互联电网多层级联络线有功功率控制方式的探索0722.doc

互联电网多层级联络线功率控制方式的探索汪德星 胡朝阳华东电力调度通信中心摘要随着特高压电网的建设，国家电网的核心互联区将形成有多个层级联络线功率控制主体的局面。本文探讨了多层级联络线功率控制的三种配合方式，分析了各种配合方式的适应环境和需关注的问题；讨论了在各种配合方式下上下级控制主体联络线功率控制模式的配合策略，从而得到了可供选择的控制策略；文章最后讨论了多层级联络线功率控制中控制区控制偏差ACE计算公式中需要注意的联络线和发电厂控制交界面、控制区的频率响应系数的设定等问题。关键词互联电网多层级联络线功率控制0.引言随着特高压电网的建设，在不远的将来，将形成以交、直流特高压混联的“三华”同步电网为核心，通过直流线路连接其他区域电网的国家电网。由于我国现行的“统一调度，分级管理”的电网调度管理体制，在国家电网的核心区，将出现国、网、省三个层级的联络线功率控制主体。在个别省级电网内，可能还存在地区级的联络线功率控制主体，那就形成了有四个层级联络线功率控制主体的局面。因此，需要认真研究多层级联络线功率控制方式的问题，这是保障互联电网安全、稳定、优质运行的重要任务。2009年华东电力调度通信中心受国家电力调度通信中心委托，牵头编制了“互联电网联络线有功功率控制技术规范”（以下简称“规范”），本文介绍编制过程中的一些思考方法，并讨论在实施中会遇到的一些技术问题。1. 多层级联络线功率控制的配合方式首先，需要阐明联络线功率控制中“控制主体”和“控制区”两个概念的区别和关系。“控制主体”是指各级电网的调度机构（主要是省级及以上调度机构），他们在联络线功率控制中承担了一定的责任，发挥了一定的作用；“控制区”是指以电气设备为边界划定的电网区域（在电气连接上可以是完全连通的，也可以是互不连通的），在满足区域边界上送/受电要求的同时，负责区域内供用电平衡，并且要协助上级互联电网进行联络线功率控制。控制区和控制主体之间存在下述几种对应关系：l 一个控制主体对应一个控制区。一个控制区的供用电平衡计划的制定和实时控制由一个控制主体独立完成。这是最常见的情况。l 多个控制主体对应一个控制区。一个控制区的供用电平衡计划的制定和实时控制由一个控制主体为主、多个控制主体协同配合完成。这种情况主要发生在由多个控制区合并成的单一控制区中。l 一个控制主体不对应任何控制区。一个控制主体如不负责所管辖范围的电网供用电平衡计划的制定和实时控制，那么，该管辖范围的电网就不是一个控制区。这种情况往往发生在层级较高的控制主体中，如目前我国的国家电力调度通信中心（以下简称“国调”）和北美的部分区域电网安全协调中心。l 一般不存在一个控制主体同时对应多个控制区的情况，但存在多个控制区同时委托一个控制主体进行运行控制的可能性。在国际上存在因节省控制系统建设投资或多个控制区向单一控制区过渡等原因，多个控制区同时委托其中一个控制区或上级控制主体进行实时运行控制的情况。l 不可能存在没有控制主体控制下的控制区。在互联电网中，必须组成若干控制区才能进行联络线功率控制的协调配合。在存在多个层级的联络线功率控制主体的情况下，上下层级的控制主体之间的基本配合方式有三种：对等控制区方式、主-子控制区方式、单一控制区方式。这三种配合方式可以用“扫雪”的模型来描述。（1） 对等控制区方式可以用“分区包干扫雪”的模型来描述。上级机构只是在给下级机构一次性分配任务（划定扫雪包干区）和对下级机构任务完成情况进行评价时发挥领导作用。另外，上级机构还要完成自身包干区的扫雪任务，在此时，他们以平等的扫雪者的身份出现。在对等控制区方式下，上级控制主体除了规范和评价下级控制主体的联络线功率控制行为外，可以与其直接调度的发电厂和直供的负荷区（如果有的话）构成一个独立的控制区，负责本区的联络线功率控制任务（就像完成自身包干区的扫雪任务一样）。在对等控制区方式下，由于没有一个控制主体对讨论中的上级控制主体管辖的整个电网对外的联络线功率控制负责，因此，就扫雪包干区的划分一样，控制区的划分必须清晰、不留死角；各控制区需要很好地完成自身的任务，并且协调配合，才能较好完成整个电网的联络线功率控制任务。（2） 主-子控制区方式可以用“有机动队伍的分区包干扫雪”的模型来描述。上级机构除了给下级机构一次性分配任务（划定扫雪包干区）和对下级机构任务完成情况进行评价外，还领导了一支机动队伍，负责对被遗忘的角落及包干区中未完成的扫雪工作，显然，上级机构对管辖区域内的扫雪工作负总责。同样，在主-子控制区方式下，上级控制主体除了规范和评价下级控制主体的联络线功率控制行为外，还控制其直接调度的发电厂来负责所管辖电网的联络线功率控制。就理论而言，对整个电网的联络线功率控制效果来说，主-子控制区方式应该优于对等控制区方式，但也会带来一些问题，如：上级控制主体直接调度的发电厂容量达到多少才能满足负责所管辖电网的联络线功率控制要求的问题，上、下级控制主体的控制行为互相影响的问题，主控制区ACE的频率响应系数如何设定的问题，等等。（3） 单一控制区方式可以用“扫雪队伍统一调配”的模型来描述。扫雪队伍统一调配可以有两种方法，一是人员统一调配，上级机构直接给参与扫雪的人员下达任务；二是下级机构对队伍的指挥权不变，上级机构按实际需要给各支队伍分配任务。在单一控制区配合方式下，下级控制主体及其直接调度的电厂不再构成独立的控制区，对应第一种方法，需要彻底改变原有对发电厂的调度关系，由上级控制主体统一调度整个区域的发电厂；对应第二种方法，在各级调度中心对电厂的调度关系不变的情况下，下级控制主体不再进行各自的联络线功率控制，而是接收上级控制主体的指令，作为一台等值机的形式，辅助上级控制主体进行整体的频率或联络线功率控制。该配合方式在资源利用上最为优化，因为在多控制区的配合方式下，下级控制主体对应的控制区之间存在着大量ACE互相反向的情况，而单一控制区配合方式可以消除反调，降低调节需求，但要求所在电网联络较紧密，功率交换约束较少，且对技术、管理的要求较高。众所周知，控制主体之间根据调度关系存在上下级关系，但从上述控制主体和控制区的关系可以看出，所有的上下级控制主体不一定都存在与之一一对应的控制区；如果存在，对应的控制区之间也不一定是上下级关系。因此，为了避免混淆两者的关系，在联络线功率控制中，“上下级”应仅用于描述控制主体之间的关系，而不用于描述控制区之间的关系。2. 上下级控制主体联络线功率控制模式的配合策略（1） 单个控制区联络线功率控制的基本模式有以下三种：l 定频率控制（Constant Frequency Control,简称CFC）。维持系统频率偏差在一定范围之内，在这种模式下区域控制偏差ACE仅反映系统频率的变化。l 定交换功率控制 (Constant Net Interchange Control,简称CNIC)。维持联络线净交换功率接近于计划值，在这种模式下区域控制偏差ACE仅反映控制区联络线净交换功率的变化l 联络线偏差控制（Tie-line Bias Control,简称TBC）。维持ACE在一定范围之内，在这种模式下区域控制偏差ACE同时反映系统频率和联络线净交换功率的变化。（2） 各级控制主体所对应的控制区所采用的控制模式的限制条件：l CFC控制模式的控制对象是整个互联电网的频率（即整个互联电网的功率平衡），因此，只能由互联电网最高一层的控制主体采用。在国家同步互联电网中，只有国调在主-子控制区方式中才能采用CFC控制模式。其他控制主体除非受国调委托，在任何情况下都不可能采用CFC控制模式。l CNIC控制模式不能对整个互联电网提供一次调频的支持，因此，仅适合于占整个互联电网容量比例较小的（即提供频率支撑作用较小的）控制区中，同时互联电网中应有足够的频率支撑，如有另一控制区采用CFC、或多个控制区用TBC模式来维持系统的频率，否则电网不能进行稳定的联网运行。因此，在当前调度关系划分的情况下，CNIC控制模式只适合于国调-区域电网的对等控制区方式中的国调、和区域电网调度中心（以下简称“网调”）-省级电网的对等控制区方式中的网调采用。l TBC控制模式的控制对象是本控制区的功率平衡，因此，适合于任何没有特殊任务的控制区采用。TBC控制模式适合于主-子控制区方式中的子控制区和较低层级的主控制区、对等控制区方式中的所有控制区采用。（3） 多层级控制主体联络线功率控制模式的配合策略由于对同一层级的多个控制区的控制模式的配合问题已有较多的研究成果和实践经验，因此，多层级控制主体联络线功率控制模式的配合策略重点探讨上下级控制主体之间联络线功率控制模式的配合策略。l 两个层级控制主体控制模式的配合策略：如上一节所述，两个层级控制主体在联络线功率控制中存在三种配合方式，由于单一控制区中的上下级控制主体处于同一控制区内，它们之间的配合不是控制区的控制模式的配合，因此，本文探讨的两个层级控制主体控制模式的配合策略是主-子控制区和对等控制区两种配合方式中上下级控制主体之间控制模式的配合策略问题。设上级控制主体采用的控制模式为A，下级控制主体采用的控制模式为B，用A-B的形式表示两个层级控制主体之间控制模式的配合策略。在三华同步联网后，一般情况下存在“国调-区域电网”和“网调-省级电网”两个不同层面的两个层级控制主体之间控制模式的配合策略。需要特别指出的是针对区域电网分别采用了“区域电网”和“网调”的名称，是因为在“国-网”这个配合层面，区域电网始终是作为一个控制区来考虑的；而在“网-省”这个配合层面，随着配合方式的不同，网调可以代表整个区域电网的控制区，也可以仅代表直接调度范围的控制区。根据本文对控制区所采用的控制模式的限制条件的讨论，表-1表示了不同配合方式下可能采用的控制模式配合策略。主-子控制区方式对等控制区方式国调-区域电网CFC-TBCCFC-CNICTBC-TBCCNIC-TBC网调-省级电网TBC-TBCCNIC-TBCTBC-TBCCNIC-TBC表-1 两个层级控制主体控制模式的配合策略l 三个层级控制主体控制模式的配合策略：三个层级控制主体在联络线功率控制中的配合方式是两个层级控制主体配合方式的组合，即存在“主-子/主-子、主-子/对等、对等/主-子、对等/对等、主-子/单一、对等/单一、单一/主-子、单一/对等、单一/单一”九种配合方式。对于“单一/单一”配合方式，国、网、省三级控制主体都在同一个控制区内，因此，它们之间的配合不是控制区的控制模式的配合。对于“主-子/单一、对等/单一、单一/主-子、单一/对等”四种配合方式，电网中实际只存在两个层级的控制区，可以参照两个层级控制主体控制模式的配合策略中对应的配合策略。因此，三个层级控制主体控制模式的配合策略只需探讨“主-子/主-子、主-子/对等、对等/主-子、对等/对等”四种配合方式下的配合策略。在三华同步互联电网的三个层级控制主体控制模式的配合策略中，涉及“国-网”和“网-省”两个配合层面，当“网-省”配合层面采用“主-子控制区配合方式”时，在“国-网”配合层面的下级控制主体对应的控制区与“网-省”配合层面的上级控制主体对应的控制区具有相同的涵义，因此，三个层级控制主体控制模式的配合策略可以用A-B-C的形式表示。但是，当“网-省”配合层面采用“对等控制区配合方式”时，在“国-网”配合层面的下级控制主体对应的控制区与“网-省”配合层面的上级控制主体对应的控制区具有不同的涵义，因此，需要用A-B/A-B的形式表示。表-2表示了三个层级控制主体在不同配合方式下可能采用的控制模式配合策略。主-子/主-子对等/主-子国调-区域电网-省级电网CFC-TBC-TBCCFC-CNIC-TBCTBC-TBC-TBCCNIC-TBC-TBC主-子/对等国调-区域电网/网调-省级电网CFC-TBC/ TBC-TBCCFC-TBC/ CNIC-TBCCFC-CNIC/ TBC-TBCCFC-CNIC/ CNIC-TBC对等/对等国调-区域电网/网调-省级电网TBC-TBC/ TBC-TBCTBC-TBC/ CNIC-TBCCNIC-TBC/ TBC-TBCCNIC-TBC/ CNIC-TBC表-2 三个层级控制主体控制模式的配合策略3. 多层级联络线功率控制ACE计算公式中的有关问题控制区的区域控制偏差ACE的一般表达式为P+Kf+C，它具有丰富的内涵，通过改变ACE表达式中相关项的内容可以起到改变控制区的边界、所承担的频率调节的责任、附加的调节责任等作用。（1） 控制区边界的确定控制区边界的划分在联络线功率控制中是个重要的问题，也是容易混淆的问题，控制区边界的划分不当将对电网安全运行造成严重影响。控制区边界的定义体现在ACE表达式的P的组成Pa-Ps中，式中Pa和Ps分别表示联络线实际功率和计划功率。P的组成应遵循下述原则：l P的组成应根据电网的联接情况而定，当同步互联电网解裂运行时，已断开的联络线断面的功率不再计入相关控制区的ACE计算公式。l 当直流线路的两端在同一个同步互联电网中时，该直流线路的功率应与交流线路同样处理，计算在联络线功率之内；当直流线路的两端不在同一个同步互联电网中时，该直流线路的功率不应计算在联络线功率之内，在两侧的同步互联电网中，直流线路的送出端和馈入端功率应依照负荷或发电厂的方法计入相关控制区的ACE计算公式。l 当发电厂/负荷不由所在地域的控制区控制，而由其它控制主体控制时，该发电厂/负荷的上/下网侧功率应作为联络线功率计入相关控制区的ACE计算公式。地域的范围与联络线功率控制的配合方式有关。在主-子控制区方式下，上级控制主体的地域就是所讨论的主控制区的范围，对国调，就是整个国家同步互联电网（“三华同步电网”）；对网调，就是整个区域电网。在对等控制区方式下，上级控制主体的地域只是他的直供负荷区（如果有的话）。根据上述原则，表-3、表-4和表-5分别表示位于某省地域内的国调直调电厂、网调直调电厂和省调直调电厂的功率在不同的联络线功率控制配合方式下计入或不计入相关控制区的ACE表达式的要求。落点位于某省地域内的两端不在同一个同步互联电网中的直流线路的功率应根据功率控制的责任要求参照表-4或表-5的要求计入相关控制区的ACE表达式。国调直调电厂功率主-子/主-子主-子/对等对等/主-子对等/对等国调ACE不计入不计入计入计入相关网调ACE计入不计入计入不计入相关省调ACE计入计入计入计入表-3 国调直调电厂功率计入相关控制区ACE表达式的要求网调直调电厂功率主-子对等网调ACE不计入计入相关省调ACE计入计入表-4 网调直调电厂功率计入相关控制区ACE表达式的要求省调直调电厂功率主-子对等网调ACE不计入不计入相关省调ACE不计入不计入表-5 省调直调电厂功率计入相关控制区ACE表达式的要求（2） 控制区参与频率调节责任的确定对控制区参与频率调节责任的要求一般通过ACE表达式中的Kf项来体现。从理论上说，控制区的频率调节系数K要求与控制区的自然频率响应特性（即控制区一次调频能力对频率偏差的实际响应）相一致，这样，控制区在联络线功率控制中的行为互相影响小，电网运行平稳。但由于控制区的自然频率响应特性的非线性和时变性，实际不可能做到完全一致。北美电网部分控制区采用动态频率调节系数K，使之与控制区的自然频率响应特性尽可能接近。然而，控制区的自然频率响应特性并不是一个纯自然的特性，人为的作用无论是在短期还是在长期都会对其产生一定的影响。一方面，控制区的一次调频能力主要取决于控制范围内发电机组的一次调频能力，从长远来说，可以通过管理手段来提高控制范围内发电机组的一次调频总体能力；另一方面，发电机组旋转备用容量的安排和分布也是决定控制区的一次调频能力的重要因素，控制区通过合理安排发电机组的运行方式，可以改善发电机组一次调频作用的有效发挥。因此，对控制区的频率调节系数K的设定不能仅考虑向自然频率响应特性靠近，而要在可能的范围内，引导发挥人为的作用，使之符合电网运行的需要。特别是在一次调频作用发挥欠佳的电网内，应根据各控制区控制范围内发电机组和负荷的一次调频能力，按电网对一次调频的总体需要，来设定各控制区频率调节系数K，以引导改善电网一次调频的作用。华东电网已在“频率管理体系”项目中开展了对省市电网一次调频能力要求的研究，将在适当的时机实施。（3） 控制区附加调节责任的确定控制区除了承担正常的调节责任外，有时还需要承担一些附加的调节责任，主要体现在ACE表达式的附加项C中，主要有：l 电钟时差调整：通过在各个控制区的ACE表达式中附加一个与频差有关的项，来调整电网的电钟时差（即电网频率偏差累积效应）。l 无意交换累积电量偿还：通过在相关控制区的ACE表达式中附加一个与功率有关的项，来调整控制区之间的交换功率偏差累积效应。l 动态ACE：通过在相关控制区的ACE表达式中附加一个与功率和频率有关的项，来实现控制区之间控制责任的转移。主要的应用场合有：控制区之间的故障支援、外部联络线或外部电源发生扰动时的协调控制、共同投资机组的调节资源共享、控制区之间协议的调节服务等等。动态ACE的应用非常广泛，同时也是弥补多层级联络线功率控制配合方式某些不足的有效手段，如用来弥补主-子控制区配合方式下主控制区的调节容量不足等问题。（4） 主-子控制区配合方式下主控制区的ACE计算公式的问题。多层级联络线功率控制中的主-子控制区配合方式是适合我国电网“统一调度、分级管理”体制的配合方式，正如本文第1节中叙述的，这种配合方式有其优点，也有其存在的问题，特别对主控制区而言，需要兼顾主控制区的控制要求和本控制主体的直调范围内的控制要求。在多层级的主-子控制区配合方式下，位于中间层级的主控制区还要顾及对相邻控制区的影响问题。因此，主控制区的控制行为应符合以下要求：l 对本控制区（指主控制区）外的控制偏差除提供一次调频支持外尽量不作响应，以免影响相邻控制区的控制行为。l 对本控制区内、但不在本控制主体的直调范围内的控制偏差适度响应，做到既尽快调整本控制区的控制偏差，又避免产生过调，以免影响子控制区的控制行为。l 对本控制主体的直调范围内的控制偏差完全响应，尽快调整由本控制主体的直调范围内的控制偏差引起的控制区偏差。显然，常规的ACE表达方式已不能全面反映满足上述要求的控制偏差，需要根据各个电网的实际情况研究制定合理的ACE表达方式。4. 结语本文根据“三华”同步联网后联络线功率控制的需要，提出了各种可以执行的多层级控制主体之间的控制配合方式及控制区之间的控制模式配合策略，应根据电网结构发展的情况、调度管理体制的变化情况和电网运行的实际需要，研究选择合适的配合方式和配合策略，实现电网安全、优质、经济运行的目标。参考文献1“华东电网AGC运行的若干技术问题”， 汪德星，华东电力1998年26卷5期，页码：6-82“华中电网AGC分层控制模式的探讨”，徐琰 朱翠兰，电力系统自动化2000年24卷22期，页码：45-483“自动发电控制（AGC）技术在华东电力系统中的应用”，汪德星 杨立兵，华东电力2005年33卷1期，页码：23-274 “含自动发电控制信号时滞的区域互联电网AGC控制模式研究”，洪兰秀 杨莉 邱家驹 甘德强 汪德星 高伏英 陈琰，华东电力2006年34卷3期，页码：23-27Study of Methods for Multi-layer Tie line Power Control of Interconnected Power GridWang DexingHu ChaoyangEast China Electric Power Dispatching & Communication CenterAbstractAlong with the construction of Ultra High Voltage AC (UHVAC) power grid, the situation of multi-layer tie line power control in core area of Chinese State Grid will form. This paper discusses three cooperation methods of multi-layer tie line power control, analyses the suitable conditions and the problems needed for considering for each method, discusses coordination between the tie line control models of upper and lower layer control authorities under each method, sequentially gets the alternative coordinating st