专利名称：一种提高电网频率安全稳定性的优化方法
技术领域：
本发明属于电力系统领域，具体涉及一种利用直流线路和抽水蓄能电站提高电网频率安全稳定性的优化方法。
背景技术：
电力系统稳定运行的重要标志之一是系统频率稳定。频率稳定是指电力系统发生有功功率扰动后，系统频率能够保持或恢复到允许的范围内，不发生频率崩溃的能力。如果系统发生频率失稳，将导致大面积的停电事故，后果严重。随着电力系统发电和输电技术的发展，目前单台机组最大容量达到100万千瓦，单条特高压交流线路输电能力达到500万千瓦，而未来投运的特高压直流线路输电能力将达到800万千瓦，一旦发生故障将造成巨大的功率缺额。尽管电网的规模也在不断增大，但是面对如此大容量的有功功率缺额时，系统频率稳定风险在不断加大。目前，提高电网频率稳定性的运行手段和控制措施包括增加机组旋转备用容量、配置高周切机保护装置和低频减负荷装置等，但这些措施均存在明显的不足。增加机组旋转备用容量的措施可以在故障后电网频率下降时利用机组的调频功能增加机组出力以提高电网频率稳定水平，但将导致机组在正常运行中长期无法满出力运行，降低电厂的发电效率；配置高周切机保护装置的措施可以在电网频率升高到一定程度时由保护装置自动切除机组，但切除机组将减少系统的总转动惯量和局部地区的电压支撑能力从而对系统稳定不利；配置低频减负荷装置措施属于电力系统第三道防线的范畴，是电力系统最基本和重要的保护措施，它在电网频率低于一定的门槛值后分轮次切除一定的电网负荷，这样虽然尽可能避免了系统的崩溃，但是损失大量负荷导致的停电将给社会生产和居民生活带来极大的影响。由于现有的提高频率稳定性的运行手段和控制措施存在着以上诸多不足，本发明提出了一种利用电网中的直流线路和抽水蓄能电站提高电网频率稳定性的优化方法，通过能够在保证系统频率稳定的同时减少对电厂运行和用电负荷的影响。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提出一种既能够保证系统频率稳定，还可以减少对电厂运行、用电负荷影响的优化方法。该方法尤其适用于含有直流线路和抽水蓄能电站的电力系统，不仅提高了电厂的发电效率和经济效益，还减少用电负荷损失带来的经济和社会影响。本发明是通过如下技术方案实现的一种提高电网频率安全稳定性的优化方法，包括如下步骤(I)确定目标电力系统的电网规模、电网特性、运行方式和安全稳定控制装置的整定情况；(2)确定电网发生故障后是否存在电网频率越限的风险，如果存在，则继续进行步骤(3);否则，结束该优化方法；(3)实施切除抽水蓄能电站机组的措施，该措施包括当电网频率过低时，则切除运行在电泵模式下的抽水蓄能电站机组；当电网频率过高时，则切除运行在发电模式下的抽水蓄能电站机组；如果实施该措施后，电网仍存在频率越限的风险，则继续进行步骤(4);否则，结束该优化方法；(4)根据电网频率升高或降低情况、直流送端或受端情况以及速升或速降直流线路功率的调节量，来决定速升或速降直流线路功率的控制措施；(5)在采取切除抽水蓄能电站机组措施基础上，选择速升或速降直流线路功率的启动频率，通过仿真计算确定直流线路功率速升或速降的调节量，以保证电网的频率稳定并避免损失负荷和水火电机组。进一步地，步骤(I)的所述电网规模包括电网负荷总量、发电机出力总量、发电机旋转备用比例、单台发电机、单个电厂和单条输电线路的最大功率；所述电网特性包括电网一次和二次调频特性、负荷模型以及负荷频率因子特性；所述运行方式包括线路接线方式、区间交流联络线功率和直流线路送电功率；所述安全稳定控制装置的整定情况包括电力系统配置的安全稳定控制措施、机组高频和低频保护装置整定值和电网低频减负荷装置的整定值；所述安全稳定控制措施包括下述任意一种至全部切除发电机组、切负荷和线路解列。进一步地，步骤(2)的所述判断电网频率越限包括电网频率过低和频率过高两种情况所述电网频率过低包括故障后电网最低频率达到或接近低频减负荷装置基本轮的动作频率，还包括电网的频率长期接近或低于低频减负荷装置的特殊轮动作值(此时电网存在低频减负荷装置动作而损失大量负荷的风险);所述电网频率过高包括故障后电网最高频率达到或接近发电机组高周保护的动作值(此时电网中发电机组可能由于保护动作大量跳机并导致系统失稳)。进一步地，步骤(3)中在实施切除抽水蓄能电站机组的措施前，先确定切除机组的轮次、每轮切除机组的容量和每轮切除机组的启动频率；切除机组的轮次至少分为两轮，且在每个电站中至少保留一台机组不被切除；每轮切除机组的容量为每个电站中当前所有机组总容量的一半；首轮切除机组的启动频率不大于额定频率与电网频率波动值的差值，后续轮次切除机组的启动频率均小于首轮切除机组的启动频率。进一步地，步骤(3)中将运行在电泵模式下的抽水蓄能电站机组视为负荷，当电网频率过低时，通过切除电泵模式下的抽水蓄能电站机组来提高故障后电网的最低频率；将运行在发电模式下的抽水蓄能电站机组视为发电机组，当电网频率过高时，通过切除发电模式下的抽水蓄能电站机组来降低故障后电网的最高频率。进一步地，步骤(4)中所述速升或速降直流线路功率的控制措施包括当电网频率过高时，如果直流送端在本同步电网中，则速升直流线路功率；如果直流受端在本同步电网中，则速降直流线路功率；
当电网频率过低时，如果直流送端在本同步电网中，则速降直流线路功率；如果直流受端在本同步电网中，则速升直流线路功率。进一步地，步骤(4)中所述速升或速降直流线路功率的调节量不超过额定功率的三分之一，以避免直流近区功率和电压变化过大；此外，最好根据调节量由大到小的顺序依次对所有直流线路功率进行调节。进一步地，步骤(5)中所述速升或速降直流线路功率的启动频率设置为同步或滞后于末轮切除抽水蓄能电站机组的启动频率。步骤(5)中以切除抽水蓄能电站机组措施为基础是因为切除电站机组的动作时间比速升/速降直流功率更快、效果更好，同时不会对其他电网产生影响。速升/速降直流措施的启动频率应该同步或稍滞后于切除抽水蓄能电站机组的末轮启动频率，以尽快的启动调整保证频率不越限。改变直流功率速升/速降量，利用电力系统仿真程序计算采取措施后电网的频率，当频率不会导致机组或负荷损失时，即为直流功率临界速升/速降量。与现有技术比，本发明的有益效果为本发明可运用于电网故障后存在频率越限或频率失稳风险的电力系统，通过切除抽水蓄能电站机组和速升/速降直流线路功率方法的应用和实施，可以减小或避免电网的机组和负荷损失，是一种重要的提高电网频率稳定性的方法。采取该发明提出的控制措施后，可有效利用电力系统内抽水蓄能电站和直流线路控制措施替代切机和切负荷措施，减少或避免切机、切负荷措施量，从而减小故障后频率失稳对电力系统运行、工业生产和人民生活的影响。
图1为本发明提供的通过特高压交流联络线联网的华中、华北电网结构，以及通过直流线路与华中电网相连的华东电网结构示意图；图2为本发明提供的利用直流线路和抽水蓄能电站提高电网频率稳定性的优化方法的流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的具体实施方式
作进一步的详细说明。下面以IOOOkV特高压交流联络线(以下简称长南线)故障后，对华中 华北电网频率稳定性进行优化为例进行详细说明。如图2所示，该优化方法的具体步骤包括步骤(I):确定目标电力系统的电网规模、电网特性、运行方式和安全稳定控制装置的整定情况。本实施例研究的电网包括华中、华北、华东三个大区电网。2011年底典型运行方式下，华中电网负荷约9000万千瓦，华北电网负荷约1. 2亿千瓦，华东电网负荷约1. 5亿千瓦，负荷有功频率因子取1.8。华中电网以水电机组为主，华北和华东电网以火电机组为主，各电网中发电机组均无旋转备用容量。主要电网结构如图1所示。其中，华中 华北电网通过长南线互联，华北电网通过长南线向华中电网送电500万千瓦。华中电网与华东电网通过多回直流线路相连(包括龙政直流、宜华直流等)，华中电网为直流送端，华东电网为直流受端。华中电网的大型抽水蓄能电站包括白莲河电站和黑麋峰电站，两站装机容量均为120万千瓦，共240万千瓦。华中电网低频减负荷装置基本轮的启动频率值为49. OHz,电网低于此频率将导致大量负荷被切除。考虑到电网运行不确定因素和安全裕度的考虑，仿真计算分析时以电网频率不低于49. 3Hz作为频率不越限的条件。步骤(2):对目标电力系统进行全面稳定分析，并确定电网中发生故障后是否存在电网频率越限(包括频率过高或过低)的风险；全面稳定分析指的根据《电力系统安全稳定导则》的要求，分析电网中的N-1故障和N-2故障发生后系统的稳定性。分析发现，特高压长南线发生故障断开后，华中电网损失功率500万千瓦，故障后华中电网最低频率达到
48.17Hz，将导致低频减负荷装置动作损失负荷约300万千瓦。因此可以采取本发明中的方法提闻故障后华中电网的频率稳定性，避免负荷损失。步骤(3):基于步骤(2)的结果，如果电网存在频率越限的风险，则在故障后采取切除抽水蓄能电站电泵模式下的机组(电网频率过低时)或切除抽水蓄能电站发电模式下的机组(电网频率过高时)的措施。在确定机组切除轮次、各轮启动频率等条件后，再进一步采取相应切除措施。在实施切除抽水蓄能电站机组的措施前，最好先确定切除机组的轮次、每轮切除机组的容量和每轮切除机组的启动频率。确定切除抽水蓄能电站的切电站机组的轮次时，需要考虑对电站设备安全的影响，一般电站同一流道中存在多台机组，如果一次切除全部机组将损坏设备，因此常分两轮或多轮次切除机组，且保留一台机组避免全厂停机。第一轮的启动频率需要能够躲开电网正常运行时的频率波动，又能在故障后及时动作避免电网频率进一步恶化，后续轮次需要在保证设备安全的前提下尽可能快的启动，因此需要在实际中根据电网频率波动情况和故障后频率特性确定。在确定机组切除轮次、各轮启动频率等条件后，利用电力系统仿真程序计算故障后电网的频率情况。本例中，根据白莲河抽水蓄能电站和黑麋峰抽水蓄能电站设备安全规范要求，应避免同时切除同一流道内的全部机组而损坏电站设备，因此分两轮切除机组。实际运行中电网频率波动均小于O. 3Hz，因此确定首轮切除机组措施的启动频率为49. 7Hz (本例中额定功率为50Hz)。在电网频率降至49. 7Hz时切除一半容量的电站机组(120万千瓦)。计算发现，切除电站机组后电网频率继续降低。第二轮的启动频率设为49. 5Hz，切除60万千瓦的抽水蓄能电站机组，各电站剩余一台机组。采取上述切电站机组的措施后，电网频率下降变缓，但由于电网有功功率缺额过大，电网频率仍会降至49. OHz以下，导致低频减负荷装置动作。所述其它轮次(即本例中的第二轮)的启动频率需设置成小于首轮切除机组的启动频率，具体数据可以根据电网频率上升或下降的速度来决定；上升或下降的速度越快，则其它轮次(即本例中的第二轮)的启动频率就越接近首轮启动频率。步骤(4):基于步骤(3)的结果，根据电网频率升高或降低情况、直流送端或受端情况以及速升或速降直流线路功率的调节量，来决定速升或速降直流线路功率的控制措施。由于电网存在有功功率缺额，且待调整的直流线路送端在华中电网侧，因此需要速降直流功率。选择位于特高压故障线路近区的直流有利于通信传输，更可减少对电网潮流的影响，因此确定调整龙政和林枫直流。两条直流的额定功率均为300万千瓦，每条直流最大可调整量设为100万千瓦，总可调整量200万千瓦。步骤(5):选择速升或速降直流线路功率的启动频率，通过现有技术中的仿真计算确定直流线路功率速升或速降的调节量(该仿真计算可以采用参考文件I中的《电力系统数字仿真》中的方式实现)。在分析了速降直流措施的不同启动频率对电网频率稳定的敏感性后，决定在第2轮切除电站机组即电网频率降至49.5Hz时速降直流功率。根据以上方案仿真计算，故障后切除抽水蓄能电站机组并速降直流功率共200万千瓦。如下表I所示，如果未采取本发明的方法，则最终会导致低频减负荷装置动作，影响社会及居民用电；如果采取本发明的方法，电网最低频率为49.33Hz，稳态频率恢复至
49.6Hz以上，既可以使各电网频率保持稳定，还不会导致低频减负荷装置动作。具体情况如表I所示:表I特高压长南线故障在采取控制措施前后的频率稳定性
权利要求
1.一种提高电网频率安全稳定性的优化方法，其特征在于，包括如下步骤: (1)确定目标电力系统的电网规模、电网特性、运行方式和安全稳定控制装置的整定情况； (2)确定电网发生故障后是否存在电网频率越限的风险，如果存在，则继续进行步骤(3);否则，结束该优化方法； (3)实施切除抽水蓄能电站机组的措施，该措施包括: 当电网频率过低时，则切除运行在电泵模式下的抽水蓄能电站机组； 当电网频率过高时，则切除运行在发电模式下的抽水蓄能电站机组； 如果实施该措施后，电网仍存在频率越限的风险，则继续进行步骤(4);否则，结束该优化方法； (4)根据电网频率升高或降低情况、直流送端或受端情况以及速升或速降直流线路功率的调节量，来决定速升或速降直流线路功率的控制措施； (5)在采取切除抽水蓄能 电站机组措施基础上，选择速升或速降直流线路功率的启动频率，通过仿真计算确定直流线路功率速升或速降的调节量。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(I)的所述电网规模包括电网负荷总量、发电机出力总量、发电机旋转备用比例、单台发电机、单个电厂和单条输电线路的最大功率; 所述电网特性包括电网一次和二次调频特性、负荷模型以及负荷频率因子特性； 所述运行方式包括线路接线方式、区间交流联络线功率和直流线路送电功率； 所述安全稳定控制装置的整定情况包括电力系统配置的安全稳定控制措施、机组高频和低频保护装置整定值和电网低频减负荷装置的整定值； 所述安全稳定控制措施包括下述任意一种至全部:切除发电机组、切负荷和线路解列。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)的所述判断电网频率越限包括电网频率过低和频率过高两种情况: 所述电网频率过低包括故障后电网最低频率达到或接近低频减负荷装置基本轮的动作频率，还包括电网的频率长期接近或低于低频减负荷装置的特殊轮动作值； 所述电网频率过高包括故障后电网最高频率达到或接近发电机组高周保护的动作值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中在实施切除抽水蓄能电站机组的措施前，先确定切除机组的轮次、每轮切除机组的容量和每轮切除机组的启动频率； 切除机组的轮次至少分为两轮，且在每个电站中至少保留一台机组不被切除； 每轮切除机组的容量为每个电站中当前所有机组总容量的一半； 首轮切除机组的启动频率不大于额定频率与电网频率波动值的差值，后续轮次切除机组的启动频率均小于首轮切除机组的启动频率。
5.如权利要求1或4所述的方法，其特征在于，步骤(3)中将运行在电泵模式下的抽水蓄能电站机组视为负荷，当电网频率过低时，通过切除电泵模式下的抽水蓄能电站机组来提高故障后电网的最低频率；将运行在发电模式下的抽水蓄能电站机组视为发电机组，当电网频率过高时，通过切除发电模式下的抽水蓄能电站机组来降低故障后电网的最高频率。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述速升或速降直流线路功率的控制措施包括: 当电网频率过高时，如果直流送端在本同步电网中，则速升直流线路功率；如果直流受端在本同步电网中，则速降直流线路功率； 当电网频率过低时，如果直流送端在本同步电网中，则速降直流线路功率；如果直流受端在本同步电网中，则速升直流线路功率。
7.如权利要求1或6所述的方法，其特征在于，步骤(4)中所述速升或速降直流线路功率的调节量不超过额定功率的三分之一，根据调节量由大到小的顺序依次对所有直流线路功率进行调节。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(5)中所述速升或速降直流线路功率的启动频率设置为同步或 滞后于末轮切除抽水蓄能电站机组的启动频率。
全文摘要
本发明公开了一种提高电网频率安全稳定性的优化方法，包括确定目标电力系统的电网规模、电网特性、运行方式和安全稳定控制装置的整定情况；确定电网发生故障后是否存在电网频率越限的风险；实施切除抽水蓄能电站机组的措施；决定速升或速降直流线路功率的控制措施；以及选择速升或速降直流线路功率的启动频率，通过仿真计算确定直流线路功率速升或速降的调节量。本发明利用对直流线路和抽水蓄能电站的控制措施提高故障后电网的频率稳定性，可有效利用系统内直流可调容量和抽水蓄能电站，提高故障后系统频率稳定水平，减少切机、切负荷等安全稳定控制措施量，减小电力系统故障对电力运行、工业生产和人民生活的影响。
文档编号H02J3/14GK103078326SQ201210584109
公开日2013年5月1日 申请日期2012年12月28日 优先权日2012年12月28日
发明者王建明, 易俊, 何剑, 任大伟, 王姗姗, 孙华东, 张健 申请人:中国电力科学研究院, 国家电网公司