基于状态流的电力系统低频减载仿真分析.pdf

第 5 2卷第 l 4期 2 0 1 5年7月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e me n t& I n s t r u m e n t a t i o n VO 1 5 2 No 1 4 J u 1 2 5。 2 0 1 5 基 于状态流 的 电力 系统低频减 载仿 真分 析 陈宁 ， 刘宪林 ， 王 占波 ( 1 郑州大学 电气工程 学院， 郑州 4 5 0 0 0 1 ； 2 国网洛阳供 电公 司， 河南 洛阳 4 7 1 0 0 0 ) 摘要： 为了更加清晰、 直观、 简便地反映电力系统这一混杂系统在低频减载 ( U F L S ) 装置动作时的全 过程 ， 解决 仿真过程 中频率与切负荷动作判断逻辑部分之间的连接与协调问题 ， 提高电力系统低频减载仿真分析效率 ， 利 用 Ma t l a b中的 P S B工具箱和状态流( S t a t e fl o w) 分别对三机系统和其低频减载动作逻辑判断模块进行建模。提 出了将 M a t l a b 里的状态流应用于复杂电力系统低频减载仿真的方案， 实现状态流在电力系统低频减载仿真中 的应用 ， 并针对算例进行仿 真分析 ， 结果证 明 了状态流在复 杂电力系统低频减载仿 真 中应用 的合 理性与有 效性 。 关键词 ： Ma t l a b ； 状态流 ； 电力系统 ； 低频减载； 仿真 中图分类号 ： T M7 1 2 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 1 4 - 0 0 2 8 4 3 5 UFLS s i mu l a t i o n a n d a na l y s i s o f po we r s y s t e m ba s e d o n s t a t e flo w C h e n N i n g ， L i u X i a n l i n ， Wa n g Z h a n b o T ( S c h o o l o f E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ， Z h e n g z h o u U n i v e r s i ty， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ，C h i n a 2 S ta t e G r i d L u o y a n g P o w e r S u p p ly C o m p a n y ， L u o y a h g 4 7 1 0 0 0 ， H e n a n ， C h in a ) Abs t r a c t ：T o s h o w t he wh o l e p r o c e s s o f t he po we r s y s t e m wh i c h i s a hy b r i d s y s t e m wh e n i t S un d e r - f r e q u e n c y l o a d s h e d d i n g ( U F L S )d e v i c e a c t s mo r e c l e a r l y ， i n t u i t i v e l y a n d e a s i l y ，s o l v e t h e p r o b l e m o f t h e s i m u l a t i o n p r o c e s s w h e n l i n k i n g a n d h a r m o n i z i n g t h e f r e q u e n c y a n d t h e j u d g i n g p a r t o f t h e U F L S ， a n d i mp r o v e t h e e ffic i e n c y o f t h e p o w e r s y s t e m UFL S s i mu l a t i o n a n d a na l y s i s， t h e n u s e t h e Ma t l a b P SB a n d s t a t e flo w t o s i mu l a t e t h e t h r e e ma c h i n e p o we r s y s t e m a n d t h e j u d g i n g p a r t o f U F L S r e s p e c t i v e l y T h i s p a p e r p r o p o s e s a s c h e me t h a t a p p l i e s t h e s t a t e fl o w i n t o t h e c o m p l e x p o we r s y s t e m UF L S s i mu l a t i o n，t o a c h i e v e t h e a p p l i c a t i o n o f t h e s t a t e fl o w i n t o t h e p o we r s y s t e m UF L S，a n d t h e n u s e a n e x a mp l e t o s i mu l a t e a n d a n a l y s i s ，t he r e s u l t p r o v e s t h a t t h e a p p l i c a t i o n o f t h e s t a t e flo w i nt o c o mp l e x p o we r s y s t e m I 7 F I S i s r a t i o na l a n d e ffe c t i v e Ke y wo r ds： Ma t l a b，s t a t e flo w，po we r s y s t e m ，UFLS，s i mu l a t i o n 0 引 言 在传统的电力系统低频减载仿真方案中， 如文 混杂动态系统是近十余年来控制理论研究领域 的热门问题 ， 其研究为解 决一类复杂的 、 非线性的大 系统提供了一个很好地理论 框架 j 。作为一个典 型的混杂动态系统 ， 电力 系统在低频减载动作过 程 中， 系统频率的变化过程是连续 的， 而低频减载装置 分轮切除相应负荷的过程又是离散的， 前者的变化 决定了后者的动作， 而后者的动作又进一步影响前 者的变化。文献 2 指 出， 在混杂 系统仿真 中， 最重 要 的是解决连续和离散两部分的同步协调和连接问 题 ， 如何解决低频减 载仿真 中这两部分 的连接与协 调问题 ， 便是文章要解决 的问题。 一 2 8 一 献 3 8 ， 往往都是直接利用仿真分析软件提供的 电气模块直接建模或者采用编程 的方法来实现这一 动态过程， 也都取得了较理想的结果， 但是其实现过 程往往是复杂的， 也不能清 晰、 直观地反 映低频减载 的动态过程 ， 为此文章提 出了一种基于状态 流的多 机系统低频减载仿真方案， 利用 S i m u l in k中的 P S B 工具箱搭建三机系统模型， 利用 S i m u l in k中的状态流 对低频减 载仿真 的动作 判断 逻辑 部分进 行建模 仿 真 ， 并将后者嵌入到前者系统 中， 实现低频减载仿真 过程中的连续过程和离散过程的无缝链 接 ， 清晰、 直 观又简便地 实现电力系统低频减载 仿真 ， 提 高 了仿 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 l 4期 2 0 1 5年7月2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I ns t r u me n t a t i o n V0 J 5 2 N0 1 4 J l l l 。 2 5。 2 0 1 5 真分析效率。 1 低频减载原理 1 1 工作原理。 电力系统 低频减 载是 指 电力 系统 在遭 受 大扰 动 、 出现大的功率缺额 时 ， 响应 于系统频率而启动并 切除部分负荷 ， 以维持系统功 率平衡和 防止 系统频 率崩溃的一种有功频率控制手段 J 。在本质上是应 用 了“ 逐次逼近” 的方法来实现负荷功率与发 电功率 的平衡控制 ， 从而达到稳定 系统频率 的 目的。其 工 作原理如图 1所示 。 I 实 时 频 率 测 量 值 厂 m 设基本轮动作频率分别为： f l “ 对应切除负荷分别为： P L 凡 屯 图 1 工作 原理 流程 图 Fi g 1 Di a g r a m o f wo r ki n g p r i n c i p l e 1 2相关计算 接于低频减载装置的负荷总功率计算公式 1 0 1 ： 尸 P上 ( 1 ) 1 一 一 K f 式中P J 为接于减负荷装置的总功率； P 为系统最大 功率缺额 ； P 为减负荷前 系统用户的总功率 ； 为负 荷调节效应 系数 ； ， 。 为恢复频率 的标 幺值 ， 其计算 公式 为 ： ： ( 2 ) 低频减载动作轮级 的计算 ： = + 式中 为低频减 载基本级第一级动作频率 ； 为末 级动作频率 ； 为频率级差 。 2 状态流在低频减载仿真中的应用 2 1 状 态流介 绍 状态流是集成于 S i m u l i n k中的图形化设计与开 发工具 ， 主要用 于针对控制系统 中的复杂控制逻 辑 进行建模与仿真 ， 它适用于针对事件响应系统进行 建模和仿真 ， 而与事件响应系统相对应 的就是 动态 变化 系统 。利用其 可视 化 的模 型和直 观 的仿真 能 力 ， 可以清晰 、 简洁地反映出复杂动态逻辑关 系。用 S i m u l i n k 创建复杂逻辑控制 切换模型时， 就可以使 用状态流进行其 中的逻辑控制 和约束 ， 根据系统在 运行仿真过程中计算得到的各种数据， 模拟实际工 作过程 。 图 2工 作原理 流程 图 F i g 2 F l o wc ha r t o f wo r k i n g p r i nc i p l e 图2表示状态流的简单组成。状态流图反 映状 态间的转换 ， 状 态间可 以进行转移条件 的设 置。在 两个状态 间的带箭 头的线表示 的是状态间 的转换 ， 在这条线上 可 以进 行转移 条件 的标注。如 图 2中 c o n d i t i o n 1 ， c o n d i t i o n 2就是转移条件 ， 当 c o n d i t i o n 1满 足时， 就会 由状态 S t a t e A跳转到状态 S t a t e B ， 同时 赋予 值为 1 ， 并执行 动作 a c t i o n 1 。当 c o n d i t i o n 2满 足时， 状态由 S t a t e B跳转到 S t a t e A， 同时赋予 值 为 2， 并执行动作 a c t i o n 2 。a c t i o n定义一个行为， 为数 据( d a t a ) 形式 ， 其一般是输 出一个 变量 ， 来 给外 面的 S i m u l i n k模块赋值。 2 2 状 态流应用于低频减载仿真具体方案 从图 1 可 以发现低频减载的核心思想是将电 网 的实时频率测量值 与整定值 比较 ， 当其满足某 一条 件( 厂 m ) ， 则执行相应动作 ( 切除 P 。 ) ， 这与状态流 的核心思想( 条件满足， 系统从某一状态转向另一状 态 ， 并执行相应动作) 是十分契合的。但是状态流是 基于有限状态 机理论 的图形化设计和开发工具 ， 而电力系统在有 功功率失去平衡时 ， 其频率 的变化 过程却是一个连续变化过程， 因此文章首先将其频 率按照低频减载频 率启 动值 划分为几个 区间， 每个 区间对应一个系统状态。如果基本 轮每级切负荷的 一 29 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1 4期 2 0 1 5年7月 2 5日 电测 与仪表 El e c t c a l M e a s u r e m e n t& I m t r u m e n t aUo n V0 I 5 2 No 1 4 J u 1 2 5， 2 0 1 5 频率值依次是 、 一 一 、 ， 假设后 备轮每轮动 作后对应的频率依次为厂 h 、 厂 h ， 则对应 的 频率区间依次为 5 0 、 、 、 一 。 、 。 、 、 、 ， h 一 ， 系统状态被划分为 个 ， 分别命 名为 s t a t e 一 1 ， s t a t e 一 2 ， ， s t a t e N一1 ， s t at e _N。N值 由以下公式确定 ： = 十 ( 4 ) 式中 为后备轮 的轮数 ； 为频率级差 。在文 中 取 4 9 Hz , f n 取 4 8 2 H z ， z f取 0 2 H z ， 则根据公式( 3 ) ， 基本轮轮数为 5 ， 后备轮轮数 取 3 ， 则 N= 8 。 当系统出现有功功率缺额时 ， 频率开始下降 ， 此 时系统状态处于 s t a t e 一 1状态 ， 对应的频率 区间为 5 0 。当频率下降至 时， 启动基本轮 1 ， 切除部分负 荷 ， 但是 由于系统仍然存在有功功率缺额 ， 所以频率 继续下降 ， 此时系统处于 s t a t e _ 2状态 ， 对应频率区间 为 ， 当频率继续下降至 ， 启动基本轮 2 ， 进一 步切除部 分负荷 。同样 的原理 ， 依次启动基本轮 3 ， 基本轮 4 ， 基本 轮 5 ， 系统状 态 由 s t a t e 一 1最终 流 向 s t a t e _ 5 。经过这 5轮 的切负荷 ， 系统频率开始上升 ， 但是仍然低于最后 的要求值 ， 于是启 动后 备轮 1 ， 频 率继续上升 ， 在没有达到要求值之前 ， 依次启动后备 轮 2 ， 后备轮 3 ， 最终使 系统频率稳定在要求值 范围 内， 此时系统处于 s t a t e 一 8状态 。还有一 种情 况就是 在某一基本轮动作后系统频率处在这一轮和下一轮 动作频率之间 ， 这时通过一定 的延时 ， 也应该启动后 备轮， 根据此方案， 结合状态流原理， 本次仿真的状 态流程图如 图3所示。通过利用状态流对低频减载 仿真的动作判断逻辑部分进行建模 ， 可 以很好 地无 缝链接到系统仿真模型中， 根据文献 1 3 ， 文中的低 频减载整定方案如表 1 所示。 一 3 0 一 图 3状 态流程 图 Fi g 3 Di a g r a m o f t h e s t a t e flo w 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 l 4期 2 0 1 5年7月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t& I n s t r u me n t a tio n VO 1 5 2 NO 1 4 J t d 2 5。 2 0 1 5 表 1 低频减载方案 Ta b 1 UF L S s c he me 3 仿真算例分析 3 1 仿真算例 文中多机系统采用 I E E E 3机 9节点经典模型 J 为例 ， 进行低频减载仿真分析验证 。其系统接线图如 图4所示 ， 仿真模型图如图 5所示 。仿真时 ， 从模块 B 5 处取得系统频率实时测量值， 将其引入状态流模 块( 即图 5中的 C h a r t 模块) ， 通过图 3所示 的状态流 进行逻辑判断。根据频率的变化情况 ， 将相应的开关 ( 即 D L 1 、 D L 2等 ) 断开 ， 从而达 到切 除相应 的负荷 的 目的。负荷参数为 ： L u mp 5=1 2 5+ j 5 0 M W ， L u m p 6= 2 7 8 9 3 图 4 I E E E 3机 9节 点 系统接 线 图 Fi g 4 Di a g r a m o f t h e I EEE3一 ma c h i n e - 9 一 p o i n t p o we r s y s t e m 9 0+j 3 0 MW， L u m p 8=1 0 0+j 3 5 MW。为使 仿真更 能 反应真实情况 ， 各发电机组均包含了励磁系统和调速 系统。 3 2仿真过程及分析 仿真开始前， 通过 p o w e r g u i 模块初始化系统， 使 其处于平衡状态。可以发现发 电机组 M 2有 功出力 最大。在时间 t = l s 时， 将发电机组 M 2 切除， 来模拟 机组发生故障停运 ， 然后通过相应 的示波器模块可以 观察系统频率的变化情况 ， 如图 6所示 ， 其中虚线表 圈 而0 图5 I E E E 3机 9节点仿真模型 F i g 5 Si mu l a t i o n mo d e l o f t h e I EEE3一 ma c h i ne - 9一 po i n t p o we r s y s t e m 一 31 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m