基于实时仿真的稳控系统切负荷建模方法

陈勇

（云南电网有限责任公司电力科学研究院，云南 昆明 650217）

0 前言

随着电力系统安全稳定性和供电可靠性要求的提高，电力系统安全稳定控制系统（以下简称“稳控系统”）在全国各电网得到普遍应用，并成为电网日常运行不可或缺的重要组成部分。电力系统安全稳定控制系统规模庞大、装置数量众多，控制策略复杂多变，必须通过RTDS试验系统进行动态仿真测试，以确保系统运行的可靠性[1-4]。

稳控系统在执行切负荷策略时，一般需要配置一个或多个切负荷执行站，实施对地区负荷的分级分轮切除，以确保切负荷量能够最优化匹配到切负荷控制站计算的总切负荷容量。切负荷执行站一般需要采集本站多达16回110 kV/35 kV/10 kV负荷线路或主变低压侧分支，并具备对每条线路配置单独的切除控制出口，因此系统接线规模极为庞大。

长期以来，在试验室搭建稳控试验系统时，由于实时仿真系统规模和试验装置配置数量的限制，对稳控系统中实际存在的大量切负荷执行站没有配置或仅部分配置，系统的策略仅验证到稳控系统的切负荷控制站，稳控控制策略的动作结果并没有反馈回由实时仿真系统构建的一次系统中以形成真正的闭环测试，试验结果的可信度不高；在某些网架比较薄弱的区域，为了考察稳控系统切负荷策略动作后系统的频率和电压是否能够快速恢复到稳定水平，需要精确地模拟稳控系统切负荷执行站分级分轮切负荷的功能，实现切负荷的最优化控制，以验证稳控系统控制策略的有效性；如果完全配置稳控系统的切负荷执行站，则仿真试验系统将极为庞大和繁琐，仿真试验的效率不高[5-7]。

因此，针对现有稳控系统动态仿真试验技术的不足，提供基于实时仿真系统的稳控系统切负荷建模方法以克服现有技术不足甚为必要。

1 系统结构

该系统包括如下结构：

1）模型建立单元，用于从电力仿真数据库获取预置运行方式下切负荷执行站中各个负荷的有功功率、无功功率和负荷轮次整定值，根据各个负荷的有功功率、无功功率和负荷轮次整定值建立切负荷执行站仿真模型；

2）切负荷计算单元，用于接收切负荷控制站发送的切除轮次，将负荷轮次整定值大于切除轮次、负荷轮次整定值为0或有功功率小于0的负荷设置为初始负荷；

3）初始计算单元，用于将各个初始负荷的有功功率相加得到初始负荷总有功功率，将各个初始负荷的无功功率相加得到初始负荷总无功功率。

4）综合计算单元，用于根据初始负荷总有功功率和初始负荷总无功功率建立ZIP综合负荷模型，通过ZIP综合负荷模型的通用公式计算切负荷执行站仿真模型的并联负荷实时有功功率和并联负荷实时无功功率。

5）切负荷计算单元，具体用于接收切负荷控制站发送的初始符合，切除轮次之前，切负荷执行站仿真模型中的所有负荷皆为初始负荷，接收切负荷控制站发送的切除轮次之后，将负荷轮次整定值大于切除轮次、负荷轮次整定值为0或有功功率小于0的负荷设置为初始负荷，其余负荷为非初始负荷，将非初始负荷的有功功率和无功功率锁定为0。

6）电力仿真数据库包括：BPA电力系统数据库和稳控系统装置定值数据库。

2 建模方法

基于实时仿真的稳控系统切负荷建模方法，首先从稳控系统和电网仿真数据库中获取负荷轮次整定值和可切负荷等数据，由切负荷轮次计算模块、实时负荷容量计算模块结合锁存的稳控系统切负荷动作信号，将按轮次被切除的负荷从本站负荷中扣除，形成实时的本站初始负荷容量；最后通过计及频率和电压影响的综合负荷计算模块最终输出本站并联负荷实时的有功功率和无功功率。

电网仿真数据库包括但不限于常用的仿真软件电力系统数据等，其潮流计算结果包含了当前运行方式下各执行站负荷的有功功率和无功功率值，通过实时仿真软件的滑块元件（slider）将相应的数据输入到对应的模型负荷变量名称中。同样地，根据各切负荷执行站装置的实际整定值，将各站的负荷轮次整定值数据同样以slider的形式输入到模型对应的输入变量中。

通过上述实时仿真系统的稳控系统切负荷建模方法所建立的仿真模型能够在同一个实时仿真系统中多次重复地使用。如一个稳控系统存在A、B、C和D共4个切负荷执行站，那么就在这4个执行站对应的母线上建立4个同样的模型，除了模型的变量名称不同，其内部逻辑完全相同。各站的负荷轮次整定值数据和可切静态负荷数据，依据实际存在的稳控系统分别配置，从而能获取切负荷执行站的各自的并联负荷输出，实现同时模拟多个切负荷执行站功能的目的。

稳控系统的动作输入，为了保证稳控系统动作时序的有效性，一般取自切负荷控制站的装置动作信号输出接点；有条件时，可以搭建稳控系统中任一切负荷执行站并与切负荷控制站通信，以其切负荷动作输出接点作为实时仿真平台的输入接点，则时序模拟的准确度更高。实时仿真平台通过开关量输入板卡接收该动作信号，并通过触发器锁存，在切负荷动作期间保持被切除的负荷有功功率和无功功率始终为0；当且仅当手动复归动作信号后，才将被切除的负荷功率值恢复到给定的初始值。

3 切负荷计算方法

稳控系统切负荷动作轮次，通过预先计算的方法，通过slider的形式输入到切负荷模型的对应变量，记为sl_set，各负荷轮次定值记为sl_loadx(x为数值编号，范围为0~16，以下同)。切负荷轮次计算模块比较各负荷轮次与sl_set的大小，当sl_loadx=0(负荷不可被切除)或sl_loadx＆gt;sl_set，输出允许统计本负荷的标志flg_lx，其逻辑表达式为：

初始负荷容量计算模块，首先从上述的变量输入中获取原始的负荷有功功率Plx和无功功率Qlx，之后统计获取的各负荷Plx是否满足Plx＆gt;0，若Plx≤0，则认为其为上网机组，直接统计为初始负荷。结合切负荷轮次计算模块输出的flg_lx标志，决定各负荷是否被统计为初始负荷，各负荷初始有功功率Plsx和初始无功功率Qlsx可由以下逻辑表达式统计：

本站初始负荷计算的总逻辑图如图2所示，逻辑图中的变量名称如上定义。计算出各个负荷的初始值后，对其有功功率和无功功率分别求和，则得出最终的本站初始负荷容量P0和Q0。特别地，当稳控系统没有发出切负荷动作命令时，flg_lx均满足flg_lx!=0，所以此时的本站初始负荷就包含了本站的所有负荷。

图1 基于实时仿真的稳控系统切负荷建模方法示意图

图2 初始负荷计算方法的逻辑示意图

根据初始负荷容量计算模块计算得到的初始负荷容量P0和Q0，建立起由恒阻抗负荷（Z）、恒电流负荷（I）和恒功率负荷（P）组成的ZIP综合负荷模型，并考虑到频率和电压的影响，根据以下公式，就可以计算出本站并联负荷实时的有功功率P和无功功率Q：

其中，V表示实际电压，V0表示基准电压，P0表示总的有功负荷，Q0表示总的无功负荷，P1、P2、P3分别表示恒阻抗、恒电流、恒功率有功负荷所占比例，Q1、Q2、Q3分别表示恒阻抗、恒电流、恒功率无功负荷所占比例，且有P1+P2+P3=1，Q1+Q2+Q3=1；

Δf表示频率变化百分数，LDP表示频率变化1%引起的有功变化百分数，LDQ表示频率变化1%引起的无功变化百分数。

4 结束语

基于实时仿真的稳控系统切负荷建模方法，以电网仿真数据库的负荷数据替代了稳控系统切负荷执行站的负荷采集数据域，以稳控系统的切负荷动作信号作为模型的动作时序基准，利用实时仿真系统的逻辑和算法处理，精确地计算出稳控系统动作前后各切负荷站点实时的负荷数值，并考虑了系统故障过程中频率和暂态电压变化的影响。该模型能够精确模拟稳控系统切负荷执行站的分轮次切负荷功能，简化了稳控实时仿真试验系统的接线和配置，提高了仿真试验的效率；同时，所形成的稳控系统切负荷模型使得稳控切负荷控制站与实时仿真系统形成闭环试验系统，并从动作时序上保证系统控制策略执行的有效性，从而能够获得更加准确可信的测试结果。