基于节点电动机最大自起动容量的低压减载量的计算方法与流程
本发明涉及电力系统运行和控制技术领域，尤其涉及一种基于节点电动机最大自起动容量的低压减载量的计算方法。
背景技术：
低压减载作为电力系统安全稳定第三道防线的重要组成部分，是防止系统电压崩溃最直接有效的控制手段，目前，广泛应用的低压减载方案是实行多轮减载，即电压低于预先设定的电压门阀值并满足延长时间时实施多轮次减载，一般减载轮数为2-5轮，每轮减载量的确定一部分是依赖工程人员的经验来确定，一部分根据“模糊理论”、“灵敏度分析”等静态分析方法计算减载量；依赖工程人员的经验来确定减载量对工程人员的专业要求极高且具有较强的主观性，无法推广应用，“模糊理论”、“灵敏度分析”等方法为静态分析方法，无法根据配电网的实时负荷准确计算减载量。
因此，亟需一种能根据配电网的实时负荷准确计算减载量的方法。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明提供一种基于节点电动机最大自起动容量的低压减载量的计算方法，充分考虑配电网中负荷比重较大的感应电动机对配电网电压稳定性的影响，以配电网中感应电动机的实时负荷精确计算各轮次的减载量，实现以最小的减载量换取配电系统的电压稳定，保障电力系统的安全稳定运行。
本发明提供一种基于节点电动机最大自起动容量的低压减载量的计算方法，其特征在于：包括，
s1：计算节点电动机在不同自起动初始转速下所对应的最大自起动容量，其中，所述节点电动机最大自起动容量采用如下方法计算，
s11：计算节点电动机的机械功率pl，所述机械功率pl采用如下方法计算，
pl＝p(aω3+bω2+cω)(1)
其中，pl表示节点电动机的机械功率，p表示预先给定的节点电动机的自启动容量，a、b和c分别表示感应电动机的机械转矩系数，ω表示节点电动机转子电角速度ωr的标幺值，ω＝ωr/ω0，ω0为定子磁场电角速度，
其中，ω的初始值为所述节点电动机的自起动初始转速，
s12：计算节点电动机的电磁功率pm，所述电磁功率pm采用如下方法计算，
其中，pm表示节点电动机的电磁功率，p表示预先给定的节点电动机的自启动容量，u表示节点电压值，rr表示节点电动机转子绕组的等值电阻，xσ表示节点电动机定、转子绕组漏抗之和，s表示节点电动机的转差率，
s13：将所述机械功率pl和电磁功率pm代入如下式子，计算新的节点电动机的转差率s的值，
其中，tj表示节点电动机的惯性时间常数,s表示节点电动机的转差率，pl表示节点电动机的机械功率,pm表示节点电动机的电磁功率,
s14：计算新的节点电动机转子电角速度ωr的标幺值ω，ω＝1-s，其中，s表示步骤s13中的新的节点电动机的转差率，
s15：将s14步的新的节点电动机转子电角速度ωr的标幺值ω代入步骤s11，重复步骤s11、s12、s13和s14，直至pl＝pm，转速恢复至额定转速附近且节点电压在正常运行状态(即u满足0.9un～1.1un的范围)时表示节点电动机机在当前给定的节点电动机的自启动容量下能正常起动，
s16：保持节点电动机的自启动初始转速ω不变，不断增大所述预先给定的节点电动机的自启动容量p的初始值，重复步骤s11至s15，若最终转速下降甚至堵转导致无法恢复至额定转速附近或者甚至导致节点电压失稳，则表示节点电动机机在当前给定的节点电动机的自启动容量下不能正常起动，则节点电动机的最大自启动容量pmax的取值为节点电动机不能正常起动时与所述预先给定的节点电动机的自起动容量p紧邻的前一个所述预先给定的节点电动机的自起动容量p取值；
s2：根据设定的减载轮次总数，确定各减载轮次的节点电动机的自起动初始转速；
s3：根据所述自起动初始转速所对应的最大自起动容量，计算各减载轮次的减载量。
进一步，所述各减载轮次的节点电动机的自起动初始转速的具体值采用时域仿真法获得。
进一步，所述各减载轮次的节点电动机的自起动初始转速采用如下方法确定：
第一减载轮次的节点电动机自起动初始转速ω的对应的最大自起动容量小于减载前节点电动机负荷容量，
最末减载轮次的节点电动机自起动初始转速ω为0p.u.，
倒数第二减载轮次的节点电动机自起动初始转速ω大于0.5p.u.。
进一步，所述各减载轮次的节点电动机的自起动初始转速的取值存在以下关系：ω1>ω2>…>ωn，其中，ω1表示第一减载轮次的节点电动机自起动初始转速，ω2表示第二减载轮次的节点电动机自起动初始转速，ωn表示第n减载轮次的节点电动机自起动初始转速，n表示总的减载轮次数。
进一步，所述各个减载轮次的减载量采用如下方法计算，
采集节点电动机负荷容量，采集所述各减载轮次的节点电动机的自起动初始转速对应的最大自起动容量，计算各减载轮次的减载量，所述各减载轮次的减载量采用如下方法计算，
△p1＝p节-p1
△p2＝p1-p2
...
△pn＝pn-1-pn
其中，△p1为第一减载轮次的减载量，△p2为第二减载轮次的减载量，△pn为第n减载轮次的减载量，p节为减载前节点电动机负荷容量，p1、p2、…、pn-1、pn分别为节点电动机自起动初始转速ω1、ω2、…、ωn-1、0所对应的最大自起动容量。
本发明的有益效果：本发明提供一种基于节点电动机最大自起动容量的低压减载量的计算方法，考虑感应电动机为配电网系统电压崩溃的主要因素，以感应电动机作为主要减载对象，根据配电网中节点对减载精度要求确定减载轮次总数，根据减载轮次总数确定各减载轮次的节点电动机自起动初始转速，进而计算出各轮次减载量，避免减载量过多，从而保证重要负荷的可靠运行，且能够更有效且快速地保证电压稳定，确保系统安全稳定运行。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的是配电网结构图
图2为本发明的配电网简化等值电路图
图3为本发明节点电动机简化等效电路图
图4为本发明的流程框图
图5为图1中节点7电压和感应电动机负荷低压减载动态曲线图(扰动1)
图6为图1中节点7电压和感应电动机负荷低压减载动态曲线图(扰动2)
具体实施方式
以下结合说明书附图对本发明做出进一步的说明：
本发明提供一种基于节点电动机最大自起动容量的低压减载量的计算方法，其特征在于：包括，
s1：计算节点电动机在不同自起动初始转速下所对应的最大自起动容量，
其中，所述节点电动机最大自起动容量采用如下方法计算，
s11：计算节点电动机的机械功率pl，所述机械功率pl采用如下方法计算，
pl＝p(aω3+bω2+cω)(1)
其中，pl表示节点电动机的机械功率，p表示预先给定的节点电动机的自启动容量，a、b和c分别表示感应电动机的机械转矩系数，ω表示节点电动机转子电角速度ωr的标幺值，ω＝ωr/ω0，ω0为定子磁场电角速度，
其中，ω的初始值为所述节点电动机的自起动初始转速，
s12：计算节点电动机的电磁功率pm，所述电磁功率pm采用如下方法计算，
其中，pm表示节点电动机的电磁功率，p表示预先给定的节点电动机的自启动容量，u表示节点电压值，rr表示节点电动机转子绕组的等值电阻，xσ表示节点电动机定、转子绕组漏抗之和，s表示节点电动机的转差率，
s13：将所述机械功率pl和电磁功率pm代入如下式子，计算新的节点电动机的转差率s的值，
其中，tj表示节点电动机的惯性时间常数,s表示节点电动机的转差率，pl表示节点电动机的机械功率,pm表示节点电动机的电磁功率,
s14：计算新的节点电动机转子电角速度ωr的标幺值ω，ω＝1-s，其中，s表示步骤s13中的新的节点电动机的转差率，
s15：将s14步的新的节点电动机转子电角速度ωr的标幺值ω代入步骤s11，重复步骤s11、s12、s13和s14，直至pl＝pm，转速恢复至额定转速附近且节点电压在正常运行状态(即u满足0.9un～1.1un的范围)时表示节点电动机机在当前给定的节点电动机的自启动容量下能正常起动，
s16：保持节点电动机的自启动初始转速ω不变，不断增大所述预先给定的节点电动机的自启动容量p的初始值，重复步骤s11至s15，若最终转速下降甚至堵转导致无法恢复至额定转速附近或者甚至导致节点电压失稳，则表示节点电动机机在当前给定的节点电动机的自启动容量下不能正常起动，则节点电动机的最大自启动容量pmax的取值为节点电动机不能正常起动时与所述预先给定的节点电动机的自起动容量p紧邻的前一个所述预先给定的节点电动机的自起动容量p取值；
s2：根据设定的减载轮次总数，确定各减载轮次的节点电动机的自起动初始转速；
s3：根据所述自起动初始转速所对应的最大自起动容量，计算各减载轮次的减载量。
其中，节点电动机是指配电网中节点所接入的投入运行的感应电动机负荷。接入配电网节点且投入运行的感应电动机在配电网受到电压扰动后，节点电压跌落时，感应电动机出现大量无功功率缺额，感应电动机转速随之下降甚至停转，当运行节点电压恢复时，感应电动机重新升速时感应电动机的转速为节点电动机自起动初始转速，即感应电动机转子电角速度的ωr标幺值的初始值为节点电动机自起动初始转速。
其中，节点电动机的简化等值图如图2所示，节点电动机自起动指的是电动机运行节点电压下降时感应电动机转速随之下降甚至停转，当运行节点电压恢复时节点电动机重新升速的过程。在本实施例中，所述节点电动机的自起动初始转速是为节点电动机转子电角速度ωr标幺值ω的初始值，其取值范围为0p.u.至0.9p.u.，其中节点电动机自起动初始转速是本领域技术人员预先给定，其取值范围为0p.u.至0.9p.u.。感应电动机自起动动态过程是一个有功功率、无功功率、节点电压和转速之间相互耦合出现反馈作用的机电过程：即感应电动机自起动时，初始转速计算出的电磁功率与机械功率存在不平衡，从而引起转速即转差率变化；转差率的变化影响感应电动机等效阻抗的变化，感应电动机等效阻抗的变化引起电流变化，电流的变化影响感应电动机吸收的无功功率，从而引起感应电动机运行电压的变化，同时，电源与负荷间的压降也会因电流的变化而变化，这将会进一步影响感应电动机的运行电压，从而进一步影响电磁功率；转差的变化反过来也影响机械功率的变化。因此，本发明提供的节点电动机的在不同初始转速下的最大自起动容量为感应电机从不稳定状态到稳定状态的过程中，感应电动机稳定状态下的最大自起动容量，这样可以精确计算出配电网中节点电动机在不同自起动转速下的最大自起动容量，便于后续减载量的精确计算。
本发明，考虑感应电动机为配电网系统电压崩溃的主要因素，以感应电动机作为主要减载对象，根据配电网中节点对减载精度要求确定减载轮次总数，根据减载轮次总数确定各减载轮次的节点电动机自起动初始转速，根据节点电动机自起动初始转速对应的节点电动机最大自起动容量计算各轮次减载量，较现有用节点负荷量的百分比确定减载量的方法而言，考虑了配电网节点中的负荷比重，根据节点电动机的自起动初始转速精确计算各轮次的减载量，从而保证重要负荷的可靠运行，在确保节点减载精度的要求下能以最少的减载量快速恢复节点电压，确保系统安全稳定运行。
在本实施例中，所述各减载轮次的节点电动机的自起动初始转速的具体值采用时域仿真法获得。电力系统暂态稳定分析目前主要有两种方法，即时域仿真法(又称逐步积分法)和直接法(又称暂态能量函数法)。时域仿真法将电力系统各元件模型根据元件间拓扑关系形成全系列模型，这是一组联立得微分方程组和代数方程组，然后以稳态工况或潮流解为初值，求扰动下的数值解，即逐步求得系统状态量和代数量随时间的变化曲线，在本实施例中，通过各减载轮次节点电动机自起动初始转速和给定的初始自起动容量为初始值，分析节点电动机从暂态到稳态运行中，节点电动机的最大自起动容量，进而根据减载轮次总数，通过时域仿真法，确定各减载轮次的节点电动机的自起动初始转速。
在本实施例中，所述各减载轮次的节点电动机的自起动初始转速采用如下方法确定：
第一减载轮次的节点电动机自起动初始转速ω的对应的最大自起动容量小于减载前节点电动机负荷容量，
最末减载轮次的节点电动机自起动初始转速ω为0p.u.，
倒数第二减载轮次的节点电动机自起动初始转速ω大于0.5p.u.。
通过实验数据得知，由于节点电动机自起动初始转速在0p.u.到0.5p.u.之间时，对应的节点电动机最大自起动容量的变化量不大，因此在最末减载轮次的节点电动机自起动初始转速为0p.u.，倒数第二减载轮次的节点电动机自起动初始转速ω大于0.5p.u.，通过上述技术方案，达到快速确定各减载轮次的节点电动机自起动初始转速的目的。
在本实施例中，所述各减载轮次的节点电动机的自起动初始转速的取值存在以下关系：ω1>ω2>…>ωn，其中，ω1表示第一减载轮次的节点电动机自起动初始转速，ω2表示第二减载轮次的节点电动机自起动初始转速，ωn表示第n减载轮次的节点电动机自起动初始转速，n表示总的减载轮次数。上述技术方案，达到快速确定各减载轮次的节点电动机自起动初始转速的目的。
在本实施例中，所述各个减载轮次的减载量采用如下方法计算，
采集节点电动机负荷容量，采集所述各减载轮次的节点电动机的自起动初始转速对应的最大自起动容量，计算各减载轮次的减载量，所述各减载轮次的减载量采用如下方法计算，
△p1＝p节-p1
△p2＝p1-p2
...
△pn＝pn-1-pn
其中，△p1为第一减载轮次的减载量，△p2为第二减载轮次的减载量，△pn为第n减载轮次的减载量，p节为减载前节点电动机负荷容量，p1、p2、…、pn-1、pn分别为节点电动机自起动初始转速ω1、ω2、…、ωn-1、0所对应的最大自起动容量。
其中，所述减载轮次总数为2至5轮次，在《电力系统自动低压减负荷技术规定》中提出系统中设置的低压减载装置基本轮可以设置为2至5轮次。
以节点电动机自起动初始转速对应的节点电动机的最大自起动容量为减载量的计算的技术方案，充分的考虑了配电网中节点中各项负载的负荷比重以及各项负载对节点电压降低的敏感程度，相较现有的对节点负荷不叫区分的减载量的计算而言，减载量的计算更加精确，同时能实时反应配电网的负载情况，实现以最小的减载量换取系统电压的稳定，达到保障电力系统安全稳定运行的有益效果。
在本实施例中，接入节点且投入运行的感应电动机为主要减载对象。感应电动机负荷比重较大，当配电系统发生电压扰动时，导致感应电动机无功功率需求增加，进而促使电压稳定性破坏，所以感应电动机为主要减载对象。
在本实施例中，如附图1所示的某实际配电网结构，变压器t1的容量为240mva，变压器t2的容量为63mkva，变压器t3的容量为40mva；感应电动机的参数如下：xm＝3.3pu，xσ＝0.15pu，rr＝0.0127pu，tj＝5s，a＝b＝0，c＝1；基准容量取为12.5mva，具体简化等值图如附图2。其中，额定状态下，节点6的电动机负荷功率为0.95p.u.，恒阻抗负荷功率为0.05p.u.(功率因素为0.75)；节点7的电动机负荷功率为2p.u.，恒阻抗负荷功率为0.5p.u.(功率因素为0.75)。设系统扰动电压
在《电力系统自动低压减负荷技术规定》中提出系统中设置的低压减载装置基本轮可以设置为2至5轮次。在本实施例中，根据配电网中节点对减载精度要求确定减载轮次总数为4，节点总的减载轮次在本实施例中，通过对不同初始转速对应的节点最大自起动容量进行分析，第一轮的自起动初始转速对应的节点电动机最大自起动容量应小于节点感应电动机负荷容量，节点7的感应电动机负荷为功率为2，因此可以选择比减载前节点感应电动机负荷容量小的节点电动机最大自起动容量1.56p.u.和1.93p.u.，在本实施例中，综合考虑节点对减载精度的要求和减载后电压恢复的速度，选择首轮减载节点电动机自起动初始转速为0.8p.u.；最末轮减载节点电动机自起动初始转速为0p.u.对应的节点电动机最大自起动容量最小；自起动初始转速从0～0.5p.u.对应的节点电动机最大自起动容量变化不大，则倒数第二轮的自起动初始转速设置为0.6p.u.；
首轮减载节点电动机自起动初始转速为0.8p.u.，倒数第二轮的自起动初始转速设置为0.6p.u.，根据减载轮次总数的n-1次，即3轮次，在0.8p.u.至0.6p.u.之间均匀分配自起动转速，则依次为首轮减载自起动初始转速为0.8p.u.，第二轮减载自起动初始转速为0.7p.u.，第三轮减载自起动初始转速为0.6p.u.，最末轮减载自起动初始转速为0p.u.。
减载量通过计算分别为0.44p.u.、0.38p.u.、0.17p.u.、0.13p.u.，每轮的动作电压分别为0.89p.u.、0.86p.u.、0.83p.u.、0.8p.u.，级差为0.03p.u.动作延时分别为0.9s、1.1s、1.3s、1.5s，每轮次动作电压和动作延时根据时域仿真，并根据时域仿真的结果选取最优值。
在图2所示的配电网简化等值电路图中设置传统减载方案，其中，减载轮次、动作电压、延迟时间均与本发明设置一致，第一轮至第四轮减载百分比分别为15％、10％、10％、5％，换算成减载量为0.375、0.25、0.25、0.125。
在图2所示的配电网简化等值电路图中设置两个系统电压u0扰动：
(1)2s≤t≤2.3s时，系统电压下降至0.4，t>2.3s后系统电压恢复；
(2)2s≤t≤4s时，系统电压下降至0.3，t>4s后系统电压恢复。
如图2所示的配电系统在电压扰动1作用下，节点7采用传统减载2轮后电压稳定，减载量为0.625；节点7采用本专利的减载方案，首轮减载后电压稳定，减载量为0.44；节点7电压和感应电动机负荷低压减载动态曲线如附图5所示。从图5可知，本专利的低压减载方法较传统减载方法电压恢复速度更快，更有效且快速地保证电压稳定，确保系统安全稳定运行，且减载量比传统减载量小，实现了有效控制减载量，避免减载量过多，即切除过多负荷，保证重要负荷的可靠运行，从而实现节点电压的快速恢复，保障电力系统的安全稳定运行。
如图2所示的配电系统在电压扰动2作用下，节点7常规减载四轮后仍失稳，减载量为1；节点7采用本专利的减载方案减载四轮后电压稳定，减载量为1.12；节点7电压和感应电动机负荷低压减载动态曲线如附图6所示。从图6可知，本专利的低压减载方法较传统减载方法，更能有效保证电压稳定，确保系统安全稳定运行。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
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