本發明涉及電力系統穩定與控制技術領域，尤其涉及一種短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統。

背景技術：

隨著多條特高壓直流線路的建設和投運，以及可再生能源接入比例的不斷升高，電網“強直弱交”的矛盾越來越突出，可以理解的是交流側故障可能導致直流線路閉鎖從而引起更大范圍內的暫態能量沖擊，危及電網頻率穩定。在實際工程中，電力系統短期頻率穩定的控制需要考慮如下兩個問題：

(1)電網頻率響應模型參數的準確性。

具體地，電力系統的頻率特性并非固定不變。比如對電網的頻率響應模型參數而言，其等效慣性常數和一次調頻能力取決于發電機組的開機情況，開機越多，系統的慣性常數和一次調頻調差系數就越大。目前電力系統頻率響應預估采用的模型參數為典型值，與實際參數有一定的偏差。風電、光伏等新能源發電機組的慣性常數和一次調頻調差系數遠小于等容量的火電機組，兩者的占比變化極大地影響著電力系統的頻率響應模型參數。而風電、光伏等新能源具有很強的間歇性且難以預測，因此電網頻率響應模型參數的典型值與實際值可能會有較大的偏差，從而影響頻率響應預估的準確性。

(2)頻率控制資源的實時協調優化配置。

具體地，頻率控制資源指的是能夠對電網短期頻率進行控制的各種調頻手段，不同的頻率控制資源具有控制成本和控制效果上的差異，在保證系統頻率控制效果的基礎上如何盡可能地降低控制成本是工程上非常關心的問題。在實際工程中，各頻率控制資源的功率支援裕量并非固定不變，而短期頻率控制的時間尺度短至秒級，這對控制手段協調優化的實時性提出了很高的要求。

因此，為了電力系統短期頻率穩定的控制，上述兩個問題需要解決。

技術實現要素：

本發明旨在至少在一定程度上解決上述兩個問題。

為此，本發明設計了短期頻率穩定的廣域實時協調控制方法與系統，能夠實時準確地獲取電網頻率響應特性，并快速地優化配置頻率控制資源，保障電網的頻率穩定。

為達上述目的，本發明第一方面實施例提出了一種短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統，包括：

頻率響應預估模塊，用于接收負荷模型參數和系統內發電機組實時開機情況，輸出系統頻率響應的特征量；

控制協調優化模塊，用于根據所述系統頻率響應的特征量、各頻率控制子站實時可支援功率量和同種頻率控制資源中的控制子站功率支援成本確定頻率控制指令，以便根據所述頻率控制指令控制各自子站工作。

本發明實施例的短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統，通過頻率響應預估模塊用于接收負荷模型參數和系統內發電機組實時開機情況，輸出系統頻率響應的特征量，控制協調優化模塊用于根據系統頻率響應的特征量、各頻率控制子站實時可支援功率量和同種頻率控制資源中的控制子站功率支援成本確定頻率控制指令，以便根據頻率控制指令控制各自子站工作。由此，能夠實時準確地獲取電網頻率響應特性，并快速地優化配置頻率控制資源，保障電網的頻率穩定。

本發明實施例的短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統還可以包括以下特征：

可選地，所述頻率響應預估模塊包括：系統等效慣性計算單元、一次調頻環節參數計算單元和系統頻率響應計算與評估單元；所述系統等效慣性計算單元，用于根據所述系統內發電機組實時開機情況計算處于開機狀態的發電機的慣性常數的加權平均得到系統的等效慣性常數；所述一次調頻環節參數計算單元，用于根據所述系統內發電機組實時開機情況計算處于開機狀態的發電機調速系統傳遞函數之和得到一次調頻環節傳遞函數；所述系統頻率響應計算與評估單元，用于根據所述負荷模型參數、所述系統的等效慣性常數、所述一次調頻環節傳遞函數和電網實時功缺額得到所述系統頻率響應的特征量。

可選地，所述控制協調優化模塊包括：頻率控制子站離線排序單元、頻率控制資源在線優化配置單元和頻率控制子站動作方案在線制定單元；所述頻率控制子站離線排序單元，用于根據同種頻率控制資源中的控制子站功率支援成本確定子站工作順序；所述頻率控制資源在線優化配置單元，用于所述系統頻率響應的特征量和所述各頻率控制子站實時可支援功率量確定各頻率控制資源的最優功率支援量定值；所述頻率控制子站動作方案在線制定單元根據所述子站工作順序和所述最優功率支援量定值確定所述頻率控制指令。

可選地，所述的系統，還包括：所述系統頻率響應計算與評估單元，還用于在頻率最低點不低于穩定閾值時發出安全提示并存儲頻率擾動數據不進行頻率控制。

可選地，所述系統的等效慣性常數的表達式為：h＝∑hg^*sgxg；其中，hg^*，sg，xg分別為系統內第g臺發電機的慣性常數標幺值、額定容量和開關量。

可選地，所述一次調頻環節傳遞函數的表達式為：其中，kn為系統中第n臺發電機的一次調頻增發功率給定值與系統頻率偏差的比值，xg為常數；tn為系統中第n臺發電機的等效時間常數。

可選地，所述系統頻率響應計算與評估的表達式為：其中，δf為系統頻率與工頻的偏差，g2(s)為負荷頻率響應模型的傳遞函數，h為系統等效慣性常數，g1(s)為一次調頻環節傳遞函數。

可選地，所述根據同種頻率控制資源中的控制子站功率支援成本確定子站工作順序，包括：按照同種頻率控制資源中的控制子站的單位功率支援成本從小到大排序，其中，成本越小，工作優先級越高。

本發明附加的方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。

附圖說明

本發明上述的和/或附加的方面和優點從下面結合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1為本發明實施例提供的一種短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統的結構示意圖；

圖2為本發明實施例提供的另一種短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統的結構示意圖；

圖3為本發明實施例提供的短期頻率響應計算流程框圖；

圖4為本發明實施例提供的頻率控制子站動作方案在線制定算法流程；

圖5為本發明實施例提供的一種短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統的應用場景。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

下面參考附圖描述本發明實施例的短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統。

圖1為本發明實施例提供的一種短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統的結構示意圖。如圖1所示，該短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統包括：頻率響應預估模塊10和控制協調優化模塊20。

其中，頻率響應預估模塊10，用于接收負荷模型參數和系統內發電機組實時開機情況，輸出系統頻率響應的特征量。

具體地，頻率響應預估模塊10接收負荷模型參數和系統內發電機組實時開機情況，在特高壓交直流電網發生直流閉鎖時，根據系統實時功率缺額進行頻率響應的預估。并在預估的頻率響應曲線的最低點低于穩定閾值時輸出系統頻率響應的特征量。

控制協調優化模塊20，用于根據系統頻率響應的特征量、各頻率控制子站實時可支援功率量和同種頻率控制資源中的控制子站功率支援成本確定頻率控制指令，以便根據頻率控制指令控制各自子站工作。

具體地，控制協調優化模塊20根據各頻率控制子站實時可支援功率和各頻率控制子站功率支援成本制定頻率控制指令，一次性下發各頻率控制子站立即執行。其中，頻率控制子站可以包括但不限于直流變電站、抽蓄切泵電站、飛輪儲能電站以及變電站等具有向區域電網提供功率支援功能的電力系統組成單元中的一種或者多種。

進一步地，如圖2所示，頻率響應預估模塊10包括：系統等效慣性計算單元101、一次調頻環節參數計算單元102和系統頻率響應計算與評估單元103；控制協調優化模塊20包括：頻率控制子站離線排序單元201、頻率控制資源在線優化配置單元202和頻率控制子站動作方案在線制定單元203。

其中，系統等效慣性計算單元101，用于根據系統內發電機組實時開機情況計算處于開機狀態的發電機的慣性常數的加權平均得到系統的等效慣性常數。

在本發明的一個實施例中，系統的等效慣性常數的表達式為：

h＝∑hg^*sgxg；其中，h＝∑hg^*sgxg分別為系統內第g臺發電機的慣性常數標幺值、額定容量和開關量。

其中，發電機開機，則對應開關量xg＝1，反之xg＝0。

一次調頻環節參數計算單元102，用于根據系統內發電機組實時開機情況計算處于開機狀態的發電機傳遞函數之和得到一次調頻環節傳遞函數。

在本發明的一個實施例中，一次調頻環節傳遞函數的表達式為：

其中，kn為系統中第n臺發電機的一次調頻增發功率給定值與系統頻率偏差的比值，xg為常數；tn為系統中第n臺發電機的等效時間常數。

具體地，一次調頻環節參數計算部分中，一次調頻環節傳遞函數指的是以系統頻率相對于工頻的偏差(簡稱系統頻率偏差)為輸入，增發功率為輸出的傳遞函數。其計算方式為采集系統內所有發電機的實時開機情況，將處于開機狀態的發電機傳遞函數加和。

系統頻率響應計算與評估單元103，用于根據負荷模型參數、系統的等效慣性常數、一次調頻環節傳遞函數和電網實時功缺額得到系統頻率響應的特征量。

在本發明的一個實施例中，系統頻率響應計算與評估的表達式為：

其中，δf為系統頻率與工頻的偏差，g2(s)為負荷頻率響應模型的傳遞函數，h為系統等效慣性常數，g1(s)為一次調頻環節傳遞函數。

具體地，負荷頻率響應模型為δpl(s)＝g2(s)δf(s)，其中，δpl(s)為δf的頻率變化下，負荷消耗功率的變化量。

下面結合圖3具體描述系統頻率響應計算與評估的具體過程如下：

具體地，首先，基于的系統頻率響應模型，通過實時更新的電網頻率響應模型參數和電網初始功率缺額量求解出系統頻率響應的時域函數，然后限定時間范圍，搜索得頻率最低點。如果該頻率最低點不低于穩定閾值，則發出安全提示，僅存儲頻率擾動數據而不進行頻率控制；如果該頻率最低點低于穩定閾值，則求解并輸出系統頻率響應特征量，進入控制協調優化模塊。系統頻率響應特征量包括系統頻率首次低于穩定閾值的時間以及不施加控制時系統穩態頻率偏差與系統初始功率缺額的比值。

頻率控制子站離線排序單元201，用于根據同頻率控制資源中的控制子站功率支援成本確定子站工作順序。

在本發明的一個實施例中，根據同種頻率控制資源中的控制子站功率支援成本確定子站工作順序，包括：按照同種頻率控制資源中的控制子站的單位功率支援成本從小到大排序，其中，成本越小，工作優先級越高。由此，分別得出各種頻率控制資源中的控制子站動作優先順序表(簡稱優先順序表)。

頻率控制資源在線優化配置單元202，用于系統頻率響應的特征量和各頻率控制子站實時可支援功率量確定各頻率控制資源的最優功率支援量定值。

具體地，優化目標為頻率控制總成本最小和系統穩態頻率偏差絕對值最小，決策變量為各種頻率控制資源的功率支援量給定值，約束條件為系統頻率最小值不低于穩定閾值。這里的系統穩態頻率偏差指的是進行了短期頻率控制后，二次調頻動作前系統頻率達到并持續的穩態值相對于工頻的偏差。為便于說明，定義該優化問題的變量如表1所示：

表1優化問題的符號定義

需要說明的是，各頻率控制資源的功率支援量上限和給定值的數學符號分別為該資源功率支援量的符號右上角加“’”標注和對應符號右上角加“0”標注；如直流線路支援功率上限的符號表示為pd′，給定值表示為pd⁰。該優化問題的優化目標為min(dcc+dfδfs)。

其中，c＝cdpd⁰+cwpw⁰+crpr⁰+cfpf⁰；δf＝(-p0+pw⁰+pr⁰)/k。

其中，優化問題的約束條件為：(1)δfs≥fc-f0、(2)-p0+pd(tb)+pw(tb)+pr(tb)+pf(tb)＞0和(3)(1)為系統穩態頻率不低于穩定閾值；(2)通過保證電網頻率變化率在頻率下降到穩定閾值之前大于或等于0，從而保證電網頻率響應曲線的最低點不會低于穩定閾值。

其中，

頻率控制子站動作方案在線制定單元203，用于根據子站工作順序和最優功率支援量定值確定頻率控制指令。

具體地，作為一種示例，頻率控制子站動作方案在線制定部分首先給所有種類的頻率控制資源編號，然后對于同屬于一種頻率控制資源的頻率控制子站按照控制子站動作優先順序表編號，優先級最高的編號為1，優先級第二的編號為2，以此類推，最后采用如圖4所示的算法流程得出控制指令。為方便說明，采用如表2所示的符號定義：

表2算法流程符號定義

其中，算法輸入n值和所有的pij和pi⁰，運行后，輸出所有的值，xij＝1，對應的頻率控制子站動作，xij＝0，對應的頻率控制子站不動作，所有的xij值的集合即為頻率控制指令。

需要說明的是，系統頻率響應計算與評估單元103，還用于在頻率最低點不低于穩定閾值時發出安全提示并存儲頻率擾動數據不進行頻率控制。即在預估的頻率響應曲線的最低點高于穩定閾值時僅儲存該次頻率擾動數據，不進行下一步動作。

為了本領域人員更加清楚上述實施例的，下面結合4具體應用場景說明如下：

1、短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統根據廣域監測系統提供的數據在線實時地制定出控制方案，發出控制指令。指令發送到頻率控制系統，頻率控制系統動作，完成電力系統短期頻率穩定的控制。

2、廣域監測系統中，各直流監測子站實時監控所在直流線路的輸送功率以及閉鎖信號，當檢測到閉鎖信號時立即將閉鎖信號以及受端電網功率缺額發送至廣域監測主站，主站將數據提供給短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統。受端電網功率缺額即為閉鎖前后兩個采樣時間點所采集的直流線路輸送功率的差值。

2、廣域監測主站設置專門的機組參數數據庫記錄系統內各發電機組的調差系數、響應時間常數等一次調頻能力指標，以及對應機組的開關情況。各發電廠子站實時監控所在發電廠的發電機組的開關情況，并在機組情況發生變化時向廣域監測主站發信，廣域監測主站據此實時更新機組參數數據庫，并將更新數據同步到短期頻率穩定的廣域協調控制系統。

3、廣域監測主站設置專門的數據庫記錄系統內各短期頻率控制資源的實時可支援功率。各短期頻率控制資源的可支援功率為同屬一種頻率控制資源的電站或線路的可支援功率之和。直流監測子站、儲能電站監測子站、變電站監測子站實時監控所在線路、電站的可支援功率，按一定頻率向廣域監測主站發信，主站據此實時更新各頻率控制資源的可支援功率，并將更新數據同步到短期頻率穩定的廣域協調控制系統。

4、短期頻率穩定的廣域協調控制系統根據廣域監測主站提供的數據制定控制指令，指令發送到頻率控制主站。

5、頻率控制主站向各控制子站發送命令，控制子站接到命令后立即執行，完成短期頻率穩定控制。

本發明實施例的短期頻率穩定的廣域實時協調控制系統，通過頻率響應預估模塊用于接收負荷模型參數和系統內發電機組實時開機情況，輸出系統頻率響應的特征量，控制協調優化模塊用于根據系統頻率響應的特征量、各頻率控制子站實時可支援功率量和同頻率控制資源中的控制子站功率支援成本確定頻率控制指令，以便根據頻率控制指令控制各自子站工作。由此，能夠實時準確地獲取電網頻率響應特性，并快速地優化配置頻率控制資源，保障電網的頻率穩定。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。

此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括至少一個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是至少兩個，例如兩個，三個等，除非另有明確具體的限定。

流程圖中或在此以其他方式描述的任何過程或方法描述可以被理解為，表示包括一個或更多個用于實現定制邏輯功能或過程的步驟的可執行指令的代碼的模塊、片段或部分，并且本發明的優選實施方式的范圍包括另外的實現，其中可以不按所示出或討論的順序，包括根據所涉及的功能按基本同時的方式或按相反的順序，來執行功能，這應被本發明的實施例所屬技術領域的技術人員所理解。

在流程圖中表示或在此以其他方式描述的邏輯和/或步驟，例如，可以被認為是用于實現邏輯功能的可執行指令的定序列表，可以具體實現在任何計算機可讀介質中，以供指令執行系統、裝置或設備(如基于計算機的系統、包括處理器的系統或其他可以從指令執行系統、裝置或設備取指令并執行指令的系統)使用，或結合這些指令執行系統、裝置或設備而使用。就本說明書而言，"計算機可讀介質"可以是任何可以包含、存儲、通信、傳播或傳輸程序以供指令執行系統、裝置或設備或結合這些指令執行系統、裝置或設備而使用的裝置。計算機可讀介質的更具體的示例(非窮盡性列表)包括以下：具有一個或多個布線的電連接部(電子裝置)，便攜式計算機盤盒(磁裝置)，隨機存取存儲器(ram)，只讀存儲器(rom)，可擦除可編輯只讀存儲器(eprom或閃速存儲器)，光纖裝置，以及便攜式光盤只讀存儲器(cdrom)。另外，計算機可讀介質甚至可以是可在其上打印所述程序的紙或其他合適的介質，因為可以例如通過對紙或其他介質進行光學掃描，接著進行編輯、解譯或必要時以其他合適方式進行處理來以電子方式獲得所述程序，然后將其存儲在計算機存儲器中。

應當理解，本發明的各部分可以用硬件、軟件、固件或它們的組合來實現。在上述實施方式中，多個步驟或方法可以用存儲在存儲器中且由合適的指令執行系統執行的軟件或固件來實現。如，如果用硬件來實現和在另一實施方式中一樣，可用本領域公知的下列技術中的任一項或他們的組合來實現：具有用于對數據信號實現邏輯功能的邏輯門電路的離散邏輯電路，具有合適的組合邏輯門電路的專用集成電路，可編程門陣列(pga)，現場可編程門陣列(fpga)等。

本技術領域的普通技術人員可以理解實現上述實施例方法攜帶的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬件完成，所述的程序可以存儲于一種計算機可讀存儲介質中，該程序在執行時，包括方法實施例的步驟之一或其組合。

此外，在本發明各個實施例中的各功能單元可以集成在一個處理模塊中，也可以是各個單元單獨物理存在，也可以兩個或兩個以上單元集成在一個模塊中。上述集成的模塊既可以采用硬件的形式實現，也可以采用軟件功能模塊的形式實現。所述集成的模塊如果以軟件功能模塊的形式實現并作為獨立的產品銷售或使用時，也可以存儲在一個計算機可讀取存儲介質中。

上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁盤或光盤等。盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。