（电力系统及其自动化专业论文）区域电力市场下agc控制模式及需求预测.pdf

区域电力市场一1 - a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e r e s t r u c t u r i n g o fe l e c t r i c i n d u s t r y i no u r e o u n t r y i s c o n v e r s i n g f r o m p r o v i n c i a lm a r k e t t or e g i o n a lm a r k e t t h ee x c e l l e n c yo f r e g i o n a lm a r k e t i sp r o m i n e n t s u c ha sf u l lc o m p e t e 、o p t i m i z er e s o u , r c e s oi ts h o u l db en e w l yc o n s t r u c t e df o rt h e c o n t r o lm o d eo fe n e r g ym a r k e ta n da n c i l l a r ys e r v i c em a r k e t b e i n gt h em o s tp a r to f a n c i l l a r ys e r v i c e ，t h ec o n t r o lm o d e o fa g ci ss i g n i f i c a n c tf o rt h em a n a g eo f r e g i o n a l m a r k e t a n d t h es t a b i l i z a t i o no f e l e c t r i cp o w e r s y s t e m a f t e rg i v i n ga l la l l a s p e c to ff r e q u e n c yc o n t r o lo fi n t e r c o n n e c t e da r e a s ，t h ep a p e r a n a l y s et h ec o n t r o lm o d e o fa g ei nr e g i o n a lm a r k e ti n t ot h r e em o d e s c o m p a r i n g t h ee x c e l l e n c ya n dd i s a d v a n t a g e so fe a c hc o n t r o lm o d ei nt h ea s p e c t so fb a s i c s t r u c t u r e 、丹e q u e n c yr e s p o n s em o d e l , t h ep a p e ra d v a n c e s a na r i t h m e t i co fa g e c a p a c i t yr e q u i r e m e n t sf o r e c a s ti ne a c hc o n t r o lm o d e ，a n dp r o g r a m m e d o n es o f e w a r e t om a k et h ea r i t h m e t i ci nu s e f u lc o u n t i n gt h er e a ll o a dd a t ao fh u a d o n gp o w e r s y s t e m ，t h ep a p e rg e t t h ec o n c l u s i o no fi t sm o r ee f f e c t i v ei n c o n f i g u r et h ea g c s e r v i c ei nac e n t r a l i z e ds y s t e mt h a nd i s p e r s ei t t h ec o n c l u s i o nc a l lb er e c o m m e n d t o t h es u p e r v i s ed e p a r t m e n td u r i n ge l e c t r i cs y s t e mr e s t r u c t u r i n g k e y w o r d s ：r e g i o n a l p o w e rm a r 】( e t ，a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n 仃o l ，f r e q u e n c yc o n t r o l a g c r e q u i r e m e n tf o r e a s t i i 区域电力市场下a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 。1 互联系统频率控制分析 1 1 1 与系统频率有关的元件模型” ( 1 ) 发电机模型 发电机的物理模型如图卜l 所示。 图l - l 转速稳定的条件是机械转矩和电磁转矩相等与i 入的物理参数如下： i ：转动惯量t 0 。h ：机械转矩 伐：角加速度t 。虹：电磁转矩 ：转速p m 。h ：机械功率 p 。l e c ：电磁功率p 。e t 净功率 t n 。：净转矩9 ：功率角 则有如下推导： 1 d = y w p 。= 羽。t 1 咒，= r 一一 p 。= p 。 一p “ 甜= 嘞+ 掰j a o ) = 0 3 7 - = 耐j 丛笋= 口 址肚+ 删瑚一肿= 争2 j 学 区域电力市场下a g c 控制堡苎垒堂查堡型 塑兰查堂堡主兰竺笙兰 ，一一。 将( 3 ) 式代入( 1 ) 式得： i d ( a c o ) ：( 凡。+ l 。) 一( 死，。+ 凡。) 优 。l 。= 毛。 s d ( a o 。2 ) ：( l 。一) 。 d f 由( 2 ) 式得： ( p 。圳+ 。p 一。) 一( 只。+ p 咖) = ( 珊。+ a o ( t - - 。+ l “一) 一( z 矧，+ z “) 。只= 尸。7 二。= t 。 ，p 。一a 只k = ( 。+ ) ( r 一z 舯) 且, i i a p 一p f h = 0 3 。( z j 时一7 k ) + 国( 一z 栅) 忽略二次项简化得： 尸k “一r 虹= 。( 7 k 一+ 7 乙c ) 将( 5 ) 式代入上式有： 蟑。一心。：，l 垫挈 a l 经拉氏变换有： a p 。m ( s ) 一只n 。( s ) = 。i s a c o ( s ) 设m = im 为惯性时间常数 则有传递框图如图1 2 所示( 标幺表示时，f 和u 值相等) 。 图1 - 2 ( 2 ) 负荷模型嘲 根据有功负荷与频率的关系，可将负荷分为以下几类： 1 ) 频率变化基本无关的负荷，如照明、电热和整流负荷等： 2 ) 与频率成正比的负荷，如切削机床、球蘑机、往复式水泵、压缩机等； 3 ) 与频率的二次方成正比的负荷，如变压器中的涡流损耗： 2 区域电力市场下a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 4 ) 与频率的三次方成正比的负荷，如静水头阻力不大的循环水泵等； 5 ) 与频率的更高次方成正比的负荷，如静水头阻力很大的给水泵等。 系统实际负荷是上述各类负荷的组合，即有： r = m 几+ a - 凡唔，+ 口：几c 丢，2 + 4 ，以唔，3 + + 口。k 唼，“ 其中p d 频率为f 时整个系统的有功负荷 p d e 频率为额定值时整个系统的有功功率 a i 与频率的i 次方成正比的负荷占p d 。的份额 以p d e 和分别作为功率和频率的基准值，则有： p 。= a 。+ c h f + 口z ，2 + 口，f 3 + + a f ” 用曲线表示则如图1 3 所示。 p n i么。 卜彳。 ，自l j i 图1 - 3 由图可知，在额定频率f e 时，系统负荷功率为p m ：当频率下降时，负荷功 率将减少；当频率升高时，负荷功率将增加。这就是说，当系统中有功功率失 去平衡而引起频率变化时，系统负荷也参与对频率的调节，其特性将有助于系 统中有功功率在新的频率值下重新获得平衡，这种现象称为负荷的频率调节效 应。定义负荷的频率静态效应系数为： k o = 等( m w h z ) 用标幺值表魏艮= 券刚 将上述特性曲线在额定点一次线性化，则可以得出：( 均由标么值表示) p 。= 乳+ k 。弩 a p , 。= p d 其中，p l 为与频率无关的负荷，将负荷与发电机模型合并，如图1 - 4 所示。 区域电力市场f a g c 控制模式及需求预测浙江大学硕士学位论文 化简： 得如图1 5 所示结果。 图1 - 4 l 删2 土m 忍s + 1 2 丽1 二忍+ 1 腑 图1 - 5 ( 3 ) 调速器模型( 频率一次调节控制单元) 1 ) 恒速调节控制单元 调速器的物理模型如图1 6 所示。 图1 - 6 由于积分环节的动作，只有f 变成零时，系统才达到稳定值，也即实现了 频率的无差调节。但是恒速调节控制器不能用于两台或多台机组并列运行，因 为这要求每一台发电机组都准确地具有完全相同的速度。否则每一台机组都力 图控制系统以自己的设定速度运行，各机组间不能实现负荷的合理分配，因此 引入反馈环节。 2 ) 用调差特性作一次频率控制 如图1 7 所示引入反馈环节，其中l r e f 为负荷整定值，r 为调速器调差系数， k g 为调速器积分常数。 4 区域电力市场f a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 - 蒸汽阀门卜_ 原动机 ：二二二二二 二二二 速度测量装置 一一1 一一j - j 一广 p v * l u 。； 一一一 一 f f i ：r 。= 卜 三卜一。r v 二一 图1 7 对图1 7 虚线部分进行简化，可得如图1 8 所示结果。 图1 - 8 将负荷整定值l 。f 提取出反馈环节后，得如图l 一9 所示结果。 图1 - 9 将反馈环节的传递函数进行化简，所得结果如图1 - 1 0 所示。 缸 耶) 2 东2 五12 五i l r2 i 1 + 忑1 札= 扣有 sk ck 6 rk 。r 一 一 一一 区域电力市场下a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 l r e f 图l - 1 0 t o 为调速器时间常数，最后得到总的反馈框图如图1 - 1 1 所示。 r r 一 五0 二一l _ 一! l _ 前一上一 垒幽譬 一 。到 f + 匕兰? 一 lref 图1 1 l ( 4 ) 原动机模型 在汽轮机中，阀门位置的改变使进汽量变化，从而导致发电机出力的增减。 由于调节阀门与第喷嘴间有一定的空间存在，当阀门开启或关闭时，进入阀 门的蒸汽量虽有改变，但这个空间的压力却不能突变。这就形成了机械功率滞 后于阀1 3 开度变化的现象，称为汽容影响。在大容量的汽轮机中，汽容对调节 过程的影响很大。这种现象可用一惯性环节来表示。对于再热式汽轮机还要考 虑再热段的充气时延。以无再热的的汽轮机为例，其框图如图l 1 2 所示。 a p v a l u e 厂广 a p m e c h 1 五西一 图1 1 2 再热式汽轮机其框图如图1 1 3 所示。其中t s ，t r 分别为汽门蒸汽容积的时 i 训常数、中间再热器蒸汽容积的时间常数。 o v a t “e l + g l 尸m e ( ( 1 + s t , ) o + s t , ) 图1 - 1 3 综合以上模型，具有频率一次调节环节的总体系统框图如图l 一1 4 所示。 6 区域电力市场下a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 图1 1 4 ( 5 ) 联络线模型 假定系统1 与系统2 通过联络线相连，忽略联络线线损，联络线上输送的 有功功率为： p - ：= l u - l + i u ：i + 了1 _ s i n 占z = l u ，l + j uz 1 + 一s i n ( 巧一占：) a 1 2 1 2 尸- ：= i u , 4 i uz 。i 弋 c o s ( 占一j m ) + ( 占- 一a 6 ：) 令丁。= i u 。i + f u2 0 | 弋 c o s ( 占一。一占”) 则只：= t 。( a 6 一占：) 3 7 、a w = z 蚍学 矾= 孤f2 n 4 f t 出一f 2 u v ，d t ) 经拉良变换后有： 肿，：( s ) ；2 刀。一厂。( s ) 一! ，( 5 ) ：2 万r o a f ( s ) 一v ：( s ) 】 令r ：2 玎。则有尸：( s ) ：鱼矿，( j ) 一，：( s ) 】 s 最后得到联络线模型框图如图1 1 5 所示。 图1 1 5 区域电力市场下a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕十学位论文 1 _ 1 2 互联系统频率控制的一次调节 将两个一次调节系统与联络线模型相连，得到模型如图1 1 6 所示。 i ! t1 - 1 6 ( 1 ) 用传递函数进行静态响应分析 图1 - 1 6 所示模型中：l l 、l 2 为手动信号；p 。e c h l 、p m e 。h 2 为发电机机械功 率；p l l 、n p l 2 分别为区域一、二的负荷波动。得出传递函数为： ( 厶一去厂如) ) + 丁丢i + 丁去i 】一r 如卜r 。( 6 f 心) 一v t ( 劝 瓦 丽= 厂，( s ) ( l , - 1 a f + 志+ 志卜业如) + r 。( s f 如) 一厂z ( 跏) 丽1 = ，2 ( s ) 为简化起见，定义 k o , + s m + 1 ( l 十一) + l ：4 r i 、1 + s t g - 1 + s t s t s k 。+ j m ：+ j 一( l 。l ) + l ：爿： r2 、1 + s t 6 21 + s t s2 。s 假设r 知) = 垒s 鱼、叱：( s ) = 垒 ，且厶、厶= o ，则有 一屹l + 4 一二蛆2 颈( s ) = i 一； 4 爿：一 区域电力市场1 ：a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 一蝇，+ a 1 一三蝇， 训2 育 1 蜊咖粤矾矿弘惹。 当一次调节结束后，频率在额定值附近稳定下来，但实现的不是无差调节。 ( 2 ) 用静态特性曲线进行静态响应分析1 4 用静态特性曲线分析同样可以得到上述用传递函数得到的静态响应结果。 如图1 1 7 a 所示，曲线p g l 为区域一发电机调速器的频率特性嗌线( 斜率为 1 r 1 ) ，曲线pl l 为区域的负荷频率特性曲线( 斜率为k d i ) ；如图i - 1 7 b 所示， 曲线p g 2 为区域二发电机调速器的频率特性曲线( 斜率为一l r 2 ) ，曲线p l 2 为区域 二的负荷频率特性曲线( 斜率为k d 2 ) 。 f 7 兰止一 ) ， 一 庆域一区域二 图i - 1 7 a图1 - 1 7 b n n n - - n g n 发生p l l 时，负荷曲线由p l l 到p l i ，如果区域一为孤立系 统，则频率将下降到f ：。而一旦两系统互联，则静态响应计算如下： 已。d 一弓一r 1 = 五k d l 只+ b = 如+ k d 2 ； 蛾e c h l 一- - 一- - 警 叱。：一竽 “、 颐= 馘 9 区域电力市场fa g c 控制模式及需求预测 浙江人学硕士学位论文 黼叫钨2 意 a p 7 可见区域二通过联络线对区域一进行了支援，使得频率稳定在f 。由区域 一一次调节产生的有功盈余ap l 和区域二一次调节功率ap 2 ( 通过联络线送入 区域一) 共同承担了区域一负荷缺额p l i 。其中： 1 1 3 且联系统频率控制的二次调节 联合电力系统的二次调频从根本上来说就是当发生有功功率平衡破坏时 ( 如负荷增加、减少或发电机跳闸等) ，在一次控制实现的频率和联络线潮流有 差调节基础上，各个区域启动辅助控制环节，通过改变发电机调速器整定以使 有功功率重新达到额定点上的平衡，即实现频率的无差调节。通常把本区域调 频过程中产生调节( 控制) 信号称为区域控制误差a c e ( a r e ac o n t r o le r r o r ) ， 这个信号通过恢复性积分环节作用于发电机，如图l 1 8 所示。 舱! _ 一旦i苎兰 出力照定 l l 图1 - 1 8 ( 1 ) 联合电力系统频率二次调节控制方式介绍【7 】 8 1 根据控制目的的不同，互联系统中单个区域的二次调频对应不同的a c e 定 义有以下三种控制方式： 1 ) a c e 一f 由于积分控制环节的作用，达到静态稳定时f = o ，也即实现频率 无差调节，故称为恒定频率控制( f f c ：f l a tf r e q u e n c yc o n t r 0 1 ) 2 ) a c e - - ap 。，由于积分控制环节的作用，达到静态稳定时p t = o ，也即实现联络 1 0 枣 )d k+ 上r ( 区域电力市场f a g c 控制模式及需求预测浙江大学硕士学位论文 线保持计划值这一目标，故称为瞳定净交换功率控制( c n i c ：c o n s t a n tn e t i n t e r c h a n g ec o n t r 0 1 ) 3 ) a c e = b f + 6 p t ( b ：0 ) ，此时将联络线功率偏差和频率偏差都引入组成控制信 号，其中b 为频率偏差系数，该方式称为联络线和频率偏差控制( t b c ：t i e l i n e b i a sc o n t r 0 1 ) 将上述单区域二次调频方式进行组合，可以实现多种互联系统频率无差调节 的方案，这些方案主要有： 1 ) 在整个互联系统中指定一个区域用来调节系统频率( 也即采用f f c 控制方 式) ，而其他区域则致力于使各个区域间联络线功率潮流维持在计划值( 也 即采用c n i c 控制方式) 。这种方式的缺陷是将引起过多的区域间无意交换。 2 ) 整个互联系统中指定一个区域用来调节系统频率( 也即采用f f c 控制方 式) ，而其他区域则不参加二次调频，在有功失衡过程中只利用一次调节产 生的裕量进行频率支援。这种方式的缺陷是负荷的缺额均由采用f f c 的区域 承担，使之负担过重。 3 ) 互联系统均采用f f c 控制方式，这种方式在实践中存在的困难是由于各子 系统频率测量的误差，导致系统间有功功率的振荡。 4 ) 互联系统均采用c n i c 控制方式，这种方式同样有前述第三种方式的缺陷， 同时在系统发生有功失衡时不能够进行相互之间的支援，也无法保证频率的 恒定。 5 ) 互联系统均采用t b c 控制方式，这种方式是由科恩首先提出来，并且已广 泛地应用在互联系统的自动发电控制中，这种方式的优越性将在下面的文章 中详述。 ( 2 ) t b c 控制方式下的互联系统频率控制 t b c 控制方式下的互联系统模型如图1 1 9 所示。 区域电力市场下a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 。 幽1 - 1 9 当区域一发生负荷非计划增加p l i ，区域二发生负荷增加p l 2 时，可按一 次调频方程式进行求解，得： 掣5 1 + 1 + g o , + g o , + i 工赢 r r zr i 尺z c 去池，+ i 聂- a p i 1 - + + i 登纛 r ，r z月r 2 此时取频率偏差系数b i _ o 。( 系统自然频率特性系数，t = + k o ，) ；b e = b 。 ( 自然频率特性系数，屈= 亡+ k o ：) 则a c e 的值分别为： a c e ，= b ，r 。+ p r = 卢a f ，+ l a p r = 一尸。t a c e l = b 2 鹭l 一p f = p t a f l 一厶p t = 一p l l 同时由于积分环节的存在可以得出最终达到稳态时 a c e - = b a f , + a p t = 0 a c e , = b , a f ：一曲= 0 ，一，： ( 3 ) ( 4 ) ( 1 ) ( 2 ) 因为b 、丑：不为零，所以稳态响应为： a f = a f ：= 0 a p ，= 0 因此，采用t b c 控制方式可实现频率的无差调节，同时实现本区域的有功 缺额由本区域的调频机组承担( 单个区域的调度中心通过分配系数的设定将 a c e 分配到各调频机组) ，而其他区域原则上只参加一次调频，通过联络线在 区域电力市场ra g c 控制模式及需求预测 浙江人学硕士学位论文 频率下降的初期进行支援。随着频率的恢复，联络线上的支援功率趋向零，联 络线上功率恢复为计划值。 1 2 自动发电控制( a g c ) 控制准则 自动发电控制( a g c ) 是电力系统负荷频率控制( l f c ) 的重要技术手段。 在互联电力系统中，各区域承担各自的负荷，与外区域按合同买卖电力。各区 域的调度中心要维持额定系统频率，维持区域间净交换功率计划值，并希望区 域运行最经济。在这种情况下，依照一种什么样的标准可以对联网区域实现考 核，从而既保证整个电网的安全稳定经济运行，又兼顾各个控制区域的利益是 大家都十分关心的问题。九十年代中后期开始，我国各大电网陆续开始对联网 区域实施n e r c ( 北美电力可靠性委员会) 的c p c 标准考核。实践证明这种方 法对促进电网的整体自动化水平很有作用，尤其使各电厂的a g c 工作有了很大 的提高。但c p c 标准中由于不考虑a c e 值对频率的贡献，从而不仅影响整个 电网的频率控制，而且使有些区域的利益受到损害。 n e r c 于1 9 9 6 年提出了一种基于严密的数学统计方法的新的考核控制区 域的标准，即控制性能标准c p s ( c o n t r o lp e r f o r m a n c es t a n d a r d ) 。这种标准基 于对整个电网的频率的贡献进行a c e 评价，从而使控制目标成为整个电网的安 全稳定控制，最大程度地满足了电网控制需要，并使大多数区域的经济利益得 到了保证。本节将对n e r c 的c p c 、c p s 系列标准作一一介绍。 1 2 i c p c 控制标准 n e r c 在1 9 8 3 年制定c p c 准则，它包括a 1 、a 2 、b 1 、b 2 四条准则。我国华 东电网于九十年代中期开始应用【l 。其中 a 1 准则过零点。a l 准则要求一个控制区的区域控制偏差( a c e ) 每十 分钟必须过零一次，目的是使不当交换的累积趋向减至最小； a 2 准则l d 一致性。a 2 准则要求在每小时内的6 个十分种期间的每一个 平均a c e 都在规定的极限内，该极限称之为l d 。这个准则以 规定一个控制区a c e 的平均最高范围来补充a 1 准则。 这里j 区域控制误差a c e 被定义为： a c e = ( i a - i s ) + 1 0 b ( f a f b ) 其中i a 和i s 分别代表实际交换潮流和计划交换潮流，f a 和f b 分别代表实 区域电力市场下a g c 控制模式及需求预测浙江大学硕士学位论文 际频率和额定频率。a c e 中不包含偏移量( 例如单方无意电量偿还，自动时差 纠正等) 。 n e r c 要求各控制区域对a l 、a 2 准则的控制合格率在9 0 以上。通过执行a l 、 a 2 准则，使各控制区域的a c e 始终接近于零，从而保证负荷与发电、计划交换 功率与实际交换功率间的平衡。 随着电网的发展以及电网自动化水平的提高。a 1 、a 2 准则在实践中的一些 缺陷逐渐地暴露了出来，这些缺陷主要有： 1 a 1 、a 2 准则对a c e 值可能提供对频率的支持视而不见。a 1 指标要求a c e 每 十分钟必须过零一次，正常情况下是合理的，其无意交换电量可按高峰和 低谷时段分别偿还。但如果此时a c e 的方向正好对频率的偏移起制约作用， 为了满足a l 指标又不得不将a c e 向反方向调节以便过零，反而加大了频率 的偏移。 2 a 2 指标即a c e 的带宽较窄且恒定，需要较多机组进行快速、频繁调节，运 行费用较大。 3 a 1 、a 2 准则对a c e 离限不论大小一样看待，如对a c e 超限i o m w 和超限5 0 m w 没有指标加以区分。 4 a 2 准则要求各控制区域严格按l d 来控制a c e 的十分钟平均值，从而在某控 制区域发生事故时，与之互联的控制区域在未改变交换计划时，难以作出 较大的支援。一般情况下，控制指标应该允许这种情况下的紧急支援，事 后再作交换计划的调整。 a 1 、a 2 准则是依据运行经验制订的，缺乏理论基础。因此针对以上缺陷，n e r c 于1 9 9 6 年提出了一种全新的控制性能标准c p s 标准。c p s 是一种对所有控 制区域进行评价的方法，由两部分组成，一为用统计学方法测a c e 变化和其与 频差关系，二为用统计学方法来限制净非计划潮流的幅度。 1 2 2 c p s 控制标准 n e r c 在1 9 9 7 年制定c p s d c s 准则，它包括c p s l 、c p s 2 、d c s 三条准则。 其中： 1 c p s l 标准 对于一个给定控制区域，c p s l 标准目标是使频率偏差在允许范围内，为达 到此目标，各区域采取相应控制手段使得能量趋于平衡。由于对区域考核为了 不局限于短时间意义不大的考核，n e r c 性能评价委员会选择1 2 个月作为实际 区域电力市场f a g c 控制模式及需求预测浙江大学硕士学位论文 考核时间。根据考核目标和考核时间，c p s i 表达式为： c p s l = r 2 一c f ) 1 0 0 ( 1 ) 舣：! 型竺篷乜型型定义： = 上上二= 2 ( 2 ) 式中，s 是给定一年内分钟频率偏x 差2 c f 1 平均值目标值；b 为控制区域的 频率偏差系数。 i 当1 0 0 s c p s l 2 0 0 时，e p o 0 时，控制区域扩大了频率偏差： 当r 0 时，控制区域降低了频率偏差。 联络线交换功率和频差关系说明了联络线对一个区域发生频率偏差的 影响作用，同时说明了联网可以使得区域间的互相支援等优点。 f f c 模式下，对于个孤立网络，不存在与其他电网相联关系，因此对 于频差控制只能依靠自己的a g c 调节作用，而没有联络线的贡献，因此 a c e = 一l o b a r ，它可作为t b c 模式下的特殊形式，即：r = 0 。此时c p s l 标准变为： 区域电力市场下a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 a v g 岫 爿嘲。( v ) 2 s 2 该式体现了对个孤立区域自身a g c 调节性能评价标准。 i i 当c p s l 2 0 0 时即c f s o 时， ( 4 ) 爿嘶。， a v g , m m ( a c e ) a v g t 。( v ) ) - 0 ，这说明在这段时间内，a c e 对互联电网的频率质量是有帮助的； i i i 当c p s l 1 时， 爿喝“。a c e “眄。 玎 此时a c e 对电网频率质量的影响已超过了所允许的范围。 值得注意的是，1 0 0 和2 0 0 这两个关键点中，1 0 0 这个关键点是相 对的，它与s 和b 的取值有关，即与电网频率质量要求及控制区域在电网中 承担的频率调节责任大小有关；而2 0 0 这个关键点是绝对的，它是区分 a c e 对电网频率是有帮助的还是有影响的分水岭。 2 c p s 2 标准 c p s 2 标准用来达到控制非计划交换电量的目的，因此在f f c 模式下不需 要该标准，它表达式为： a v g l o m i n ( a c e a “。) l a 其中：l 。= 1 6 5 + 曷。x ( - 1 0 b ) ( - i o b , ) ；b 为控制区域的频率偏差系数，b 为 整个互联电网的频率偏差系数，岛。为互联电网对全年十分钟频率平均偏差的均 方根值的控制目标值。n e r c 认为控制区域a c e 十分钟平均值是符合正态分布 性质的。为满足频率质量要求，控制区域的a c e l 0 分钟平均值应满足 j = 毛。x ( ：- i o b , ) ( - i o b , ) 的正态分布。n e r c 对c p s 2 合格率的要求是9 0 以上， 根据正态分布特点，分布在( 一1 6 5 6 ，1 6 5 6 ) 范围内的事件概率为9 0 ，因此 用了1 6 5 为系数。 区域电力市场f a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 3 c p s 标准示意图 该示意图是由美国t v a 公司根据c p s l 、c p s 2 标准制定的a c e 控制区域 示意图，其中阴影部分为控制范围。该图示直观描述了各行点对频率偏差的影 响，从而根据运行点在图中的位置，有利于采取适当的控制行为以减小偏差。 c p s l 山盘 删聊 c f s 2 i 1 6 m w 1 1 6 矿夕7 铃蕊钐织_ ， 了，、， 7 7 。：，杉哆哆物多z ? 4 ， ，z 赢- ，j 图1 - 1 9c p s l 、c p s 2 准则下的控制区域不恿图 4 c p s 标准优点 1 )c p s l 通过测量a c e 对频率的贡献来实现频率的控制，而c p s 2 主要 通过限制非计划潮流来保证联络线及互联网络安全，并体现各控制区域经 济上的公平性。而且两个参数都是基于数学统计方法，有明显的理论依据； 2 )c p s 充分考虑a c e 对频差影响，以频率偏差控制为目标，只要支持 频率，比较大的a c e 值仍不予惩罚。但是，区域达到c p s 一致时，当频率 向归零方向变化时，控制区域必须进行控制保证迅速减发，而不至于因为 频率变化影响指标。c p s 在一定条件下缓解调节压力，使它们可以节约调 节费用，减少机械磨损。 3 )c p s l 提供了一种以频率为目标的目的导向方法。它只关心控制所需 结果，忽视控制方法和过程。这种体制适应了发电和负荷不平衡的特点， 着眼于更长期的控制，而不是因为短期控制目标需要从而对经常的a c e 过 零而支付大量可能并非有用的调节费用。 4 )c p s 对各控制区域对电网频率质量的“功过”评价十分合理，特别 有利于某一控制区域发生事故时，其它控制区域对其进行支援，有利于充 分发挥大电网的优越性。 5 )c p s l 指标每分钟计算一次，以一个平行移动年作平均，c p s 2 的指 1 7 区域电力市场下a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 标以每十分钟计算一次，以一个平行移动月作平均，因此它们都是考察对 一个控制区域在频率误差控制方面的长期表现。 5 c p s 标准缺点 c p s 系列标准的主要不足在于它对数据采样和处理要求更高，因此相关 的技术手段要求提高，且控制效果不够直观。另外，这种控制标准下无意交 换电量可能会增大。 1 3 小结 本章从对电力系统元件的建模入手，建立起了对互联系统的一次频率控制 和二次频率控制模型，并分析了各种二次控制策略的组合，对现今广泛应用的 t b c 控制模式作了深入的分析。通过建立起互联电力系统频率控制方面的基本 概念，为下章的区域电力市场下频率控制模式分析做准备。 区域电力市场下a g c 控制模式及需求预测浙江大学硕士学位论文 第二章区域电力市场频率控制模式研究 我国电力工业改革已经从前期的省级电力市场试点，转变为建立打破省际间 市场壁垒，构建政府监管下的公平竞争、开放有序的区域电力市场。在区域电 力市场中，各相关省级电力系统的电能资源、备用资源通常具有一定的互补性， 在紧急情况下可以通过互供备用、相互支援，从而有效地提高全系统的运行安 全。但是j 我国的电力系统是以行政区划为基础的，各省级电力系统的频率控 制模式基本上是以满足本区域内系统安全稳定的要求来确定，势必不能满足区 域电力市场环境下的要求。因此本章对区域电力市场下可能实旌的三种频率控 制模式从基本结构、动静态模型等方面进行了研究。 2 1 统一频率控制模式 2 1 1 基本结构 如前1 1 3 节中所述，统一频率控制模式中互联系统均采用f f c 控制方式， 这种控制方式如图2 一l 所示。在这种方式下，网调集中计算区域内的有功和a g c 需求，统一调度全区域内机组有功出力和a g c 投运，统一进行一次，二次频率 控制的性能评价。 2 1 2 频率模型分析 图2 - 1 统一频率控制模式 在这种模式下，控制区域的动力学特征可以采用下面的框图2 2 表示。 1 9 区域电力市场下a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 在这种控制方式下，网调统一进行频率和联络线功率数据采集，因此，数据 4 = a 2 1a 2 2 a 2 ； 一、r , lk x t m 00 一k h l t 扩，若。) 1 骁。，0 。0 一k ，b f000一k 巧0 o00 2 0 区域电力市场f a g c 控制模式及需求预测 浙江人学硕士学位论文 00 0 0 0 00 0 0 0 a “j ) = 0 0 0 0 0 00 0 0 0 一瓦0 0 0 0 上式表明，只要矩阵a 的参数选择合理，常规线性模型所代表的统一频率 控制系统是稳定的，而且可以实现频率的无差调节。 在这种控制模式下，如果在第个控制区域出现幅值为最的扰动( 如最大 机组跳机) ，当系统一次调频结束时，系统频率偏差v 将稳定在： ，：一些 k z 在上式中，令e 为区域的自然频率特性，如为系统所有区域频率特性之和， 即：k ：z k , 。 区域i 增加的出力尸为： 艘；笠：丝 k 第个控制区域受入的有功功率增量a p f 等于： 艺k + a p l p = 兰l 一 如 第i 个控制区域的a c e 如下面的公式所示： 一c z , = 峰，一半 其中且是区域的频率偏差系数。 在采用f f c 控制结构的统一频率控制模式下，所有配置足够备用容量的区 域都将参加二次调频，共同分摊功率缺额只，其分摊份额取决于各个区域频率 偏差系数最。从a g e 应用的角度，全网所需调节容量最低，所以基本上a g c 调 2 1 区域电力市场fa g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 节成本最低，并且频率调节效果最好，对控制系统的技术手段要求也不高。联 网效益得细充分体现。这种控制模式的缺点是管理过于集中，机组的调度管理 需要很高的自动化程度，a g c 控制系统的测试，维护和日常运行也有一定难度。 2 2 分级频率控制模式 2 2 1 基本结构 前述的统一频率控制模式的缺点是一次和二次频率控制都集中在网调进 行，过程管理有一定难度。对其可进行的改进模式是分级频率控制模式，基本 结构如图2 3 所示。在这种模式下，网调仍然统一测量系统频率，再将控制转 发给各控制区域，由各控制区域将控制信号转送给a g c 机组。同时，各控制区 域也可以采集a g c 所需数据，作为备用。各个控制区域之间同样没有联络线口 子计划，全网仍然采用f f c 控制。 图2 - 3 分级频率控制模式 区域电力市场fa g c 控制模式及需求预测浙江大学硕士学位论文 2 2 2 频率模璎分析 在这种模式下，控制区域的动力学特征与统一控制模式类似，唯一的区别 是这里所有的频率信号均存在一个数据转发延时_ ，框图如图2 4 所示。 图2 - 4 分级有功控制模式下区域动力学数学模型 此时全系统的频率动态响应的常规线性模型变为： 量= a x + a x ( t f ) + b u 若不考虑时延，则模型为： 童= ( a + a ”) x + 8 “ 由于a + a = a ； 考察上节的统一频率控制模型j = a x + b u ，可知不考虑时延的模型是稳定的。 因此，当各控制区域的时延为统一均匀，即 q2 f 22q 。 时延模型o 。a x + a x ( t f ) + b u 将会是稳定的。 而当某一控制区域与网调的通信通道发生破坏时，该控制区域将使用自身 采集的数据进行控制，而其他区域仍然采用网调提供的数据进行控制，这时就 会出现不均匀的时延，即 区域电力市场下a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 f l 22 q 存在不均匀时延情况下，频率控制模型的稳定将会被破坏。 采用分级有功控制模式对于全网的有功调节容量需求与上节的统有功控 制模式是相同的。所不同的是分级有功控制模式可以充分利用现有的控制区一 电厂间的控制系统，同时，控制系统分散化程度高一些，控制区域可以单独负 责各自的a g c 通道，运行维护相对容易。但是，由于不均匀时延的存在，降低 了全网的控制性能。 2 3 多控制区控制模式 2 3 1 基本结构 多控制区模式中网调直属机组采用f f c 控制方式，各控制区域机组采用 t b c 控制方式，其基本结构如图2 5 所示。在这种模式下，各控制区域独立采 集数据并计算控制区域内的a c e 并负责各个控制中心的a g c 控制实施，而网 调对控制区域则采用n e r c 标准考核。 2 4 区域电力市场fa g c 控制模式及需求预测浙江大学硕士学位论文 2 3 2 频率模型分析 图2 - 5 多控制区控制模式 采用网调机组f f c 控制，控制区域机组t b c 控制的多控制区域模式下，当 某一控制区域k 出现p ，的功率缺额时，由系统的一次调频控制可知，系统的 频率变化： = a p l k ：k ：为各控制区域的系统功率频率特性系数之和。 对于f f c 控制的网调机组，其频率调节控制信号a c e2 占： 对于t b c 控制的其余机组，其频率调节控制信号a c e 2 b a y + n ： 当按照理想状态取频率偏差系数时，即b = k ，则对应产生的频率调节控制 信号为： 网调机组：a c e = k ， 最k e ； 区域电力市场r a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕十学位论文 发生功率缺额的控制区域：a c e = k 丘k + ( 如一也) + 只k z = a p t , ； 未发生功率缺额的控制区域： a c e = k ，女a p l k + ( 一k ，) + 最k z = 0 ； 从以上分析可以看出当各控制区域发生负荷波动时，除了发生负荷波动的 区域通过频率控制信号进行频率二次调节之外，网调的直属机组通过频率偏差 调节承担，而未发生负荷波动的区域由于其二次频率调节控制信号为零，只对 频率恢复进行一次调节，不进行二次调节。 多控制区控制模式使得频率调节主要由发生负荷波动的控制区域自己承 担，网调机组由于主要是水电机组，调节速度快，通过f f c 控制承担一部分频 率调节工作。这种模式利于频率的快速恢复，但在这种方式下，由于网调的调 频机组和发生负荷缺额的区域的调频机组都对频率进行调节，总的调节量大于 区域的负荷缺额，从而存在联络线上的功率串动，频率过调等问题。 2 4 华东电网频率控制分析 2 4 1 华东电网频率控制策略 中国华东电网由上海市网、江苏省网、浙江省网、安徽省网和福建省网组 成，福建省网于2 0 0 1 年1 1 月并入华东电网联网运行。华东网调直属电厂有新 安江水电厂( 浙江境内) 、富春江水电厂( 浙江境内) 及望亭电厂( 江苏境内) 。 在电网调度的管理上，按华东联合电网调度管理若干问题的规定，实行统一 调度、分级管理。在省( 市) 公司严格按计划控制省( 市) 联络线交换电力和 电量的基础上，网调领导全网频率调整工作。 网调和省( 市) 调的职责和权限分别为： 网调： 1 ) 编制各省( 市) 联络线交换电力、电量的日调度计划，下达日调度曲线。 2 ) 通过调整各省( 市) 联络线计划曲线实现全网经济调度。 3 ) 统一指挥全网性的事故处理。 4 ) 指挥全网频率调整工作。 省( 市) 调： 区域电力市场f a g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 1 ) 根据网调下达的联络线计划曲线，平衡编制下达本省( 市) 发、用电负 荷曲线，严格监视执行。 2 ) 监视控制鞋络线送、受电力，发现偏离调度曲线时，应随时调整发电出 力或甩负荷。 3 ) 根据网调规定和要求调整电网频率和电压。 4 ) 负责省( 市) 调管辖系统的事故处理。 5 ) 在保证联络线调度曲线前提下实施经济调度。 从华东电网的结构来看，全网分为六大块( 电气连接如图2 6 所示) ，即网 调直属部分和四省一市电力公司。现行的频率控制方式为f f c t b c 方式，即网 调控制直属部分机组执行恒定频率控制( 主要由调频能力较强的新安江和富春 江电厂承担) ，三省一市采取联络线频率偏差控制方式。 2 4 2 华东电网频率分析 图2 - 6 华东电网电气连接图 在上述的频率控制策略下，假设当浙江电网发生大小为兄的负荷波动时 则各省控制区域在一次调频过后的频率偏差如图2 7 所示。 区域电力市场fa g c 控制模式及需求预测 浙江大学硕士学位论文 p 游 文静f 上海电网 p p 浙江电网 p 福建电网 p 矗毒j 安徽