CN107147123A - 短期频率稳定的广域实时协调控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种短期频率稳定的广域实时协调控制系统，其中，该系统包括：频率响应预估模块，用于接收负荷模型参数和系统内发电机组实时开机情况，输出系统频率响应的特征量；控制协调优化模块，用于根据系统频率响应的特征量、各频率控制子站实时可支援功率量和同种频率控制资源中的控制子站功率支援成本确定频率控制指令，以便根据频率控制指令控制各自子站工作。由此，能够实时准确地获取电网频率响应特性，并快速地优化配置频率控制资源，保障电网的频率稳定。

Description

短期频率稳定的广域实时协调控制系统
技术领域
本发明涉及电力系统稳定与控制技术领域，尤其涉及一种短期频率稳定的广域实时协调控制系统。
背景技术
随着多条特高压直流线路的建设和投运，以及可再生能源接入比例的不断升高，电网“强直弱交”的矛盾越来越突出，可以理解的是交流侧故障可能导致直流线路闭锁从而引起更大范围内的暂态能量冲击，危及电网频率稳定。在实际工程中，电力系统短期频率稳定的控制需要考虑如下两个问题：
(1)电网频率响应模型参数的准确性。
具体地，电力系统的频率特性并非固定不变。比如对电网的频率响应模型参数而言，其等效惯性常数和一次调频能力取决于发电机组的开机情况，开机越多，系统的惯性常数和一次调频调差系数就越大。目前电力系统频率响应预估采用的模型参数为典型值，与实际参数有一定的偏差。风电、光伏等新能源发电机组的惯性常数和一次调频调差系数远小于等容量的火电机组，两者的占比变化极大地影响着电力系统的频率响应模型参数。而风电、光伏等新能源具有很强的间歇性且难以预测，因此电网频率响应模型参数的典型值与实际值可能会有较大的偏差，从而影响频率响应预估的准确性。
(2)频率控制资源的实时协调优化配置。
具体地，频率控制资源指的是能够对电网短期频率进行控制的各种调频手段，不同的频率控制资源具有控制成本和控制效果上的差异，在保证系统频率控制效果的基础上如何尽可能地降低控制成本是工程上非常关心的问题。在实际工程中，各频率控制资源的功率支援裕量并非固定不变，而短期频率控制的时间尺度短至秒级，这对控制手段协调优化的实时性提出了很高的要求。
因此，为了电力系统短期频率稳定的控制，上述两个问题需要解决。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述两个问题。
为此，本发明设计了短期频率稳定的广域实时协调控制方法与系统，能够实时准确地获取电网频率响应特性，并快速地优化配置频率控制资源，保障电网的频率稳定。
为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种短期频率稳定的广域实时协调控制系统，包括：
频率响应预估模块，用于接收负荷模型参数和系统内发电机组实时开机情况，输出系统频率响应的特征量；
控制协调优化模块，用于根据所述系统频率响应的特征量、各频率控制子站实时可支援功率量和同种频率控制资源中的控制子站功率支援成本确定频率控制指令，以便根据所述频率控制指令控制各自子站工作。
本发明实施例的短期频率稳定的广域实时协调控制系统，通过频率响应预估模块用于接收负荷模型参数和系统内发电机组实时开机情况，输出系统频率响应的特征量，控制协调优化模块用于根据系统频率响应的特征量、各频率控制子站实时可支援功率量和同种频率控制资源中的控制子站功率支援成本确定频率控制指令，以便根据频率控制指令控制各自子站工作。由此，能够实时准确地获取电网频率响应特性，并快速地优化配置频率控制资源，保障电网的频率稳定。
本发明实施例的短期频率稳定的广域实时协调控制系统还可以包括以下特征：
可选地，所述频率响应预估模块包括：系统等效惯性计算单元、一次调频环节参数计算单元和系统频率响应计算与评估单元；所述系统等效惯性计算单元，用于根据所述系统内发电机组实时开机情况计算处于开机状态的发电机的惯性常数的加权平均得到系统的等效惯性常数；所述一次调频环节参数计算单元，用于根据所述系统内发电机组实时开机情况计算处于开机状态的发电机调速系统传递函数之和得到一次调频环节传递函数；所述系统频率响应计算与评估单元，用于根据所述负荷模型参数、所述系统的等效惯性常数、所述一次调频环节传递函数和电网实时功缺额得到所述系统频率响应的特征量。
可选地，所述控制协调优化模块包括：频率控制子站离线排序单元、频率控制资源在线优化配置单元和频率控制子站动作方案在线制定单元；所述频率控制子站离线排序单元，用于根据同种频率控制资源中的控制子站功率支援成本确定子站工作顺序；所述频率控制资源在线优化配置单元，用于所述系统频率响应的特征量和所述各频率控制子站实时可支援功率量确定各频率控制资源的最优功率支援量定值；所述频率控制子站动作方案在线制定单元根据所述子站工作顺序和所述最优功率支援量定值确定所述频率控制指令。
可选地，所述的系统，还包括：所述系统频率响应计算与评估单元，还用于在频率最低点不低于稳定阈值时发出安全提示并存储频率扰动数据不进行频率控制。
可选地，所述系统的等效惯性常数的表达式为：H＝∑Hg *SgXg；其中，Hg *，Sg，Xg分别为系统内第g台发电机的惯性常数标幺值、额定容量和开关量。
可选地，所述一次调频环节传递函数的表达式为：其中，Kn为系统中第n台发电机的一次调频增发功率给定值与系统频率偏差的比值，Xg为常数；Tn为系统中第n台发电机的等效时间常数。
可选地，所述系统频率响应计算与评估的表达式为：其中，Δf为系统频率与工频的偏差，G2(s)为负荷频率响应模型的传递函数，H为系统等效惯性常数，G1(s)为一次调频环节传递函数。
可选地，所述根据同种频率控制资源中的控制子站功率支援成本确定子站工作顺序，包括：按照同种频率控制资源中的控制子站的单位功率支援成本从小到大排序，其中，成本越小，工作优先级越高。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例提供的一种短期频率稳定的广域实时协调控制系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的另一种短期频率稳定的广域实时协调控制系统的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的短期频率响应计算流程框图；
图4为本发明实施例提供的频率控制子站动作方案在线制定算法流程；
图5为本发明实施例提供的一种短期频率稳定的广域实时协调控制系统的应用场景。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本发明实施例的短期频率稳定的广域实时协调控制系统。
图1为本发明实施例提供的一种短期频率稳定的广域实时协调控制系统的结构示意图。如图1所示，该短期频率稳定的广域实时协调控制系统包括：频率响应预估模块10和控制协调优化模块20。
其中，频率响应预估模块10，用于接收负荷模型参数和系统内发电机组实时开机情况，输出系统频率响应的特征量。
具体地，频率响应预估模块10接收负荷模型参数和系统内发电机组实时开机情况，在特高压交直流电网发生直流闭锁时，根据系统实时功率缺额进行频率响应的预估。并在预估的频率响应曲线的最低点低于稳定阈值时输出系统频率响应的特征量。
控制协调优化模块20，用于根据系统频率响应的特征量、各频率控制子站实时可支援功率量和同种频率控制资源中的控制子站功率支援成本确定频率控制指令，以便根据频率控制指令控制各自子站工作。
具体地，控制协调优化模块20根据各频率控制子站实时可支援功率和各频率控制子站功率支援成本制定频率控制指令，一次性下发各频率控制子站立即执行。其中，频率控制子站可以包括但不限于直流变电站、抽蓄切泵电站、飞轮储能电站以及变电站等具有向区域电网提供功率支援功能的电力系统组成单元中的一种或者多种。
进一步地，如图2所示，频率响应预估模块10包括：系统等效惯性计算单元101、一次调频环节参数计算单元102和系统频率响应计算与评估单元103；控制协调优化模块20包括：频率控制子站离线排序单元201、频率控制资源在线优化配置单元202和频率控制子站动作方案在线制定单元203。
其中，系统等效惯性计算单元101，用于根据系统内发电机组实时开机情况计算处于开机状态的发电机的惯性常数的加权平均得到系统的等效惯性常数。
在本发明的一个实施例中，系统的等效惯性常数的表达式为：
H＝∑Hg *SgXg；其中，H＝∑Hg *SgXg分别为系统内第g台发电机的惯性常数标幺值、额定容量和开关量。
其中，发电机开机，则对应开关量Xg＝1，反之Xg＝0。
一次调频环节参数计算单元102，用于根据系统内发电机组实时开机情况计算处于开机状态的发电机传递函数之和得到一次调频环节传递函数。
在本发明的一个实施例中，一次调频环节传递函数的表达式为：
其中，Kn为系统中第n台发电机的一次调频增发功率给定值与系统频率偏差的比值，Xg为常数；Tn为系统中第n台发电机的等效时间常数。
具体地，一次调频环节参数计算部分中，一次调频环节传递函数指的是以系统频率相对于工频的偏差(简称系统频率偏差)为输入，增发功率为输出的传递函数。其计算方式为采集系统内所有发电机的实时开机情况，将处于开机状态的发电机传递函数加和。
系统频率响应计算与评估单元103，用于根据负荷模型参数、系统的等效惯性常数、一次调频环节传递函数和电网实时功缺额得到系统频率响应的特征量。
在本发明的一个实施例中，系统频率响应计算与评估的表达式为：
其中，Δf为系统频率与工频的偏差，G2(s)为负荷频率响应模型的传递函数，H为系统等效惯性常数，G1(s)为一次调频环节传递函数。
具体地，负荷频率响应模型为ΔPL(s)＝G2(s)Δf(s)，其中，ΔPL(s)为Δf的频率变化下，负荷消耗功率的变化量。
下面结合图3具体描述系统频率响应计算与评估的具体过程如下：
具体地，首先，基于的系统频率响应模型，通过实时更新的电网频率响应模型参数和电网初始功率缺额量求解出系统频率响应的时域函数，然后限定时间范围，搜索得频率最低点。如果该频率最低点不低于稳定阈值，则发出安全提示，仅存储频率扰动数据而不进行频率控制；如果该频率最低点低于稳定阈值，则求解并输出系统频率响应特征量，进入控制协调优化模块。系统频率响应特征量包括系统频率首次低于稳定阈值的时间以及不施加控制时系统稳态频率偏差与系统初始功率缺额的比值。
频率控制子站离线排序单元201，用于根据同频率控制资源中的控制子站功率支援成本确定子站工作顺序。
在本发明的一个实施例中，根据同种频率控制资源中的控制子站功率支援成本确定子站工作顺序，包括：按照同种频率控制资源中的控制子站的单位功率支援成本从小到大排序，其中，成本越小，工作优先级越高。由此，分别得出各种频率控制资源中的控制子站动作优先顺序表(简称优先顺序表)。
频率控制资源在线优化配置单元202，用于系统频率响应的特征量和各频率控制子站实时可支援功率量确定各频率控制资源的最优功率支援量定值。
具体地，优化目标为频率控制总成本最小和系统稳态频率偏差绝对值最小，决策变量为各种频率控制资源的功率支援量给定值，约束条件为系统频率最小值不低于稳定阈值。这里的系统稳态频率偏差指的是进行了短期频率控制后，二次调频动作前系统频率达到并持续的稳态值相对于工频的偏差。为便于说明，定义该优化问题的变量如表1所示：
表1优化问题的符号定义
需要说明的是，各频率控制资源的功率支援量上限和给定值的数学符号分别为该资源功率支援量的符号右上角加“’”标注和对应符号右上角加“0”标注；如直流线路支援功率上限的符号表示为PD′，给定值表示为PD 0。该优化问题的优化目标为min(dcC+dfΔfs)。
其中，C＝CDPD 0+CWPW 0+CRPR 0+CFPF 0；Δf＝(-P0+PW 0+PR 0)/K。
其中，优化问题的约束条件为：(1)Δfs≥fc-f0、(2)-P0+PD(Tb)+PW(Tb)+PR(Tb)+PF(Tb)＞0和(3)(1)为系统稳态频率不低于稳定阈值；(2)通过保证电网频率变化率在频率下降到稳定阈值之前大于或等于0，从而保证电网频率响应曲线的最低点不会低于稳定阈值。
其中，
频率控制子站动作方案在线制定单元203，用于根据子站工作顺序和最优功率支援量定值确定频率控制指令。
具体地，作为一种示例，频率控制子站动作方案在线制定部分首先给所有种类的频率控制资源编号，然后对于同属于一种频率控制资源的频率控制子站按照控制子站动作优先顺序表编号，优先级最高的编号为1，优先级第二的编号为2，以此类推，最后采用如图4所示的算法流程得出控制指令。为方便说明，采用如表2所示的符号定义：
表2算法流程符号定义
其中，算法输入N值和所有的Pij和Pi 0，运行后，输出所有的值，Xij＝1，对应的频率控制子站动作，Xij＝0，对应的频率控制子站不动作，所有的Xij值的集合即为频率控制指令。
需要说明的是，系统频率响应计算与评估单元103，还用于在频率最低点不低于稳定阈值时发出安全提示并存储频率扰动数据不进行频率控制。即在预估的频率响应曲线的最低点高于稳定阈值时仅储存该次频率扰动数据，不进行下一步动作。
为了本领域人员更加清楚上述实施例的，下面结合4具体应用场景说明如下：
1、短期频率稳定的广域实时协调控制系统根据广域监测系统提供的数据在线实时地制定出控制方案，发出控制指令。指令发送到频率控制系统，频率控制系统动作，完成电力系统短期频率稳定的控制。
2、广域监测系统中，各直流监测子站实时监控所在直流线路的输送功率以及闭锁信号，当检测到闭锁信号时立即将闭锁信号以及受端电网功率缺额发送至广域监测主站，主站将数据提供给短期频率稳定的广域实时协调控制系统。受端电网功率缺额即为闭锁前后两个采样时间点所采集的直流线路输送功率的差值。
2、广域监测主站设置专门的机组参数数据库记录系统内各发电机组的调差系数、响应时间常数等一次调频能力指标，以及对应机组的开关情况。各发电厂子站实时监控所在发电厂的发电机组的开关情况，并在机组情况发生变化时向广域监测主站发信，广域监测主站据此实时更新机组参数数据库，并将更新数据同步到短期频率稳定的广域协调控制系统。
3、广域监测主站设置专门的数据库记录系统内各短期频率控制资源的实时可支援功率。各短期频率控制资源的可支援功率为同属一种频率控制资源的电站或线路的可支援功率之和。直流监测子站、储能电站监测子站、变电站监测子站实时监控所在线路、电站的可支援功率，按一定频率向广域监测主站发信，主站据此实时更新各频率控制资源的可支援功率，并将更新数据同步到短期频率稳定的广域协调控制系统。
4、短期频率稳定的广域协调控制系统根据广域监测主站提供的数据制定控制指令，指令发送到频率控制主站。
5、频率控制主站向各控制子站发送命令，控制子站接到命令后立即执行，完成短期频率稳定控制。
本发明实施例的短期频率稳定的广域实时协调控制系统，通过频率响应预估模块用于接收负荷模型参数和系统内发电机组实时开机情况，输出系统频率响应的特征量，控制协调优化模块用于根据系统频率响应的特征量、各频率控制子站实时可支援功率量和同频率控制资源中的控制子站功率支援成本确定频率控制指令，以便根据频率控制指令控制各自子站工作。由此，能够实时准确地获取电网频率响应特性，并快速地优化配置频率控制资源，保障电网的频率稳定。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。如，如果用硬件来实现和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种短期频率稳定的广域实时协调控制系统，其特征在于，包括：
频率响应预估模块，用于接收负荷模型参数和系统内发电机组实时开机情况，输出系统频率响应的特征量；
控制协调优化模块，用于根据所述系统频率响应的特征量、各频率控制子站实时可支援功率量和同种频率控制资源中的控制子站功率支援成本确定频率控制指令，以便根据所述频率控制指令控制各自子站工作。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述频率响应预估模块包括：系统等效惯性计算单元、一次调频环节参数计算单元和系统频率响应计算与评估单元；
所述系统等效惯性计算单元，用于根据所述系统内发电机组实时开机情况计算处于开机状态的发电机的惯性常数的加权平均得到系统的等效惯性常数；
所述一次调频环节参数计算单元，用于根据所述系统内发电机组实时开机情况计算处于开机状态的发电机调速系统传递函数之和得到一次调频环节传递函数；
所述系统频率响应计算与评估单元，用于根据所述负荷模型参数、所述系统的等效惯性常数、所述一次调频环节传递函数和电网实时功缺额得到所述系统频率响应的特征量。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制协调优化模块包括：频率控制子站离线排序单元、频率控制资源在线优化配置单元和频率控制子站动作方案在线制定单元；
所述频率控制子站离线排序单元，用于根据同种频率控制资源中的控制子站功率支援成本确定子站工作顺序；
所述频率控制资源在线优化配置单元，用于所述系统频率响应的特征量和所述各频率控制子站实时可支援功率量确定各频率控制资源的最优功率支援量定值；
所述频率控制子站动作方案在线制定单元，用于根据所述子站工作顺序和所述最优功率支援量定值确定所述频率控制指令。
4.如权利要求2所述的系统，其特征在于，还包括：
所述系统频率响应计算与评估单元，还用于在频率最低点不低于稳定阈值时发出安全提示并存储频率扰动数据不进行频率控制。
5.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统的等效惯性常数的表达式为：
H＝∑Hg *SgXg；其中，H＝∑Hg *SgXg分别为系统内第g台发电机的惯性常数标幺值、额定容量和开关量。
6.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述一次调频环节传递函数的表达式为：其中，Kn为系统中第n台发电机的一次调频增发功率给定值与系统频率偏差的比值，Xg为常数；Tn为系统中第n台发电机的等效时间常数。
7.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统频率响应计算与评估的表达式为：
其中，Δf为系统频率与工频的偏差，G2(s)为负荷频率响应模型的传递函数，H为系统等效惯性常数，G1(s)为一次调频环节传递函数。
8.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述根据同种频率控制资源中的控制子站功率支援成本确定子站工作顺序，包括：
按照同种频率控制资源中的控制子站的单位功率支援成本从小到大排序，其中，成本越小，工作优先级越高。
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