一种适用于新能源场站的多时间尺度功率控制系统的制作方法

1.本发明涉及电力系统及其自动化技术领域，特别是一种适用于新能源场站的多时间尺度功率控制系统。


背景技术：

2.随着多回跨区特高压直流工程相继投运，电网“强直弱交”特征逐渐突出，风电和光伏等新能源并网容量呈爆发式增长，仅西北电网新能源装机容量已逼近一亿千瓦，电网格局与电源结构发生重大改变，电网运行特性发生深刻变化，新能源也迎来新的蓬勃发展期。新能源具有间歇性、随机性、不确定性特征，而新能源的管控与常规机组相比存在较大差距，新能源的状态感知和控制手段不足，难以满足新能源高占比电网安全稳定运行控制需求，制约了新能源消纳。
3.在感知方面，对新能源发电单元状态实时监测能力不足，无法准确感知新能源发电单元实时状态变化，大电网紧急防控无法采取更精确的控制措施；在控制方面，目前在电网紧急情况下普遍采取切除新能源馈线的方式，控制措施单一、粗放，控制颗粒度大，一定程度上造成了新能源出力损失，且直接切除新能源机组控制到馈线，存在过电压、损坏元器件等风险；另外当前紧急控制措施仅能切除而不能柔性调节，无法发挥光伏逆变器自身优越的功率快速调节能力。
4.风电、光伏等新能源发电快速发展，挤占了具有转动惯量的常规水、火电机组空间，电网可用的快速频率响应资源逐步减少，造成系统频率安全风险加大。为了提高新能源对电力系统的频率支撑能力，提高新能源的涉网友好性，新能源场站参与电网快速频率响应成为迫切需求。
5.当前，为保障电网安全稳定运行，实现电网故障情况下新能源的紧急控制，一般在新能源场站装设电网安全稳定控制装置作为切机执行站，实现电网故障情况下的毫秒级（一般要求100ms内）紧急控制。为实现新能源对电网频率主动支撑，一般在新能源场站装设快速频率响应装置，并与新能源场站内的能量管理系统配合，实现秒级（一般要求15s左右）快速频率响应。为满足不同需求而进行的多套系统建设不仅增加了新能源场站的投资成本，更增加了运行维护及管理的难度和成本。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种适用于新能源场站的多时间尺度功率控制系统，实现新能源场站在电网紧急情况下的精益功率控制，以及频率波动时的秒级快速频率响应，实现不同时间尺度的系统融合。本发明采用的技术方案如下。
7.本发明提供一种适用于新能源场站的多时间尺度功率控制系统，包括：对应各新能源场站分别设置的站端稳控装置，设置于新能源场站并网点的边缘控制装置，以及对应新能源场站内各发电单元分别设置的功率控制终端；所述站端稳控装置与电网稳控系统通信连接；各新能源场站中，边缘控制装置与
站端稳控装置和站内各功率控制终端分别连接通信；所述站端稳控装置包括新能源馈线功率采集单元和馈线断路器控制单元；各功率控制终端监测对应发电单元的发电信息，上送至边缘控制装置，边缘控制装置根据接收到的发电信息计算场站出力，通过站端稳控装置上送至电网稳控系统；边缘控制装置还监测自身及功率控制终端的工作状态信息上送至站端稳控装置；站端稳控装置接收电网稳控系统下发的电网安全稳定控制指令，以及外部输入的精细控制功能压板投入信号，根据精细控制功能压板投入状态以及边缘控制装置和功率控制终端的工作状态，通过馈线断路器控制单元响应电网安全稳定控制指令，或者通过边缘控制装置向功率控制终端发送精细控制命令，完成精细控制；所述边缘控制装置还采集场站并网点有功及频率信息，在未收到站端稳控装置下发的精细控制命令时，根据场站并网点有功及频率信息，通过各功率控制终端进行频率主动响应控制。
8.可选的，所述精细控制功能压板为硬压板，在需要精细控制时，由人工进行投入操作后向站端稳控装置发送精细控制功能压板投入信号。
9.可选的，所述电网安全稳定控制指令包括切机命令，所述切机命令包括待切除的功率信息；站端稳控装置接收到电网安全稳定控制指令后，判断当前精细控制功能压板是否为投入状态，以及边缘控制装置和功率控制终端是否工作异常：若精细控制功能压板为投入状态，且边缘控制装置和功率控制终端工作正常，则站端稳控装置根据电网安全稳定控制指令通过边缘控制装置向功率控制终端发送精细控制命令，完成精细控制；若接收到切机命令时，精细控制功能压板为未投入状态，或者边缘控制装置和功率控制终端中的任意一个工作异常，则站端稳控装置根据切机命令通过馈线断路器控制单元切除对应功率的一条或多条馈线。
10.以上方案中，由于站端稳控装置设置有新能源馈线功率采集单元，因此可以在馈线切除时更好的实现精准切除。
11.可选的，所述站端稳控装置根据切机命令通过馈线断路器控制单元切除对应功率的一条或多条馈线，为：获取各新能源馈线的功率信息，按照大小顺序排列，对于任意排在第i位的馈线功率，若满足pi《p《pi+p
i+1
，其中p为待切除功率，pi《p
i+1
，则站端稳控装置通过馈线断路器控制单元切除pi和p
i+1
对应的两条馈线。
12.也即，作为一种优选的馈线切除方式，本发明在进行馈线切除时可采用最小过切原则进行，尽量贴合电网稳控系统的切机命令，同时保障馈线切除所带来的负荷及发电影响最小化。
13.由上切除原则也可以推出，当所有馈线功率皆不满足pi《p《pi+p
i+1
时，可以判断是否存在满足pi+p
i+1
《p 《 pi+p
i+1
+p
i+2
的情形，若满足则切除pi、p
i+1
、p
i+2
对应的三条馈线，依此类推。
14.可选的，若精细控制功能压板为投入状态，且边缘控制装置和功率控制终端工作正常，站端稳控装置根据电网安全稳定控制指令通过边缘控制装置向功率控制终端发送精
细控制命令，完成精细控制，包括：若电网安全稳定控制指令为切机命令，则站端稳控装置按照预设的精细控制策略，根据切机命令以及各发电单元的发电信息，确定待切除的发电单元，通过边缘控制装置向待切除发电单元对应的功率控制终端转发切机控制命令，使得功率控制终端响应于切机控制命令进行发电单元切机控制操作；若电网安全稳定控制指令为紧急功率控制命令，则站端稳控装置按照预设的精细控制策略，基于边缘控制装置上送的各发电单元发电信息，计算各发电单元的功率调节目标，通过边缘控制装置转发至发电单元对应的功率控制终端，使得功率控制终端根据功率调节目标进行发电单元功率控制操作。
15.可选的，功率控制终端内预先配置有秒级快速频率响应控制模型以及毫秒级紧急控制模型；功率控制终端响应于接收到边缘控制装置下发的包含功率调节目标的精细控制命令时，执行毫秒级紧急控制策略，根据毫秒级紧急控制模型计算控制量，发送至发电单元主控；功率控制终端响应于接收到边缘控制装置下发的频率主动响应控制命令时，执行秒级快速频率响应控制策略，根据秒级快速频率响应控制模型计算控制量，发送至发电单元主控。
16.可选的，为了方便功率控制终端能够更好的识别边缘控制装置下发的两种功率控制命令，边缘控制装置向功率控制终端发送的精细控制命令和频率主动响应控制命令分别具有功率快速控制标识位，其中精细控制命令的功率快速控制标识为1，频率主动响应控制命令的功率快速控制标识为0。
17.可选的，边缘控制装置在未收到站端稳控装置下发的精细控制命令时，根据场站并网点有功及频率信息，通过各功率控制终端进行频率主动响应控制，包括：实时监测主变高压侧功率p0和频率f，实时接收各功率控制终端上送的各发电单元机组状态mj和有功功率pj；响应于主变高压侧频率f超过调频死区定值，则根据预设的有功频率特性曲线函数，进行快速频率响应控制，生成控制目标值，根据各发电单元机组状态，按照功率平均分配原则向各功率控制终端下发和频率主动响应控制命令。
18.可选的，边缘控制装置在接收到站端稳控装置下发的精细控制命令时，闭锁快速频率响应控制功能；且无论主变高压侧频率f是否超过调频死区定值，均响应于精细控制命令向功率控制终端下发精细控制命令或切机控制命令。
19.可选的，所述站端稳定控制装置接收到电网稳控系统下发的切机命令时，若精细控制功能压板为投入状态，且边缘控制装置及各功率控制终端工作正常，则站端稳定控制装置根据切机命令计算待切除的发电单元机组，包括：获取各发电单元的机组工作状态以及功率信息；对于工作正常的机组，按照功率大小进行排序；对于任意排在第i位的机组，若其功率满足pi《p《pi+p
i+1
，其中p为待切除功率，pi《p
i+1
，则将pi和p
i+1
对应的机组作为待切除的发电机组。
20.参考站端稳控装置执行切馈线的最小过切原则，如全部机组不满足上述条件，则
继续判断是否满足pi+p
i+1
《p 《 pi+p
i+1
+p
i+2
的情形，若满足则切除pi、p
i+1
、p
i+2
对应的三个机组，依此类推。
21.本发明在应用时，站端稳控装置与电网稳控系统的交互可上送实时的场站机组状态信息以及可调节能力相关数据，电网稳控系统根据接收的上送信息决策是否对相应新能源场站执行紧急功率控制。因此，在场站机组异常或者站端稳控装置因边缘控制装置或功率控制终端工作异常而上送异常信息时，上级电网稳控系统一般不会下发紧急功率控制指令，若存在电网稳控系统下发紧急控制指令时，精细控制功能硬压板未投入，或者存在边缘控制装置、功率控制终端或机组工作异常的情形，则均可通过站端稳控装置执行馈线通断操作实现相应的功率调节。
22.有益效果本发明的多时间尺度功率控制系统，能够解决新能源场站在电网紧急情况下的精确灵活控制，以及非精细控制需求下频率波动时的秒级快速频率响应，能够实现不同时间尺度的系统融合，适用于风电场或光伏电站。不仅能够解决电网故障触发的以单个发电单元为控制对象的新能源场站毫秒级紧急控制，实现精准切除或以调代切，又能解决新能源场站并网点频率越限时的主动频率支撑，提升新能源场站的网源协调能力和运行经济效益。
附图说明
23.图1所示为本发明系统的一种实施例架构示意图；图2所示为功率控制终端在系统中的控制关联示意图；图3所示为本发明响应于电网下发紧急切机指令的处理流程示意图；图4所示为本发明中边缘控制装置控制逻辑示意图。
具体实施方式
24.以下结合附图和具体实施例进一步描述。
25.本发明的技术构思为：将由电网故障触发的毫秒级新能源场站紧急控制，与由并网点频率越限触发的秒级主动频率响应进行融合，实现非紧急控制下的主动频率响应控制，以及紧急控制下的精准功率切除或以调代切。
实施例
26.如图1所示，本发明适用于新能源场站的多时间尺度功率控制系统，包括：对应各新能源场站分别设置的站端稳控装置（装置a），设置于新能源场站并网点的边缘控制装置（装置b），以及对应新能源场站内各发电单元分别设置的功率控制终端（装置c）；站端稳控装置与电网稳控系统通信连接；各新能源场站中，边缘控制装置与站端稳控装置和站内各功率控制终端分别连接通信。
27.站端稳控装置包括新能源馈线功率采集单元和馈线断路器控制单元，具备采集所有新能源馈线功率功能，具备跳馈线断路器接口回路，能够接收边缘控制装置上送的新能源各发电单元功率，决策执行发电单元精细控制，或是在系统异常情况下执行馈线控制。
28.站端稳控装置设置有精细控制功能压板，用于人为影响站端稳控装置是否需要向
边缘控制装置下发精细控制指令，当精细控制功能压板退出后，精细控制功能失效，站端稳控装置根据需要执行传统切馈线控制。
29.功率控制终端通过电缆硬接线方式采集发电单元网侧电压、电流，进行功率计算及运行状态判断；通过快速通信方式与新能源发电单元主控制器相连，向发电单元发送功率控制命令；通过场区光纤通信环网与边缘控制装置进行信息交互；通过电缆硬接线方式连接网侧断路器。
30.参考图2所示，各功率控制终端监测对应发电单元的发电信息，上送至边缘控制装置，边缘控制装置根据接收到的发电信息计算场站出力，通过站端稳控装置上送至电网稳控系统，电网稳控系统可根据接收到的上送信息判断相应新能源场站是否能够进行紧急功率控制以及场站调控能力；边缘控制装置还监测自身及功率控制终端的工作状态信息上送至站端稳控装置，使得站端稳控装置能够实时获知边缘控制装置以及功率控制终端是否存在异常，以决策是否执行精细控制。
31.在未收到站端稳控装置下发的精细控制命令时，边缘控制装置采集场站并网点有功及频率信息，根据场站并网点有功及频率信息，通过各功率控制终端进行频率主动响应控制。
32.站端稳控装置接收电网稳控系统下发的电网安全稳定控制指令，以及外部输入的精细控制功能压板投入信号，根据精细控制功能压板投入状态以及边缘控制装置和功率控制终端的工作状态，通过馈线断路器控制单元响应电网安全稳定控制指令，或者通过边缘控制装置向功率控制终端发送精细控制命令，完成精细控制。
33.电网稳控系统向站端稳控装置发送的控制指令有两种类型，即切机指令或者紧急功率控制指令。站端稳控装置接收到电网安全稳定控制指令后，判断当前精细控制功能压板是否为投入状态，以及边缘控制装置和功率控制终端是否工作异常，参考图3，若精细控制功能压板为投入状态，且边缘控制装置和功率控制终端工作正常，则站端稳控装置根据电网安全稳定控制指令通过边缘控制装置向功率控制终端发送精细控制命令，完成精细控制，包括：若电网安全稳定控制指令为切机命令，则站端稳控装置按照预设的精细控制策略，根据切机命令以及各发电单元的发电信息，确定待切除的发电单元，通过边缘控制装置向待切除发电单元对应的功率控制终端转发切机控制命令，使得功率控制终端响应于切机控制命令进行发电单元切机控制操作；若电网安全稳定控制指令为紧急功率控制命令，则站端稳控装置按照预设的精细控制策略，基于边缘控制装置上送的各发电单元发电信息，计算各发电单元的功率调节目标，通过边缘控制装置转发至发电单元对应的功率控制终端，使得功率控制终端根据功率调节目标进行发电单元功率控制操作。
34.若接收到切机命令时，精细控制功能压板为未投入状态，或者边缘控制装置和功率控制终端中的任意一个工作异常，则站端稳控装置根据切机命令通过馈线断路器控制单元通过馈线断路器控制单元切除对应功率的一条或多条馈线。
35.若存在电网稳控系统下发紧急控制指令时，精细控制功能硬压板未投入，或者存在边缘控制装置、功率控制终端或机组工作异常的情形，同样可通过站端稳控装置执行馈线通断操作实现相应的功率调节。但是，在实际应用时，站端稳控装置与电网稳控系统的交
互可上送实时的场站机组状态信息以及可调节能力相关数据，电网稳控系统根据接收的上送信息决策是否对相应新能源场站执行紧急功率控制。因此，在场站机组异常或者站端稳控装置因边缘控制装置或功率控制终端工作异常而上送异常信息时，上级电网稳控系统一般不会下发紧急功率控制指令。
36.作为一种优选的馈线切除方式，本实施例在进行馈线切除时可采用最小过切原则进行，尽量贴合电网稳控系统的切机命令，同时保障馈线切除所带来的负荷及发电影响最小化。上述站端稳控装置根据切机命令通过馈线断路器控制单元切除对应功率的一条或多条馈线，具体为：获取各新能源馈线的功率信息，按照大小顺序排列，对于任意排在第i位的馈线功率，若满足pi《p《pi+p
i+1
，其中p为待切除功率，pi《p
i+1
，则站端稳控装置通过馈线断路器控制单元切除pi和p
i+1
对应的两条馈线。
37.由上切除原则也可以推出，当所有馈线功率皆不满足pi《p《pi+p
i+1
时，可以判断是否存在满足pi+p
i+1
《p 《 pi+p
i+1
+p
i+2
的情形，若满足则切除pi、p
i+1
、p
i+2
对应的三条馈线，依此类推。
38.类似的，站端稳定控制装置接收到电网稳控系统下发的切机命令时，若精细控制功能压板为投入状态，且边缘控制装置及各功率控制终端工作正常，则站端稳定控制装置根据切机命令计算待切除的发电单元机组，包括：获取各发电单元的机组工作状态以及功率信息；对于工作正常的机组，按照功率大小进行排序；对于任意排在第i位的机组，若其功率满足pi《p《pi+p
i+1
，其中p为待切除功率，pi《p
i+1
，则将pi和p
i+1
对应的机组作为待切除的发电机组。
39.参考站端稳控装置执行切馈线的最小过切原则，如全部机组不满足上述条件，则继续判断是否满足pi+p
i+1
《p 《 pi+p
i+1
+p
i+2
的情形，若满足则切除pi、p
i+1
、p
i+2
对应的三个机组，依此类推。
40.本实施例中，秒级频率主动响应与毫秒级紧急功率控制的融合体现为：参考图4所示，边缘控制装置在未收到站端稳控装置下发的精细控制命令时，根据场站并网点有功及频率信息，通过各功率控制终端进行频率主动响应控制，包括：实时监测主变高压侧功率p0和频率f，实时接收各功率控制终端上送的各发电单元机组状态mj和有功功率pj；响应于主变高压侧频率f超过调频死区定值，则根据预设的有功频率特性曲线函数，进行快速频率响应控制，生成控制目标值，根据各发电单元机组状态，按照功率平均分配原则向各功率控制终端下发和频率主动响应控制命令。
41.边缘控制装置在收到站端稳控装置下发的精细控制命令时，则转发包含调节目标的精细控制命令至各功率控制终端，由功率控制终端对接收到的控制命令进行识别，并选择对应的控制策略实现主动频率响应控制或紧急功率控制。边缘控制装置可通过goose命令的方式向风机主控发送指令。
42.边缘控制装置在接收到站端稳控装置下发的精细控制命令时，闭锁快速频率响应控制功能；且无论主变高压侧频率f是否超过调频死区定值，均响应于精细控制命令向功率控制终端下发精细控制命令或切机控制命令。
43.为了方便功率控制终端能够更好的识别边缘控制装置下发的两种功率控制命令，边缘控制装置向功率控制终端发送的精细控制命令和频率主动响应控制命令分别具有功率快速控制标识位，其中精细控制命令的功率快速控制标识为1，频率主动响应控制命令的功率快速控制标识为0。
44.应用例以某一典型风电场为例，对本发明的系统进行详细描述。该风电场包含20台风机，20台风机分成3条35kv馈线接入110kv升压站主变低压侧35kv母线，则本应用例的系统结构如图1所示，具体包括：20台功率控制终端、1台边缘控制装置和1台站端稳控装置以及光纤通信网络。20台功率控制终端安装在风电机组塔筒内，通过以太网goose协议与风机主控互联，采集风机机端三相电压和电流；1台边缘控制装置安装在风电场的保护室，采集主变高压侧电压、电流，通过光纤以太网与20台功率控制终端互联；1台站端稳控装置安装在风电场保护室，通过2m通道与大电网稳控系统互联，通过光纤与边缘控制装置互联。系统工作主要涉及以下内容。
45.1）站端稳控装置实时监测各馈线功率pi（表示第i条馈线功率）、精细控制功能压板投入情况，边缘控制装置上送的状态异常情况。
46.2）当精细控制功能压板退出，并接收到上级稳控装置切机命令p时，直接切除相应的馈线。如p1《p2《p3，若满足p1《p《（p1+p2），则直接切除第1、2条馈线。
47.3）当精细控制功能压板投入时，若未收到边缘控制装置上送的异常状态时，站端稳控装置将切机命令p下发至边缘控制装置；若收到边缘控制装置上送的异常状态，则执行上述2）中直接切除相应的馈线的操作。
48.4）边缘控制装置实时监测主变高压侧功率p0、频率f；实时接收功率控制终端上送的各机组状态mj、有功功率pj，当mj=1时，表示第j台风机状态正常；实时接收站端稳控装置下发的控制命令。
49.5）当边缘控制装置接收到切机命令p时，无论此时频率f是否超过调频死区范围，均根据执行精细控制策略，向功率控制终端下发切机命令。
50.6）若此时各风电机组状态mj均正常，按照功率大小对机组进行排序，若待切除功率p大于第1至第13台风机功率和，小于第1至第14台风机功率和，则分别向第1至14号功率控制终端发送切除风机命令。
51.7）第1至14台功率控制终端接收到切机命令时，直接发出跳闸出口命令，跳开风机机端断路器。
52.8）边缘控制装置预先整定功率控制优先级，优先执行新型电网稳控装置的紧急控制指令，其次执行频率快速响应控制，当执行紧急控制时，闭锁频率快速响应控制。
53.当边缘控制装置没有接收到站端稳控装置下发的切机命令时，监测到频率f超过调频死区定值，则根据有功频率特性曲线函数，进行快速频率响应控制，生成控制目标值，根据各机组状态和功率平均分配原则向各功率控制终端下发控制命令，该控制命令包含功率快速控制标识，值为0。
54.9）当功率控制终端接收到功率快速控制标识为0的功率控制命令时，通过goose命令的方式向风机主控发送调节指令，进行秒级的功率控制。
55.综上实施例和应用例，本发明构建了统一的系统平台，既实现了电网故障时由传
统控制措施到精细控制措施的转变，又最大程度上提升电网安全稳定控制措施执行的可靠性；同时，实现了新能源场站对电网的频率主动支撑和基于电网故障事件触发的紧急控制功能的融合，实现了新能源场站多种控制措施灵活控制，提升了新能源场站的涉网性能。
56.本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
57.本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
58.这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
59.这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
60.以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。