CN102629760B - 适应频率安全稳定的低频切泵及减载协调优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明属电力系统稳定控制领域，提出了一种适应频率安全稳定的低频切泵及减载协调优化方法，其特征在于：获取包括抽水蓄能机组运行状态在内的电网运行安排信息；选取典型运行方式及故障场景；基于频率响应轨迹获取低频切泵预选方案；计及抽水蓄能机组动作后低频减载的协调配合方案整定；计算综合频率控制代价，获得最优方案。本发明提供的方案，综合低频切泵与低频减载配合整定，在保证系统频率安全的前提下，优先调整抽水蓄能机组的状态和出力，减少低频减载和发电机低周保护的动作，实现故障情况下频率控制代价最小。

Description

适应频率安全稳定的低频切泵及减载协调优化方法

技术领域

本发明属于电力系统稳定控制领域，更准确地说本发明涉及一种基于控制代价实现电网低频切泵及低频减载优化整定的新型方法。

背景技术

频率稳定是电力系统安全稳定运行的重要因素，它反映了电力系统中有功功率供需平衡的基本状态。频率的异常会给电网、发电机、用户带来极为严重的后果。频率的异常不仅会使电厂运行偏离经济性，影响整个电网的经济运行，而且还可能危及全系统的安全运行。

随着特高压的投运和智能电网发展的需要，我国电网已形成跨大区互联，频率特性和频率控制问题已成为电网互联运行的关键问题之一。

当电网突然发生功率缺额时，低频减载是常用的重要控制手段。现有的低频减载方案整定时一般用单机带集中负荷等效模型的方法，凭经验离线整定频率启动值、延时和每轮切负荷量，近年来国内外的改进方案普遍考虑了紧急情况下的频率变化率和电压变化率加快切负荷。随着抽水蓄能电厂的建设和发展，国内外利用抽水蓄能机组进行调频渐渐普及。抽水蓄能机组是发电、水泵两用机组，其具有快速的响应能力和爬坡能力。抽水蓄能机组迅速而灵敏的开、停机性能,特别适宜于调整出力,能很好地满足电网负荷急剧变化的要求,从而保证电网安全稳定运行。

对于抽水蓄能机组低频保护的整定，文献[罗胤.抽水蓄能机组低频保护整定方案[J].水电自动化与大坝监测，2011，35（3）:52-55]提到了从电网侧频率安全出发进行抽水蓄能机组的低频保护方案整定，把水泵状态的抽水蓄能机组当成大容量的负荷切除，考核不同运行方式下切除抽水蓄能机组容量的负荷后对电网的频率影响程度。文献[S.J Huang, C.C Huang. Adaptive approach to load shedding including pumped-storage units during underfrequency conditions[J]. IEE Proc.-Gener. Transm.Distrib.,vol.148,No.2,March2001.]在低频情况下优先切除水泵状态下的抽水蓄能机组，考虑了在极端功率缺额的情况下切除水泵后还需启动低频减载。文献[C.T Hsu, M.S Kang, C.S Chen. Design of adaptive load shedding by artificial neural networks[J].IEE Proc.-Gener. Transm. Distrib., vol.152, No.3, May2005.]基于神经网络的方法对低频切泵进行优化整定，通过稳定仿真分析获取大量不同场景下的最优切泵样本，再利用这些样本训练神经网络，以后只需输入现场的频率变化率和功率缺额就会自动得出最优切泵方案。

传统的低频减载方案整定未考虑合理利用抽水蓄能机组这种高调节性元件，出于对抽水蓄能机组的保护，在频率低到一定程度直接将它们全部解列，电网侧需切除大量的负荷的来保证系统的频率安全稳定，容易造成过切负荷问题。有部分考虑了抽水蓄能机组的低频减载整定的新方案，都基于大量的稳定仿真分析凭经验反复试探得出方案，没有指出低频切泵与常规的低频减载之间协调配合的方法，更没有一种定量的方法去对不同的协调方案进行优化和评价。为此，需要一种考虑抽水蓄能机组和低频减载特性，在保证电网频率安全的前提下，使控制代价最小的新型低频减载优化整定方法。

发明内容

本发明的目的是：给出一种低频减载与低频切泵协调优化的整定方法，利用该整定方法可充分利用抽水蓄能机组的灵活的调节特性，通过低频减载与低频切泵协调配合使事故后频率尽快恢复到安全范围，通过计算不同方案综合频率控制代价对不同的整定方案进行比较。利用该发明提出的方法，可得到经济、高效的低频减载整定方案。

为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案实现，包括下述步骤：

1）获取包括抽水蓄能机组在内的电网运行安排信息；

2）选取典型研究方式及可能故障场景；

3）基于频率响应轨迹获取低频切泵预选方案；

4）考虑抽水蓄能机组后低频减载的协调配合方案整定；

5）计算不同方案综合频率控制代价；

6）比较各方案的优劣获得最优方案。

上述步骤2）典型研究方式及可能故障场景的选取基于概率统计信息，通过对历年电网数据的分析，统计出电网各种运行方式累计运行时间、出现故障的类型及次数得出概率分布情况，结合电网规划网架、负荷水平、电源建设、抽水蓄能接入情况，选取有代表性的研究方式，在研究方式基础上进行电网安全稳定分析得出可能的故障集。

上述步骤3）基于频率响应轨迹进行低频切泵初步方案整定，以暂态频率偏移可接受裕度进行初选，然后通过计算低频切泵后频率变化积分进一步筛选，只有暂态频率偏移可接受裕度较大同时频率变化积分较小几套方案最后被留下作为预选低频切泵方案。 

上述步骤4）低频减载与低频切泵之间的协调配合是通过电网故障后频率变化率来设定，采用“粗糙调节+精细调节”协调的办法，对于严重故障采用“紧急轮+基本轮”加快切除全部水泵和部分负荷。

上述步骤5）控制代价计算表达式为：

      （1）

式中、、分别代表切负荷代价系数、切抽水蓄能水泵代价系数和暂态频率代价系数，表示动态频率轨迹实测的最大稳态频率偏移，为稳态频率惩罚因子，用于对欠切或者过切情况加重处罚，的表达式如（2）所示：

             （2）

是考虑除切除负荷后引起的负荷功率需求降低之外，低频时负荷功率需求降低和快速备用增发的发电出力影响，对抽水蓄能机组快速抽水转发电进行一定的奖励。

用表示考虑各种故障场景及运行方式下综合控制代价，其中表示根据统计学得出的某方式出现的概率，用它作为加权系数，为故障场景数，通过加权获得某方案的综合控制代价。通过不同方案的综合控制代价计算，认为综合控制代价最小的方案即为最优的整定方案。

附带说明的是：控制代价和综合控制代价中的系数需通过大量的仿真计算依据各电网情况进行设定。

效果和优点

本发明作为一种优化整定方法，在保证系统安全的前提下，优先调整抽水蓄能机组的状态和出力，可减少低频减载和发电机低周保护的动作，降低事故后频率控制的经济代价。通过采取这种考虑抽水蓄能机组的低频减载自适应优化整定方法，一方面可解决抽水蓄能机组低频保护和低频减载协调配合问题，提升了事故后频率控制速度和效果，另一方面也可优化低频减载的整定，降低电网事故后切除的负荷总量尤其是民用电负荷量，有利于降低事故处理成本和提升电力企业形象，其次，充分利用抽水蓄能机组这种大容量、快速、灵活动作的特殊负荷，可避免极端严重功率缺额事故后频率崩溃情况。

附图说明

 附图1是基于频率响应轨迹初选低频切泵方案的原理图；

附图2是考虑抽水蓄能机组的低频减载自适应优化整定方案流程图。

具体实施步骤

下面结合附图2对本发明中的具体实施方式作进一步详细说明。

附图2中步骤1描述的是低频减载整定前的数据准备工作，获取最近两年电网抽水蓄能机组的运行情况、电网运行方式、电网故障情况，未来几年电网规划网架、负荷水平、电源建设、抽水蓄能接入情况。 

附图2中步骤2描述的是选取典型研究方式及故障场景的过程，基于概率统计信息，通过对历年电网数据的分析，统计出电网各种运行方式累计运行时间、出现故障的类型及次数得出概率分布情况，结合电网规划网架、负荷水平、电源建设、抽水蓄能接入情况，选取有代表性的研究方式，在研究方式基础上进行电网安全稳定分析得出可能的故障集。 

附图2中步骤3描述的是，基于频率响应轨迹的低频切泵整定预选方案过程。

基于频率响应轨迹的低频切泵方案初选是用暂态频率偏移可接受裕度进行暂态频率安全校核，然后选取时间内频率变化积分较小的几条频率响应轨迹。

暂态频率偏移可接受裕度是持续时间和频率偏差（）的乘积表征频率由额定值偏移至、历时的累积，暂态频率偏移可接受裕度可根据暂态频率情况计算出来，计算表达式如下式（3）所示：

                         （3）

式（3）中：为频率偏移门槛值；为频率偏移允许的持续时间；为暂态过程中母线频率的极值；为把临界频率偏移持续时间换算成频率的折算因子，时间到频率的折算系数需根据曲线拟合结果计算。时表示频率偏移可接受，为负值时则认为频率不安全。只有，才继续进行后面的频率变化积分计算工作；，认为该方案不可接受，排除。

频率变化积分是频率变化时间内，频率响应曲线曲线与参考频率线所围成的区域的面积，其计算方法为，该面积越小，表示频率响应曲线越优。

频率响应频率响应轨迹的原理图如附图1所示，图中对应两套不同的低频切泵方案的频率响应曲线、，设定参考频率与频率偏移门槛值一致，两条曲线最低频率分别为、，低于参考频率的持续时间分别为、。

计算暂态频率偏移可接受裕度，。假设计算出，

两者的频率变化积分分别为：，

由于，且方案2的较大，则认为方案2更优，然后继续计算其他的方案。

实际整定过程中要多准备切泵方案，参考频率和频率偏移门槛值根据电网实际要求和安全稳定计算导则进行设定，通过频率响应轨迹筛选后得出几套暂态频率偏移可接受裕度大，频率变化积分较小的方案。这些方案只是初步方案，后面步骤4还要在此基础上进行细微调整。

附图2中步骤4描述的是，依据步骤3中的低频切泵的预选方案，分别与低频减载进行协调整定。

低频减载与低频切泵的协调整定过程主要根据频率的变化率，在确认不是扰动引起的频率急剧变化后，根据频率变化率选用“粗糙调节+精细调节”协调的办法，对于严重故障采用“紧急轮+基本轮”加快切除全部水泵和部分负荷。

抽水蓄能机组水泵运行时负荷容量大，依次切除它们当做粗糙调节，用于缓解频率的急剧下降趋势，在趋势放缓或者频率开始逐步恢复时，低频减载可以看做是一种精细调节方案，用于频率的进一步恢复。粗细方案配合，能有效的使故障后系统频率尽快恢复到正常范围。低频切泵与低频减载特殊轮协调的方法为根据频率的变化率分别设定三个不同的启动定值、、，其中，，主要用于闭锁频率上升速度过快和避免频率恢复速度过慢。

粗糙调节方案原理为：

当，且时，延时动作；

精细调节方案原理为：

当，且时，延时动作低频减载特殊轮；

当，且时，延时动作低频减载基本轮。

N1为低频切泵的轮数，N1=1~n，n为水泵工况的抽水蓄能机组，N2为低频减载特殊轮轮数，N3为低频减载基本轮轮数。启动频率、、需根据不同电网相关规定进行设定，但是要保证。动作延时，切泵延时常取0.1~0.5s，低频减载特殊轮延时常取10~25s，低频减载基本轮延时不同电网整定差别较大。

对于严重故障采用“紧急轮+基本轮”加快切除全部水泵和部分负荷。

设置启动判别条件为，延时，切除全部水泵，加速切除低频减载第一轮；，延时，切除全部水泵，加速切除低频减载第一、二轮。

低频减载与低频切泵协调过程中，先根据步骤3获得的低频切泵方案，固定低频切泵的定值和延时，变动低频减载的定值和延时，在频率响应轨迹变化不大时，再细微的进行低频切泵方案的调整，得到一套完整的协调方案，该协调方案需通过不同的故障场景进行考核，根据实际情况和分析经验可进行适当的调整。

附图2中步骤5描述的是，计算每个方案的综合频率控制代价。

控制代价可以通过构造一个经济代价的目标函数来衡量，该目标函数考虑了暂态频率安全，稳定频率恢复情况，计及切负荷与切泵的经济代价基础上得出来的控制代价计算公式。考虑不同的故障和运行方式，通过计算切负荷综合控制代价可以比较不同方案的优劣。

考虑频率安全和综合切负荷经济代价的优化的目标函数为：

       （4）

式（4）中、、分别代表切负荷代价系数、切水泵状态抽水蓄能机组代价系数和暂态频率代价系数，切泵的代价要明显小于切除民用或工业用电负荷的代价；

表示稳态恢复频率的最大频率偏移，为稳态频率惩罚因子，即对欠切或者过切情况加重处罚。的表达式如（5）所示：

                （5）

暂态频率偏移可接受裕度正值越大，表明暂态频率越安全，故取负数，对暂态频率越安全的情况进行奖励。

是考虑除切除负荷后引起的负荷功率需求降低之外，低频时旋转热备用动用情况和快速备用增发的发电出力影响。快速备用主要由无负荷或者低负荷的水电机组提供，也可由抽水蓄能机组紧急状态转换快速提供发电。本发明主要考虑抽水蓄能机组，对其快速的抽水转发电提供额外的奖励。的表达式如（6）所示：

                    （6）

用表示考虑各种故障场景及运行方式下总目标函数，其中表示根据统计学得出的某一种方式出现的概率，用它作为加权系数，为故障场景数，通过加权获得某方案的综合控制代价。

附图2中步骤6描述的是，根据步骤5所得的各方案的综合控制代价，选取综合控制代价最小的方案作为最优方案。

最后应该说明的是：结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到：本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。

Claims (1)

1.适应频率安全稳定的低频切泵及减载协调优化方法，包括以下步骤：

1)进行低频减载整定前的数据准备工作，获取最近两年电网抽水蓄能机组的运行情况、电网运行方式、电网故障情况以及未来几年电网规划网架、负荷水平、电源建设、抽水蓄能接入情况；

2)基于概率统计信息，通过对历年电网数据的分析，统计出电网各种运行方式累计运行时间、出现故障的类型及次数得出概率分布情况，结合电网规划网架、负荷水平、电源建设、抽水蓄能接入情况，选取有代表性的研究方式，在研究方式基础上进行电网安全稳定分析得出可能的故障集；

3)用暂态频率偏移可接受裕度进行暂态频率安全校核，然后基于频率响应轨迹获取低频切泵预选方案；

4)通过故障情况下频率变化率设定，将低频切泵当作粗糙调节方案用于缓解频率急剧下降的趋势，低频减载当作精细调节方案在频率变化趋势缓解后用于使频率恢复到合理的运行范围，同时使切负荷量最小最优，采用“粗糙调节+精细调节”控制模式，严重故障下采用“紧急轮+基础轮”加快切除全部水泵和部分负荷；

5)计算不同方案综合频率控制代价，先计算每种故障场景下某种方案的控制代价，然后根据故障和运行方式出现概率进行加权求和，控制代价是考虑了稳定频率恢复情况惩罚，切负荷与切泵的经济代价，暂态频率安全稳定性，抽水蓄能机组抽水转发电奖励f(Y)，所述控制代价表达式为：

$F_{\mathrm{obj}}\left(Z\right)=P_f*\left[C_{\mathrm{ps}}\underset{j=1}{\overset{N_1}{\mathrm{\Σ}}}\right|\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ps},j}|+C_{\mathrm{ls}}\underset{i=1}{\overset{N_2}{\mathrm{\Σ}}}|\mathrm{\Δ}{P}_{\mathrm{ls},i}\left|\right]+C_{\mathrm{ts}}{\mathrm{\η}}_{\mathrm{fd}}+f\left(Y\right)$

其中，C_ls、C_ps、C_ts分别代表切负荷代价系数、切抽水蓄能电泵代价系数和暂态频率代价系数，N₁、N₂分别表示切抽水蓄能电泵和切负荷的次数，|ΔP_ps,j|、|ΔP_ls,i|分别表示每次所切的抽水蓄能电泵和负荷的功率，η_fd为暂态频率偏移可接受裕度，P_f为稳态频率惩罚因子，用于对欠切或者过切情况加重处罚，f(Y)是考虑除切除负荷后引起的负荷功率需求降低之外，低频时负荷功率需求降低和快速备用增发的发电出力影响，对抽水蓄能机组快速抽水转发电进行一定的奖励；

6)比较各方案的优劣，选取综合控制代价最小的方案获得最优方案。