适用于现代大电网频率响应的时域解析方法与系统

摘要

本发明提供一种适用于现代大电网频率响应的时域解析方法与系统，在经典系统频率响应模型的基础上，构建适用于包含有火电、水电、新能源发电的大电网的通用频率响应模型；再根据实测大电网的动态和稳态数据，唯一确定通用频率响应模型的所有参数；最后通过拉普拉斯反变换，获得大电网频率响应的时域解析。本发明可适用于包含火电、水电、新能源发电等多种类型电源的现代电网，不仅可提高大电网系统频率响应计算的准确性，还可以快速而准确地计算电网发生不同大小功率扰动时的系统频率响应动态过程，解析过程简单、快速，在大电网频率安全分析和控制领域具有广泛的应用前景和工程实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及智能电网技术领域，尤其是包含了火电、水电、新能源发电的现代大电网的频率安全分析与控制技术，具体而言涉及一种适用于包含了火电、水电、新能源发电的现代大电网频率响应的时域解析方法与系统。

背景技术

频率是大电网运行的核心指标，对电网和用户具有特别重要的影响。大电网频率取决于电源与负荷的实时平衡。传统以水火电源为主时，调节能力强，频率安全能够得到充分保障。由于我国电网的一次能源分布不均，远距离交直流输电和大规模新能源发电的比例迅速提升。然而，远距离跨区域输电时有故障发生，新能源则具有随机性和间歇性，导致电源的可控性下降，从而大幅度增加了电力供需瞬时平衡难度，频率安全问题日益严峻，成为大电网安全运行亟需解决的问题。为了应对频率安全风险，首要任务是快速、准确的计算功率缺额造成的大电网频率响应，以此才能制定相应调频措施。

目前对于系统频率响应的确定方法主要有全状态时域仿真法、线性化模型分析法、人工智能法以及单机等值模型法等。全状态时域仿真法虽然原理清楚、应用普遍，但受制于全网模型的准确性，其对动态频率的预测精度难以提高；线性化模型分析法是在全状态模型法的基础上对模型进行了部分的线性化，同样依赖于全网模型的准确性；人工智能法的准确性依赖于大量的实测数据，目前在实际电网中难以推广应用；单机等值模型简洁，被广泛应用于低频减载的整定、系统频率安全性评估等领域，但经典系统频率响应模型仅适用于火力发电系统，对于目前包含了火电、风电以及新能源发电的现代大电网频率响应来说，应用存在局限性。

发明内容

针对现有频率响应计算方法快速性与精确性难以协调的不足，本发明提出一种适用于现代大电网频率响应的时域解析方法与系统，既可以适用于含有火电、水电、新能源发电等多种类型电源的现代电网，又可以快速而准确地计算电网发生不同大小功率扰动时的系统频率响应动态过程，从而利于针对电网波动进行频率控制。

为实现上述目的，本发明的第一方面提出一种含有火电、水电、新能源发电的现代大电网频率响应的时域解析方法，包括以下步骤：

步骤1、在经典系统频率响应模型的基础上，构建适用于含有火电、水电、新能源发电的大电网的通用频率响应模型；

步骤2、根据实测大电网的动态和稳态数据，唯一确定所述的通用频率响应模型的所有参数；

步骤3、通过拉普拉斯反变换，获得大电网频率响应的时域解析。

在本发明第一方面的基础上，还提出一种现代大电网频率响应的时域解析系统，包括：

用于在经典系统频率响应模型的基础上，构建适用于包含有火电、水电、新能源发电的大电网的通用频率响应模型的模块；

用于根据实测大电网的动态和稳态数据，唯一确定所述的通用频率响应模型的所有参数的模块；

用于通过拉普拉斯反变换，获得大电网频率响应的时域解析的模块。

在本发明第一方面的基础上，还提出一种现代大电网频率响应的时域解析系统，包括：

一个或多个处理器；

存储器，存储可被操作的指令，所述指令在通过所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括执行前述的现代大电网频率响应的时域解析方法的过程。

由以上本发明的技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：

(1)本发明提出的大电网频率响应的解析方法，能够通用于包含火电、水电、新能源发电等多种类型电源的大电网，相对于传统的经典模型SFR的计算过程来说，由于传统SFR模型针对于火电发电的电网系统，通过本发明的处理可提高大电网系统频率响应计算的准确性；而传统基于详细模型仿真得到的频率响应，计算速度慢，参数(例如发电机，电网、负荷等)太多，参数确定比较难，本发明的大电网频率响应的解析过程确定参数少，计算准确；

(2)本发明提出的大电网频率响应的解析计算方法，整个计算过程只要确定出模型参数和解析公式后，就可以快速(计算时间近零)而准确的计算电网发生不同功率扰动时的频率动态响应过程，解析过程比较简单，快速，在大电网频率安全分析和控制领域具有广泛的应用前景和工程实用价值。

应当理解，前述构思以及在下面更加详细地描述的额外构思的所有组合只要在这样的构思不相互矛盾的情况下都可以被视为本公开的发明主题的一部分。另外，所要求保护的主题的所有组合都被视为本公开的发明主题的一部分。

结合附图从下面的描述中可以更加全面地理解本发明教导的前述和其他方面、实施例和特征。本发明的其他附加方面例如示例性实施方式的特征和/或有益效果将在下面的描述中显见，或通过根据本发明教导的具体实施方式的实践中得知。

附图说明

附图不意在按比例绘制。在附图中，在各个图中示出的每个相同或近似相同的组成部分可以用相同的标号表示。为了清晰起见，在每个图中，并非每个组成部分均被标记。现在，将通过例子并参考附图来描述本发明的各个方面的实施例，其中：

图1为本发明适用于现代大电网频率响应的时域解析方法的实现流程图；

图2是本发明的一个实施例的IEEE 10机39节点算例系统结构图，其中母线31、32、33、37对应的发电机组为水电机组，母线30、34对应的发电机组为双馈型风电机组，母线35、36、38、39对应的发电机组为火电机组。

图3是算例系统发生5％功率缺额时，实际频率响应曲线与本发明所述频率响应解析公式计算结果对比图。

图4是算例系统发生2.5％功率缺额时，实际频率响应曲线与本发明所述频率响应解析公式计算结果对比图。

图5是算例系统发生7.5％功率缺额时，实际频率响应曲线与本发明所述频率响应解析公式计算结果对比图。

图6是华东电网实测频率响应曲线与本发明所述频率响应解析公式计算结果对比图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在本公开中参照附图来描述本发明的各方面，附图中示出了许多说明的实施例。本公开的实施例不必定意在包括本发明的所有方面。应当理解，上面介绍的多种构思和实施例，以及下面更加详细地描述的那些构思和实施方式可以以很多方式中任意一种来实施，这是因为本发明所公开的构思和实施例并不限于任何实施方式。另外，本发明公开的一些方面可以单独使用，或者与本发明公开的其他方面的任何适当组合来使用。

结合图示，根据本发明公开的实施例的适用于包含了火电、水电、新能源发电的现代大电网频率响应的时域解析方法，包括以下步骤：步骤1、在经典系统频率响应模型的基础上，构建适用于含有火电、水电、新能源发电的大电网的通用频率响应模型；步骤2、根据实测大电网的动态和稳态数据，唯一确定所述的通用频率响应模型的所有参数；步骤3、通过拉普拉斯反变换，获得大电网频率响应的时域解析。

具体地，所述步骤1中，在经典系统频率响应模型的基础上，建立适用于大电网的通用频率响应模型，包括：

步骤11、在经典系统频率响应模型SFR的基础上，采用标准的二阶传递函数G

式中，a

步骤12、得到大电网通用频率响应模型G(s)，也即电网频率响应Δf与电网功率扰动ΔP

式中，A

由于经典系统频率响应模型SFR是针对传统的火电电网的频率响应模型，传统的SFR模型中设置有专用于火电的调速器模型，模型结构和每个参数都是有实际的物理意义，针对某一种火电的原动机和调速器，无法适用到含有火电、水电、新能源发电的现代大电网系统。因此本发明针对现代大电网系统的特征，采用标准的二阶传递函数替代经典SFR模型中的原动机及调速器等效模型，以适用于包含火电、水电、新能源发电(光伏或者风电)的电网。

在步骤2中，根据实测大电网的动态和稳态数据，唯一确定通用频率响应模型的所有参数，包括：

步骤21：根据实测大电网的稳态数据，即其中的稳态功率扰动ΔP

步骤22：根据实测现代大电网的动态数据，即功率扰动和频率响应的动态数据，采用最小二乘法来估计大电网通用频率响应模型G(s)中的其余的系数θ，获得：

θ＝[A

式中，下标c表示采用通用频率响应模型G(s)计算所得频率动态响应数据，下标a表示实测所得即功率扰动和频率响应数据，N表示实测所得即功率扰动和频率响应数据的点数。

在前述的步骤3中，通过拉普拉斯反变换，获得现代大电网频率响应的时域解析，包括：

步骤31：对电网功率缺额ΔP

进行拉普拉斯变换后，代入三阶的传递函数方程，获得系统频率响应的复频域表达：

式中，ε(t)为单位阶跃函数；

步骤32：对Δf(s)进行拉普拉斯逆变换，获得系统频率响应的时域解析公式Δf(t)：

式中，C

在具体实现过程中，在步骤32中，考虑求传递函数特征方程A

展开为：

若复数K

采用拉普拉斯逆变换，可得频率响应的时域解析解Δf(t)，系统频率响应包含三项，即常数项、单调衰减项和振荡衰减项：

下面我们结合具体的实施例进行本发明阐述。实施例使用的系统如图2所示，为IEEE 10机39节点算例系统。其中母线31、32、33、37对应的发电机组为水电机组，母线30、34对应的发电机组为双馈型风电机组，母线35、36、38、39对应的发电机组为火电机组。算例系统总负荷功率为1104MW，稳态频率50Hz。

在算例系统中设置5％的负荷功率扰动，使系统发生功率缺额，根据所述方法步骤1、2获得系统通用频率响应模型G(s)参数如表1所示，根据步骤C获得系统频率响应解析公式为：

Δf(t)＝ΔP

表1 IEEE39节点系统通用频率响应模型参数估计结果

当发生5％功率扰动时，算例系统实际频率响应与解析公式计算结果对比如图3所示。可见，本发明所述解析公式计算结果与实际频率响应结果高度吻合。

为了验证本发明所述解析公式对不同大小功率扰动的适应性，在算例系统中分别设置2.5％和7.5％的负荷功率扰动，实际频率响应曲线与解析公式计算结果对比图如图4、图5所示。可见，在不同功率扰动大小下，本发明所述解析表达的计算结果与实际频率响应结果均高度吻合。

进一步，以华东电网2015年10月20日宾金直流单极闭锁故障的系统频率响应为实施例。2015年，华东电网共有火电机组241.8GW、水电机组20.18GW、核电机组14.01GW、风电机组9.08GW、光伏发电3.77GW，共有7条直流线路向华东电网输送电力31.76GW。2015年10月20日03:05:14，宾金直流线路发生单极闭锁故障，造成功率缺额3700MW。由于事故发生在午夜，事故前总负荷仅为160GW左右，即事故造成的功率短缺约为事故前总负荷的2.313％。在这次事故中，系统频率从50.01Hz下降到49.77Hz，然后又恢复到49.87Hz。

根据所述方法步骤1、2获得华东电网通用频率响应模型G(s)参数如表2所示，根据步骤C获得系统频率响应解析公式为：

Δf(t)＝ΔP

表2华东电网通用频率响应模型参数估计结果

华东电网实测频率响应曲线与解析公式计算结果对比图如图6所示，表明本发明方法可以快速而准确的计算电网发生功率扰动时的系统频率响应动态过程。

根据本发明另一方面的实施例，结合图1所示的实例，还提出一种适用于现代大电网频率响应的时域解析系统，包括：

用于在经典系统频率响应模型的基础上，构建适用于大电网的通用频率响应模型的模块；

用于根据实测大电网的动态和稳态数据，唯一确定所述的通用频率响应模型的所有参数的模块；

用于通过拉普拉斯反变换，获得大电网频率响应的时域解析的模块。

上述各个模块的具体实现可根据以上实施例的示例性实现过程来实现，在此不再赘述。

根据本发明另一方面的实施例，结合图1所示的实例，还提出一种适用于现代大电网频率响应的时域解析系统，例如以服务器或者服务器阵列的方式实施，其包括：

一个或多个处理器；

存储器，存储可被操作的指令，所述指令在通过所述一个或多个处理器执行时使得所述一个或多个处理器执行操作，所述操作包括执行前述任意实施例的大电网频率响应的时域解析的过程，尤其是图1实施例的具体实现过程。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。