CN107516903B - 一种考虑经济性及多时间尺度安全稳定性的精准负荷控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种考虑经济性及多时间尺度安全稳定性的精准负荷控制方法，属于电力系统及其自动化技术领域。本发明针对故障发展过程中系统不同时间尺度面临的安全稳定问题，计及切负荷措施代价和电力安全事故责任代价，建立了暂态广义经济损失、准稳态广义经济损失及稳态广义经济损失指标，实现了统筹毫秒级、秒级及分钟级的精准负荷控制。本发明有利于电力系统调度运行人员把握复杂故障后系统不同时间尺度安全运行规律，提升现有三道防线负荷控制手段的适应性，从而提高大电网安全稳定控制的有效性和精益化水平。

Description

一种考虑经济性及多时间尺度安全稳定性的精准负荷控制 方法

技术领域

本发明属于电力系统及其自动化技术领域，更准确地说本发明涉及一种考虑经济性及多时间尺度安全稳定性的精准负荷控制方法。

背景技术

在特高压电网建设的过渡期，电网“强直弱交”矛盾突出，特高压直流输送容量在受端系统规模中的比例不断增大，直流闭锁故障造成大功率冲击及潮流窜动，全网性电压问题及频率问题突显。针对受端电网由于大扰动产生的功率缺额，为防止发生稳定破坏，将按预定的切负荷策略，采用安全稳定控制装置实施切负荷控制措施；针对电力系统发生频率、电压异常等事故，采用低频低压减负荷措施，防止系统频率、电压崩溃；为了解决断面越限、联络线超用、旋转备用不足等，采用预设的过载值根据事先制定的限电序位表进行拉路控制等。由于国务院第599号令《电力安全事故应急处置和调查处理条例》(以下简称“条例”)明确了稳控系统切负荷等同于故障损失负荷，区域切负荷比例过高或负荷量分配的不合理均会导致更为严重的事故等级评级和事后追责，因此，在执行紧急负荷控制时一般又会考虑经济代价。

现有负荷控制一般是以最小切负荷量或最小经济损失为目标，单一解决故障后某一时间尺度稳定问题，如解决暂态电压稳定问题、频率稳定或稳态低电压或过载等问题。其本质上大多按照事件、轨迹驱动，以切除主变和高压负荷线为主，没有从不同时间尺度控制角度对负荷控制进行协调优化，对不同切负荷对象也不加选择，当有大规模切负荷控制要求时，其经济性和社会接受度均较低。因此，有必要研究多时间尺度精准负荷控制技术，根据系统暂态及稳态不同时间尺度综合安全稳定需求及经济性代价，对大范围大规模的负荷控制进行统筹管理，提出负荷控制经济性与电网安全性相协调的优化控制方案，从而提升现有三道防线负荷控制手段的适应性，提高过渡期特高压交直流混联电网安全稳定和电网控制管理精益化水平。

发明内容

本发明的目的是：针对现有技术的不足，提高负荷控制方法对于暂态及稳态综合安全稳定、经济性的适应性，避免解决故障后单一稳定问题而导致的后续不同时间尺度稳定问题、切负荷效率低及经济代价高等问题，给出一种考虑经济性及多时间尺度安全稳定性的精准负荷控制方法。

具体地说，本发明采用以下的技术方案来实现的，包括下列步骤：

1)实时测量当地电网电气量，在故障发生到实测结束时刻的给定时间窗口内，获取系统频率及母线电压的动态响应曲线，确定切负荷措施动作后导致的切负荷后常规经济损失与电力安全事故责任代价；

2)将故障后不同时间尺度的安全稳定问题折算成广义经济损失，确定广义经济损失代价，所述不同时间尺度包括毫秒级、秒级、分钟级；

3)综合考虑切负荷后常规经济损失、电力安全事故责任代价及广义经济损失代价，得到紧急负荷控制数学模型，并采用原对偶内点法进行不同时间尺度最优切负荷求解，求解次数由不同时间尺度安全约束条件是否满足决定，且下一次模型求解的初值为上一次模型最优解；

4)将不同时间尺度最优切负荷解提交负荷控制中心站，当负荷控制中心站判定不同时间尺度安全稳定约束低至动作门槛时，实时向子站下发决策结果，子站结合就地频率，对负控终端实时采集的用户所有380V分支回路功率进行负荷精准控制。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤1)中，切负荷措施动作后导致的切负荷后常规经济损失与电力安全事故责任代价，按下式表示：

F_J＝F_J1+F_J2

式中：F_J为切负荷后常规经济损失与电力安全事故责任代价之和，F_J1为稳控系统切负荷措施动作导致的切负荷后常规经济损失，F_J2为根据不同等级电网导致相应电力安全事故的责任代价。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤2)中，具体包括以下步骤：

2-1)根据暂态功角稳定性、暂态频率安全性和暂态电压安全性将毫秒级暂态功角、电压、频率稳定情况折算成暂态广义经济损失，如下式所示：

F_ms＝αF_ms,δ+βF_ms,V+γF_ms,f

式中：F_ms为将毫秒级暂态功角、电压、频率稳定情况折算成的暂态广义经济损失，F_ms,δ、F_ms,V、F_ms,f分别为通过时域仿真得到故障仿真轨迹并从中提取出暂态功角、暂态电压、暂态频率的量化信息的暂态安全稳定性指标，α、β、γ分别为将故障后系统暂态功角、暂态电压、暂态频率指标换算成相应广义经济损失的折算系数；A_dec为故障后一定仿真时间内减速面积，A_inc为加速面积；V、f分别为实际电压、频率仿真轨迹，V_cr和t_cr为预设的电压偏移二元表(V_cr,t_cr)的元素，f_cr和t_cr'为预设的频率偏移二元表(f_cr,t_cr')的元素，其中V_cr、f_cr分别为电压偏移、频率偏移门槛值，t、t'为积分起始时间，分别取为暂态过程中实际电压曲线与V_cr首次交叉的时间、频率仿真曲线与f_cr首次交叉的时间，t_cr、t_cr'分别为电压、频率偏移最大容许时间，V_N为系统的额定电压，f_N为系统的额定频率；

2-2)根据事故后系统频率恢复及电压恢复情况将秒级电压、频率稳定情况折算成准稳态广义经济损失，如下式所示：

F_s＝λF_s,V+μF_s,f

式中：F_s为将秒级电压、频率稳定情况折算成的准稳态广义经济损失，F_s,V、F_s,f分别为满足故障后系统暂态稳定并从准稳态仿真轨迹提取系统电压、频率的量化信息的准稳态安全稳定性指标，λ、μ为将故障后系统恢复电压、恢复频率指标换算成相应广义经济损失的折算系数；k为不满足准稳态恢复电压的薄弱节点总数，V_i为第i个节点的恢复电压，

为恢复电压下限；f_s为系统恢复频率，

为恢复频率下限；

2-3)根据事故后系统安全备用、联络断面稳定情况将分钟级安全备用不足、大区联络线超用稳定情况折算成稳态广义经济损失，如下式所示：

式中：F_min为将分钟级安全备用不足、大区联络线超用稳定情况折算成的稳态广义经济损失，F_min,s、F_min,p分别为满足故障后系统暂态稳定及准稳态稳定并从系统稳态恢复中提取系统安全备用、联络断面稳定情况的量化信息的稳态安全指标，

χ分别为将系统稳态安全备用、联络断面指标换算成相应广义经济损失的折算系数；S为事故后系统恢复安全备用，S_N为满足系统安全要求的备用水平；m为联络断面过载的线路总数，P_j为第j个过载线路的稳态恢复功率，P_jN为第j个过载线路的额定功率。

上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3)中，紧急负荷控制数学模型表示如下：

minF＝F_J+F_ms+F_s+F_min

式中：F为将切负荷后常规经济损失与电力安全事故责任代价、暂态广义经济损失、准稳态广义经济损失、稳态广义经济损失进行加权的和。

紧急负荷控制数学模型的约束条件包括：暂态安全稳定性临界值、准稳态电压及频率下限、系统安全备用及联络断面约束以及各切负荷点的减负荷上限约束。

本发明的有益效果如下：本发明针对故障发展过程中系统不同时间尺度面临的安全稳定问题，计及切负荷措施代价和电力安全事故责任代价，建立了暂态广义经济损失、准稳态广义经济损失及稳态广义经济损失指标，实现了统筹毫秒级、秒级及分钟级的精准负荷控制。本发明有利于电力系统调度运行人员把握复杂故障后系统不同时间尺度安全运行规律，提升现有三道防线负荷控制手段的适应性，从而提高大电网安全稳定控制的有效性和精益化水平。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面参照附图并结合实例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

本实施例为一种考虑经济性及多时间尺度安全稳定性的精准负荷控制方法，具体步骤如图1所示。

图1中步骤1描述的是，从在线决策系统平台实时测量当地电网电气量，在故障发生到实测结束时刻的给定时间窗口内，获取系统频率、母线电压等动态响应曲线，确定切负荷措施动作后导致的常规经济损失和电力安全事故责任代价。其中，常规经济损失和电力安全事故责任代价的表达式为：

F_J＝F_J1+F_J2

式中：F_J为切负荷后常规经济损失与电力安全事故责任代价之和，F_J1为稳控系统切负荷措施动作导致的常规经济损失；F_J2为根据不同等级电网导致相应电力安全事故的责任代价函数。

F_J越大，说明对应的切负荷措施所造成的损失越大，当F_J过大时，应考虑对运行方式和稳控措施的配置做出适当调整。

图1中步骤2描述的是，将故障后不同时间尺度的安全稳定问题折算成广义经济损失，确定广义经济损失代价，所述不同时间尺度包括毫秒级、秒级、分钟级。具体包括以下步骤：

图1中步骤2-1描述的是，将毫秒级暂态功角、电压、频率稳定情况折算成暂态广义经济损失，此过程需要考察三个方面，即暂态功角稳定性、暂态频率安全性和暂态电压安全性，毫秒级暂态稳定性越差，其折算成的暂态广义经济损失越大，表达式为：

F_ms＝αF_ms,δ+βF_ms,V+γF_ms,f

式中：F_ms为将毫秒级暂态功角、电压、频率稳定情况折算成的暂态广义经济损失，F_ms,δ、F_ms,V、F_ms,f分别为通过时域仿真得到故障仿真轨迹并从中提取出暂态功角、暂态电压、暂态频率的量化信息的暂态安全稳定性指标。α、β、γ为将故障后系统暂态功角、暂态电压、暂态频率指标换算成相应广义经济损失的折算系数，其取值取决于用户对三种暂态稳定问题的容许程度；A_dec为故障后一定仿真时间内减速面积，A_inc为加速面积；V、f分别为实际电压、频率仿真轨迹，V_cr和t_cr为预设的电压偏移二元表(V_cr,t_cr)的元素，f_cr和t_cr'为预设的频率偏移二元表(f_cr,t_cr')的元素，其中V_cr、f_cr分别为电压偏移、频率偏移门槛值，t、t'为积分起始时间，分别取为暂态过程中实际电压曲线与V_cr首次交叉的时间、频率仿真曲线与f_cr首次交叉的时间，t_cr、t_cr'分别为电压、频率偏移最大容许时间，V_N为系统的额定电压，f_N为系统的额定频率。

由于系统不同母线节点电压具有差异性，而不同中枢节点频率差异无几，故上述V可通过戴维南等值阻抗法判断系统电压最薄弱的母线节点，再读取该节点的实际电压仿真轨迹得到，而f可直接读取为高电压等级节点的实际频率仿真轨迹得到。

毫秒级负荷控制措施实施对象一般由客户自主选择一部分非核心可短时中断的用电负荷，如启停方便的生产线和空调用电部分照明用电等可中断负荷，当施加毫秒级负荷控制措施后，F_ms,δ、F_ms,V、F_ms,f均达到暂态安全稳定性临界值(一般取为0)后，进入秒级负荷控制实施范畴。

图1中步骤2-2描述的是，将秒级电压、频率稳定情况折算成准稳态广义经济损失，此过程需要考察两个方面，即事故后系统频率恢复及电压恢复。准稳态稳定问题恢复越差，其折算成的准稳态广义经济损失越大，表达式为：

F_s＝λF_s,V+μF_s,f

式中：F_s为将秒级电压、频率稳定情况折算成的准稳态广义经济损失，F_s,V、F_s,f分别为满足故障后系统暂态稳定并从准稳态仿真轨迹提取系统电压、频率的量化信息的准稳态安全稳定性指标。λ、μ为将故障后系统恢复电压、恢复频率指标换算成相应广义经济损失的折算系数，其取值取决于用户对两种准稳态稳定问题的容许程度；k为不满足准稳态恢复电压的薄弱节点总数，V_i为第i个节点的恢复电压。一般而言，准稳态恢复电压应达到{0.9p.u.,1.1p.u.}，即应恢复至额定电压的90％至110％之间，

为恢复电压下限；f_s为系统恢复频率，

为恢复频率下限。

通过秒级负荷控制措施的精准优选，避免原有低频低压减载装置集中切除负荷的弊端，当施加秒级负荷控制措施后，系统恢复电压、频率均大于电压、频率下限，进入分钟级负荷控制实施范畴。

图1中步骤2-3描述的是，将分钟级安全备用不足、大区联络线超用稳定情况折算成稳态广义经济损失，此过程需要考察两个方面，即事故后系统安全备用、联络断面稳定问题恢复越差，其折算成的稳态广义经济损失越大，表达式为：

式中：F_min为将分钟级安全备用不足、大区联络线超用稳定情况折算成的稳态广义经济损失，F_min,s、F_min,p分别为满足故障后系统暂态稳定及准稳态稳定并从系统稳态恢复中提取系统安全备用、联络断面稳定情况的量化信息的稳态安全指标。

χ为将系统稳态安全备用、联络断面指标换算成相应广义经济损失的折算系数，其取值取决于用户对两种稳态稳定问题的容许程度；S为事故后系统恢复安全备用，S_N为满足系统安全要求的备用水平；m为联络断面过载的线路总数，P_j为第j个过载线路的稳态恢复功率，P_jN为第j个过载线路的额定功率。

当施加分钟级负荷控制措施后，系统安全备用大于安全要求备用水平、联络断面功率小于线路额定功率，即为满足多时间尺度安全稳定性要求的精准负荷控制。

图1中步骤3描述的是，综合考虑切负荷后常规经济损失、电力安全事故责任代价及广义经济损失代价，得到紧急负荷控制数学模型，并采用原对偶内点法进行不同时间尺度最优切负荷求解。具体包括以下步骤：

图1中步骤3-1描述的是，由于精准负荷控制的目标是在控制代价和控制后系统多时间安全稳定性之间求得平衡，在不过多增加控制代价的前提下，尽量提高事故后不同时间尺度内系统的稳定性，故将紧急负荷控制数学模型表示如下：

minF＝F_J+F_ms+F_s+F_min

式中：F为将切负荷后常规经济损失与电力安全事故责任代价、暂态广义经济损失、准稳态广义经济损失、稳态广义经济损失进行加权的和。

紧急负荷控制数学模型的约束条件包括：暂态安全稳定性临界值、准稳态电压及频率下限、系统安全备用及联络断面约束以及各切负荷点的减负荷上限约束。

图1中步骤3-2描述的是，将不同时间尺度的负荷控制分阶段优化，并分别代入计算切负荷措施代价和电力安全事故责任代价，采用常规的原对偶内点法求解最优减负荷率。由于紧急负荷控制数学模型涉及了毫秒级、秒级及分钟级三种不同时间尺度，需要分别进行至少一次、最多三次的模型求解，具体求解次数由不同时间尺度安全约束条件是否满足决定，且下一次模型求解的初值为上一次模型最优解。

图1中步骤4描述的是，将不同时间尺度最优切负荷解提交负荷控制中心站，当负荷控制中心站判定不同时间尺度安全稳定约束低至动作门槛时，实时向子站下发决策结果，子站结合就地频率，对负控终端实时采集的用户所有380V分支回路功率进行负荷精准控制。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。

Claims (3)

1.一种考虑经济性及多时间尺度安全稳定性的精准负荷控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)实时测量当地电网电气量，在故障发生到实测结束时刻的给定时间窗口内，获取系统频率及母线电压的动态响应曲线，确定切负荷措施动作后导致的切负荷后常规经济损失与电力安全事故责任代价；

2)将故障后不同时间尺度的安全稳定问题折算成广义经济损失，确定广义经济损失代价，所述不同时间尺度包括毫秒级、秒级、分钟级；具体包括以下步骤：

2-1)根据暂态功角稳定性、暂态频率安全性和暂态电压安全性将毫秒级暂态功角、电压、频率稳定情况折算成暂态广义经济损失，如下式所示：

F_ms＝αF_ms,δ+βF_ms,V+γF_ms,f

式中：F_ms为将毫秒级暂态功角、电压、频率稳定情况折算成的暂态广义经济损失，F_ms,δ、F_ms,V、F_ms,f分别为通过时域仿真得到故障仿真轨迹并从中提取出暂态功角、暂态电压、暂态频率的量化信息的暂态安全稳定性指标，α、β、γ分别为将故障后系统暂态功角、暂态电压、暂态频率指标换算成相应广义经济损失的折算系数；A_dec为故障后一定仿真时间内减速面积，A_inc为加速面积；V、f分别为实际电压、频率仿真轨迹，V_cr和t_cr为预设的电压偏移二元表(V_cr,t_cr)的元素，f_cr和t_cr'为预设的频率偏移二元表(f_cr,t_cr')的元素，其中V_cr、f_cr分别为电压偏移、频率偏移门槛值，t、t'为积分起始时间，分别取为暂态过程中实际电压曲线与V_cr首次交叉的时间、频率仿真曲线与f_cr首次交叉的时间，t_cr、t_cr'分别为电压、频率偏移最大容许时间，V_N为系统的额定电压，f_N为系统的额定频率；

2-2)根据事故后系统频率恢复及电压恢复情况将秒级电压、频率稳定情况折算成准稳态广义经济损失，如下式所示：

F_s＝λF_s,V+μF_s,f

式中：F_s为将秒级电压、频率稳定情况折算成的准稳态广义经济损失，F_s,V、F_s,f分别为满足故障后系统暂态稳定并从准稳态仿真轨迹提取系统电压、频率的量化信息的准稳态安全稳定性指标，λ、μ为将故障后系统恢复电压、恢复频率指标换算成相应广义经济损失的折算系数；k为不满足准稳态恢复电压的薄弱节点总数，V_i为第i个节点的恢复电压，

为恢复电压下限；f_s为系统恢复频率，

为恢复频率下限；

2-3)根据事故后系统安全备用、联络断面稳定情况将分钟级安全备用不足、大区联络线超用稳定情况折算成稳态广义经济损失，如下式所示：

式中：F_min为将分钟级安全备用不足、大区联络线超用稳定情况折算成的稳态广义经济损失，F_min,s、F_min,p分别为满足故障后系统暂态稳定及准稳态稳定并从系统稳态恢复中提取系统安全备用、联络断面稳定情况的量化信息的稳态安全指标，

χ分别为将系统稳态安全备用、联络断面指标换算成相应广义经济损失的折算系数；S为事故后系统恢复安全备用，S_N为满足系统安全要求的备用水平；m为联络断面过载的线路总数，P_j为第j个过载线路的稳态恢复功率，P_jN为第j个过载线路的额定功率；

3)综合考虑切负荷后常规经济损失、电力安全事故责任代价及广义经济损失代价，得到紧急负荷控制数学模型，并采用原对偶内点法进行不同时间尺度最优切负荷求解，求解次数由不同时间尺度安全约束条件是否满足决定，且下一次模型求解的初值为上一次模型最优解；

4)将不同时间尺度最优切负荷解提交负荷控制中心站，当负荷控制中心站判定不同时间尺度安全稳定约束低至动作门槛时，实时向子站下发决策结果，子站结合就地频率，对负控终端实时采集的用户所有380V分支回路功率进行负荷精准控制。

2.根据权利要求1所述的考虑经济性及多时间尺度安全稳定性的精准负荷控制方法，其特征在于，所述步骤1)中，切负荷措施动作后导致的切负荷后常规经济损失与电力安全事故责任代价，按下式表示：

F_J＝F_J1+F_J2

式中：F_J为切负荷后常规经济损失与电力安全事故责任代价之和，F_J1为稳控系统切负荷措施动作导致的切负荷后常规经济损失，F_J2为根据不同等级电网导致相应电力安全事故的责任代价。

3.根据权利要求2所述的考虑经济性及多时间尺度安全稳定性的精准负荷控制方法，其特征在于，所述步骤3)中，紧急负荷控制数学模型表示如下：

min F＝F_J+F_ms+F_s+F_min

式中：F为将切负荷后常规经济损失与电力安全事故责任代价、暂态广义经济损失、准稳态广义经济损失、稳态广义经济损失进行加权的和；

紧急负荷控制数学模型的约束条件包括：暂态安全稳定性临界值、准稳态电压及频率下限、系统安全备用及联络断面约束以及各切负荷点的减负荷上限约束。

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