电力系统运行约束

电力系统运行约束(AGC)是时时刻刻保证发电与负荷平衡、维持电力系统频率质量的重要技术手段。中文名电力系统运行约束外文名AGC系 统发电与负荷平衡、维持电力系统性 质技术手段

目录

研究背景

概述

分离分钟级负荷分量的算法

对AGC调节需求的统计分析

不同范围系统对AGC调节需求的比较

结语

电力系统运行约束研究背景

电力系统运行约束(AGC)是时时刻刻保证发电与负荷平衡、维持电力系统频率质量的重要技术手段。近年来，我国电力系统AGC工作取得了很大的进展，其中一个重要标志是大量的发电机组具备了投入AGC运行的条件。以华东电网为例，到2002年底，全国具备投入AGC运行的发电机组容量占全网统调装机总容量的55%，AGC可调容量占全网统调最高负荷的25.99%。AGC可调容量的大幅增加为电力系统安全、优质、经济运行提供了良好的条件。但是，在日常运行中，电力系统中应保持多少AGC可调容量，这是一个需要认真解决的问题。当然，系统中保有大量的AGC可调容量，对维持电力系统频率质量有好处，但发电机组保持AGC可调容量会减少正常的发电量，机会成本提高；投入AGC运行，机组的运行费用增加。在电力市场的环境中，AGC是发电机组向电网提供调节服务的技术手段，机组投入AGC运行是要在辅助服务市场中收取费用的。因此，作为电力系统的控制者和电力市场的运营者——电力调度交易中心，必须了解在电力系统运行中对AGC调节容量的需求，关按此需求采购或安排发电机组的AGC可调容量，这样才能做到既保证电力系统的安全，又降低运行费用。

电力系统运行约束概述

电力系统频率变化主要是由负荷波动引起的。根据对负荷分量的分析，可以得到各种负荷的分量和对应的调整方式。第1种负荷分量：变化周期在10s以内、变化幅度较小的负荷分量，称为随机波动的负荷分量，对应的调整方式是发电机组的一次调节；第2种负荷分量：变化周期在10s到数分钟之间的负荷分量，称为分钟级负荷分量，对应的调整方式是AGC；第3种负荷分量：变化缓慢的持续变动负荷分量，又可细分为第4种负荷分量(基点负荷分量)和第5种负荷分量(爬坡负荷分量)。由于对第3种负荷分量的调整并不是必须采用AGC控制，可以采用人工控制，因而本文对AGC调节需求的分析仅考虑平衡分钟级负荷分量的需要。但是，第3种负荷分量的调整在一段时间内(10多分钟，乃至数十分钟)对发电机出力的要求是单调增加或单调减小的。大多数发电机组都能适应这样的要求，若能采用AGC方式对大量调节速率较低的发电机组进行控制，精确实现对第3种负荷分量的调整，则有利于减轻分钟级负荷分量调整的压力。确定AGC调节容量的要求，与负荷预测相似，是依据过去事实的规律和对未来的预测。与负荷预测不同的是，负荷预测考察的是负荷的幅值，而AGC调节的目标是平衡负荷分钟级的波动。因此，确定AGC调节容量的依据是分钟级负荷波动的幅值和速率。

电力系统运行约束分离分钟级负荷分量的算法

2.1滚动平均法滚动平均法通过对每一个负荷幅值前、后一段数值滚动求平均，由此得到一条平滑的负荷曲线。滚动求平均的算式为：式中：LFT是经滚动平均法平滑处理后时刻t的负荷值；Lt是原时刻t的负荷值；2M是滚动求平均的负荷幅值的个数。M的取值与负荷幅值的采样和存储周期以及滚动求平均的时段长度有关。例如：负荷幅值的采样和存储周期为15s，滚动求平均的时段长度为15min，则滚动平均所需的负荷幅值个数为60，由此，取M=30。滚动求平均的时段长度不同，则求得的负荷曲线也不同，图1显示了用15min，30min，60min等3个不同时段长度滚动求平均得到的同一时段的负荷曲线。从图中可以看出，滚动求平均的时段越长，则求得的负荷曲线变化越平缓。求得平滑的负荷曲线后，分钟级负荷分量的有关参数可以用以下方法求出。2.1.1分钟级负荷分量的幅值由于负荷的随机波动已由电力系统的一次调频作用所平衡，Lt与对应时刻的LF1之差，即为分钟级负荷分量的幅值。分钟级负荷分量的求得也与滚动求平均的时段长度有着密切的关系，图2显示了用15min，30min，60min等3个不同时段长度滚动求平均求得的同一时估的分钟级负荷分量。从图中可以看出，滚动求平均的时段越长，则求得的分钟级负荷分量的幅度越大。2.1.2分钟级负荷分量的变化速率取相邻分钟的分钟级负荷分量平均值Lm与Lm+1之差作为分钟级负荷分量的变化率。通过用不同的时段长度来滚动求平均，可以得到不同的分钟级和持续变化的负荷分量(基点负荷分量和爬坡负荷分量)，从中可以看出分钟级和持续变化的负荷分量之间的界线不是绝对的，而这两者是一对矛盾，滚动求平均的时段拉长，持续变化的负荷分量的变化趋平缓，但分钟级负荷分量的变化幅度变大，这样，将减轻系统对持续变化的负荷分量的调节压力，但加重对AGC调节的需求；反之，缩短滚动求平均的时段，则将减轻系统对AGC调节的需求，但加重对其余的负荷分量的调节压力。因此，段根据负荷的特性，适当选择滚动求平均的时段长度。根据经验，对于一般特性的负荷，滚动求平均的时段长度选择15min较为适宜；但对于有较大冲击负荷(如大型钢厂)的控制区，则选择较生长期的时段长度(如30min)较为适宜。2.2时段平均法时段平均法通过对一段时间(时间段的长度可以是5min，10min,15min)的负荷幅值求平均，得到一组每5min离散的负荷幅值；经线性插值后，得到一条由爬坡负荷组成的负荷曲线(见图3的曲线2)，并用下述方法求出分钟级负荷分量的有关参数。2.2.1分钟级负荷分量的幅值与滚动平均法相同，实际负荷Lt(图3的曲线1)与对应时刻t爬坡负荷(图3的曲线2)之差，即为分钟级负荷分量的幅值。图3表示了以5min为时段长度，用时段平均法分离分钟级负荷分量的效果。2.2.2分钟级负荷分量的变化速率与滚动平均法相同，求得分钟级负荷分量后，以分钟级负荷分量相邻的分钟幅度值平均之差作为分钟级负荷分量的变化率。使用时段平均法同样可以通过用不同的时段长度求平均，得到不同分钟级和持续变化的负荷分量。时段长度的变化对分离分钟级和持续变化的负荷分量的影响，与滚动平均法是相似的。如果时段较短，分离所得的分钟级负荷分量幅度较小，但持续变化的负荷分量变换方向较频繁，对另一部分发电机组的调节带来困难。图

图5分别表示用5min时段和15min时段对同一组负荷数据分离所得的持续变化的负荷分量，从图4中可见，曲线有多处5min就改变了方向。因此，须根据负荷的特性，适当选择求平均时段长度，一般以选择15min为宜。除了上述2种方法外，还有多种方法可以用于分离分钟级负荷分量和持续变化的负荷分量，如多项式按按拟合，可以得到精确而平滑的负荷曲线；但由于在1d中负荷的变化规律是不同的，需要选择不同的回归模型来进行拟合，处理会变得很复杂。因此，滚动平均法和时段平均法是两种简单而实用的方法。

电力系统运行约束对AGC调节需求的统计分析

通过利用上述方法，可以得到与负荷幅值采样和存储周期相应的各个时刻的调节负荷分量和每分钟的调节负荷变化率。由此可以确定系统对AGC调节容量及速率的需求。通过各种方法分离而得的调节负荷分量及其变化率的最大值代表了系统对调节服务的容量及速率的最高需求。但是，用这种方法来确定系统对调节服务的容量及速率的需求，容易受到特殊的系统运行工况、甚至坏数据的干扰，所得的结果往往不能代表正常情况下的系统需求，有时甚至是错误的。图

图7分别表示了对华东电网某日的负荷幅值用滚动平均法求得的分钟级负荷分量和分钟级负荷分量变化率的分布情况。从图中可看出，分钟级负荷分量的最大值约为384MW，而分钟级负荷分量变化率的最大值大约为-235MW/min。但这种最大值在1d中仅为个别情况，而绝大部分的情况远小于最大值。因此，以最大值来确定系统对调节服务及其速率的需求是不经济的，也是没有必要的，应该采用统计分析的方法，从中找出分布规律。根据统计学的原理，一组服从正态分布的样本数据，分布在(-2.5σ，2.5σ)范围之内的样本点约占95%(σ为该组样本数据的标准差)，而分布在(-3σ，3σ)范围之内的样本点约占99.8%。经过对图

图7所示的两组数据的统计分析，得到分钟级负荷分量及其变化率的标准差分别为60MW和46MW/min。从图6可以看出，华东电网的分钟级负荷分量绝大多数分布在-180MW至180MW之间；分钟级负荷分量的变化率则绝大多数分布在-138MW/min到138MW/min之间，完全符合统计规律。因此，选择±180MW为该日华东电力系统的AGC调节容量需求，选择138MW/min为AGC调节速率需求是适宜的。用统计分析方法直接得出的结果，仅是系统过去对AGC调节的需求。为了得到未来系统对AGC调节需求的预计值，还需根据负荷的增长率、负荷特性的变化等情况，对统计分析的结果进行调整，也可以通过对长期运行数据的统计分析，从中得出更直接、简便的确定方法。有些电力系统以某日高负荷的百分数来确定系统对AGC调节容量的需求，是在对长期运行数据统计分析的基础上得出的经验方法。如与华东电力系统规模相近的美国宾夕法尼亚-新泽西-马里兰(PJM)联合电力系统，以峰、谷时段最高负荷的1.1%来分别确定峰、谷时段系统对AGC调节的容量需求；而根据对华东电力系统2002年1月份任意抽取的2d负荷数据的统计分析，得到2d中系统对AGC调节的容量需求，分别是系统当日最高负荷的1.04%和1.07%，与PJM方法较为接近。国外不少电力系统把对AGC调节速率的需求折算成对容量的需求，规定由发电机组提供的AGC调节容量=min(机组实际可调容量、机组的AGC调节速率×m)，m为分钟数，根据各电力系统的不同情况设定，如纽约ISO设定为5min，加州ISO设定为10min；华东电力系统目前负荷波动速率较高，根据上述统计数据，m=360MW/138(MW.min-1)=2.6min，因此，m应设定为不大于2.6min。

电力系统运行约束不同范围系统对AGC调节需求的比较

众所周知，对有功功率的调整是为了平衡发电功率与负荷的偏差，维持电力系统的频率质量。在电力系统不存在网络约束的条件下，在一个互联电力系统(交流互联)的不同地点调整相同容量的有功功率，其效果基本是相同的。因此，对AGC的需求是可以建立在互联电力系统共享的基础上。在一个互联电力系统中统一确定、或分块确定系统在AGC调节的容量及速率的需求，所需的总量不同。根据美国西部区域输电组织(Westrto)的研究结论，该区域作为单一控制区对调节服务容量的需求，仅为该区域原各个控制区(共有10个控制区)对AGC调节容量需求总和的约2/5(199/492)。通过对华东电力系统及华东电力系统内各省、市电力系统对AGC调节容量及速率需求的分析研究，可以得出相同的结论。表1给出了对华东及各省、市电力系统分钟级负荷分量及其变化率的统计分析。根据表中给出的数据可以看出，两种算法所得的结果比较接近，华东电力系统两种方法统计所得的分钟级负荷分量标准差的平均值为66MW，而三省一市电力系统分钟级负荷分量标准差总和的平均值为131.5MW，几乎正好是华东电力系统的2倍；华东电力系统分钟级负荷分量变化率标准差的平均为45.5MW/min，而三省一市电力系统调节负荷分量标准差总和的2d平均值为109.5MW/min，是华东电力系统的2.4倍。由此可以得出结论，在一个交流互联的电力系统中，在较大的范围内统一使用AGC调节容量比在较小的范围内使用经济得多。因此，近来北美电力系统出现一种趋势，在一些区域(如WestRTO，DesertstarRTO，ErcotISO等)中，由原来若干较小的控制区组合成一个较大的控制区进行运行控制，可以在较大的范围内对辅助服务资源实行共享，实现资源的优化配置，降低运行费用，提高经济效益。

电力系统运行约束结语

电力系统运行中AGC调节器的需求分析总是分为对AGC调节容量和对AGC调节速率的需求分析，这是AGC运行中的重要问题；更是辅助服务市场运作中的重要环节。本文介绍的两种算法可用于定量分析对AGC调节的需求。但是，该方法所得的电力系统对AGC调节的需求仅满足平衡分钟级负荷的波动，对于由于其他原因引起的发电功率与负荷的偏差（如负荷预计偏差、发达机组故障等），应使用其他资源（如备用容量）来平衡。经过对电力系统运行数据的长期统计分析，可以找出AGC调节容量需求与负荷的关系，并可以将对AGC调节速率的需求转换为对调节容量的需求，简化需求分析的工作。在交流互联的电力系统中，对AGC调节资源统一使用是降低运行费用的好方法，应予提倡，但必须顾及电网的约束和控制技术条件的限制等因素。词条图册更多图册