一种基于响应的频率稳定判别和控制方法及系统

技术领域

本发明涉及电力系统安全稳定控制技术领域，并且更具体地，涉及一种基于响应的频率稳定判别和控制方法及系统。

背景技术

近年来，高比例新能源电网频率崩溃引发的大停电事故频发。在多直流送端电网，交直流扰动与新能源故障穿越特性耦合，存在新能源机端暂态过电压引发其大规模连锁脱网风险，导致大量有功缺额；在含大量分布式新能源的多直流馈入受端电网，交流故障易引发多回直流换相失败，使得新能源机端低电压引起有功出力大幅下降，导致系统频率快速下跌，威胁电网安全稳定运行。

传统的频率控制主要集中在电力系统的第二道防线和第三道防线，第二道防线基于预想故障集，用离线仿真分析稳定特性、在线匹配控制的策略表模式，无法适应高比例新能源电力系统运行方式多变、故障形态不定的特征，存在失效风险；第三道防线在系统频率严重偏离正常运行状态时，大量采取切机切负荷控制措施，导致大面积停电，影响民生。因此，急需发展快速、准确、可靠的频率稳定判别以及控制技术，不依赖于仿真模型和运行方式，根据实时测量信息，对不同阶段系统的响应过程进行实时判别，适应各种运行方式的变化，使控制不受仿真模型准确性和运行方式不确定性的影响；不针对某个具体故障进行控制，只根据系统主要电气特征量来判别频率稳定性并进行控制，不受故障形态的制约。

因此，需要一种基于响应的频率稳定判别和控制方法及系统。

发明内容

本发明提出一种基于响应的频率稳定判别和控制方法及系统，以解决如何对电网频率稳定进行实时判别和进行控制的问题。

为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种基于响应的频率稳定判别和控制方法，所述方法包括：

根据联络线功率和频率响应信息，确定有功功率扰动区域；

计算所述有功功率扰动区域的扰动功率值，并基于所述扰动功率值确定频率最大偏差预测值；

当所述频率最大偏差预测值大于预设启动阈值时，确定频率失稳，并计算防止频率失稳需求的总控制措施量；

基于所述总控制措施量进行控制措施量的分配，以基于分配的控制措施量进行频率控制。

优选地，其中所述根据联络线功率和频率响应信息，确定有功功率扰动区域，包括：

根据联络线母线采集的每条联络线的频率数据确定每条联络母线的频率变化值，并根据所有联络母线的频率变化值中的最大值确定系统频率变化值；

根据每条联络线的功率变化值之和确定联络断面功率变化值；

根据所述系统频率变化值和联络断面功率变化值确定有功功率扰动区域。

优选地，其中所述根据所述系统频率变化值和联络断面功率变化值确定有功功率扰动区域，包括：

当

当

当

当

其中，

优选地，其中所述计算所述有功功率扰动区域的扰动功率值，并基于所述扰动功率值确定频率最大偏差预测值，包括：

，

，

，

，

，

，

，

其中，

优选地，其中所述计算防止频率失稳需求的总控制措施量，包括：

，

，

，

，

，

，

，

其中，

优选地，其中所述基于所述总控制措施量进行控制措施量的分配，包括：

当

，/>

其中，

当

S1，优先调制直流，所有直流均按照最大调制量进行控制，此时直流j的控制措施量为：

S2，根据频率空间分布特性，对允许切机或切负荷的控制点按照频率偏差由大到小的顺序进行排序，确定控制点序列，并基于所述控制点序列中控制点的顺序进行控制措施量的分配；

其中，对于任一第i个控制点，若该任一第i个控制点的措施量充足，则该任一第i个控制点的控制措施量为：

对于任一第i个控制点，若该任一第i个控制点的措施量不足，则按照该任一第i个控制点的最大量措施量确定该任一第i个控制点的控制措施量，直至控制点r的措施量充足且满足总控制措施量要求时，确定控制点r的控制措施量为：

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于响应的频率稳定判别和控制系统，所述系统包括：

扰动区域确定单元，用于根据联络线功率和频率响应信息，确定有功功率扰动区域；

频率最大偏差确定单元，用于计算所述有功功率扰动区域的扰动功率值，并基于所述扰动功率值确定频率最大偏差预测值；

总控制措施量确定单元，用于当所述频率最大偏差预测值大于预设启动阈值时，确定频率失稳，并计算防止频率失稳需求的总控制措施量；

频率控制量分配单元，用于基于所述总控制措施量进行控制措施量的分配，以基于分配的控制措施量进行频率控制。

优选地，其中所述扰动区域确定单元，根据联络线功率和频率响应信息，确定有功功率扰动区域，包括：

根据联络线母线采集的每条联络线的频率数据确定每条联络母线的频率变化值，并根据所有联络母线的频率变化值中的最大值确定系统频率变化值；

根据每条联络线的功率变化值之和确定联络断面功率变化值；

根据所述系统频率变化值和联络断面功率变化值确定有功功率扰动区域。

优选地，其中所述扰动区域确定单元，根据所述系统频率变化值和联络断面功率变化值确定有功功率扰动区域，包括：

当

当

当

当

其中，

优选地，其中所述频率最大偏差确定单元，计算所述有功功率扰动区域的扰动功率值，并基于所述扰动功率值确定频率最大偏差预测值，包括：

，

，

，

，

，

，

，

其中，

优选地，其中所述总控制措施量确定单元，计算防止频率失稳需求的总控制措施量，包括：

，

，

，

，

，

，

，

其中，

优选地，其中所述频率控制量分配单元，基于所述总控制措施量进行控制措施量的分配，包括：

当

，/>

其中，

当

S1，优先调制直流，所有直流均按照最大调制量进行控制，此时直流j的控制措施量为：

S2，根据频率空间分布特性，对允许切机或切负荷的控制点按照频率偏差由大到小的顺序进行排序，确定控制点序列，并基于所述控制点序列中控制点的顺序进行控制措施量的分配；

其中，对于任一第i个控制点，若该任一第i个控制点的措施量充足，则该任一第i个控制点的控制措施量为：

对于任一第i个控制点，若该任一第i个控制点的措施量不足，则按照该任一第i个控制点的最大量措施量确定该任一第i个控制点的控制措施量，直至控制点r的措施量充足且满足总控制措施量要求时，确定控制点r的控制措施量为：

基于本发明的另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种基于响应的频率稳定判别和控制方法中任一项的步骤。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种电子设备，包括：

上述的计算机可读存储介质；以及

一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。

本发明提供了一种基于响应的频率稳定判别和控制方法及系统，包括：根据联络线功率和频率响应信息，确定有功功率扰动区域；计算所述有功功率扰动区域的扰动功率值，并基于所述扰动功率值确定频率最大偏差预测值；当所述频率最大偏差预测值大于预设启动阈值时，确定频率失稳，并计算防止频率失稳需求的总控制措施量；基于所述总控制措施量进行控制措施量的分配，以基于分配的控制措施量进行频率控制。本发明根据电网关键断面功率以及母线频率实时响应信息，快速判断受扰区域，并准确计算控制措施总量，并基于频率空间分布特性优化配置实时措施量，能够有效应对高比例新能源电力系统运行方式复杂多变、不确定故障扰动形态造成的频率失稳问题，弥补基于预想故障集的传统故障匹配式控制系统难以应对非预想故障形态的缺陷，强化大电网安全稳定屏障。

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的基于响应的频率稳定判别和控制方法100的流程图；

图2为根据本发明实施方式的两机系统的示意图；

图3为故障扰动冲击下未采取控制措施频率偏差曲线图；

图4为根据本发明实施方式的故障扰动冲击下采取本系统控制措施频率偏差曲线图；

图5为根据本发明实施方式的基于响应的频率稳定判别和控制系统500的结构示意图。

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。

本发明的基于响应的频率稳定判别和控制方法包括扰动区域判别、频率极值及时刻预测、控制措施量化计算、控制措施量分配四个部分，基于电网关键节点频率以及重要联络断面功率等实时响应信息，快速定位有功扰动区域，判别频率稳定性并制定相应的控制措施，避免频率最大偏差超过阈值触发电力系统第三道防线，有效应对高比例新能源电力系统不确定运行方式、非预想故障冲击下频率安全稳定问题，弥补传统故障匹配式控制系统的防御缺口，建立大电网频率稳定实时判别、实时决策、实时控制的新型响应驱动式稳定控制模式。

图1为根据本发明实施方式的基于响应的频率稳定判别和控制方法100的流程图。如图1所示，本发明实施方式提供的基于响应的频率稳定判别和控制方法，根据电网关键断面功率以及母线频率实时响应信息，快速判断受扰区域，并准确计算控制措施总量，并基于频率空间分布特性优化配置实时措施量，能够有效应对高比例新能源电力系统运行方式复杂多变、不确定故障扰动形态造成的频率失稳问题，弥补基于预想故障集的传统故障匹配式控制系统难以应对非预想故障形态的缺陷，强化大电网安全稳定屏障。本发明实施方式提供的基于响应的频率稳定判别和控制方法100，从步骤101处开始，在步骤101，根据联络线功率和频率响应信息，确定有功功率扰动区域。

优选地，其中所述根据联络线功率和频率响应信息，确定有功功率扰动区域，包括：

根据联络线母线采集的每条联络线的频率数据确定每条联络母线的频率变化值，并根据所有联络母线的频率变化值中的最大值确定系统频率变化值；

根据每条联络线的功率变化值之和确定联络断面功率变化值；

根据所述系统频率变化值和联络断面功率变化值确定有功功率扰动区域。

优选地，其中所述根据所述系统频率变化值和联络断面功率变化值确定有功功率扰动区域，包括：

当

当

当

当

其中，

在本发明中，根据联络线功率以及频率响应信息，判断有功功率扰动区域。结合图2所示，S1为送端电网区域，S2为受端电网区域，S1和S2之间通过m条交流联络线相连，联络线上功率流向S1至S2为正。

由于频率空间分布特性，同一时刻不同地点频率不完全一样，根据联络线母线采集的频率数据信息，可以计算得到系统频率变化为：

（1）

式中，

联络断面共包含m条联络线，则联络断面功率变化值为：

（2）

式中，

在进行有功功率扰动区域的判断时，首先通过系统频率变化情况，判断系统存在功率盈余或缺额，进一步，再根据联络线功率变化情况，判断功率盈余或缺额发生的区域。具体地，包括：

①

②

③

④

其中，

在步骤102，计算所述有功功率扰动区域的扰动功率值，并基于所述扰动功率值确定频率最大偏差预测值。

优选地，其中所述计算所述有功功率扰动区域的扰动功率值，并基于所述扰动功率值确定频率最大偏差预测值，包括：

，

，

，

，

，

，

，

其中，

在本发明中，在确定扰动区域后，根据响应信息计算扰动功率的大小，实时预测频率最大偏差。具体地，包括：

（1）利用如下公式计算扰动功率：

（3）

式中，Sn为系统额定容量，H为系统惯性常数，由系统运行方式决定；df/dt为扰动初期平均频率变化率；f

其中，扰动时刻确定方法为：实时计算频率变化率，若超过一定阈值df/dt>ε认为发生有功扰动，此时刻为t

（2）根据转子运动方程和系统关键参数信息，计算系统频率响应曲线：

（4）

则频率最大偏差为：

（5）

式中，

在步骤103，当所述频率最大偏差预测值大于预设启动阈值时，确定频率失稳，并计算防止频率失稳需求的总控制措施量。

优选地，其中所述计算防止频率失稳需求的总控制措施量，包括：

，

，

，

，

，

，/>

，

其中，

在本发明中，通过比较频率最大偏差预测值

在本发明中，当确定频率失稳时，将控制措施作为一次扰动考虑，考虑两次阶跃扰动的情况，其扰动功率表达式为：

（6）

式中，

此时频率最大偏差值为：

（7）

最大频率偏差值的出现时间为：

（8）

通过联立式（7）和（8），并令预设的允许的最大频率偏差阈值

在步骤104，基于所述总控制措施量进行控制措施量的分配，以基于分配的控制措施量进行频率控制。

优选地，其中所述基于所述总控制措施量进行控制措施量的分配，包括：

当

，

其中，

当

S1，优先调制直流，所有直流均按照最大调制量进行控制，此时直流j的控制措施量为：

S2，根据频率空间分布特性，对允许切机或切负荷的控制点按照频率偏差由大到小的顺序进行排序，确定控制点序列，并基于所述控制点序列中控制点的顺序进行控制措施量的分配；

其中，对于任一第i个控制点，若该任一第i个控制点的措施量充足，则该任一第i个控制点的控制措施量为：

对于任一第i个控制点，若该任一第i个控制点的措施量不足，则按照该任一第i个控制点的最大量措施量确定该任一第i个控制点的控制措施量，直至控制点r的措施量充足且满足总控制措施量要求时，确定控制点r的控制措施量为：

在本发明中，在确定了频率失稳时需求的总控制措施量后，考虑可控资源特征以及频率空间分布特性，优化分配控制措施，包括：将所需的控制措施总量根据调制直流、切机或切负荷的优先级顺序进行措施量分配。

其中，优先级1为：调制直流，具体调制量分配根据所需措施量以及各直流可调制量按比例分配。优先级2为：电网切机/切负荷量，根据各站点与扰动地点远近进行分配，优先切除距离扰动地点近的机组或负荷。通过同一时刻频率偏差来判断各站点与扰动地点的远近，频率偏差越大，表示距离扰动地点越近，优先切除，措施量不足时依次类推下一个动作站点，直至满足控制量需求。优先级1级别高于优先级2，即优先采取调制直流控制措施。

具体地，控制措施量的分配方式如下：

（1）直流调制量充足时

假设受扰电网共有n条直流，所有直流可调制总量为：

（9）

其中，

若

（10）

式中，

（2）直流调制量不足时

若

①流调制量

优先调制直流，所有直流均按照最大调制量进行控制，直流j的控制措施量为：

（11）

所有直流的直流控制总量为：

（12）

②流切机/切负荷量

首先根据频率空间分布特性，对切机或切负荷的控制点按照频率偏差由大到小的顺序进行排序，确定控制点序列：

（13）

式中，

然后，基于所述控制点序列中控制点的顺序进行控制措施量的分配；其中，对于任一第i个控制点，若该任一第i个控制点的措施量充足，则该任一第i个控制点的控制措施量为：

例如，优先对频率偏差最大的点1实施控制：

其中，若第1个控制点措施量充足，则第1个控制点采取控制措施量为

若第1个控制点措施量不足，则第1个控制点按最大量控制，措施量为

以此类推，对第i个控制点实施控制：

其中，若第i个控制点措施量充足，则第i个控制点采取控制措施量为

若第i个控制点措施量不足，则第i个控制点按最大量控制，措施量为

如图3所示，为故障扰动冲击下未采取控制措施频率偏差曲线图，可以看出不采取控制措施，此时系统频率最大偏差将达到约1.6Hz。如图4所示，为故障扰动冲击下采取本系统控制措施频率偏差曲线图，可以看出根据控制目标频率最大偏差不超0.7Hz计算措施量并施加控制，实际系统频率最大偏差控制在0.6Hz以内。

本发明的方法提出了基于联络线功率和系统频率响应信息的有功扰动区域实时判别方法，能够快速定位扰动区域，为就地采取控制措施奠定基础，有效防止异地控制带来的二次冲击；基于电网关键响应信息，即可快速预测频率极值并实时量化控制措施，不依赖具体的运行方式和特定的故障形态，可有效弥补基于预想故障集的传统故障匹配式控制系统难以应对非预想故障形态的缺陷；计及频率空间分布特性优化配置实时措施量，选择距离故障地点最近的控制点采取控制措施，可更加精准的实施频率防控，减少不平衡功率的串动。

图5为根据本发明实施方式的基于响应的频率稳定判别和控制系统500的结构示意图。如图5所示，本发明实施方式提供的基于响应的频率稳定判别和控制系统500，包括：扰动区域确定单元501、频率最大偏差确定单元502、总控制措施量确定单元503和频率控制量分配单元504。

优选地，所述扰动区域确定单元501，用于根据联络线功率和频率响应信息，确定有功功率扰动区域。

优选地，其中所述扰动区域确定单元501，根据联络线功率和频率响应信息，确定有功功率扰动区域，包括：

根据联络线母线采集的每条联络线的频率数据确定每条联络母线的频率变化值，并根据所有联络母线的频率变化值中的最大值确定系统频率变化值；

根据每条联络线的功率变化值之和确定联络断面功率变化值；

根据所述系统频率变化值和联络断面功率变化值确定有功功率扰动区域。

优选地，其中所述扰动区域确定单元501，根据所述系统频率变化值和联络断面功率变化值确定有功功率扰动区域，包括：

当

当

当

当

其中，

优选地，所述频率最大偏差确定单元502，用于计算所述有功功率扰动区域的扰动功率值，并基于所述扰动功率值确定频率最大偏差预测值。

优选地，其中所述频率最大偏差确定单元502，计算所述有功功率扰动区域的扰动功率值，并基于所述扰动功率值确定频率最大偏差预测值，包括：

，

，

，

，

，

，

，

其中，

优选地，所述总控制措施量确定单元503，用于当所述频率最大偏差预测值大于预设启动阈值时，确定频率失稳，并计算防止频率失稳需求的总控制措施量。

优选地，其中所述总控制措施量确定单元503，计算防止频率失稳需求的总控制措施量，包括：

，

，

，

，

，

，

，

其中，

优选地，所述频率控制量分配单元504，用于基于所述总控制措施量进行控制措施量的分配，以基于分配的控制措施量进行频率控制。

优选地，其中所述频率控制量分配单元504，基于所述总控制措施量进行控制措施量的分配，包括：

当

，

其中，

当

S1，优先调制直流，所有直流均按照最大调制量进行控制，此时直流j的控制措施量为：

S2，根据频率空间分布特性，对允许切机或切负荷的控制点按照频率偏差由大到小的顺序进行排序，确定控制点序列，并基于所述控制点序列中控制点的顺序进行控制措施量的分配；

其中，对于任一第i个控制点，若该任一第i个控制点的措施量充足，则该任一第i个控制点的控制措施量为：

对于任一第i个控制点，若该任一第i个控制点的措施量不足，则按照该任一第i个控制点的最大量措施量确定该任一第i个控制点的控制措施量，直至控制点r的措施量充足且满足总控制措施量要求时，确定控制点r的控制措施量为：

本发明的实施例的基于响应的频率稳定判别和控制系统500与本发明的另一个实施例的基于响应的频率稳定判别和控制方法100相对应，在此不再赘述。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现一种基于响应的频率稳定判别和控制方法中任一项的步骤。

基于本发明的另一方面，本发明提供一种电子设备，包括：

上述的计算机可读存储介质；以及

一个或多个处理器，用于执行所述计算机可读存储介质中的程序。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的保护范围之内。