基于实时仿真的稳控系统切负荷建模方法.pdf

21第 52 卷2024 年 1 月Vol.52 No.1Feb.2024云南电力技术YUNNAN ELECTRIC POWER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）摘要：本文提出了一种基于实时仿真的稳控系统切负荷建模方法，以实现对稳控系统分轮切负荷功能的精确模拟。该模型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和轮次，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输出本站并联负荷实时的有功功率和无功功率。本方法简化了稳控系统仿真试验时的系统接线，提高了稳控系统仿真试验的效率，并能够获得更加准确可信的测试结果。关键词：稳控系统；实时仿真；切负荷Load Shedding Modeling Method for Stability Control Systems Based on Real-Time SimulationChen Yong（Electric Power Institute of Yunnan Power Grid Co.,Ltd,Kunming,Yunnan,650217,China）Abstract：This article proposes a real-time simulation based load shedding modeling method for stability control systems to achieve accuratesimulationoftheloadsheddingfunctionofthestabilitycontrolsystem.Themodelfirstobtainsloadcyclesettingvaluesandswitchable load data from the stability control system and power grid simulation database.The load cycle calculation module and real-time load capacity calculation module,combined with the locked stability control systems load shedding action signal and cycle,deducttheloadthathasbeencutoffaccordingtothecyclefromtheloadofthestation,formingareal-timeinitialloadcapacityof the station;Finally,the real-time active and reactive power of the parallel load in this station are output through the comprehensive loadcalculationmodulethattakesintoaccounttheeffectsoffrequencyandvoltage.Thismethodsimplifiesthesystemwiringduringstabilitycontrolsystemsimulationexperiments,improvestheefficiencyofstabilitycontrolsystemsimulationexperiments,andcanobtain more accurate and reliable test results.Key words：Stability control system;Real time simulation;Load shedding中图分类号：TM74文献标识码：B文章编号：1006-7345（2024）01-0021-030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，22云南电力技术第 52 卷2024 年第 1 期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23基于实时仿真的稳控系统切负荷建模方法 第 52 卷2024 年第 1 期的对应变量，记为 sl_set，各负荷轮次定值记为sl_loadx(x 为数值编号，范围为 016，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_loadxsl_set，输出允许统计本负荷的标志 flg_lx，其逻辑表达式为：flg_lx=(sl_loadxsl_set)|(sl_loadx=0)?1:0 (x=1,216)（1）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Plx0，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：Plsx=(（flg_lx!=0）|（Plx 0）)?Plx：0(x=1,216)（2）Qlsx=(（flg_lx!=0）|（Plx 0）)?Qlx：0(x=1,216)（3）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。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：（4）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；f 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。信号锁存切负荷轮次计算模块安全稳定控制系统电网仿真数据库初始负荷容量计算模块综合负荷计算模块切负荷动作信号并联负荷有功、无功功率输出本站负荷数据负荷轮次整定值本站负荷数据稳控系统切负荷功能仿真模型 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。参考文献1 任祖怡,赵明军,夏尚学,等.安全稳定控制系统在新疆南部电网的应用J.电力系统自动化,2008,32(12):104-107.2 王亮,王新宝,高亮,等.基于故障场景的区域电网安全稳定控制系统测试方法J.电力系统自动化,2007,31(18):39-42.3 李兴建,夏彦辉,陈松林,等.分布式稳定控制仿真测试系统的研制及应用J.电力自动化设备,2014,34(5):163-168.4 郭琦,韩伟强,曾勇刚,等.电网安全稳定控制技术实时仿真试验研究平台(一)架构与特征J.电力系统自动化,2012,36(20):1-5.5 郭琦,韩伟强,徐光虎,等.电网安全稳定控制技术实时仿（下转第28页）28云南电力技术第 52 卷2024 年第 1 期步骤 4.2，生成器主要是对随机生成的 n 个数据组成的序列进行生成，并同时附带 26 维的条件信息 c 作为输入，以便对生成器波形打上符合实际故障波形的特征标签，n 与步骤 1 中的每个故障波形的采样点总数保持一致。生成器构建网络采用长短记忆神经网络（Long-short term memory neural network），便于生成前后联系的波形数据。步骤 4.3，判别器采用常规的生成对抗网络中的判别函数，判断步骤 4.2 中生成的 n 维时间序列与步骤 3 中同一编码值下的暂态波形的相似性，同时将条件信息 c 也作为判别器的输入，进一步提高条件生成对抗网络生成指定 26 维时频域特征值区间暂态波形的训练速度并保证良好的收敛性，避免传统生成对抗网络无区别的生成波形序列并被误判为真实暂态故障波形。步骤 4.4，新型电力系统故障暂态波形的条件对抗生成网络在训练中，损失函数根据步骤 3中的各编码值进行微调，避免所构建的生成网络出现模式坍塌问题。步骤 4.5，保存各编码值下训练好的生成器。步骤 5，根据步骤 4 得出的生成器，即可批量生成步骤 3 中各编码值对应场景下的新型电力系统故障暂态波形。相比传统新型电力系统继电保护测试验证时构建海量的电力系统模型（不同的风力发电、光伏发电、储能装置、直流输电的自身容量、控制策略及接入位置），以及设置海量的故障情况（不同的故障位置、故障过渡电阻、故障初相角）来进行测试验证，提出的新型电力系统故障暂态波形自动生成方法，先通过 26 维故障波形时频域特征值构建条件对抗生成网络中的条件值，然后根据各故障场景微调损失函数来提高条件对抗生成网络的训练效率。所得到的生成器可以自动生成海量典型的新型电力系统故障波形，避免繁杂的搭建模型、更改故障参数、提取波形等过程，可大幅提高继电保护的测试效率。4结束语本文通过某实际的新能源场站集中并网区域的新能源场站、电网接线及继电保护装置配置情况，分析了新型继电保护装置示范应用的必要性，针对各新能源场站接入容量变化、外部电网变化、各逆变器控制策略不同等各类场景下继电保护装置适应性及动作性能存在明显差异这一情况，提出了一种以新能源为主体的新型电力系统区域线路故障时的电压和电流波形生成方法，为新能源场站集中并网区域继电保护装置测试提供了可行方案。参考文献1 郑超铭,司大军,陶怡帆,等.“十四五”云南新能源消纳形势分析与建议J.云南电力技术,2023,51(1):43-46.2 王增平,林一峰,王彤,等.电力系统继电保护与安全控制面临的挑战与应对措施J.电力系统保护与控制,2023,51(6):10-20.3 郑玉平,吕鹏飞,李斌,等.新型电力系统继电保护面临的问题与解决思路J.电力系统自动化,2023,47(22):3-15.4 贾科,杨哲,朱正轩,等.基于电流幅值比的逆变型新能源场站送出线路T接纵联保护J.电力自动化设备,2019,39(12):82-88.5 张晨浩,闫吉飞,吕艺超,等.不依赖电源特性的交流线路单端量保护J.电力系统自动化,2023,47(22):33-43.6 贾科,姚昆鹏,刘子奕,等.基于模量行波差异的柔性直流输电线路单端量保护方法J.电力自动化设备,2023,43(10):112-120.7 程鑫,龚贤夫,张哲,等.电化学储能在保底变电站中的配置方案与控制策略J.电力自动化设备,2022,42(1):86-92.8 张冉,陈光华,陈皓帆,等.继电保护测试仪时间测量精度检测校准装置研制及性能分析J.电力系统保护与控制,2022,50(13):163-170.9 韩士杰,张凤鸽,黎涛,等.中性点非有效接地配电网弧光接地的物理模拟研究J.自动化技术与应用,2023,42(10):137-140.10 文劲宇,张浩博,林思齐,等.面向新型电力系统物理模拟实验的快速系统原型技术J.电力自动化设备,2023,43(10):15-22.收稿日期：2024-01-13作者简介：张丽（1986），女，高级工程师，研究方向：电力系统分析及电力系统继电保护。（E-mail）。真试验研究平台(二)应用实例J.电力系统自动化,2012,36(21):19-23.6 周华良,郑玉平,姜雷,等.基于点对点通信的分布式实时控制技术J.电力系统自动化,2015,39(10):107-111.7 井实,黄琦,甄威,等.基于无线同步技术的智能变电站全场景试验系统J.电力系统自动化,2013,37(2):72-78.收稿日期：2024-02-02作者简介：陈勇（1977），男，高级工程师，从事电力系统继电保护工作。（E-mail）。（上接第23页）