基于能量变化的暂态频率安全紧急控制决策方法与流程
本发明属于电力系统运行控制技术领域，具体来说，本发明涉及基于能量变化的暂态频率安全紧急控制决策方法。
背景技术：
频率安全是电力系统安全稳定问题的重要部分之一，对于发电设备、电网运行和用电设备都有重要影响，因而倍受源-网-荷各方共同关注。面对当今电源结构和电网结构的变化态势，频率安全问题面临更为严峻的挑战，新能源发电占比的增加使频率的灵活调控更为困难，特/超高压直流跨区域输电规模的扩大使频率安全问题的严重程度更为恶化。
通常对暂态安全性的要求可由基于给定频率偏移门槛值fcr和偏出此给定值的频率异常持续时间构成的tcr二元表来描述(fcr，tcr)，当且仅当频率偏出(低频安全评估时为低于，高频安全评估时为高于)fcr的持续时间超过tcr判为暂态频率不满足安全要求，必要时可用多个二元表进行评估。系统受到大功率缺额或盈余的扰动后，频率急剧变化，仅靠发电和负荷的频率自动调节能力难以保证频率动态变化满足安全性要求，需要依靠紧急控制措施才能避免频率安全事故的发生。频率安全紧急控制措施有：送端电网的高频切机，以及受端电网直流紧急功率提升、抽蓄切泵、安控紧急切负荷和低频切负荷，通常会综合控制响应性能、可靠性和控制代价等因素，确定各类紧急控制措施的优先级。
迄今，基于上述频率安全要求，进行紧急控制决策确定控制量的方法有两类：(i)基于单机带集中负荷模型，用解析式描述不平衡功率扰动下的频率特性，对给定功率不平衡量，计算满足频率安全要求的控制策略。(ii)基于详细模型，通过时域仿真得到不平衡功率扰动下的频率特性，搜索计算在给定功率不平衡扰动场景下满足频率安全要求的控制策略，在缺少频率安全量化指标时，通常都基于二分法等试探性方法，计算量大；在定义了安全裕度指标时，借助灵敏度分析以减小计算量。
目前进行频率安全紧急控制决策的方法，大多是基于不平衡功率对频率特性的影响，确定发电或负荷的有功功率控制量，适于离散型紧急控制措施。随着电源、电网和负荷发展变化新趋势，安全稳定紧急控制措施呈现新特点，控制对象的类型在不断增加，离散型控制与连续调节型控制并存，控制的精细化程度要求不断提高。因此，从电力系统频率变化的本质出发，系统整体频率特性变化是系统等值同步发电机转子动能变化的表征，基于系统等值同步发电机转子动能变化与不平衡功率累积能量的关联，研究基于能量变化的频率安全紧急控制决策方法，将控制对象的功率控制转变为能量控制，计及控制功率输出时间响应特性，提高控制决策的灵活性，对于控制策略优化，确保系统整体频率特性满足安全要求，具有重要意义。
技术实现要素：
本发明目的是：针对现有技术的不足，基于电力系统频率变化的本质是不平衡功率累积能量引起发电机转子存储动能变化，提供一种基于能量变化的频率安全紧急控制决策方法。该方法为适应电源、电网和负荷发展变化新趋势，以及安全稳定紧急控制措施呈现新特点，提供新的暂态频率安全紧急控制决策技术思路，将控制对象的功率控制转变为能量控制，计及控制功率输出时间响应特性，从而提高控制决策的灵活性，对于控制策略优化，确保系统整体频率特性满足安全要求，具有重要意义。
具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的，包括以下步骤：
1)获取输入信息，所述输入信息包括电网运行方式信息、机电暂态仿真计算数据、紧急控制预想故障、频率安全二元表和候选安全稳定控制措施信息；
所述频率安全二元表是描述暂态过程对频率安全性要求的信息，是由给定频率偏移门槛值和偏出频率偏移门槛值的频率异常持续时间构成的二元表，其含义是当且仅当偏出频率偏移门槛值的持续时间超过偏出频率偏移门槛值的频率异常持续时间判为暂态频率不满足安全要求，所述偏出在低频安全评估时为低于、在高频安全评估时为高于；
所述候选安全稳定控制措施信息包括控制类型及优先级、候选控制对象及其可控范围和控制输出的有功功率时间响应特性；
2)针对紧急控制预想故障，进行机电暂态时域仿真分析计算，基于时域仿真得到的扰动下的暂态频率曲线，结合频率安全二元表，评估暂态频率安全性；如果评估结果是暂态频率不安全，则转步骤3)，否则结束本方法；
所述扰动的下暂态频率曲线是基于时域仿真得到的扰动下各个发电机频率曲线计算得到的系统等值发电机频率曲线fsys(t)；
3)针对暂态频率不安全的情况，计算增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值；
4)以充分利用高优先级候选控制对象的控制功率累积能量为原则，选择候选控制对象，计及候选控制对象具备的控制功率累积能量增量的最大能力，统计控制总量，与步骤3)得到的控制总量目标值进行匹配，从而将要完成的控制总量目标值分解落实到候选控制对象，并通过候选控制对象的控制输出的有功功率响应时间特性，将分解落实后的控制总量目标值转换为功率控制定值，成为可实施操作的控制策略；
5)如本次迭代为首次迭代，则转步骤2)进行下一次迭代，否则将本次迭代计算得到的可实施操作的控制策略，与前几次迭代得到的可实施操作的控制策略整合，得到当前完整的控制措施，并进行相应的仿真计算数据修改，从而为下次迭代做好仿真计算数据准备，转步骤2)进行下一次迭代。
上述技术方案的进一步特征在于，候选控制对象的控制输出的有功功率响应时间特性，是指从向候选控制对象下发功率控制定值的时刻开始候选控制对象输出的有功功率变化增量，对于第k个候选控制对象而言，用δpck表示向其下发的功率控制定值，用t1k表示向其下发δpck的时刻，用δpoutk(δpck,t)表示其从t1k开始输出的有功功率变化增量。
上述技术方案的进一步特征在于，所述频率安全二元表为多个，设频率安全二元表的数量为n个，则第i个频率安全二元表用(fcri，tcri)表示，其中fcri代表第i个频率安全二元表的频率偏移门槛值，tcri代表偏出fcri的频率异常持续时间，i＝1,…,n。
上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤2)中，对于n个频率安全二元表而言，只要扰动下的暂态频率曲线无法满足其中至少1个频率安全二元表的要求，就认为暂态频率不安全。
上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3)具体包括以下步骤：
3-1)基于步骤2)得到的系统等值发电机频率曲线fsys(t)，对于每个频率安全二元表逐一分析其满足安全性情况，如果fsys(t)不满足某个频率安全二元表的要求，则分析统计频率偏移至该频率安全二元表的频率偏移门槛值的时刻，设该频率安全二元表为第i个fsys(t)不满足要求的频率安全二元表，则将频率偏移至该频率安全二元表的频率偏移门槛值的时刻记为t0i，并计算t0i+tcri；
3-2)针对系统等值发电机频率曲线fsys(t)不满足频率安全二元表的要求的情况，按下式计算满足暂态频率安全要求的增加不平衡功率累积能量控制总量：
ecti＝ekincri-ekinendi
其中，ecti为针对第i个fsys(t)不满足要求的频率安全二元表的满足暂态频率安全要求的增加不平衡功率累积能量控制总量，ekincri是频率偏移至第i个fsys(t)不满足要求的频率安全二元表的fcri时对应的系统等值发电机转子存储动能，ekinendi是时刻t0i+tcri系统等值发电机转子存储动能；
形成增加不平衡功率累积能量控制总量及其时间要求的二元表，设该二元表的数量为m个，其中第i个满足暂态频率安全要求的增加不平衡功率累积能量控制总量及其时间要求的二元表用(ecti，t0i+tcri)表示，其含义是为满足第i个fsys(t)不满足要求的频率安全二元表(fcri，tcri)的要求，需要采取控制措施，在采取控制措施时刻前增加不平衡功率累积能量ecti，t0i+tcri时刻为采取控制措施时刻；
3-3)对步骤3-2)得到的所有m个增加不平衡功率累积能量控制总量及其时间要求的二元表，按采取控制措施时刻从小至大的顺序对各二元表进行排序，依次计算各时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值，其中对于最小的采取控制措施时刻而言，计算的是从时刻0开始至最小的采取控制措施时刻之间时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值，对于之后的采取控制措施时刻而言，计算的是前次采取控制措施时刻至本次采取控制措施时刻之间时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值，计算方法如下：
时段(0，t01+tcr1)内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值tect1＝ect1，其中，t01+tcr1表示排序后排在第1位的增加不平衡功率累积能量控制总量及其时间要求的二元表中的采取控制措施时刻，ect1表示该二元表中的增加不平衡功率累积能量；
时段(t0i-1+tcri-1，t0i+tcri)内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值tecti，i＝2,…,m：
如果
上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤3-2)中，ekincri和ekinendi计算方法如下：
其中，js是系统等值惯量，fendi是t0i+tcri时的系统等值发电机频率。
上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤4)具体包括以下步骤：
4-1)在当前优先级最高的候选安全稳定控制措施中，根据不平衡功率累积能量调控方向的需要选取候选控制对象，以该候选控制对象最大可调控功率作为目标，结合该候选控制对象的控制输出的有功功率响应时间特性，计算该候选控制对象在各给定时段内可输出功率变化累积能量的最大值，所述各给定时段与步骤3-3)中计算各时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值的各时段相对应；
4-2)统计控制总量，与步骤3-3)中得到的各时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值进行匹配，确定候选控制对象在各给定时段内需要的输出功率变化累积能量，方法如下：
设当前被选取的候选控制对象为第k个被选取的候选控制对象；
若k＝1，则如果tecti>emaxki，则eki＝emaxki，转步骤4-3)继续分解增加不平衡功率累积能量控制总量，否则eki＝tecti，增加不平衡功率累积能量控制总量分解到候选控制对象的工作结束，转步骤4-4)；
若k不等于1，则如果
上述，i＝1,…,m，tecti表示第i个时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值，所述第i个时段在i＝1时为时段(0，t01+tcr1)、在i大于1时为时段(t0i-1+tcri-1，t0i+tcri)，emaxki为第k个被选取的候选控制对象在第i个时段内可输出功率变化累积能量的最大值，eki为第k个被选取的候选控制对象在第i个时段内需要的输出功率变化累积能量；
4-3)如果当前优先级最高的候选安全稳定控制措施中还有可用候选控制对象，则转步骤4-1)进行下一轮选取；否则，将当前优先级次高的候选安全稳定控制措施作为下一轮优先级最高的候选安全稳定控制措施，转步骤4-1)进行下一轮选取；
4-4)对于各个被选取的候选控制对象，按下式求解其功率控制定值，使之成为可实施操作的控制策略：
其中，δpoutk(pck,t)为第k个被选取的候选控制对象从t1k开始输出的有功功率变化增量，eki为第k个被选取的候选控制对象在第i个时段内需要的输出功率变化累积能量，pcki为待求解的第k个被选取的候选控制对象在第i个时段内的功率控制定值。
上述技术方案的进一步特征在于，所述步骤4-1)中，根据不平衡功率累积能量调控方向的需要选取候选控制对象是指，在针对频率跌落逾越频率安全二元表进行紧急控制决策时，对应增加不平衡功率累积能量调控方向是增加机械功率累积能量或降低电气功率累积能量，应选取能够增加机械功率或降低电气功率的候选控制对象，在针对频率升高逾越频率安全二元表进行紧急控制决策时，对应增加不平衡功率累积能量调控方向是降低机械功率累积能量或增加电气功率累积能量，应选取能够降低机械功率或增加电气功率的候选控制对象。
本发明的有益效果如下：本发明基于电力系统频率变化的本质：系统等值发电机转子动能表征系统频率，不平衡功率累积能量引起发电机转子存储动能变化，提供基于能量变化的暂态频率安全紧急控制决策方法。本发明针对存在暂态频率安全问题的场景，分析计算满足暂态频率安全要求的系统等值发电机转子动能需要的修正控制量，从而得到不平衡功率累积能量增量控制目标；以充分利用高优先级控制对象在一定时段内输出能量增量的能力为原则，将能量控制目标分解到各类控制措施和候选控制对象；继而根据控制对象的输出有功功率响应时间特性，推算出控制对象的有功功率控制定值。本发明将对控制对象的功率控制转变为其在一定时段内输出有功功率积累的能量控制，从而提高控制决策的灵活性和精准性。本发明计及控制功率输出时间响应特性，能较好地适应离散型控制和连续调节型控制并存的场景，对于控制策略优化，具有重要意义。本发明协调优化利用控制对象在一定时段内的能量增量能力进行暂态频率安全紧急控制决策，为储能等新装备用于暂态频率安全紧急控制提供技术支撑，总之，本发明为适应电源、电网和负荷发展变化新趋势，以及安全稳定紧急控制措施呈现的新特点，提供了新的暂态频率安全紧急控制决策技术思路。
附图说明
图1是本发明的流程图一。
图2是本发明的流程图二。
具体实施方式
下面结合实施例并参照附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1：
本发明的一个实施例，其步骤如图1和图2所示。
图1中描述的步骤1是获取输入信息，所述输入信息包括电网运行方式信息、机电暂态仿真计算数据、紧急控制预想故障、频率安全二元表和候选安全稳定控制措施信息；
所述频率安全二元表是描述暂态过程对频率安全性要求的信息，是由给定频率偏移门槛值和偏出频率偏移门槛值的频率异常持续时间构成的二元表，其含义是当且仅当偏出频率偏移门槛值的持续时间超过偏出频率偏移门槛值的频率异常持续时间判为暂态频率不满足安全要求，所述偏出在低频安全评估时为低于、在高频安全评估时为高于。必要时可用多个二元表进行描述，设频率安全二元表的数量为n个，则第i个频率安全二元表用(fcri，tcri)表示，其中fcri代表第i个频率安全二元表的频率偏移门槛值，tcri代表偏出fcri的频率异常持续时间，i＝1,…,n。
所述候选安全稳定控制措施信息包括控制类型及优先级、候选控制对象及其可控范围和控制输出的有功功率时间响应特性。
候选控制对象的控制输出的有功功率响应时间特性，是指从向候选控制对象下发功率控制定值的时刻开始候选控制对象输出的有功功率变化增量，对于第k个候选控制对象而言，用δpck表示向其下发的功率控制定值，用t1k表示向其下发δpck的时刻，用δpoutk(δpck,t)表示其从t1k开始输出的有功功率变化增量。
图1中描述的步骤2是，基于频率安全二元表的暂态频率安全评估。可采用商品化的电力系统安全稳定分析软件，对紧急控制预想故障，进行机电暂态时域仿真分析计算；基于时域仿真得到的扰动下的暂态频率曲线，结合频率安全二元表，评估暂态频率安全性。如果评估结果是暂态频率不安全，则转步骤3，否则结束本方法。
在第一次进入本步骤时，进行机电暂态时域仿真分析计算，不考虑控制措施的影响；在后续进入本步骤时，进行机电暂态时域仿真分析计算，要计及前几次迭代计算得到的控制措施的影响。
所述扰动下的暂态频率曲线是基于时域仿真得到的扰动下各个发电机频率曲线计算得到的系统等值发电机频率曲线fsys(t)。
在频率安全二元表为多个时，对于n个频率安全二元表而言，只要扰动下的暂态频率曲线无法满足其中至少1个频率安全二元表的要求，就认为暂态频率不安全，否则暂态频率安全。
图1中描述的步骤3是针对暂态频率不安全的情况，计算增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值。具体分为以下步骤：
(1)分析统计暂态频率偏移频率安全二元表的详细信息
基于步骤2得到的系统等值发电机频率曲线fsys(t)，对于每个频率安全二元表逐一分析其满足安全性情况，如果fsys(t)不满足某个频率安全二元表的要求，则分析统计频率偏移至该频率安全二元表的频率偏移门槛值的时刻，设该频率安全二元表为第i个fsys(t)不满足要求的频率安全二元表，则将频率偏移至该频率安全二元表的频率偏移门槛值的时刻记为t0i，并计算t0i+tcri。
(2)分析计算满足暂态频率安全要求的增加不平衡功率累积能量的控制总量。
针对系统等值发电机频率曲线fsys(t)不满足频率安全二元表的要求的情况，按下式计算满足暂态频率安全要求的增加不平衡功率累积能量控制总量：
ecti＝ekincri-ekinendi
其中，ecti为针对第i个fsys(t)不满足要求的频率安全二元表的满足暂态频率安全要求的增加不平衡功率累积能量控制总量，ekincri是频率偏移至第i个fsys(t)不满足要求的频率安全二元表的fcri时对应的系统等值发电机转子存储动能，ekinendi是时刻t0i+tcri系统等值发电机转子存储动能；
形成增加不平衡功率累积能量控制总量及其时间要求的二元表，设该二元表的数量为m个，其中第i个满足暂态频率安全要求的增加不平衡功率累积能量控制总量及其时间要求的二元表用(ecti，t0i+tcri)表示，其含义是为满足第i个fsys(t)不满足要求的频率安全二元表(fcri，tcri)的要求，需要采取控制措施，在采取控制措施时刻前增加不平衡功率累积能量ecti，t0i+tcri时刻为采取控制措施时刻。
进一步，ekincri和ekinendi计算方法如下：
其中，js是系统等值惯量，fendi是t0i+tcri时的系统等值发电机频率。
(3)分析计算满足所有频率安全二元表的总体控制量。
对(2)得到的所有m个增加不平衡功率累积能量控制总量及其时间要求的二元表，按采取控制措施时刻从小至大的顺序对各二元表进行排序，依次计算各时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值，其中对于最小的采取控制措施时刻而言，计算的是从时刻0开始至最小的采取控制措施时刻之间时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值，对于之后的采取控制措施时刻而言，计算的是前次采取控制措施时刻至本次采取控制措施时刻之间时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值，计算方法如下：
时段(0，t01+tcr1)内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值tect1＝ect1，其中，t01+tcr1表示排序后排在第1位的增加不平衡功率累积能量控制总量及其时间要求的二元表中的采取控制措施时刻，ect1表示该二元表中的增加不平衡功率累积能量；
时段(t0i-1+tcri-1，t0i+tcri)内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值tecti，i＝2,…,m：
如果
图1中描述的步骤4是，将增加不平衡功率累积能量的控制总量分解到各类控制措施和各个控制对象。分为以下两个阶段：
第一个阶段是：以充分利用高优先级候选控制对象的控制功率累积能量为原则，选择候选控制对象，计及候选控制对象具备的控制功率累积能量增量的最大能力，统计控制总量，与之前步骤得到的控制总量目标值进行匹配，从而将要完成的控制总量目标值分解落实到候选控制对象
第二个阶段是：通过候选控制对象的控制输出的有功功率响应时间特性，将分解落实后的控制总量目标值转换为功率控制定值，成为可实施操作的控制策略。
候选控制对象具备的控制功率累积能量增量的最大能力是指，候选控制对象按其最大功率输出可控范围作为控制功率定值，在相应时刻发出控制命令，计及控制输出功率变化时间响应特性，在相应时段内输出功率累积能量增量值。
得到的控制总量目标值是指，之前步骤计算得到的各时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值。
步骤4的第一阶段具体实施过程如图2所示：
图2中步骤1描述的是，在当前优先级最高的候选安全稳定控制措施中，根据不平衡功率累积能量调控方向的需要选取候选控制对象，以该候选控制对象最大可调控功率作为目标，结合该候选控制对象的控制输出的有功功率响应时间特性，计算该候选控制对象在各给定时段内可输出功率变化累积能量的最大值，所述各给定时段与之前步骤计算各时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值的各时段相对应。
进一步，根据不平衡功率累积能量调控方向的需要选取候选控制对象是指，在针对频率跌落逾越频率安全二元表进行紧急控制决策时，对应增加不平衡功率累积能量调控方向是增加机械功率累积能量或降低电气功率累积能量，应选取能够增加机械功率或降低电气功率的候选控制对象，在针对频率升高逾越频率安全二元表进行紧急控制决策时，对应增加不平衡功率累积能量调控方向是降低机械功率累积能量或增加电气功率累积能量，应选取能够降低机械功率或增加电气功率的候选控制对象。
在计算候选控制对象在各给定时段内可输出功率变化累积能量的最大值时，要考虑之前给定时段内对该候选控制对象已实施的控制措施对输出功率变化累积能量的影响。
图2中步骤2描述的是，统计控制总量，与之前步骤中得到的各时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值进行匹配，确定候选控制对象在各给定时段内需要的输出功率变化累积能量，方法如下：
设当前被选取的候选控制对象为第k个被选取的候选控制对象；
若k＝1，则如果tecti>emaxki，则eki＝emaxki，转图2步骤3继续分解增加不平衡功率累积能量控制总量，否则eki＝tecti，增加不平衡功率累积能量控制总量分解到候选控制对象的工作结束，转图2步骤4；
若k不等于1，则如果
上述，i＝1,…,m，tecti表示第i个时段内增加不平衡功率累积能量的控制总量目标值，所述第i个时段在i＝1时为时段(0，t01+tcr1)、在i大于1时为时段(t0i-1+tcri-1，t0i+tcri)，emaxki为第k个被选取的候选控制对象在第i个时段内可输出功率变化累积能量的最大值，eki为第k个被选取的候选控制对象在第i个时段内需要的输出功率变化累积能量。
图2中步骤3描述的是，如果当前优先级最高的候选安全稳定控制措施中还有可用候选控制对象，则转图2步骤1进行下一轮选取；否则，下调一档优先级即将当前优先级次高的候选安全稳定控制措施作为下一轮优先级最高的候选安全稳定控制措施，转转图2步骤1进行下一轮选取。
图1中步骤4第二个阶段，其实施过程细化如下：
对于各个被选取的候选控制对象，按下式求解其功率控制定值，使之成为可实施操作的控制策略：
其中，δpoutk(pck,t)为第k个被选取的候选控制对象从t1k开始输出的有功功率变化增量，eki为第k个被选取的候选控制对象在第i个时段内需要的输出功率变化累积能量，pcki为待求解的第k个被选取的候选控制对象在第i个时段内的功率控制定值。
图1中步骤5描述的是，修正控制措施，转步骤2。具体为如本次迭代为首次迭代，则转步骤2进行下一次迭代，否则将本次迭代计算得到的可实施操作的控制策略，与前几次迭代得到的可实施操作的控制策略整合，得到当前完整的控制措施，并进行相应的仿真计算数据修改，从而为下次迭代做好仿真计算数据准备，转步骤2进行下一次迭代。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但实施例并不是用来限定本发明的。在不脱离本发明之精神和范围内，所做的任何等效变化或润饰，同样属于本发明之保护范围。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求所界定的内容为标准。
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