【两区域系统的自动发电控制】任何区域突然负荷变化的情况下，如何测量两个区域共享的功率研究附Simulink仿真

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🔥 内容介绍

在现代互联电力系统中，两区域系统通过联络线紧密相连，实现功率的相互支援与调配。自动发电控制（AGC）作为维持系统频率稳定和区域间功率交换精确性的关键手段，在任何区域发生突然负荷变化时，准确测量两个区域共享的功率至关重要。这不仅关乎系统的安全稳定运行，还影响着电力市场的公平交易与高效调度。随着电力系统规模的不断扩大、新能源渗透率的逐渐提高以及负荷特性的日益复杂，对两区域共享功率测量的准确性、实时性和可靠性提出了更高要求。深入研究适用于负荷突变场景下的共享功率测量方法，具有显著的理论意义和工程实用价值。

二、两区域系统的结构与运行特性

2.1 系统架构概述

典型的两区域系统由两个相对独立的子系统通过联络线连接而成。每个子系统包含发电机、变压器、输电线路以及各类负荷。区域 1 内，多台同步发电机为本地负荷供电，同时通过联络线与区域 2 进行功率交互。区域 2 同样具备独立发电能力，其发电设备与区域 1 的机组特性可能存在差异，例如区域 1 以火电为主，机组响应速度相对较慢但功率输出稳定；区域 2 若水电占比较大，则具有快速调节功率的优势。联络线作为功率传输的纽带，其传输容量受到线路参数（如电阻、电抗、电容）、电压等级以及热稳定极限等因素限制。在正常运行状态下，两区域根据预先制定的功率交换计划，通过 AGC 调节发电机出力，维持联络线功率在设定值附近，保障系统频率稳定在额定值（如 50Hz 或 60Hz）。

2.2 负荷突变对系统的影响

当任一区域发生突然负荷变化时，系统的功率平衡瞬间被打破。以区域 1 负荷突然增加为例，该区域内发电机的实时出力无法及时满足新增负荷需求，导致区域 1 频率迅速下降。由于两区域通过联络线相连，频率偏差会引发联络线功率重新分布。根据功频特性，区域 2 的发电机感受到系统频率降低后，在 AGC 作用下增加有功出力，通过联络线向区域 1 输送更多功率，以支援其负荷需求。然而，这一过程中联络线功率可能出现大幅波动，若超过联络线的传输极限，将引发线路过载保护动作，甚至可能导致系统解列，严重威胁电力系统的安全稳定运行。同时，负荷突变还可能激发系统的功率振荡，影响电能质量，对各类电力设备的正常运行造成不利影响。因此，快速准确地测量负荷突变情况下两区域共享的功率，成为实现 AGC 精准控制、维持系统稳定的关键前提。

三、共享功率的测量位置与设备

3.1 联络线直接测量方案

在连接两个区域的联络线上直接安装功率测量设备，是获取共享功率最直观有效的方式。高精度电流互感器和电压互感器是测量的基础元件，它们分别将联络线上的大电流和高电压按比例变换为适合测量仪表处理的小信号。数字式功率变送器则负责将互感器输出的电压、电流信号进行乘法运算、滤波、积分等处理，直接输出联络线的有功功率、无功功率以及视在功率等参数，测量精度可达 0.2 级甚至更高。例如，在某 500kV 联络线上安装的智能功率测量装置，能够实时测量功率数据，并通过光纤通信将数据快速传输至两区域的调度中心，为 AGC 控制提供实时准确的功率信息。

3.2 区域内间接测量方案

四、关键测量技术解析

4.1 SCADA 系统的应用

监控与数据采集（SCADA）系统在电力系统运行监测中广泛应用，在两区域共享功率测量方面也发挥着重要作用。SCADA 系统通过分布在各区域的远程终端单元（RTU），实时采集发电机、变压器、线路等设备的运行数据，包括功率、电压、电流等参数。在负荷突变发生时，RTU 快速响应，将测量数据通过通信网络传输至主站。主站系统对数据进行处理、存储和分析，计算出联络线的功率值。然而，SCADA 系统的数据采集周期通常在秒级，对于负荷突变瞬间功率的快速变化，可能无法精确捕捉。例如，在区域负荷突变后的最初几百毫秒内，功率的剧烈波动可能在 SCADA 系统的秒级采样中被平滑，导致测量数据无法准确反映功率的动态变化细节，影响 AGC 对系统的快速调节响应。

4.2 PMU 技术的优势

4.3 功率谱密度分析的应用

功率谱密度分析借助快速傅里叶变换（FFT）算法，将时域的功率信号转换为频域分布，从而量化功率波动的频率特性，在两区域共享功率测量中具有重要辅助作用。在区域负荷突变后，联络线功率往往会出现复杂的波动，其中包含不同频率成分。通过功率谱密度分析，能够清晰地确定功率波动中各频率成分的占比。例如，低频振荡（如 0.1 - 2Hz）可能是由于系统惯性和发电机调速器动态响应引起，高频噪声（如高于 10Hz）可能由测量设备干扰或电力电子装置的开关动作产生。通过分析功率谱密度，一方面可以辅助判断测量数据的准确性，识别并去除因干扰导致的异常高频噪声成分；另一方面，对于低频振荡，可根据其主导频率评估系统稳定性，为 AGC 调整控制参数、采取针对性的振荡抑制措施提供依据，确保系统在负荷突变后的稳定运行。

五、测量数据的处理与分析

5.1 数据滤波与去噪

在实际测量过程中，由于电力系统中存在各种电磁干扰源，如开关操作、雷电冲击以及通信设备的电磁辐射等，功率测量数据往往会受到噪声污染。为提高数据的准确性和可靠性，需采用数字滤波器对测量数据进行滤波处理。低通滤波器能够有效去除高频噪声，保留功率信号的低频有效成分，使测量数据更加平滑。例如，采用巴特沃斯低通滤波器，通过合理设置截止频率（如 5Hz），可有效滤除因测量设备干扰产生的高频噪声，使功率曲线更加清晰地反映实际功率变化趋势。对于存在脉冲干扰的数据，中值滤波器则具有良好的抑制效果，它通过对数据序列进行排序，取中间值作为滤波输出，能够有效消除个别异常数据点对整体数据的影响。在负荷突变导致功率数据波动较大的情况下，卡尔曼滤波器能够根据系统状态方程和测量方程，对功率测量数据进行最优估计，不仅能去除噪声干扰，还能在一定程度上预测功率的变化趋势，为 AGC 控制提供更可靠的数据支持。

六、案例分析与验证

6.1 实际系统案例介绍

以某实际运行的两区域互联电力系统为例，区域 1 主要由火电机组构成，总装机容量为 3000MW，区域 2 以水电机组为主，装机容量为 2000MW，两区域通过一条 220kV 联络线相连，联络线额定传输容量为 500MW。在一次工业生产过程中，区域 1 的某大型工厂突然启动多台大功率设备，导致区域 1 负荷瞬间增加 200MW。这一负荷突变事件为研究两区域共享功率测量提供了真实场景。

6.2 测量数据与结果分析

在负荷突变发生时，联络线直接测量设备和区域内间接测量系统同时采集数据。联络线直接测量装置采用高精度功率变送器，测量精度为 0.2 级，实时输出联络线功率数据。区域内通过发电机和负荷端的功率测量装置，按照间接测量方法计算净交换功率。测量结果显示，在负荷突变后的最初 0.5 秒内，联络线功率迅速从 100MW 增加至 350MW，功率变化率高达 500MW/s。通过对测量数据进行功率谱密度分析，发现功率波动中存在 0.5Hz 的低频振荡成分，这与系统中发电机调速器的响应特性相关。同时，对联络线直接测量数据和区域内间接测量数据进行融合验证，两者差值在 1% 以内，验证了测量数据的准确性。基于这些测量数据，AGC 系统迅速动作，区域 2 的水电机组快速增加出力，在 2 秒内将联络线功率稳定在 300MW 左右，有效维持了系统频率稳定在 49.8 - 50.2Hz 之间，保障了电力系统的安全稳定运行。

七、结论与展望

在两区域系统自动发电控制中，面对任何区域突然负荷变化，准确测量两个区域共享的功率对于维持系统稳定运行至关重要。通过在联络线直接安装高精度测量设备以及利用区域内功率测量间接计算净交换功率，结合 SCADA 系统、PMU 技术以及功率谱密度分析等关键测量技术，并对测量数据进行滤波、融合与动态特性分析，能够实现对共享功率的精确测量与有效监测。实际案例验证了这些方法的可行性与有效性。随着电力系统向高比例新能源接入、智能化方向发展，未来需进一步研究适用于复杂电力系统场景的共享功率测量技术，如考虑新能源发电的间歇性和波动性对功率测量的影响，探索基于人工智能的测量数据处理与分析方法，以提高测量的准确性和实时性，为电力系统的安全、稳定、高效运行提供更坚实的技术支撑。

⛳️ 运行结果

🔗 参考文献

[1] 刘波,郭昆丽,冉媛,等.基于MATLAB新型电力系统稳定器的仿真研究[J].广东电力, 2018, 31(3):7.DOI:10.3969/j.issn.1007-290X.2018.003.012.

[2] 武昱.分布式发电系统仿真及其控制策略研究[D].重庆大学,2015.

[3] 方钰.基于矩阵变换器的双馈风力发电系统功率控制的研究[D].西安理工大学,2013.DOI:10.7666/d.D515988.

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