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基于多源数据的电网一次调频能力平行计算研究.docx
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基于多源数据的电网一次调频能力平行计算研究.docx
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电网频率是电力系统运行中最重要的关键参数之一, 系统频率的异常波动不仅影响电
网的电能质量, 制约电力设备的正常使用, 严重的频率失衡甚至将导致并网设备脱网及系统
崩溃, 对电力系统的稳定运行带来严重危害
[1-2]
. 因此, 系统频率的稳定控制是电力系统稳定
不可或缺的重要组成. 电力系统频率的异常波动是由并网机组发电功率和用电负荷功率不
平衡引起的, 因而, 电力系统能够根据系统频率的变化主动快速进行发用电控制以维持频率
稳定就显得尤为重要
[3]
. 电力系统的一次调频就是当系统频率发生异常波动时, 自动迅速地
作出响应, 改变并网机组的实时出力, 将系统频率稳定在一个合理安全的水平线上. 这对提
高电能质量及电网频率控制水平, 迅速平息电网频率波动起到了重要作用
[4-5]
.
电力系统是一个非线性时变强耦合的复杂系统, 其一次调频特性与每台并网运行的发
电机调速器特性息息相关, 是每台并网运行机组调速器特性在当前电网工况下的综合特性
[6]
. 对于单台发电机组而言, 其一次调频特性与调速器自身的特性显著相关
[7]
. 而当机组并
入电力系统时, 电力系统的一次调频特性不仅与机组自身的调速器特性有关, 也和所有并列
运行的其他发电机组特性相关, 甚至还与机组所处的实时工况和机组间的相互作用有关
[8]
.
另一方面, 电网中各机组的发电类型、容量、设备结构(例如, 凝汽式机组的负荷响应速度
明显高于背压式机组), 以及机组运行工况(例如, 滑压或定压、不同季节乃至一天内不同时
间段的负荷率高低)等各类因素共同作用影响着电网的一次调频性能
[9]
. 所以, 在不同的电网
运行工况下, 非常有必要对电网的一次调频性能进行在线估计, 使电网面对不断变化的负荷
调节需求均能够具备足够的一次调频性能.
目前, 国内外对一次调频能力的研究偏向单台机组侧较多, 对电网一次调频性能的研
究和计算比较分散, 整体性考虑电网一次调性能各个因素的综合性研究较少, 也未见实际的
工程化应用. 此外, 由于很难、甚至无法对电网一次调频特性进行精确建模, 以至于无法有
效估计电网真实的一次调频性能.
本文基于平行控制理论框架下由人工社会 (Artificial societies, A)、计算实验
(Computational experiments, C)和平行执行 (Parallel execution, P) 构成的 ACP 理论体系, 构
建了多源数据的电网一次调频性能平行计算平台. 本文提出的计算方法能够有效兼顾机组
类型的静态特性和运行工况的动态特性, 并以平行执行方式完成人工估算系统与实际电力
系统的滚动优化, 实现了电网一次调频性能的在线全面估计, 从而有效弥补其无法进行精确
建模的不足, 有助于提高电网主动应对负荷突变的能力, 也是对电网一次调频性能管控的一
种全新的可行性方式.
1. 平台整体框架设计
所谓平行系统, 是指由某一个自然的现实系统和对应的一个或多个虚拟或理想的人工
系统所组成的共同系统
[10]
. 平行系统主要包括实际系统和人工系统, 其基本框架如图 1 所示
[10]
.
图 1 平行系统运行的基本框架
Fig. 1 Basic framework of parallel systems
下载: 全尺寸图片 幻灯片
设计平行系统的最主要目的是通过人工系统与实际系统的相互连接, 对二者之间的行
为进行比对和分析, 完成对各自未来状况的“借鉴”和“预估”, 相应地调节各自的管理与控制
方式, 达到实施有效解决方案以及学习和培训的目的
[10-11]
.
人工系统试图尽可能地模拟实际系统, 对其行为进行预估, 从而为寻找对实际系统有
效的解决方案或对当前方案进行改进提供依据
[12]
. 进一步, 通过观察实际系统与人工系统评
估的状态之间的不同, 生成误差反馈信号, 对人工系统的评估方式或参数进行修正, 并重复
进行新一轮的优化和评估
[12]
.
目前, 平行系统理论已经在自动化码头
[13]
、智能交通
[14]
等领域中开展了应用研究, 但
尚未用于现代电力系统. 现代电力系统是一个巨大的参数海量、广域分布、模型复杂的非
线性复杂系统. 现阶段, 绝大多数电力仿真系统是基于物理模型进行的, 并没有深入地考虑
人的行为、自然因素以及社会环境的影响, 这些因素限制了对复杂现代电力系统运行影响
的评估, 尤其是无法定性、定量地对电力系统应对突发事件的能力问题进行分析评估
[15]
.
为了克服采用传统仿真方法导致的上述局限, 本文将平行系统理论应用到电力系统的
实际工程中, 改变传统的被动、离线的电力系统仿真方法, 建立人工电力平行计算平台, 进
而实现管理与控制、实验与评估、学习与优化及故障诊断等功能. 以现代电网的海量数据
为驱动, 电力平行计算平台为载体, 该平台可对正在运行的电力系统进行滚动式在线改进与
不间断优化, 实现电网一次调频性能估算达到最优解, 为电力系统和复杂电网的能力优化与
管理开辟一条新的途径
[16]
.
基于上述平行系统理念, 本文设计了电网调频能力计算平台, 其整体框架如图 2 所示,
主要包括实际系统和人工平行系统两部分. 实际电力系统的频率控制本质上是一个以电力
调控中心为中枢, 实现电源与负荷的电力供需平衡的闭环控制系统. 电力调控中心不仅需要
满足区域内机组发电及负荷消纳的控制要求, 也肩负着电力系统实际运行产生的海量数据
信息采集的重担. 人工平行系统中, 基于 D5000 电网调度系统的一次调频在线测试系统不
仅能够在正常运行工况下测试控制区内的机组调频性能, 保证机组一次调频性能的测试结
果更具真实性, 同时将历次测试数据存储、分析及评价, 实现机组一次调频的静态参数、动
态性能的数据积累和量化管理. 将电力调控中心的海量数据和一次调频测试系统的特性数
据应用于电网一次调频能力在线估计模型中, 通过实际电力系统和人工平行系统的彼此作
用、相互修正, 既可以实现对实际电力系统的管理与控制,也能够完成对电网能力、行为与
决策的评估与实验.
当前, 电力系统已经发展成一个具有多源信息融合的综合性电力控制系统. 根据现有
的 SCADA(Supervisory control and data acquisition)、WAMS(Wide area measurement
system)、OMS (Operations management system)等系统, 建立机组一次调频数据采集体系, 如
图 3 所示. SCADA 的一次调频在线测试系统能够在一次调频在线测试期间自动记录测试机
组的有功 PMU (Phasor measurement unit)数据, 整编录入历史库存储
[17]
. WAMS 的机组性能
考核系统能够不间断采集机组实际运行的一次调频动作、响应等广域量测数据, 实现机组
转速不等率、积分电量、响应时间等一次调频性能指标的在线计算
[18]
. 基于 OMS 的网源协
调信息管理系统, 通过设置统一的一次调频试验台账, 维护和存储机组的历次原始试验数据
和参数, 统一存储于数据库中.
图 3 发电机组一次调频数据采集体系
Fig. 3 Primary frequency control data acquisition system of generator sets
下载: 全尺寸图片 幻灯片
2.1 机组一次调频在线测试系统
如图 4 所示, 在 D5000 系统中部署试验触发、结果展示、参数维护及统计分析功能.
试验触发功能可实现选定机组进行试验, 试验开始时将测试机组投入一次调频扰动测试模
式, 调控中心向电厂侧下发调频测试开始信号和频率偏差信号, 机组根据接收的信号进行一
次调频动作响应, 具体控制信息流程见图 5 所示.
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