[论文解读] Development and Validation of a Scalable Fast Load Shedding Technique for Industrial Power Systems

Andrea Petriccioli, Samuele Grillo+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2021

Islanding Detection in Power Systems参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文提出了一种可扩展的、基于动态模型的工业电力系统快速切负荷（FLS）算法，旨在提升海上平台的系统稳定性和可靠性。该方法通过功率不平衡分析与基于优先级的负荷选择，计算出优化的切负荷矩阵，并通过动态仿真验证，采用符合 IEC 61131-3 标准的结构化文本（Structured Text）在 ABB AC500 PLC 上实现，确保在工业装置中具备兼容性与可扩展性。

ABSTRACT

The work aims to improve the existing fast load shedding algorithm for industrial power system to increase performance, reliability, and scalability for future expansions. The paper illustrates the development of a scalable algorithm to compute the shedding matrix, and the test performed on a model of the electric grid of an offshore platform. From this model it is possible to study the impact on the transients of various parameters, such as spinning reserve and delay time. Subsequently, the code is converted into Structured Text and implemented on an ABB PLC. The scalability of the load shedding algorithm is thus verified, confirming its performance with respect to the computation of the shedding matrix and the usefulness of the dynamic simulations during the design phase of the plant.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的、拓扑自适应的快速切负荷（FLS）算法，用于工业电力系统，以提升系统可靠性与性能。
• 通过动态仿真优化关键参数（如旋转备用和延迟时间），确保系统稳定性。
• 通过在符合 IEC 61131-3 标准的结构化文本（ST）中实现算法，确保与现有工业控制系统的兼容性。
• 通过真实海上平台模型和 PLC 测试，验证算法的有效性与可扩展性。
• 在维持系统频率稳定的同时，最小化切负荷量，减少电网扰动下的运行中断。

提出的方法

• FLS 算法分为两个主要模块：负荷选择（LSE）与事件检测/切负荷动作（ED-SA）。
• LSE 通过分析电网接线图与发电机状态，计算每次事件的功率不平衡（PM），确保子系统稳定。
• LSE 根据优先级与功率消耗选择需切除的负荷，以最少的开关操作实现 PM 超限。
• 输出为切负荷矩阵（SM），其中 1 表示需切除的负荷，0 表示保留，每 0.5–2 秒更新一次。
• 通过动态仿真模拟在不同旋转备用（SR）与延迟时间条件下的暂态行为。
• 利用自动代码生成将算法转换为符合 IEC 61131-3 标准的结构化文本，并部署于 ABB AC500 PLC 上进行硬件验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何使快速切负荷算法在不同工业电力系统拓扑结构中具备可扩展性？
• RQ2 旋转备用与延迟时间对系统扰动期间频率最低点的影响是什么？
• RQ3 如何利用动态仿真模型在不损害安全或运行连续性的前提下优化 FLS 参数？
• RQ4 基于模型的方法在多大程度上可减少切负荷量，同时维持系统稳定？
• RQ5 该 FLS 算法能否通过标准化工业 PLC 及结构化文本（ST）等标准编程语言实现并有效运行？

主要发现

• 所提出的 FLS 算法通过仅使用现场输入与设计参数，动态适应电网拓扑与事件条件，实现了高度可扩展性。
• 动态仿真结果表明，将旋转备用从 3.1 MW 提升至 8.4 MW，可使低频阈值的安全裕度从 1 Hz 降低至 0.5 Hz。
• 延迟时间对频率最低点有关键影响：超过 200 ms 后，频率最低点急剧下降，表明最小化延迟对系统稳定至关重要。
• 6 MW 的旋转备用可确保在 48 Hz 低频阈值之上保留 0.5 Hz 的安全裕度，实现运行连续性与安全性的平衡。
• 该算法成功以结构化文本实现，并在 ABB AC500 PLC 上完成测试，验证了其兼容性与实时性能。
• 基于模型的优化方法可精确确定 SR 与延迟时间，最小化不必要的切负荷，同时满足低频保护要求。