[发明专利]孤岛电站负荷脱落控制系统

权利要求书

1.孤岛电站负荷脱落控制系统，其特征在于：所述控制系统主要由负载监测模块、信息采集模块、控制模块、负荷脱落执行机构四个主要模块组成；

所述负载监测模块主要用于监测系统的有功功率和频率信息，为负荷脱落控制模块控制过程提供必要的信息；所述负载监测模块包括频率传感器和功率传感器；

所述信息采集模块主要用于通过负载监测模块实现对信息的采集，通过采集系统的有功功率和频率，为控制模块中的数据处理分析提供必要的信息；所述信息采集模块为燃油/燃气电站的SCADA系统；

所述控制模块主要用于实现对采集信息的计算和处理，通过计算、处理、分析信息采集模块得到数据，实现负荷脱落算法的实施；所述控制模块为PLC控制器；

所述负荷脱落执行机构主要用于执行控制模块的决策，完成对相应负荷的脱落操作；所述负荷脱落执行机构为负荷脱落所对应的断路器；

通过负载监测模块对于负荷实时监控，并通过通信电缆将信息传递给信息采集模块；信息采集模块采集不同频率的各节点有功功率，通过Modbus通信网络传递给控制模块；控制模块对数据进行计算和分析处理，得到需要进行脱落负荷，然后通过通信系统传递给负荷脱落执行机构，实现最终的负荷脱落；

具体分析及工作情况如下所述：

（1）负荷脱落调节的依据

负荷频率调节效应系数表达式为，在∆ f 较小时，认为d P _L =∆ P _L 、d f =∆ f ，即负荷频率调节效应系数的标幺值 K _L* 由下式求得：

式中： f _N 为系统的额定频率； P _L 为现有负荷的有功功率；负荷的有功功率变化量为∆ P _L ；系统频率变化为∆ f ；

不考虑母线电压变化时，在 n 轮负荷脱落后，现有的负荷的实际有功功率标幺值 P_{L n *} 可表示为：

式中： P _L0* 为系统负荷的起始有功功率的标幺值； K _LS* 为整个系统频率调节效应系数； P _{t i*} 为每轮的负荷脱落有功标幺值， f _N 为系统的额定频率； f为n轮负荷脱落前的系统频率；

以发电机组总输出有功功率 P _m 为常量进行分析，系统频率变化量的标幺值可表示为：

其中：

式中： P _m* 为发电机组输出功率的标幺值； ω _* 为角频率的标幺值；M为系统的惯性常数；

由的表达式可得：

因此计算得到未进行减负荷时频率的变化量以及频率最终变化量；从的表达式中可知，与M成反比关系，因此在其他条件都相同的情况下，M越小，其频率变化的瞬时值越大；又由的表达式可知系统最终的频率降低的变化量与M无关；若只考虑频率变化率来判断切除负荷的级数，在系统有功负荷缺额相同时，如果M较大时会导致过切；因此为了避免M的影响，可根据第 n轮负荷脱落后的最终的频率变化量∆ f _n (∞)来确定每一次需要脱落负荷量；对于∆ f _n(∞)的计算分析过程如下：

第 i 次负荷脱落过程中频率变化量为∆ f _i ( t _i )表达式为：

式中： t _i 为第 i 次负荷脱落过程所经历的时间；

第 n 次负荷脱落前的系统频率 f 为

式中： f _m 为负荷脱落控制启动时的频率；

因此，第 n 轮负荷脱落后的∆ f _n (∞)表达式为：

式中：P _{L n -1*} 为 n -1次负荷脱落后负荷实际有功功率标幺值；

以∆ f _n (∞)的值作为依据，确定每次负荷脱落加速脱落的轮数，以提高系统的自适应性，使得系统频率恢复更加快速；

（2）每轮负荷脱落量的确定

对于每轮负荷脱落量的确定，将可脱落的负荷分为6轮基础轮，4轮特殊轮，将总可脱落负荷有功功率的80%均分到6个基础轮，另外的20%均分到4个特殊轮；经过检测分析得到系统的 K _LS* 后，再结合∆ f _n (∞)和每轮负荷脱落量，计算分析得到不同∆ f _n (∞)范围下每次需脱落的负荷总量；

以系统的 K _LS* 为1.5作为研究对象，且其中可切除有功功率为30%，则基础轮每轮脱落的负荷为4%，特殊轮每轮脱落的负荷为1.5%；当∆ f _n (∞)-7Hz时，加速脱落3个基础轮负荷；当-7Hz≤∆ f _n (∞)-3Hz时，加速脱落2个基础轮负荷；当-3Hz≤∆ f _n (∞)-1.5Hz时，每轮按级差0.2s进行脱落1个基础轮负荷；当-1.5Hz≤∆ f _n (∞)≤-0.5Hz时，每轮按级差3s进行脱落1个特殊轮负荷；-0.5Hz∆ f _n (∞)1Hz时，负荷脱落控制完成；

（3）负荷脱落优先顺序的确定

为了使得频率恢复效果达到最优，因此需要结合对应负荷的 K _L* ，对基础轮和特殊轮的负荷进行排序，形成对应基础序列和特殊序列；基础序列和特殊序列中排列顺序按各个负荷节点的 K _L* 来确定，因此需要得到基础轮和特殊轮的负荷对应的 K _L* ，进而确定基础序列和特殊序列的负荷排列；

通过测量基础轮和特殊轮负荷节点的频率和有功功率，从而求得到基础轮和特殊轮负荷对应的 K_L* ，并将基础轮和特殊轮负荷按照 K _L* 从小到大的顺序分别储存在基础序列和特殊序列；因此，当系统频率处于下降阶段时，按照基础序列和特殊序列的顺序进行负荷脱落，当系统频率处于回升阶段时，按照基础序列和特殊序列的倒序进行负荷脱落；

以上一次负荷脱落到此次脱落前的频率变化量∆ f _{n -1} ( t _{n -1} )为依据，以确定负荷脱落时按照基础轮和特殊轮脱落顺序；当∆ f _{n -1} ( t _{n -1} )≤0时，说明频率处于下降阶段或稳定阶段，则按照基础序列和特殊序列的顺序进行负荷脱落，即优先脱落 K _L* 小的负荷；反之，则按照基础序列和特殊序列的倒序进行负荷脱落，即优先脱落 K _L* 大的负荷；

（4）负荷脱落过程具体过程

将负荷脱落优先顺序与∆ f _n (∞)相结合，共同构成最终的负荷脱落控制模块；当发电机因故障解列或负荷比例骤增时，系统中出现有功缺额，因此系统的频率会降低；负载监测模块实时监测系统的频率和有功功率，并将监测到的信息传递给信号采集模块，信号采集模块将采集到的信息传递给控制模块进行分析处理；当控制模块发现频率下降到49.5Hz时，负荷脱落控制模块开始启动。

2.根据权利要求1所述的孤岛电站负荷脱落控制系统，其特征在于：所述负荷脱落过程的具体控制流程为:

1）通过频率检测模块检测系统的频率，当系统频率降低到49.5Hz以下时，启动负荷脱落控制模块；

2）检测母线侧的频率和有功功率，并得到其变化值∆ f 和∆ P _L ；

3）通过∆ f 和∆ P _L 计算得到系统的频率调节效应系数 K_LS*，初始值设定 n =1，∆f ₀ (∞)=0，通过进一步计算出相应的∆ f _n (∞)；

4）判断∆ f _n (∞)的大小，如果∆ f _n (∞)-7Hz且∆ f _{n -1} ( t _{n -1} )≤0，则按存储的基础序列顺序加速脱落3个基础轮负荷；如果∆ f _n (∞)-7Hz且∆ f _{n -1} ( t _{n -1} )0，则按存储的基础序列倒序加速脱落3个基础轮负荷；完成负荷脱落后经过一个固定延时T₁ ，对 n 重新赋值为 n +1，并且返回主循环程序中；如果∆ f _n (∞)-7Hz，则执行下一步；

5）进一步判断∆ f _n (∞)的大小，如果∆ f _n (∞)-3Hz且∆ f _{n -1} ( t _{n -1} )≤0，则按存储的基础序列顺序加速脱落2个基础轮负荷；如果∆ f _n (∞)-3Hz且∆ f _{n -1} ( t_{n -1} )0，则按存储的基础序列倒序加速脱落2个基础轮负荷；完成负荷脱落后经过一个固定延时T ₁ ，对 n 重新赋值为 n +1，并且返回主循环程序中；如果∆ f n (∞)-3Hz，则执行下一步；

6）进一步判断∆ f _n (∞)的大小，如果∆ f _n (∞)-1.5Hz且∆ f _{n -1} ( t _{n -1} )≤0，则按存储的基础序列顺序脱落1个基础轮负荷；如果∆ f _n (∞)-1.5Hz且∆ f _{n -1} (t _{n -1} )0，则按存储的基础序列倒序脱落1个基础轮负荷；完成负荷脱落后经过一个固定延时T ₁ ，对 n 重新赋值为 n +1，并且返回主循环程序中；如果∆ f _n (∞)-1.5Hz，则执行下一步；

7）进一步判断∆ f _n (∞)的大小，如果∆ f _n (∞)≤-0.5Hz且∆ f _{n -1} ( t _{n -1} )≤0，则按存储的特殊序列顺序脱落1个特殊轮负荷；如果∆ f _n (∞)≤-0.5Hz且∆ f _{n -1} (t _{n -1} )0，则按存储的特殊序列倒序脱落1个特殊轮负荷；完成负荷脱落后经过一个固定延时T ₂ ，对 n 重新赋值为 n +1，并且返回主循环程序中；如果-0.5Hz∆ f _n (∞)1Hz，则经过固定延时T ₃ 后负荷脱落控制结束。