一种超大规模电网的需求侧频率紧急控制的敏捷反应方法与流程

本发明涉及电力系统技术领域，具体为一种超大规模电网的需求侧频率紧急控制的敏捷反应方法。

背景技术：

现有的利用需求侧电器级负荷资源的频率紧急控制技术通常都需要实时的无线或有线通信，来进行电器级负荷资源响应，但是基于通信的方法通常只能达到秒级至分钟级的速度才能完成准确的负荷削减计算和动作，应对严重事故可能不够敏捷，尤其对于超大规模电网而言，频率紧急控制的快速性对系统安全稳定以及避免低频减载动作造成大规模停电都具有十分重要的作用。

需求侧频率紧急控制系统如图1所示。系统主要由三个层次的元件构成：电器级智能插座、本地侧能量信息网关和智能用电平台。智能插座具备数据采集与上报、自主分析计算、接收执行命令、电器开断控制等功能，监测频率可达毫秒级。网关的作用是管理所辖区域内的所有智能插座，整理、分析和上报区域电器数据，以及接收监控中心指令。智能用电平台一方面能够和发电侧及电网侧进行实时信息交互，将用电侧数据反馈给发电厂和电网公司，同时将发电侧/电网侧的重要系统参数反馈给网关，另外还具有大数据分析的功能。基于以上系统，当系统出现故障时，用电侧的智能插座能够快速计算负荷响应量，以毫秒级反应速度辅助电网进行频率紧急控制。

首先，各智能插座基于事先获得的系统参数和实时监测的频率曲线来预测频率跌落的最低点，并进行有功缺额估算。该估算方法基于普遍采用的系统频率响应模型，如图2所示。该模型中，系统输入(故障功率pd)的符号以发电侧功率增加为正。当考虑pd为阶跃函数时，即pd(t)＝pstepu(t)，u(t)为单位阶跃函数，该系统的输出的时域解为

其中，

式(1)对t求导，并令dω/dt＝0可得频率的初始下降斜率，如下。

从而可以根据系统初始下降的斜率m0估算系统有功缺额，即

但是需要考虑机组突然因故障而退出运行情况下的dtcr切负荷方案，故亟需设计一种可以最快响应速度可达毫秒级，以提升大系统在严重事故中的频率暂态稳定性的方法，基于此，本发明设计了一种超大规模电网的需求侧频率紧急控制的敏捷反应方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超大规模电网的需求侧频率紧急控制的敏捷反应方法，以解决上述背景技术中提出的亟需设计一种可以最快响应速度可达毫秒级，以提升大系统在严重事故中的频率暂态稳定性的方法的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种超大规模电网的需求侧频率紧急控制的敏捷反应方法，包括：

阶段一：毫秒级主动响应，以本地侧零通信的主动响应形式进行，通过阶段一响应过程是零通信的，实现响应速度最快可达毫秒级；

阶段二：可靠延时响应，通过3～5秒的延时反复确认频率骤降事实，得到进行可靠响应以补充剩余的有功缺额；

阶段三：最优动态控制，若存在控制成本低于发电侧备用的负荷且频率仍低于额定值，则系统以通信的方式准确切除此类负荷，并且将频率以最优的动态特性恢复至额定频率。

进一步的，所述阶段一具体为：设置当频率降至49.8hz(额定50hz)以下时才允许阶段一动作，同时，瞬时响应量(pstage1)取有功缺额的20％-30％作为响应量，即

pstage1＝-k1pstep(4)

其中，k1为阶段一的响应量占总有功缺额的比例，取值范围为20％-30％。

进一步的，所述阶段二具体为：将故障频率恢复至正常范围的下界附近(记为取值49.8hz-49.9hz)。

响应量由下式计算：

实际响应时间由以下因素决定：(f1)智能插座自主判断当前频率是否持续小于49.8hz，且根据新的频率监测值验算pstep和fnadir，若3-5秒内多次判断结果均为是，则直接进行rdr；若多次判断结果不一致，则rdr待命并继续判断；(f2)若接收到网关的切除(或待机)命令，则直接切断电器(或待机)，结合(f1)和(f2)可知，阶段二是一种零通信响应和通信响应相结合的响应方式。

进一步的，所述阶段三具体为：响应量可用下式进行计算：

podc＝min{-pstep-pstage1-pstage2,plowcost}(6)

其中，plowcost表示成本低于发电侧备用的负荷量，该阶段的等效系统输入可以是阶跃输入和斜坡输入中的任意一种；衡量动态特性的指标包括：超调量、稳态值和稳态时间，对前两阶段响应的进一步补充，同时也是故障暂态与正常稳态之间的过渡阶段。

进一步的，所述本地侧零通信的主动响应形式具体为：将可控负荷事先分配优先级，优先级小的负荷优先动作，第i优先级的智能插座已知信息包括：各优先级有功总量ppriority¹，ppriority²，…，ppriorityⁱ⁺¹和第i级电器总数napplianceⁱ，自身电器有功功率papplianceⁱ，进而计算自身的切断概率poffⁱ

预期响应量为pstage1，首先，第i级负荷的预期响应量为：

如果非正，说明第i-1级负荷响应量已经足够，则第i优先级负荷不参与icr，否则，第i级负荷参与icr，并进一步计算第i+1级预期响应量为：

如果非负，说明本级负荷响应量不足，则第i级负荷全部参与icr，即该级插座跳闸概率poffⁱ＝100％；否则，本级储备充足，第i优先级第j个插座的加权跳闸概率用式(9)计算；

其中，u^i(j)(0,1)表示第i优先级第j个插座基于均匀概率分布产生的0到1之间的随机数，koff^i(j)是根据电器功率差异计算的加权修正系数，计算方法如下；

koff^i(j)越大，修正量越大，切断概率越高，功率较大的电器负荷切断概率偏小，在电器总量极大的情况下，削减的负荷量将接近期望值pstage1，对于阶段二，将式(7)-(10)中的pstage1换成相应的pstage2即可。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够在超大规模电网发生严重故障时，最快以毫秒级的响应速度分阶段切断需求侧部分低成本负荷，辅助发电侧进行频率紧急控制，兼顾了快速性和可靠性，同时能够完成分阶段本地侧主动响应，响应过程零通信，实现需求侧负荷资源的响应速度最快可达毫秒级，该方案相对于单阶段响应方案的可靠性更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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。

图1为现有需求侧频率紧急控制系统原理图；

图2为现有系统频率响应模型示意图；

图3为本发明流程图；

图4为本发明一种实验结果展示图。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种超大规模电网的需求侧频率紧急控制的敏捷反应方法，其特征在于，包括：

阶段一：毫秒级主动响应，以本地侧零通信的主动响应形式进行，通过阶段一响应过程是零通信的，实现响应速度最快可达毫秒级；

阶段二：可靠延时响应，通过3～5秒的延时反复确认频率骤降事实，得到进行可靠响应以补充剩余的有功缺额；

阶段三：最优动态控制，若存在控制成本低于发电侧备用的负荷且频率仍低于额定值，则系统以通信的方式准确切除此类负荷，并且将频率以最优的动态特性恢复至额定频率。

阶段一具体为：设置当频率降至49.8hz(额定50hz)以下时才允许阶段一动作，同时，瞬时响应量(pstage1)取有功缺额的20％-30％作为响应量，即

pstage1＝-k1pstep(4)

其中，k1为阶段一的响应量占总有功缺额的比例，取值范围为20％-30％。

阶段二具体为：将故障频率恢复至正常范围的下界附近(记为取值49.8hz-49.9hz)。

响应量由下式计算：

实际响应时间由以下因素决定：(f1)智能插座自主判断当前频率是否持续小于49.8hz，且根据新的频率监测值验算pstep和fnadir，若3-5秒内多次判断结果均为是，则直接进行rdr；若多次判断结果不一致，则rdr待命并继续判断；(f2)若接收到网关的切除(或待机)命令，则直接切断电器(或待机)，结合(f1)和(f2)可知，阶段二是一种零通信响应和通信响应相结合的响应方式。

阶段三具体为：响应量可用下式进行计算：

podc＝min{-pstep-pstage1-pstage2,plowcost}(6)

其中，plowcost表示成本低于发电侧备用的负荷量，该阶段的等效系统输入可以是阶跃输入和斜坡输入中的任意一种；衡量动态特性的指标包括：超调量、稳态值和稳态时间，对前两阶段响应的进一步补充，同时也是故障暂态与正常稳态之间的过渡阶段。

所述本地侧零通信的主动响应形式具体为：将可控负荷事先分配优先级，优先级小的负荷优先动作，第i优先级的智能插座已知信息包括：各优先级有功总量ppriority¹，ppriority²，…，ppriorityⁱ⁺¹和第i级电器总数napplianceⁱ，自身电器有功功率papplianceⁱ，进而计算自身的切断概率poffⁱ

预期响应量为pstage1，首先，第i级负荷的预期响应量为：

如果非正，说明第i-1级负荷响应量已经足够，则第i优先级负荷不参与icr，否则，第i级负荷参与icr，并进一步计算第i+1级预期响应量为：

如果非负，说明本级负荷响应量不足，则第i级负荷全部参与icr，即该级插座跳闸概率poffⁱ＝100％；否则，本级储备充足，第i优先级第j个插座的加权跳闸概率用式(9)计算；

其中，u^i(j)(0,1)表示第i优先级第j个插座基于均匀概率分布产生的0到1之间的随机数，koff^i(j)是根据电器功率差异计算的加权修正系数，计算方法如下；

koff^i(j)越大，修正量越大，切断概率越高，功率较大的电器负荷切断概率偏小，在电器总量极大的情况下，削减的负荷量将接近期望值pstage1，对于阶段二，将式(7)-(10)中的pstage1换成相应的pstage2即可。

本实施例的一个具体应用为：额定频率设置为50hz。

r＝0.05,h＝4.0s,km＝0.95

fh＝0.3,tr＝8.0s,d＝1.0

据此可以计算出系统频率响应模型在阶跃输入下的时域方程中的各参数值。

ωn＝0.559,φ1＝131.94^o

ωr＝0.348,φ2＝141.54^o

α＝6.011,φ＝-9.60^o

假设在仿真时间t＝0s之前，系统正常运行，频率为fn＝50hz。在t＝0s时刻，系统突然遭遇某种故障，智能插座检测到频率的初始下降斜率m0＝-1.25，从而估计到pstep＝2hm0/fn＝-0.2，频率最低点对应的时间为tz＝2.35s；

阶段一瞬时动作负荷补充30％的有功缺额，因此响应量计算如下，在频率降至49.8hz瞬间动作(毫秒级)；

pstage1＝k1pstep＝-30％×-0.2＝0.06

阶段二目标将频率恢复至49.9hz，因此响应量计算如下，动作时间t＝3s；

阶段三响应量如下，动作时间t＝10s。

podc＝min{-pstep-pstage1-pstage2,plowcost}

＝min{0.2-0.06-0.1,0.05}＝0.04

对于阶段一的本地侧零通信主动响应形式举例说明如下；

已知优先级第1级的可控负荷容量为0.04，则第i＝2级的智能插座计算本级响应量为：

第1级负荷100％动作，第i＝2级也需要进行切负荷动作，本级可控负荷容量为0.04，计算第3级响应量为：

因此第3级无需动作，继续计算本级(第2级)负荷动作概率：假设本级电器级负荷的数量为10000个，则平均功率为4×10^-6(标幺值)，某电器j的功率为6×10^-6，则加权修正系数为：

则电器j的跳闸概率为：

其余第i优先级的第j电器的跳闸概率以此类推，在电器总量极大的情况下，削减的负荷量将接近期望值pstage1＝0.06，阶段二同理，最终三阶段频率响应结果如图4所示。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。