CN108879800A - 一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水电有功控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统经济调度技术领域，具体涉及一种基于断面安全约束的高渗透率风‑光‑水电有功控制方法，本控制方法将断面划分为安全、预警、临界缓冲和越限四种状态，其中临界缓冲状态的设立可避免由于厂站不精确响应等因素导致的越限，从而在充分利用断面下实现厂站的最大化出力；同时结合发电厂站的考核打分，可惩罚接入不友好厂站，并奖励接入友好的厂站，从而促进厂站对指令的积极响应及公平调度；本方法也考虑紧急情况的触发机制，消除了由于各类事件导致的断面越限，无需等待指令周期结束，从而保证了断面安全；采用“由外至内”的断面搜索方法，以确保多嵌套断面下的大范围公平调度。

Description

一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水电有功控制方法

技术领域

本发明属于电力系统经济调度技术领域，具体涉及一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水有功控制方法。

背景技术

我国建设了大规模风电场、水电站及光伏电站群。由于部分地区新能源的高渗透率及其出力随机性和波动性，对新能源的调控不当极易造成外送通道输电阻塞现象，影响电网安全稳定运行与新能源的高效外送。由于新能源外送通道往往是由多级断面组成，每层断面下分别接入许多不同的厂站，所以有必要制定计及多级嵌套断面安全约束的风、光、水实时调度控制策略，在保证电网安全的前提下，兼顾“三公”调度原则，减少弃风、弃光和弃水，实现可再生能源的高效利用。

高渗透率新能源调度控制相关问题是当前研究热点之一，但现有的传统控制策略并不能有效应对因特殊情况造成的断面频繁越限，对于厂站对指令响应情况的反馈不够及时，同时对于多重嵌套断面的有功控制顺序亦有待改进。

因此，本发明的一种基于断面安全约束的风、光、水电有功控制策略，综合考虑了断面安全裕度、厂站考核打分指标、多层嵌套断面的实际情况，结合紧急情况的触发机制，采用“由外至内”的断面搜索方法，确保了多嵌套断面下的大范围公平调度，具有重要推广应用价值。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水电有功控制策略。

本策略基于断面裕度，将断面划分为安全、预警、临界缓冲和越限四种状态，并给出了各状态下对应的功率分配方法；融合厂站考核打分策略，可惩罚接入不友好厂站，并奖励接入友好的厂站，从而促进厂站对指令的积极响应及公平调度；同时为快速消除各类事件导致的断面越限，采用出力指令触发机制；整体采用“由外至内”的断面搜索方法，以确保多嵌套断面下的大范围公平调度。

本发明涉及的一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水电有功控制方法，包括以下步骤：

步骤1，综合考虑电厂的响应精度与相应速度，获取按区间的考核打分值，获取针对各厂站接入电网的友好程度的打分值，且该考核是按周期进行的，在每个周期末对考核结果进行动态更新，并判断各厂站接入电网是否友好，作为下个周期的功率分配依据；

步骤2，结合各风电外送断面裕度的实际情况，将断面的状态分为安全、预警、临界缓冲和越限状态；根据外送断面所处的状态不同采用不同的出力控制策略；同时考虑特殊情况造成的断面安全约束变化，采取出力指令触发机制；

步骤3，基于步骤1、2的单一断面的有功控制，采用由外至内的多层嵌套断面的有功控制，若指令周期内发生断面越限，启动出力指令触发机制并重新开始从最外层断面判断断面裕度状态。

在上述的一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水电有功控制方法，步骤1具体包括

1)响应精度打分值由下式决定：

c_ai＝ρ₁c_ai1+ρ₂c_ai2+…+ρ_mc_aim i＝1,2,…,n

式中，n为厂站个数；m为电网侧电网侧将响应精度划分的区间个数；c_ai1,c_ai2,…,c_aim为各区间对应的精度分数；ρ₁,ρ₂,…,ρ_m为各区间权重系数；

2)响应速度打分值由下式决定：

c_si＝μ₁c_si1+μ₂c_si2+…+μ_mc_sim i＝1,2,…,n

式中，n为厂站个数；m为电网侧将响应速度划分的区间个数；c_si1,c_si2,…,c_sim为各区间对应的精度分数；μ₁,μ₂,…,μ_m为各区间权重系数。

在上述的一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水电有功控制方法，将断面的状态划分为四种状态：

1)安全状态：

当断面是安全状态时，断面可以传输的有功功率裕度还很充足；因此，应当使有上调能力的厂站尽可能上调出力以充分利用断面裕度；

对于厂站上调能力的判断可令(为第i个厂站t周期末的实际出力值，为第i个厂站t周期的下发指令值)，若其小于允许的响应偏差阀值P_ε，则该厂站有上调能力；否则没有上调能力；

在t+1周期的功率下发指令可以表示为：

式中：α_u为出力指令上调系数；P_lim为断面功率限值；P_rea为断面实际功率；

另外，为了确保断面安全约束条件，要求下一周期指令值满足：

式中，N为断面下所有的厂站集合；

2)预警状态：

当断面是预警状态时，为使断面功率不越限，对于接入友好的厂站，t+1周期的出力指令仍按能力上调；同时，对于所有被考核认定为接入不友好的厂站，其t+1周期的出力指令以装机容量大小不同按一定比例以作为惩罚，如下式所示；

式中，β为对不友好厂站的出力惩罚系数；

3)临界缓冲状态：

为了应对不确定性因素(如负荷波动、通信故障)引起的断面功率波动，设立临界缓冲区，以避免断面裕度不足时的频繁越限；

当断面处于临界缓冲状态时，所有厂站下一周期功率指令维持不变，即：

4)越限状态：

当断面是越限状态时，此时断面裕度不足，为快速消除越限，确保断面安全，断面下所有厂站均需要下调出力，周期的出力指令值为：

式中，α_d为出力指令下调系数；n为控制断面下所有厂站的个数；

此外，无论断面出于何种状态，在相邻指令周期内的厂站功率调整差值不允许超过国家规定的标准限值，即要求：

式中：ΔP_i为周期内功率变化限值；

若上调功率时不满足上式要求，令：

若越限下调时不满足要求，令：

在上述的一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水电有功控制方法，多层嵌套断面的有功控制具体包括

步骤3.1、从最外层断面开始，判断断面裕度状态；

步骤3.2、依据功率分配策略，计算各厂站出力指令值，然后将出力指令预分配给未标记断面下的厂站，进行潮流计算，并判断各断面裕度状态；

步骤3.3、若存在断面越限，进行步骤3.4；若不存在越限断面，则跳至步骤3.6；

步骤3.4、从最外层的越限断面i开始，由外至内按功率分配策略对断面下的各厂站功率进行预分配，并标记i及内层断面；

步骤3.5、将断面i下的功率裕度传递至i上一层断面，并预分配给未标记断面下的厂站，进行潮流计算，判断各断面状态，转步骤3.3；

步骤3.6、下发指令值，由厂站PLC响应；

步骤3.7、若指令周期内发生断面越限，启动出力指令触发机制，转步骤3.1。

因此，本发明具有如下优点：1.厂站考核打分策略的实行可促进厂站对指令的积极响应及公平调度。2.临界缓冲状态的设立可避免由于厂站不精确响应等因素导致的越限。3.出力指令触发机制可快速消除由于各类事件导致的断面越限,保证断面安全。4.“由外至内”的多层断面搜索方法可实现大范围内的厂站公平调度。

附图说明

图1为本发明的控制策略流程图。

图2为单一断面下有功控制指令计算流程图

图3为二层断面拓扑算例。

图4为第t+2周期指令计算过程。

具体实施方式

下面是本发明的优选实施例，并结合附图，对本发明具体应用作进一步说明。

实施例：

一、首先，介绍一下本发明涉及的方法原理：

本发明的一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水电有功控制策略，包括以下步骤：

(1)步骤1，综合考虑电厂的响应精度与相应速度，采取按区间的考核打分方法，对各厂站接入电网的友好程度进行打分，包括以下步骤；

1)响应精度打分由下式决定：

c_ai＝ρ₁c_ai1+ρ₂c_ai2+…+ρ_mc_aim i＝1,2,…,n

式中，n为厂站个数；m为电网侧电网侧将响应精度划分的区间个数；c_ai1,c_ai2,…,c_aim为各区间对应的精度分数；ρ₁,ρ₂,…,ρ_m为各区间权重系数。

2)响应速度打分由下式决定：

c_si＝μ₁c_si1+μ₂c_si2+…+μ_mc_sim i＝1,2,…,n

式中，n为厂站个数；m为电网侧将响应速度划分的区间个数；c_si1,c_si2,…,c_sim为各区间对应的精度分数；μ₁,μ₂,…,μ_m为各区间权重系数。

以上对厂站的考核是周期(如周、月)进行的，在每个周期末对考核结果进行动态更新，进而判断各厂站接入电网是否友好，以作为下个周期的功率分配依据。

(2)步骤2，结合各风电外送断面裕度的实际情况，将断面的状态分为安全、预警、临界缓冲和越限状态。根据外送断面所处的状态不同采用不同的出力控制策略。包括以下步骤；

步骤2.1，首先确定断面所处的不同状态，对于断面状态的划分如表1所示。

表1断面状态划分

1)安全状态：

当断面是安全状态时，断面可以传输的有功功率裕度还很充足。因此，应当使有上调能力的厂站尽可能上调出力以充分利用断面裕度。

对于厂站上调能力的判断可令(为第i个厂站t周期末的实际出力值，为第i个厂站t周期的下发指令值)，若其小于允许的响应偏差阀值P_ε，则该厂站有上调能力；否则没有上调能力。

在t+1周期的功率下发指令可以表示为：

式中：α_u为出力指令上调系数；P_lim为断面功率限值；P_rea为断面实际功率。

另外，为了确保断面安全约束条件，要求下一周期指令值满足：

式中，N为断面下所有的厂站集合。

2)预警状态：

当断面是预警状态时，为使断面功率不越限，对于接入友好的厂站，t+1周期的出力指令仍按能力上调；同时，对于所有被考核认定为接入不友好的厂站，其t+1周期的出力指令以装机容量大小不同按一定比例以作为惩罚，如下式所示。

式中，β为对不友好厂站的出力惩罚系数。

3)临界缓冲状态：

为了应对不确定性因素(如负荷波动、通信故障)引起的断面功率波动，设立临界缓冲区，以避免断面裕度不足时的频繁越限。

当断面处于临界缓冲状态时，所有厂站下一周期功率指令维持不变，即：

4)越限状态：

当断面是越限状态时，此时断面裕度不足，为快速消除越限，确保断面安全，断面下所有厂站均需要下调出力，周期的出力指令值为：

式中，α_d为出力指令下调系数；n为控制断面下所有厂站的个数。

此外，无论断面出于何种状态，在相邻指令周期内的厂站功率调整差值不允许超过国家规定的标准限值，即要求：

式中：ΔP_i为周期内功率变化限值。

若上调功率时不满足上式要求，令：

若越限下调时不满足要求，令：

步骤2.2，考虑特殊情况造成的断面安全约束变化，采取出力指令触发机制。

在电网运行调度管理中，由于线路设备检修、故障停运、网络拓扑变化所带来的潮流转移现象时有发生，此时的断面功率会发生较大程度的改变，加上由于设备停、复电频繁，特别是在停电过程中，往往会使断面的安全约束发生变化，因此断面可能会出现越限的现象，影响电网的安全稳定运行。

对于各厂站的功率分配策略，采用的是依据断面的功率裕度计算出力指令，并按周期下发。若断面在指令周期内发生阻塞，则此时厂站可编程逻辑控制器(ProgrammableLogic Controller，PLC)，维持指令值，功率分配就无法启动响应，必须等待当前指令周期计算结束。因此，为了能够消除在指令周期内可能会出现的断面越限，需要采取出力指令触发机制。

所采取的出力指令触发机制为：对各断面的功率潮流值进行实时监控，在指令周期中所允许的一定时间段内，如果发生功率值越限，则应按照功率分配策略重新计算各电厂出力指令，保证断面安全。

(3)步骤3，以上两步基于单一断面的有功控制，为实现大范围内各厂站的公平，本发明采用“由外至内”的多层嵌套断面的有功控制策略。

该策略的流程如图1所示。

主要步骤包括：

1)从最外层断面开始，判断断面裕度状态。

2)依据功率分配策略，计算各厂站出力指令值(其计算流程如图2所示)，然后将出力指令预分配给未标记断面下的厂站，进行潮流计算，并判断各断面裕度状态。

3)若存在断面越限，进行步骤4)；若不存在越限断面，则跳至步骤6)。

4)从最外层的越限断面i开始，由外至内按功率分配策略对断面下的各厂站功率进行预分配，并标记i及内层断面。

5)将断面i下的功率裕度传递至i上一层断面，并预分配给未标记断面下的厂站，进行潮流计算，判断各断面状态，转步骤3)。

6)下发指令值，由厂站PLC响应。

7)若指令周期内发生断面越限，启动出力指令触发机制，转步骤1)。

二、下面是采用上述方法的具体一个案例：

风、光、水电外送通道二层断面拓扑图如图3所示，表2为各厂站及断面信息。忽略网损、厂用电等因素，以断面潮流近似表示断面下各风电场的出力总和。

表2各厂站及断面信息

表3出力调整过程

如表3第一列所示，设在当前周期末(第t周期)，各厂站的指令值和周期末实际出力相同。此时由于外层断面功率P_A＝312MW<0.9P_lim,A＝360MW，因而断面A处于安全状态。

依据功率分配策略对断面A下所有厂站下发上调指令，由于B2考核认定不友好，因此上调功率较少，由此得到t+1周期指令值如表3所示，此时P_A＝361MW<0.95P_lim,A＝380MW，P_B＝221MW<0.95P_lim,B＝228MW，因而无断面越限，下发指令。

第t+1个周期内，厂站跟踪下发指令，至周期末，断面A、B有功达到365.48MW和223.61MW，处于预警状态。至第t+2周期，指令计算过程如图4所示：

1)依据功率分配策略对断面A进行第一次功率预分配，此阶段由于A1考核认定为不友好，因而适当下调指令；

2)第一次功率预分配后，断面B功率达到228.43MW，处于越限状态，因而对断面B下的厂站有功削减，并将裕度返回至A断面，标记断面B；

3)将断面A裕度分配给标记断面外的厂站，由于A1为接入不友好厂站，因而只分配给A2，得到第二次的预分配功率；

4)第二次功率预分配后，再次判断P_A＝373.24MW<0.95P_lim,A＝380MW、P_B＝225.59MW<0.95P_lim,B＝228MW，断面A和断面B均无越限，指令下发。

以上周期功率值变化还充分体现了厂站考核打分策略的作用：在t+2周期初，断面留有裕度，但由于A1为不友好接入厂站，其出力指令未上调，甚至少量下降。由此，惩罚了接入不友好厂站，同时奖励了接入友好厂站，以促使厂站积极响应指令。

第t+2个周期内，厂站跟踪下发指令，至周期末，断面A、B有功分别达到377.21MW和227.75MW，处于临界缓冲状态。虽然各厂站仍可上调出力，但由功率分配策略得到第t+3周期出力指令不变。可见，临界缓冲区的设立使得断面未越限，由此在充分利用断面裕度实现厂站最大化出力的同时，也保证了系统的安全稳定运行。

若在第t+3周期内，断面A限值发生变化，下调为380MW，则此时断面A实际出力为377.61MW，大于新的越限功率0.95×380MW＝361MW。因而触发出力指令的重新计算，计算得到t+3周期内的新触发指令值。此时将断面A潮流控制为356.94MW，在较短时间内消除越限断面，保证了断面安全。

综上，以上3个周期的指令调整下发过程，很好的体现了多层嵌套断面的搜索和断面各种状态下的功率分配策略，并反映了厂站考核打分策略和出力指令触发机制在促进公平调度和断面安全的作用。

本文对多层嵌套断面的功率分配策略采用的为由外层起由外至内逐层计算的方法。而传统功率分配策略是从内层起逐层计算出力指令，每完成一层断面下厂站的出力指令计算后，将断面的剩余裕度值作为目标出力再分配给上层断面的所有厂站，类推直至完成所有厂站的指令计算。

假设电网拓扑结构和装机参数相同，各厂站在t和t+1周期均有上调能力，均接入电网友好，且假定各厂站实际出力与指令值相同。表4为两种策略下功率分配结果的对比。

表4不同策略下的功率分配结果

由表4可知：

1)传统策略由内至外进行指令计算，首先依据断面B裕度分配给B1、B2和B3三个厂站功率，再依据断面A裕度分配给A1和A2两个厂站功率。由于断面B优先分配，也就优先满足了B断面下的厂站出力，因而挤压了外层断面出力增量，导致A1和A2厂站出力增量偏低，引起了不公平调度。

2)本文策略由外至内进行功率预分配，首先依据断面A裕度分配给所有厂站功率，由于第一次预分配后无断面越限，指令下发。因此本文策略是对所有厂站进行的功率分配，因而各厂站按照发电能力公平获得出力增量。

对比分析可知，采用由外至内的多层嵌套断面控制策略，保证了最大范围内各厂站出力的公平。

从给出的优选实施例对本发明所提控制策略的应用说明可以看出：

1)厂站考核打分策略的实行可惩罚接入不友好厂站，并奖励接入友好的厂站，从而促进厂站对指令的积极响应及公平调度。

2)临界缓冲状态的设立可避免由于厂站不精确响应等因素导致的越限，从而在充分利用断面下实现厂站的最大化出力。

3)出力指令触发机制可快速消除由于各类事件导致的断面越限，无需等待指令周期结束，从而保证了断面安全。

4)“由外至内”的多层断面搜索方法可实现大范围内的厂站公平调度，该策略保证了最大范围内各厂站出力的公平。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水电有功控制方法，包括以下步骤：

步骤1，综合考虑电厂的响应精度与相应速度，获取按区间的考核打分值，获取针对各厂站接入电网的友好程度的打分值，且该考核是按周期进行的，在每个周期末对考核结果进行动态更新，并判断各厂站接入电网是否友好，作为下个周期的功率分配依据；

步骤2，结合各风电外送断面裕度的实际情况，将断面的状态分为安全、预警、临界缓冲和越限状态；根据外送断面所处的状态不同采用不同的出力控制策略；同时考虑特殊情况造成的断面安全约束变化，采取出力指令触发机制；

步骤3，基于步骤1、2的单一断面的有功控制，采用由外至内的多层嵌套断面的有功控制，若指令周期内发生断面越限，启动出力指令触发机制并重新开始从最外层断面判断断面裕度状态。

2.根据权利要求1所述的一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水电有功控制方法，其特征在于，步骤1具体包括

1)响应精度打分值由下式决定：

c_ai＝ρ₁c_ai1+ρ₂c_ai2+…+ρ_mc_aim i＝1,2,…,n

式中，n为厂站个数；m为电网侧电网侧将响应精度划分的区间个数；c_ai1,c_ai2,…,c_aim为各区间对应的精度分数；ρ₁,ρ₂,…,ρ_m为各区间权重系数；

2)响应速度打分值由下式决定：

c_si＝μ₁c_si1+μ₂c_si2+…+μ_mc_sim i＝1,2,…,n

式中，n为厂站个数；m为电网侧将响应速度划分的区间个数；c_si1,c_si2,…,c_sim为各区间对应的精度分数；μ₁,μ₂,…,μ_m为各区间权重系数。

3.根据权利要求1所述的一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水电有功控制方法，其特征在于，将断面的状态划分为四种状态：

1)安全状态：

当断面是安全状态时，断面可以传输的有功功率裕度还很充足；因此，应当使有上调能力的厂站尽可能上调出力以充分利用断面裕度；

对于厂站上调能力的判断可令(为第i个厂站t周期末的实际出力值，为第i个厂站t周期的下发指令值)，若其小于允许的响应偏差阀值P_ε，则该厂站有上调能力；否则没有上调能力；

在t+1周期的功率下发指令可以表示为：

式中：α_u为出力指令上调系数；P_lim为断面功率限值；P_rea为断面实际功率；另外，为了确保断面安全约束条件，要求下一周期指令值满足：

式中，N为断面下所有的厂站集合；

2)预警状态：

当断面是预警状态时，为使断面功率不越限，对于接入友好的厂站，t+1周期的出力指令仍按能力上调；同时，对于所有被考核认定为接入不友好的厂站，其t+1周期的出力指令以装机容量大小不同按一定比例以作为惩罚，如下式所示；

(接入友好)

(接入不友好)

式中，β为对不友好厂站的出力惩罚系数；

3)临界缓冲状态：

为了应对不确定性因素(如负荷波动、通信故障)引起的断面功率波动，设立临界缓冲区，以避免断面裕度不足时的频繁越限；

当断面处于临界缓冲状态时，所有厂站下一周期功率指令维持不变，即：

4)越限状态：

当断面是越限状态时，此时断面裕度不足，为快速消除越限，确保断面安全，断面下所有厂站均需要下调出力，周期的出力指令值为：

式中，α_d为出力指令下调系数；n为控制断面下所有厂站的个数；

此外，无论断面出于何种状态，在相邻指令周期内的厂站功率调整差值不允许超过国家规定的标准限值，即要求：

式中：ΔP_i为周期内功率变化限值；

若上调功率时不满足上式要求，令：

若越限下调时不满足要求，令：

4.根据权利要求1所述的一种基于断面安全约束的高渗透率风-光-水电有功控制方法，其特征在于，多层嵌套断面的有功控制具体包括

步骤3.1、从最外层断面开始，判断断面裕度状态；

步骤3.2、依据功率分配策略，计算各厂站出力指令值，然后将出力指令预分配给未标记断面下的厂站，进行潮流计算，并判断各断面裕度状态；

步骤3.3、若存在断面越限，进行步骤3.4；若不存在越限断面，则跳至步骤3.6；

步骤3.4、从最外层的越限断面i开始，由外至内按功率分配策略对断面下的各厂站功率进行预分配，并标记i及内层断面；

步骤3.5、将断面i下的功率裕度传递至i上一层断面，并预分配给未标记断面下的厂站，进行潮流计算，判断各断面状态，转步骤3.3；

步骤3.6、下发指令值，由厂站PLC响应；

步骤3.7、若指令周期内发生断面越限，启动出力指令触发机制，转步骤3.1。