一种电力系统频率偏移安全性的控制方法与流程

本发明涉及一种电力系统频率偏移安全性的控制方法，属于电力系统安全稳定分析与控制技术领域。

背景技术

频率是电力系统最重要的物理量之一，保持频率在合格范围内是电力系统运行的重要任务。暂态过程中，对汽轮机叶片和机组轴系扭振、发电机过励磁、辅机安全性的考虑，都需保证频率偏移安全性，大幅度频率偏移(或称为频率异常)可能触发连锁跳闸，导致系统崩溃(文献一《考虑累计效应的频率偏移安全性量化评估》电力系统自动化2010年12月第34卷第24期第5-10页)。

引起电力系统频率异常的根本原因是系统中出现了功率的不平衡，而导致功率突变的直接原因是：①联络线出现故障开关跳闸，两侧功率出现了不平衡，②电力系统内有大容量发电机组突然投入或切除，③电力系统内有大的负荷突然投入或解除。针对这些原因，应配置频率安全自动控制装置(简称为自动装置)来消除电力系统大幅度频率偏移现象。按照频率偏移时频率上升和下降的不同，常见的自动装置有：(1)反映电力系统频率下降时动作的自动装置：低频减负荷自动控制装置；(2)反映电力系统频率上升时动作的自动装置：高频切除发电机组自动控制装置、高频率发电机组输出功率自动控制(即高频率时自动降低发电出力)装置等。为了制定自动装置的有效控制策略，有必要针对频率偏移安全性量化评估方法进行深入研究。

前美国西部系统可靠性委员会(wscc)于1997年提出可靠性准则(文献二《reliabilitycriteriafortransmissionsystemplanning》westernsystemcoordinatingcouncil1997年)，明确规定了对暂态频率偏移安全性的具体要求，并相继提出了防止频率偏移过大的减载规程(文献三《wscccoordinatedoffnominalfrequencyloadsheddingandrestorationplan》underfrequencyissuesworkinggroupofwscctechnicalstudiessubcommittee1997年)。暂态过程中，物理量的偏移(包括偏离幅度和持续时间)是否在给定范围内是判断其安全性的主要依据。

通常，对暂态频率偏移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tcr构成的二元表[fcr,tcr]来描述：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时，判为暂态频率偏移不满足安全要求(文献四《暂态频率偏移可接受性的定量分析》电力系统自动化2002年10月第26卷第19期第7-10页)。对于确定的频率响应曲线和二元表，该评估方法只能单独从频率或时间层面进行安全评估，并不能反映频率安全破坏的累积信息。

在分析频率偏移安全性量化评估现状和需求基础上，文献一提出了一种考虑累积效应的频率偏移安全量化评估方法:对于给定的频率安全二元表[fcr,tcr]从频率和时间层面给出了频率偏离额定值的程度限值，fn-fcr和tcr的乘积表征了频率由额定值fn偏移至fcr历时tcr的累积，可以作为基准用于构造频率安全裕度指标。频率响应曲线与f＝fcr所表示直线在时间窗tcr内的包围面积从频率偏移累积层面表征了频率响应曲线与安全限值的距离，其与基准值的比值可作为标幺化后的安全裕度指标。文献一的方法也存在着以下缺陷：计算过程较为繁琐，且频率响应曲线中面积的物理意义不明确，无法与工程实践相对应。为此，有必要针对频率偏移安全裕度指标进行深入研究。

技术实现要素：

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种电力系统频率偏移安全性的控制方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种电力系统频率偏移安全性的控制方法，包括如下步骤：

步骤1：根据可控节点的评价指标选择参与频率紧急控制的节点；

步骤2：基于多项式函数拟合法求取紧急控制功率调节量和功率调节方案。

作为优选方案，所述步骤1包括如下步骤：

1.1：在初始状态的系统上逐一对各可控节点i施加相同的有功功率控制量δpi＝δpc，δpc为预设的有功功率控制量，计算各可控节点i的评价指标pii；

1.2：按照评价指标pii从大到小对各节点排队，当fcr＜fn时，按顺序选取评价指标为正的负荷节点参与紧急控制；当fcr＞fn时，按顺序选取评价指标为正的发电机节点参与紧急控制，其中fcr为给定频率偏移门槛值，fn为额定频率。

作为优选方案，所述评价指标pii，计算公式如下：

其中，δpi为施加在控制节点的有功功率控制量，η0为控制量施加之前系统的频率偏移安全裕度，η1为控制量施加之后系统的频率偏移安全裕度；

所述频率偏移安全裕度η，计算公式如下：

根据fcr和额定频率fn之间的关系，分别考虑两种情况：

1.当fcr＜fn时：

1-1：求取频率的移动平均曲线的最小值

1-2：计算频率偏移安全裕度η：

式中，fcr为给定频率偏移门槛值，fn为额定频率值；

2.当fcr＞fn时：

2-1：求取频率的移动平均曲线的最大值

2-2：计算频率偏移安全裕度η：

式中，fcr为给定频率偏移门槛值，fn为额定频率值。

作为优选方案，所述步骤2包括如下步骤：

2.1：令k＝1，即第一次功率调节量δp⁽¹⁾＝δpm，δpm为所选取控制节点的最大可调节量之和，计算此时系统的频率偏移安全裕度η1；

2.2：若η1＜0，则输出计算结果：最终功率调节量δp^*＝δp⁽¹⁾＝δpm，与其对应的功率调节方案为所选取的全部控制节点均达到最大可调节量，控制失败，系统退出；

2.3：若η1≥0，将采用多项式函数拟合法来确定所需的功率调节量；

2.4：求取与δp^(k)相对应的功率调节方案，即将功率调节量δp^(k)按如下原则分摊到参与频率紧急控制的各节点中：

2.4.1：按步骤1.2中评价指标的排列顺序进行分摊，优先调节排在前面的节点，当其达到最大可调量时，依次调节排在下一位的节点；

2.5：所有实际参与频率紧急控制节点的功率调节量之和等于δp^(k)；

2.6：针对与δp^(k)对应的功率调节方案，计算系统的频率偏移安全裕度ηk；

2.7：如果|ηk|≤ηth，ηth为预设的阀值，则终止计算，并输出计算结果:最终调节量δp^*＝δp^(k)和其对应的功率调节方案；

2.8：反之，则有|ηk|＞ηth，将回到步骤2.3.1进行迭代计算。

作为优选方案，所述步骤2.3包括步骤：

2.3.1：令k＝k+1，计算第k次的功率调节量δp^(k)，k≥2，分为如下两种情况：

2.3.1.1：当k＝2时，采用一次函数进行拟合：

式中，η0对应于功率调节量为零时系统的频率偏移安全裕度，而η1对应于步骤2.1中功率调节量为最大可调节量之和时系统的频率偏移安全裕度。

2.3.1.2：当k≥3时，采用二次函数进行拟合:

δp^(k)＝δp^(k-1)-a·(ηk-1)²-b·ηk-1(7)

式中，频率偏移安全裕度参数a和b的计算公式如下:

式中，ηk-3、ηk-2、ηk-1分别为功率调节量δp^(k-3)、δp^(k-2)、δp^(k-1)施加之后系统的频率偏移安全裕度。

作为优选方案，所述δpc＝10mw，ηth＝0.005。

有益效果：本发明提供的一种电力系统频率偏移安全性的控制方法，基于频率偏移安全裕度指标和频率偏移安全控制评价指标提出了电力频率偏移安全控制方法，可以有效解决电力系统频率异常的消除问题。它有助于研究者深入理解频率偏移安全的控制机理，并为工程人员制定频率安全自动控制装置控制策略的工作提供了有力工具。

附图说明

图1为多项式函数拟合法来确定所需的功率调节量的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

一种电力系统频率偏移安全性的控制方法，对于电力系统频率异常的消除问题，本发明将基于如下的频率偏移安全裕度指标和频率偏移安全控制评价指标制定自动装置的控制策略，具体步骤如下：

步骤1：根据可控节点的评价指标选择参与频率紧急控制的节点；

1.1：在初始状态的系统上逐一对各可控节点i施加相同的有功功率控制量δpi＝δpc，δpc为预设的有功功率控制量，计算各可控节点i的评价指标pii；

1.2：按照评价指标pii从大到小对各节点排队，当fcr＜fn时，按顺序选取评价指标为正的负荷节点参与紧急控制；当fcr＞fn时，按顺序选取评价指标为正的发电机节点参与紧急控制，其中fcr为给定频率偏移门槛值，fn为额定频率；

所述评价指标pii，计算公式如下：

其中，δpi为施加在控制节点的有功功率控制量，η0为控制量施加之前系统的频率偏移安全裕度，η1为控制量施加之后系统的频率偏移安全裕度；

所述频率偏移安全裕度η，计算公式如下：

根据fcr和额定频率fn之间的关系，分别考虑两种情况：

1.当fcr＜fn时：

1-1：求取频率的移动平均曲线的最小值

1-2：计算频率偏移安全裕度η：

式中，fcr为给定频率偏移门槛值，fn为额定频率值；

2.当fcr＞fn时：

2-1：求取频率的移动平均曲线的最大值

2-2：计算频率偏移安全裕度η：

式中，fcr为给定频率偏移门槛值，fn为额定频率值。

步骤2：基于多项式函数拟合法求取紧急控制功率调节量和功率调节方案；

2.1：令k＝1，即第一次功率调节量δp⁽¹⁾＝δpm，δpm为所选取控制节点的最大可调节量之和，计算此时系统的频率偏移安全裕度η1；

2.2：若η1＜0，则输出计算结果：最终功率调节量δp^*＝δp⁽¹⁾＝δpm，与其对应的功率调节方案为所选取的全部控制节点均达到最大可调节量，控制失败，系统退出；

2.3：若η1≥0，将采用多项式函数拟合法来确定所需的功率调节量，具体步骤为，如图1所示：

2.3.1：令k＝k+1，计算第k次的功率调节量δp^(k)，k≥2，分为如下两种情况：

2.3.1.1：当k＝2时，采用一次函数进行拟合：

式中，η0对应于功率调节量为零(即系统初始状态)时系统的频率偏移安全裕度，而η1对应于步骤2.1中功率调节量为最大可调节量之和时系统的频率偏移安全裕度。

2.3.1.2：当k≥3时，采用二次函数进行拟合:

δp^(k)＝δp^(k-1)-a·(ηk-1)²-b·ηk-1(7)

式中，频率偏移安全裕度参数a和b的计算公式如下:

式中，ηk-3、ηk-2、ηk-1分别为功率调节量δp^(k-3)、δp^(k-2)、δp^(k-1)施加之后系统的频率偏移安全裕度；

2.4：求取与δp^(k)相对应的功率调节方案，即将功率调节量δp^(k)按如下原则分摊到参与频率紧急控制的各节点中：

2.4.1：按步骤1.2中评价指标的排列顺序进行分摊，优先调节排在前面的节点，当其达到最大可调量时，依次调节排在下一位的节点；

2.5：所有实际参与频率紧急控制节点的功率调节量之和等于δp^(k)；

2.6：针对与δp^(k)对应的功率调节方案，计算系统的频率偏移安全裕度ηk；

2.7：如果|ηk|≤ηth，ηth为预设的阀值，则终止计算，并输出计算结果:最终调节量δp^*＝δp^(k)和其对应的功率调节方案；

2.8：反之，则有|ηk|＞ηth，将回到步骤2.3.1进行迭代计算。

实施例1：

本发明中各参数的取值应根据工程实际要求来设置，建议采用如下的值：δpc＝10mw，ηth＝0.005。

实际使用时，因为切负荷和切发电机都对应于离散量，所以虽然在搜索中将它们作为连续量处理，但是在搜索结束后应将结果归整，即将排在最后一位的负荷或发电机全部切除；而降低发电机出力则可认为是连续量，无需对其进行归整处理。

本发明将依据如下基本假设进行控制：

(1)频率安全二元表[fcr,tcr]为已知量，根据频率曲线与二元表[fcr,tcr]的关系，并假设频率曲线的初始时刻之前(t＜0)的值ft为已知量。采用宽度为tcr的观察窗口来计算频率的移动平均曲线该曲线上任一时间点ti对应的平均频率值的计算公式：

式中：ti为观察窗的终点位置；ti-tcr为观察窗的起始位置；ti∈[0,t]；t为仿真时长，f为给定频率偏移门槛值。

(2)通常，汽轮机等主设备对不同频率安全限值有不同的越限时间限制，需要设定多个二元表。因此，对于给定的大扰动，往往需要针对多个二元表进行频率偏移安全裕度计算。由于频率偏移安全裕度指标已经标幺化，基于不同二元表计算得到的频率偏移安全裕度具有可比性。系统整体频率安全评估可分别计算每条频率曲线在每个二元表约束下的频率偏移安全裕度，然后取计算结果的最小值作为系统的频率安全裕度(文献一)。

(3)采用电力系统仿真计算软件(如fastest软件，文献五《电力系统暂态安全定量分析软件(fastest)v3.0使用手册》2006年)计算频率安全裕度指标和频率安全控制评价指标；

(4)当出现频率上升的频率异常时，将计算低频减负荷自动控制装置的有功功率调节量(简称为功率调节)；当出现频率下降的频率异常时，将计算高频切除发电机组自动控制装置、高频率发电机组输出功率自动控制装置的功率调节量；且各自动控制装置的最大功率调节量为已知量；

(5)初始状态时，不考虑自动控制装置的作用(即其功率调节量为零)，此时的系统存在频率异常问题(即系统频率偏移安全裕度指标η0＜0)；而导致频率异常的原因为已知量，如联络线出现故障开关跳闸等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。