CN107516902B - 计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制方法，包括如下步骤：1)频谱分析可中断负荷，根据配网中需求响应时间的不同，将居民可中断负荷细致化分类，以频域表征每一类可中断负荷；2)确立控制目标和建立考核标准，以一天为一个调度周期，分为96点考核时段，指导系统适量调度可中断负荷，同时校验每个考核时段的补偿效果；3)实时按需控制，根据功率偏差值，利用离散傅里叶变换求取各类可中断负荷的调度量，在三个控制阀值的限制下，实时补偿功率偏差；4)修正调度需求值，根据实际情况调整每一个可中断负荷调度量和调度次数；5)考察修正效果，根据馈线控制考核标准，考察每一个时段的修正效果。

Description

计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制方法

技术领域

本发明的实施例涉及电力系统中可中断负荷控制领域，具体而言，涉及一种计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制方法。

背景技术

电网公司希望配电网中负荷功率的实际值可以按照计划值流动，若有偏差则需要备用提供辅助服务。通常，我国电力系统的备用由火电或者水电厂按照经验预留一定比例的容量组成，然而这些备用往往偏多，造成资源浪费，以此作为配网日常的备用调节缺乏灵活性和经济性且不切实际。事实上，目前我国配电网鲜有相应功率调节措施，潮流随负荷自然分布。随着人民生活水平的提高，用电时间可平移的大功率家用电器越来越多，例如空调、电热水器和冰箱等。对这些资源控制是新时期电网智能管理的重要措施。

新一轮电力改革方案出台后，配电网无法继续无偿获得主网备用资源，需要在市场环境中，按照“谁受益、谁承担”的原则鼓励用户参与的辅助服务，用户可以结合自身负荷特性，自愿选择与电网企业签订合同。有效的可中断负荷控制策略可以保证配电网安全经济运行，保障用户正常生产生活，从而促进电力市场良性循环发展。由于配网负荷波动性大，建立可中断负荷控制策略，为配网提供日常备用容量有以下难点：1)可中断负荷如何分类；2)可中断负荷控制次数应该尽量少；3)控制策略应尽可能简单有效，便于推广。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制方法，

为实现上述发明目的，本发明的方法采用了如下技术步骤：

步骤一、频谱分析可中断负荷：

空调等智能可控家用电器逐渐普及，可以作为配电网可中断负荷(IL)主要资源。根据响应时间的不同，将居民可中断负荷进行细致化分类，例如：a、冰箱调温范围窄，但使用时间最长，设为快速备用，以升高温度或者暂停制冷为控制手段，单台可控功率约为0.1kW；b、电热水器功率大，但数量少，设置1min备用，以一台容积为40L的电热水器为例，一般从常温加热至40度就可以使用，最高70度，低功率状态为1.5kW，最大为2.5kW，取其差的30％作为常备用状态，因此单台可控功率约为0.3kW；c、空调使用同期性高，调温范围广，可以作为IL调控的主要力量，设为3min备用，有研究表明，以恒温26度为标准，制冷调高1度，可以省电10％，根据人体适宜温度，设置24度～28度为空调调温区间，单台空调调温变负荷能力约为0.2kW；d、剩余智能家电如洗衣机等工作时间分散，设置为10min备用。

通过离散傅里叶变换方法，将响应时间转换为频域进行频谱分析。在正弦信号中，上升时间为总时段的四分之一，因此频域区间为响应时间四倍的倒数。如表1所示。

表1本发明的IL分类

步骤二、确立控制目标并建立考核标准：

以一天(24小时)为一个调度周期，在一个调度周期内控制IL补偿配网线路负荷功率实测值和计划值的偏差：

P_DEV＝P_i-P_i0 (1)

式(1)中，P_DEV为功率偏差，P_i为负荷功率实际值，P_i0为负荷功率计划值。本发明的控制目标是以均方根误差(RMSE)标准为依据，引导功率偏差向零轴逼近，但不要求功率实际值和平均值偏差实时为零，而是在评价补偿效果的同时，指导IL补偿程度，由此构建配网10kV馈线功率的评价标准。

本发明的考核是将RMSE分为：a、短时指标SRMSE，指导IL实时响应功率偏差；b、长时指标LRMSE，防止IL过度补偿。为了结合辅助服务动作时间和电力市场常用96点运行规则，设置SRMSE和LRMSE考核时段为15min。

a、SRMSE：

配网负荷波动以分钟级为主，辅助服务在15min内响应需求，服务启动后若非突遭紧急情况，为减少调度次数，1min内备用供给值不变。SRMSE强调短时响应，因此设置SRMSE以1min为计算时段。系统引导IL调度，使考核时段内每分钟的平均均方根误差的小于全年1min的均方根值。式(2)中，P_DEV·AVE-min为为一分钟馈线功率偏差的平均值，C_T为配网线路配变容量，n₁为一个考核周期分钟数，ε₁为全年1min目标功率偏差的均方根值。式(2)可变为下式(3)：

b、LRMSE：

系统不希望IL在考核时段内总是精细补偿功率偏差，SRMSE强调长时调度的经济性，因此设置LRMSE以15min为计算时段。系统引导IL调度，尽量使每个考核时段的均方根误差的小于全年15min的均方根值。式(4)中，N₁₅为15min内计算点数，R₁₅＝1.65ε₁₅，ε₁₅为全年15min目标均方根值。按照要求，负荷恢复到目标值90％以上即可。15min内P_DEV的RMSE符合正态分布，其状态分布范围为(-1.65δ，1.65δ)，因此系数为1.65。

因此，SRMSE控制目标为全天96点的SRMSE大于1；LRMSE控制目标为全天96点有90％的LRMSE小于R₁₅。

步骤三、实时按需控制：

配网馈线的潮流变化速率快且幅值变化大，是一个典型的非平稳强随机过程。馈线的短期功率预测精度不高，当潮流波动性增大，与原定计划值发生功率偏差，应调用不同响应时间的各类IL，精确将功率稳定在给定计划值波动偏差范围之内。傅里叶变换(DFT)是解决这类问题快速而有效的方法之一。

DFT将波动的信号从时间域变换到频率域，进而研究信号的频率响应和变化规律。其以有限次的计算获得按频率顺序表征的独特信息，进而得到可分段的频域功率偏差。输入特定时段内的功率偏差，利用式(1)将其转换为频域，并和表1中不同可中断负荷的各频段建立对应关系。从而获得这个时段内各个可中断负荷定容依据：

式(5)中，P_DEV-T为T时段内功率偏差，Y(k)为频域信号，n和k分别为时域和频域下采样序号，N为T时段采样总数。

帕塞瓦尔定理表明，信号在时域中求得的能量与在频域中求得的能量相等。表1中，已将六种IL由不同频段表征。利用DFT获得T时段内总偏差频域信号，映射至每一类IL特定的频段，就可以通过帕塞瓦尔定理求得这些频段的能量。因此，不同IL的频段信号能量在T时段内的调度需求值P_ILx，可由下式求得：

式中，f_1x和f_2x分别表示x种可中断负荷频段的上下界。

假设T时刻，某配网的负荷功率偏差为P_DEV·T。补偿这一时刻的P_DEV·T需要使用与之相关的大量数据，因此可以选择T时刻向前一段时段(T_-t-T)的功率偏差作为求取IL调度值的输入量。根据前文所述，可以利用DFT求取不同IL容量。首先将一定时间序列的采集点(P_DEV)进行时频转换，将此时域范围的P_DEV转换为频域范围的X(P_DEV)。这个频谱即为所选时段内负荷实际值和计划值的功率偏差的频域上的表现，包含了表1中多种IL频段。

T时刻向前一段时段T_-t-T的选取不可过长也不可过短，不可过长是因为，过长的时间段内会包含过量的配网负荷变量，由于选取的是历史时段，其滞后性会影响当下时刻的补偿精度；不可过短是因为，DFT取段的宽度不同，影响了区分两个相邻频率成分的能力，频率分辨率与序列时间长度成正比，选取T_-t-T越短，则频率分辨能力越差。

从另外一个方面来看，频率分辨率也与采样频率f_s有关，即与配网自动化采集负荷功率的频率有关。经过大量仿真实验表明，在以表1的频段分类前提下，以100ms采集一次数据虽然理论上分辨率要高于以1s采集一次，但各种IL配容结果相差很小。而以15分钟为采样区间的配容结果比以半小时为区间的结果更能反应控制点附近的实际功率偏差。综合以上分析，本文选择采样区间为15分钟，采样频率为1Hz，滚动补偿一天之内的功率偏差。

步骤四、修正调度需求值：

获取昨日最大功率偏差和昨日预测的控制当天负载率等信息，为控制阀值的设置做准备。同时，由历史数据获得同期可中断负荷预计签约量，对签约用户进行编号。

配合RMSE标准，在调节区设置三个阀值：

a.死区，尽可能不影响用户用电满意度，对于微小的功率波动无需补偿。死区(DT)启动条件为：

DT_x＝C_T·L_R·ε₁₅·R_ILx (7)

式中，L_R为预测的当天负荷率；R_ILx为IL死区控制系数，由表1中，某IL单机可调功率占4种IL单机可调功率总和的比例决定。因此，各类IL死区不同。当由DFT计算出的某类IL调度需求值P_ILx＜DT_x时，则不使用该类IL参与功率调节。

b.紧急调节区，控制当天某些时刻会出现功率实际值超出计划值，此时需要大量IL紧急补偿偏差。紧急调节区(ET)启动条件为：

ET＝P_{DEV·max-yday}·R_T (8)

式中，P_{DEV·max-yday}为昨日最大功率偏差或预计今日最大功率偏差；R_T为控制当天预留系数，通常取80％-100％。当偏差P_DEV·i＞ET时，无论是否达到评价标准，亦或正常调节修正条件是否满足，实时按需调度IL减少巨幅偏差。

c.正常调节区，修正IL调度需求值，使受控IL的使用容量和调度次数符合实际要求。正常调节区(NT)启动条件为：

DT_x＜NT＜ET (9)

当P_ILx＞DT_x，且P_DEV·i＜ET时，该IL调度进入正常调节区。其中，设置四个修正条件：

(c-1)规定1min内各IL调节值不变。在1min内，若某IL进入死区，则该IL恢复为经济运行状态；若P_DEV·i进入紧急调节，下令改变各IL调节值。

(c-2)在1min内，当SRMSE<1.2或LRMSE<95％时，下令改变各IL调节值。

(c-3)若下一分钟某IL的调节值P_ILx与前一分钟P_ILx-1的差值小于该IL的死区:|P_ILx-P_ILx-1|＜DT_x，则该IL仍按P_ILx-1调节。

(c-4)每1h的整点，各类IL调度值P_ILx均恢复为经济运行状态，为下一个1h的调度做准备。

(c-5)对已经参与中断项目的用户编号标记，下一分钟不优先使用已标记的用户。

假设在i时刻的控制点，控制系统以i为起点，读取前15min未经调整的P_DEV·i-15min作为原始数据，利用DFT将其转换为频域，并与表1中各个频段建立对应关系，再由帕塞瓦尔定理求得各类IL的调度需求值P_ILx。通过三个控制阀值的修正：

P_R·i＝∑P_ILx+C (10)

式中，C为三个控制阀值的修正值。由此可以得到i时刻P_DEV·i的补偿值P_R·i。

步骤五、考察修正效果：

根据考核标准校验该时段的补偿效果：每15min校验：SRMSE是否大于1，LRMSE是否小于R₁₅。

相比于现有技术，本发明的优势在于：在常规电源构成的电力系统中，配网少有备用控制策略，普遍在主网中采用传统配比方法确定备用容量，即容量的大小由规程所规定，主要依据是N-1准则或者负荷百分比准则。该方法只考虑了系统运行的安全可靠性，没有针对配网运行特点配置。目前，针对配网可中断负荷控制策略的研究多数以模型优化方法为主，其核心是建立一个单目标多约束数学模型并求解，获得可中断负荷最优决策和容量。但仍需从兼顾系统实时平衡的要求和平衡简易性与经济性等方面，进一步提升系统控制能力。

本发明提供的计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制策略，充分的考虑了新形势下电力市场竞争的要求，顺应居民大功率负荷广泛使用的特点，整合多种用电时间可以平移或者用电量可以暂时减少的家用电器(例如冰箱、电热水器和空调等)向配电网提供备用辅助服务，并以最能反映各种可中负荷特性的响应时间为基准，对可中断负荷进行细致分类。配网负荷功率一般以15分钟或者半小时的负荷预测为基础发布计划值，本发明针对这个特点，从由统计学方法推导出，以96点为考核时段，设置负荷功率实际值和计划值的偏差为控制目标，利用两者之间的均方根误差作为考核标准，考核控制的补偿效果，不要求线路功率实际值和平均值偏差实时为零，而是引导偏差向零轴逼近，调度备用平抑短时剧烈负荷波动，同时强调长期控制性能。基于均方根误差标准，建立多种可中断负荷实时控制策略，利用离散傅里叶变换从频域角度对可中断负荷进行调度，将可中断负荷响应时间转换为频域区间，计算频域内功率偏差和各类可中断负荷容量的对应关系，从而确定实际调度值，使得配网管理者在特定时段内直接获取补偿功率不平衡所需要的每一类可中断负荷容量。在三个控制阀值和一定修正规则的指引下，以较少的控制次数，获得良好的控制效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅涉及本发明的一些实施例，并非对本发明的限制。

图1是某实际配网馈线负荷功率实际值和计划值示意图。

图2是计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制框架图。

图3是离散傅里叶变换配置可中断负荷容量流程图。

图4是全天控制策略可中断负荷调度结果图。

图5是总补偿值跟踪负荷偏差结果图。

图6是修正后馈线功率图。

图7是考核标准对比图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作进一步非限制性的详细描述。

为证明本发明提出的计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制策略可以有效、准确地控制可中断负荷补偿功率偏差，选取某实际配网馈线A进行实验验证，线路A长度4.8km，主干线型号为LGJ-240，供电分区为A类，负荷均匀分布，最大负荷值为6.3MW。调度周期为一天，采样频率为1Hz，全天一共86400个数据。

步骤一、频谱分析可中断负荷：

(1)获取配网馈线A中居民的可控大功率电器信息。根据响应时间的不同，将这些可中断负荷进行细致化分类。

(2)将每一类可中断负荷的响应时间转换为频域区间。

步骤二、确立控制目标并建立考核标准：

(1)在一个调度周期内(一天)控制可中断负荷补偿配网线路首端负荷功率实测值和计划值的偏差，而且满足步骤三中建立的考核标准。

(2)采用均方根误差反映配网线路的负荷功率实际值和计划值之间的离散程度，衡量偏差大小，以此作为控制策略考核标准。

(3)进一步将均方根误差标准划分为：1)短时控制标准，精细化校验短期误差；2)长时控制标准，防止过度调度可中断负荷。

(4)设置考核要求，每15分考核一次，指导可中断负荷调度。

图1为某实际配网馈线负荷功率实际值和计划值示意图。图1中实际值和计划值均方根误差为20.03％，最大偏差为1.82MW。DFT控制策略可以按照目标要求减少均方根误差，目标设计如表2所示：

表2 RMSE目标

步骤三、实时按需控制

(1)获取昨日最大功率偏差和昨日预测的控制当天负载率等信息，再根据调度目标和可中断负荷预计签约量，设置控制当天功率偏差的三个控制阀值：死区、紧急调节区和正常调节区。死区由不同可中断负荷的特性决定，当判断条件进入死区时，不调度可中断负荷。紧急调节区由昨日最大实际值和计划值的偏差决定，进入紧急调节区时，紧急启动可中断负荷平抑大规模功率波动。正常调节区由死区和紧急调节区决定，进入正常调节区时，按照控制策略中调度修正模块制定的规则调度相应可中断负荷。如表3所示：

表3控制阀值

(2)利用离散傅里叶变换将96点内每一个采样时段的配网负荷功率实际值和计划值的时域偏差转换为频域表示，随后与已经按频率区间表征的各类可中断负荷建立对应关系，获悉当前采样时段内，各类可中断负荷调度依据。

(3)根据帕塞瓦尔定理计算该时段内每一类可中断负荷的调度需求值。

图2为本发明所述的一种计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制策略流程图，一系列策略包括以下几个部分：确立控制目标，考核校验，实时调度和调度修正。

步骤四、修正调度需求值。

(1)经过三个控制阀值的修正，得到实际补偿偏差值。

图3为离散傅里叶变换配置可中断负荷容量流程图。

根据控制策略，求得控制当天调度中心总共下令188次调度命令(冰箱66次，电热水器58次，空调118次，其他IL 10次，后备备用0次)，表4展示了96个时段内，各类IL调度次数。

表4各考核时段内不同可中断负荷调度次数

由表4可知，空调调度次数最多，而其他智能家电和后备备用使用很少，在中低压配电网中，空调可调数量多，容量大，调节范围广，因此调度次数符合实际。

图4为全天不同类型可中断负荷的调度量，由于各备用调度量相差大，空调以次纵坐标轴表示。由图四可知，空调调度值最大，最大达到1.5MW，第二大为电热水器，最大达到200kW，其余最大为100kW。从实用性角度上来，空调适宜作为可中断负荷的主要力量，因此调度量符合实际。

步骤五、考察修正效果。

(1)根据考核标准校验该时段的补偿效果。

图5为总补偿值跟踪负荷偏差结果图，在调度次数较少的情况下，本发明提出的可中断负荷控制策略可以跟踪负荷偏差曲线。

图6为修正后功率实际值，经过本发明的控制策略修正后，配网实际功率与计划功率趋向一致。

图7为RMSE滚动值。表5为RMSE考核结果。由表5和图7可知，本策略调控的合格率均达到要求。

表5 RMSE考核结果

表6为修正前后负荷实际值和计划值之间的全天均方根误差对比，以及修正前后最差均方根误差对比。由表6可知，经过本策略修正后，实际值达到了目标要求，减少了均方根误差。

表6全天考核结果

需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制方法，其特征在于其包括如下步骤：

1)频谱分析可中断负荷：采集可中断负荷数据，数据包括居民可控大功率电器响应时间、单机可控容量和预计需求量，以响应时间为依据，对可中断负荷进行分类，然后利用离散傅里叶变换方法将响应时间转换为频域进行频谱分析，以不同频域表征各可中断负荷特性；

2)确立控制目标：以一天为一个调度周期，在一个调度周期内控制可中断负荷补偿配网馈线负荷功率实际值与负荷功率计划值的偏差值P_DEV向零轴靠近；建立考核标准：首先将全天设立96个考核点，每个考核时段为15分钟，然后将RMSE分为短时指标SRMSE和长时指标LRMSE，短时指标以1分钟为计算时段，在考核时段内每分钟的平均均方根误差小于全年1分钟的均方根值，长时指标以15分钟为计算时段，每个考核时段的均方根误差小于全年15分钟的均方根值；

3)实时按需控制：由馈线自动化水平确定采样频率，以采样频率确定控制点，然后采集控制点前15分钟的功率偏差，利用离散傅里叶变换方法将功率偏差转换为频域，与按照不同频域分类的可中断负荷建立对应关系，再由帕塞瓦尔定理求取该控制点的各类可中断负荷调度需求值；

4)修正调度需求值：通过收集的单机可控容量、昨日最大功率偏差和预计需求量，设置三个控制阀值，以1分钟为单位修正各类可中断负荷调度需求值，求出每一个控制点的偏差补偿值，并且对已经参与中断项目的用户编号标记，下一分钟不优先使用已标记的用户；

5)考察修正效果：根据馈线控制考核标准，考察每一个时段的修正效果。

2.根据权利要求1所述的计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制方法，其特征在于，所述步骤2)的短期指标的计算方法为：

式中，P_DEV·AVE-min为1分钟馈线功率偏差的平均值，C_T为配网线路配变容量，n₁为一个考核周期分钟数，ε₁为全年1分钟目标功率偏差的均方根值；

3.根据权利要求1所述的计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制方法，其特征在于，所述步骤2)的长期指标的计算方法为：

式中，P_DEV·i为所计算点的功率偏差，N₁₅为15分钟内计算点数，R₁₅＝1.65ε₁₅，ε₁₅为全年15分钟目标均方根值，C_T为配网线路配变容量。

4.根据权利要求1所述的计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制方法，其特征在于，所述步骤3)的利用离散傅里叶变换将功率偏差转换为频率信号的计算方法为：

式中，P_DEV-T为T时段内功率偏差，Y(k)为频域信号，n和k分别为时域和频域下采样序号，N为T时段采样总数。

5.根据权利要求4所述的计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制方法，其特征在于，所述步骤3)的由帕塞瓦尔定理求取该控制点的各类可中断负荷调度需求值的计算方法为：

式中，f_1x和f_2x分别表示x种可中断负荷频段的上下界。

6.根据权利要求3所述的计及市场运作规则的多种可中断负荷实时协调控制方法，其特征在于，所述步骤4)的三个控制阀分别为：死区DT、紧急调节区ET、正常调节区NT；

所述死区的启动条件是：DT_x＝C_T·L_R·ε₁₅·R_ILx，式中，L_R为预测的当天负荷率；R_ILx为可中断负荷死区控制系数；

所述紧急调节去的启动条件是：ET＝P_{DEV·max-yday}·R_T，式中，P_{DEV·max-yday}为昨日最大功率偏差或预计今日最大功率偏差；R_T为控制当天预留系数，取值范围为80％-100％；

所述正常调节区的启动条件是：DT_x＜NT＜ET，当P_ILx＞DT_x，且P_DEV·i＜ET时，该可中断负荷调度进入正常调节区。

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