基于PMU的忻州电网负荷频率响应特性研究

作者：米晓东 任玉梁 张建平

来源：《科技创新导报》 2014年第14期

米晓东 任玉梁 张建平

（山西省供电公司忻州供电分公司 山西忻州 034000）

电力系统频率是电能质量的重要指标之一，它反应了电力系统中有功功率的供需平衡情况，在稳态条件下，电力系统的频率是一个全系统一致的运行参数。当电力系统出现有功缺失时，就会直接导致系统频率的下降，特别是复杂的电力系统在受到大干扰（例如突然切机、跳闸或突然投入冲击负荷）后，电力系统的负荷频率将具有很强的时空分布特性：频率不仅随时间变化，而且各区频率变化不相同。

现在对单机系统频率在动态过程中的行为的研究比较深入，但对于复杂系统的研究公开发表研究成果的不多见，一般复杂系统也采用简单系统模型来分析负荷频率响应过程与实际系统的情况有很大的差异，特别是开始十几秒的过程相差甚远。为了解决这一问题，该文基于GPS同步时钟的相量测量装置（Phasor Measurement Unit，PMU），在采集电网各关键节点的电压、电流相量要同时进行,用来测量电力系统在暂态过程中各节点的电压向量、整个电力系统的负荷频率响应特性、各负荷点的实时频率信息，高效的利用这些信息可以实时分析系统的负荷频率特性。

1 负荷频率响应特性

电力系统的负荷频率从响应特性KL表示电网负荷所吸收的有功功率随频率下降而减少的量，一般与电力系统的组成和电网结构有关。

当系统的频率发生变化时，整个系统的有功负荷也要随之发生变化，即PL=F(f)。这种有功负荷随着频率变化的特性叫做负荷的功率-频率特性。负荷的功率-频率特性一般表达式为：

式中：fe——额定频率;PL——系统频率为f时，整个系统的有功负荷；PLe——系统频率为额定值时，整个系统的有功负荷；a1…an——各类负荷的比例系数。

将上式等式两边除以PLe，得到标么值形式，即：

(2)

显然，当系统的频率为额定值时，PL*＝1，f*＝1，于是：

上面的两个式子称为电力系统的有功负荷的静态频率特性方程。当系统负荷的组成和性质确定后，负荷的静态频率特性方程也就确定了，因此也可以用曲线来表示。如图1。

由图可知，在额定频率fe时系统负荷功率为PLe（图中a点），当频率下降到fb时，系统的负荷功率由下降到PLb（图中b点）。如果系统的频率升高，负荷功率将增大，也就是说，系统负荷会在系统内机组的输入功率和负荷失去平衡时，参与到调节作用，它的特性有利于系统中有功功率在另一频率值下重新平衡。这种现象称为负荷的频率调节效应。通常用KL*来衡量调节效应的大小。称为负荷的频率调节效应系数（或称为负荷的单位调节功率）。

2 相量测量单元（PMU）

电力系统在实际运行中，每隔4s都会将SCADA量测数据记录一次，如果只利用SCADA量测数据进行状态估计，那么系统要想对状态估计，就要每隔4s才能进行一次，就无法得到准确的精度。通过基于GPS同步时钟的相量测量装置（Phase Measurement Unit，PMU），测量数据速度比较快，大约每40ms传送一次，且对时误差不超过1μs，频率测量误差不超过0.01Hz，相量测量幅度误差不超过0.2%。

PMU采集电网各关键节点的电压电流相量，这些同步相量数据不需要如同原始波形的采集密度就可对电网的动态运行状态进行实时精准的状态预测，可用来测量电力系统在暂态过程中各节点的电压向量，已被广泛应用于电力系统的动态监测，并逐步与SCADA/EMS系统及安全自

动控制系统相结合，以加强对电力系统动态安全稳定的监控，是保障电网安全运行的重要设备。

PMU子站系统上传数据有：发电机功角、内电势、机端三相基波电压相量、机端基波正序电压相量、机端三相基波电流相量、机端基波正序电流相量、有功功率、无功功率、励磁电流、励磁电压、转子转速。

3 PUM的测量方法

同步相量测量是采用标准的时间信号作为测量参考，通过对采样数据进行计算得出的相量。

同步相量测量的基本原理如下：利用高精度同步时钟实现对电网母线电压和线路电流相量的同步测量，通过通信系统传送到电网的控制中心或保护、控制器中，用于实现全网运行监测控制或实现区域保护和控制。

4 基于PMU的忻州电网负荷频率响应特性

该文采用在线测量离线分析的方式，选取500kV忻州站、110kV东寨站、220kV原平站进行了一段时间的测试分析，选取其中某次量测数据说明分析计算过程。

系统负荷吸收的有功功率与系统频率的关系一般为非线性曲线，在频率变化范围为45～50Hz时，负荷的静态频率特性曲线近似为直线。通过对系统不同功率缺额情形进行测试，求得相应的系统频率稳态频率值，就可得到负荷静态特性曲线的一组数据点。用最小二乘法拟合直线，该直线的斜率即为电网的负荷频率调节系数。

通过对3个变电站2周时间的监测，系统的负荷频率响应系数为1.6～1.8之间。由于测量期间系统的运行方式变化不大，故测得的数据可能无法反映全年的数据，如条件允许，若能采用在线测量的方式，将可以获得更好的最优切负荷调节策略，取其均值1.73，即1Hz对应系统负荷变化3.46%。

参考文献

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[2]薛辉，贾清泉，王宁，等.基于PMU量测数据和SCADA数据融合的电力系统状态估计方法[J].电网技术,2008(14).

[3]李大虎，曹一家.基于SCADA/PMU 混合量测的广域动态实时状态估计方法[J].电网技术,2007(6).