智能变电站站域低频减载

龚石林，陈梦涛，冯彦钊，张兆云，陈卫

（1. 云南电网公司，云南 昆明 650011；2. 华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，湖北 武汉 430074）

电能不能大量存储的特性导致电力系统正常运行时必须保证电能生产与消耗的平衡，一旦系统出现有功缺额，电力系统频率会随之下降，严重时甚至会导致频率崩溃事故的发生[1-2]。低频减载[3]作为电力系统安全稳定的最后一道防线，是保证系统频率稳定的重要手段。目前，变电站内传统低频减载功能的实现方式可以分为2种[4-6]：

1）通过集中式低频减载装置实现。通过集中式低频减载装置测量变电站的母线频率，当母线频率下降到某轮次动作频率且延时到，通过电缆下发跳闸命令，动作切除预设的负荷线路。

2）通过各线负荷路保护装置实现分布式低频减载功能。在各负荷线路保护装置中集成低频减载模块，当低频减载模块检测到本负荷线路的频率低于整定值，经特定延时，动作切除本回线路。

传统低频减载方案动作方式固定，无法获取负荷的实时状态信息，不能实现精确切负荷，出口回路采用开环控制，可能会切除一些已经退出运行的线路[7]。此外，对负荷频率特性考虑不足，不能充分利用负荷自身的调节作用[7-9]。

随着智能电网的发展，国家电网公司提出充分利用智能变电站信息共享的优势，在智能变电站内实现站域低频减载功能。文献[10]利用智能变电站GOOSE机制，通过网络化低频减载技术实现常规变电站依靠专用设备实现的低频减载功能。但是低频减载的功能架构仍然沿用传统方案，无法识别负荷的实时状态，没有充分利用智能变电站信息共享的特点，仍然无法克服常规变电站低频减载的缺点。文献[11]从网络的归一化和设备的集成化的角度设计了基于SV组网、通用面向对象变电站事件（GOOSE）组网的集中式保护测控装置，集成了低频低压减载控制功能。文献[12]采用GOOSE机制实现站域控制系统，由间隔层装置、监控子系统和站域控制子系统3部分协调配合实现智能站域控制的实时动作性能。但他们都没有详细阐明站域低频减载的实现方案，同时也没有充分利用智能变电站的信息共享优势来改进常规变电站低频减载策略的不足。

针对这些问题，本文提出了智能变电站站域低频减载的框架和实现方案，充分利用智能变电站信息共享的优势，准确获取负荷的实时信息，将低频减载问题转化为一个多目标规划问题；通过最优切负荷算法综合负荷的重要性、实际功率、单位停电损失和负荷的频率调节系数，获得最优切负荷策略。实例仿真验证了本文方法的正确性和适应性。

1 智能变电站站域低频减载的框架

1.1 站域低频减载的框架

通过就地安装的智能终端和合并单元，智能变电站全站所有间隔的模拟量和电气信号都转化为数字信号进行传输；通过接入过程层网络的交换机，智能变电站可以实现全站所有间隔信息的共享。全站信息共享为站域低频减载装置的实现提供了坚实的技术基础，本文提出的智能变电站站域低频减载装置的框架如图1所示。

图1 智能变电站站域低频减载装置的框架Fig. 1 Architecture diagram of substation optimal under frequency load shedding

站域低频减载装置通过SV网，从母线保护测控装置获取母线的电压、电流、频率、滑差等信息并完成低频减载装置的主逻辑判断；通过GOOSE网和SV网从各出线保护测控装置获得各出线断路器的位置信息、各出线的重要性、实际功率、单位停电损失和频率调节系数等信息。通过站域低频减载最优切负荷算法对信息的综合和判断，获得各轮次的最优切除策略；通过GOOSE网传输给各出线断路器智能单元，完成减载逻辑的执行。

1.2 站域低频减载实现方案

由于电网频率的分布特性[13]，站域低频减载装置仅仅依靠站内信息无法准确估计电网的缺负荷总量。因此，智能变电站站域低频减载装置仍然采用“按轮动作，逐次逼近”的方式，站域低频减载装置通过GOOSE网和SV网获得全站的实时全景数据，并实时监测变电站母线频率，当母线频率下降至某一轮频率动作整定值后，启动该轮减载决策，通过综合变电站各负荷线路的重要性信息、实时功率、负荷的停电损失以及负荷的频率调节系数，运用最优切负荷算法，获得最优的切除策略，延时时间到，向相应的负荷线路发送跳闸信息，各负荷线路收到跳闸信息后，跳开各出线断路器；站域低频减载装置实时检测各线路断路器的跳闸情况，如果出现线路断路器拒跳，为了满足本轮次的切负荷量，低频减载装置通过快速计算，得到仍需要切除的负荷量（整定负荷和已切负荷和之间的差值），并更新负荷线路信息，通过最优切负荷算法，快速找到备用切除线路，不经延时，下发切负荷命令，各负荷线路收到下发的切除命令，跳开备用线路，实现快速准确的低频减载。具体流程如图2所示。

2 低频减载最优切负荷模型

2.1 频率调节系数对低频减载的影响

现有的低频减载装置一般采用“基本轮+特殊轮”的模式。基本轮的作用在于快速动作切除负荷，阻止系统频率的持续下降，避免系统频率下降到一个不可接受的范围；特殊轮的作用是防止系统频率长时间悬停在一个不可接受的范围，通过切除部分负荷，使系统频率恢复到可接受的范围。

在频率下降过程中，频率调节系数大的负荷，随频率的下降，其功率减少的较快，对阻止频率下降有利。因此，在基本轮中，应优先切除频率调节系数KL小的负荷，保留KL大的负荷；而频率调节系数小的负荷，随着频率的上升，其功率增加较慢，故对频率恢复的特殊轮来讲，应优先切除频率调节系数KL大的负荷，保留KL较小的负荷，以充分利用负荷自身的调节效应，减少低频减载的切负荷损失，加快系统频率的恢复。

图2 变电站精确切负荷方案的逻辑框图Fig. 2 Logic of substation accurate UFLS

2.2 综合负荷信息的最优切负荷模型

为获得各轮次的最优跳闸策略，综合负荷负荷的重要性、实际功率、单位停电损失和频率调节系数，对低频减载各轮建立如下最优切负荷模型。

1）对各变电站而言，为了可能减少低频减负荷造成的停电损失，应在满足各轮次减载量要求的基础下，尽量减少本站的切负荷损失。为此，应满足如下的目标函数：

式中，F为本轮次减载所造成的切负荷损失；Ci为第i条负荷线路的单位切负荷损失；Pi为第i条负荷线路的实际功率；n为参与切负荷的线路总数；Ps为调度中心下发的本轮次减载量；Xi=0为第i条负荷线路不参与本轮次减载；Xi=1表示第i条负荷线路参与本轮次减载。

2）对系统而言，为了保证系统频率的快速恢复，在基本轮中，应尽量保留频率调节系数KL大的负荷，切除频率调节系数KL小的负荷；在特殊轮中，应尽量保留频率调节系数KL小的负荷，切除频率调节系数KL大的负荷。2种情况下，各自应满足的目标函数如式（3）所示。

式中，KLi为第i条负荷线路的频率调节系数；KLs为本轮次所切负荷的等效频率调节系数。

3 模型的解算

3.1 模型的化简

由于实际变电站的出线可能有16～18条，则2.2节的优化模型将是一个非常庞大的组合优化问题。但由于变电站低频减载装置每一轮次实际的跳闸线路只有2～3条，因此在2.2节算法中，为了获得每轮次的最优跳闸策略，实际只需要最疑似的几条线路参与计算，即可达到近似最优的效果，从而减少了计算量。疑似线路的确定方法：参照常规变电站低频减载，对各个负荷线路按照重要性等级进行动态排序，重要性低的线路排在前面；相同重要性的线路则按照频率调节系数KL的大小进行排序：对于基本轮则按照频率调节系数KL递减的顺序进行排序；对于特殊轮则按照频率调节系数KL递增的顺序进行排序。每次取排序中前面的6条线路为疑似线路，则参与第一轮减载的疑似线路为排序1～6号线路；第一轮减载完成后，对余下的线路进行重新排序，排序中前6条线路为第二轮的疑似线路，依次类推。由于低频减载装置在各轮减载过程中经过一定延时才出口动作跳开负荷断路器，依靠此延时可以满足最优模型的解算，达到实时性的要求。这样，在不影响性能的情况下，大大减少了计算量，提高了计算速度。

3.2 多目标函数转化为单目标函数

由于基本轮和特殊轮的目标函数相似，下面仅以基本轮为例说明多目标函数转化为单目标函数的方法，特殊轮与此类似。

步骤1：首先，不考虑频率调节系数的影响，通过单纯形法求解式（1）—式（2）所构成的单目标优化问题，得到最优目标值F′；其次，不计停电损失，通过单纯形法求解式（2）—式（3）所构成的单目标优化问题，得到最优目标值KLs′。

步骤2：通过引入偏差变量可将式（1）—式（3）的多目标规划问题转化为如下所示的多目标规划：

至此，目标函数已经转化为单目标优化问题，利用单纯形法可以很方便地求解，此外不再赘述。

4 实例分析

以图3所示的某110 kV的变电站为例，在PSCAD中搭建变电站的模型，仿真分析本文所提的低频减载方法的正确性和优越性。

图3 某110 kV的变电站电气接线图Fig. 3 Diagram of a certain 110 kV substation electrical wiring

图3中，L1-L18为负荷线路，各负荷线路实际负荷特征信息如表1所示。表中：KL为负荷频率调节系数；pu表示标幺值；C为单位电能停电损失；I为负荷的重要程度；P为负荷的实时功率。

该变电站配置了基本轮第一轮到基本轮第五轮，共5轮低频减载装置，其传统低频减载装置的整定方案如表2所示。

当变电站内功率缺额为15%，由于系统备用旋转容量不足，频率下降，变电站内低频减载装置动作。以下分2种情况验证本文所提策略的优越性。

情景1：各负荷线路断路器正常时，常规低频减载和本文所提出的站域低频减载各自的频率恢复曲线分别如图4中曲线1、2所示。

表1 负荷特征信息Tab. 1 Load characteristic information

表2 该变电站配置的低频减载整定方案Tab. 2 Low frequency load shedding strategy for the substation

不难看出，由于常规低频减载不能识别负荷线路的状态，当频率下降到第一轮的动作频率49.25 Hz时，第一轮动作，跳开了已经退出运行的线路L3（负荷功率为0），造成减载不足，系统频率继续下降；到第二轮的动作频率49 Hz时，第二轮动作，切除线路L15、L9，由于第二轮所带负荷较大，动作后造成了频率恢复超过了50 Hz，造成了部分过切。本文所提出的智能变电站站域低频减载方案，准确识别负荷线路的状态，当频率下降到第一轮的动作频率49.25 Hz时，通过最优切负荷算法综合负荷的重要性、实际功率、单位停电损失和负荷的频率调节系数，获得第一轮的最优切负荷线路L11、L17，延时到向对应的断路器发出GOOSE跳闸命令，第一轮动作后频率回升到合理的范围。

图4 情景1频率变化曲线Fig. 4 The frequency control curve for Case 1

不难看出本文所提出的方法，可以准确识别运行线路的状态，通过最优切负荷算法综合负荷的重要性、实际功率、单位停电损失和负荷的频率调节系数，保证每轮的准确切负荷，切负荷量小，停电损失小，频率下降小。同时，也充分利用了负荷的频率调节作用，有利于系统频率的快速恢复。

情景2：某负荷线路断路器拒跳。针对情景1的故障，本文所提出的站域低频减载方案，当频率下降到第一轮的动作频率49.25 Hz时，通过最优切负荷算法综合负荷的重要性、实际功率、单位停电损失和负荷的频率调节系数，获得第一轮最优切负荷线路L11、L17，延时到，向对应的断路器发出跳闸命令，当出现线路L17拒跳时，其频率曲线如图5中曲线1所示。

图5 情景2频率变化曲线Fig. 5 The frequency control curve for Case 2

由于断路器拒跳，造成低频减载装置第一轮切负荷量不足，系统频率只能恢复到49.67 Hz。由于不满足低频减载其他轮次的动作条件，其他轮次不动作，系统频率长期处于悬停于较低的水平。为防止此类现象的发生，本文依据智能变电站的信息优势，迅速获取为满足第一轮减载量仍需要切除的负荷量，通过最优切负荷算法获得备用跳闸策略L2、L7，不经延时，迅速下发GOOSE跳闸命令，切除负荷线路L2、L7，使频率回升到49.9 Hz，其频率曲线如图5中曲线2所示。

可以看出，本文站域低频减载方案可以准确的保证每一轮的减载量，实时监测低频减载命令的执行情况，真正实现了低频减载的闭环控制。

5 结论

充分利用智能变电站信息共享的优势，提出了智能变电站站域低频减载的框架，综合利用负荷负荷的重要性、实际功率、单位停电损失和频率调节系数等信息，获得最优切负荷策略。所提方法具有如下特点：

1）能够准确识别所切线路状态，当有被切线路停运时，装置能自动地选择其他负荷线路代替已经停运的线路。

2）可以充分利用负荷频率调节系数等特征信息，优化低频减载动作效果。

3）可以实现精确切负荷，能根据负荷实时功率选择相应的被切线路，做到按容量切负荷。

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