一种基于需求侧智能设备参与智能电网调频的方法与流程

本发明涉及智能电网调频领域，更具体地，涉及一种基于需求侧智能设备参与智能电网调频的方法。

背景技术：

电力行业承担着国家的主要能源需求，是关系到国家稳定和经济发展的基础。电力系统具有很强的特殊性，电网的广泛互联使得各区域电网相互影响，一旦外区域的电网崩溃就可以引发连锁反应，因此，保障电力系统的稳定运行尤为重要。

频率稳定是电网安全稳定运行的核心内容，也是电网安全稳定技术的重要研究领域，传统的电力系统调频主要是由调频电厂承担。近年来，随着智能电网的不断发展，电力用户侧资源逐渐进入人们的视野，不断有专家学者认识到，相比于调用发电厂的资源进行调频，用户侧具有更大的利用潜力，可以将用户侧资源加以利用，并用于电网调频。通过计算机控制和自动化，智能电网分别提供各种技术、经济和环境优势来提高可靠性、降低运营成本并减少温室气体排放。特别是,智能电网需求反应提供了一种新的有效的机制来管理和规范个人用户在应对供应条件下的电力消耗，例如：根据电力价格或在关键时刻当电力系统出现意外故障时降低消耗来调整和调度需求的功率消耗。

现在已经有一些需求响应的研究，在实时电价预知或实时宣布这两种情况下,减少电力系统的运营成本的需求侧用户能源消耗的最优调度。通过控制基于价格需求响应的电力价格，发电设施的投资最大化也已经在研究。

技术实现要素：

本发明提供一种基于需求侧智能设备参与智能电网调频的方法，以解决计划外停机时需求侧智能设备参与电力系统频率调整的问题。

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于需求侧智能设备参与智能电网调频的方法，所述方法包括：

结合需求侧电能消耗模型以及电网频率摆动模型，建立智能电网频率模型；

基于智能电网频率模型，获取智能电网频率偏差；

建立智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型；

基于智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型，获取智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型电网频率的平均值和频率方差；

基于指定类别调频后的智能电网频率模型电网频率的平均值和该类别智能设备的响应概率，以及指定类别智能设备总数量，获取该类智能设备参与的平均数量，该类别智能设备按所述平均数量参与电网调频。

优选地，所述建立需求侧电能消耗模型为：

式(1)中，P_d(t)为总需求电能消耗，f(t)表示系统频率，f₀为t＝0时的频率标称值，P₀为t＝0时刻频率和电压均为标称值的情况下的总需求的电能消耗，K_f为反映系统灵敏性的频率阻尼系数。

优选地，所述建立电网频率摆动模型为：

式(2)中，P_d(t)为总需求电能消耗，f(t)表示系统频率，f₀为t＝0时的频率标称值，P_g(t)为总发电功率，H为聚合发电机旋转部件中的储能，以焦耳为单位。

优选地，所述结合所述需求侧电能消耗模型以及电网频率摆动模型，获取智能电网频率模型为：

f(t)的表达式为

公式(4)中f₀为t＝0时的频率标称值，P₀为t＝0时刻频率和电压均为标称值的情况下的总需求的电能消耗，K_f为反映系统灵敏性的频率阻尼系数，A₀＝P_g(t)-P₀，e-α^t是e为底t为未知数的指数函数，而α＝(k_fP₀)/(2H)，t为时间参量。

优选地，所述获取智能电网频率偏差为：

其中f₀为t＝0时的频率标称值，P₀为t＝0时刻频率和电压均为标称值的情况下的总需求的电能消耗，K_f为反映系统灵敏性的频率阻尼系数，A为系统功率不平衡量；e^-αs是e为底s为未知数的指数函数，而α＝(k_fP₀)/(2H)，s为时间参量。

优选地，所述获取智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型为：

t为时间参量且为未知数，M是指电网中所有的智能设备，N_i(t)是指在t时间内的第i种智能设备的响应数量，是指第i种智能设备的响应时间，A₀为t＝0时刻的系统不平衡功率，A_i为第i种智能设备的功耗，该式中的函数令A＝A₀、s＝t再代入频率偏差函数表示智能设备未参与电网调频时电网频率的偏差值；此函数中的h(α，λ_i，s)则是为了简便，令式中是指数函数，α＝(k_fP₀)/(2H)，s为时间参量且为未知参数，在电网频率方差的表达式中函数定义(x)⁺＝max(0,x)，此时x＝s-T_i，表示智能设备i参与电网调频时电网频率的偏差值，t为时间参量，此时得出的电网频率模型是智能设备参与电网调频后的模型。

优选地，所述智能设备参与智能电网的调频后的电网频率的模型f′(t)在A₀＜A_0,min，和A_α＞A_α,min，当系统频率低于频率下限时所有的智能设备通过关断负荷来响应，因此可简化为函数定义(x)+＝max(0,x)，此时x＝t-t₀-T_i，获取智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型电网频率的平均值为则电网频率均值的表达式为：

该式中的函数令A＝A₀、s＝t再代入频率偏差函数表示智能设备未参与电网调频时电网频率的偏差值；表示智能设备i参与电网调频时电网频率的偏差值。f₀为t＝0时的频率标称值，M是指电网中所有的智能设备，t为时间参量且为未知数，t₀为初始时刻；

优选地，所述智能设备参与智能电网的调频后的电网频率的模型f′(t)在A₀＜A_0,min，和A_α＞A_α,min，此时x＝t-t₀-T_i获取智能设备参与参与智能电网调频后的智能电网频率模型电网频率的平均值为则电网频率方差的表达式为：

电网频率方差的表达式中v(α,λ_i,s)＝h(2α,λ_i,s)-[h(α,λ_i,s)]²，而此函数中的h(α,λ_i,s)则是为了简便，令式中是指数函数，α＝(k_fP₀)/(2H)，s为时间参量且为未知参数，在电网频率方差的表达式中s＝t-t₀，函数定义(x)⁺＝max(0,x)，此时x＝s-T_i，在电网频率方差的表达式中，λ_i为智能设备的响应率，t为时间参量，t₀为初始时刻。

优选地，所述获取该类智能设备参与的平均数量为：E[N_c(t)]＝M_cP_c(t)，式中M_c为第c类智能设备的总数量，E[N_c(t)]为c类设备参与参与智能电网调频后的智能电网频率模型电网频率的平均值，为第c类智能设备响应的概率，指数函数，t为时间参量，t₀为初始时刻。

优选地，当所述智能电网频率降低并且超过下限f_min＝49.5Hz时关断负荷，或当智能电网频率升高并且超越上限f_max＝50.5Hz时开启负荷；所有的智能设备的频率设置的上下限值均为上限f_max＝50.5Hz和下限f_min＝49.5Hz。

优选地，所述不同类智能设备的响应都有时间间隔并且此间隔时间服从独立指数分布。

基于本发明的一方面，本发明提供一种基于需求侧智能设备参与智能电网调频的系统，所述系统包括：

第一建模模块，结合需求侧电能消耗模型以及电网频率摆动模型，建立智能电网频率模型；

第一计算模块，基于智能电网频率模型，获取智能电网频率偏差；

第二建模模块，建立智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型；

第二计算模块，基于智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型，获取智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型电网频率的平均值和频率方差；

第三计算模块，基于指定类别调频后的智能电网频率模型电网频率的平均值和该类别智能设备的响应概率，以及指定类别智能设备总数量，获取该类智能设备参与的平均数量，该类别智能设备按所述平均数量参与电网调频。

本发明的有益效果：

电力系统故障或计划外停机时电力系统可以根据用户需求侧智能设备参与智能电网调频的随机算法做出应急响应,确定智能设备响应调度的数量。本发明的技术方案使得计划外停机时需求侧智能设备参与电力系统频率调整，使智能电网的频率更加稳定。

附图说明

通过参考下面的附图，可以更为完整地理解本发明的示例性实施方式：

图1为根据本发明实施方式一种基于需求侧智能设备参与智能电网调频的方法流程图；

图2为根据本发明实施方式的一种电力系统功率模型原理图；图中P_g(t)为总发电功率，P_d(t)为总需求电能消耗；

图3为根据本发明实施方式的一种9节点电力系统原理图；

图4为根据本发明实施方式的智能设备响应率与电力系统频率恢复时间关系曲线图；以及

图5为根据本发明实施方式的不同智能设备的响应率对电力系统频率影响曲线图。

具体实施方式

现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。

除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。

图1为根据本发明实施方式一种基于需求侧智能设备参与智能电网调频的方法流程图。

本发明的实施方式中，当电力系统运行在同步运行模式下，在该模式下即使发生意外事故时，整个系统仍以唯一的频率运行。所有的智能设备不仅连续监测电网频率，而且当电网频率降低并且超过下限f_min＝49.5Hz时关断负荷或电网频率升高并且超越上限f_max＝50.5Hz时开启负荷。并且所有的智能设备的频率设置的上下限值均为上限f_max＝50.5Hz和下限f_min＝49.5Hz；当智能设备同时响应时，可能出现系统频率振荡问题，为了解决这个问题，本发明实施方式假设不同智能设备的响应都有时间间隔并且此间隔时间服从独立指数分布。

优选地，方法100从步骤101起步：建立智能电网频率模型。基于电网系统频率，电网频率标称值，阻尼系数以及电网频率和电压均为标称值时总需求的电能消耗，建立需求侧电能消耗模型；基于总发电功率，聚合发电机旋转部件中的储能，电网系统频率以及电网频率标称值建立电网频率摆动模型；结合所述需求侧电能消耗模型以及电网频率摆动模型，建立智能电网频率模型。

由用户需求侧的电能消耗模型，如公式(1)：

式(1)中，P_d(t)为总需求电能消耗，f(t)表示系统频率，f₀为t＝0时的频率标称值，P₀为t＝0时刻频率和电压均为标称值的情况下的总需求的电能消耗，K_f为反映系统灵敏性的频率阻尼系数。

和电网频率的摆动模型，如公式(2)：

式(2)中，P_g(t)为总发电功率，H为聚合发电机旋转部件中的储能，以焦耳为单位。

将用户需求侧的电能消耗模型公式(1)代入电网频率的摆动模型公式(2)，建立电网频率模型f(t)，结合以上两个方程式求得电网频率f(t)，

即对公式(3)进行微分方程求解，得到f(t)的表达式为

公式(4)中A₀＝P_g(t)-P₀，e-αt是e为底t为未知数的指数函数，而

α＝(k_fP₀)/(2H)，t为时间参量。

f(t)为智能电网频率基础模型，没有考虑智能设备的参与。

优选地，步骤102：获取智能电网频率偏差。基于智能电网频率模型，获取智能电网频率偏差。根据公式(4)：得出智能电网频率偏差。本发明实施方式中定义智能电网频率偏差g_α(A,s)是因系统功率不平衡量A导致的随时间变化的频率偏差，所以智能电网频率偏差表达式为其中A为系统功率不平衡量；e-αs是e为底s为未知数的指数函数，而α＝(k_fP₀)/(2H)，s为时间参量。

优选地，步骤103：建立智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型f′(t)。基于电网频率标称值，智能电网频率偏差，智能设备状态改变值，在指定时间内某一类设备的响应数量以及该类设备的响应时间和该类设备的功耗，初始时刻系统的不平衡功率，建立智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型。智能设备i在t时刻控制系统频率后瞬间的状态表达式为

其中S_i(t)∈{0,1}表示智能设备在时刻t的状态，0和1分别表示开关关闭和接通状态。取X_i(t)表示智能设备的状态改变，其表达式为X_i(t)＝S_i(t)-S_i(t⁺)，由此看出X_i(t)有三种可能值{±1,0}。在之前的基础上，考虑参与电网调频智能设备，可得出新的电网频率表达式，即在电网频率的表达式中加入智能设备的状态改变这个因素，则此时的电网频率表达式为

M是指电网中所有的智能设备，N_i(t)是指在t时间内的第i种智能设备的响应数量，是指第i种智能设备的响应时间，A₀为t＝0时刻的系统不平衡功率，A_i为第i种智能设备的功耗，该式中的函数(令A＝A₀、s＝t再代入频率偏差函数)，表示智能设备未参与电网调频时电网频率的偏差值；表示智能设备i参与电网调频时电网频率的偏差值。此时得出的电网频率模型是智能设备参与电网调频后的模型。

优选地，步骤104：获取调频后的智能电网频率模型电网频率的平均值和频率方差。智能设备参与智能电网的调频后的电网频率的模型f′(t)在和A_α＞A_α,min(同样而智能设备的聚合功耗)条件下，在(电网经过需求响应作用后频率恢复至上下限的所需时间)时间内，当系统频率低于频率下限时所有的智能设备通过关断负荷来响应，因此可将电网频率模型f′(t)简化为(函数定义(x)⁺＝max(0,x)，此时x＝t-t₀-T_i)并由此得出频率的平均值E[f″(t)]和方差Var[f″(t)]。在满足A₀＜A_0,min、A_α＞A_α,min以及智能设备的聚合功耗条件下(其中)，而智能设备的聚合功耗)，在t₀≤t≤T_r，T_r为电网经过需求响应作用后频率恢复至上下限的所需时间，当系统频率低于频率下限时所有的智能设备通过关断负荷来响应，因此可以简化为该式中的函数(令A＝A₀、s＝t再代入频率偏差函数)，表示智能设备未参与电网调频时电网频率的偏差值；g_α(A_i,(t-t₀-T_i)⁺)同理，表示智能设备i参与电网调频时电网频率的偏差值。则电网频率均值的表达式为该式中的函数(令A＝A₀、s＝t再代入频率偏差函数)，表示智能设备未参与电网调频时电网频率的偏差值；表示智能设备i参与电网调频时电网频率的偏差值。电网频率方差的表达式为电网频率方差的表达式中v(α,λ_i,s)＝h(2α,λ_i,s)-[h(α,λ_i,s)]²，而此函数中的h(α,λ_i,s)则是为了简便，令式中是指数函数，α＝(k_fP₀)/(2H)，s为时间参量且为未知参数(在电网频率方差的表达式中s＝t-t₀)，函数定义(x)⁺＝max(0,x)，此时x＝s-T_i。在电网频率方差的表达式中，λ_i为智能设备的响应率，t为时间参量，t₀为初始时刻。

优选地，本发明的实施方式中，从电网频率的均值和电网频率的方差的数值大小，我们可以判断电网频率的稳定性，从而进行调整来达到智能电网中对频率的要求，即将电网频率均值和电网频率方差作为目标函数。

优选地，本发明实施方式中，电网频率的平均值模型建立过程如下：

所有的智能设备在t＝0时都处于同一个状态，即S_i(0)＝1,i＝1,…,M。如果满足A₀＜A_0,min、A_α＞A_α,min和智能设备的聚合功耗在t₀≤t≤T_r(T_r为电网经过需求响应作用后频率恢复至上下限的所需时间)时间内，智能设备参与电网调频时，电网频率为在t₀≤t≤T_r时间内，当系统频率低于频率下限时所有的智能设备通过关断负荷来响应，因此可以简化为其中为智能设备i第一次响应的时刻；函数定义(x)⁺＝max(0,x)。对简化式求均值，可得令s＝t-t₀＞0，其中因为智能设备i的响应间隔时间服从λ_i^-1的指数分布，λ_i为智能设备的响应率，所以均值可以如下求取，

电网频率的平均值为其中需求侧智能设备i对电网频率稳定的贡献λ_i为智能设备的响应率。

电网频率的方差模型建立过程如下：

所有的智能设备在t＝0时都处于同一个状态，即S_i(0)＝1,i＝1,…,M。如果A₀＜A_0,min和A_α＞A_α,min，t₀≤t≤T_r时，对智能设备参与电网调频时的电网频率求方差，

由此可得出

电网频率的方差的表达式为

其中v(α,λ_i,s)＝h(2α,λ,s)-[h(α,λ,s)]²。

步骤105：获取智能设备参与的平均数量。因为参与电网频率调整的频率智能设备有多种，所以需要求出各种智能设备响应的平均数量E[N_c(t)]。

在智能电网中，如果A₀＜A_0,min和A_α＞A_α,min，在t₀≤t≤T_r时，参与电网频率调整的第c类智能设备响应的平均数量为

综上所述，第c类智能设备响应的概率为参与电网频率调整的第c类智能设备响应的平均数量为其中M_c为第c类智能设备的总数量。

图2为电力系统功率模型原理图。如图2所示，201为发电机端，P_g(t)为总发电功率，电能经传输端202传输至需求端203，P_d(t)为总需求电能消耗。

图3为根据本发明实施方式的一种9节点电力系统原理图。图3中9节点电力系统的已知参数：t＝0时刻总需求负荷P₀＝500MW，t＝0时刻频率f₀＝50Hz，频率阻尼系数K_f＝1.5，α＝0.1。

从图3中可知，在9节点电力系统中，智能设备有两种，第1种为数量M₁＝9000的电热水器(功率约为1.73kW)，第2种为数量M₂＝6000的电烤箱(功率约为1.57kW)，则由计算可得知这两种智能设备约占总需求负荷的5％((1.73M₁+1.57M₂)/P₀＝4.998％≈5％)。假设在t＝0时刻发生紧急事故，节点3失去一部分发电机出力，此时的A₀＝-20MW，如果所有智能设备不响应，代入电网频率偏差函数(A＝A₀＝-20MW、s＝0)电网频率将下降1.34Hz。

当智能设备的响应率不一样时，结合参与电网频率调整的第c类智能设备响应的平均数量和简化后的电网频率可知，对电网频率恢复到正常的时间有影响(E[N_c(t)]的值会影响智能设备总数量M的值，从而影响电网频率)，如图4所示，随着智能设备的响应率λ₁的增大，电网频率恢复时间相应的减少。

当两种智能设备的响应率不同时，如图5，501为一组频率为(0.18，1.8)智能设备响应率对应的电网系统频率恢复时间，502为一组频率为(0.06，0.6)智能设备响应率对应的电网系统频率恢复时间，对比两组不同的智能设备响应率，较大的一组智能设备的响应率501对应的频率恢复时间比较小的一组智能设备的响应率502对应的频率恢复时间要短，且响应率501对应的最低频率要比较小响应率502的一组智能设备的最低频率要高，响即应率501组对应的电网频率的波动更小，对应的电网频率的方差要更小。

基于本发明的另一实施方式，一种基于需求侧智能设备参与智能电网调频的系统，系统包括：

第一建模模块，结合需求侧电能消耗模型以及电网频率摆动模型，建立智能电网频率模型。基于电网系统频率，电网频率标称值，阻尼系数以及电网频率和电压均为标称值时总需求的电能消耗，建立需求侧电能消耗模型；基于总发电功率，聚合发电机旋转部件中的储能，电网系统频率以及电网频率标称值建立电网频率摆动模型；结合需求侧电能消耗模型以及电网频率摆动模型，建立智能电网频率模型；

第一计算模块，基于智能电网频率模型，获取智能电网频率偏差；

第二建模模块，基于电网频率标称值，智能电网频率偏差，智能设备状态改变值，在指定时间内某一类设备的响应数量以及该类设备的响应时间和该类设备的功耗，初始时刻系统的不平衡功率，建立智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型；

第二计算模块，基于智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型，获取智能设备参与智能电网调频后的智能电网频率模型电网频率的平均值和频率方差；

第三计算模块，基于指定类别调频后的智能电网频率模型电网频率的平均值和该类别智能设备的响应概率，以及指定类别智能设备总数量，获取该类智能设备参与的平均数量，该类别智能设备按平均数量参与电网调频。

本发明实施方式的一种基于需求侧智能设备参与智能电网调频的系统与一种基于需求侧智能设备参与智能电网调频的方法100相对应，在此不再进行赘述。

通过本发明的实施方式，本发明在电力系统故障或计划外停机时电力系统可以根据用户需求侧智能设备参与智能电网调频的随机算法作出应急响应,确定智能设备响应调度的数量。本发明的实施方式，在电网频率均值和方差方面，本发明能够减小因为智能设备响应时可能产生的系统频率振荡，使智能电网的频率更加稳定。

已经通过参考少量实施方式描述了本发明。然而，本领域技术人员所公知的，正如附带的专利权利要求所限定的，除了本发明以上公开的其他的实施例等同地落在本发明的范围内。

通常地，在权利要求中使用的所有术语都根据他们在技术领域的通常含义被解释，除非在其中被另外明确地定义。所有的参考“一个/所述/该[装置、组件等]”都被开放地解释为所述装置、组件等中的至少一个实例，除非另外明确地说明。这里公开的任何方法的步骤都没必要以公开的准确的顺序运行，除非明确地说明。