CN103078317B - 广域风电控制系统受控风电场控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力系统广域风电控制系统中出力控制量的计算与风电场的控制方法。所述方法实时计算评价电网联络线控制的控制性能标准（CPS，包含CPS1与CPS2）指标，对两个指标的合格与否进行判断，在不合格时，利用该指标计算全网切除风电场出力或恢复风场出力的总控制量大小；按加权评分的方法对各风电场调控能力进行计算并排序；计算各风电场按设定的当前出力百分比进行控制的数值大小，结合全电网出力控制量数值及风电场排序结果，选定本次控制的风电场范围，下发控制命令完成控制操作。本发明提升对风电场的精确控制，满足了电网安全稳定运行的需要。

Description

广域风电控制系统受控风电场控制方法

技术领域

本发明属于电力系统动态监控领域，具体涉及一种电力系统广域风电控制系统中出力控制量的计算与风电场的控制方法。

背景技术

随着我国风电技术的发展和对开发利用可再生能源的重视，风力发电近几年在我国得到了较快的发展。风能发电与传统的水火电相比较最大的区别就是风电的随机性、间歇性、反调峰特性。我国在风电发展初期，由于风电装机容量较小，电量少，相对整个电网的影响小，但近期随着风电装机容量的增加，上述特性的影响在电网中逐步扩大，给电网调峰、调压、安全控制等带来了越来越多的困难，甚至还会给系统安全稳定运行带来隐患。因此，迫切需要构建全网统一的风电控制系统，实现在电网用电低谷时精确控制风电场的发电，作为水、火电机组调峰能力用尽时的新增调峰手段，解决风力发电反调峰特性带来的电网调峰困难。申请人之前申请的专利《一种电力系统广域风电调峰控制系统》（专利公开号：ZL200910080530.0）曾提出以联络线偏差为控制目标，采用循环队列的策略对风电场进行控制，该方法已经成为调度运行人员调峰控制的重要手段，但是，随着主站接入风电场的规模不断扩大，对风电场的智能化运行及电网的安全稳定运行都提出了更高的要求。

本发明基于实践和积累，提出了更精确、更有利于电网安全稳定运行的控制量计算及风电场选择排序方法。

发明内容

本发明的目的是在已有的广域风电控制系统之上，进一步提升对风电场的精确控制，并促进风电场采用更先进的自动化设备，更加有利于调度运行部门对电网的调峰控制，更加有利于电网的安全稳定运行。

CPS定义了控制区域的性能指标CPS1和CPS2，CPS1表示控制行为对电网频率的影响，CPS2则用于控制非计划潮流导致的无意交换电量。

为了更好地理解本发明的技术方案，下面将本申请中所使用到的技术术语解释如下：

控制性能标准CPS：北美电力系统可靠性协会(NERC),在1997年推出的电网控制性能评价指标CPS（Control Performance Standard），包括CPS1与CPS2两部分。CPS标准更加客观的评价各控制区的控制行为对互联电网频率稳定的作用，确保控制区域的交换功率满足交换计划的要求，并使互联电网的频率保持在规定值范围。

CPS1：CPSl指标K_cps1不要求电网区域控制偏差ACE在规定的时间过零，但对电网频率质量提出了很明确的要求，除了综合考虑了ACE与频率的一致性以外，还是基于一种数学统计方法从长期角度来评价控制区域对整个互联电网频率质量的贡献。计算公式如下：

$K_{\mathrm{CF}}=\mathrm{\Σ}\left(E_{\mathrm{AVE}-\min }^{\mathrm{ACE}}\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{AVE}-\min }\right)/(-10{\mathrm{Bn\ϵ}}_1^2)$

K_cps1=(2-K_CF)×100%

其中为1分钟电网联络线功率偏差ACE（联络线功率实际值与联络线功率计划值之差）的平均值，ΔF_AVE-min为1分钟实时频率偏差的平均值，B为控制区域设定的频率偏差系数，ε₁为电网对全年1分钟频率平均偏差均方根的控制目标值，n为分钟数；

CPS2：CPS2指标K_cps2对电网区域控制偏差ACE的绝对值进行了限制，其实质是为了避免区域间的联络线偏差过大，造成过多的无意交换电量，但其控制尺度更宽松，有利于在紧急情况下电网之间相互支援。计算公式如下：

$K_{\mathrm{cps}2}=E_{\mathrm{AVE}-10\min }^{\mathrm{ACE}}/L_{10}$

标准要求必须满足K_cps2≤1，其中ε₁₀为电网对全年10分钟频率平均偏差均方根的控制目标值，B_网为电网的频率偏差系数，为10分钟电网联络线功率偏差ACE的平均值。

AGC：自动发电控制（Automatic Generation Control）利用调度监控计算机、通道、远方终端、执行（分配）装置、发电机组自动化装置等组成的闭环控制系统，监测、调整电力系统的频率，以控制发电机出力。它是并网发电厂提供的有偿辅助服务之一，发电机组在规定的出力调整范围内，跟踪电力调度交易机构下发的指令，按照一定调节速率实时调整发电出力，以满足电力系统频率和联络线功率控制要求的服务。

AVC：自动电压控制（Automatic Voltage Control）是指在正常运行情况下，通过实时监视电网无功/电压情况，进行在线优化计算，分区分区调节控制电网中的无功电源、变压器分接头、无功补偿等设备，实施实时的最优闭环控制，满足电网安全约束条件下的优化无功潮流运行，达到电压优质和网损最小的目标。

风电场反措：即风电场反事故措施，除自动发电控制AGC、低电压穿越、自动电压控制AVC、动态无功补偿外，还包括风功率预测、测风塔实时数据上传、小电流接地、风机及变频器涉网定值整定等。本文中的风电反措能力仅指上述内容的后半部分。

WAMS：广域测量系统（Wide Area Measurement System）由相量测量单元（PhasorMeasurement Unit，PMU）同步采集广域电网的实时运行数据，借助高速通信网络传输至数据处理中心站，得到同一时间坐标下电网全局的动态信息，实现对电力系统动态过程的监测。

SCADA：数据采集与监视控制系统（Supervisor Control And Data Acquisition）是以计算机为基础的生产过程控制与调度自动化系统，它可以对现场的运行设备进行监视和控制，以实现数据采集、设备控制、测量、参数调节以及各类信号报警等各项功能。

本发明具体采用以下技术方案。

一种电力系统广域风电控制系统中受控风电场控制方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

（1）读取电网联络线控制性能标准CPS指标判断阈值参数，所述阈值参数用于判断电网联络线控制指标是否合格，包括CPS1不合格阈值、CPS2不合格阈值；读取风电场可控出力占风电场全部出力的百分比阈值，所述百分比阈值参数用于风电场控制时按该百分比切除或恢复风电场出力；读取用于风电场排序的基本配置信息，包括各风场是否具备自动发电控制AGC、低电压穿越、自动电压控制AVC、动态无功补偿及风电场反措能力信息；

（2）通过WAMS系统读取电网频率实时数据，通过SCADA系统读取电网联络线功率计划值与联络线功率实际值；

（3）按照CPS标准规定，通过步骤（2）中的数据实时计算CPS1指标K_cps1与CPS2指标K_cps2；

CPS标准规定如下： $K_{\mathrm{CF}}=\mathrm{\Σ}\left(E_{\mathrm{AVE}-\min }^{\mathrm{ACE}}\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{AVE}-\min }\right)/(-10{\mathrm{Bn\ϵ}}_1^2),$ K_cps1=(2-K_CF)×100%，其中为1分钟全电网控制偏差ACE的平均值，即联络线功率实际值与联络线功率计划值之差在1分钟内的平均值；ΔF_AVE-min为1分钟实时频率偏差的平均值，B为全电网设定的频率偏差系数，ε₁为对全电网全年1分钟频率平均偏差均方根的控制目标值，n为分钟数，取1分钟计算时，n=1；

$K_{\mathrm{cps}2}=E_{\mathrm{AVE}-10\min }^{\mathrm{ACE}}/L_{10},$ 必须满足K_cps2≤1，其中ε₁₀为对全电网全年10分钟频率平均偏差均方根的控制目标值，B_网为全电网的频率偏差系数，为10分钟全电网控制偏差ACE的平均值，即联络线功率实际值与联络线功率计划值之差在10分钟之内的平均值；

（4）判断CPS1指标K_cps1与CPS2指标K_cps2是否合格，当根据步骤（3）中实时计算得到的K_cps1小于CPS1不合格阈值或K_cps2大于CPS2不合格阈值，即认为CPS指标不合格，需要计算全电网出力控制量并对风电场进行控制；

（5）如果在步骤（4）中只有K_cps1小于CPS1不合格阈值，则全电网出力控制量为

如果只有K_cps2大于CPS2不合格阈值，则全电网出力控制量为

如果K_cps1小于CPS1不合格阈值并且K_cps2大于CPS2不合格阈值，则全电网出力控制量P_网取全电网控制量P_网1与全电网控制量P_网2中的较大值，即P_网=MAX{P_网1,P_网2}；

（6）读入各风电场当前运行状态下的电压、潮流，对电压是否越限、潮流是否越限做判断；结合风电场是否具有自动发电量控制AGC功能、低电压穿越功能、自动电压控制AVC功能、动态无功补偿功能及风电场反措能力计算风电场调控能力；

所述风电场调控能力计算公式如下：

Z=K₁×A+K₂×B+K₃×C+K₄×D+K₅×E+K₆×F+K₇×G，其中K1、K2、…、K7分别代表具有AGC功能、低电压穿越功能、AVC功能、动态无功补偿功能、风电场反措能力、电压越限、潮流越限所占的权重系数，A、B、…、E代表对应项是否具有该能力，如果具有则取值为1，否则为0，F、G分别对应电压是否越限、潮流是否越限，如果越限取值为0，否则为1；

（7）对全电网风电场按步骤（6）所计算的风电场调控能力值从大到小排序，在限制出力控制过程中，风电场调控能力值越小越先受到限制；在恢复出力控制过程中，被限制的风电场的风电场调控能力值越小越后恢复；

（8）计算每个风电场按当前出力乘以可控出力百分比阈值得到的每个风电场出力控制量大小，根据步骤（5）中得到的全电网出力控制量数值与从步骤（7）中获取的风电场排序结果，选定需要控制的风电场范围，最后将控制命令下发给选定的风电场，完成控制操作。

进一步，在所述步骤（1）中，所述CPS1不合格阈值为1.05，CPS2不合格阈值为0.98，可控出力百分比阈值为20%。

在所述步骤（6）中，所述K1、K2、…、K7分别代表AGC、低电压穿越、AVC、动态无功补偿能力、风电场反措、电压越限、潮流越限所占的权重系数，取值分别为K1=0.15，K2=0.15，K3=0.15，K4=0.15，K5=0.15，K6=0.15，K7=0.1。

本发明提出的广域风电控制系统中受控风电场控制量的计算及风电场控制方法不但能够提高对风电场的精确控制，还可以促进风电场安装自动化程度更高的设备，进而更加有利于电网的安全稳定运行。

附图说明

图1为本发明广域风电控制系统受控风电场控制量计算及选择排序实现方法结构示意图；

图2为本发明广域风电控制系统受控风电场控制量计算及选择排序实现方法流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。

本发明适用于实施部署了广域风电控制系统的电网。广域风电控制系统是基于广域测量系统WAMS的风电场控制系统，属于WAMS应用的一个子模块。

如附图1所示为本发明广域风电控制系统受控风电场控制量计算及选择排序实现方法结构示意图，所述方法包括风电场总控制量计算、风电场调控能力计算及风电场控制量分配与控制三部分。风电场总控制量计算部分，读入基本参数与阈值信息，结合从WAMS系统读入的电网频率实时数据与从SCADA系统读入的联络线计划值与实际值，计算评价电网联络线控制的CPS1与CPS2指标，并对两个指标是否合格作出判断，在不合格时计算全电网出力控制量；风电场调控能力计算部分综合考虑风电场是否具有自动发电控制AGC、低电压穿越、自动电压控制AVC、动态无功补偿、风电场反措能力及当前电压、潮流是否越限等因素，根据各项的权重系数对全网风电场进行调控能力计算，并根据调控能力数值从大到小进行排序；风电场控制量分配与控制部分在获取全电网出力控制量及风电场的调控能力排序结果后，根据设定的控制出力百分比阈值，计算每个风电场应该控制的出力大小并选定需要控制的风电场，最后将控制命令下发给选定的风电场，完成控制操作。

下面对本发明的技术方案进一步详细描述：

如附图2所示，该方法的整个流程实现步骤如下：

（1）风电场总控制量计算部分，启动时读取设定的判断电网联络线控制是否合格的指标阈值，CPS1不合格阈值（在本申请的优选实施例中，CPS1优选取值为1.05）、CPS2不合格阈值（CPS2优选取值为0.98）；读取用于风电场控制时按该百分比切除或恢复风电场出力的可控出力百分比阈值（该阈值各风场均优选为20%）；读取用于风电场排序的基本配置信息，包括各风场是否具备自动发电控制AGC、低电压穿越、自动电压控制AVC、动态无功补偿及风电场反措能力信息。

（2）风电场总控制量计算部分，从WAMS系统的毫秒级实时库中逐点读取电网频率数据，从SCADA系统中每秒读取一次联络线功率的计划值与联络线功率的实际值；

（3）通过读入的实时频率数据与联络线功率的计划值、实际值，根据CPS标准中对两个判断指标的定义，每秒计算一次CPS1指标K_cps1与CPS2指标K_cps2，并将计算结果更新到实时库中；

（4）判断实时计算的K_cps1与K_cps2两个指标是否合格：

K_cps1小于CPS1不合格阈值时认为CPS1指标不合格，K_cps2大于CPS2不合格阈值时认为CPS2指标不合格；

只要两个指标中的任一个不合格，即认为CPS指标不合格，此时需要计算全电网出力控制量；

（5）在判断出CPS指标不合格时，分三种情况计算控制量（全电网出力控制量是指全电网需要控制的有功功率量）的大小：

（I）.只有K_cps1不合格，则全网控制量其中B为控制区域设定的频率偏差系数，ε₁为互联电网对全年1分钟频率平均偏差均方根的控制目标值，ΔF_AVE-min为是1分钟实时频率偏差的平均值，频率偏差=频率实际值-50；

（II）.只有K_cps2不合格，则全网控制量（其中为实时计算的10分钟联络线偏差平均值，偏差值=实际值-计划值）；

（III）.如果两者都不合格，则全电网出力控制量P_网取全电网出力控制量P_网1与全电网出力控制量P_网2中的较大值，即P_网=MAX{P_网1,P_网2}；

（6）风电场调控能力计算部分，对各风电场实时上送的电压、潮流数值进行分析，判断当前状态下的电压是否越限、潮流是否越限；结合风电场是否具有AGC、低电压穿越、AVC、动态无功补偿及风电场反措能力计算风电场调控能力；

所述风电场调控能力公式为：

Z=K₁×A+K₂×B+K₃×C+K₄×D+K₅×E+K₆×F+K₇×G。

其中K1、K2、…、K7分别代表AGC、低电压穿越、AVC、动态无功补偿、风电场反措、电压越限、潮流越限所占的权重系数，在本实例中K1=0.15，K2=0.15，K3=0.15，K4=0.15，K5=0.15，K6=0.15，K7=0.1；

A、B…E代表对应项是否具有相应的能力，如果具有则取值为1，否则取值为0；F、G分别代表对应电压是否越限、潮流是否越限，如果越限取值为0，否则取值为1；

（7）风电场调控能力计算部分，根据计算结果，对全网风电场按调控能力数值从大到小进行排序；

对风电场采取的控制策略为：在限制风电场出力的控制过程中，风电场调控能力值越小的风场越先受到控制；在恢复出力风电场的控制过程中，风电场调控能力越小的风场越后恢复；由此可以看出，自动化条件越好得分越高的风电场，在全网整个控制过程中受到的限制时间越短，产生的经济效益也越大；

（8）风电场控制量分配与控制部分，根据设定可控出力百分比阈值计算各自的控制量大小，并将控制命令下发风电场。具体如下：

风电场受控出力=风电场当前出力×可控出力百分比，即P_控(i)=P_当前(i)×λ(i＝1，..N,λ为可控出力百分比阈值)；

受控风电场范围选择：根据风电场调控能力计算得到的结果，风电场调控能力值越小的风场越先被选择；被选择风电场的受控出力大小之和大于等于总控制量计算部分得到的总控制量P_网，即∑P_控(i)≥P_网(i＝1，..M)；

控制命令下发：对被选择的风电场，按顺序以一分钟间隔下发控制命令，直到命令全部下发完成。

以上是对本发明的详细说明。经工程现场的实际运行检验，该方法准确可靠，有利于电网安全稳定运行。

Claims (3)

1.一种电力系统广域风电控制系统中受控风电场控制方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：

(1)读取电网联络线控制性能标准CPS指标判断阈值参数，所述阈值参数用于判断电网联络线控制指标是否合格，包括CPS1不合格阈值、CPS2不合格阈值；读取风电场可控出力占风电场全部出力的百分比阈值，所述百分比阈值参数用于风电场控制时按该百分比切除或恢复风电场出力；读取用于风电场排序的基本配置信息，包括各风场是否具备自动发电控制AGC、低电压穿越、自动电压控制AVC、动态无功补偿及风电场反措能力信息；

(2)通过WAMS系统读取电网频率实时数据，通过SCADA系统读取电网联络线功率计划值与联络线功率实际值；

(3)按照CPS标准规定，通过步骤(2)中的数据实时计算CPS1指标K_cps1与CPS2指标K_cps2；

CPS标准规定如下： $K_{\mathrm{CF}}=\mathrm{\Σ}\left(E_{\mathrm{AVE}-\min }^{\mathrm{ACE}}\mathrm{\Δ}{F}_{\mathrm{AVE}-\min }\right)/(-10\mathrm{Bn}{\mathrm{\ϵ}}_1^2),K_{\mathrm{cps}1}=(2-K_{\mathrm{CF}})\×100\%,$ 其中为1分钟全电网控制偏差ACE的平均值，即联络线功率实际值与联络线功率计划值之差在1分钟内的平均值；ΔF_AVE-min为1分钟实时频率偏差的平均值，B为全电网设定的频率偏差系数，ε₁为对全电网全年1分钟频率平均偏差均方根的控制目标值，n为分钟数，取1分钟计算时，n＝1；

$K_{\mathrm{cps}2}=E_{\mathrm{AVE}-10\min }^{\mathrm{ACE}}/L_{10},$ 必须满足K_cps2≤1，其中ε₁₀为对全电网全年10分钟频率平均偏差均方根的控制目标值，B_网为全电网的频率偏差系数，为10分钟全电网控制偏差ACE的平均值，即联络线功率实际值与联络线功率计划值之差在10分钟之内的平均值；

(4)判断CPS1指标K_cps1与CPS2指标K_cps2是否合格，当根据步骤(3)中实时计算得到的K_cps1小于CPS1不合格阈值或K_cps2大于CPS2不合格阈值，即认为CPS指标不合格，需要计算全电网出力控制量并对风电场进行控制；

(5)如果在步骤(4)中只有K_cps1小于CPS1不合格阈值，则全电网出力控制量为

如果只有K_cps2大于CPS2不合格阈值，则全电网出力控制量为

如果K_cps1小于CPS1不合格阈值并且K_cps2大于CPS2不合格阈值，则全电网出力控制量P_网取全电网控制量P_网1与全电网控制量P_网2中的较大值，即P_网＝MAX{P_网1,P_网2}；

(6)读入各风电场当前运行状态下的电压、潮流，对电压是否越限、潮流是否越限做判断；结合风电场是否具有自动发电量控制AGC功能、低电压穿越功能、自动电压控制AVC功能、动态无功补偿功能及风电场反措能力计算风电场调控能力；

所述风电场调控能力计算公式如下：

Z＝K₁×A+K₂×B+K₃×C+K₄×D+K₅×E+K₆×F+K₇×G，其中K₁、K₂、…、K₇分别代表具有AGC功能、低电压穿越功能、AVC功能、动态无功补偿功能、风电场反措能力、电压越限、潮流越限所占的权重系数，A、B、…、E代表对应项是否具有该能力，如果具有则取值为1，否则为0，F、G分别对应电压是否越限、潮流是否越限，如果越限取值为0，否则为1；

(7)对全电网风电场按步骤(6)所计算的风电场调控能力值从大到小排序，在限制出力控制过程中，风电场调控能力值越小越先受到限制；在恢复出力控制过程中，被限制的风电场的风电场调控能力值越小越后恢复；

(8)计算每个风电场按当前出力乘以风电场可控出力占风电场全部出力的百分比阈值得到的每个风电场出力控制量大小，根据步骤(5)中得到的全电网出力控制量数值与从步骤(7)中获取的风电场排序结果，选定需要控制的风电场范围，最后将控制命令下发给选定的风电场，完成控制操作。

2.根据权利要求1所述电力系统广域风电控制系统中受控风电场控制方法，其特征在于：

在所述步骤(1)中，所述CPS1不合格阈值为1.05，CPS2不合格阈值为0.98，风电场可控出力占风电场全部出力的百分比阈值为20％。

3.根据权利要求1或2所述电力系统广域风电控制系统中受控风电场控制方法，其特征在于：

在所述步骤(6)中，所述K₁、K₂、…、K₇分别代表AGC、低电压穿越、AVC、动态无功补偿能力、风电场反措、电压越限、潮流越限所占的权重系数，取值分别为K₁＝0.15，K₂＝0.15，K₃＝0.15，K₄＝0.15，K₅＝0.15，K₆＝0.15，K₇＝0.1。