一种异步电网直流闭锁动态频率监测与安全校核方法与流程

本发明涉及电力领域，尤其是一种异步电网直流闭锁动态频率监测与安全校核方法。

背景技术：

随着高压直流输电技术的成熟发展，采用直流输电实现省间送电的方式日益普遍。以南方电网为例，其管辖范围内的云南电网，是一个大规模的电力送出系统，为了解决交流线路的功角稳定等问题，在2016年，南方电网将云南电网仅通过多回直流线路与由广东电网、广西电网、贵州电网以及海南电网组成的主网异步互联。

异步互联之后，云南电网的系统机械惯性减小，在同样的功率扰动下，其频率偏差将大于传统的大型同步电网。为了防止云南电网与主网之间的直流线路在发生单极闭锁或双极闭锁之后因频率超出限定值而引发高频切机，乃至频率失稳，云南电网的一次调频能力和直流过负荷能力应该符合安全要求，且其安全稳定方案设定的连锁切机应该合理。然而在实际运行中，异步电网的直流线路负载率和机组一次调频能力等工况是实时变化的，预先设置的安全稳定方案可能无法满足要求，因此，应该对异步电网的每条直流线路进行实时安全校核，快速估计出在目前工况下直流双极闭锁后送端系统(如云南电网的送端系统)的频率最高值，从而给调度运行提供有用的决策辅助信息。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本发明的目的在于：提供一种实时和快速的异步电网直流闭锁动态频率监测与安全校核方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种异步电网直流闭锁动态频率监测与安全校核方法，包括以下步骤：

从能量管理系统获取所需的电网运行实时数据；

分别将异步电网中的各回直流线路设定为双极闭锁状态；

根据所需的电网运行实时数据，采用基于频率峰值估计的频率暂态分析方法，判断双极闭锁后的各回直流线路在系统的频率调节和安全稳定方案的控制作用下，是否会发生高频切机；

根据高频切机的判断结果对各回直流线路进行相应的处理：若当前回直流线路会发生高频切机，则发出告警信号，提示需要对当前回直流线路发生故障时的安稳措施或系统直流功率送出方案进行修改；反之，则表明当前回直流线路的运行状况满足安全要求，此时结束当前回直流线路的安全校核过程，其中，当前回直流线路为各回直流线路的任一回直流线路。

进一步，所述所需的电网运行实时数据包括但不限于系统的一次调频备用、各回直流线路的额定输送功率、各回直流线路的闭锁连锁切机量、系统的当前送出功率、系统的转动惯量以及负荷频率响应。

进一步，所述分别将异步电网中的各回直流线路设定为双极闭锁状态这一步骤，其具体为：

进行单一校核，将异步电网的每回直流线路依次设定为发生双极闭锁状态，以使得双极闭锁发生后的该回直流线路的送出功率降为零，且令双极闭锁发生后的该回直流线路相应安全稳定控制方案所设定的连锁切机和直流功率支援开始动作。

进一步，所述根据所需的电网运行实时数据，采用基于频率峰值估计的频率暂态分析方法，判断双极闭锁后的各回直流线路在系统的频率调节和安全稳定方案的控制作用下，是否会发生高频切机这一步骤，其包括：

根据所需的电网运行实时数据，分析在系统一次调频、负荷频率响应和安全稳定措施作用下各回直流线路频率的响应过程，从而计算出各回直流线路的频率峰值；

将各回直流线路的频率峰值与系统高频切机的设定频率进行比较，并根据比较的结果判断双极闭锁后的各回直流线路在系统的频率调节和安全稳定方案的控制作用下，是否会发生高频切机。

进一步，所述根据所需的电网运行实时数据，分析在系统一次调频、负荷频率响应和安全稳定措施作用下各回直流线路频率的响应过程，从而计算出各回直流线路的频率峰值这一步骤，其包括：

将系统等效为一台机组，根据所需的电网运行实时数据采用一阶微分方程描述系统频率偏差的动态过程，并通过时域仿真求解出系统频率偏差的时域表达式，所述系统频率偏差的时域表达式Δf(t)为：

其中，M＝M′，t为时间，P_m0为正常运行或在直流线路双极闭锁发生前的瞬间发电机功率，ΔP_G为连锁切机量，P₀为正常运行或在直流线路双极闭锁发生前的负荷功率，ω₀为正常运行或在直流线路双极闭锁发生前的瞬间发电机转速，K_L为负荷的频率调节系数，f₀为系统频率，为系统频率f₀的K_L次方，ΔP_DC为直流功率提升量与直流线路因双极闭锁而少送的功率的代数和，为正常运行或在直流线路双极闭锁发生前的瞬间负荷功率，R′为连锁切机动作发生后系统一次调频的等效调差系数，r为连锁切机动作发生后系统运行中具有备用容量的机组序号，n为连锁切机动作发生后系统运行中全部机组的序号总数，(P_m0)_r和(P_m0)_n分别为序号为r和n的机组正常运行或在直流线路双极闭锁发生前的瞬间发电机功率，为连锁切机动作发生后序号为r的机组的单位调节功率，M＝M′，M′为连锁切机动作发生后系统的等效惯性常数，T为时间常数；

根据系统频率偏差Δf(t)的时域表达式得出各回直流线路的频率偏差峰值，所述各回直流线路的频率偏差峰值为时间t满足时对应的频率偏差值。

进一步，所述将系统等效为一台机组，根据所需的电网运行实时数据采用一阶微分方程描述系统频率偏差的动态过程，并通过时域仿真求解出系统频率偏差的时域表达式这一步骤，其包括：

将系统等效为一台机组，根据所需的电网运行实时数据采用一阶微分方程描述系统频率偏差的动态过程，所述系统频率偏差的动态过程描述方程为：

其中，β(t)为阶跃输入，Δω为系统输出的转速偏差，

采用拉普拉斯变换对系统频率偏差的动态过程描述方程进行求解，得到系统的拉普拉斯转速偏差Δω(s)，所述系统的拉普拉斯转速偏差Δω(s)的表达式为：

其中，s为拉普拉斯算子；

根据系统的拉普拉斯转速偏差Δω(s)进行时域仿真，计算出系统频率偏差的时域表达式Δf(t)。

进一步，所述将各回直流线路的频率峰值与系统高频切机的设定频率进行比较，并根据比较的结果判断双极闭锁后的各回直流线路在系统的频率调节和安全稳定方案的控制作用下，是否会发生高频切机这一步骤，其具体为：

若各回直流线路的频率峰值超过系统高频切机的设定频率，则判定双极闭锁后的各回直流线路在系统的频率调节和安全稳定方案的控制作用下，会发生高频切机；反之，则判定双极闭锁后的各回直流线路在系统的频率调节和安全稳定方案的控制作用下，不会发生高频切机。

进一步，所述对当前回直流线路发生故障时的安稳措施或系统直流功率送出方案进行修改这一过程所执行的操作包括但不限于：降低当前回直流线路的送电功率；增加连锁切机量；增加一次调频旋转备用容量；连锁切机优先切除转动惯量小、容量大或具有反调作用的水电机组。

本发明的有益效果是：包括获取所需的电网运行实时数据，分别将异步电网中的各回直流线路设定为双极闭锁状态；根据所需的电网运行实时数据，采用基于频率峰值估计的频率暂态分析方法判断是否会发生高频切机以及根据高频切机的判断结果对各回直流线路进行相应的处理过程，对异步联网中的多回直流线路分别设定了双极闭锁的故障场景并采用了基于频率峰值估计的频率暂态分析方法，能在线快速地计算各回直流线路双极闭锁后送端系统的频率峰值并根据计算的频率峰值进行高频切机判断，为异步电网系统的运行方式和实时调度提供了校验和决策辅助信息，避免了直流线路因双极闭锁故障而导致送端系统的频率超过安全限制的现象发生，实时性好且更加快速。

附图说明

图1为本发明一种异步电网直流闭锁动态频率监测与安全校核方法的整体流程图；

图2为本发明直流闭锁频率动态响应的传递函数框图；

图3为采用本发明的方法得到的频率动态计算曲线示意图。

具体实施方式

参照图1，一种异步电网直流闭锁动态频率监测与安全校核方法，包括以下步骤：

从能量管理系统获取所需的电网运行实时数据；

分别将异步电网中的各回直流线路设定为双极闭锁状态；

根据所需的电网运行实时数据，采用基于频率峰值估计的频率暂态分析方法，判断双极闭锁后的各回直流线路在系统的频率调节和安全稳定方案的控制作用下，是否会发生高频切机；

根据高频切机的判断结果对各回直流线路进行相应的处理：若当前回直流线路会发生高频切机，则发出告警信号，提示需要对当前回直流线路发生故障时的安稳措施或系统直流功率送出方案进行修改；反之，则表明当前回直流线路的运行状况满足安全要求，此时结束当前回直流线路的安全校核过程，其中，当前回直流线路为各回直流线路的任一回直流线路。

进一步作为优选的实施方式，所述所需的电网运行实时数据包括但不限于系统的一次调频备用、各回直流线路的额定输送功率、各回直流线路的闭锁连锁切机量、系统的当前送出功率、系统的转动惯量以及负荷频率响应。

进一步作为优选的实施方式，所述分别将异步电网中的各回直流线路设定为双极闭锁状态这一步骤，其具体为：

进行单一校核，将异步电网的每回直流线路依次设定为发生双极闭锁状态，以使得双极闭锁发生后的该回直流线路的送出功率降为零，且令双极闭锁发生后的该回直流线路相应安全稳定控制方案所设定的连锁切机和直流功率支援开始动作。

进一步作为优选的实施方式，所述根据所需的电网运行实时数据，采用基于频率峰值估计的频率暂态分析方法，判断双极闭锁后的各回直流线路在系统的频率调节和安全稳定方案的控制作用下，是否会发生高频切机这一步骤，其包括：

根据所需的电网运行实时数据，分析在系统一次调频、负荷频率响应和安全稳定措施作用下各回直流线路频率的响应过程，从而计算出各回直流线路的频率峰值；

将各回直流线路的频率峰值与系统高频切机的设定频率进行比较，并根据比较的结果判断双极闭锁后的各回直流线路在系统的频率调节和安全稳定方案的控制作用下，是否会发生高频切机。

进一步作为优选的实施方式，所述根据所需的电网运行实时数据，分析在系统一次调频、负荷频率响应和安全稳定措施作用下各回直流线路频率的响应过程，从而计算出各回直流线路的频率峰值这一步骤，其包括：

将系统等效为一台机组，根据所需的电网运行实时数据采用一阶微分方程描述系统频率偏差的动态过程，并通过时域仿真求解出系统频率偏差的时域表达式，所述系统频率偏差的时域表达式Δf(t)为：

其中，M＝M′，t为时间，P_m0为正常运行或在直流线路双极闭锁发生前的瞬间发电机功率，ΔP_G为连锁切机量，P₀为正常运行或在直流线路双极闭锁发生前的负荷功率，ω₀为正常运行或在直流线路双极闭锁发生前的瞬间发电机转速，K_L为负荷的频率调节系数，f₀为系统频率，为系统频率f₀的K_L次方，ΔP_DC为直流功率提升量与直流线路因双极闭锁而少送的功率的代数和，为正常运行或在直流线路双极闭锁发生前的瞬间负荷功率，R′为连锁切机动作发生后系统一次调频的等效调差系数，r为连锁切机动作发生后系统运行中具有备用容量的机组序号，n为连锁切机动作发生后系统运行中全部机组的序号总数，(P_m0)_r和(P_m0)_n分别为序号为r和n的机组正常运行或在直流线路双极闭锁发生前的瞬间发电机功率，为连锁切机动作发生后序号为r的机组的单位调节功率，M＝M′，M′为连锁切机动作发生后系统的等效惯性常数，T为时间常数；

根据系统频率偏差Δf(t)的时域表达式得出各回直流线路的频率偏差峰值，所述各回直流线路的频率偏差峰值为时间t满足时对应的频率偏差值。

进一步作为优选的实施方式，所述将系统等效为一台机组，根据所需的电网运行实时数据采用一阶微分方程描述系统频率偏差的动态过程，并通过时域仿真求解出系统频率偏差的时域表达式这一步骤，其包括：

将系统等效为一台机组，根据所需的电网运行实时数据采用一阶微分方程描述系统频率偏差的动态过程，所述系统频率偏差的动态过程描述方程为：

其中，β(t)为阶跃输入，Δω为系统输出的转速偏差，

采用拉普拉斯变换对系统频率偏差的动态过程描述方程进行求解，得到系统的拉普拉斯转速偏差Δω(s)，所述系统的拉普拉斯转速偏差Δω(s)的表达式为：

其中，s为拉普拉斯算子；

根据系统的拉普拉斯转速偏差Δω(s)进行时域仿真，计算出系统频率偏差的时域表达式Δf(t)。

进一步作为优选的实施方式，所述将各回直流线路的频率峰值与系统高频切机的设定频率进行比较，并根据比较的结果判断双极闭锁后的各回直流线路在系统的频率调节和安全稳定方案的控制作用下，是否会发生高频切机这一步骤，其具体为：

若各回直流线路的频率峰值超过系统高频切机的设定频率，则判定双极闭锁后的各回直流线路在系统的频率调节和安全稳定方案的控制作用下，会发生高频切机；反之，则判定双极闭锁后的各回直流线路在系统的频率调节和安全稳定方案的控制作用下，不会发生高频切机。

进一步作为优选的实施方式，所述对当前回直流线路发生故障时的安稳措施或系统直流功率送出方案进行修改这一过程所执行的操作包括但不限于：降低当前回直流线路的送电功率；增加连锁切机量；增加一次调频旋转备用容量；连锁切机优先切除转动惯量小、容量大或具有反调作用的水电机组。

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。

实施例一

针对现有技术实时性差且不够快速的问题，本发明提出了一种异步电网直流闭锁动态频率监测与安全校核方法。该方法能在线快速地计算各回直流线路双极闭锁后，送端系统的频率峰值，从而给异步电网系统的调度运行提供了有用的决策辅助信息。

如图1所示，本发明的异步电网直流闭锁动态频率监测与安全校核方法的具体过程如下：

(一)获取所需的电网运行实时数据。所需的电网运行实时数据包括但不限于系统的一次调频备用、各回直流线路的额定输送功率、各回直流线路的闭锁连锁切机量、系统的当前送出功率、系统的转动惯量以及负荷频率响应。所需的电网运行实时数据可从SCADA系统(即数据采集与监视控制系统，能量管理系统的一个子系统)中获取。

(二)依次将每回直流线路设定为双极闭锁状态。

(三)通过频率暂态分析方法，判断该回直流线路闭锁后在系统频率调节作用和安全稳定控制下，是否会发生高频切机。

频率暂态过程分析是基于系统的运行方程，综合考虑系统惯性、直流功率支援、连锁切机、一次调频和负荷频率调节效用等作用，用微分方程进行描述和求解的。系统的运行方程如下：

其中，J为系统的等效转动惯量；T_m为机械转矩；T_e为电磁转矩；P_m为发电机的电功率；P_L为负荷电功率，P_L包括直流外送功率；ω为发电机转速，表征系统的频率。

设正常运行或在直流闭锁事件发生前的瞬间，转速为ω₀，发电机功率为负荷功率为而直流闭锁事件发生后的初瞬间，三者分别为直流闭锁事件发生后的转速其中，f为频率，且ω＝2πf；K_L是负荷的频率调节系数，计及正常运行条件下直流线路的频率调节作用，K_L一般在1-3间；ΔP_G为连锁切机量；ΔP_DC为直流功率提升量与直流线路因闭锁而少送的功率的代数和。

设和均为直流闭锁事件发生后初瞬间的转矩值。则有：

考虑到系统的部分发电机组有旋转备用，当将全系统发电容量等价为一台发电机时，该等价发电机的单位调节功率将为：

式中，下标r代表运行中具有备用容量的机组序号，n代表运行中全部机组的序号总数。当双极闭锁故障发生后由于连锁切机动作，系统机组的运行情况将发生变化，所以其单位调节功率需重新计算，记为这同样适用于转动惯量J或惯性常数M0，当连锁切机发生后，系统的等效惯性常数应重新计算，且记为M'＝J'ω₀。本发明系统等效惯性常数M'、一次调频的等效调差系数R'和时间常数T，必须根据连锁切机后电网的机组运行状态进行计算。而系统的一次调频参数还必须根据系统一次调频机组的旋转备用容量以及各类型机组(包括水轮发电机组、无再热式和再热式汽轮发电机组等)的比例进行等效计算。

当系统的频率升高超过死区时，发电机的原动机调速器将开始作用，改变调节阀门的开度，以使原动机的输入机械功率按照与频率变化的相反方向进行改变。考虑到调节过程的死区和延时，ΔP_m与Δω的关系是一个时间函数，其表示关系式为：

在简化情况下，假设时间延时是经过一个时间常数的环节，即对于阶跃输入T即为所经过的时间常数。

综上，直流线路闭锁故障发生后频率动态可用以下微分方程描述：

简写为：其中：

x＝Δω

M＝M′

应用拉普拉斯变换求解以上微分方程，得到Δω的时域解析式。以上微分方程的拉普拉斯变换为：

可以用图2所示的传递函数框图表示上式。图2中，输入ΔP是阶跃的功率扰动，输出为转速偏差Δω(s)，且

接着，通过简单的时域仿真，可以获得频率的响应波形，也可以直接计算得到频率偏差的时域表达式Δf(t)：

其中，

当时间t满足时，Δf(t)有最大值。

通过分析频率偏差峰值与系统高频切机的设定频率，判断该回直流线路是否超过发电机高频切机动作限制，若否(即频率偏差峰值未超过系统高频切机的设定频率)，则判定该直流线路不发生高频切机，表明该回直流线路的运行满足安全要求；若是(即频率偏差峰值超过系统高频切机的设定频率)，则说明被校验的该回直流线路输电功率过大，连锁切机的量不足，或者一次调频容量不够，应该给出告警信号，提示调度人员采取措施以降低故障发生时的频率峰值。调度人员采取具体的措施可包括：降低该回直流线路的送电功率；增加连锁切机量；增加一次调频旋转备用容量；连锁切机优先切除转动惯量小、容量大或具有反调作用的水电机组等。

图3为某回直流线路发生双极闭锁后按照本发明的方法计算所得的频率曲线。根据图3可知，频率在2.3秒左右达到峰值50.76Hz，没有超过高频切机动作值50.8Hz，所以该回直流线路的安全稳定方案能够保证系统安全，故采用本发明方法可以快速有效地确定双极闭锁故障后系统的频率峰值，从而校验系统的安全稳定方案是否需要调整。

本发明提出了一种异步电网直流闭锁动态频率监测与安全校核方法，通过对异步联网中的多回直流分别设定闭锁的故障场景并进行校核，为异步电网的运行方式和实时调度提供了校验和决策辅助信息，有效防止了因直流线路闭锁导致送端系统频率超过安全限制而导致的高频切机动作，具有广阔的应用前景。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。