CN114977154B - 一种电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法 - Google Patents

一种电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法。首先建立了电解铝工业负荷的有功连续调节模型，随后对安稳系统所控制的可投切负荷的有功功率受限离散变化特性进行了建模，并结合常见的恒阻抗‑恒电流‑恒功率负荷以及电动机负荷，引入负荷调节代价函数，将电网在紧急情况下所做出动作的代价进行量化，随后以负荷调节的总体代价最小为目标，建立电解铝负荷与安稳系统相协调的电网频率协调控制模型，并基于粒子群优化算法在离线预想事故的情况下进行模型求解，得到系统各类型负荷在紧急情况下的最优调节量，用于实时运行时的在线匹配，从而完成大电网在严重故障情况下的频率协调控制。

Description

一种电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法
技术领域
本发明属于大电网多类型资源之间协调配合进行控制的技术领域，尤其涉及一种电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法。
背景技术
近年来，高电压、远距离输电和大区域互联电网等技术快速发展，电网容量和电压等级都不断提升，电网事业蓬勃发展，结构不断优化，但随着输电距离的增加和电网容量的提升，对电网的安全稳定性提出了更高的要求，若电网中某个大容量电厂或超高压输电线路故障，将会对电网造成很大冲击，导致部分区域功率平衡被打破，出现严重的功率缺额，引起系统频率和母线电压的急剧下降，严重时将导致系统崩溃造成大面积停电，影响正常的生产和生活。在电网事业蓬勃发展的今天，电网仍然面临大面积停电的风险，如何在电网运行场景多样化、系统运行特性复杂化的今天保证电网的安全稳定运行引发了新一代工作者的思考。
通常，电力系统的实际运行状态可以分为正常状态、警戒状态、紧急状态、失步状态、恢复状态。对应不同的状态，目前国内外大部分电力系统的安全保护均依据传统的电力系统“三道防线”准则采取不同的措施。第一道防线即依靠快速可靠地继电保护设备，在系统发生常见单一故障时保持电网稳定运行和电网的正常供电；第二道防线即采用安全稳定控制装置切机、切负荷等紧急控制手段，确保电网在发生概率较低的严重故障时能继续保持稳定运行；第三道防线即采取高频切机、解列等措施，防止事故扩大和大面积停电。但现有“三道防线”配置仍存在一些问题，第一道防线继电保护虽能保护设备，但是如果故障类型复杂的情况下，不能保护整个系统；第二道防线虽能在紧急情况下动作保证系统稳定，但若某个元件故障(如拒动)，将会造成极大的功率缺额；第三道防线只能尽量缩小故障波及范围，控制代价过高，且恢复困难。
大电网频率问题是引发电网严重事故的导火索之一，也是针对电力系统安全稳定性的研究重点。传统的电网频率问题的解决方法包括一次调频和第二道防线中稳控装置的动作。但目前控制手段仍存在一些问题。第一，一次调频可调节容量小，不能满足严重故障时的调节要求，且从锦苏直流闭锁等大电网故障的事故分析报告中可以看出，实际电网的一次调频存在“失调”甚至“反调”现象。第二，安全稳定控制大多需要切除第三类负荷，影响居民正常生活工作体验，且缺乏公平性。第三，发生严重故障时，需要切除负荷量较大，且存在和实际功率缺额不匹配的问题。
事实上，高耗能负荷参与大电网频率调节是一种解决频率问题以及优化现有“三道防线”配置的极为有效的途径。高耗能是指在生产过程中耗费大量的能源，比如煤、电、油、水、天然气等。根据《2017年国民经济和社会发展统计报告》指出，六大高耗能行业分别为：化学原料及化学制品制造业、非金属矿物制品业、黑色金属冶炼及压延加工业、有色金属冶炼及压延加工业、石油加工炼焦及核燃料加工业、电力热力的生产和供应业。其中，以最具代表性的高耗能负荷——电解铝为例，我国是世界第一大产铝国，近几年，电解铝产量持续上升，到2017年，全年中国电解铝产量3225.5万吨，按照平均生产工艺，每生产一吨电解铝需要消耗电量14000kWh，2017年电解铝产量折合成电量4515.7亿千瓦时，占全社会总用电量的7.15％，调节潜力大。通过调节分接头档位和饱和电抗器的压降，能够连续控制高耗能负荷功率，调节速度为秒级，十分适合电网安全稳定控制。
因此研究以电解铝为代表的的电解铝负荷参与电网频率控制方法，配合系统中原有的安全摁钉控制系统，解决由于输电距离和输电容量提升所带来的频率控制难题，是提升电力系统运行安全稳定性的重要手段，对于保护电力用户的用电公平性、转变安全稳定控制思路、优化现有控制手段均有重大意义。
发明内容
本专利提出了一种面向电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法。首先建立了电解铝工业负荷的有功连续调节模型，随后对安稳系统所控制的可投切负荷的有功功率受限离散变化特性进行了建模，并结合常见的恒阻抗-恒电流-恒功率负荷以及电动机负荷，引入负荷调节代价函数，将电网在紧急情况下所做出动作的代价进行量化，随后以负荷调节的总体代价最小为目标，建立电解铝负荷与安稳系统相协调的电网频率协调控制模型，并基于粒子群优化算法在离线预想事故的情况下进行模型求解，得到系统各类型负荷在紧急情况下的最优调节量，用于实时运行时的在线匹配，从而完成大电网在严重故障情况下的频率协调控制，最后基于华东电网的实际情况建立仿真模型对所提出协调控制方法的有效性进行说明。
本专利提出了一种电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建电网多节点模型，在电网多节点模型的所有节点中分别筛选出多个电解铝负荷节点、多个可投切负荷节点、多个恒阻抗恒电流恒功率(ZIP)负荷节点、多个电动机负荷节点；
步骤2，针对每个电解铝负荷节点，基于电解铝工业生产特性，构建每个电解铝负荷节点的电解铝负荷与电解铝负荷电解槽直流电压的关系模型，进一步建立每个电解铝负荷节点的电解铝负荷随电解槽直流电压变化的有功功率连续调节方法；
步骤3，根据电网中的安全稳定控制系统在严重故障时的可投切负荷动作特性，建立可投切负荷的有功功率受限离散变化模型，进一步构建紧急情况下可投切负荷控制的离散特性约束，其具体包括离散调控数约束、功率调节量等式约束、以及单次功率调节量约束；
步骤4，设置每个电解铝负荷节点的负荷功率调节量区间、每个可投切负荷节点的负荷功率调节量区间、每个ZIP负荷节点的负荷功率调节量区间以及每个电动机负荷节点的负荷功率调节量区间，引入多节点电网模型中的负荷重要性数据、单位电能调节损失数据、调功设备功耗数据、调功动作对设备的损耗数据，进一步通过层次分析法设定每个电解铝负荷节点的每个功率调节量区间内的单位负荷调节因子参数、每个可投切负荷节点的每个功率调节量区间内的单位负荷调节因子参数、每个ZIP负荷节点的每个功率调节量区间内的单位负荷调节因子参数，以及每个电动机负荷节点的每个功率调节量区间内的单位负荷调节因子参数，进一步分别构建电解铝负荷调节的综合代价、可投切负荷调节的综合代价、 ZIP负荷调节的综合代价、电动机负荷调节的综合代价；
步骤5，根据电解铝负荷调节的综合代价、可投切负荷调节的综合代价、ZIP负荷调节的综合代价、电动机负荷调节的综合代价构建总体调节代价，进一步分别构建系统频率安全约束、负荷调节功率约束、系统总调节功率约束，引入步骤3所述的可投切负荷离散特性约束，以总体调节代价最小为协调优化目标构建电力系统频率紧急协调控制模型；
步骤6，在离线情况下进行事故预想得到事故情况下的有功功率缺额，将其作为步骤 5所构建的电力系统频率紧急协调控制模型的输入，使用粒子群优化算法对电力系统频率紧急协调控制模型进行求解分别得到每个电解铝负荷节点在紧急情况下的最优调节量以及相应电解槽直流电压需要进行的调整量、每个可投切负荷节点中的每个可投切负荷在紧急情况下的最优调节量、每个ZIP负荷节点在紧急情况下的最优调节量、每个电动机负荷节点在紧急情况下的最优调节量，进而制作离线决策表；
步骤7，在线情况下对系统频率进行实时监测，当频率低于所设定电网频率的安全阈值时，依据功率缺额信息在决策表中进行在线匹配，获取每个电解铝负荷节点在紧急情况下的最优调节量以及相应电解槽直流电压需要进行的调整量、每个可投切负荷节点中的每个可投切负荷在紧急情况下的最优调节量、每个ZIP负荷节点在紧急情况下的最优调节量、每个电动机负荷节点在紧急情况下的最优调节量，分别进行相应的负荷功率调节控制，完成大电网在严重故障情况下的频率协调控制。
作为优选，步骤1所述电解铝负荷节点为：
电网多节点模型中第hi个电网节点，即第i个电解铝负荷节点，hi∈[1,L]，i∈[1,NAl]；
其中，L为电网多节点模型中电网节点的数量，NAl为电解铝负荷节点数量；
步骤1所述可投切负荷节点为：
电网多节点模型中第hk个电网节点，即第k个可投切负荷节点，hk∈[1,L]， k∈[1,Nice]；
其中，L为电网多节点模型中电网节点的数量，Nice为可投切负荷节点数量；
步骤1所述恒阻抗恒电流恒功率负荷节点为：
电网多节点模型中第hj个电网节点，即第j个ZIP负荷节点，hj∈[1,L]，j∈[1,Nzip]；
其中，L为电网多节点模型中电网节点的数量，Nzip为ZIP负荷节点数量；
步骤1所述电动机负荷节点为：
电网多节点模型中第hz个电网节点，即第z个电动机负荷节点，hz∈[1,L]， z∈[1,Nshe]；
其中，L为电网多节点模型中电网节点的数量，Nshe为电动机负荷节点数量；
作为优选，步骤2所述每个电解铝负荷节点的电解铝负荷与电解铝负荷电解槽直流电压关系模型为：
PAl,i＝VB,i(VB,i-Ei)/Ri
其中，i∈[1,NAl]，NAl为电解铝负荷节点数量，PAl,i表示第i个电解铝负荷节点的电解铝负荷，VB,i表示第i个电解铝负荷节点的电解铝负荷电解槽直流电压，Ei表示第i个电解铝负荷节点的电解槽反电动势，Ri表示第i个电解铝负荷节点的电解槽电阻参数；
作为优选，步骤3所述可投切负荷的有功功率受限离散变化模型，具体定义为：
第k个可投切负荷节点的可投切负荷总数为Nice,k，可投切负荷具有运行状态s1，运行状态s2以及运行状态s0；
第k个可投切负荷节点的运行状态s1对应的恒定功耗为Pice1,k；
第k个可投切负荷节点的运行状态s2对应的恒定功耗为Pice2,k；
第k个可投切负荷节点的运行状态s0对应的恒定功耗为Pice0,k；
第k个可投切负荷节点工作在运行状态s1的可投切负荷数量为nice1,k；
第k个可投切负荷节点工作在运行状态s2的可投切负荷数量为nice2,k；
第k个可投切负荷节点工作在运行状态s0的可投切负荷数量为nice0,k；
第k个可投切负荷节点为电网多节点模型中第hk个电网节点，hk∈[1,L]，k∈[1,Nice]；
其中，L为电网多节点模型中电网节点的数量，Nice为可投切负荷节点数量；
第k个可投切负荷节点的总有功功率Pice,k，具体如下：
Pice,k＝Pice1,knice1,k+Pice2,knice2,k+Pice0,knice0,k
步骤3所述紧急情况下可投切负荷控制的离散特性约束，具体定义为：
工作在s1，s2以及s0状态的数量nice1,k，nice2,k，nice0,k需要满足以下离散调控数约束：
式中，Nice,k表示可投切负荷节点k的可投切负荷总数；
nice10,k为第k个可投切负荷节点工作在运行状态s1的可投切负荷的最少数量；
nice20,k为第k个可投切负荷节点工作在运行状态s2的可投切负荷的最少数量；
nice00,k为第k个可投切负荷节点工作在运行状态s0的可投切负荷的最少数量；
对于可投切负荷，只能通过改变其开关状态而改变有功功率数值，需要加入功率调节量等式约束，对于参与频率控制的第k个可投切负荷节点k，设其有Nice,k个可投切负荷，则其功率调节量ΔPice,k需满足下式：
式中，αw,k为逻辑变量，表示第w个可投切负荷是否投入协调控制，αw,k＝1时表示投入控制，αw，k＝0时则未投入；表示第k个可投切负荷节点的第w个可投切负荷的单次功率调节量，需满足以下单次功率调节量约束：
ΔP1,k＝Pice1,k-Pice2,k
ΔP2,k＝Pice2,k-Pice0,k
ΔP3,k＝Pice1,k-Pice0,k
其中，ΔP1,k为第k个可投切负荷节点的单个可投切负荷从运行状态s1切换至运行状态 s2的单次功率调节量，即Pice1,k-Pice2,k；ΔP2,k为第k个可投切负荷节点的单个可投切负荷从运行状态s2切换至运行状态s0的单次功率调节量，即Pice2,k-Pice0,k；ΔP3,k为第k个可投切负荷节点的单个可投切负荷从运行状态s1切换至运行状态s0的单次功率调节量，即Pice1,k- Pice0,k；
作为优选，步骤4所述构建电解铝负荷调节的综合代价，具体为：
对应于第i个电解铝负荷节点的总调节量ΔPAl,i，有 为第i个电解铝负荷节点的第m个功率调节量区间的下界，/>为第i个电解铝负荷节点的第 m个功率调节量区间的上界，m＝1,2,...，有/>电解铝负荷调节的综合代价CAli的函数计算式如下
式中，表示第i个电解铝负荷节点在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子；
步骤4所述构建可投切负荷调节的综合代价，具体为：
对应于第k个可投切负荷节点的总调节量ΔPice,k，有 为第k个可投切负荷节点的第m个功率调节量区间的下界，/>为第k个可投切负荷节点的第m个功率调节量区间的上界，m＝1,2,...，有/>可投切负荷调节的综合代价Cice,k的函数计算式如下:
式中，表示第k个可投切负荷节点在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子；
步骤4所述构建ZIP负荷调节的综合代价，具体为：
对应于第j个ZIP负荷节点的总调节量ΔPzip,j，有 为第j个ZIP负荷节点的第m个功率调节量区间的下界，/>为第j个ZIP负荷节点的第m 个功率调节量区间的上界，m＝1,2,...，有/>ZIP负荷调节的综合代价Czip,j的函数计算式如下:
式中，表示第j个ZIP负荷节点在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子；
步骤4所述构建电动机负荷调节的综合代价，具体为：
对应于第z个电动机负荷节点的总调节量ΔPshe,z，有 为第z个电动机负荷节点的第m个功率调节量区间的下界，/>为第z个电动机负荷节点的第m个功率调节量区间的上界，m＝1,2,...，有/>电动机负荷调节的综合代价Cshe,z的函数计算式如下:
式中，表示第z个电动机负荷节点在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子；
作为优选，步骤5所述协调优化目标，具体如下：
式中，CAl,i为第i个电解铝负荷节点的负荷调节综合代价，Czip,j为第j个ZIP负荷节点的负荷调节综合代价，Cice,k为第k个可投切负荷节点的负荷调节综合代价，Cshe,z为第z个电动机负荷节点的负荷调节综合代价，NAl为电解铝负荷节点数量，Nzip为ZIP负荷节点数量，Nshe为电动机负荷节点数量。
步骤6所述每个电解铝负荷节点在紧急情况下的最优调节量以及电解槽直流电压，具体为：
对于第i个电解铝负荷节点在紧急情况下的最优调节量为ΔP′Al,i，并通过步骤2所构建的关系式PAl,i＝VB,i(VB,i-Ei)/Ri的变形公式ΔP′Al,i＝ΔV′B,i(ΔV′B,i-Ei)/Ri，可得到第i个电解铝负荷节点在紧急情况下其电解槽直流电压V′B,i需要进行的调整量ΔV′B,i；
步骤6所述每个可投切负荷节点每个可投切负荷在紧急情况下的最优调节量，具体为：
对于第k个可投切负荷节点的第w个可投切负荷在紧急情况下的最优调节量为同时有/>ΔP′ice,k为第k个可投切负荷节点在紧急情况下的最优调节量，Nice,k为第k个可投切负荷节点内的可投切负荷总数；
步骤6所述每个ZIP负荷节点在紧急情况下的最优调节量，具体为：
对于第j个ZIP负荷节点在紧急情况下的最优调节量为ΔP′zip,j；
步骤6所述每个电动机负荷节点在紧急情况下的最优调节量，具体为：
对于第z个电动机负荷节点在紧急情况下的最优调节量为ΔP′she,z；
本专利首次运用电解铝负荷与安稳系统可投切负荷相结合的电网频率控制策略，通过引入代价函数，构建协调控制模型，不仅能将大电网在严重故障情况下的频率控制在安全范围内，又能够将控制代价尽可能减小，从而保证大电网的安全稳定运行。本专利具有如下优点：
深入挖掘电解铝负荷与安稳系统的有功调节特性，建立了相应的负荷模型并指示其调节方法。
引入单位负荷调节因子，构建负荷调节代价函数，从而完成了协调控制模型的构建。
采用离线求解协调控制模型得到决策表，并在实时运行中在线匹配的方式解决了优化模型在频率控制场景下的时间尺度问题，并基于华东电网的拓扑模型对策略的有效性进行了说明。
附图说明
图1：是电解铝负荷等效电路模型；
图2：是电解铝负荷有功功率与无功功率随电压变化的曲线；
图3：是协调控制模型的求解流程图；
图4：是简化后的华东电网拓扑图；
图5：是综合代价随迭代次数逐渐收敛示意图；
图6：是故障前后系统直流传输功率变化图；
图7：是采用不同控制方法时系统频率变化图；
图8：是采用不同控制方法时系统总负荷变化曲线；
图9：是可投切负荷功率单次变化限制表；
图10：是华东电网的发电机及负荷数据；
图11：是系统各类型负荷占比数据；
图12：是各类型资源调节上限数据；
图13：是单位负荷调节因子数值表；
图14：是基于华东电网的部分离线决策表；
图15：是仅安稳系统动作时系统各类型资源有功功率变化数据；
图16：是在协调控制策略下系统各类型资源有功功率变化数据；
图17：是两种不同控制方法下控制代价比较数据。
具体实施方式
下面通过第一实施例以及第二实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
本发明的第一实施例为：
一种电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建电网多节点模型，在电网多节点模型的所有节点中分别筛选出多个电解铝负荷节点、多个可投切负荷节点、多个恒阻抗恒电流恒功率(ZIP)负荷节点、多个电动机负荷节点；
步骤1所述电解铝负荷节点为：
电网多节点模型中第hi个电网节点，即第i个电解铝负荷节点，hi∈[1,L]，i∈[1,NAl]；
其中，L＝22为电网多节点模型中电网节点的数量，NAl＝5为电解铝负荷节点数量；
步骤1所述可投切负荷节点为：
电网多节点模型中第hk个电网节点，即第k个可投切负荷节点，hk∈[1,L]， k∈[1,Nice]；
其中，L＝22为电网多节点模型中电网节点的数量，Nice＝5为可投切负荷节点数量；
步骤1所述恒阻抗恒电流恒功率负荷节点为：
电网多节点模型中第hj个电网节点，即第j个ZIP负荷节点，hj∈[1,L]，j∈[1,Nzip]；
其中，L＝22为电网多节点模型中电网节点的数量，Nzip＝5为ZIP负荷节点数量；
步骤1所述电动机负荷节点为：
电网多节点模型中第hz个电网节点，即第z个电动机负荷节点，hz∈[1,L]， z∈[1,Nshe]；
其中，L＝22为电网多节点模型中电网节点的数量，Nshe＝5为电动机负荷节点数量；
步骤2，针对每个电解铝负荷节点，基于电解铝工业生产特性，构建每个电解铝负荷节点的电解铝负荷与电解铝负荷电解槽直流电压的关系模型，进一步建立每个电解铝负荷节点的电解铝负荷随电解槽直流电压变化的有功功率连续调节方法
步骤2所述每个电解铝负荷节点的电解铝负荷与电解铝负荷电解槽直流电压关系模型为：
PAl,i＝VB,i(VB,i-Ei)/Ri
其中，i∈[1,NAl]，NAl为电解铝负荷节点数量，PAl,i表示第i个电解铝负荷节点的电解铝负荷，VB,i表示第i个电解铝负荷节点的电解铝负荷电解槽直流电压，Ei表示第i个电解铝负荷节点的电解槽反电动势，Ri表示第i个电解铝负荷节点的电解槽电阻参数；
步骤3，根据电网中的安全稳定控制系统在严重故障时的可投切负荷动作特性，建立可投切负荷的有功功率受限离散变化模型，进一步构建紧急情况下可投切负荷控制的离散特性约束，其具体包括离散调控数约束、功率调节量等式约束、以及单次功率调节量约束；
步骤3所述可投切负荷的有功功率受限离散变化模型，具体定义为：
第k个可投切负荷节点的可投切负荷总数为Nice,k，可投切负荷具有运行状态s1，运行状态s2以及运行状态s0；
第k个可投切负荷节点的运行状态s1对应的恒定功耗为Pice1,k；
第k个可投切负荷节点的运行状态s2对应的恒定功耗为Pice2,k；
第k个可投切负荷节点的运行状态s0对应的恒定功耗为Pice0,k；
第k个可投切负荷节点工作在运行状态s1的可投切负荷数量为nice1,k；
第k个可投切负荷节点工作在运行状态s2的可投切负荷数量为nice2,k；
第k个可投切负荷节点工作在运行状态s0的可投切负荷数量为nice0,k；
第k个可投切负荷节点为电网多节点模型中第hk个电网节点，hk∈[1,L]，k∈[1,Nice]；
其中，L＝22为电网多节点模型中电网节点的数量，Nice＝5为可投切负荷节点数量；
第k个可投切负荷节点的总有功功率Pice,k，具体如下：
Pice,k＝Pice1,knice1,k+Pice2,knice2,k+Pice0,knice0,k
步骤3所述紧急情况下可投切负荷控制的离散特性约束，具体定义为：
工作在s1，s2以及s0状态的数量nice1,k，nice2,k，nice0,k需要满足以下离散调控数约束：
式中，Nice,k表示可投切负荷节点k的可投切负荷总数；
nice10,k为第k个可投切负荷节点工作在运行状态s1的可投切负荷的最少数量；
nice20,k为第k个可投切负荷节点工作在运行状态s2的可投切负荷的最少数量；
nice00,k为第k个可投切负荷节点工作在运行状态s0的可投切负荷的最少数量；
对于可投切负荷，只能通过改变其开关状态而改变有功功率数值，需要加入功率调节量等式约束，对于参与频率控制的第k个可投切负荷节点k，设其有Nice,k个可投切负荷，则其功率调节量ΔPice,k需满足下式：
式中，αw,k为逻辑变量，表示第w个可投切负荷是否投入协调控制，αw,k＝1时表示投入控制，αw,k＝0时则未投入；表示第k个可投切负荷节点的第w个可投切负荷的单次功率调节量，需满足以下单次功率调节量约束：
ΔP1,k＝Pice1,k-Pice2,k
ΔP2,k＝Pice2,k-Pice0,k
ΔP3,k＝Pice1,k-Pice0,k
其中，ΔP1,k为第k个可投切负荷节点的单个可投切负荷从运行状态s1切换至运行状态 s2的单次功率调节量，即Pice1,k-Pice2,k；ΔP2,k为第k个可投切负荷节点的单个可投切负荷从运行状态s2切换至运行状态s0的单次功率调节量，即Pice2,k-Pice0,k；ΔP3,k为第k个可投切负荷节点的单个可投切负荷从运行状态s1切换至运行状态s0的单次功率调节量，即Pice1,k- Pice0,k；
步骤4，设置每个电解铝负荷节点的负荷功率调节量区间、每个可投切负荷节点的负荷功率调节量区间、每个ZIP负荷节点的负荷功率调节量区间以及每个电动机负荷节点的负荷功率调节量区间，引入多节点电网模型中的负荷重要性数据、单位电能调节损失数据、调功设备功耗数据、调功动作对设备的损耗数据，进一步通过层次分析法设定每个电解铝负荷节点的每个功率调节量区间内的单位负荷调节因子参数、每个可投切负荷节点的每个功率调节量区间内的单位负荷调节因子参数、每个ZIP负荷节点的每个功率调节量区间内的单位负荷调节因子参数，以及每个电动机负荷节点的每个功率调节量区间内的单位负荷调节因子参数，进一步分别构建电解铝负荷调节的综合代价、可投切负荷调节的综合代价、 ZIP负荷调节的综合代价、电动机负荷调节的综合代价；
步骤4所述构建电解铝负荷调节的综合代价，具体为：
对应于第i个电解铝负荷节点的总调节量ΔPAl,i，有 为第i个电解铝负荷节点的第m个功率调节量区间的下界，/>为第i个电解铝负荷节点的第 m个功率调节量区间的上界，m＝1,2,...，有/>电解铝负荷调节的综合代价CAl,i的函数计算式如下
式中，表示第i个电解铝负荷节点在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子；
步骤4所述构建可投切负荷调节的综合代价，具体为：
对应于第k个可投切负荷节点的总调节量ΔPice,k，有 为第k个可投切负荷节点的第m个功率调节量区间的下界，/>为第k个可投切负荷节点的第m个功率调节量区间的上界，m＝1,2,...，有/>可投切负荷调节的综合代价Cice,k的函数计算式如下:
式中，表示第k个可投切负荷节点在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子；
步骤4所述构建ZIP负荷调节的综合代价，具体为：
对应于第j个ZIP负荷节点的总调节量ΔPzip,j，有 为第 j个ZIP负荷节点的第m个功率调节量区间的下界，/>为第j个ZIP负荷节点的第m 个功率调节量区间的上界，m＝1,2,...，有/>ZIP负荷调节的综合代价Czip,j的函数计算式如下:
式中，表示第j个ZIP负荷节点在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子；
步骤4所述构建电动机负荷调节的综合代价，具体为：
对应于第z个电动机负荷节点的总调节量ΔPshe,z，有 为第z个电动机负荷节点的第m个功率调节量区间的下界，/>为第z个电动机负荷节点的第m个功率调节量区间的上界，m＝1,2,...，有/>电动机负荷调节的综合代价Cshe,z的函数计算式如下:
式中，表示第z个电动机负荷节点在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子；
步骤5，根据电解铝负荷调节的综合代价、可投切负荷调节的综合代价、ZIP负荷调节的综合代价、电动机负荷调节的综合代价构建总体调节代价，进一步分别构建系统频率安全约束、负荷调节功率约束、系统总调节功率约束，引入步骤3所述的可投切负荷离散特性约束，以总体调节代价最小为协调优化目标构建电力系统频率紧急协调控制模型；
步骤5所述协调优化目标，具体如下：
式中，CAl,i为第i个电解铝负荷节点的负荷调节综合代价，Czip,j为第j个ZIP负荷节点的负荷调节综合代价，Cice,k为第k个可投切负荷节点的负荷调节综合代价，Cshe,z为第z个电动机负荷节点的负荷调节综合代价，NAl为电解铝负荷节点数量，Nzip为ZIP负荷节点数量，Nshe为电动机负荷节点数量。
步骤6，在离线情况下进行事故预想得到事故情况下的有功功率缺额，将其作为步骤 5所构建的电力系统频率紧急协调控制模型的输入，使用粒子群优化算法对电力系统频率紧急协调控制模型进行求解分别得到每个电解铝负荷节点在紧急情况下的最优调节量以及相应电解槽直流电压需要进行的调整量、每个可投切负荷节点中的每个可投切负荷在紧急情况下的最优调节量、每个ZIP负荷节点在紧急情况下的最优调节量、每个电动机负荷节点在紧急情况下的最优调节量，进而制作离线决策表；
步骤6所述每个电解铝负荷节点在紧急情况下的最优调节量以及电解槽直流电压，具体为：
对于第i个电解铝负荷节点在紧急情况下的最优调节量为ΔP′Al,i，并通过步骤2所构建的关系式PAl,i＝VB,i(VB,i-Ei)/Ri的变形公式ΔP′Al,i＝ΔV′B,i(ΔV′B,i-Ei)/Ri，可得到第i个电解铝负荷节点在紧急情况下其电解槽直流电压V′B,i需要进行的调整量ΔV′B,i；
步骤6所述每个可投切负荷节点每个可投切负荷在紧急情况下的最优调节量，具体为：
对于第k个可投切负荷节点的第w个可投切负荷在紧急情况下的最优调节量为同时有/>ΔP′ice,k为第k个可投切负荷节点在紧急情况下的最优调节量，Nice,k为第k个可投切负荷节点内的可投切负荷总数；
步骤6所述每个ZIP负荷节点在紧急情况下的最优调节量，具体为：
对于第j个ZIP负荷节点在紧急情况下的最优调节量为ΔP′zip,j；
步骤6所述每个电动机负荷节点在紧急情况下的最优调节量，具体为：
对于第z个电动机负荷节点在紧急情况下的最优调节量为ΔP′she,z；
步骤7，在线情况下对系统频率进行实时监测，当频率低于所设定电网频率的安全阈值时，依据功率缺额信息在决策表中进行在线匹配，获取每个电解铝负荷节点在紧急情况下的最优调节量以及相应电解槽直流电压需要进行的调整量、每个可投切负荷节点中的每个可投切负荷在紧急情况下的最优调节量、每个ZIP负荷节点在紧急情况下的最优调节量、每个电动机负荷节点在紧急情况下的最优调节量，分别进行相应的负荷功率调节控制，完成大电网在严重故障情况下的频率协调控制。
本发明的第二实施例为：
步骤1，电解铝负荷功率连续调节特性建模：电解铝依靠电解反应来生产铝，其在电池的两极进行，在经过几组整流桥整流后，通过电解槽的数百千安的直流电流被收集到直流总线中。整流电路由六个并联支路组成，每个支路包括两个整流器，一个有载调压器，两组饱和电抗器和两组整流器。
其中直流母线压降VB由电解槽反电势E’、电解槽压降、阴极过电压U阴和阳极过电压U阳四部分组成，其关系如下所示。
VB＝IdR+E'+U阴+U阳
其中，Id是电解槽的DC电压，R是电解槽串联连接的等效电阻。其中，R、E'与电解质成分、电解槽的温度和反应电极的相对距离有关。通常，阳极过电压U阳和阴极过电压 U阴在工程中可以近似认为是常数，因此上式可进一步等效于下式：
VB＝IdR+E
基于上文的分析，电解铝的电解槽可以等效为一个电阻R和反电动势E。其等效电路如附图1所示。式中，VAH为高压侧电压，VAL为低压侧电压，k为降圧变圧器的变比系数， LSR为电抗器电感值。
R和E对于电解铝负荷的有功功率调节十分重要。工程上可对电解铝进行调压变压器分接头现场测试来获得这些参数。上式表征了VB与Id的线性关系，对其进行变形可得到下式：
E＝VB-IdR
上式中，E和R参数需要进行辨识之后才能确定，VB和Id可以直接量测。并通过调整调压变压器的分接头改变变比系数k，能够直接改变VB，并对相应的直流电流进行量测。由此，可以得到多组VB和Id值，基于最小二乘法可以辨识出R＝2.016mΩ，E＝354.6V。根据附图1所示的等值电路，电解铝的负荷有功功率表达式如下：
上式中PLoad为电解铝负荷有功。R和E在工程上可认为保持不变。可以看出电解铝负荷有功功率与VB拥有很强的耦合关系。
另外，VB与VAH的定量关系可表达如下：
上式中ω为电力系统角频率，由于其变化在调频过程中变化极小，可以在式中忽略他的变化。控制过程中饱和电抗器的电感值可以考虑为常数。因而上式的右侧只有VAH是变量，因此可以得出VB与VAH具有线性关系的结论。
从上式中可以得到结论，调整有载调压变压器的变比系数k、饱和电抗器的电感值LSR，都可以实现VB的变化，从而最终实现电解铝负荷有功功率连续调节的目的。
步骤2，安全稳定控制系统可投切负荷有功功率控制方法：安全稳定控制系统是维护电网安全稳定运行的有效措施，也是连锁反应事故中防止系统崩溃的重要防线，控制策略中常见的措施有切机、切负荷、快关汽门、解列、调制直流输电功率和闭锁直流线路等。可投切负荷指的是可以根据开关状态改变其有功功率数值的一类负荷，如可投切制冰机、可投切电力设备等，在安全稳定控制系统中起着重要作用，其可调功率比较大，动作速度快，短时间的开关状态及有功功率的调整对其生产或运营没有太大影响，在电力系统出现不平衡功率时，通过安全稳定控制系统的控制指令，改变其工作状态，便能够快速地调节其有功功率。调节量不连续是其最主要的特点。
下面建立可投切负荷的有功功率受限离散变化模型，包含功率单步向上调节量、功率单步向下调节量以及离散调控数，这是建立紧急情况下切负荷的离散等式约束的基础。设一个可投切负荷节点k的可投切负荷总数为Nice,k，其中可投切负荷具有三种运行状态s1， s2以及s0，分别对应于不同的恒定功耗Pice1,k，Pice2,k，Pice0,k。其工作在s1，s2以及s0状态的数量分别为nice1,k，nice2,k，nice0,k。
则可投切负荷系统的总有功功率Pice,k可以用以下有功功率受限离散变化模型来得到：
Pice,k＝Pice1,knice1,k+Pice2,knice2,k+Pice0,knice0,k
式中，工作在s1，s2以及s0状态的数量nice1,k，nice2,k，nice0,k需要满足以下离散调控数约束：
式中nice10,k，nice20,k，nice00,k分别表示运行在3种状态下的可投切负荷的最少数量，Nice,k表示可投切负荷的总数。
对于可投切负荷，单次功率变化量只能是离散的，需满足功率单步向上调节量约束、功率单步向下调节量约束，其具体功率变化约束情况可由附图9表示。
当电力系统发生较大的功率缺额时，通过在线计算计算需要的负荷调节量ΔPice，通过控制指令下发至可投切负荷状态开关处，从而实现对可投切负荷系统的有功功率控制。
步骤3，负荷调节代价函数构建：本发明引入单位负荷调节因子旨在体现各类型负荷调节点的负荷重要性、单位电能调节损失、调功设备损耗、调功动作对设备的损耗等定量以及定性因素的影响，并以此构建负荷调节代价函数，单位负荷调节因子的数值越高，说明控制代价越高。另外，不失一般性，各个负荷调节节点在不同的调节量范围内其调节代价也是不同的，本专利将层次分析法应用于单位负荷调节因子的构建中，根据目标问题所包含的影响因素进行分层，在某一调节量范围内，以调节负荷的优先级为目标层，选择负荷重要性、单位电能调节损失、调功设备功耗、调功动作对设备的损耗为准则层，选择所有参与调节的负荷节点为方案层。
构造比较矩阵：假设要确定n个因素在目标Y中所占的权重，每个因素需要要与包括自身在内的所有因素进行两两比较n次，第i个变量与第j个变量的比较结果为aij，从而形成一个n×n的比较矩阵：
A＝(aij)n×n
式中，aij＞0,aij＝1/aji(i≠j),aij＝1(i＝j)。
方案比较方阵是关于某个准则对各个方案进行两两比较判断而形成的，从而可以得到关于负荷重要性、单位电能调节损失、调功设备功耗、调功动作对设备的损耗的方案判断矩阵分别为A11、A21、A31、A41。同样的，可以得到准则比较矩阵A2。
层次单排序：求解比较矩阵A的最大特征值及其特征向量，经过归一化后即为同一层次元素对应于上一层中某个因素相对重要性的排序权值，称为层次单排序。采用一致性指标CI和平均随机一致性指标RI检验判断矩阵的一致性，若(CI/RI)≤0.1时，则认为比较矩阵A的不一致程度在容许范围内，通过一致性检验，反之就需要重新进行两两比较判断，一致性指标CI的计算公式如下所示：
CI＝(λmax-n)/(n-1)
其中，n为判断矩阵的阶数，λmax为其最大特征值。
单位负荷调节因子的计算：计算某一层次所有因素对于最高层(总目标)相对重要性的权值，称为层次总排序。依次沿递阶层次结构由下而上逐层计算，即可计算出方案层相对于最高层的综合权重：
/>
式中：m为方案层参与负荷调节的负荷类型总数；Wi (2)表示第i个方案对目标层的权重； Wk (1)表示准则层第k个准则层相对于目标层的准则权重；表示第i个方案相对于第k个准则的方案权重。
利用方案层对目标层的综合权重可计算出对应方案的单位负荷调节因子矩阵为：
式中，R＝[R1,...,Ri,...,Rm],Ri＝Wi (2)为在确定的调节量的范围下的第i个负荷调节点的单位负荷调节因子。
由此，可以构建负荷调节代价函数，不失一般性，负荷调节量越大，单位负荷调节因 子的数值越大，则对应于第h种负荷的第i个调节节点的总调节量ΔPi h，有 为第m个功率调节量区间的下界，/>为第m个功率调节量区 间的上界，m＝1,2,...，有/>其负荷调节的综合代价/>的函数计算 式如下
式中，表示第h类负荷在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子。单位负荷调节因子的数值可基于调研数据进行修正。
步骤4，协调控制模型搭建
(1)目标函数
保证系统频率稳定在安全范围内的前提下，以负荷调节的总代价最小为目标，目标函数如下式所示：
式中，CAl,i、Czip,j、Cice,k、Cshe,z分别为第i个电解铝负荷调节点、第j个ZIP负荷调节点、第k个可投切负荷调节点以及第z个电动机负荷节点的调节综合代价，其计算方法在后文会有详细说明；NAl、Nzip、Nice、Nshe分别为电解铝负荷、ZIP负荷、可投切负荷和电动机负荷的可调节节点数量，N＝NAl+Nzip+Nice+Nshe为参与负荷调节总的节点数。
(2)约束条件
频率控制综合代价优化的主要约束条件主要包括各负荷调节点的调节容量上限约束、负荷综合调节量上下限约束以及负荷调节之后的稳态频率约束。
1)各类负荷调节功率约束
一般地，认为各负荷调节点在系统正常运行时的输出功率为其额定功率。
式中，分别表示电解铝、ZIP、可投切负荷以及电动机负荷节点的功率下限值，/>分别表示每个电解铝、ZIP、可投切负荷以及电动机负荷节点的功率上限值，PAl,i、Pzip,j、Pice,k、Pshe,z分别表示每个电解铝、ZIP、可投切负荷以及电动机负荷节点的测量功率，ΔPAl,i、ΔPzip,j、ΔPice,k、ΔPshe,z分别表示每个电解铝负荷、ZIP负荷、可投切负荷以及电动机负荷类型的功率调节量。
2)系统总调节功率约束
各种类型的负荷综合调节量总和应该保证可以消除系统功率缺额，使系统频率恢复至系统可以接受的安全范围内，并且小于系统功率所允许的最大调节量，负荷综合调节量总量ΔPTotal及其约束表达式如下所示：
ΔPAl+ΔPzip+ΔPice+ΔPshe＝ΔPTotal
ΔPTotal≤ΔPSmax
|ΔPTotal-ΔP|≤ε
式中，分别为电解铝负荷、ZIP负荷、可投切负荷以及电动机负荷类型的功率调节总量；ΔPSmax表示系统允许的功率调节上限；式|ΔPTotal-ΔP|≤ε表示负荷综合调节量总量要尽量跟踪系统功率缺额值，使系统频率恢复至正常范围内，ε表示调节量与功率缺额值之间所能允许的最大偏差值。
3)系统频率安全约束：
fmin≤f∞≤fmax
式中，f∞表示启动频率控制后的系统稳态频率，fmin、fmax分别为稳态频率下限和上限。
4)可投切负荷离散特性约束
针对可投切负荷，只能通过改变其开关状态而改变有功功率数值，故其功率调节量只能是离散变化的，在约束条件中需加入关于其功率调节量的等式约束，对于参与频率控制的可投切负荷节点k，设其有Nice,k个可投切负荷，则其功率调节量ΔPice,k需满足下式：
式中，αi为逻辑变量，表示第i个可投切负荷是否投入协调控制，其值为1时表示投入控制，为0时则未投入；表示可投切负荷节点k的第i个可投切负荷的单次功率调节量，需满足以下单次功率调节量约束：
ΔP1,k＝Pice1,k-Pice2,k
ΔP2,k＝Pice2,k-Pice0,k
ΔP3,k＝Pice1,k-Pice0,k
其中，ΔP1,k为可投切负荷节点k的单个可投切负荷从运行状态s1切换至运行状态s2的单次功率调节量，即Pice1,k-Pice2,k；ΔP2,k为可投切负荷节点k的单个可投切负荷从运行状态s2切换至运行状态s0的单次功率调节量，即Pice2,k-Pice0,k；ΔP3,k为可投切负荷节点k的单个可投切负荷从运行状态s1切换至运行状态s0的单次功率调节量，即Pice1,k-Pice0,k。
步骤5，协调控制模型的求解方法
本发明所描述的负荷调节综合代价优化模型涉及到连续量(包括电解铝负荷、ZIP负荷以及电动机负荷)和离散量(可投切负荷)的混合优化，在时间尺度上，目前求解非线性混合整数规划问题所需要的时间较长(秒级)，并不能满足大电网频率控制的要求(毫秒级)，故采用离线预想实时匹配的决策方法，在离线环境下预想系统可能发生的典型故障，制作离线决策表，当系统发生故障时就可以进行实时匹配，使负荷调节快速可靠动作，达到控制大电网频率并尽可能降低控制综合代价的目的。
(1)粒子群优化算法
粒子群优化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是目前常用的用来求解方程最优解的一种智能算法。相较于传统算法收敛速度快，全局寻优能力也很强，原理简单且参数少，其主要思想是每次搜寻都会根据自身经验(自身历史搜寻的最优点)和种群交流(种群历史搜寻的最优点)调整自身搜寻方向和速度，故将其应用于本文所述的混合整数优化问题中。
假设在一个N维空间中，有P个粒子组成的群体，其中粒子i的速度和位置可表示为N维向量：
Vi＝(vi1,vi2,...,viN),i＝1,2,...,P
Xi＝(xi1,xi2,...,xiN),i＝1,2,...,P
速度及位置在迭代过程中更新的公式：
式中：c1和c2为加速常数，也称学习因子；r1和r2为[0,1]之间的均匀随机数；和表示粒子i的速度和位置经k次迭代后对应的N维向量，为防止粒子远离搜索空间，粒子的每一维速度vN都应控制在[-vNmax,vNmax]之间；w为惯性权重；pbest,iN指粒子i的个体最优值；gbest,N指粒子群的全局最优值。
上式第一部分为惯性(Inertia)部分，反映了粒子的运动习惯，代表粒子有维持自己先前速度的趋势；第二部分为认知(Cognition)部分，反映了粒子对自身历史经验的记忆，代表粒子由向自身历史最佳位置逼近的趋势；第三部分为社会(Social)部分，反映了粒子间协同合作与知识共享的群体历史经验，代表粒子有向群体或领域历史最佳位置逼近的趋势。
2)基于PSO求解综合代价优化模型
为了求解本文所示的协调控制优化问题，需要将PSO算法做一些改进，以适应混合整数规划的求解需求。首先对约束条件进行处理，对于负荷节点调节功率约束，在每次更新以及初始化时，对随机生成的粒子位置进行修改，使其满足约束条件，再进入下一次迭代，如果不满足，则按下式进行修改(此处以电解铝为例)，对于ZIP负荷、可投切负荷以及低频减载可以采用相同方法处理：
对于系统总调节功率约束，可采用罚函数形式将其加入目标函数中，更新后的目标函数为：
min F＝f+M1U1+M2U2
U1＝[min(0,ΔPSmax-ΔPTotal)]2
U2＝(ΔPTotal-ΔP)3
式中，f为原目标函数，M1、M2为惩罚系数，惩罚系数取常数值。
对于系统频率约束，在系统总调节功率满足约束条件的前提下，系统频率也必定会满足约束条件，此处不再加特殊处理。
对于等式约束，对其粒子更新的位置进行修改，使其在初始化和每次更新时产生的粒子位置满足要求，由于可投切负荷输出的总功率在数值上是离散的，故可以得到其功率数值的序列，假设有可投切负荷节点k，则其功率数值的离散序列可表示为若在迭代过程中随机生成的功率数值(Pice,k-ΔPice,k)在Picei,k和Picei+1,k之间，则取离其数值较近的功率点，记调节之后的可投切负荷输出功率为
在粒子更新的过程中，评价粒子优劣的标准是适应度，针对本文研究的问题，以目标函数值作为粒子更新过程中的适应度值。通过以上调整，可以将方便地使用PSO求解改协调控制优化问题(含混合整数规划问题的求解)。具体求解流程图如图3所示。为满足大电网在严重故障下频率调节的时间尺度要求，在离线情况下进行事故预想，得到保证系统安全所需要调节的总负荷量，作为协调控制模型的输入，通过协调控制模型的优化求解得到各类型资源在紧急情况下的最优调节量，进而制作离线决策表。同时，在实际运行的系统中对频率进行实时监测，当频率低于所设定电网频率的安全阈值时，便触发协调控制程序，依据频率信息计算得到的功率缺额值在决策表中进行在线匹配，获取各类型资源的最优调节量，进而下发至控制器，完成大电网在严重故障情况下的频率控制。
步骤6，离线决策表制作及在线匹配频率控制算例分析
(1)基本数据
本专利以华东电网为例进行算例分析，搭建了华东电网的系统模型，该系统包括4回特高压直流线路，分别是锦苏直流、复奉直流、灵邵直流以及宾金直流，和5个省电网，分别是安徽电网、江苏电网、上海电网、福建电网以及浙江电网，由于系统架构庞大且复杂，为简化分析，将每个省网等值为单台发电机，简化后的系统结构如图4所示。目前华东电网建成总装机容量约167.6GW，特高压直流电路输入的总功率约31.2GW，系统负荷总量约140GW，系统内负荷类型以电动机为主，系统电源及负荷组成参数如图10所示。
电源组成：所搭建的模型中，将各省电网等值为单台发电机，其装机容量情况如上表所示，安徽电网等值发电机G1装机容量21.5GW，江苏电网等值发电机G2装机容量59.8GW，上海电网等值发电机装机容量17.8GW，浙江电网等值发电机装机容量35GW，福建电网等值发电机装机容量35.5GW。另外华东电网接入4回特高压直流线路，其中锦苏直流额定输送容量为8GW，复奉直流额定输送容量为9.7GW，灵邵直流额定输送容量为7.9GW，宾金直流额定输送容量为5.6GW。
负荷组成：所搭建的模型中，将各省电网负荷分别集中为Load-AH、Load-JS、Load-SH、Load-ZJ以及Load-FJ负荷，负荷容量分别为17.2GW、50.2GW、19.2GW、35.3GW和 18.1GW，为简化处理，在本例仿真中通过设置负荷类型的百分比来对个省电网的负荷构成进行模拟，系统负荷类型及其占比如图11所示。
本文基于以上数据在RTDS中搭建了仿真模型，并对本文提出的负荷协调控制策略进行了验证。RTDS模型根据图4所示的华东电网架构进行搭建，包括4回特高压直流系统，5台火电发电机机组及相应的发电机励磁器和调速器，并在每个省网中加入了四种类型的负荷以及相应的传输线路。仿真步长设置为70μs。
(2)离线决策表制作
基于前文所示的华东电网仿真模型，在离线情况下进行事故预想，并制作离线决策表，在故障发生时，能够根据故障信息迅速匹配故障场景对系统频率进行控制。
1)协调控制参数设置
基于前文所述的协调控制模型及电网模型，各类负荷的调频容量上限如图12所示。
系统容量调节上限ΔPSmax设置为20％，即28000MW；系统功率缺额通过具体的事故预想作为协调控制算法的输入；可投切负荷对应于运行状态s1，s2以及s0的恒定功耗Pice1,k，Pice2,k，Pice0,k分别设置为40MW，20MW以及0MW，故可投切负荷有功功率的最小单次负荷调节量为20MW。
本文通过层次分析法建立的代价函数实为分段函数，为使表达更加简单明了，使用表格的形式记录各负荷调节量区间内的单位负荷调节因子R的数值，如图13所示，即线段斜率。
将以上数据作为协调控制算法的参数设置，只要输入具体的故障参数便能得到针对某一故障的具体调节量。
2)制作决策表
在所搭建的模型中通过预想系统故障，得到故障参数，作为协调控制算法的输入，如发生一回直流闭锁故障时，可以计算得到系统功率缺额ΔP为8000MW，输入之后运行协调控制程序。综合代价随着迭代次数的增加而逐渐降低，如图5所示，当迭代次数大于3122 之后，综合代价代价低至1.5319并不再变化，协调优化程序结束后，输出各类负荷的最优调节量。根据上述方法，预想典型故障，输入故障信息，通过程序额迭代之后，得到各类负荷的最优调节量及综合代价信息，制作出控制决策表，部分控制策略表如图14所示。
根据所制作的离线控制决策表，在系统发生故障时进行实时匹配，得到各类负荷的最优调节量，短时间内快速下发控制，不会因为优化程序的计算时间影响频率控制的最佳时间，及时完成实时控制，消除系统不平衡功率。
(3)电解铝负荷与安稳系统相协调实时仿真分析
在本算例中，故障场景设置为锦苏特高压直流输电线路故障，该故障为华东电网曾实际出现过的故障，系统的功率扰动量可以通过布置在直流线路上的PMU直接测量得到。故在该故障场景下，可以计算得到系统的功率缺额ΔP为8000MW。单回直流闭锁故障发生前后的系统直流输送容量变化如附图6所示。
1)系统频率分析
当系统发生单回闭锁故障之后，所有的火电机组的一次调频开始动作，但系统仍存在不平衡功率，此时如果不采取其他措施，系统频率将会迅速跌落以至于超出系统频率安全范围，将可能导致更严重的后继事故，如图7“安稳拒动”曲线所示，该情况下系统频率最低跌落到49.7Hz，与当时华东电网频率跌到49.7Hz的实际相符。
若采取传统的控制方式，即检测到系统频率跌落时，安稳系统动作切除部分负荷，该方式可以使系统频率回升到安全范围，但容易发生“过切”现象，导致代价大，恢复困难，使频率回升至50HZ以上，如图7中“稳控切负荷”曲线所示，采用安稳系统切负荷的控制方式使得频率最高回升至50.07HZ，并且稳态值也高于50HZ。
采取本文提出的协调控制策略，在系统发生单回直流闭锁故障场景时，实时测量频率及频率变化率，当超过设定的阈值时，触发协调优化控制，在离线决策表中进行实时匹配，对电解铝、ZIP以及可投切负荷的有功功率进行协调控制，控制效果如图7“负荷协调控制”曲线所示，从仿真结果中可以看出，协调优化控制可以在系统发生严重故障时，迅速调用系统各种类型负荷的可调容量，使频率平滑回升，且始终控制在允许范围内，不仅避免了“过切”现象的发生，一定程度上实现“缺多少，调多少”，还实现了负荷闭环控制与安稳系统的协调控制，对大电网频率进行了有效的控制。
2)控制代价分析
对分别采用安稳控制和协调优化控制两种方式下的系统有功功率变化情况进行对比，两种方式下的负荷变化曲线如图8所示。
从图8中可以看出，在系统存在功率缺额时，若采取传统的控制方式，即安全稳定控制装置采取“一刀切”的模式对系统负荷功率进行调整，不会考虑切除负荷的先后及代价，缺乏公平性，部分重要负荷也有可能被切除，导致恢复困难，损失增加，所切除的负荷量与系统功率缺额也不一定匹配，容易发生“过切”现象。
采用协调控制策略对系统负荷进行调整时，系统负荷变化曲线如图8“负荷协调控制”曲线所示，其负荷调节量明显小于安稳系统，且因为其调整负荷有功功率是通过调整电压来实现的，当系统电压回升时，负荷有功也会随着电压的升高而回升，控制更加平滑。
对于图表的分析可以看出系统仅靠安全稳定控制装置动作时，会按提前设定好的减载量对部分负荷进行切除，负荷切除不考虑优先级，从保存的数据中计算得到，在安稳控制装置动作时，由江苏、上海、浙江三省电网共计切除负荷量为9968MW，大大超出系统存在的功率缺额8000MW，导致“过切”的发生，且控制过程中只由三省电网参与紧急控制，缺乏公平性，控制过程中各类负荷调整量如图15所示。
采取协调优化控制策略时，各类负荷将会根据功率缺额的大小调整自身的功率大小，而不是直接进行切除，控制代价小且恢复快。可投切负荷根据设定好的时间间隔对其功率开关进行控制，实现有功功率的离散变化；ZIP负荷与电解铝负荷通过控制其母线电压来对其有功功率进行控制，实现有功功率的连续可调。将功率的连续调整与离散调整相结合，根据系统功率缺额对负荷有功功率进行调整，不会导致“过切”，且有功功率的变化更加平滑，实现了“粗调“与“细调”有机结合。控制过程中各类负荷调节量如图16所示。
采用本文建立的代价函数分别对安稳控制和协调优化控制两种情况下的代价进行量化，将各省网中同一类型的负荷调节量进行整合，计算两种控制方式下的综合代价，如图17所示。
对比仅安稳控制和协调控制两种场景下的各类负荷调节量，计及调节负荷的代价之后，协调优化控制下，系统优先对负荷进行调整，而不是直接切除，并且将代价较高的电动机负荷调节量转移到了代价较低的可投切负荷上，实现了负荷闭环控制和安稳系统相协调的调频策略，频率控制的综合代价相比仅由安稳控制时降低了26.098％。
根据以上仿真与分析，充分验证了协调优化控制算法对于大电网频率控制的有效性，对比传统的安稳系统切负荷方式，本文提出的频率控制策略实现了负荷闭环控制与安稳系统的协调配合，在系统发生严重故障时，能够使系统频率平滑回升至50HZ，且始终维持在允许的安全范围内，控制代价相较于传统控制方式大大降低，用户不会感受到停电，系统中各类型负荷的调节量均按照设定目标进行有序调整，不会导致“过切”现象的发生。
应当理解，上述实施例仅用于对本发明进行描述，并非对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明启示下，在不脱离本发明专利要求保护的范围情况下，可以对所述实施例进行替换或变性，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：构建电网多节点模型，在电网多节点模型的所有节点中分别筛选出多个电解铝负荷节点、多个可投切负荷节点、多个恒阻抗恒电流恒功率(ZIP)负荷节点、多个电动机负荷节点；
步骤2，针对每个电解铝负荷节点，基于电解铝工业生产特性，构建每个电解铝负荷节点的电解铝负荷与电解铝负荷电解槽直流电压的关系模型，进一步建立每个电解铝负荷节点的电解铝负荷随电解槽直流电压变化的有功功率连续调节方法；
步骤3，根据电网中的安全稳定控制系统在严重故障时的可投切负荷动作特性，建立可投切负荷的有功功率受限离散变化模型，进一步构建紧急情况下可投切负荷控制的离散特性约束，其具体包括离散调控数约束、功率调节量等式约束、以及单次功率调节量约束；
步骤4，设置每个电解铝负荷节点的负荷功率调节量区间、每个可投切负荷节点的负荷功率调节量区间、每个ZIP负荷节点的负荷功率调节量区间以及每个电动机负荷节点的负荷功率调节量区间，引入多节点电网模型中的负荷重要性数据、单位电能调节损失数据、调功设备功耗数据、调功动作对设备的损耗数据，进一步通过层次分析法设定每个电解铝负荷节点的每个功率调节量区间内的单位负荷调节因子参数、每个可投切负荷节点的每个功率调节量区间内的单位负荷调节因子参数、每个ZIP负荷节点的每个功率调节量区间内的单位负荷调节因子参数，以及每个电动机负荷节点的每个功率调节量区间内的单位负荷调节因子参数，进一步分别构建电解铝负荷调节的综合代价、可投切负荷调节的综合代价、ZIP负荷调节的综合代价、电动机负荷调节的综合代价；
步骤5，根据电解铝负荷调节的综合代价、可投切负荷调节的综合代价、ZIP负荷调节的综合代价、电动机负荷调节的综合代价构建总体调节代价，进一步分别构建系统频率安全约束、负荷调节功率约束、系统总调节功率约束，引入步骤3所述的可投切负荷离散特性约束，以总体调节代价最小为协调优化目标构建电力系统频率紧急协调控制模型；
步骤6，在离线情况下进行事故预想得到事故情况下的有功功率缺额，将其作为步骤5所构建的电力系统频率紧急协调控制模型的输入，使用粒子群优化算法对电力系统频率紧急协调控制模型进行求解分别得到每个电解铝负荷节点在紧急情况下的最优调节量以及相应电解槽直流电压需要进行的调整量、每个可投切负荷节点中的每个可投切负荷在紧急情况下的最优调节量、每个ZIP负荷节点在紧急情况下的最优调节量、每个电动机负荷节点在紧急情况下的最优调节量，进而制作离线决策表；
步骤7，在线情况下对系统频率进行实时监测，当频率低于所设定电网频率的安全阈值时，依据功率缺额信息在决策表中进行在线匹配，获取每个电解铝负荷节点在紧急情况下的最优调节量以及相应电解槽直流电压需要进行的调整量、每个可投切负荷节点中的每个可投切负荷在紧急情况下的最优调节量、每个ZIP负荷节点在紧急情况下的最优调节量、每个电动机负荷节点在紧急情况下的最优调节量，分别进行相应的负荷功率调节控制，完成大电网在严重故障情况下的频率协调控制。
2.根据权利要求1所述的电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法，其特征在于，步骤1所述电解铝负荷节点为：
电网多节点模型中第hi个电网节点，即第i个电解铝负荷节点，hi∈[1,L]，i∈[1,NAl]；
其中，L为电网多节点模型中电网节点的数量，NAl为电解铝负荷节点数量；
步骤1所述可投切负荷节点为：
电网多节点模型中第hk个电网节点，即第k个可投切负荷节点，hk∈[1,L]，k∈[1,Nice]；
其中，L为电网多节点模型中电网节点的数量，Nice为可投切负荷节点数量；
步骤1所述恒阻抗恒电流恒功率负荷节点为：
电网多节点模型中第hj个电网节点，即第j个ZIP负荷节点，hj∈[1,L]，j∈[1,Nzip]；
其中，L为电网多节点模型中电网节点的数量，Nzip为ZIP负荷节点数量；
步骤1所述电动机负荷节点为：
电网多节点模型中第hz个电网节点，即第z个电动机负荷节点，hz∈[1,L]，z∈[1,Nshe]；
其中，L为电网多节点模型中电网节点的数量，Nshe为电动机负荷节点数量。
3.根据权利要求1所述的电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法，其特征在于，步骤2所述每个电解铝负荷节点的电解铝负荷与电解铝负荷电解槽直流电压关系模型为：
PAl,i＝VB,i(VB,i-Ei)/Ri
其中，i∈[1,NAl]，NAl为电解铝负荷节点数量，PAl,i表示第i个电解铝负荷节点的电解铝负荷，VB,i表示第i个电解铝负荷节点的电解铝负荷电解槽直流电压，Ei表示第i个电解铝负荷节点的电解槽反电动势，Ri表示第i个电解铝负荷节点的电解槽电阻参数。
4.根据权利要求1所述的电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法，其特征在于，步骤3所述可投切负荷的有功功率受限离散变化模型，具体定义为：
第k个可投切负荷节点的可投切负荷总数为Nice,k，可投切负荷具有运行状态s1，运行状态s2以及运行状态s0；
第k个可投切负荷节点的运行状态s1对应的恒定功耗为Pice1,k；
第k个可投切负荷节点的运行状态s2对应的恒定功耗为Pice2,k；
第k个可投切负荷节点的运行状态s0对应的恒定功耗为Pice0,k；
第k个可投切负荷节点工作在运行状态s1的可投切负荷数量为nice1,k；
第k个可投切负荷节点工作在运行状态s2的可投切负荷数量为nice2,k；
第k个可投切负荷节点工作在运行状态s0的可投切负荷数量为nice0,k；
第k个可投切负荷节点为电网多节点模型中第hk个电网节点，hk∈[1,L]，k∈[1,Nice]；
其中，L为电网多节点模型中电网节点的数量，Nice为可投切负荷节点数量；
第k个可投切负荷节点的总有功功率Pice,k，具体如下：
Pice,k＝Pice1,knice1,k+Pice2,knice2,k+Pice0,knice0,k
步骤3所述紧急情况下可投切负荷控制的离散特性约束，具体定义为：
工作在s1，s2以及s0状态的数量nice1,k，nice2,k，nice0,k需要满足以下离散调控数约束：
式中，Nice,k表示可投切负荷节点k的可投切负荷总数；
nice10,k为第k个可投切负荷节点工作在运行状态s1的可投切负荷的最少数量；
nice20,k为第k个可投切负荷节点工作在运行状态s2的可投切负荷的最少数量；
nice00,k为第k个可投切负荷节点工作在运行状态s0的可投切负荷的最少数量；
对于可投切负荷，只能通过改变其开关状态而改变有功功率数值，需要加入功率调节量等式约束，对于参与频率控制的第k个可投切负荷节点k，设其有Nice,k个可投切负荷，则其功率调节量ΔPice,k需满足下式：
式中，αw,k为逻辑变量，表示第w个可投切负荷是否投入协调控制，αw,k＝1时表示投入控制，αw,k＝0时则未投入；表示第k个可投切负荷节点的第w个可投切负荷的单次功率调节量，需满足以下单次功率调节量约束：
ΔP1,k＝Pice1,k-Pice2,k
ΔP2,k＝Pice2,k-Pice0,k
ΔP3,k＝Pice1,k-Pice0,k
其中，ΔP1,k为第k个可投切负荷节点的单个可投切负荷从运行状态s1切换至运行状态s2的单次功率调节量，即Pice1,k-Pice2,k；ΔP2,k为第k个可投切负荷节点的单个可投切负荷从运行状态s2切换至运行状态s0的单次功率调节量，即Pice2,k-Pice0,k；ΔP3,k为第k个可投切负荷节点的单个可投切负荷从运行状态s1切换至运行状态s0的单次功率调节量，即Pice1,k-Pice0,k。
5.根据权利要求1所述的电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法，其特征在于，步骤4所述构建电解铝负荷调节的综合代价，具体为：
对应于第i个电解铝负荷节点的总调节量ΔPAl,i，有 为第i个电解铝负荷节点的第m个功率调节量区间的下界，/>为第i个电解铝负荷节点的第m个功率调节量区间的上界，m＝1,2,...，有/> 电解铝负荷调节的综合代价CAl,i的函数计算式如下
式中，表示第i个电解铝负荷节点在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子；
步骤4所述构建可投切负荷调节的综合代价，具体为：
对应于第k个可投切负荷节点的总调节量ΔPice,k，有 为第k个可投切负荷节点的第m个功率调节量区间的下界，/>为第k个可投切负荷节点的第m个功率调节量区间的上界，m＝1,2,...，有/> 可投切负荷调节的综合代价Cice,k的函数计算式如下:
式中，表示第k个可投切负荷节点在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子；
步骤4所述构建ZIP负荷调节的综合代价，具体为：
对应于第j个ZIP负荷节点的总调节量ΔPzip,j，有 为第j个ZIP负荷节点的第m个功率调节量区间的下界，/>为第j个ZIP负荷节点的第m个功率调节量区间的上界，m＝1,2,...，有/>ZIP负荷调节的综合代价Czip,j的函数计算式如下:
式中，表示第j个ZIP负荷节点在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子；
步骤4所述构建电动机负荷调节的综合代价，具体为：
对应于第z个电动机负荷节点的总调节量ΔPshe,z，有 为第z个电动机负荷节点的第m个功率调节量区间的下界，/>为第z个电动机负荷节点的第m个功率调节量区间的上界，m＝1,2,...，有/> 电动机负荷调节的综合代价Cshe,z的函数计算式如下:
式中，表示第z个电动机负荷节点在第m个功率调节量区间内的单位负荷调节因子。
6.根据权利要求1所述的电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法，其特征在于，步骤5所述协调优化目标，具体如下：
式中，CAl,i为第i个电解铝负荷节点的负荷调节综合代价，Czip,j为第j个ZIP负荷节点的负荷调节综合代价，Cice,k为第k个可投切负荷节点的负荷调节综合代价，Cshe,z为第z个电动机负荷节点的负荷调节综合代价，NAl为电解铝负荷节点数量，Nzip为ZIP负荷节点数量，Nshe为电动机负荷节点数量。
7.根据权利要求1所述的电网调频的电解铝负荷与安稳系统相协调的控制方法，其特征在于，步骤6所述每个电解铝负荷节点在紧急情况下的最优调节量以及电解槽直流电压，具体为：
对于第i个电解铝负荷节点在紧急情况下的最优调节量为ΔP′Al,i，并通过步骤2所构建的关系式PAl,i＝VB,i(VB,i-Ei)/Ri的变形公式ΔP′Al,i＝ΔV′B,i(ΔV′B,i-Ei)/Ri，可得到第i个电解铝负荷节点在紧急情况下其电解槽直流电压V′B,i需要进行的调整量ΔV′B,i；
步骤6所述每个可投切负荷节点每个可投切负荷在紧急情况下的最优调节量，具体为：
对于第k个可投切负荷节点的第w个可投切负荷在紧急情况下的最优调节量为同时有/>ΔP′ice,k为第k个可投切负荷节点在紧急情况下的最优调节量，Nice,k为第k个可投切负荷节点内的可投切负荷总数；
步骤6所述每个ZIP负荷节点在紧急情况下的最优调节量，具体为：
对于第j个ZIP负荷节点在紧急情况下的最优调节量为ΔP′zip,j；
步骤6所述每个电动机负荷节点在紧急情况下的最优调节量，具体为：
对于第z个电动机负荷节点在紧急情况下的最优调节量为ΔP′she,z。
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