后的实切执行效果；验证网荷互动终端的实际动作情况。针对2M专线和4G无线专网不同接入方式，分别选定4个2M专线用户、1个无线4G专网用户测试整组切除时间。

1.3 实切试验工况

实切试验前，华东全网负荷170 GW，江苏全省负荷64 150 MW，苏州地区负荷17 510 MW，全网频率50.00 Hz，锦苏直流送电功率3030 MW，复奉直流送电功率2536 MW，宾金直流送电功率2483 MW，灵绍直流送电功率1922 MW，龙政直流送电功率970 MW，葛南直流送电功率740 MW，宜华直流送电功率1807 MW，林枫直流送电功率883 MW。

1.4 实切试验效果

5月24日14:04:57，开始实切试验，人工触发苏州换流站直流闭锁故障。华东区域内除锦苏特高压外的7回特高压直流均参与直流功率提升，切除华东7台抽水运行机组(半岭、仙居、天荒坪、桐柏、宜兴、响水涧、琅琊山抽水蓄能电厂各1台)，并实际切除部分苏州地区实时可中断负荷。其中，锦苏直流闭锁后，其他直流功率提升总量为680 MW，抽蓄切除功率2020 MW。源网荷系统苏州地区毫秒级实时可中断负荷(最大可切容量1100 MW)全部参与实切验证。

华东频率协控系统向江苏下发切负荷总容量260 MW，木渎中心站实际下发切除可中断负荷容量260 MW，均为第一层级，切除用户233户，实际切除功率260 MW。实切过程中，中心站、子站、就近变电站至网荷互动终端各通道信号正常，动作执行正确。控制系统动作后，全网频率波动在预期范围内，源网荷系统对稳定电网频率作用效果显著。14：20，80%的可中断负荷用户根据负荷恢复提示信息，在驻场人员的指导下自行恢复负荷。14:30，全部负荷恢复。16:55，锦苏直流双极恢复运行。

实切试验前后苏南地区重要断面潮流分布如表1所示。由于锦苏直流闭锁，直流落点苏南地区存在大额功率缺失，引起苏南地区相关输电断面功率增大，但未发生越限。

表1 重要断面实切试验前后潮流值Table 1 Power flow of important sections before and after real load shedding MW

2 基于预置指令下发模式的策略验证技术

为确保实切试验的顺利进行，需提前验证系统通信链路和策略执行的正确性，提出基于预置指令下发模式的策略验证技术。在系统中设定预置模式，从中心站开始只发待测试位的切负荷指令，不执行动作，有预置返回。启动条件为由中心站投入传动试验压板，退出总功能压板，预置选项启用，发送的指令为预置命令。系统实切试验测试内容如图2所示。

图2 系统实切试验测试框架Fig.2 System test framework of real load shedding

为配合实切试验的策略验证，中心站、子站、终端分别设置软硬压板，逻辑实现如图3所示。其中，中心站硬压板包括总功能压板和负荷恢复压板；子站包括总功能硬压板和通道硬压板，软压板包括通道软压板和负荷恢复软压板；网荷互动终端包括精准切负荷快切软压板，精准切负荷合闸软压板，用户分路开关跳闸硬压板，用户分路开关合闸硬压板。各阶段压板状态如表2所示。

图3 系统压板设置逻辑Fig.3 System board setting logic diagram

压板所在位置试验前模拟试验实切试验总功能硬压板中心站分合合负荷恢复硬压板中心站分合合总功能硬压板子站分合合通道硬压板子站合合合通道投入软压板子站分合合负荷恢复软压板子站分分分快切软压板参与终端分合合合闸软压板参与终端分分分跳闸硬压板参与终端合合合合闸硬压板参与终端分分分

3 基于全局GPS时钟同步的时间测试技术

针对实切演练开展基于全局GPS时钟同步技术的控制指令传输时间测试，测试方案如图4所示。依次设T0为苏州换流站直流子站直流控保发出闭锁信号的时标；T1为华东协控中心站向木渎主站下发控制命令时的时标；T2为切负荷控制主站向切负荷子站下发控制命令时的时标；T3为切负荷子站向用户下发控制命令时的时标；T4为网荷终端向开关下发跳闸指令时的时标；T5为开关跳闸信号到达方天网荷终端时的时标；T5-T4为用户开关动作时延。则整组时延(直流双极闭锁至用户开关跳闸的时延)可表示为ΔT=T5-T0。

其中，T0,T1,T2,T3为各控制站系统记录的事件时间，通过站内时间同步装置获得GPS时间，时标精度1 ms；T4,T5分别由高精度时间测试仪的外接GPS时钟进行自对时，获得开关空接点动作时间，时标精度1 ms。所选高精度时间测试仪的对时精度为1 μs，与各控制站系统时间误差在1 ms以内。

经测试，参与试验的时间测试仪平均对时误差小于70 μs。同时，各控制站系统均经GPS统一对时，整体试验系统满足本次时间测试需求。

在4个精准切负荷子站下分别选择一个专用光纤用户，并对每个用户分路支路开关辅助节点进行时间测试。同时，选择玉山子站下的一个无线4G用户进行测试。用户终端动作时间测试如表3所示。切负荷整体过程无线4G专网整组动作时间为261 ms，光纤专线整组动作时间最快为212 ms，平均为226.5 ms。

4 基于过零检测和滤波算法的频率分析技术

在吴江子站通过DEWETRON数据记录仪对直流闭锁时刻的500 kV母线电压波形进行测录，采样频率为10 kHz，电压测录数据绘制如图5所示。在直流闭锁时，电压测录窗中的电压波形发生畸变。

电压频率值可以由电压测录值分析获得。传统的频率测量包括过零点算法、离散傅里叶变换以及递推DFT算法等。过零点算法通过相邻过零点时间间隔的计算跟踪电压频率。录波仪记录一系列离线数据序列(t0,v0),(t1,v1),...,(tN-1,vN-1),...。通过相邻2个电压符号不同的数据点进行过零检测计算，求得过零点时间[10-12]。

线性化过零时刻计算公式：

(1)

式中：vk,tk为电压数据的第k个采样值、采样时间；t为计算的过零点时刻。

通过过零点算法对所测电压波形的频率进行跟踪分析，得到如图6所示频率波形。由图6可知，频率最低点发生在波形畸变的周期，最低点频率为49.528 Hz，判断该点数据为电压畸变引起的频率测量误差，如果考虑电压畸变给过零点算法带来的影响，最低点频率为49.988 Hz，稳态阶段系统频率为50.03 Hz，频率跌幅为0.042 Hz。

图4 源网荷系统精准负荷控制时间测试Fig.4 Precision load control time test of “Source-Grid-Load” system

用户类型直流功率失去时刻时标用户侧开关辅助节点动作时标整组动作时间/ms光纤用户114:04:57:53014:04:57:768238光纤用户214:04:57:53014:04:57:759229光纤用户314:04:57:53014:04:57:742212光纤用户414:04:57:53014:04:57:757227无线4G用户14:04:57:53014:04:57:791261

图5 直流闭锁时吴江变母线电压测录曲线Fig.5 Busbar voltage curve of Wujiang substation when “09-19” Jin-Su DC blocking fault

图6 过零点算法频率计算曲线Fig.6 Frequency calculation curve by zero-crossing algorithm

从上述实验结果中可以看出，在锦苏直流闭锁时，系统电压会发生1～2个周波的畸变，这种电压的畸变会对常见的频率跟踪算法产生影响，造成频率波形的振荡，使得频率在畸变周波范围内出现较大幅度的下跌。

为了降低电压畸变对频率测量的影响，采用滤波算法先对电压波形进行滤波，然后使用过零点算法对电压频率进行跟踪计算，可以得到图7所示波形[13-15]。从仿真结果中可以看出，经过滤波之后再进行频率跟踪可以减小电压畸变对频率测量的影响，但并不能完全消除。

图7 滤波后过零点算法频率计算曲线Fig.7 Frequency calculation curve by fourier filter and zero-crossing

综合分析：全网频率在闭锁故障后最低跌落至49.97 Hz，500 kV吴江变电站(距离特高压苏州换流站约1.8 km)母线线电压频率如图7所示。其中，在直流闭锁瞬间，由于换流站的无功补偿滤波器大组未能快速切除，吴江站母线电压瞬间升高，电压波形略有畸变，导致频率测量算法的数据窗产生瞬间频率测量误差，实际电网的真实频率应忽略直流闭锁故障时刻前3个周波的暂态测量误差。

5 结语

围绕大规模源网荷友好互动系统实切试验，展开介绍了预置模式的策略验证、实切试验控制指令时间测试和系统动态频率计算等技术，为系统调试试验提供了技术手段和有效分析方法。无线4G专网整组动作时间为261 ms，光纤专线整组动作时间最快为212 ms，平均为226.5 ms，满足了系统保护快速切负荷的时间要求。围绕母线电压录波数据，开展了不同算法的频率分析，实现了实切试验故障时刻电网频率的精确测录和计算，验证了源网荷系统对大电网故障应急处置的频率控制效果。

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刘华伟

刘华伟(1966—)，男，江苏宜兴人，高级工程师，主要研究方向为电网运行与控制、智能电网技术、电力企业管理等(E-mail:hwliu@js.sgcc.com.cn)；

李虎成(1987—),男，湖北十堰人，工程师，主要研究方向为电网运行与控制、调度自动化；

袁宇波(1975—)，男，江苏丹阳人，高级工程师，主要研究方向为电网运行与控制、继电保护试验和研究；

张小易(1978—)，男，河南许昌人，高级工程师，主要研究方向为继电保护、调度自动化相关技术研究。

(编辑钱 悦)

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

国家重点研发计划资助项目(2016YEB0901104);国家电网公司科技项目(面向特高压交直流大受端电网的大规模负荷精准协调互动控制技术研究)