基于电力系统低压减载设计方案的研究

基于电力系统低压减载设计方案的研究

韩金铜

（国网天津滨海供电公司天津滨海300450）

摘要：本文在参考国内外现有研究成果的基础上，针对分散型低压减载方案，应用基于电压-无功灵敏度减负荷的方法确定低压减载量。本文把已确定的电压薄弱区域视为一点。采用连续潮流算法，确定薄弱区域内各节点的电压-无功灵敏度，取均值作为整个区域的电压-无功灵敏度。

关键词：低压减载；电压-无功灵敏度；薄弱区域；连续潮流

1低压减载的设计方法

1.1低压减载设计方案的一般原则

1）根据《国家电网公司电力系统安全稳定计算规定》、《电力系统安全稳定导则》规定，动态过程中系统枢纽变电站母线电压低于限值0.75p.u.的时间不超过1s，即判为电压稳定。

2）低压减载方案所需的负荷量应安排充足，满足各种不同故障形态下低压减载动作后的系统电压恢复。一般情况下所安排的低电压切负荷量不能少于该地区负荷的10%~20%。低压减载装置可以与低周减载装置安排切除相同的负荷。

3）低压减载的延时时间主要取决于负荷的特性。如负荷主要为具有恒功率特性的马达负荷，电压降低对负荷的影响较大，则低压减载的速度要快，切负荷的延时不能超过1.5s；如负荷主要为恒阻抗特性的照明或电加热装置时，负荷对电压降低不是特别敏感，切负荷的延时可以长一些，一般为3s~6s，甚至更长一些。

4）对于恒阻抗类型的负荷，当电压降低到一定程度而切除部分负荷后，系统电压仍无法恢复到正常运行所接受的水平，还需要增加一些轮次，使系统的电压恢复到可以接受的水平。

5）低压减载继电器的定值范围为比正常运行时最低电压低8%~15%左右，对于电压变化幅度较大的系统，还可采用根据电压变化率来整定。

6）根据电力系统运行的特点，应考虑低压减载与低频减载的配合问题，确保低频减载与低压减载之间不会相互影响而出现欠切、过切[4]的现象。

1.2低压减载考虑的故障类型

1）同杆并架的双回线路单回三永故障且双线全部跳开或是双回线路同时三永故障跳开；

2）枢纽变电站因母线故障，断开所有连接线，退出运行；

3）严重线路故障情况下，切机安稳装置拒动，导致线路严重过载断开；

4）失去大容量发电厂；

5）直流线路闭锁故障；

6）其他一些连锁跳闸故障。

1.3低压减载控制方案类型

低压减载可以采取分散型和集中型两种不同的控制方案。分散型控制方案是指每一个保护继电器和切负荷部分紧密耦合在一起，当一个继电器的电压进入预计有电压崩溃的区域时，分配给那个继电器的负荷就被切掉，这种方案类似于传统的低频减载，可靠性高，一个元件失效不会对其他元件的运行产生直接或决定性的影响；集中型控制方案是在区域内一个或多个关键点处测量，然后把跳闸信号传送到区域内，在不同地点进行切负荷，集中型控制不仅可以采用电压水平作为预测电压不稳定的指标，而且可以选择其他指标。

选择哪种控制方案要根据具体情况而定。目前，国外大多采用集中型控制方案，而我国大部分采用的是分散型控制方案，本文采用的研究类型也是分散性控制。

1.4低压减载实际应用的一般方法

目前实际应用的确定整定参数的方法大多是基于比较简单的选取方法。北美西部联合电网（WSCC）技术研究委员会制定的低压减载导则中给出了低压减载的一般配置方法，它是根据WSCC电压稳定的标准，按下面的顺序来完成整个确定参数的过程：

1）确定局部区域(可能发生电压稳定问题的区域)；

2）局部区域中选取关键母线；

3）根据最严重的单一预想事故，用PV曲线来确定最小运行电压；

4）根据最严重的单一预想事故，用QV曲线来确定最小无功需求；

5）用PV曲线确定切负荷量；

6）通过QV来验证切负荷量是否满足无功裕度标准；

7）以上分析都是基于潮流分析方法，并通过动态仿真来确定切负荷的时间延迟，验证潮流分析方法的有效性，不同的时域特性可以采用不同的动态仿真程序。

2本文低压减载的设计方案

2.1减载量的计算方法

本文在以上思想的基础上，应用基于无功—负荷灵敏度的切负荷算法，基本思想如下：

1）某一严重故障造成大量无功缺额的情况下，节点的电压下降到Ui（标么值），与理想状态（即电压的标么值为1）下的灵敏度dU/dQL(i-1)表示为：

4）此计算公式关键问题在于KQU的确定。本文把已确定的电压薄弱区域视为一点。利用连续潮流的方法[10]，在已确定的电压薄弱区域内等功率因数、小步长同时增长分区内各节点负荷，直到电压崩溃为止，计算设置的低压减载最低轮次的电压定值Ui与所期望的恢复电压Uh之间的各个灵敏度状态量，并取其平均值作为KQUi的值，即：

2.2恢复电压的选取

电压恢复目标值即是评价低压减载方案合理性的重要指标，也是确定低压减载各个参数的边界条件，根据《电力系统电压和无功电力技术导则》的规定，事故后电压容许偏差为系统额定电压的-10%~+10%。如果以系统标称电压为基准，电压标么值容许偏差为0.86~1.05，为使电压得到较好的恢复，恢复电压Uh应留有一定的裕度，比0.86稍高，建议选择0.88~0.90。

2.3动作电压和极差的选取

电力系统中的异步电动机负荷对电压变化反应大，因此以异步电动机负荷的临界电压作为参考来确定低压减载电压整定值的范围。异步电动机的临界电压一般在0.75p.u.左右。

考虑装置的动作时间误差和断路器跳闸的延时，各基本级动作电压应保持一定的距离，一般取0.3~0.4p.u.。用动作电压的级差来补偿动作时间误差并等待上一级断路器跳闸的完成。本文在设计及仿真过程中，以平均额定电压为基准，电压整定值设计为0.85p.u.，0.81p.u.，0.77p.u.三个基本级，针对具体地区也可设两个基本级。考虑到可能出现的欠切悬浮现象，设置一个特殊轮，整定值为0.85p.u.或0.86p.u.，特殊轮减载量可根据具体分区，依动态仿真结果而定。低压减载在延时原则上要尽可能的快，阻止和延缓电压下降，但严重故障情况下，电压下降很快，电动机反馈就可能引起误动，另外系统受到小扰动可能引起系统震荡过程，且延时要躲过保护的后备，因此要采取适当的延时，避免低压减载装置的误动作。

2.3负荷和发电机模型的选择

电力系统计算中普遍采用的负荷模型可分为2类：静态模型和动态模型，在静态模型中，恒功率负荷模型一般会使系统的输电能力及电压稳定水平得到最悲观的结论，它近似表示了配电系统电压调节设备及异步电动机的特性。因此，在暂态稳定计算中一般建议采用60%恒定功率及40%恒定阻抗的静态负荷模型，当然也可结合地区负荷特点建立适当比例的异步电动机（动态）模型。当负荷母线电压低于0.5p.u.时，为反映实际负荷特性，恒定功率及恒定电流模型应转换为恒定阻抗模型。

异步电动机模型在0.7~1.0p.u.电压范围内的负荷特性十分接近恒功率负荷模型。采用60%恒定功率及40%恒定阻抗的静态负荷模型进行稳定计算，可以满足规划精度要求，但对电网电压大幅度降低的故障方式，计算结果可能稍显乐观。

发电机采用详细模型，计及励磁系统和PSS，不计调速器的作用。

在完成相关设计后，需要分析设计方案在不同扰动类型和不同系统特性下的适应性，对设计方案做出调整，以尽可能保证方案在系统复杂多变的实际运行工况中仍能达到预期目的。