基于频率偏移概率分布的电网负荷调节备用容量评估方法与流程

本发明涉及电网备用容量领域，特别是涉及一种基于频率偏移概率分布的大电网负荷调节备用容量评估方法。

背景技术：

随着电网的持续发展和电力技术的改进传统的基于发电负荷百分比的计算负荷备用容量方法已不能适应电力系统分析的需要，同时电力体制改革的不断深入和大规模新能源的接入增大了实时负荷的不确定定，造成的负荷波动对电力系统负荷备用容量的选取产生的影响越来越大。

在实际运行中，电力系统负荷是实时快速波动的，而发电机组出力的改变却需要一定时间，发电机组并不能实时地平衡负荷，这就使得负荷与机组出力之间出现有功功率偏差，导致系统频率偏移额定值50hz。因此，系统频率偏移反映了系统有功功率偏差，而有功功率偏差又反映了负荷波动的大小。本发明基于系统频率偏移提出了一种新的负荷调节备用容量评估方法，对完善电力系统规划、运行标准具有参考价值。

技术实现要素：

系统的调节备用容量应对的是负荷波动造成的功率偏差，从这个角度出发，本发明提出基于频率偏移概率分布的调节备用容量评估方法，评估平衡负荷波动的负荷备用容量大小。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于频率偏移概率分布的大电网负荷调节备用容量评估方法，包括以下步骤：

步骤s1：机组出力与负荷的有功功率偏差引起系统频率偏移额定值，基于频率偏移概率分布的构建调节备用容量评估方法；

步骤s2：负荷波动产生系统频率偏移值δf，根据电力系统综合频率特性，可以求得系统有功功率偏差值为：

δp＝β×δf(1)，即为调节备用容量，

其中：β为电力系统频率响应特性系数，单位为mw/0.1hz。

进一步，所述步骤s1中，对电力系统一次调整，导致系统频率偏移，具体系统变化过程如下：

当某一时刻a系统负荷突然增大，导致发电机出力小于负荷，出现负的有功功率偏差δp，这时频率迅速下降，电力系统一次调整迅速发挥作用，一定时间后的时刻x到了最大频率偏移量，在事件发生后的某一时刻b，一次调整结束，随后从时刻b开始进行频率的二次调整，agc控制机组增加出力，至事件发生时间后的时刻c，系统频率开始缓慢向50hz恢复。

进一步，所述步骤s2中的系统频率偏移值δf算法如下：

电力系统在实际运行中，通过scada系统实时地对系统频率干扰信号滤波后，每秒钟进行一次采样，为满足奈奎斯特采样定理，当采样频率fs.max大于等于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max≥2fmax)，采用每分钟一个频率采样点获取一个频率值，利用大量频率偏移记录数据，可以求得可以得到有功功率偏差δp的概率分布情况。

进一步，频率响应特性系数β是时变且非线性的，所述步骤s2中的β算法如下：

方法1，将频率特性响应系数取为全年最大负荷的一定百分比：

在现有研究成果中，大部分电力系统都将频率特性响应特性系数取为该年度最大负荷的一定百分比，即峰荷百分比，大多数控制区的频率特性响应系数在年度最高预计负荷的1％～1.5％之间；

方法2，将频率特性响应系数取为实际负荷的一定百分比：

考虑频率特性响应系数β的时变特性，采用实际负荷乘以一定百分比得到；

方法3，三段式频率特性响应系数法：

考虑到电力系统中火电、水电机组通常设置不同的一次调频死区，参考相关文献，可以将β系数按照火电机组、水电机组调频死区作为界限分三段进行设置，火电、水电机组一次调频的死区分别为±f火，±f水，三段式频率特性响应系数β设定方法如下：

1)当频率偏差小于±f火时，根据扰动时的系统负荷与负荷频率特性系数，计算与负荷相关的自然频率系数，得到第一段β值：

其中：βl*为频率变化1％引起的有功功率变化，根据系统负荷水平和组成成分等确定，一般取1％～3％；ple、fe分别为额定负荷和系统额定频率；

2)频率偏差介于±f火与±f水之间时，根据火电和水电装机比例，近似得到第二段β值：

β2≈kgngh+kl≈(β-kl)ngh+kl(3)

其中：kg、kl分别为发电机和负荷的频率特性系数；ngh为火电装机容量占总装机容量的比例；

3)频率偏差超过±f水时，利用nerc推荐的“电网频率响应及自然频率计算方法”，计算第三段β值：

其中：δpa、δfa分别为系统扰动前的功率偏差值和频率偏差值；δpb、δfb分别为系统扰动后调速器紧随动作使频率趋于稳定而agc尚未动作前的功率偏差值和频率偏差值；

进一步，所述步骤s2中调节备用容量的计算方法如下：

方法1：基于全年最大负荷百分比β值下的调节备用容量求取方法，

以全年最大负荷乘以一定百分比得到频率特性响应系数β值，根据全年每分钟频率偏移数据，采用式δp＝β×δf得到有功功率偏差δp概率分布，由r＝-δp得到调节备用容量概率分布，从而求得在一定累积概率下的调节备用容量；

方法2：基于全年实际负荷百分比β值下的调节备用容量求取方法，

以全年实际负荷乘以一定百分比得到频率特性响应系数β值，根据全年每分钟频率偏移数据，采用式δp＝β×δf得到有功功率偏差δp概率分布，从而求得在一定累积概率下的调节备用容量；

方法3：基于全年最大负荷百分比β值下的三段式调节备用容量求取方法，

以全年最大负荷乘以一定百分比得到每段频率特性响应系数β1、β2、β3，按照不同机组一次调频死区为界限，采用不同的频率特性响应系数，利用式(5)计算有功功率偏差δp概率分布；

方法4：基于全年实际负荷百分比β值下的三段式调节备用容量求取方法，

以全年实际负荷乘以一定百分比得到每段频率特性响应系数β1*、β2*、β3*，按照不同机组一次调频死区为界限，采用不同的频率特性响应系数，利用式(5)计算有功功率偏差δp概率分布。

方法5：混合三段式调节备用容量求取方法，

以全年实际乘以一定百分比得到第一段频率特性响应系数β1*，以全年最大负荷乘以一定百分比得到第二、三段频率特性响应系数β2、β3，按照不同机组一次调频死区为界限，采用不同的频率特性响应系数，利用式(7)计算有功功率偏差δp概率分布。

以上五种方法得到有功功率偏差概率分布，结合不同条件下的计算结果、概率论中3σ原则，从而求得在一定累积概率下的调节备用容量。

通过采用本发明所提出的基于频率偏移的调节备用容量评估方法，能有效地指导电力系统规划、运行调节备用容量选取。本发明对适应新电改形势和新能源发展、对满足系统需要和电网未来发展具有普适性和实用性。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是发电机组故障后频率波动典型曲线。

图3是大电网频率偏移概率分布图。

图4是大电网频率偏移累积概率曲线。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图1所示，一种基于频率偏移概率分布的大电网负荷备用调节备用容量评估方法，包括以下步骤：

步骤s1：在实际电网运行情况下，机组出力与负荷不可能每时每刻都相等，二者之间总会出现有功功率偏差，从而引起系统频率偏移额定值，并以此为基础构建基于频率偏移概率分布的调节备用容量评估方法；

步骤s2：负荷波动导致系统频率偏移值为δf，根据电力系统综合频率特性，可以求得系统有功功率偏差值为：

δp＝β×δf(1)，即为调节备用容量，

其中：β为电力系统频率响应特性系数，单位为mw/0.1hz；

其中，步骤s1电力系统一次调整导致系统频率偏移，具体系统变化过程如下：

如图2所示，图2为某台发电机组故障后电力系统频率波动典型曲线，考虑到负荷的增加近似等效于发电机组出力的减少，可描述负荷突然增加后系统频率波动情况。当某一时刻(图中a点)系统负荷突然增大，导致发电机出力小于负荷，出现负的有功功率偏差δp，这时频率迅速下降，电力系统一次调整迅速发挥作用。10秒后(图中x点)就到最大频率偏移量，在事件发生30s后(图中b点)，一次调整结束。随后从b点开始进行频率的二次调整，agc控制机组增加出力，至事件发生60s后(图中c点)，系统频率开始缓慢向50hz恢复；

其中，对于系统频率偏移值δf求取方法，在步骤s2中的系统频率偏移值算法如下：

电力系统在实际运行中，通过scada系统实时地对系统频率干扰信号滤波后，每秒钟进行一次采样，为满足奈奎斯特采样定理(当采样频率fs.max大于信号中最高频率fmax的2倍时(fs.max≥2fmax)，采样之后的数字信号就完整地保留了原始信号中的信息。)，本研究采用每分钟一个频率采样点获取一个频率值，利用大量频率偏移记录数据，可以求得可以得到有功功率偏差δp的概率分布情况；

其中，对于电力系统频率响应特性系数求取方法，频率响应特性系数β时时变且非线性的，步骤s2中的β算法如下：

方法1，将频率特性响应系数取为全年最大负荷的一定百分比：

在现有研究成果中，大部分电力系统都将频率特性响应特性系数取为该年度最大负荷的一定百分比，即峰荷％(mw/0.1hz)。这种方法一般都是通过典型频率波动事件(如发电机组突然故障、大扰动试验)，根据频率变化曲线求取频率特性响应系数β。大多数控制区的频率特性响应系数在年度最高预计负荷的1％～1.5％(mw/0.1hz)之间；

方法2，将频率特性响应系数取为实际负荷的一定百分比：

考虑频率特性响应系数β的时变特性，采用实际负荷乘以一定百分比得到；

方法3，三段式频率特性响应系数法

考虑到电力系统中火电、水电机组通常设置不同的一次调频死区，参考相关文献，可以将β系数按照火电机组、水电机组调频死区作为界限分三段进行设置。火电、水电机组一次调频的死区分别为±f火，±f水，三段式频率特性响应系数β设定方法如下：

1)当频率偏差小于±f火时，根据扰动时的系统负荷与负荷频率特性系数，计算与负荷相关的自然频率系数，得到第一段β值：

其中：βl*为频率变化1％引起的有功功率变化，根据系统负荷水平和组成成分等确定，一般取1％～3％；ple、fe分别为额定负荷和系统额定频率；

2)频率偏差介于±f火与±f水之间时，根据火电和水电装机比例，近似得到第二段β值：

β2≈kgngh+kl≈(β-kl)ngh+kl(3)

其中：kg、kl分别为发电机和负荷的频率特性系数；ngh为火电装机容量占总装机(火电和水电)容量的比例。

3)频率偏差超过±f水时，利用nerc推荐的“电网频率响应及自然频率计算方法”，计算第三段β值：

其中：δpa、δfa分别为系统扰动前的功率偏差值和频率偏差值；δpb、δfb分别为系统扰动后调速器紧随动作使频率趋于稳定而agc尚未动作前的功率偏差值和频率偏差值；

5.根据权利要求1所述的调节备用容量和权利要求4所述的电力系统频率响应特性系数求取方法，其特征在于：其特征在于：所述步骤s2中调节备用容量的计算方法如下：

方法1：基于全年最大负荷百分比β值下的调节备用容量求取方法

以全年最大负荷乘以一定百分比得到频率特性响应系数β值，根据全年每分钟频率偏移数据，采用式δp＝β×δf得到有功功率偏差δp概率分布，由r＝-δp得到调节备用容量概率分布，从而求得在一定累积概率下的调节备用容量；

方法2：基于全年实际负荷百分比β值下的调节备用容量求取方法

以全年实际负荷乘以一定百分比得到频率特性响应系数β值，根据全年每分钟频率偏移数据，采用式δp＝β×δf得到有功功率偏差δp概率分布，从而求得在一定累积概率下的调节备用容量；

方法3：基于全年最大负荷百分比β值下的三段式调节备用容量求取方法

以全年最大负荷乘以一定百分比得到每段频率特性响应系数β1、β2、β3。按照不同机组一次调频死区为界限，采用不同的频率特性响应系数，利用式(5)计算有功功率偏差δp概率分布；

方法4：基于全年实际负荷百分比β值下的三段式调节备用容量求取方法

以全年实际负荷乘以一定百分比得到每段频率特性响应系数β1*、β2*、β3*。按照不同机组一次调频死区为界限，采用不同的频率特性响应系数，利用式(5)计算有功功率偏差δp概率分布。

方法5：混合三段式调节备用容量求取方法

以全年实际负荷乘以一定百分比得到第一段频率特性响应系数β1*，以全年最大负荷乘以一定百分比得到第二、三段频率特性响应系数β2、β3。按照不同机组一次调频死区为界限，采用不同的频率特性响应系数，利用式(7)计算有功功率偏差δp概率分布。

以上五种方法得到有功功率偏差概率分布，结合不同条件下的计算结果、概率论中3σ原则，从而求得在一定累积概率下的调节备用容量。

以某大电网为例，基于频率偏移的调节备用容量评估方法，包括以下步骤：

(1)频率偏移累积概率分布情况。

根据大电网每分钟频率运行记录，某年份大电网频率偏移概率分布如图3所示。

由频率偏移概率分布得到大电网频率累积概率分布图如图4所示：当累积概率为0.90时，当频率偏移值δf＝0.034hz；当累积概率为0.95时，频率偏移值δf＝0.037hz；当累积频率为0.99时，频率偏移值δf＝0.045hz；当累积频率为0.9999时，频率偏移值δf＝0.067hz。

(2)求取参数β。

1)已知电网发生一次典型频率波动事件，某直流双极跳闸，甩负荷1800mw；a、b点间隔为18秒，δp＝－1800mw，δf＝0.12hz，全网β＝1500mw/0.1hz；跳闸时刻全网负荷为72791mw，可以算出β值占负荷百分比为1500/72791×100％＝2％(mw/0.1hz)；

2)考虑其时变性，实际电网频率特性响应系数β为每分钟负荷的20％，因此将每分钟负荷数据乘以20％；

3)三段进行设置

β1：事故情况下，负荷静态频率特性系数占负荷的百分比为3.29％，则有：β1≈0.329％×load(mw/0.1hz)；

β2：火电占总装机容量的67％，即ngh＝67％，求得：β2≈1.4456％×load(mw/0.1hz)；

β3：β3≈2％×load(mw/0.1hz)；

2)电网最大负荷load＝119445mw，因此，β1≈393mw/0.1hz、β2≈1728mw/0.1hz、β3≈2389mw/0.1hz。

(3)电网负荷调节备用容量评估。

1)局部电网峰荷为80050mw，占大电网峰荷百分比为67.02％，从系统规模及频率调整责任来看，局部电网调节备用容量取值应为大电网调节备用容量的67.02％；

2)通过基于频率偏移概率分布的调节备用容量评估方法：

方法1：基于全年最大负荷百分比β值下的调节备用容量求取

β值为：β＝119445×2％mw/0.1hz＝2389mw/0.1hz，一定累积概率下电网系统调节备用容量取值如表1所示：

方法2：基于每分钟实际负荷百分比β值下的调节备用容量求取

β值为：每分钟负荷的20％，一定累积概率下电网系统调节备用容量取值如表2所示：

方法3-5：三段式β值下的调节备用容量求取，如表3所示：

综合五种方法计算结果，应对负荷波动部分的调节备用容量取值，计算结果汇总如表4所示：

(4)负荷调节备用容量推荐取值

结合不同条件下的计算结果、概率论中3σ原则，局部电力系统负荷波动值可以取为全年最大统调最大负荷的1.2％。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。