一种主动频率响应事件控制策略

摘要

本发明公开了一种主动频率响应事件控制策略，离线状态下依据被选定的频率稳定相关状态量对电力系统所有可能发生的运行状态进行聚类形成若干典型场景，对上述典型场景进行分析确定每类场景应采取的主动频率响应控制策略形成控制决策表，主动频率响应事件控制策略确定：将电网频率波动和演变过程分为两个阶段即频率下降阶段和频率恢复阶段；在频率下降阶段采用主动频率响应的事件控制方式，在频率恢复阶段采用被动频率响应的参量反馈控制方式进行电网频率控制。本申请所提出的控制策略既能在大扰动下频率下降阶段有效拦截频率下降，避免系统低频减载，在频率恢复阶段使系统尽快恢复稳定，避免系统在主动控制过程中发生频率振荡。

权利要求

1.一种主动频率响应事件控制策略，其特征在于：包括以下步骤：

S1:离线状态下依据被选定的频率稳定相关状态量对电力系统所有可能发生的运行状态进行聚类形成若干典型场景，对上述典型场景进行分析确定每类场景应采取的主动频率响应事件控制策略形成控制决策表；

S2:主动频率响应事件控制策略确定：将电网频率波动和演变过程分为两个阶段即频率下降阶段和频率恢复阶段；在频率下降阶段采用主动频率响应的事件控制方式，在频率恢复阶段采用被动频率响应的参量反馈控制方式进行电网频率控制；

S3:在线应用中：将当前运行状态进行场景归属辨识确定其场景归属，依据当前状态与所属场景的偏差进行灵敏度分析：对归属场景的控制决策表进行修正，得到当前运行状态下的主动频率响应事件控制策略；

若当前运行状态下发生故障，则依据所得到的主动频率响应事件控制策略进行频率响应控制，若运行正常，则进行电力系统下一时刻运行方式的分析，重复上述过程完成电网频率的控制过程。

2.根据权利要求1所述的一种主动频率响应事件控制策略，其特征还在于：所述S1具体方式为：

S11:对可预见的电力系统所有运行状态进行聚类处理形成典型场景:根据电力系统中发电侧、负荷侧与输电系统传输功率的参量进行计算分析与对比、根据场景聚类规则对所有运行状态进行聚类处理；

S12:划分电力系统故障紧急程度：依据发电机转子运动方程对系统频率的动态过程进行分析，根据动态过程中频率响应最低点与系统低频减载启动频率之间的距离划分紧急程度，即二者之间距离越近，紧急程度等级越高；

S13:制定决策表：针对典型场景制定主动频率响应事件控制策略，确定控制决策表，其中典型场景、控制策略与控制决策表为一一对应关系；在决策表制定过程中，依据所属典型场景下故障的紧急程度制定决策表，进行各类机组、各类频率响应调节手段的启动与控制方式的选取；

S14:如果出现决策表相同现象，则需将两种典型场景聚类为同一种场景；如果出现某一运行状态无法归类于任一典型场景，则新增一个典型场景。

3.根据权利要求1所述的一种主动频率响应事件控制策略，其特征还在于：在线应用中：依据源-网-荷相关参量对当前运行状态进行场景在线匹配，确定其所属场景类型，利用攻防对比分析明确频率响应态势。

4.根据权利要求1所述的一种主动频率响应事件控制策略，其特征还在于：所述在线应用中：利用灵敏度分析对所属典型场景的控制决策表进行修正，以得到当前运行状态下的控制决策表：根据当前运行状态量所对应的向量和其所匹配典型运行场景所对应的向量之间距离较短，二者所对应决策表中相关控制参量之间的差与二者所对应向量之间的差被认为是线性关系，利用两个向量之间的差，依据灵敏度分析对典型运行场景所对应的决策表进行修正。

5.根据权利要求1所述的一种主动频率响应事件控制策略，其特征还在于：对应当前运行状态均会有一个相应的控制决策表，如果发生故障，调度人员即可应用更新后的控制决策表，对系统进行控制，其中主动频率响应事件控制策略的方式为：在事件控制下，扰动区与非扰动区皆在频率下降阶段采用预测频差值进行前馈控制，其预测值通过被动频率响应控制策略中扰动区最大频差值离线确定，而在频率恢复阶段两区域分别依据各自本地频差进行反馈控制：即在假定扰动区本地频差为Δfr、到达最低点时间为tnadir、控制依据参量为cA、非扰动区本地频差为Δfl，控制依据参量为cB时，输入A、B区调速器的频差满足

说明书

一种主动频率响应事件控制策略

技术领域

[0001] 本发明涉及电力系统技术领域，尤其涉及一种主动频率响应事件控制策略。

背景技术

[0002] 目前多种因素导致未来电网频率稳定形势较为严峻，而不断丰富的源网荷侧频率响应手段需要更好地协调，以充分发挥控制性能从而提升频率稳定水平。

[0003] 频率稳定的本质是在扰动后秒至分钟级时间尺度的有功功率平衡，其发展过程和稳定与否取决于“攻防”两端的势力对比。“攻”对应于功率不平衡数量，“防”对应于故障前频率值、系统惯性和频率响应能力等三个主要因素。“攻”侧，特高压交直流输电线路的输送功率数量日渐提升，清洁高效的巨型火电和核电机组逐步代替了污染低效的小火电机组，单一元件故障所引起功率失衡数量大幅增加；相对较差的环境，加之直流线路积污速度快，导致特高压输电线路直流单极闭锁故障率较高。“防”侧，一方面，容量占比不断提升的可再生能源挤占了常规火电机组的发电空间，导致常规机组并网数量减少，从而造成系统惯性和频率响应能力的持续下降；进一步，系统惯性和频率响应能力的降低，使正常运行状态下频率偏差整体加大，导致故障前频率处于低位的概率大幅上升。

[0004] 为保证整个电网运行安全和运行品质，频率响应被设置为跨区无偿相互支援的功能，是所有发电单元必备的输电辅助服务，其控制模式为依据本地频差的分散自主控制，虽然系统的频率响应能力是所有发电机组频率响应能力的综合，但各发电机组间频率响应的不同步，会降低频率响应的整体作用效果。大扰动下最受关注的是频率波动的最低点，因其决定低频减载的启动与否。从扰动发生到频率下降至最低点时间短暂，一般以秒计。频率响应的作用是在系统经受大功率扰动下频率快速下降时段迅速补充功率缺失，对频率下降实施有效拦截，在避免低频减载启动的同时，为后续缓慢调节手段的投入赢得时间。由于扰动后频率快速下降时间短暂，在此期间若能提高频率响应的执行速度，可极大地改变频率波动暂态过程，避免低频减载的发生。

发明内容

[0005] 针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种主动频率响应事件控制策略，其目的是提出一种在发生大功率缺失故障后，能够在现有频率响应设施下最大限度地提高频率响应最低点位置，避免系统低频减载，以确保电力系统安全稳定的控制策略。具体方案为：

[0006] 包括以下步骤：

[0007] S1:离线状态下依据被选定的频率稳定相关状态量对电力系统所有可能发生的运行状态进行聚类形成若干典型场景，对上述典型场景进行分析确定每类场景应采取的主动频率响应控制策略形成控制决策表；

[0008] S2:主动频率响应事件控制策略确定：将电网频率波动和演变过程分为两个阶段即频率下降阶段和频率恢复阶段；在频率下降阶段采用主动频率响应的事件控制方式，在频率恢复阶段采用被动频率响应的参量反馈控制方式进行电网频率控制；

[0009] S3:在线应用中：将当前运行状态进行场景归属辨识确定其场景归属，依据当前状态与所属场景的偏差进行灵敏度分析：对归属场景的控制决策表进行修正，得到当前运行状态下的主动频率响应控制策略；

[0010] 若当前运行状态下发生故障，则依据所得到的主动控制策略进行频率响应控制，若运行正常，则进行电力系统下一时刻运行方式的分析，重复上述过程完成电网频率的控制过程。

[0011] 所述离线分析时具体方式为：

[0012] S11:对可预见的电力系统所有运行状态进行聚类处理形成典型场景:根据电力系统中发电侧、负荷侧与输电系统传输功率的参量进行计算分析与对比、根据场景聚类规则对所有运行状态进行聚类处理；

[0013] S12:划分电力系统故障紧急程度：依据发电机转子运动方程对系统频率的动态过程进行分析，根据动态过程中频率响应最低点与系统低频减载启动频率之间的距离划分紧急程度，即二者之间距离越近，紧急程度等级越高；

[0014] S13:制定决策表：针对典型场景制定主动频率响应事件控制策略，确定控制决策表，其中典型场景、控制策略与控制决策表为一一对应关系；在决策表制定过程中，依据所属典型场景下故障的紧急程度制定决策表，进行各类机组、各类频率响应调节手段的启动与控制方式的选取；

[0015] S14:如果出现决策表相同现象，则需将两种典型场景聚类为同一种场景；如果出现某一运行状态无法归类于任一典型场景，则新增一个典型场景。

[0016] 在线应用中：依据源-网-荷相关参量对当前运行状态进行场景在线匹配，确定其所属场景类型，利用攻防对比分析明确频率响应态势。

[0017] 所述在线应用中：利用灵敏度分析对所属典型场景的控制决策表进行修正，以得到当前运行状态下的控制决策表：根据当前运行状态量所对应的向量和其所匹配典型运行场景所对应的向量之间距离较短，二者所对应决策表中相关控制参量之间的差与二者所对应向量之间的差被认为是线性关系，利用两个向量之间的差，依据灵敏度分析对典型运行场景所对应的决策表进行修正。

[0018] 对应当前运行状态均会有一个相应的控制决策表，如果发生故障，调度人员即可应用更新后的控制决策表，对系统进行控制，其中主动频率响应控制策略的方式为：

[0019] 在事件控制下，扰动区与非扰动区皆在频率下降阶段采用预测频差值进行前馈控制，其预测值通过被动频率响应控制策略中扰动区最大频差值离线确定，而在频率恢复阶段两区域分别依据各自本地频差进行反馈控制：即在假定扰动区本地频差为Δfr、到达最低点时间为tnadir、控制依据参量为cA、非扰动区本地频差为Δfl，控制依据参量为cB时，输入A、B区调速器的频差满足

[0020]

[0021]

[0022] 由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种主动频率响应事件控制策略，具有如下优点：1、所提出的控制策略实现了频率响应由分散自主控制到集中协调控制，由反馈控制到前馈控制、由校正控制到预防控制的转变，能够在不增加频率响应设施的前提下，提高系统整体频率响应能力，从而提升大扰动下的频率稳定抵御能力。2、所提出的控制策略既能在大扰动下频率下降阶段有效拦截频率下降，避免系统低频减载，在频率恢复阶段使系统尽快恢复稳定，避免系统在主动控制过程中发生频率振荡。

附图说明

[0023] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有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是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0024] 图1为本发明主动频率响应事件控制策略的流程图；

[0025] 图2为本发明中频率响应动态过程示意图；

[0026] 图3为本发明主动频率响应事件控制策略的实施例的示意图；

[0027] 图4为本发明中主动频率响应事件控制策略下频率变化过程的仿真图；

具体实施方式

[0028] 为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：

[0029] 如图1所示的一种主动频率响应事件控制策略，控制所依据的参量可以为故障点或系统其他节点的运行参量，亦可是本地频差。大功率缺失下系统频率下降很快，为避免低频减载等事件的发生，要求频率响应控制具有快速性。而现有依据频差这一连续量为控制依据的反馈控制方式，由于需要采样、比较等环节，控制时效性较差。大功率缺失下的频率响应控制应该分秒必争，因此，可依据表示故障事件发生与否的逻辑量，采取前馈控制的方式，提高控制时效性。显然，依据本地量控制仅考虑局部区域系统稳定问题，而依据外地量控制可计及系统频差时空分布特性，能够从全局出发考虑整个系统的频率稳定性问题。依据本地量的反馈控制在扰动引起被控量偏差后才开始动作，动作不及时，但其控制方式为闭环控制，能够消除多种扰动对被控变量的影响；而依据外地量的前馈控制可在扰动发生后偏差出现前及时动作，能够抑制被控量由扰动引起的偏差，但该控制具有指定性补偿的局限性，通常一种前馈作用只能克服一种干扰，且由于控制输出不会对系统控制进行反馈，系统抗扰动性差。

[0030] 大扰动下的频率波动及演变过程可大体分为两阶段：频率下降阶段和频率恢复阶段。见图2示，其中ΔtAC为频率下降阶段，ΔtCB为频率恢复阶段。在系统运行频率演变过程的不同阶段，对频率响应控制的要求亦不相同。在频率下降阶段对频率响应的要求是快速性，故其控制应该采用主动频率响应的事件控制方式；而在频率恢复阶段，因频率已被拦截，此时对频率响应的要求由快速性转变为准确性，因此，控制方式应该转变为被动频率响应的参量反馈控制方式。由于频率响应主动控制模式相对复杂，实现成本较高，因此，在不严重故障下，频率响应控制可由主动频率响应前馈控制回归于传统的参量反馈控制方式。即在常规频率响应控制可以对频率下降实施有效拦截的情形下，不予考虑主动频率响应控制。

[0031] 在故障后频率下降阶段中，如果采用前馈控制方式，若控制依据是故障点处的频差(对被控制机组而言，由于控制依据是外地频差，故可称之为前馈控制方式)，则其实现较为简单，只需通过信道将故障处频差信号提供给相关被控机组即可；若控制依据为故障信号，即前面所谓的事件控制，则由于只有控制启动所依据的参量而没有控制所依据的参量，因此无法实现调节控制。

[0032] 无论采用前馈还是反馈控制，其控制所依据的参量均取决于当前的运行状态。因频率响应模型复杂，频率响应过程分析涉及微分方程解算，难以实现在线分析与控制，故可采用离线分析、在线应用的方式予以解决。

[0033] 本申请的主动频率响应事件控制策略包括以下步骤：

[0034] S1:离线状态下依据被选定的频率稳定相关状态量对电力系统所有可能发生的运行状态进行聚类形成若干典型场景，对上述典型场景进行分析确定每类场景应采取的主动频率响应控制策略形成控制决策表；

[0035] S2:主动频率响应事件控制策略确定：将电网频率波动和演变过程分为两个阶段即频率下降阶段和频率恢复阶段；在频率下降阶段采用主动频率响应的事件控制方式，在频率恢复阶段采用被动频率响应的参量反馈控制方式进行电网频率控制；

[0036] S3:在线应用中：将当前运行状态进行场景归属辨识确定其场景归属，依据当前状态与所属场景的偏差进行灵敏度分析：对归属场景的控制决策表进行修正，得到当前运行状态下的主动频率响应控制策略；

[0037] 若当前运行状态下发生故障，则依据所得到的主动控制策略进行频率响应控制，若运行正常，则进行电力系统下一时刻运行方式的分析，重复上述过程完成电网频率的控制过程。

[0038] 离线分析时，首先依据被选定的频率稳定相关状态量对所有可能发生的运行状态进行聚类，形成若干典型场景，然后利用有关分析方法对上述典型场景进行分析，确定每类场景应采取的主动频率响应控制策略，形成控制决策表。控制决策表是控制策略的具体实施方案。

[0039] 在线应用中，先将当前运行状态进行场景归属辨识，确定其场景归属，随后依据当前状态与所属场景的偏差进行灵敏度分析，对归属场景的控制决策表进行修正，从而得到当前运行状态下的主动频率响应控制策略；若当前运行状态下发生故障，则依据所得到的主动控制策略进行频率响应控制，若运行正常，则进行下一个运行方式的分析，重复上述过程。

[0040] 进一步的，1、离线分析时：频率响应影响因素众多，运行复杂，使得运行状态数目巨大，难以进行逐个分析，且实施难度很大。因此，在离线分析时，需对可预见的所有运行状态进行聚类处理，形成典型场景，以便降低离线分析工作量，提高分析效率。其中，典型场景的形成，是对电力系统“源‐网‐荷”相关可量测特征量，即发电侧、负荷侧与输电系统传输功率等参量进行计算、分析与对比，进而依据“攻”、“防”两端相关参量的比较，依据所制定的规则对所有运行状态进行场景聚类，以便于后续工作简化运算量、提高控制效率。

[0041] 场景聚类结束后，同一典型场景中所包含的所有运行状态均可采用同一种控制策略，与同一张控制决策表对应，即典型场景、控制策略与控制决策表之间存在一一对应关系。在决策表制定过程中，需依据所属典型场景下故障的紧急程度制定决策表，进行各类机组、各类频率响应调节手段的启动与控制方式的选取。

[0042] 关于故障紧急程度的划分，可依据发电机转子运动方程对系统频率的动态过程进行分析，可将动态过程中频率响应最低点与系统低频减载启动频率之间的距离作为紧急程度划分的依据，二者之间距离越近，紧急程度等级越高，对频率响应快速性要求就越高。

[0043] 在同一紧急程度下，系统“源-网-荷”状态不同，可能会对应不同的典型场景，其所对应的控制决策表亦应不同；若出现决策表相同现象，则需将两种典型场景聚类为同一种场景；而如若出现某一运行状态无法归类于任一典型场景，则应该新增一个典型场景。

[0044] 2、频率响应能力在线监测

[0045] 该部分的功能是，依据源-网-荷相关参量对当前运行状态进行场景在线匹配，确定其所属场景类型；利用攻防对比分析，明确频率响应态势。该工作一方面可为调度进行相应的预防控制(如运行方式的调整，备用容量调度等)提供依据，另一方面也为故障发生时进行频率响应控制提供数据基础支持。现有数据采集与监视控制系统或广域测量系统已较为完善，其所采集的数据，可为上述任务的实施提供硬件保证。

[0046] 3、决策表在线更新

[0047] 尽管在线监视环节已将当前运行状态进行了典型运行场景匹配，但一般而言由于现有运行状态与典型运行场景并不是完全相同，倘若二者相差较大，则直接应用典型运行场景所对应的控制决策表进行控制，恐会产生较大偏差，难以保证系统运行安全。可利用灵敏度分析对所属典型场景的控制决策表进行修正，以得到当前运行状态下的控制决策表。典型运行场景和当前运行状态均是由若干状态量所组成的向量来描述。由于当前运行状态量所对应的向量和其所匹配典型运行场景所对应的向量之间距离较短，二者所对应决策表中相关控制参量之间的差与二者所对应向量之间的差可被认为是线性关系。因此，可以利用两个向量之间的差，依据灵敏度分析对典型运行场景所对应的决策表进行修正。为了保证实时应用的快速性，对每一个典型运行场景都要通过离线分析，形成决策表中控制参量与运行状态向量偏差间的灵敏度，为下一步工作做准备。

[0048] 4、控制策略实时选择

[0049] 根据上述三个步骤的工作，对应当前运行状态均会有一个相应的控制决策表。此时一旦发生故障，调度人员即可应用更新后的控制决策表，对系统进行控制。

[0050] 对于一个两区域电网，用实直线代表区域间联络线，虚线代表通信线路，A 区为扰动区，B区为非扰动区，具体如图3示。其中“主动频率响应事件控制策略”下两区域控制方式如下：

[0051] 对于单元火电机组，从有功平衡角度出发，单元火电机组参与电网频率调节过程满足：

[0052] 发电机-负荷模块满足：

[0053]

[0054] 式中：Pm为机械频率；Pe为电磁频率；H为发电机惯性时间常数；D为负荷阻尼系数。

[0055] 调速器模块满足：

[0056]

[0057] 式中：R为机组调差系数；Psp为功率增量给定值；Δf1为机组的频率变化输入量；TG为调速器时间常数；ΔPV为蒸汽流量。

[0058] 汽轮机模块满足：

[0059]

[0060] 式中：FH为由涡轮机产生的功率比例；TR为再加热时间常数；Km为功率转化率；Pm为机械功率。

[0061] 在事件控制下，扰动区与非扰动区皆在频率下降阶段采用预测频差值进行前馈控制，其预测值通过被动频率响应控制策略中扰动区最大频差值离线确定，而在频率恢复阶段两区域分别依据各自本地频差进行反馈控制。即在假定扰动区本地频差为Δfr、到达最低点时间为tnadir、控制依据参量为cA、非扰动区本地频差为Δfl，控制依据参量为cB时，输入A、B区调速器的频差满足

[0062]

[0063]

[0064] 对于某具体仿真系统，采用“主动频率响应事件控制策略”进行控制，系统仿真结果如图4示。本发明公开的一种主动频率响应事件控制策略用于在系统频率快速下降阶段进行有效拦截，以避免低频减载，增强系统抵御风险的能力。

[0065] 以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。