CN108599198A - 一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法，包括：步骤1，根据电力系统当前预测周期的初始时刻的系统运行数据预测当前预测周期的系统基准响应轨迹，并利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度；步骤2，根据轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型；步骤3，求解频率和电压协调优化模型确定控制量，并在下一预测周期的初始时刻投入所述控制量；步骤4，判断电力系统的电压和频率是否恢复到稳态运行水平；若已恢复，则结束；反之，返回步骤1。本发明提高了优化的效率并降低无解的可能性，对频率和电压进行闭环协调控制，提高了电力系统调度运行人员频率和电压稳定分析和决策的能力。

Description

一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法 及系统

技术领域

本发明涉及电力系统技术领域，并且更具体地，涉及一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法及系统。

背景技术

单一直流来电或多回特高压直流失去后，大功率缺额易引发持续频率稳定问题。交流系统发生短路故障，可能导致多回直流同时/连续换相失败，直流从系统中吸收大量无功，电压恢复缓慢，从而引发电压安全问题。受端电网在直流换相失败、连锁性故障作用下，可能同时引发频率和电压问题。强直弱交、馈入直流总容量占负荷比例加大。受端电网华东电网在直流发生双极闭锁后可能会引发频率下降，同时直流对华东网内常规电源的置换导致电网动态无功裕度下降，华东电网存在明显的电压凹陷区。新的直流投产后可能导致华东电网频率和电压问题更加突出。频率和电压的协调控制切实可行且效果显著，但是现在研究大多集中在低频和低压减载的协调，对于电压和频率集中式的协调控制，尤其是利用模型预测控制的中长期频率和电压调校正几乎是空白。

因此，需要一种对电压和频率进行协调校正控制的方法，以解决如何保证电力系统的中长期电压和频率稳定的问题。

发明内容

本发明提出了一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法及系统，以解决如何保证电力系统的中长期电压和频率稳定的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，根据电力系统当前预测周期的初始时刻的系统运行数据预测当前预测周期的系统基准响应轨迹，并根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，其中，所述系统运行数据包括：系统潮流数据以及发电机、励磁、调速和直流动态模型数据；

步骤2，在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，设置期望轨迹并对约束条件进行简化，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型；

步骤3，求解所述频率和电压协调优化模型确定控制量，并在下一预测周期的初始时刻投入所述控制量；

步骤4，判断电力系统的电压和频率是否恢复到稳态运行水平；其中，若电力系统的电压和频率恢复到了稳态运行水平，则结束；若电力系统的电压和频率未恢复到稳态运行水平，则返回步骤1，直至电力系统的电压和频率恢复到稳态运行水平。

优选地，其中所述根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，包括：

根据所述系统基准响应轨迹利用数值法计算轨迹灵敏度，包括：

其中，f和g分别代表状态方程和代数方程；x代表系统中相对于系统频率变化较慢的状态变量，包括惯性中心频率、发电机转速、发电机角度以及励磁、调速和直流的动态变量等，y代表代数变量，包括节点电压的实部和虚步以及励磁、调速和直流的代数变量等，p代表系统中的可变参数，如节点负荷；h为积分步长，x_p和y_p分别为状态变量和代数变量相对于参数p的轨迹灵敏度；

判断是否因为电力系统邻近稳定边界而导致数值法计算发散，若确定数值法计算发散，则根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度；反之，结束。

优选地，其中所述当确定数值法计算发散时，根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度，包括:

在控制量不动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第一响应曲线；

在控制量动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第二响应曲线；

计算所述第一响应曲线和第二响应曲线的差值，将所述差值作为轨迹灵敏度。

优选地，其中所述在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，包括：

确定低电压节点；其中，对于电力系统中的节点i，设置U^lim为预设电压阈值，若在当前预测周期的结束时刻endt节点电压U_endt,i≤U^lim,i＝1,2…,m，则i为低电压节点，U_endt，i为低电压节点电压幅值，m为低电压节点的个数；

在当前预测周期的结束时刻endt，判断低电压母线电压U_endt，i或者电力系统惯性中心频率F_endt相对于当前时刻t_k控制的轨迹灵敏度是否满足：

或

若满足，则控制u_k,j为灵敏控制，选入控制集，S^lim1和S^lim2为预设比较阈值，u_k,j表示t_k时刻第j个灵敏控制，n表示灵敏控制的数目。

优选地，其中在设置所述期望轨迹时，控制在当前预测周期的结束时刻endt，低电压母线的电压平均值与1p.u.的差距缩小第一预设百分比a％，系统惯性中心频率F_endt与1p.u.的差距缩小第二预设百分比b％，即：

其中，为低电压母线的电压平均值的期望值，为系统惯性中心频率的期望值；1p.u.表示电压或者频率接近运行状态。

优选地，其中所述对约束条件进行简化，包括：

约束当前预测周期的结束时刻电力系统母线电压幅值和系统惯性中心频率，对于低电压母线电压仅对其平均值有一个上下限的约束，对控制u_k,j的变化量和上下限进行约束。

优选地，其中所述根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型，包括：

在当前预测周期的初始时刻t_k建立成本函数：

其中，R是成本权重矩阵，为对角阵，u_k为t_k时刻的控制向量，为灵敏控制集里的控制，Δu_k为控制量变化量向量；

建立的频率和电压优化模型的约束为：

其中，u^max和u^min表示控制向量上下限，Δu^max和Δu^min表示控制向量变化量的上下限；该约束包括：在当前预测周期的结束时刻对低电压母线电压平均值的约束和对系统惯性中心频率的约束，使两者恢复至期望值；在当前预测周期的初始时刻t_k时刻对控制变化量上下限和控制上下限的约束。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正系统，其特征在于，所述系统包括：

轨迹灵敏度计算单元，用于根据电力系统当前预测周期的初始时刻的系统运行数据预测当前预测周期的系统基准响应轨迹，并根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，其中，所述系统运行数据包括：系统潮流数据以及发电机、励磁、调速和直流动态模型数据；

频率和电压协调优化模型确定单元，用于在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，设置期望轨迹并对约束条件进行简化，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型；

控制量投入单元，用于求解所述频率和电压协调优化模型确定控制量，并在下一预测周期的初始时刻投入所述控制量；

判断单元，用于判断电力系统的电压和频率是否恢复到稳态运行水平；其中，若电力系统的电压和频率恢复到了稳态运行水平，则结束；若电力系统的电压和频率未恢复到稳态运行水平，则返回步骤1，直至电力系统的电压和频率恢复到稳态运行水平。

优选地，其中所述轨迹灵敏度计算单元，根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，包括：

数值法计算模块，用于根据所述系统基准响应轨迹利用数值法计算轨迹灵敏度，包括：

其中，f和g分别代表状态方程和代数方程；x代表系统中相对于系统频率变化较慢的状态变量，包括惯性中心频率、发电机转速、发电机角度以及励磁、调速和直流的动态变量等，y代表代数变量，包括节点电压的实部和虚步以及励磁、调速和直流的代数变量等，p代表系统中的可变参数，如节点负荷；h为积分步长，x_p和y_p分别为状态变量和代数变量相对于参数p的轨迹灵敏度；

直接法计算模块，用于判断是否因为电力系统邻近稳定边界而导致数值法计算发散，若确定数值法计算发散，则根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度；反之，结束。

优选地，其中所述直接法计算模块，当确定数值法计算发散时，根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度，包括:

在控制量不动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第一响应曲线；

在控制量动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第二响应曲线；

计算所述第一响应曲线和第二响应曲线的差值，将所述差值作为轨迹灵敏度。

优选地，其中在所述频率和电压协调优化模型确定单元，在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，包括：

确定低电压节点；其中，对于电力系统中的节点i，设置U^lim为预设电压阈值，若在当前预测周期的结束时刻endt节点电压

U_endt,i≤U^lim,i＝1,2…,m，则i为低电压节点，U_endt，i为低电压节点电压幅值，m为低电压节点的个数；

在当前预测周期的结束时刻endt，判断低电压母线电压U_endt，i或者电力系统惯性中心频率F_endt相对于当前时刻t_k控制的轨迹灵敏度是否满足：

或

若满足，则控制u_k,j为灵敏控制，选入控制集，S^lim1和S^lim2为预设比较阈值，u_k,j表示t_k时刻第j个灵敏控制，n表示灵敏控制的数目。

优选地，其中在设置所述期望轨迹时，控制在当前预测周期的结束时刻endt，低电压母线的电压平均值与1p.u.的差距缩小第一预设百分比a％，系统惯性中心频率F_endt与1p.u.的差距缩小第二预设百分比b％，即：

其中，为低电压母线的电压平均值的期望值，为系统惯性中心频率的期望值；1p.u.表示电压或者频率接近运行状态。

优选地，其中所述频率和电压协调优化模型确定单元，对约束条件进行简化，包括：

约束当前预测周期的结束时刻电力系统母线电压幅值和系统惯性中心频率，对于低电压母线电压仅对其平均值有一个上下限的约束，对控制u_k,j的变化量和上下限进行约束。

优选地，其中所述频率和电压协调优化模型，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型，包括：

在当前预测周期的初始时刻t_k建立成本函数：

其中，R是成本权重矩阵，为对角阵，u_k为t_k时刻的控制向量，为灵敏控制集里的控制，Δu_k为控制量变化量向量；

建立的频率和电压优化模型的约束为：

其中，u^max和u^min表示控制向量上下限，Δu^max和Δu^min表示控制向量变化量的上下限；该约束包括：在当前预测周期的结束时刻对低电压母线电压平均值的约束和对系统惯性中心频率的约束，使两者恢复至期望值；在当前预测周期的初始时刻t_k时刻对控制变化量上下限和控制上下限的约束。

本发明提供了一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法及系统，通过计算轨迹灵敏度，建立电压和频率协调优化模型，利用模型预测控制在频率和电压问题出现后对频率和电压响应进行协调校正，以保证系统的中长期电压和频率稳定。本发明通过缩小控制集，简化约束，随滚动优化过程调整期望轨迹，提高了优化的效率并降低无解的可能性，得到校正控决策，进行闭环控制，提高了电力系统调度运行人员频率和电压稳定分析和决策能力，丰富了调度运行人员电压和频率中长期过程的决策手段，能够在稳定问题发生时提供可靠的辅助决策。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式的基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法100的流程图；

图2为根据本发明实施方式的利用数值法和直接法计算电压相对于切负荷的轨迹灵敏度对比图；

图3为根据本发明实施方式的利用数值法和直接法计算频率相对于切负荷的轨迹灵敏度对比图；以及

图4为根据本发明实施方式的基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正系统400的结构示意图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式的基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法100的流程图。如图1所示，本发明的实施方式提供的基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法，通过计算轨迹灵敏度，建立电压和频率协调优化模型，利用模型预测控制在频率和电压问题出现后对频率和电压响应进行协调校正，以保证系统的中长期电压和频率稳定。本发明的实时方式通过缩小控制集，简化约束，随滚动优化过程调整期望轨迹，提高了优化的效率并降低无解的可能性，得到校正控决策，进行闭环控制，提高了电力系统调度运行人员频率和电压稳定分析和决策能力，丰富了调度运行人员电压和频率中长期过程的决策手段，能够在稳定问题发生时提供可靠的辅助决策。本发明的实施方式提供的基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法100从步骤101处开始，在步骤101

步骤1，根据电力系统当前预测周期的初始时刻的系统运行数据预测当前预测周期的系统基准响应轨迹，并根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，其中，所述系统运行数据包括：系统潮流数据以及发电机、励磁、调速和直流动态模型数据。

优选地，其中所述根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，包括：

根据所述系统基准响应轨迹利用数值法计算轨迹灵敏度，包括：

其中，f和g分别代表状态方程和代数方程；x代表系统中相对于系统频率变化较慢的状态变量，包括惯性中心频率、发电机转速、发电机角度以及励磁、调速和直流的动态变量等，y代表代数变量，包括节点电压的实部和虚步以及励磁、调速和直流的代数变量等，p代表系统中的可变参数，如节点负荷；h为积分步长，x_p和y_p分别为状态变量和代数变量相对于参数p的轨迹灵敏度；

判断是否因为电力系统邻近稳定边界而导致数值法计算发散，若确定数值法计算发散，则根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度；反之，结束。

优选地，其中所述当确定数值法计算发散时，根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度，包括:

在控制量不动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第一响应曲线；

在控制量动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第二响应曲线；

计算所述第一响应曲线和第二响应曲线的差值，将所述差值作为轨迹灵敏度。

在本发明的实施方式中，利用全过程仿真程序，以当前周期的初始时刻t_k时系统的初始状态为初始值，计算当前周期区间[t_k,endt]内系统的基准响应轨迹。与此同时利用直接法或数值法计算得到轨迹灵敏度。

当系统临近稳定边界时，数值法计算的轨迹灵敏度将出现剧烈变化，直至出现无穷大或无穷小的数值，这对评价控制变量对频率或电压的灵敏程度是不利的，在出现这种情况时可以利用直接法计算轨迹灵敏度。首先在控制量(如切负荷)不动作的情况下计算故障下系统电压和频率响应曲线，再在控制量动作的情况下计算故障下系统电压和频率响应曲线，两次响应曲线的差值即为轨迹灵敏度。

图2为根据本发明实施方式的利用数值法和直接法计算电压相对于切负荷的轨迹灵敏度对比图。如图2所示，可以看出两种方法得到的电压相对于负荷轨迹灵敏度相近，说明在数值法计算失败时直接法可以作为补充。

图3为根据本发明实施方式的利用数值法和直接法计算频率相对于切负荷的轨迹灵敏度对比图。如图3所示，可以看出两种方法得到的频率相对于负荷轨迹灵敏度相近，说明在数值法计算失败时直接法可以作为补充。

优选地，在步骤102，在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，设置期望轨迹并对约束条件进行简化，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型。

优选地，其中所述在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，包括：

确定低电压节点；其中，对于电力系统中的节点i，设置U^lim为预设电压阈值，若在当前预测周期的结束时刻endt节点电压

U_endt,i≤U^lim,i＝1,2…,m，则i为低电压节点，U_endt，i为低电压节点电压幅值，m为低电压节点的个数；

在当前预测周期的结束时刻endt，判断低电压母线电压U_endt，i或者电力系统惯性中心频率F_endt相对于当前时刻t_k控制的轨迹灵敏度是否满足：

或

若满足，则控制u_k,j为灵敏控制，选入控制集，S^lim1和S^lim2为预设比较阈值，u_k,j表示t_k时刻第j个灵敏控制，n表示灵敏控制的数目。

优选地，其中在设置所述期望轨迹时，控制在当前预测周期的结束时刻endt，低电压母线的电压平均值与1p.u.的差距缩小第一预设百分比a％，系统惯性中心频率F_endt与1p.u.的差距缩小第二预设百分比b％，即：

其中，为低电压母线的电压平均值的期望值，为系统惯性中心频率的期望值；1p.u.表示电压或者频率接近运行状态。

优选地，其中所述对约束条件进行简化，包括：

约束当前预测周期的结束时刻电力系统母线电压幅值和系统惯性中心频率，对于低电压母线电压仅对其平均值有一个上下限的约束，对控制u_k,j的变化量和上下限进行约束。

优选地，其中所述根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型，包括：

在当前预测周期的初始时刻t_k建立成本函数：

其中，R是成本权重矩阵，为对角阵，u_k为t_k时刻的控制向量，为灵敏控制集里的控制，Δu_k为控制量变化量向量；

建立的频率和电压优化模型的约束为：

其中，u^max和u^min表示控制向量上下限，Δu^max和Δu^min表示控制向量变化量的上下限；该约束包括：在当前预测周期的结束时刻对低电压母线电压平均值的约束和对系统惯性中心频率的约束，使两者恢复至期望值；在当前预测周期的初始时刻t_k时刻对控制变化量上下限和控制上下限的约束。

在本发明的实施方式中，在故障发生时，选出对频率和电压恢复最为有效的控制，缩小控制集，用于提高优化效率。同时，在每次滚动优化过程中，仅选取少数最为灵敏的控制点，用于预测求取当前时刻应投入的动作。

在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集的选择策略为：对于系统中的节点电压，在当前预测周期的结束时刻endt，如果U_endt,i≤U^lim,i＝1,2…,m，则i为低电压节点，U_i为低电压节点电压幅值，m为低电压节点的个数，其中U^lim为系统设定值。

如果低电压母线电压U_endt,i或者系统惯性中心频率F_endt相对于当前周期的初始时刻t_k时控制的轨迹灵敏度满足：

或

则控制量u_k,j为灵敏控制，选入灵敏控制集；其中S^lim1和S^lim2为系统设定值；u_k,j表示t_k时刻第j个灵敏控制，n表示灵敏控制的数目。

由于在系统频率和电压偏离正常稳态值过远时，仅通过一次控制计算和投入使得两者恢复至稳态值，可能式优化问题无解。因此，在每次优化时调整期望轨迹。以使得在当前周期的结束时刻endt时，每次控制使低电压母线的电压平均值与1p.u.的差距缩小a％，使系统惯性中心频率1p.u.的差距缩小b％，即：

其中，为低电压母线的电压平均值的期望值，为系统惯性中心频率的期望值；1p.u.表示电压或者频率接近运行状态。

由于约束过多过硬有可能使优化无解，并影响优化效率。所以，为了提高优化模型的实用性，只约束当前周期的结束时刻系统母线电压幅值和系统惯性中心频率，对于低电压母线电压仅对其平均值有一个上下限的约束。此外，对控制u_k,j的变化量和上下限进行约束。

本发明实施方式的建立频率和电压协调优化模型，包括：

在当前时刻t_k建立成本函数：

其中，R是成本权重矩阵，为对角阵，u_k为t_k时刻的控制向量，为灵敏控制集里的控制，Δu_k为控制量变化量向量。

优化模型的约束为：

其中，u^max和u^min表示控制向量上下限，Δu^max和Δu^min表示控制向量变化量的上下限；该约束包括：在当前预测周期的结束时刻对低电压母线电压平均值的约束和对系统惯性中心频率的约束，使两者恢复至期望值；在当前预测周期的初始时刻t_k时刻对控制变化量上下限和控制上下限的约束。

优选地，在步骤103，求解所述频率和电压协调优化模型确定控制量，并在下一预测周期的初始时刻投入所述控制量。

优选地，在步骤104，判断电力系统的电压和频率是否恢复到稳态运行水平；其中，若电力系统的电压和频率恢复到了稳态运行水平，则结束；若电力系统的电压和频率未恢复到期望水平，则返回步骤101，直至电力系统的电压和频率恢复到稳态运行水平。

在本发明的实施方式中，每次轨迹灵敏度计算以及频率和电压的优化模型求解都是基于新的时间周期的时刻点t_k，并且将求解得到的控制反馈给了系统，实现了闭环控制。

图4为根据本发明实施方式的基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正系统400的结构示意图。如图4所示，本发明的实施方式提供的基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正系统400包括：轨迹灵敏度计算单元401、频率和电压协调优化模型确定单元402、控制量投入单元403和判断单元404。

优选地，在所述轨迹灵敏度计算单元401，根据电力系统当前预测周期的初始时刻的系统运行数据预测当前预测周期的系统基准响应轨迹，并根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，其中，所述系统运行数据包括：系统潮流数据以及发电机、励磁、调速和直流动态模型数据。

优选地，其中所述轨迹灵敏度计算单元，根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，包括：

数值法计算模块，用于根据所述系统基准响应轨迹利用数值法计算轨迹灵敏度，包括：

其中，f和g分别代表状态方程和代数方程；x代表系统中相对于系统频率变化较慢的状态变量，包括惯性中心频率、发电机转速、发电机角度以及励磁、调速和直流的动态变量等，y代表代数变量，包括节点电压的实部和虚步以及励磁、调速和直流的代数变量等，p代表系统中的可变参数，如节点负荷；h为积分步长，x_p和y_p分别为状态变量和代数变量相对于参数p的轨迹灵敏度；

直接法计算模块，用于判断是否因为电力系统邻近稳定边界而导致数值法计算发散，若确定数值法计算发散，则根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度；反之，结束。

优选地，其中所述直接法计算模块，当确定数值法计算发散时，根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度，包括：在控制量不动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第一响应曲线；在控制量动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第二响应曲线；计算所述第一响应曲线和第二响应曲线的差值，将所述差值作为轨迹灵敏度。

优选地，在所述频率和电压协调优化模型确定单元402，在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，设置期望轨迹并对约束条件进行简化，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型。

优选地，其中在所述频率和电压协调优化模型确定单元，在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，包括：

确定低电压节点；其中，对于电力系统中的节点i，设置U^lim为预设电压阈值，若在当前预测周期的结束时刻endt节点电压U_endt,i≤U^lim,i＝1,2…,m，则i为低电压节点，U_endt，i为低电压节点电压幅值，m为低电压节点的个数；

在当前预测周期的结束时刻endt，判断低电压母线电压U_endt，i或者电力系统惯性中心频率F_endt相对于当前时刻t_k控制的轨迹灵敏度是否满足：

或

若满足，则控制u_k,j为灵敏控制，选入控制集，S^lim1和S^lim2为预设比较阈值，u_k,j表示t_k时刻第j个灵敏控制，n表示灵敏控制的数目。

优选地，其中在设置所述期望轨迹时，控制在当前预测周期的结束时刻endt，低电压母线的电压平均值与1p.u.的差距缩小第一预设百分比a％，系统惯性中心频率F_endt与1p.u.的差距缩小第二预设百分比b％，即：

其中，为低电压母线的电压平均值的期望值，为系统惯性中心频率的期望值；1p.u.表示电压或者频率接近运行状态。

优选地，其中所述频率和电压协调优化模型确定单元，对约束条件进行简化，包括：

约束当前预测周期的结束时刻电力系统母线电压幅值和系统惯性中心频率，对于低电压母线电压仅对其平均值有一个上下限的约束，对控制u_k,j的变化量和上下限进行约束。

优选地，其中所述频率和电压协调优化模型，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型，包括：

在当前预测周期的初始时刻t_k建立成本函数：

其中，R是成本权重矩阵，为对角阵，u_k为t_k时刻的控制向量，为灵敏控制集里的控制，Δu_k为控制量变化量向量；

建立的频率和电压优化模型的约束为：

其中，u^max和u^min表示控制向量上下限，Δu^max和Δu^min表示控制向量变化量的上下限；该约束包括：在当前预测周期的结束时刻对低电压母线电压平均值的约束和对系统惯性中心频率的约束，使两者恢复至期望值；在当前预测周期的初始时刻t_k时刻对控制变化量上下限和控制上下限的约束。

优选地，在所述控制量投入单元403，求解所述频率和电压协调优化模型确定控制量，并在下一预测周期的初始时刻投入所述控制量。

优选地，在所述判断单元404，判断电力系统的电压和频率是否恢复到稳态运行水平；其中，若电力系统的电压和频率恢复到了稳态运行水平，则结束；若电力系统的电压和频率未恢复到稳态运行水平，则返回步骤1，直至电力系统的电压和频率恢复到稳态运行水平。

本发明的实施例的基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正系统400与本发明的另一个实施例的基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法100相对应，在此不再赘述。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。

Claims (14)

1.一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1，根据电力系统当前预测周期的初始时刻的系统运行数据预测当前预测周期的系统基准响应轨迹，并根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，其中，所述系统运行数据包括：系统潮流数据以及发电机、励磁、调速和直流动态模型数据；

步骤2，在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，设置期望轨迹并对约束条件进行简化，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型；

步骤3，求解所述频率和电压协调优化模型确定控制量，并在下一预测周期的初始时刻投入所述控制量；

步骤4，判断电力系统的电压和频率是否恢复到稳态运行水平；其中，若电力系统的电压和频率恢复到了稳态运行水平，则结束；若电力系统的电压和频率未恢复到稳态运行水平，则返回步骤1，直至电力系统的电压和频率恢复到稳态运行水平。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，包括：

根据所述系统基准响应轨迹利用数值法计算轨迹灵敏度，包括：

其中，f和g分别代表状态方程和代数方程；x代表系统中相对于系统频率变化较慢的状态变量，包括惯性中心频率、发电机转速、发电机角度以及励磁、调速和直流的动态变量等；y代表代数变量，包括节点电压的实部和虚步以及励磁、调速和直流的代数变量等；p代表系统中的可变参数，如节点负荷；h为积分步长，x_p和y_p分别为状态变量和代数变量相对于参数p的轨迹灵敏度；

判断是否因为电力系统邻近稳定边界而导致数值法计算发散，若确定数值法计算发散，则根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度；反之，结束。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当确定数值法计算发散时，根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度，包括:

在控制量不动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第一响应曲线；

在控制量动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第二响应曲线；

计算所述第一响应曲线和第二响应曲线的差值，将所述差值作为轨迹灵敏度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，包括：

确定低电压节点；其中，对于电力系统中的节点i，设置U^lim为预设电压阈值，若在当前预测周期的结束时刻endt节点电压U_endt,i≤U^lim,i＝1,2…,m，则i为低电压节点，U_endt，i为低电压节点电压幅值，m为低电压节点的个数；

在当前预测周期的结束时刻endt，判断低电压母线电压U_endt，i或者电力系统惯性中心频率F_endt相对于当前时刻t_k控制的轨迹灵敏度是否满足：

或

若满足，则控制u_k,j为灵敏控制，选入控制集，S^lim1和S^lim2为预设比较阈值，u_k,j表示t_k时刻第j个灵敏控制，n表示灵敏控制的数目。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，

在设置所述期望轨迹时，控制在当前预测周期的结束时刻endt，低电压母线的电压平均值与1p.u.的差距缩小第一预设百分比a％，系统惯性中心频率F_endt与1p.u.的差距缩小第二预设百分比b％，即：

其中，为低电压母线的电压平均值的期望值，为系统惯性中心频率的期望值；1p.u.表示电压或者频率接近运行状态。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对约束条件进行简化，包括：

约束当前预测周期的结束时刻电力系统母线电压幅值和系统惯性中心频率，对于低电压母线电压仅对其平均值有一个上下限的约束，对控制u_k,j的变化量和上下限进行约束。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型，包括：

在当前预测周期的初始时刻t_k建立成本函数：

其中，R是成本权重矩阵，为对角阵，u_k为t_k时刻的控制向量，为灵敏控制集里的控制，Δu_k为控制量变化量向量；

建立的频率和电压优化模型的约束为：

其中，u^max和u^min表示控制向量上下限，Δu^max和Δu^min表示控制向量变化量的上下限；该约束包括：在当前预测周期的结束时刻对低电压母线电压平均值的约束和对系统惯性中心频率的约束，使两者恢复至期望值；在当前预测周期的初始时刻t_k时刻对控制变化量上下限和控制上下限的约束。

8.一种基于模型预测控制的电力系统频率和电压协调校正系统，其特征在于，所述系统包括：

轨迹灵敏度计算单元，用于根据电力系统当前预测周期的初始时刻的系统运行数据预测当前预测周期的系统基准响应轨迹，并根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，其中，所述系统运行数据包括：系统潮流数据以及发电机、励磁、调速和直流动态模型数据；

频率和电压协调优化模型确定单元，用于在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，设置期望轨迹并对约束条件进行简化，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型；

控制量投入单元，用于求解所述频率和电压协调优化模型确定控制量，并在下一预测周期的初始时刻投入所述控制量；

判断单元，用于判断电力系统的电压和频率是否恢复到稳态运行水平；其中，若电力系统的电压和频率恢复到了稳态运行水平，则结束；若电力系统的电压和频率未恢复到稳态运行水平，则返回步骤1，直至电力系统的电压和频率恢复到稳态运行水平。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述轨迹灵敏度计算单元，根据所述系统基准响应轨迹利用数值法和直接法计算轨迹灵敏度，包括：

数值法计算模块，用于根据所述系统基准响应轨迹利用数值法计算轨迹灵敏度，包括：

其中，f，g分别代表状态方程和代数方程；x代表系统中相对于系统频率变化较慢的状态变量，包括惯性中心频率、发电机转速、发电机角度以及励磁、调速和直流的动态变量等，y代表代数变量，包括节点电压的实部和虚步以及励磁、调速和直流的代数变量等，p代表系统中的可变参数，如节点负荷；h为积分步长，x_p和y_p分别为状态变量和代数变量相对于参数p的轨迹灵敏度；

直接法计算模块，用于判断是否因为电力系统邻近稳定边界而导致数值法计算发散，若确定数值法计算发散，则根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度；反之，结束。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述直接法计算模块，当数值法计算发散时，根据所述系统基准响应轨迹利用直接法计算轨迹灵敏度，包括:

在控制量不动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第一响应曲线；

在控制量动作的情况下计算故障下电力系统的电压和频率响应曲线，记作第二响应曲线；

计算所述第一响应曲线和第二响应曲线的差值，将所述差值作为轨迹灵敏度。

11.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在所述频率和电压协调优化模型确定单元，在故障发生时，根据预设的控制集选择策略确定控制集，包括：

确定低电压节点；其中，对于电力系统中的节点i，设置U^lim为预设电压阈值，若在当前预测周期的结束时刻endt节点电压U_endt,i≤U^lim,i＝1,2…,m，则i为低电压节点，U_endt，i为低电压节点电压幅值，m为低电压节点的个数；

在当前预测周期的结束时刻endt，判断低电压母线电压U_endt，i或者电力系统惯性中心频率F_endt相对于当前时刻t_k控制的轨迹灵敏度是否满足：

或

若满足，则控制u_k,j为灵敏控制，选入控制集，S^lim1和S^lim2为预设比较阈值，u_k,j表示t_k时刻第j个灵敏控制，n表示灵敏控制的数目。

12.根据权利要求11所述的系统，其特征在于，

在设置所述期望轨迹时，控制在当前预测周期的结束时刻endt，低电压母线的电压平均值与1p.u.的差距缩小第一预设百分比a％，系统惯性中心频率F_endt与1p.u.的差距缩小第二预设百分比b％，即：

其中，为低电压母线的电压平均值的期望值，为系统惯性中心频率的期望值；1p.u.表示电压或者频率接近运行状态。

13.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述频率和电压协调优化模型确定单元，对约束条件进行简化，包括：

约束当前预测周期的结束时刻电力系统母线电压幅值和系统惯性中心频率，对于低电压母线电压仅对其平均值有一个上下限的约束，对控制u_k,j的变化量和上下限进行约束。

14.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述频率和电压协调优化模型，根据所述轨迹灵敏度、控制集、期望轨迹和简化后的约束条件确定频率和电压协调优化模型，包括：

在当前预测周期的初始时刻t_k建立成本函数：

其中，R是成本权重矩阵，为对角阵，u_k为t_k时刻的控制向量，为灵敏控制集里的控制，Δu_k为控制量变化量向量；

建立的频率和电压优化模型的约束为：

其中，u^max和u^min表示控制向量上下限，Δu^max和Δu^min表示控制向量变化量的上下限；该约束包括：在当前预测周期的结束时刻对低电压母线电压平均值的约束和对系统惯性中心频率的约束，使两者恢复至期望值；在当前预测周期的初始时刻t_k时刻对控制变化量上下限和控制上下限的约束。