互联电网中区域调频责任及其分配方式

1、第32卷第16期2008年8月25日Vol.32No.16Aug.25,2008互联电网中区域调频责任及其分配方式刘乐,刘娆,李卫东(大连理工大学电气工程与应用电子技术系,辽宁省大连市116024)摘要:鉴于目前互联电网不能保证公平分配区域一、,责任分配方式。任为目标,要、二次调频责任的公平分配。:,使得频率偏差系数,同时可成为引导和改善区域一次调频能力达到目标要关键词:一次调频;自然频率特性系数;自动发电控制;频率偏差系数;调频责任中图分类号:TM7610引言互联电网中的一次调频和自动发电控制(AGC)是系统正常运行情况下调节发电与分钟级变化的负荷分量相平衡的2个主要手段。一次调频中各区域的

2、自然频率特性系数代表区域所具备的一次调频能力;AGC中联络线频率偏差控制(TBC)模式下各区域的频率偏差系数(简称B系数)代表区域的二次调频责任。由于区域一次调频是各区域固有的自动调频特性,使得有相对较小负荷扰动区域的一次调频总是无偿参与调节其他区域的负荷扰动,这对各区域发电机组一次调节成本和一次调频责任的分配不公平。对于区域的B系数,如果单纯按目前各区域表现出的一次调频能力确定,可能会因一些电厂人为闭锁一次回路而造成系统频率控制水平下降的状况。而如果按各区域最高负荷比例分配区域B系数,当各区域日负荷曲线形态或负荷扰动分量构成不相似时,则无法实现区域二次调频责任的公平分配1。因此,有必要寻找出

3、一种更加合理的区域调频责任分配方式,通过该方式既能够达到理想的频率控制效果,又能同时实现区域一、二次调频责任的公平分配。1区域一、二次调频责任分配的理论分析现代电网已发展成由多个控制区域通过联络线收稿日期:2008204216;修回日期:2008205223。国家自然科学基金资助项目(50577002)。连接起来的互联电力系统,每个区域都是独立的经济实体。由于区域互联后各区域频率统一,使得系统频率质量成为一项公共利益。在这种情况下,每个控制区在分享电网互联带来益处的同时都有责任调节自身的发电出力,以维持系统频率的稳定。系统正常运行时,各区域主要通过一次调频和AGC实现发电与分钟级变化的负荷分量

4、相平衡。所以,对于区域一、二次调频责任的分配应以公平为原则。系统一次调频是阻止频率偏离计划值的第一道屏障。当互联电网中有区域发生负荷扰动时,无论该扰动是由本区还是外区引起的,所有区域的一次调频都会立即按各自的自然频率特性调整出力f,通过联络线向扰动区提供电力支援,从而使系i统发电与负荷达到新的平衡。各区域的自然频率特性系数i由2部分组成:(1)i=KL+KG式中:i代表区域所具备的一次调频能力,其受负荷波动、在线机组数量和调速器死区等影响而非线性时刻变化;KL为负荷的单位调节功率;KG为区域发电机组的单位调节功率。区域一次调频是各区域固有的自动调频特性。目前,由于一次调频作为基本辅助服务不予补

5、偿,且各区域负荷扰动情况存在差别,造成有相对较小负荷扰动区域的一次调频总是无偿参与调节其他区域的负荷扰动,这对区域发电机组的一次调节成本不公平。只有各区域i的比例与各区域负荷扰动的统计特性比例相同,这样区域一次调频参与调节外区负荷扰动的概率也相同,才能实现区域发电机组一次调节成本的公平。20学术研究刘乐,等互联电网中区域调频责任及其分配方式由于一次调频的有差性,必须依靠AGC来实现频率的无差调节。国内AGC首先由网调能量管理系统实时采样频率和联络线潮流等信号,根据式(2)计算出各省(自治区、直辖市,下同)区域控制偏差ACEi并发送给省调度中心,省调度中心再依据ACEi对其下属AGC机组分配功率

6、调节量,通过增减机组出力使系统发电与负荷重新达到计划频率下的平衡状态,即f(2)ACEi=Ptiei+Bi式中:Bi为区域的频率偏差系数,代表各区域的二次调频责任。稳态分析表明,如果将ii,PLiBi=i可使各区域AGC、经济地进行发电控制,这对区域一、二次调频的功率输出量最公平。2现有的区域调频责任分配方式2.1区域一次调频责任分配由于目前实际运行中,一些电厂为减少机组磨损而自行闭锁一次调频功能的状况普遍存在,这使通常按网区域年度预计最高负荷乘以一个1%2%间的百分数确定。各大电网再将Bs按各省区域年预计最高负荷的比例分配Bi。这种简单利用PLmax估算Bs的方式无法保证时刻都有Bss,如果

7、某时段Bs<s,则对控制频率稳定极为有害。另外,按照各区域最高负荷比例分配Bi虽然简单易行,但要真正实现区域二次调频责任的公平分配,实质上默认了21:各区域,目前按照各区域Bi无法实现区域二次调频责任的公平分配。鉴于以上分析,有必要寻找出一种更加合理的区域调频责任分配方式,使得通过该方式既能够达到理想的频率控制效果,又能同时实现区域一、二次调频责任的公平分配。3区域调频责任的确定和分配3.1系统总二次调频责任的确定得各区域一次调频能力i并不能保证时刻都真正发挥作用。如果由于人为因素使得某时段一些区域的i很小,该时段系统总的一次调频能力ss=i将减小,这可能造成频率大幅波动等系统频率控制水

8、平下降的状况。另外,如上所述,由于目前各区域i的比例与各区域负荷扰动的统计特性比例不同,造成区域发电机组一次调节成本的不公平现象,从而无法实现区域一次调频责任的公平分配。2.2区域二次调频责任分配代表区域二次调频责任的各区域B系数在实际应用中通常有2种设定方式223:1)时变Bvn系数,即令Bi尽可能接近i。但由于i是非线性时刻变化的,以国内当前的调度自动化水平,即使实时在线计算也很难测准。且目前各区域一次调频能力i并不能保证时刻都真正发挥作用,如果由于人为因素使得某时段一些区域的i很小,Bi=i,则该时段系统总的频率偏差系数BsBs=Bi将减小,这可能造上述固定B系数整定方式首先指定系统总二

9、次调频责任Bs,再根据一定比例分配各省区域Bi,如果Bs和Bi整定合理,这种自上而下的B系数整定方式更有利于保证系统频率质量及公平分配区域二次调频责任。因此,本文借鉴这种固定B系数整定方式,研究合理整定Bs和Bi的方法。Bs代表系统总的二次调频责任,为了确保系统频率质量,应该按照整个电网的调频需求来确定Bs。整个电网的调频需求取决于以下2个方面:1)对频率控制的指标要求。由于负荷变化比发电变化快得多,要求系统发电与负荷时刻精确匹配,即要求频率总是维持在计划值既不现实也无必要。北美和中国部分电网采用限制f的长期统计特性小于一目标值作为对频率控制的指标要求4,即2(3)RMS2(f1)1式中:f1

10、为f的1min平均值;RMS(f1)为统计期间f1的方均根;1为系统设定的频率控制目标值。2)整个电网的负荷扰动量。如果将互联电网中所有区域的ACEi相加,则得到系统总的ACEs为:ACEs=错误,PtieiACEi成频率恢复缓慢等系统频率控制水平下降的状况。所以,目前单纯由各区域表现出的一次调频能力i来决定Bi,并不能保证系统频率质量。2)固定Bfs系数,即B采用固定值,每年修改一次。国内即采用这种固定B系数整定方式,每年由国调向各大电网下发该网总的Bs,且一年不变,Bs=Ptiei+fBi(4)忽略联络线交换功率在计划或测量中的误差和=0,式(4)简化为:f(5)ACEs=Bs为达到规定的

11、频率控制目标,系统AGC有功出力应尽量接近整个电网的负荷扰动量PLs,即应212008,32(16)使这样,f可表示为:ACEs-PLs。ACELsf=-BsBs(6)根据下式:2(X)+AVG2(X)=AVG(X2)RMS2(X)=(7)得到:RMS2(f1)=AVG(f1)2(8)式中:AVG代表变量的统计平均值。Bs为固定值,将式(6)两边取平均代入式(8)有:22P2RMS(f1)=22ss于是,3):2PAV2Bs21(9)式(9)最终整理为:2(10)BsG(PLs1)1这样,在确定了频率控制目标1后,根据电网PLs的历史数据,按照式(10)可以计算出Bs的取值范围,从而为确定Bs

12、提供依据。按照此方法确定Bs能够有效保证系统频率质量。3.2区域二次调频责任的公平分配在确定了系统总的Bs的前提下,分配各区域Bi实质上是由网调对各省区域分配二次调频责任,而该责任的分配应以公平为原则。实际上,区域负荷变化要比发电变化快得多,各区域只要能够使AGC输出功率跟踪该区域负荷的变化趋势即可。所以,如果各区域日负荷曲线形态或负荷扰动分量构成不相似,从系统运行的长期控制效果来看,按照各区域负荷扰动的长期统计特性比例分配Bi最公平1。即为公平分配区域二次调频责任,在对各区域历史负荷数据分析和统计的基2(PLi)础上,应将Bs按各区域负荷扰动的方差(比例分配Bi。3.3区域一次调频能力的规范

13、和引导系统和区域的一次调频能力对电网的安全运行有重要意义。目前,由于各区域一次调频是一种无偿行为,加之没有准确、有效的一次调频性能评价标准,实际运行中一些电厂为减少机组磨损而自行闭锁一次调频功能的状况普遍存在,使得系统和各区域的一次调频能力并不能保证时刻都真正发挥作用。该问题如不妥善解决,可能导致系统一次调频能力处于失控状态,从而增加电网中事故发生的概率和程度。因此,有必要对各区域一次调频能力i进行合理的规范和约束,使之既能够确保系统频率22质量,又能够实现区域一次调频责任的公平分配。如前所述,要实现区域发电机组一次调节成本和一次调频责任的公平分配,要求各区域i的比例2(PLi)比例相等;为实

14、现区域二次调频与各区域责任的公平分配,同样要求各区域Bi的比例与各区2(PLi)比例相等;而Bi=域i时,对于各区域一、二次调频的功率输出量最公平。因此,如果将各区域i规范为该区域被指定的Bi,i=Bi,则,又能实现区i达到Bi,需要设计和构例以作为保证i=Bi的手段。在评价标准的约束下,各区域将减少机组随意退出一次调节功能的行为,并积极主动地改善和提高发电机组的技术条件,使其i达到被分配的Bi,并最终实现s接近Bs。同时,也不应不计任何成本一味追求提高i,确实难以提高的区域可以损失一部分利益向外区购买一次调频能力。所以,电网还需建立区域一次调频交易市场,以实现区域间一次调频能力的买卖。这样,

15、最终使区域通过改善自身机组条件和在市场上购买一次调频能力这2种手段所获得的收益远大于其不做任何改善而被考核机制惩罚的收益。这其中涉及的问题极为复杂,仍有待今后深入研究。3.4频率偏差系数新功能的分析综上所述,为保证系统频率质量及公平分配区域二次调频责任,通过人为整定Bs和Bi实现对各控制区域安排一个更加合理和理想的二次调频特性。同时,为改善区域一次调频能力及实现区域一、二次调频责任的公平分配,还要求各区域必须具备相应的一次调频能力,即i应以Bi为目标达到指定要求。由此频率偏差系数被赋予一个新功能,即通过合理整定各区域Bi可以建立一套连接一、二次调频的机制,该机制使得Bi不仅能够规范和约束区域的

16、二次调频特性,同时可成为引导和改善区域一次调频能力i达到目标要求Bi的指挥棒。根据以上分析编制了相应的B系数新功能研究框架,如图1所示。4仿真研究利用MATLAB/Simulink建立两区域互联系统仿真模型。设两区域系统参数相同,电网最高用电负荷PLmax=20GW,1=0.015Hz,10=0.0035Hz。使两区域负荷扰动的统计特性满足22(PLA)(PLB)=21。模型分别在以下3种不同的B系数整定方法和一次调频水平下仿真1h,仿真结果见表1。学术研究刘乐,等互联电网中区域调频责任及其分配方式负荷扰动方差比例分配Bi并相应规范i,可使各区域对频率控制的责任和贡献更加明确,从而使CPS标准

17、对区域一、二次调频的考核相对更加公平、准确。5结论本文针对目前互联电网不能保证公平分配区域一、二次调频责任,:,ssBi。2)为改善区域一次调频能力并实现区域一、二次调频责任的公平分配,在事先指定各区域Bi后,还要求各区域必须具备相应的一次调频能力,即i应以Bi为目标达到指定要求。3)频率偏差系数被赋予一个新功能:通过合理整定各区域Bi可建立一套连接一、二次调频的机制,使Bi不仅能规范和约束区域的二次调频特性,同时可成为引导和改善区域一次调频能力i达到目标要求Bi的指挥棒。按此机制规范各区域Bi和i,可实现区域一、二次调频责任的公平分配。Fig.1coefficient表1仿真结果Table1

18、Simulationresults(Ptie)情况RMS(f1)1230.01360.01370.011141.4342.3232.71CCPS1,1CCPS1,2CCPS2,1CCPS2,277.7460.19144.80160.2158.5148.583.3383.33100.0083.3383.3383.33注:CCPS1,1为区域1的CPS1指标;CCPS1,2为区域2的CPS1指标;CCPS2,1为区域1的CPS2指标;CCPS2,2为区域2的CPS2指标。情况1:按照国内目前的B系数设定方法,Bs=2%PLmax=4000MW/Hz,由于两区域系统参数相同,得到B1=B2。两区域一

19、次调频能力比为3,且12=2s=Bs。情况2:同样按照国内目前的方法确定Bs=4000MW/Hz,为追求Bi=i,使B1B2=3,且12=2s=Bs。情况3:按照本文提出的B系数整定方法,根据式(10)计算得到Bs=4960MW/Hz,B1B2=22(PLA)(PLB)=21,并要求各区域的一次调频能力i=Bi。仿真表明,在相同负荷扰动和区域基本参数前提下,情况3的频率和联络线功率考核指标均优于情况1和情况2。说明按照本文提出的B系数整定方法能够有效保证并提高系统频率质量,同时对于区域一、二次调频责任的分配相对更加公平,减少了区域间联络线交换功率的波动。另外,由于情况1和情况2中Bi和i的比例

20、与2(PLi)比例不同,造成这2种情况下负荷两区域扰动较大的CCPS1,1和CCPS2,1指标均未达到合格要求(控制要求CPS1指标不小于100%,CPS2指标不小于90%)。而情况3中B1B2=12=22(PLA)(PLB)=21,CCPS1,1和CCPS2,1指标均满足合格要求。这说明按照本文提出的根据各区域参考文献1刘乐,刘娆,李卫东.考虑电网技术水平的频率偏差系数设定方式分析.电力系统自动化,2008,32(15):17220.LIULe,LIURao,LIWeidong.Analysisonfrequencybiascoefficientsettingmodeconsideringt

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23、23研制与开发蒋雷海,等新型线路保护选相方案overheadlinefaultandprotectionofdouble2circuittransmissionlines.AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(18):1032107.6吴大立,尹项根,胡玉峰,等.高压线路保护实用选相方案.电力8赵洪峰,吐尔逊依布拉音,晁勤.一种电流突变量选相元件的探讨.继电器,2005,33(13):629.ZHAOHongfeng,TUERXUNYibulayin,CHAOQin.Discussiononphaseselectorrelaybasedondiffe

24、renceofphasecurrents.Relay,2005,33(13):629.系统自动化,2007,31(17):50254.WUDali,YINXianggen,HUYufeng,etal.Utilityfaultphaseselectorschemeforhighvoltagetransmissionlineprotection.AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(17):50254.7毛鹏,董肖红,杜肖功,等.输电线路复故障情况下选相元件研究.电力系统自动化,2005,29(1):53256.MAOPeng,DONGXiaohong,

25、DUXiaogong,etal.Studyoffaultedphaseselectorelementforduplicatedfaultsoftransmissionlines.AutomationofElectric2005,29(1):53256.),男,通信作者,硕士,主要研究方向:电蒋雷海(1974力系统继电保护。E2mail:jiangleihai),男,:电力许捷(1962。),:电力(NSelectionandTransmissionLineProtectionJIANGLeihai,XUJie,YUZhuofei,CHENJianyu(NARITechnologyDevelop

26、mentLimitedCompany,Nanjing210003,China)Abstract:Byeffectivedataprocessingpriortothefaultandoptimizationofthephaseselectionprocess,improvementhasbeenmadeontheabilityofthefaultphaseselectorbasedonthefaultcomponentofcompensationvoltagetoenableittoworkbetterinthewholeprocessoffaultdevelopment,withthefau

27、ltphasecorrectlyindicatedunderdifferentoperationconditionswhenthepowersystemisfreefromswing.Thustheinabilityofeffectivelymaintainingtheresultsofthefaultphaseselectorbasedonthefaultcomponentofcurrentandthelackofdirectionalityareovercomeusingthemaintaininganddirectionalelementsdesigned,increasingthera

28、teofcorrectphaseselection.Theprincipleofsyntheticfaultphaseselectorbasedontheintegrationcurrentisproposedandtheincapabilityofnormaloperationofthefaultphaseselectorbasedonstableelectriccomponentsunderabnormaloperatingconditionsisresolved.Aworkableschemeforfaultphaseselectionisdescribed.Keywords:fault

29、phaseselector;integrationcurrent;compensationvoltage;phasecurrent;faultcomponent(上接第23页continuedfrompage23)AreaFrequencyRegulationObligationandItsDistributionModeinInterconnectedPowerSystemLIULe,LIURao,LIWeidong(DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)Abstract:Owingtothefactthatthecurrentint

30、erconnectedpowersystemisincapableoffairlydistributingareaprimaryandsecondaryfrequencyregulationobligation,amorerationaldistributionmodeofareafrequencyregulationobligationispresented.Inordertoguaranteefrequencyqualityandafairdistributionofareafrequencyregulationobligation,themodefirstrationallydeterminesthetotalsystemfrequencybiascoefficient,