考慮通信中斷的互聯(lián)電網(wǎng)自動發(fā)電控制策略

齊浩宇，張俊芳

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210094)

考慮通信中斷的互聯(lián)電網(wǎng)自動發(fā)電控制策略

齊浩宇，張俊芳

(南京理工大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇南京210094)

傳統(tǒng)自動發(fā)電控制(AGC)僅僅考慮了經(jīng)濟(jì)因素。然而互聯(lián)電網(wǎng)存在通信中斷的隱患，可能發(fā)生AGC控制信號阻塞現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致控制單元無法根據(jù)負(fù)荷的變化調(diào)整機(jī)組出力。文中從經(jīng)濟(jì)調(diào)度(ED)和負(fù)荷頻率控制(LFC)兩方面進(jìn)行改進(jìn)，提出一種考慮通信中斷概率的、具有預(yù)防性的AGC策略來降低通信中斷帶來的影響。經(jīng)濟(jì)調(diào)度根據(jù)負(fù)荷預(yù)測，針對長期、大幅的負(fù)荷波動，盡可能地利用通信中斷概率較高的機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)。負(fù)荷頻率控制根據(jù)機(jī)組風(fēng)險評估，針對短期、不可預(yù)測的小幅負(fù)荷波動，利用風(fēng)險較低的機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)。IEEE 118節(jié)點系統(tǒng)仿真表明，所提出的新AGC策略可以提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，并且有較好的經(jīng)濟(jì)性和工程實用價值。

自動發(fā)電控制；經(jīng)濟(jì)調(diào)度；負(fù)荷頻率控制；通信中斷概率；風(fēng)險評估

隨著電網(wǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，電力系統(tǒng)對通信可靠性的依賴日益加強(qiáng)。電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)需要通過通信采集各個廠站的實時信息，監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，并發(fā)送各種操作命令[1-3]。可以說，通信是調(diào)度自動化系統(tǒng)和電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是現(xiàn)代電力系統(tǒng)不可缺少的一部分。傳統(tǒng)的AGC策略只是追求成本最低，并沒有考慮通信中斷的問題[4]。一旦傳輸線路發(fā)生通信中斷，要下發(fā)的指令就無法按時傳遞到該線路上的機(jī)組,該臺機(jī)組只能保持之前的出力，無法根據(jù)負(fù)荷變化進(jìn)行調(diào)節(jié)[5-8]。為了提高自動發(fā)電控制的動態(tài)穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，本文根據(jù)通信中斷概率，提出了一種針對性的、預(yù)防性的AGC策略，分別從ED和LFC兩方面進(jìn)行研究。

針對長期、大幅的負(fù)荷波動，經(jīng)濟(jì)調(diào)度根據(jù)可靠地負(fù)荷預(yù)測，判斷下一個時段的負(fù)荷波動趨勢。在目標(biāo)函數(shù)中加入帶有通信中斷概率的懲罰項，來修正機(jī)組的分配系數(shù)。讓通信中斷概率高的機(jī)組盡可能地用盡各自的調(diào)節(jié)裕度，防止出現(xiàn)通信中斷后機(jī)組只能保持之前的出力，喪失調(diào)節(jié)的能力，造成電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)裕度不足。針對短期、不可預(yù)測的小幅負(fù)荷波動，負(fù)荷頻率根據(jù)機(jī)組的風(fēng)險評估，使風(fēng)險較低的機(jī)組盡可能多地承擔(dān)。在通信中斷來臨前，本文提出的策略已經(jīng)根據(jù)通信中斷概率、風(fēng)險及剩余調(diào)節(jié)裕度對各機(jī)組的出力進(jìn)行了預(yù)防性地調(diào)整，增加系統(tǒng)對負(fù)荷波動的調(diào)節(jié)能力又降低運(yùn)行成本。

1 經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制策略

1.1 傳統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制策略

機(jī)組發(fā)電成本為[9]：

式（1）中：ai，bi，ci分別為機(jī)組i發(fā)電成本函數(shù)的常數(shù)項系數(shù)、一次項系數(shù)、二次項系數(shù)；Piplan為機(jī)組i計劃出力。目標(biāo)函數(shù)：

約束條件有功平衡：

出力上下限：

式（3，4）中：PDplan為系統(tǒng)預(yù)測總負(fù)荷；Pimax，Pimin為機(jī)組i的出力上、下限。

1.2 考慮通信中斷概率的經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制策略

考慮通信中斷概率的經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制策略是針對長期、大幅的負(fù)荷波動，為了達(dá)到更好的效果，本策略需要依靠較為準(zhǔn)確地負(fù)荷預(yù)測。當(dāng)不存在負(fù)荷波動時，機(jī)組保持出力不變。

（1）負(fù)荷波動趨于有功增加。在目標(biāo)函數(shù)中添加懲罰項后修改為：

式（5）中：αi是機(jī)組i的通信中斷概率；PΣ是系統(tǒng)的基礎(chǔ)負(fù)荷；ki和li是懲罰項調(diào)節(jié)系數(shù)。

該懲罰項權(quán)衡了每臺機(jī)組的出力在總出力中所占的比例，并且可以經(jīng)過整理與目標(biāo)函數(shù)的一次項系數(shù)合并。通信中斷概率高的機(jī)組盡可能多地承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，讓通信中斷概率低的機(jī)組保留較大的上調(diào)裕度。防止出現(xiàn)通信中斷后，出現(xiàn)正向負(fù)荷波動，中斷機(jī)組出力保持不變，通信未中斷的機(jī)組上調(diào)裕度不足。

（2）負(fù)荷波動趨于有功減少。將式（5）中的αi用1-αi替代，目標(biāo)函數(shù)修改為：

使通信中斷概率低的機(jī)組盡可能多地承擔(dān)基礎(chǔ)負(fù)荷，讓通信中斷概率低的機(jī)組保留較大的下調(diào)裕度。防止出現(xiàn)通信中斷后，出現(xiàn)負(fù)向負(fù)荷波動，中斷機(jī)組出力保持不變，通信未中斷的機(jī)組下調(diào)裕度不足。

2 負(fù)荷頻率控制策略

2.1 傳統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制策略

傳統(tǒng)的負(fù)荷頻率控制策略根據(jù)經(jīng)濟(jì)調(diào)度的比例進(jìn)行分配出力，分配系數(shù)為[10，11]：

式（7）中：PiED為機(jī)組i根據(jù)經(jīng)濟(jì)調(diào)度所分配的出力。

2.2 考慮通信中斷概率的負(fù)荷頻率控制策略

考慮通信中斷概率的負(fù)荷頻率控制策略針對的是短期、不可預(yù)測、小幅的負(fù)荷波動，根據(jù)各機(jī)組的風(fēng)險評估和剩余調(diào)節(jié)裕度對機(jī)組進(jìn)行出力分配。機(jī)組i的風(fēng)險表示為：

式（8）中：Ciwithout是機(jī)組i出現(xiàn)通信中斷后總的發(fā)電成本，該機(jī)組喪失調(diào)節(jié)裕度，原本應(yīng)該進(jìn)行的調(diào)節(jié)量由其他機(jī)組承擔(dān)；Cinormal是所有機(jī)組不出現(xiàn)通信中斷的總發(fā)電成本。

機(jī)組出力分配系數(shù)修改為：

式（9，10）中：Pinow為機(jī)組i的當(dāng)前出力；Pileft為機(jī)組i的剩余調(diào)節(jié)裕度，取機(jī)組i的出力上限減去當(dāng)前出力（上調(diào)裕度）與當(dāng)前出力減去機(jī)組i出力下限（下調(diào)裕度）中的最小值。風(fēng)險較低和剩余調(diào)節(jié)裕度較多的機(jī)組更多參與負(fù)荷波動調(diào)節(jié)。

3 考慮機(jī)組通信中斷的自動發(fā)電控制策略

通過考慮各機(jī)組通信中斷的概率，提出如下自動發(fā)電控制策略。

（1）基于較為準(zhǔn)確的負(fù)荷預(yù)測判斷用戶負(fù)荷是趨于有功增加還是趨于有功減少，并計算考慮機(jī)組通信中斷概率后的機(jī)組發(fā)電成本。

（2）根據(jù)考慮機(jī)組通信中斷概率的經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制策略針對長期、大幅的負(fù)荷波動對各機(jī)組的出力進(jìn)行分配，使系統(tǒng)盡可能保留較大的調(diào)節(jié)裕度。

（3）通過各個機(jī)組是否發(fā)生通信中斷情況下得到的發(fā)電總成本差和機(jī)組通信中斷概率得到各機(jī)組的風(fēng)險值，并計算出各機(jī)組的剩余調(diào)節(jié)裕度。

（4）根據(jù)考慮機(jī)組通信中斷概率的負(fù)荷頻率控制策略針對短期、小幅的負(fù)荷波動進(jìn)一步對各機(jī)組的出力進(jìn)行調(diào)整。

4 仿真與分析

4.1 仿真系統(tǒng)

為了比較新控制策略和傳統(tǒng)控制策略效果，在Simullink中建立IEEE-118節(jié)點系統(tǒng)驗證其有效性。該系統(tǒng)分為3個區(qū)域，共有54臺機(jī)組，都采用聯(lián)絡(luò)線偏差控制（TBC）。其中區(qū)域2與區(qū)域1和區(qū)域3互聯(lián)，區(qū)域1和區(qū)域3不互聯(lián)。在區(qū)域1中設(shè)置負(fù)荷波動，本區(qū)域有15臺機(jī)組，其中機(jī)組1，5，6，8，10的通信中斷概率較高，且懲罰項調(diào)節(jié)系數(shù)ki=0.003，li=0.000 1。區(qū)域1的部分機(jī)組參數(shù)如表1所示。

表1 區(qū)域1部分機(jī)組參數(shù)

4.2 算例分析

算例1檢驗經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制策略的效果，針對長期穩(wěn)定、可預(yù)測并且幅值較大的負(fù)荷波動，負(fù)荷波動設(shè)置為趨于有功增加。算例2檢驗負(fù)荷頻率控制策略的效果，針對短期、頻率較高、波動趨勢不可預(yù)測且幅值較小的負(fù)荷波動，負(fù)荷波動設(shè)置為先增后減。

4.2.1 算例1

在50.5 s時設(shè)置一個1300 MW的正向負(fù)荷波動，所有機(jī)組保持通信正常。在51 s時，機(jī)組1，5，6，8，10出現(xiàn)通信中斷，保持之前的出力。

區(qū)域1的頻率偏差如圖1所示。本文所提出的AGC控制策略使頻率偏差更加接近于0，并且傳統(tǒng)控制策略下的頻率偏差已經(jīng)超出了我國電力系統(tǒng)的正常頻率偏差的允許值±0.2 Hz。為了對比效果明顯，負(fù)荷波動設(shè)置較大，導(dǎo)致在調(diào)節(jié)后仍存在頻率偏差。

區(qū)域1部分機(jī)組在50.5 s（正向負(fù)荷波動發(fā)生之前）和100 s（終止時間）的出力如表2所示。

圖1 區(qū)域1的頻率偏差

表2 區(qū)域1機(jī)組出力

經(jīng)計算，傳統(tǒng)的AGC控制下總的上調(diào)裕度為314 MW，本文所提出的AGC控制下總的上調(diào)裕度為564 MW。傳統(tǒng)AGC控制的成本為22 509元，本文所提出的AGC控制的成本為24 643元。后者的出力比前者多160 MW，由于傳統(tǒng)的AGC控制策略下的機(jī)組調(diào)節(jié)能力有限，這部分出力差額要從鄰區(qū)購買。假定這部分成本按本區(qū)域成本最高的機(jī)組計算，而在實際的電力交易計劃中這部分成本甚至更高。那么傳統(tǒng)AGC控制的成本修改為28 507元。因此本文所提出的AGC控制的成本比傳統(tǒng)的AGC控制的成本降低了13.5%。

4.2.2 算例2

在50.5 s和51.5 s分別設(shè)置一個200 MW的正向波動和100 MW的負(fù)向波動，其他仿真條件不變。

區(qū)域1的頻率偏差如圖2所示。由于負(fù)荷波動設(shè)置較小，2種策略下的曲線比較接近。仍舊可以看出本文所提出的AGC控制策略使得頻率偏差更快趨于穩(wěn)定。

區(qū)域1部分機(jī)組在51.5 s（負(fù)向負(fù)荷波動發(fā)生之前）和100 s（終止時間）的出力如表3所示。

經(jīng)計算，傳統(tǒng)的AGC控制下總的下調(diào)裕度為256 MW，本文所提出的AGC控制下總的下調(diào)裕度為257 MW。傳統(tǒng)的AGC控制的成本為13 375元，本文所提出AGC控制的成本為13 398元。2種控制的最終總出力相同，雖然本文所提出的AGC控制成本升高了0.2%，仍在可接受范圍內(nèi)，并且有更好地調(diào)頻效果。

圖2 區(qū)域1的頻率偏差

表3 區(qū)域1機(jī)組出力

5 結(jié)束語

本文提出了一種考慮通信中斷概率并具有預(yù)防性的AGC控制策略來提高電力系統(tǒng)調(diào)頻的動態(tài)穩(wěn)定性。分別從AGC的經(jīng)濟(jì)調(diào)度和負(fù)荷頻率控制兩方面對傳統(tǒng)的控制策略進(jìn)行改進(jìn)。在經(jīng)濟(jì)階段，針對長期穩(wěn)定、可預(yù)測并且幅值較大的負(fù)荷波動，滿足基礎(chǔ)負(fù)荷后，讓通信中斷概率低的機(jī)組保留更多的調(diào)節(jié)裕度。在負(fù)荷頻率控制階段，針對短期、不可預(yù)測、幅值較小的負(fù)荷波動，讓風(fēng)險較低和剩余調(diào)節(jié)較高的機(jī)組盡可能多地參與負(fù)荷波動的調(diào)節(jié)。從而大大降低了電力系統(tǒng)通信中斷帶來的負(fù)面影響。仿真結(jié)果表明，在存有通信中斷隱患的情況下，本文所提出的AGC控制策略與傳統(tǒng)的AGC控制策略相比可以使系統(tǒng)頻率誤差變得更小，并且有良好的經(jīng)濟(jì)性和工程實用性。

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AGC Strategy Considering Communication Outage for Interconnected Power Grids

QI Haoyu,ZHANG Junfang
(School of Automation，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

The conventional automatic generation control(AGC)strategy only takes the economic factors into consideration. However,for interconnected power grids,the hidden failure of communication outage may cause AGC control signal blocks followed by control units'inability of power adjustment with the load fluctuation.In this paper,a novel AGC strategy was proposed to improve the conventional one by taking both strategy of economic dispatch (ED)and load frequency control (LFC)into consideration.The novel AGC strategy has considered the communication outage probability and was prophylactic, so that it could let the impact of communication outage down.The ED control of the novel AGC strategy was designed against the long-term substantial load fluctuation by adjusting the power of those AGC units with high communication outage probability according to the load forecasting as much as possible.While the LFC strategy of the novel AGC strategy was designed against short-term and unpredictable slight load fluctuation by adjusting the power of those AGC units with low communication outage risk.The IEEE-118 system is employed to verify the effectiveness of the novel AGC strategy.The simulation results indicate that the novel control strategy has the ability of improving the dynamic stability of power system, excellent economy and engineering application value.

automatic generation control;economic dispatch;load frequency control;communication outage probability;risk assessment

TM76

A

1009-0665（2016）06-0005-04

齊浩宇（1990），男，吉林長春人，碩士研究生，從事電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制研究工作；

張俊芳（1965），女，陜西武功人，副教授，從事電力系統(tǒng)運(yùn)行研究工作。

2016-07-22；

2016-09-05