劉茂集，顧丹珍，郭　強，童　濤

(1.上海電力學院電氣工程學院，上?！?00090;2.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海　200437)

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負荷低壓釋放對低壓減載策略的影響

劉茂集1，顧丹珍1，郭強2，童濤1

(1.上海電力學院電氣工程學院，上海200090;2.國網(wǎng)上海市電力公司電力科學研究院，上海200437)

0　引　言

電力系統(tǒng)中負荷的低壓釋放問題普遍存在，負荷的低壓釋放是受用戶設備處的接觸器或失壓脫扣器斷路器等低壓釋放裝置的控制，當電壓低于其整定值時，低壓釋放裝置將動作，負荷的低壓釋放不受人為的控制[1]。如2009年上海外高橋二廠因誤操作從而使得上海電網(wǎng)發(fā)生低壓釋放情況，負荷瞬間丟失1 400MW～1 600MW左右，其負荷釋放率為13%；另外深圳電網(wǎng)也因為發(fā)生故障使得負荷釋放了將近8.2%。所以當系統(tǒng)發(fā)生暫時低電壓時，系統(tǒng)不僅將發(fā)生低壓減載，同時用戶側也將因低壓而使得負荷釋放。然而如今對于負荷低壓減載的研究都沒有考慮到負荷低壓釋放對其切負荷策略的影響。

在國內(nèi)外，對于負荷低壓釋放和低壓減載都有相關的研究，但是，對于這兩方面的研究卻是各自獨立的研究。文獻[2]分析了影響負荷低壓釋放的因素，定性討論了負荷低壓不釋放對系統(tǒng)的影響。文獻[3-5]通過對實際故障負荷釋放分析，闡述了負荷低壓釋放的原因，并提出相應的措施與對策。文獻[6-7]討論了各類低壓減載的策略、低壓減載的影響因素及其對系統(tǒng)的影響。[8-12]基于各種方法提出了低壓減載方案。文獻[13-15]通過改進多目標量子衍生方法對低壓減載方案進行了優(yōu)化。以上文獻對負荷低壓減載方案進行了各個方面的研究，但是在提出負荷低壓減載策略時卻都沒有考慮到負荷低壓釋放對其的影響。

在系統(tǒng)發(fā)生暫時低電壓時，為了保證系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行就需要切除負荷，此時需要對系統(tǒng)設計相應的低壓減載策略，但是，如今對于低壓減載策略的研究都沒有考慮到負荷低壓釋放的影響，隨著系統(tǒng)中對電壓敏感設備不斷增多，系統(tǒng)中負荷低壓釋放問題是普遍存在的。所以對于低壓減載策略的研究也要考慮到負荷低壓釋放的影響。本文主要通過研究用戶側負荷設備的低壓釋放特性，然后根據(jù)設備低壓釋放特性建立具有低壓釋放特性的綜合負荷模型，最后通過對10機39節(jié)點系統(tǒng)仿真驗證低壓釋放對于低壓減載的影響。

1　含低壓釋放的負荷模型及建模

1.1負荷低壓釋放特性

電網(wǎng)中典型負荷群可分為工業(yè)負荷、商業(yè)負荷和居民負荷。工業(yè)用電一般分為照明用電和生產(chǎn)用電，而生產(chǎn)負荷中大部分為電動機負荷；商業(yè)負荷中的用電負荷主要為空調(diào)負荷和照明等；居民負荷主要由照明和家用電器(空調(diào)、電冰箱等)組成[16-17]。隨著系統(tǒng)中電壓敏感負荷的增多，在以上3個負荷群內(nèi)的負荷中，負荷低壓釋放普遍存在，其釋放原因可分為負荷自身原因和控制元件工作，如熒光燈等放電燈由于自身原因當電壓低于0.8Un時自動熄滅；對于電動機類負荷則是在其出口處接有接觸器等低壓釋放裝置，當電壓低于整定值時裝置動作，負荷發(fā)生低壓釋放，負荷的重新投運需要操作人員去現(xiàn)場操作。典型負荷設備低壓釋放具體見表1。

表1　典型負荷低壓釋放特性

由調(diào)研可知，典型綜合負荷由電動機類負荷、空調(diào)負荷、溫控負荷、照明負荷及其他類型的負荷構成。在綜合負荷模型中，由表1可知，當電壓低于某一值時，綜合負荷中將發(fā)生負荷低壓釋放，如圖1所示。

圖1　負荷低壓釋放特性

(1)

(2)

式中：P和PL分別表示為負荷釋放后的有功功率值和系統(tǒng)初始總功率；ki、mi分別為負荷低壓有功功率釋放比例系數(shù)和無功功率釋放比例系數(shù)；Uimin和Uimax分別是負荷低壓釋放的最低閥值和臨界釋放值，例如圖1中所示，當電壓在0.75Un和0.8Un之間時，負荷釋放了k1PL。

1.2含低壓釋放負荷模型

本文采用考慮配電網(wǎng)的綜合負荷模型，其結構如圖2所示，它的靜態(tài)部分采用ZIP模型，動態(tài)部分采用三階的異步電動機模型[16]。利用動靜比例系數(shù)kp進行負荷分配，Pm和Qm為電動機負荷有功功率和無功功率，P0和Q0時靜態(tài)負荷的有功功率和無功功率，圖2中的Zm=Rm+jXm為配電網(wǎng)等效阻抗，因此考慮配電網(wǎng)阻抗的影響[18]，低電壓釋放特性為fp(Uim)、fq(Uim)，所以本文的考慮低壓釋放負荷功率按式(3)計算：

(3)

其中Uim=Ui-ΔU，ΔU=(PRm+QXm)/Ui

圖2　綜合負荷模型

2　負荷低壓釋放對低壓切負荷影響的機理分析

由圖3所示的簡單電力系統(tǒng)可知：當系統(tǒng)中L2發(fā)生故障到切除L2線路，此時發(fā)電機輸出功率將因電抗的增大而減小。其暫態(tài)穩(wěn)定分析如圖4所示。

圖3　簡單電力系統(tǒng)

圖4　系統(tǒng)功角特性

根據(jù)電力系統(tǒng)分析中暫態(tài)穩(wěn)定分析的等面積定則，減速面積大于等于加速面積時，系統(tǒng)能保持穩(wěn)定運行，因此，當系統(tǒng)發(fā)生故障到故障切除時，由圖4可知陰影1的面積S1大于陰影2的面積S2，此時系統(tǒng)將發(fā)生失穩(wěn)，當系統(tǒng)發(fā)生低壓減載時，由上圖可知其減速面積變?yōu)镾2+S3，系統(tǒng)最后穩(wěn)定運行在b點；而當系統(tǒng)電壓降低的同時也會發(fā)生負荷低壓釋放，從而使得減速面積變得更大(面積和為S2+S3+S4的總和)，此時系統(tǒng)在c點穩(wěn)定運行。比較b，c運行點可知，當考慮負荷低壓釋放情況時，負荷在低壓時所停電的范圍增大。對系統(tǒng)而言，負荷低電壓釋放降低了供電可靠性。對于電力用戶，將影響生產(chǎn)甚至危及人身設備安全。并且由系統(tǒng)的PV曲線可知，當系統(tǒng)發(fā)生低壓減載時，母線電壓將會升高，同時因電壓跌落，用戶中的負荷也會因低壓釋放裝置動作而釋放，系統(tǒng)電壓恢復后會出現(xiàn)較高的電壓，此時有可能影響設備的壽命等。因此在考慮暫態(tài)低壓減載的同時，也應該要考慮負荷低壓釋放。

3　算例分析

以10機39節(jié)點系統(tǒng)為例，如圖5所示，系統(tǒng)中的綜合負荷采用文獻[16]、[19]中IEEE中綜合動態(tài)負荷模型，其動靜比例為60%動態(tài)負荷+40%靜態(tài)負荷。

算例中的減載策略：區(qū)域1，當電壓低于0.8Un時，系統(tǒng)切除20%負荷，延時5周波；區(qū)域2和區(qū)域3，當電壓低于0.8Un時，系統(tǒng)切除10%負荷，延時5周波；對于負荷的低壓釋放，當電壓低于0.75Un時，16%的負荷量釋放。

故障：母線2和母線3之間的線路在20周波時發(fā)生三相短路故障，25周波后切除故障線路。

圖5　10機39節(jié)點系統(tǒng)

3.1負荷低壓釋放與低壓減載對系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的影響

考慮如下4種情況：①不考慮低壓減載和負荷低壓釋放；②考慮低壓減載，不考慮負荷低壓釋放；③不考慮低壓減載，僅考慮負荷低壓瞬時釋放；④考慮低壓減載，考慮負荷低壓瞬時釋放。仿真結果如圖6所示。

圖6(a) bus17電壓(一)

圖6(b) 38號發(fā)電機功角

如圖6所示，系統(tǒng)未發(fā)生負荷低壓釋放和不考慮低壓減載時，系統(tǒng)將發(fā)生電壓失穩(wěn)和功角失穩(wěn)；當考慮低壓減載或負荷低壓釋放后，系統(tǒng)保持電壓穩(wěn)定和功角穩(wěn)定。在算例2、3和4中區(qū)域1上母線28、母線29和39距離故障點較遠，母線28和29上會發(fā)生負荷低壓釋放，但不發(fā)生低壓減載；母線39未發(fā)生負荷低壓釋放和低壓減載。僅考慮低壓減載、僅考慮負荷低壓釋放和同時考慮低壓減載和負荷低壓釋放時的區(qū)域1的負荷切除量分別為9.7%、9.11%和17.1%。當同時考慮低壓減載和負荷低壓釋放時，故障后系統(tǒng)恢復電壓較高，最大值出現(xiàn)在Bus17，為1.1p.u，超過電壓允許值。

3.2改變低壓減載切負荷量的情況

設計算例如下：①區(qū)域1低壓減載20%，區(qū)域2和3分別減載10%，不考慮負荷低壓釋放；②區(qū)域1低壓減載20%，區(qū)域2和3分別減載10%，考慮負荷低壓瞬時釋放；③區(qū)域1低壓減載10%負荷，區(qū)域2和3不變，負荷低壓瞬時釋放。仿真結果如圖7所示。

圖7　bus17電壓(二)

如圖7所示，對比算例1和2，負荷低壓釋放增加了負荷切除總量，區(qū)域1分別為9.7%和17.1%，此時故障后系統(tǒng)最高恢復電壓分別為1.048p.u.和1.1p.u.，說明在不考慮負荷低壓釋放時的低壓減載策略合理，在考慮負荷低壓釋放后將不再合理，使系統(tǒng)中負荷切除量過大，降低系統(tǒng)供電可靠性的同時部分節(jié)點電壓過高。對比算例2和3可見，當考慮負荷低壓釋放后，制定低壓減載策略時須適當減少負荷切除量(如算例3中區(qū)域1負荷切除量下降到10%時)，此時區(qū)域1負荷減少了13.08%，其系統(tǒng)最高節(jié)點恢復電壓從1.1p.u下降到1.08p.u。

3.3低壓減載的時間對低壓減載策略的影響

設計算例如下：①不考慮負荷低壓減載和負荷低壓釋放；②區(qū)域1的負荷故障后50ms低壓減載；③區(qū)域1的負荷故障后80ms低壓減載；④區(qū)域1的負荷故障后100ms低壓減載；⑤區(qū)域1的負荷故障后120ms低壓減載；⑥區(qū)域1的負荷故障后140ms低壓減載。上述的6個算例都不考慮負荷低壓釋放，且區(qū)域2、3的負荷低壓減載時間都為故障后100ms。

圖8　bus17電壓(三)

如圖8所示，低壓時負荷減載量相同情況下，比較算例4、5和6，當負荷低壓減載切除時間大于故障持續(xù)時間時，隨著負荷切除時間的增加，負荷的切除總量將減少，分別為9.7%、4.1%和2.3%，此時故障后系統(tǒng)最高恢復電壓分別為1.048p.u.、0.98p.u.和0.824p.u.，在算例6情況下系統(tǒng)將失穩(wěn)，因此在系統(tǒng)故障后負荷切除時間大于故障持續(xù)時間情況下，當負荷切除時間超過低壓減載的臨界切除時間，系統(tǒng)將失穩(wěn)。對比算例2、3和4，當負荷的切除時間小于故障持續(xù)時間時，負荷的切除總量將相同，為13.2%，且系統(tǒng)最高恢復電壓為1.071p.u.。因此當負荷減載延時時間小于故障持續(xù)時間，負荷切除時間對低壓減載策略沒有影響。

3.4負荷延時釋放時間的影響

設計算例如下：①考慮低壓減載，不考慮負荷低壓釋放；②考慮低壓減載，考慮負荷低壓瞬時釋放。③負荷延時100ms釋放對系統(tǒng)低壓減載20%的影響；④負荷延時140ms釋放對系統(tǒng)低壓減載20%負荷的影響。

如圖9所示，比較算例2、3和4可知，負荷低壓延時釋放時間影響負荷切除總量，區(qū)域1負荷切除總量分別為17.1%、12.7%和9.7%，此時故障后系統(tǒng)最高恢復電壓分別為1.1p.u.和1.08p.u.和1.048p.u.，說明當負荷低壓延時釋放時刻早于低壓減載時刻，系統(tǒng)中負荷切除總量最大；當負荷低壓釋放時刻晚于低壓減載時刻，系統(tǒng)負荷低壓釋放不發(fā)生，系統(tǒng)負荷切除總量最小。由算例1和4可見，當負荷低壓延時釋放時刻晚于低壓減載時刻時，系統(tǒng)將只發(fā)生低壓減載，未發(fā)生負荷低壓釋放。因此負荷低壓延時釋放時間長，負荷低壓釋放對低壓減載策略沒有影響。

圖9　bus17電壓(四)

綜上，由算例仿真可知，負荷低壓釋放對低壓減載策略的影響，如表2所示。

表2　負荷釋放情況及故障后穩(wěn)態(tài)電壓值

4　結　論

電網(wǎng)中負荷低壓釋放問題普遍存在，隨著對電壓敏感負荷不斷增多，負荷低壓釋放問題越來越嚴重，因此電網(wǎng)在制定低壓減載策略時要考慮負荷低壓釋放對其的影響。本文通過對10機39節(jié)點系統(tǒng)仿真分析，得到以下結論：

① 在暫態(tài)穩(wěn)定中，當只發(fā)生負荷低壓釋放未發(fā)生低壓減載時，負荷低壓釋放對于穩(wěn)定性影響較大，在臨界情況時可能使原來不穩(wěn)的系統(tǒng)穩(wěn)定；而在應用低壓減載策略的情況下，負荷低壓釋放對功角穩(wěn)定性的基本沒有影響；負荷低壓釋放將使系統(tǒng)節(jié)點電壓升高，在同時考慮低壓減載策略時，部分節(jié)點電壓恢復時可能超過允許值。

② 當負荷低壓減載發(fā)生在故障期間，系統(tǒng)負荷切除總量和系統(tǒng)最高電壓恢復值與切除時間無關；若負荷切除發(fā)生在故障切除后，隨著負荷切除時間的增加，負荷切除總量減少，系統(tǒng)最高恢復電壓值降低，當負荷切除時間將超過負荷減載的臨界切除時間時，系統(tǒng)將失穩(wěn)。

③ 負荷延時釋放時間對系統(tǒng)低壓減載策略影響較大。若負荷延時釋放時間大于故障持續(xù)時間，則低壓減載后節(jié)點電壓回升，負荷不再低電壓釋放，低壓減載策略不變；若延時釋放時間小于等于故障持續(xù)時間時，部分用戶側設備低壓釋放先動作而脫離電網(wǎng)，此時低壓減載策略所要切除的負荷量略有減少，但切除的負荷總量上升。

因此制定低壓減載策略時，應當考慮到負荷低壓釋放的量，低壓減載所要切除的負荷量應根據(jù)低壓釋放情況做相應的修改。

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(責任編輯：林海文)

The Influence of Load Low-voltage Releasing on Under-voltage Load Shedding Strategy

LIU Maoji1，GU Danzhen1，GUO Qiang2，TONG Tao1

(1. School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090，China；2.State Grid Electric Power Research Institute，SMPEC，Shanghai 200437，China)

隨著系統(tǒng)中對電壓敏感的負荷不斷增多，用戶側的負荷低壓釋放問題越來越突出。系統(tǒng)在發(fā)生故障而采取低壓減載措施的同時，用戶側負荷出現(xiàn)的負荷低壓釋放將增大系統(tǒng)中的負荷切除總量，導致負荷切除過多，故障后恢復電壓過高的不利結果。本文通過對電網(wǎng)用戶側各負荷的低壓釋放特性的研究，建立了考慮負荷低壓釋放特性的綜合負荷模型，分析負荷低壓釋放對低壓減載影響的機理，通過對10機39節(jié)點系統(tǒng)仿真，分析低壓釋放對低壓減載策略的影響。研究表明，用戶側負荷低壓釋放量、負荷低壓是否延時釋放以及延時釋放時間將對低壓減載策略產(chǎn)生影響。

低壓減載策略;負荷低壓釋放;負荷低壓釋放特性;負荷模型

With the increasing application of voltage-sensitive load, the problem of load low-voltage releasing in user side is becoming more and more obvious. When faults occur in the system, the relative measures of under-voltage load shedding (UVLS) strategy are used. Meanwhile the phenomenon of load low-voltage releasing in user side will enlarge the total removable load, which leads to such disadvantages as the removal of the excessive amounts of loads and the very high recovery voltages. In this paper, through the study of the low-voltage releasing characteristics of some typical loads in grid side, the composite load model is built by considering the characteristics of load low-voltage releasing firstly. Then the mechanism of the influence of low-voltage releasing on the load under-voltage shedding measures by the load low-voltage release is analyzed. A simulation of 10-machine39-bus system is used to verify them. The study is analyzed. Through the simulation on a 10-machine 39-bus system, the impact of low-voltage releasing on under-voltage load shedding is analyzed. Results show that such three factors as the amount of load low-voltage releasing in user side, whether happening or not of the low-voltage release and relative delay release time, will influence the under-voltage load shedding strategy.

under-voltage load shedding (UVLS) strategy; load low-voltage releasing;characteristics of load low-voltage releasing;load models

1007-2322(2016)05-0074-06

A

TM762

國家電網(wǎng)公司大電網(wǎng)重大專項資助項目課題(SGCC-MPLG001(001-031)-2012)

2015-07-30

劉茂集(1988-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行及負荷建模，E-mail:852941526@qq.com；

顧丹珍(1971-)，女，副教授，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制,E-mail:gudanzhen@shiep.edu.cn；

郭強(1971-)，男，高級工程師，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定分析和研究工作；

童濤(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向為特高壓輸電線路的過電壓。