一种电力系统负荷频率控制方法及相关产品与流程

本发明涉及电力系统调节控制技术领域，特别涉及一种电力系统负荷频率控制方法及相关产品。

背景技术

随着用电量的逐年增多，人们对电能的稳定性和用电质量提出了越来越高的要求，因此负荷频率控制是电力系统设计和运行中重要的课题之一。对于电力系统而言,负荷总是不断变化的,而且可能会随时发生各种故障,有必要设计一个负荷频率控制系统,使得电力系统依赖频率对发电机的负荷进行控制；因此,针对具有参数不确定的电力系统,如何将频率控制在一个可接受的范围内,始终是一个极具挑战性的研究课题。

现有技术的电力系统负荷频率控制的模型均是基于线性的模型，即使包括非线性也只存在一种。然而在实际系统中，电力系统是一个互联的，复杂的，耦合的非线性系统。因此，线性系统并不能真正代表电力系统负荷频率控制的模型，用非线性模型来代表电力系统的负荷频率控制模型变得非常有必要。滑模控制具有抗击外界干扰和参数变化的能力，因此滑模控制在非线性系统，随机系统，电力电子，电机等有大量应用。在国内外，滑模控制也被应用于电力系统的负荷频率控制中。然而大多数的基于负荷频率控制的滑模控制的滑模面均是降阶的滑模面，降阶的滑模面容易产生奇异性。

因此，如何提供一种电力系统的频率负荷控制方案能够在电力系统的频率负荷调节中，减少奇异性，减小抖振程度，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电力系统负荷频率控制方法及相关产品，能够在电力系统的频率负荷调节中，减少奇异性，减小抖振程度。其具体方案如下：

第一方面，本发明提供一种电力系统负荷频率控制方法，包括：

获取电力网络的功率误差、频率偏差；

利用所述功率误差、所述频率偏差，采用全阶滑模控制方法计算得到控制量；

利用所述控制量控制发电站的调速器，以调节所述电力网络的负荷、频率。

优选地，

所述全阶滑模控制方法为全阶终端滑模控制方法；

所述全阶终端滑模控制方法的非线性方程为：

其中，所述x是向量，所述f(x,t)和所述a(x,t)均为非线性方程，所述d为外界扰动，所述u为控制量；

而终端滑模面的方程为：

上式中的βi和λi均为常数；βi的选取使多项式pⁿ+βnp^n-1+βn-1p^n-2+…β2p+β1的解均为负数；

所述λi的选取参照如下公式：

其中，λn+1＝1，λn＝λ，λ∈(0,1)；

令所述终端滑模面的方程等于零，得到控制量：

u＝a^-1(ueq+un)＝u'eq+u'n

其中，

所述un为：

其中，所述v为：

其中，l为正预设系数，s为滑模面方程，ξ为预设正数。

优选地，

所述全阶滑模控制方法为全阶线性滑模控制方法；

所述全阶线性滑模控制方法的非线性方程为：

其中，所述x是向量，所述f(x,t)和所述a(x,t)均为非线性方程，所述d为外界扰动，所述u为控制量；

线性滑模面的方程为：

上式中的βi和λi均为常数；βi的选取使多项式pⁿ+βnp^n-1+βn-1p^n-2+…β2p+β1的解均为负数；

所述λi的选取参照如下公式：

其中，

λn+1＝1，λn＝λ，λ∈(0,1)；

令滑模面等于零，得到控制量：

u＝a^-1(ueq+un)＝u'eq+u'n

其中，

ueq＝-f(x,t)-βnxn-…-β1x1

所述un为：

其中，所述v为：

其中，l为正预设系数，s为滑模面方程，ξ为预设正数。

优选地，所述控制量受到发电机的gdb和/或grc两种非线性的限制。

第二方面，本发明提供一种电力系统负荷频率控制装置，包括：

偏差获取模块，用于获取电力网络的功率误差、频率偏差；

控制量计算模块，用于利用所述功率误差、所述频率偏差，采用全阶滑模控制方法计算得到控制量；

调速器控制模块，用于利用所述控制量控制发电站的调速器，以调节电力网络的负荷、频率。

第三方面，本发明提供一种电力系统负荷频率控制系统，应用于两区域互联的电力网络，所述电力网络包括：通过联络线连接的第一电力网络、第二电力网络；

所述第一区域电网设有第一负荷频率控制装置，所述第二区域电网设有第二负荷频率控制装置；

所述第一负荷频率控制装置，包括：

第一偏差获取模块，用于获取第一电力网络的第一功率误差、第一频率偏差；

第一控制量计算模块，用于利用所述第一功率误差、所述第一频率偏差、所述第二频率偏差，采用第一全阶滑模控制方法计算得到第一控制量；

第一调速器控制模块，用于利用所述第一控制量控制第一发电站的调速器，以调节第一电力网络的负荷、频率；

所述第二负荷频率控制装置，包括：

第二偏差获取模块，用于获取第二电力网络的第二功率误差、第二频率偏差；

第二控制量计算模块，用于利用所述第二功率误差、所述第二频率偏差、所述第一频率偏差，采用第二全阶滑模控制方法计算得到第二控制量；

第二调速器控制模块，用于利用所述第二控制量控制第二发电站的调速器，以调节第二电力网络的负荷、频率；

优选地，所述第一全阶滑模控制方法、第二全阶滑模控制方法均为全阶终端滑模控制方法。

优选地，所述第一全阶滑模控制方法、第二全阶滑模控制方法均为全阶线性滑模控制方法。

第四方面，本发明提供一种计算机设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述第一方面所述的任一种电力系统负荷频率控制方法的步骤。

第五方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的任一种电力系统负荷频率控制方法的步骤。

本发明提供一种电力系统负荷频率控制方法，包括：获取电力网络的功率误差、频率偏差；利用所述功率误差、所述频率偏差，采用全阶滑模控制方法计算得到控制量；利用所述控制量控制发电站的调速器，以调节所述电力网络的负荷、频率。本发明采用全阶滑模控制的方式对调速器进行控制，相比现有技术中采用降阶滑模控制的方式，其滑模面方式为全阶，在电力系统的频率负荷调节中，减少奇异性，减小抖振程度。

本发明提供的一种电力系统负荷频率控制装置、系统、计算机设备及计算机可读存储介质也具有上述的有益效果，在此不再赘述。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施方式所提供的一种电力系统负荷频率控制方法；

图2为本发明又一种具体实施方式所提供的一种电力系统负荷频率控制装置的组成示意图；

图3为本发明一种具体实施方式所提供的一种电力系统负荷频率控制系统的组成示意图；

图4为本发明一种具体实施方式中使用终端全阶滑模控制方法与传统滑模控制方法的频率差的对比图；

图5为本发明一种具体实施方式中使用终端全阶滑模控制方法与传统滑模控制方法的联络线功率差的对比图；

图6为本发明一种具体实施方式中使用终端全阶滑模控制方法与传统滑模滑模控制方法的区域控制差的对比图；

图7为本发明一种具体实施方式中使用线性全阶滑模控制方法与传统滑模控制方法的频率差的对比图；

图8为本发明一种具体实施方式中使用线性全阶滑模控制方法与传统滑模控制方法的联络线功率差的对比图；

图9为本发明一种具体实施方式中使用线性全阶滑模控制方法与传统滑模控制方法的区域控制差的对比图；

图10为本发明又一种具体实施方式所提供的计算机设备的结构示意图。

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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

请参考图1，图1为本发明一种具体实施方式所提供的一种电力系统负荷频率控制方法。

在本发明的一种具体实施方式中，本发明实施例提供一种电力系统负荷频率控制方法，包括：

s11：获取电力网络的功率误差、频率偏差；

s12：利用所述功率误差、所述频率偏差，采用全阶滑模控制方法计算得到控制量；

s13：利用所述控制量控制发电站的调速器，以调节所述电力网络的负荷、频率。

在本发明实施例中，首先需要获取到电力网络的功率误差和评率偏差，频率偏差是指电力系统在正常运行条件下，系统频率的实际值与标称值之差。率偏差表达式为：频率偏差＝实际频率－标称频率(我国系统标称频率为50hz，国外有60hz的)；我国电力系统的正常频率偏差允许值为±0.2hz，当系统容量较小时，频率偏差值可以放宽到±0.5hz；系统有功功率不平衡是产生频率偏差的根本原因。

因此功率误差和频率偏差紧密相连，可以运用发电站的调速器进行调节。在在滑模控制中，一般的传统的滑模面都如所示，而终端滑模面的方程为线性滑模面的方程为因此，本发明使用采用全阶滑模面方程的全阶滑模控制方法，对采集到的功率误差和频率偏差进行计算，得到调节发电站的调速器的控制量，从而能够对电力网络的负荷平衡和频率稳定进行调节。

进一步地，在一种具体实施方式中，可以将所述全阶滑模控制方法为全阶终端滑模控制方法；所述全阶终端滑模控制方法的非线性方程为：

其中，所述x是向量，所述f(x,t)和所述a(x,t)均为非线性方程，所述d为外界扰动，所述u为控制量；

而终端滑模面的方程为：

上式中的βi和λi均为常数；βi的选取使多项式pⁿ+βnp^n-1+βn-1p^n-2+…β2p+β1的解均为负数；

所述λi的选取参照如下公式：

其中，λn+1＝1，λn＝λ，λ∈(0,1)；

令所述终端滑模面的方程等于零，得到控制量：

u＝a^-1(ueq+un)＝u'eq+u'n

其中，

所述un为：

其中，所述v为：

其中，l为正预设系数，s为滑模面方程，ξ为预设正数。

当然，也可以采用全阶线性滑模控制方法，也就是将所述全阶滑模控制方法为全阶线性滑模控制方法；所述全阶线性滑模控制方法的非线性方程为：

其中，所述x是向量，所述f(x,t)和所述a(x,t)均为非线性方程，所述d为外界扰动，所述u为控制量；

线性滑模面的方程为：

上式中的βi和λi均为常数；βi的选取使多项式pⁿ+βnp^n-1+βn-1p^n-2+…β2p+β1的解均为负数；

所述λi的选取参照如下公式：

其中，

λn+1＝1，λn＝λ，λ∈(0,1)；

令滑模面等于零，得到控制量：

u＝a^-1(ueq+un)＝u'eq+u'n

其中，

ueq＝-f(x,t)-βnxn-…-β1x1

所述un为：

其中，所述v为：

其中，l为正预设系数，s为滑模面方程，ξ为预设正数。一般地，取ξ为一个接近于零的数，可以根据实际的需要设定为0.1、0.01、0.001或更小的数。

值得说明的是，运用上述实施方式中的全阶滑模计算方法对调速器的控制两进行计算时，可能计算出超出发电机调节范围的控制量来，所说，在计算出控制量后，所述控制量受到发电机的gdb和/或grc两种非线性的限制。也就是说，如果计算出的控制量超出了发电机的最大调节阈值，那么可以将该控制量控制在等于该最大调节阈值。发电机的最大调节阈值受到发电机的gdb(发电机控制死区)和/或grc(发电机变化率非线性)两种非线性的限制。

本发明提供一种电力系统负荷频率控制方法，包括：获取电力网络的功率误差、频率偏差；利用所述功率误差、所述频率偏差，采用全阶滑模控制方法计算得到控制量；利用所述控制量控制发电站的调速器，以调节所述电力网络的负荷、频率。本发明采用全阶滑模控制的方式对调速器进行控制，相比现有技术中采用降阶滑模控制的方式，其滑模面方式为全阶，在电力系统的频率负荷调节中，减少奇异性，减小抖振程度。

请参考图2，图2为本发明又一种具体实施方式所提供的一种电力系统负荷频率控制装置的组成示意图。

第二方面，本发明提供一种电力系统负荷频率控制装置200，包括：

偏差获取模块210，用于获取电力网络的功率误差、频率偏差；

控制量计算模块220，用于利用所述功率误差、所述频率偏差，采用全阶滑模控制方法计算得到控制量；

调速器控制模块230，用于利用所述控制量控制发电站的调速器，以调节电力网络的负荷、频率。

请参考图3，图3为本发明一种具体实施方式所提供的一种电力系统负荷频率控制系统的组成示意图。

第三方面，本发明提供一种电力系统负荷频率控制系统，应用于两区域互联的电力网络，所述电力网络包括：通过联络线连接的第一电力网络311、第二电力网络321；

所述第一区域电网设有第一负荷频率控制装置312，所述第二区域电网设有第二负荷频率控制装置322；

所述第一负荷频率控制装置312，包括：

第一偏差获取模块，用于获取第一电力网络311的第一功率误差、第一频率偏差；

第一控制量计算模块，用于利用所述第一功率误差、所述第一频率偏差、所述第二频率偏差，采用第一全阶滑模控制方法计算得到第一控制量；

第一调速器控制模块，用于利用所述第一控制量控制第一发电站的调速器313，以调节第一电力网络的负荷、频率；

所述第二负荷频率控制装置322，包括：

第二偏差获取模块，用于获取第二电力网络的第二功率误差、第二频率偏差；

第二控制量计算模块，用于利用所述第二功率误差、所述第二频率偏差、所述第一频率偏差，采用第二全阶滑模控制方法计算得到第二控制量；

第二调速器控制模块，用于利用所述第二控制量控制第二发电站的调速器，以调节第二电力网络321的负荷、频率；

在具体实施时，请参考图3，ace1、ace2的输出分别是控制量u1或者u2，其中tg1,tg2为调速器时间常数，tt1,tt2为蒸汽箱时间常数，kr是高压额定值，trh是高压到低压阶段时间，kp1,kp2为发电机常数，tp1,tp2为发电机时间常数，t12,t21为联络线系数，ace1,ace2为区域控制误差，b1,b2为频率响应系数，r1,r2是速度下垂系数，δptie1,δptie2是联络线功率误差，δf1，δf2是频率偏差，δpl1,δpl2是负载扰动，δxg1，δxg2是阀门位置变化，δpg1,δpg2代表的是机械能(其中i＝1,2代表不同的区域)，其中标号1代表的是图3中上半区域，标号2代表的是图3中下半区域。

图3的负荷频率控制包括两个互联区域，每一个区域是由调节器，汽轮机和发电机组成。汽轮机包括相同的类型：非再热汽轮机，并且此系统考虑了调速器死区和发电机变化率的非线性约束。

具体地，在对控制量进行计算时，设置δx＝δf，然后再根据电力系统的传递函数最后求得频率差的三阶导数。设计线性滑模控制的滑模面，再把求得的频率差或者其几阶导数带入到线性滑模控制的滑模面，最后可得控制量。具体地，可以参考上述具体实施方式中的设置方式。

在上述具体实施方式的基础上，在一种具体实施方式中，频率差的三阶导数为：

其中i＝1or2。

滑模面可设计为：

ueq可设计为：

un可设计为：

总的控制量可设计为：

u＝a^-1(ueq+un)，至于本实施例中的参数含义和其他部分的设置，可以参考上述具体实施方式中的有关内容。

具体在实施时，为了实现两个区域的调节一致性，减少不同的调节方式之间可能造成的不同步冲突，可以将两个区域的电力网络的全阶滑模控制方法设置为相同的控制方式，也就是说，可以将所述第一全阶滑模控制方法、第二全阶滑模控制方法均设置为全阶终端滑模控制方法；也可以将所述第一全阶滑模控制方法、第二全阶滑模控制方法均设置为全阶线性滑模控制方法。

请参考4至图9，图4为本发明一种具体实施方式中使用终端全阶滑模控制方法与传统滑模控制方法的频率差的对比图；图5为本发明一种具体实施方式中使用终端全阶滑模控制方法与传统滑模控制方法的联络线功率差的对比图；图6为本发明一种具体实施方式中使用终端全阶滑模控制方法与传统滑模滑模控制方法的区域控制差的对比图；图7为本发明一种具体实施方式中使用线性全阶滑模控制方法与传统滑模控制方法的频率差的对比图；图8为本发明一种具体实施方式中使用线性全阶滑模控制方法与传统滑模控制方法的联络线功率差的对比图；图9为本发明一种具体实施方式中使用线性全阶滑模控制方法与传统滑模控制方法的区域控制差的对比图。

由图4-图9可以看出，全阶滑模控制方法能很好达到控制效果。而且与传统滑模控制做比较，响应时间，超调量和抖振性都明显减小。

请参考图10，图10为本发明又一种具体实施方式所提供的计算机设备的结构示意图。

在本发明的又一种具体实施方式中，本发明实施例提供一种计算机设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

处理器，用于执行所述计算机程序时实现上述任一种具体实施方式所述的电力系统负荷频率控制方法的步骤。

下面参考图10，其示出了适于用来实现本申请实施例的计算机设备的结构示意图。图10示出的计算机设备仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。

如图10所示，计算机系统1000包括处理器(cpu)1001，其可以根据存储在只读存储器(rom)1002中的程序或者从存储部分1008加载到随机访问存储器(ram)1003中的程序而执行各种适当的动作和处理。在ram1003中，还存储有系统1000操作所需的各种程序和数据。

cpu1001、rom1002以及ram1003通过总线1004彼此相连。输入/输出(i/o)接口1003也连接至总线1004。

以下部件连接至i/o接口1005：包括键盘、鼠标等的输入部分1006；包括诸如阴极射线管(crt)、液晶显示器(lcd)等以及扬声器等的输出部分1007；包括硬盘等的存储部分1008；以及包括诸如lan卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分1009。通信部分1009经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器1010也根据需要连接至i/o接口1007。可拆卸介质1011，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器1010上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分1008。

特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分1009从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质1011被安装。在该计算机程序被处理器(cpu)1001执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。需要说明的是，本申请所述的计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(ram)、只读存储器(rom)、可擦式可编程只读存储器(eprom或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(cd-rom)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读介质以外的任何计算机可读介质，该计算机可读介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、rf等等，或者上述的任意合适的组合。

可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向目标的程序设计语言—诸如java、smalltalk、c++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如”c”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。

在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(lan)或广域网(wan)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。

附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

作为本发明的又一具体实施方式，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意具体实施方式中的电力系统负荷频率控制方法的步骤。

该计算机可读介质可以是上述实施例中描述的计算机或终端设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该计算机设备中。上述计算机可读介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该计算机设备执行时，使得该计算机设备：获取电力网络的功率误差、频率偏差；利用所述功率误差、所述频率偏差，采用全阶滑模控制方法计算得到控制量；利用所述控制量控制发电站的调速器，以调节所述电力网络的负荷、频率。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(read-onlymemory，rom)、随机存取存储器(randomaccessmemory，ram)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的一种电力系统负荷频率控制方法及相关产品进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。