本发明属于电力系统
技术领域：
，涉及一种低频低压减载方法。
背景技术：
：低频低压减载是保证电力系统安全稳定运行的最后一道防线，是一种维系电网功率平衡、防止电力系统频率与电压剧烈下降的有效控制方法。近年来电力系统规模不断扩大，网络构架越来越复杂，电力系统供电的安全可靠性也面临着巨大挑战。现有的传统低频低压减载方法在电力系统频率和电压下降到预先设定值时切除负荷，容易出现过切或欠切，造成经济损失；同时强制停止对减载线路供电，不考虑用电用户的参与性与能动性，影响用户生活质量，已经不能满足电网需求。技术实现要素：本发明的目的是，提供一种可以在电力系统受到扰动后快速有效地抑制频率和电压的跌落甚至崩溃，且切负荷量少经济损失小的低频低压减载方法。本发明的技术方案如下：一种基于智能家电的电力系统智能化低频低压减载方法，包括下列步骤：1)实时监控电力系统中各母线频率、电压和智能家电负荷的运行状态；2)当监控到系统中发生大扰动后，判断系统的频率和电压是否下降到预先设定的减载动作值，一旦达到减载动作值，就利用系统中发电机机端频率和频率变化率在控制中心计算出系统惯性中心频率及其频率变化率，得到系统中的功率缺额并确定系统应切负荷量；3)启动智能家电负荷减载模块系统扰动发生后，控制中心做出减载决策，向智能家电负荷发出控制信号，智能家电负荷接到控制信号后主动响应：电冰箱负荷上调冷藏室的温度设定范围Tset_refrigerator，瞬时关停一部分正在运行的冰箱；同时电热水器负荷下调自身温度设定范围Tset_waterheater，瞬时关停一部分正在工作的电热水器；再通过双向通信功能将电冰箱负荷的功耗变化量ΔPrefrigerator、无功功率变化量ΔQrefrigerator，电热水器负荷的功耗变化量ΔPwaterheater传回控制中心，智能家电负荷减载结束后，若控制中心判断出此时系统的频率和电压仍然没有恢复到正常状态，则需要继续进行减载；4)启动低频低压减载若智能家电减载不能使系统频率和电压恢复正常运行范围，频率和电压继续下降至低频低压减载的预先设定值，则启动低频低压减载，低频减载方案由基本轮和特殊轮组成，并且每轮都要带适量的延时用来防止其误动，特殊轮是应对系统在基本轮减载结束后系统频率没有恢复正常范围却处于一个不正常的数值上而设置；在系统发出启动低频低压减载命令后，根据剩余减载量依次启动低频减载的基本轮和特殊轮切除负荷，直至频率恢复到正常运行范围内，在每轮低频切负荷中都嵌入一个低压减载模块，方法如下：①根据母线的电压无功曲线在控制中心将各个节点按无功裕度大小进行排序，确定每个节点无功功率裕度，实时更新排序，并与系统状态估计的时间常数保持一致；②在低频减载的每一轮中利用低压减载模块选择要切除的负荷，低压模块首先要切除的负荷是电压值在0.8p.u.以下的负荷，当切负荷量超过本轮的应切负荷量时，根据步骤①里的排序首先切除电压无功裕度比值较小的负荷；如果电压在0.8p.u.以下的负荷总量小于本轮的应切负荷量，那么就要考虑切除电压值在0.8p.u.到0.85p.u.范围内的负荷；同样，如果切负荷量超过了本轮剩余的应切负荷量，那么根据步骤①里面的排序切除电压无功裕度比值较小的负荷；如果电压在0.8p.u.到0.85p.u.范围内的负荷总量小于本轮剩余的应切负荷量，那么就要考虑切除电压值在0.85p.u.到0.9p.u.范围内的负荷，直到本轮次的应切负荷量全部切完，才继续进行低频减载的下一轮切负荷；5)系统的频率和电压恢复到正常范围内，减载结束。依据智能化低压低频减载方案，当受扰动的系统频率下降到减载动作值后，减载装置动作，按预先设定依次切除负荷。基于智能家电的智能化低频低压减载方法能使系统受扰动失稳后的系统频率、各节点电压更快、更好地恢复到正常运行范围内。而且智能家电负荷减载模块可以使减载中的切负荷总量比一般减载方法少，减少了经济损失，提高了用户的参与度。并且低压减载模块可以使受扰动后的系统电压水平恢复至正常运行范围内。附图说明图1冷藏室温度为的功率曲线图2冷藏室温度为的功率曲线图3正常工作时单台电冰箱的开关状态图4接受上调命令后电冰箱的开关状态图5冰箱聚合体正常运行时的功率图6调后的冰箱聚合体的功率图7上调后1min内每秒停运的冰箱数量图8电热水器聚合体正常运行时的功率图9电热水器聚合体在400min时下调5℃的功率图10智能化低频低压减载策略流程图图11低压减载模块流程图图12IEEE10机39节点测试系统图13故障后的系统频率图图14故障后的节点电压图图15传统减载方法减载后的系统频率图图16传统减载方法减载后节点7的电压图图17智能化低频减载后的系统频率图图18智能化低频减载方法减载后的节点7的电压图图19智能化低频低压减载方法减载后的系统频率图图20智能化低频低压减载方法减载后的节点电压具体实施方式相量测量单元的推进、通讯系统的进步、智能电网和智能化设备的发展为传统低频低压减载方法提供了新的发展方向。借助向量测量单元的全局观测能力，得到系统的功率缺额情况，及时制定并实施相应的减载方案。并且向量测量单元可以监视系统电压薄弱点，从而以全局视角来选择合适的切负荷点和切负荷量。同时，智能家电具有与电网控制中心直接或者间接通讯的功能，可以根据电网运行要求主动调节运行状态。尤其是在电网频率因电力供需不平衡而降低时，智能家电可以及时减少其功率消耗水平甚至停止运行，用户可以通过智能家电对电网运行要求做出积极的响应，这有助于低频低压减载的进行。下面首先对本发明的技术方案进行更为详细的说明。(1)构建电冰箱聚合体和电热水器聚合体的热力学模型和动力学模型；本发明选择智能家电中的电冰箱和电热水器为研究对象，原因是：电冰箱和电热水器可以通过温度调节来控制自身运行状态；收到控制信号后可以快速响应；短时切断不会影响用户的舒适度；负荷比重大足以对系统的运行产生影响。对电冰箱的运行特性的模拟需要建立温度动态模型用以描述电冰箱与环境的能量交换。当电冰箱冷藏室温度大于等于设置温度上限时，电冰箱处于制冷状态，冰箱功率值非零，温度曲线下降；当电冰箱冷藏室内温度小于等于设置温度下限Tlower时，电冰箱处于停止制冷状态，电冰箱功率为零，冷藏室内的温度自然回升，温度曲线上升；而当冷藏室温度处于设定温度区间内时，电冰箱负荷保持原有状态不变，如图1所示。其中实线代表电冰箱冷藏室内的温度，虚线代表电冰箱的功率。为使电冰箱的功率消耗对电网的运行状态产生影响，需要多个电冰箱共同作用，将接受系统控制信号并响应于相同减载控制策略的多个电冰箱组成的总体称为电冰箱聚合体，其参数如表1所示。假设电冰箱聚合体中所有冰箱型号相同(大小相同，热电导相同，额定功率相同，制冷效率相同)。由于每个用户冰箱内储存食物种类的不同，故每台电冰箱的热容量不同，仿真中假设热容量在7.9kWh/℃到32kWh/℃之间平均分布。电冰箱冷藏室的温度变化范围是5℃到8℃，假设冰箱在仿真开始时刻的温度是在这个范围内平均分布的。其中，所述的电冰箱聚合体热力学模型具体为：其中表示在时间tn时电冰箱冷藏室内的温度；表示在时间tn+1时电冰箱冷藏室内的温度；Tout表示电冰箱冷藏室外的温度；τ代表时间常数，且τ＝tn+1-tn；η表示电冰箱制冷效率；A表示热电导；mc表示电冰箱的热容量；qi表示电冰箱功率需求(W)；qi表示电冰箱的功率需求；为了研究电冰箱在低频低压减载中的应用，建立电冰箱负荷的动力学模型很有必要。从机械组成上讲，电冰箱基本上是由消耗系统大部分有功和无功的异步电动机构成的。本发明采用Karlsson-Hill模型作为电冰箱的动力学模型，其模型表达式如下试所示，其模型参数如表2所示。将上式中所有的符号P替换为Q即为无功模型。对电热水器的运行特性的分析需要建立温度动态模型用以描述电热水器与环境以及注入冷水的热量交换。当热水器水箱中水温小于等于设置温度下限Tlower时，热水器处于加热状态，热水器功率值非零，温度曲线上升；当热水器水箱内水温大于等于设置温度上限Tupper时，热水器处于关闭状态，热水器功率值为零，温度曲线下降；当热水器水温处于设定温度范围内，热水器保持原有状态不变，如图2所示。其中实线代表热水器水箱内的水温，虚线代表热水器的功率。其中，所述的电热水器聚合体热力学模型具体为：电热水器的热力学模型表示如下：当电热水器注入冷水后，水箱中的水温为：其中表示在时间tn时电热水器水的温度；表示在时间tn+1时电热水器水的温度；τ表示时间常数，且τ＝tn+1-tn；Tout表示注入热水器中的水的温度；Tnow表示热水器中水箱现在的水温；mn表示热水器在tn时注入的凉水量；un代表热水器的开关状态，1代表开，0代表关；M代表热水器总的容积；R代表热水器的等值热电阻；C代表热水器的热容；Q代表热水器容量。为使电热水器的功率消耗对电网的运行状态产生影响，需要多个电电热水器共同作用，参照电冰箱聚合体的方式定义电热水器聚合体，其参数如表5所示。热水器聚合体中均为储水式电热水器，假设其模型拟合参数Q、R、C以Q0、R0、C0为均值呈均匀分布。热水器水箱中的水温变化范围是45℃到55℃，并且假定仿真开始时热水器的起始温度是在这个范围内平均分布的。在下文仿真中电热水器的动力学模型为恒阻抗负荷。热水器聚合体的具体参数如表3。(2)构建智能家电负荷减载模块将智能家电负荷的控制应用于电网安全稳定的第三道防线中的低频低压减载措施中，考虑的是短时间内智能家电负荷的潜在可调节容量。对于电冰箱而言，由于用户开门和食品放入操作具有随机性、短时次数有限、引起功耗不大的特点而忽略其影响。本发明假设短时间内影响大量电冰箱负荷功耗的因素主要包括室外温度和冷藏室温度设定范围，其中室外温度是不可调量。故本发明通过调节电冰箱冷藏室的温度设定范围Tset(Tlower:Tupper)来控制压缩机开停，调节电冰箱的功耗，利用电冰箱负荷的潜在可调节容量来进行智能化减载。电冰箱在关断状态下，冷藏室温度在短时间内变化很小，冰箱内食物不会腐坏，基本不会对用户的舒适度产生影响，这就是智能化减载相对于传统减载具有的优势。利用电冰箱负荷的主动需求响应来代替传统减载中被动切负荷，不仅提高了用户的舒适度和参与度，而且也减少了不必要的经济损失。单台电冰箱冷藏室温度设定为Tset1(5℃～8℃)时温度和功率曲线如图1所示，而电冰箱冷藏室温度设定为Tset2(6℃～9℃)时温度和功率曲线如图2所示。当电冰箱功率为180W时，电冰箱压缩机处于“运行”状态；当电冰箱功率为0W时，电冰箱压缩机处于“停止”状态。对比图1和图2可以看出：同一台电冰箱，当其冷藏室温度设定范围提高1℃时，电冰箱压缩机的开关次数降低，电冰箱的负荷水平明显降低。当系统受到扰动后频率或电压下降超出正常运行范围时，控制中心向电冰箱负荷发出控制信号将其冷藏室温度设定范围上调，理论上一部分处于制冷状态的压缩机将会停止工作，使系统中有功负荷和无功负荷同时减小，有利于系统频率恢复，电压恢复。下面来看这样一种情况：冷藏室温度设定为Tset1(5℃～8℃)的单台冰箱正常工作时压缩机开关状态如图3示；若此台冰箱在785min时接到系统控制信号后将冷藏室温度设定范围上调1℃即变为Tset2(6℃～9℃)，其压缩机开关状态如图4所示。对比图3和图4可知：正常运行的电冰箱在785min～797min时压缩机原本是处于运行状态，如图3中点x＝797所示，而当它在785min接受系统上调Tset命令后，电冰箱压缩机因冷藏室温度达到新范围设定的温度下限而关断，如图4中点x＝785所示。通过仿真可以得到：单台冰箱在接到控制信号后上调冷藏室温度可以使其正在制冷的压缩机停止运行。接下来以参数设置如表3、数量为1000台的冰箱聚合体作为仿真对象，研究冰箱聚合体在接受系统上调冷藏室温度命令后其潜在负荷调节容量。随机选取一个时间点调整冰箱聚合体的冷藏室温度范围，下面以779min为例来分析，图7为在779min时收到将冰箱冷藏室温度范围上调1℃变为Tset2(6℃～9℃)的命令后冰箱聚合体消耗的功率。对比图5和图6可以看出：当冰箱聚合体在779min接受系统上调Tset命令后，电冰箱聚合体将关闭一部分正在运行的压缩机，使其功率消耗降低，这部分减少的功率就是减载容量。当电力系统发生严重故障时，系统频率或电压会在几秒到几分钟内速降，因此智能家电负荷参与低频低压减载时，必须在接到减载命令后的一分钟甚至几秒内响应才能达到减载效果，否则将不能挽救系统频率或电压崩溃。下面研究电冰箱聚合体接到系统减载命令，冷藏室温度上调1℃后一分钟内的冰箱聚合体负荷精细到秒级的详细变化。图7将冰箱聚合体冷藏室温度范围上调后的1min以1s为步长进行仿真，统计其每一秒相对正常运行状态下停止运行的冰箱数量。可以看出在温度上调后的1s内冰箱聚合体中的运行数量有大幅下降，之后的几十秒变化不大。所以冰箱聚合体收到减载指令后就能迅速响应，达到减载效果。同样，电热水器负荷的控制方法与电冰箱负荷基本相同，以电热水器聚合体为研究对象，通过调整热水器水温的调节范围Tset(Tlower:Tupper)来控制电热水器负荷的功耗。如图8为1000台电热水器组成的聚合体正常运行时的功率，图9为在400min时收到调节Tset(Tlower:Tupper)信号后，由45-55℃下调到40-50℃的功率。由图8和图9对比可知，当Tset下调后，电热水器聚合体将关闭部分正在运行的热水器，使其功率消耗降低，这部分减少的功率就是减载容量。(3)、构建基于智能家电的电力系统智能化低频低压减载方法通信系统的进步、需求侧响应技术的发展和智能电网背景下智能家电的推广应用为传统的减载方法提供了新的发展方向。本发明提出一种基于智能家电负荷的智能化低频低压减载方法如图10所示，它是以自适应低频减载方案为基础并增加智能家电负荷减载模块和低压减载模块而成，具体步骤如下：1)实时监控电力系统中各母线频率、电压和智能家电负荷的运行状态。2)当监控到系统中发生大扰动后，判断系统的频率和电压是否下降到预先设定的减载动作值，一旦达到减载动作值，就利用系统中发电机机端频率和频率变化率在控制中心计算出系统惯性中心频率及其频率变化率，得到系统中的功率缺额并确定系统应切负荷量。3)启动智能家电负荷减载模块。系统扰动发生后，控制中心做出减载决策，向智能家电负荷发出控制信号。智能家电负荷接到控制信号后主动响应：电冰箱负荷上调冷藏室的温度设定范围Tset_refrigerator，瞬时关停一部分正在运行的冰箱；同时电热水器负荷下调自身温度设定范围Tset_waterheater，瞬时关停一部分正在工作的电热水器。再由需求侧响应技术的双向通信功能将电冰箱负荷的功耗变化量ΔPrefrigerator、ΔQrefrigerator，电热水器负荷的功耗变化量ΔPwaterheater传回控制中心。智能家电负荷减载结束后，若控制中心判断出此时系统的频率和电压仍然没有恢复到正常状态，则需要继续进行减载。4)启动低频低压减载。若智能家电减载不能使系统频率和电压恢复正常运行范围，频率和电压继续下降至低频低压减载的预先设定值，则启动低频低压减载。低频减载方案由基本轮和特殊轮组成，并且每轮都要带适量的延时用来防止其误动。特殊轮是应对系统在基本轮减载结束后系统频率没有恢复正常范围却处于一个不正常的数值上而设置。在系统发出启动低频低压减载命令后，根据剩余减载量依次启动低频减载的基本轮和特殊轮切除负荷，直至频率恢复到正常运行范围内。重点是在每轮低频切负荷中都嵌入一个低压减载模块，流程图如图11所示，具体步骤如下：①根据母线的电压无功曲线在控制中心将各个节点按无功裕度大小进行排序。对每个节点进行VQ曲线分析，确定每个节点无功功率裕度，无功裕度小的节点的电压稳定性比较薄弱。这个排序每几分钟需要根据系统的拓扑结构和运行方式更新一次，并与系统状态估计的时间常数保持一致。②在低频减载的每一轮中利用低压减载模块选择要切除的负荷。低压模块第一轮要被切除的负荷是电压值在0.8p.u.以下的负荷。当这部分负荷量超过本轮的应切负荷量时，根据步骤①里的排序首先切除电压无功裕度比值较小的负荷。如果电压在0.8p.u.以下的负荷总量小于本轮的应切负荷量，那么就要考虑切除电压值在0.8p.u.到0.85p.u.范围内的负荷。同样，如果切负荷量超过了本轮剩余的应切负荷量，那么就要根据步骤①里面的排序切除电压无功裕度比值较小的负荷。如果电压在0.8p.u.到0.85p.u.范围内的负荷总量小于本轮剩余的应切负荷量，那么就要考虑切除电压值在0.85p.u.到0.9p.u.范围内的负荷。直到本轮次的应切负荷量全部切完，才继续进行低频减载的下一轮切负荷。5)系统的频率和电压恢复到正常范围内，减载结束。总体来说，基于智能家电的智能化低频低压减载方法的执行主要分为两个部分，首先使用智能家电减载，如果智能家电减载不能使系统频率和电压恢复正常运行范围，则继续进行低频低压减载，直至系统频率和电压恢复到正常的运行范围。下面以具体的试验来基于智能家电的智能化低频低压减载模块的可行性，通过对三种不同减载方式的减载效果进行仿真说明与比较，说明本专利提出方法的优越性。本发明采用IEEE10机39节点测试系统进行基于智能家电负荷的低频低压减载方法的仿真验证。IEEE10机39节点测试系统接线结构如图12所示。系统在3、4、7、8、12、15、16、18、20、21、23、24、25、26、27、28、29、31、39母线上布置了低频低压减载装置。在仿真中设置故障：在t＝5s时系统负荷水平突增到正常运行水平的1.28倍，即系统突然增加1722MW的有功功率。系统频率和电压均跌落到正常范围以外，如图13和14所示。系统受到上述扰动后，为恢复系统频率和节点电压水平，分别实施三种减载方法：①传统减载方法：无智能家电负荷减载模块，无低压减载模块；②智能化低频减载方法：有智能家电负荷减载模块，无低压减载模块；③基于智能家电的智能化低频低压减载方法：有智能家电负荷减载模块，有低压减载模块。为使比较更加明显，选择节点7为参考节点，以节点7的电压及频率变化情况来对三种减载方法的实际效果来验证本发明提出的基于智能家电的智能化低频低压减载方法的可行性与优越性。传统减载方法的设计与仿真传统减载方法以自适应减载方法为基础进行设计，包括基本轮和特殊轮。为使受扰动系统能在系统跌落到较高频率值时就能有效抑制其频率的下降，故对不同的减载轮次分配不相等的减载量，具体方案设计如表4所示。根据表4设计的减载方案，当受扰动的系统频率下降到减载动作值后，减载装置动作，按预先设定依次切除负荷，减载后的系统频率波形如图15所示，节点7电压波形如图16所示。由仿真结果可知：①基本轮动作三轮，动作时间为10.0497s、12.2497s、23.6997s。特殊轮动作两轮，动作时间为39.0197s，41.6997s。本次减载共切除有功功率1706.8MW。②在减载过程中，系统频率在23.6s时出现最低点为48.85Hz，最终系统频率稳定在49.92Hz处。减载结束后各节点电压有一定程度的回升，但依然有一部分节点的电压水平处于正常范围之外。智能化低频减载方法的设计和仿真智能化低频减载方法的方案设计如表5所示。基于对国内电冰箱和电热水器的调研，假设冰箱工作功率为180W，热水器工作功率为4.5KW。为使智能家电负荷的开断行为能达到影响系统运行状态的效果，假定每个负荷节点的智能家电负荷量占节点负荷总量的5％，且每个节点智能家电负荷都依照电冰箱聚合体参数如表1和电热水器聚合体的参数如表3进行仿真。根据表5设计的减载方案，当受扰动的系统频率下降到减载动作值后，减载装置动作，按预先设定依次切除负荷，减载后的系统频率波形如图17所示，节点7电压波形如图18所示。由仿真结果可知：①智能家电负荷减载在9.5998s动作，其中电冰箱负荷可调功率损耗为116.24WM，热水器负荷可调功率损耗为259.2MW。②基本轮动作两轮，动作时间为10.1498s、13.8997s，特殊轮动作两轮，动作时间为42.3497s、47.8997s，共切除有功功率1158.96MW。③在减载过程中，系统频率在14.05s时出现最低点为49.04Hz，最终系统频率稳定在49.98Hz处。减载结束后其电压水平有小幅上升，但依然有大部分母线电压并未恢复正常水平。基于智能家电的智能化低频低压减载方法的设计和仿真基于智能家电的智能化低频低压减载方案是在表5所示的设计方案基础上添加了低压减载模块，即在低频减载的每一轮中利用低压减载模块选择要优先切除的负荷，包括其有功部分和无功部分，如图19所示。依据智能化低压低频减载方案，当受扰动的系统频率下降到减载动作值后，减载装置动作，按预先设定依次切除负荷，减载后的系统频率波形如图20所示，节点7电压波形如图20所示。由仿真结果可知：①智能家电负荷减载在9.5998s动作，其中电冰箱负荷可调功率损耗为114.4WM，热水器负荷可调功率损耗为312.1MW。②基本轮动作四轮，动作时间为10.0497s、11.1497s、12.0498s、14.6498s，特殊轮不动作，共切除有功功率1247.15MW。③在减载过程中，系统频率在14.7s时出现最低点为48.4Hz，最终系统频率稳定在49.9Hz处。经过智能化低频低压减载后其电压水平迅速回升，减载结束后母线电压恢复到0.945p.u.～1.045p.u.，属于正常运行范围。通过比较以上三种减载方法的仿真结果可知：①基于智能家电的智能化低频低压减载方法能使系统受扰动失稳后的系统频率、各节点电压更快、更好地恢复到正常运行范围内。②智能家电负荷减载模块可以使减载中的切负荷总量比一般减载方法少，减少了经济损失，提高了用户的参与度。③低压减载模块可以使受扰动后的系统电压水平恢复至正常运行范围内。表1电冰箱聚合体的参数表2单台冰箱的动力学模型参数参数数值参数数值Tp0.2465Tq0.6861Pv0.01qv0.3959Pt6.305qt11.9746表3电热水器聚合体的参数表4传统减载方法的设计方案表5智能低频减载方法的方案设计当前第1页1 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