區(qū)域電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率控制策略應(yīng)用現(xiàn)狀分析

黃文潔 ，湯 奕 ，孫 潔

(1.東南大學(xué)電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210096；2.山東大學(xué)威海分校機電與信息工程學(xué)院，山東 威海 264209)

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，社會對電能的需求迅速增加，區(qū)域電網(wǎng)間的協(xié)調(diào)配合日趨重要。區(qū)域間聯(lián)網(wǎng)且有助于網(wǎng)際之間的能源互補，提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性和經(jīng)濟效益[1]。然而，聯(lián)合電網(wǎng)卻增加了穩(wěn)定破壞事故連鎖反應(yīng)的風(fēng)險，加大了系統(tǒng)頻率、電壓以及潮流控制的難度。區(qū)域聯(lián)絡(luò)線控制的主要目標(biāo)是保證傳輸潮流不超過聯(lián)絡(luò)線本身的安全范圍，保證聯(lián)絡(luò)線在系統(tǒng)振蕩，特別是低頻振蕩時系統(tǒng)的穩(wěn)定。

1 聯(lián)絡(luò)線功率控制模式概述

區(qū)域控制誤差（ACE）是根據(jù)電力系統(tǒng)當(dāng)前的負荷、發(fā)電功率和頻率等因素形成的偏差值，反映了區(qū)域內(nèi)的發(fā)電與負荷的平衡情況。

1.1 單個控制區(qū)的基本控制模式

恒定頻率控制（FFC）：維持系統(tǒng)頻率偏差在一定范圍之內(nèi)，ACE僅反映系統(tǒng)頻率的變化。FFC控制模式的控制對象是整個互聯(lián)電網(wǎng)的頻率（即整個互聯(lián)電網(wǎng)的功率平衡），因此，適用于獨立系統(tǒng)或聯(lián)合系統(tǒng)的主系統(tǒng)[2]。

恒定交換功率控制（FFC）：維持聯(lián)絡(luò)線凈交換功率接近于計劃值，ACE僅反映控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線凈交換功率的變化。FTC控制模式不能對整個互聯(lián)電網(wǎng)提供一次調(diào)頻的支持，因此，僅適用于聯(lián)合系統(tǒng)的小系統(tǒng)。

聯(lián)絡(luò)線偏差控制（TBC）：維持ACE在一定范圍之內(nèi)，ACE同時反映系統(tǒng)頻率和聯(lián)絡(luò)線凈交換功率的變化。TBC控制模式的控制對象是本控制區(qū)的功率平衡，因此，適合于任何沒有特殊任務(wù)的控制區(qū)采用。

除了上述3種基本模式外，還有計及計劃外交換電量償還和電鐘偏差校正等控制模式。

1.2 上下層級控制主體之間的基本配合方式

我國電網(wǎng)調(diào)度管理體制是 “統(tǒng)一調(diào)度、分級管理”，存在國、網(wǎng)、省、地多個層級的控制。上下級控制主體之間的控制配合方式，對所轄范圍內(nèi)的電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟運行有很大影響。上下級控制主體之間控制配合的基本方式有三種，分別為對等控制區(qū)方式、主子控制區(qū)方式和單一控制區(qū)方式[3]。

在對等控制區(qū)方式下，上級控制主體與其直接調(diào)度的發(fā)電廠構(gòu)成一個獨立的控制區(qū)，與下級控制主體及其直接調(diào)度的發(fā)電廠所構(gòu)成的控制區(qū)在聯(lián)絡(luò)線功率控制上處于對等的地位，共同進行所轄電網(wǎng)的頻率和功率控制。在主子控制區(qū)方式下，上級控制主體與其直接調(diào)度的發(fā)電廠構(gòu)成一個控制區(qū)，負責(zé)所轄電網(wǎng)整體的頻率控制或?qū)ν獾穆?lián)絡(luò)線功率控制。下級控制主體及其直接調(diào)度的發(fā)電廠構(gòu)成電網(wǎng)中的子控制區(qū)，負責(zé)所轄子區(qū)域的聯(lián)絡(luò)線功率控制。在單一控制區(qū)方式下，下級控制主體及其直接調(diào)度的電廠不再構(gòu)成獨立的控制區(qū)。以華東電網(wǎng)為例說明，華東電網(wǎng)控制主體配合模式示意如圖1所示。

圖1 華東電網(wǎng)控制主體配合模式示意圖

1.3 性能評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)北美電力系統(tǒng)可靠性協(xié)會（NERC）可靠性標(biāo)準(zhǔn)，控制性能標(biāo)準(zhǔn)的定義是：“在特定的時間周期上為平衡主體的區(qū)域控制偏差設(shè)定限值的可靠性標(biāo)準(zhǔn)”。在我國電力系統(tǒng)中，聯(lián)絡(luò)線功率控制目前沿用控制區(qū)的概念，但在最近制定的“聯(lián)絡(luò)線功率控制技術(shù)規(guī)范”中，提出了與“平衡主體”相當(dāng)?shù)摹翱刂浦黧w”的概念。聯(lián)絡(luò)線功率控制性能標(biāo)準(zhǔn)是對控制主體的聯(lián)絡(luò)線控制行為設(shè)定的性能要求。目前國內(nèi)電力系統(tǒng)普遍采用的控制性能標(biāo)準(zhǔn)有：A標(biāo)準(zhǔn)（A1，A2）、C標(biāo)準(zhǔn)（C1，C2）和 T 標(biāo)準(zhǔn)（T1，T2）[4]。

其中A標(biāo)準(zhǔn)是北美電力系統(tǒng)流行了幾十年的控制性能標(biāo)準(zhǔn)，強調(diào)各控制區(qū)嚴格實現(xiàn)本區(qū)域有功功率的平衡[5，6]，但由于其缺乏充分的理論依據(jù)、無法定量評價以及發(fā)電機組無謂的調(diào)節(jié)量大等問題，已逐漸被控制性能評價標(biāo)準(zhǔn)（CPS）所取代。C標(biāo)準(zhǔn)是對北美CPS標(biāo)準(zhǔn)的等效采用，將CPS標(biāo)準(zhǔn)中對控制性能的兩段（有害、無害）[7]式劃分發(fā)展為三段（有害、無害、有益）式劃分，并推廣應(yīng)用到對短期（10 min）控制性能的要求。T標(biāo)準(zhǔn)以聯(lián)絡(luò)線功率為控制目標(biāo)，鼓勵各控制區(qū)對恢復(fù)聯(lián)絡(luò)線功率提供支援，當(dāng)聯(lián)絡(luò)線對側(cè)控制區(qū)存在功率缺額時，本側(cè)控制區(qū)的功率支援將加大系統(tǒng)頻率的偏差。

2 各大區(qū)域電網(wǎng)頻率控制模式現(xiàn)狀

2.1 國家標(biāo)準(zhǔn)中對頻率控制的要求

《智能電網(wǎng)調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)電網(wǎng)自動控制功能規(guī)范》中提到對頻率控制的要求。支持接收上級調(diào)度機構(gòu)下發(fā)的ACE值，直接用于自動發(fā)電控制（AGC），并和本地計算的ACE互為后備；應(yīng)具有ACE濾波功能，以消除高頻隨機分量對控制系統(tǒng)的影響。

AGC控制合格率：A標(biāo)準(zhǔn)A1不小于90%，A2不小于90%；C標(biāo)準(zhǔn)CPS1不小于100%，CPS2不小于90%。應(yīng)支持如下兩種多控制區(qū)域模型。

（1）支持建立包括本控制區(qū)域在內(nèi)的多控制區(qū)域模型，以便對外部控制區(qū)域進行監(jiān)視，必要時可以直接接管其控制權(quán)。

（2）支持在本控制區(qū)域內(nèi)部建立多個子控制區(qū)域，不同的子控制區(qū)域可以有不同的控制目標(biāo)和控制模式，提供子控制區(qū)域及其控制目標(biāo)的定義功能。區(qū)域內(nèi)的機組可在線切換不同的控制目標(biāo)和不同的控制模式。

2.2 部分大區(qū)電網(wǎng)頻率控制模式

2.2.1 跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線控制評價標(biāo)準(zhǔn)

跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線控制評價采取功率波動標(biāo)準(zhǔn)，即聯(lián)絡(luò)線功率偏差（ΔP）一分鐘平均值的絕對值大于規(guī)定值作一個不合格點，規(guī)定值試電網(wǎng)容量而定。不合格責(zé)任由大區(qū)電網(wǎng)的ACE偏差決定，ACE與ΔP符號相同的一方承擔(dān)責(zé)任，當(dāng)兩方都需要承擔(dān)責(zé)任時，責(zé)任的大小與雙方ACE×ΔP值成正比。

2.2.2 跨省聯(lián)絡(luò)線控制評價標(biāo)準(zhǔn)

（1）華中電網(wǎng)于2005開始CPS標(biāo)準(zhǔn)試運行，2006年1月1日廢除A標(biāo)準(zhǔn)，正式實施CPS標(biāo)準(zhǔn)。四川、湖南、江西、河南等省主要依靠AGC進行聯(lián)絡(luò)線和CPS控制。1000kV長治—南陽—荊門特高壓試驗示范工程建成后，特高壓線路作為華中、華北電網(wǎng)之間的跨區(qū)聯(lián)絡(luò)線，將存在一定幅值的功率波動[8]。為做好特高壓聯(lián)絡(luò)線控制，華中網(wǎng)調(diào)采取水電廠定聯(lián)絡(luò)線功率的AGC控制模式跟蹤調(diào)整特高壓聯(lián)絡(luò)線的功率偏差ΔP。華中電網(wǎng)內(nèi)各省調(diào)采取TBC模式，控制各自聯(lián)絡(luò)線偏差A(yù)CE。

華中電網(wǎng)跨省聯(lián)絡(luò)線考核采取改進的CPS標(biāo)準(zhǔn)， 考核周期為 15 min，CPS1＞100%，ACE＜L15均不滿足是被考核，L15為省網(wǎng)的CPS2考核帶寬。

式（1—3）中：Δf為頻率控制偏差；B 為控制區(qū)設(shè)定的頻率偏差系數(shù)；Bnet為整個互聯(lián)電網(wǎng)的頻率偏差系數(shù)；ε1為互聯(lián)電網(wǎng)對全年1 min頻率平均偏差的均方根的控制目標(biāo)值。

（2）華東電網(wǎng)于2001年10月推行控制性能標(biāo)準(zhǔn)CPS1/CPS2考核指標(biāo)對?。ㄊ校┞?lián)絡(luò)線進行考核。近年來隨著電力供需矛盾趨緩，于2009年1月推行擾動控制標(biāo)準(zhǔn)（DCS）考核指標(biāo)，客觀評價和考核華東電網(wǎng)內(nèi)各控制區(qū)運行備用的預(yù)留、調(diào)用和恢復(fù)情況，確保功率缺失擾動的快速準(zhǔn)確處理。自2009年8月1日起，華東電網(wǎng)實施動態(tài)ACE考核標(biāo)準(zhǔn)。動態(tài)ACE是在標(biāo)準(zhǔn)ACE基礎(chǔ)上，考慮控制區(qū)之間聯(lián)絡(luò)線功率控制責(zé)任的轉(zhuǎn)移，讓其他控制區(qū)共同承擔(dān)某控制區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大功率擾動的調(diào)節(jié)，體現(xiàn)了故障發(fā)生后各控制區(qū)間的緊急支援。和標(biāo)準(zhǔn)ACE相比，動態(tài)ACE優(yōu)化了備用共享，更符合實際電網(wǎng)運行和發(fā)展需要。動態(tài)ACE的實施，進一步完善了華東電網(wǎng)的頻率控制考核體系[9]，使得互聯(lián)電網(wǎng)的頻率控制更加合理、有效。

（3）華北電網(wǎng)由京津唐電網(wǎng)、山西電網(wǎng)、河北南部電網(wǎng)、內(nèi)蒙古電網(wǎng)、山東電網(wǎng)組成。2001年華北電網(wǎng)與東北電網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)，2004年華北電網(wǎng)與華中電網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)，2005年山東電網(wǎng)與華北電網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)，目前華北電網(wǎng)的各個網(wǎng)、省間聯(lián)絡(luò)線均采用TBC控制方式，按照A1/A2控制標(biāo)準(zhǔn)進行調(diào)整。由于華北網(wǎng)調(diào)兼任京津唐中調(diào)，華北電網(wǎng)的網(wǎng)間聯(lián)絡(luò)線調(diào)整實際是由京津唐電網(wǎng)負責(zé)，華北電網(wǎng)的其他各省網(wǎng)負責(zé)本省網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線調(diào)整。其中，A1/A2標(biāo)準(zhǔn)要求：A1為ACE在每個考核時間段內(nèi)必須至少過零一次，即再考核時間段之內(nèi)ACE有正的時段也有負的時段；A2為ACE考核時間段內(nèi)的算數(shù)平均值不超過給定值±Ld。Ld是根據(jù)電網(wǎng)容量選擇的。

（4）西北電網(wǎng)現(xiàn)有的控制模式為分子區(qū)域平衡[10]，子區(qū)域分散獲取資源和調(diào)用資源的模式，即網(wǎng)調(diào)采用FFC控制，網(wǎng)調(diào)負責(zé)頻率控制，各省調(diào)采用FTC控制，各自對所轄發(fā)電機組進行AGC備用容量配置。根據(jù)西北電網(wǎng)特點，劃分為6個控制區(qū)：陜西控制區(qū)、甘肅控制區(qū)、青?？刂茀^(qū)、寧夏控制區(qū)、新疆控制區(qū)和直調(diào)風(fēng)水控制區(qū)。直調(diào)風(fēng)水電控制區(qū)：由青海省境內(nèi)網(wǎng)調(diào)直調(diào)水電與甘肅省境內(nèi)網(wǎng)調(diào)直調(diào)風(fēng)電組成，主要以應(yīng)對大規(guī)模風(fēng)電波動、直流功率突變、全網(wǎng)緊急調(diào)頻、應(yīng)對突發(fā)事故、完成水庫綜合應(yīng)用計劃為目標(biāo)。陜西、甘肅、寧夏、新疆聯(lián)絡(luò)線按TBC方式控制 （除青?？刂茀^(qū)外），按CPS模式考核。青海聯(lián)絡(luò)線按定功率方式控制，按L1，L2模式考核。風(fēng)水控制區(qū)按FFC方式控制系統(tǒng)頻率。

式（4，5）中：ΔPAVEi為 1 min 內(nèi)的聯(lián)絡(luò)線功率偏差 ΔP的平均值，每1 min采樣一次；Δt為積分時間間隔。

（5）東北電網(wǎng)實行統(tǒng)一調(diào)度、分級管理。網(wǎng)調(diào)負責(zé)東北電網(wǎng)公司只管水電廠、內(nèi)蒙東部電廠、綏中電廠和省間聯(lián)絡(luò)線的調(diào)度；遼寧、吉林和黑龍江省內(nèi)的發(fā)、供電設(shè)備分別由各省調(diào)調(diào)度[11]。鑒于我國電網(wǎng)與北美電網(wǎng)等國外電網(wǎng)的差異、東北電網(wǎng)與華東、華中電網(wǎng)的差異，東北電網(wǎng)的CPS標(biāo)準(zhǔn)有別于NERC和華東、華中，其主要包括三個部分[12]：

① 頻率合格指標(biāo)CPS1要求在一個長時間段（如1年）內(nèi)，控制各區(qū)EACEi滿足下式要求：

② CPS2規(guī)定控制各區(qū)ACEi 15 min平均值在限值L15內(nèi)，即：

③ 頻率越限指標(biāo)主要考查在系統(tǒng)頻差超出某一指定限值的時段內(nèi)各控制區(qū)域的表現(xiàn)。

2.2.3 對比總結(jié)

現(xiàn)階段中國區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)的有功功率控制模式屬于2級調(diào)度體制：區(qū)域電網(wǎng)電力調(diào)度通信中心（簡稱網(wǎng)調(diào)）直調(diào)機組通常承擔(dān)調(diào)頻或按計劃曲線調(diào)整的任務(wù)，有時也承擔(dān)特定的控制任務(wù)，如跨區(qū)特高壓互聯(lián)線路的調(diào)整等；各省級控制區(qū)通常采用聯(lián)絡(luò)線頻率偏差控制（TBC），以維持本省控制區(qū)有功功率的就地平衡。各大區(qū)網(wǎng)調(diào)聯(lián)絡(luò)線功率控制模式對比如表1所示。

表1 各大區(qū)網(wǎng)調(diào)聯(lián)絡(luò)線功率控制模式對比

3 新形勢下的頻率控制評價標(biāo)準(zhǔn)的變化

3.1 大規(guī)模新能源接入對頻率控制模式的影響

目前，風(fēng)電和光伏發(fā)電等新能源利用成為趨勢，由于新能源普遍有出力波動較大且難以預(yù)測的特點，大規(guī)模新能源并網(wǎng)給互聯(lián)電網(wǎng)有功功率控制帶來了新的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有模式下，省網(wǎng)有功功率就地平衡控制模式要求各省網(wǎng)都具有一定的調(diào)節(jié)資源，調(diào)節(jié)資源匱乏的省網(wǎng)往往需要其他省網(wǎng)的功率支援，這種支援通過CPS考核標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)，其支援量非常有限。此外，現(xiàn)有的調(diào)度模式缺乏協(xié)調(diào)性，當(dāng)包括新能源出力波動在內(nèi)的有功擾動發(fā)生時，各省控制區(qū)間AGC缺乏有效的協(xié)調(diào)與配合，影響頻率和聯(lián)絡(luò)線功率的控制效果。同時，受調(diào)度管轄權(quán)的掣肘，網(wǎng)調(diào)直調(diào)電廠的作用不能充分發(fā)揮，一些優(yōu)質(zhì)的調(diào)節(jié)資源得不到有效的利用。

3.2 常規(guī)ACE公式不能完全適用

當(dāng)互聯(lián)電網(wǎng)發(fā)生大的頻率擾動初期，系統(tǒng)頻率的恢復(fù)完全依靠系統(tǒng)頻率一、二次調(diào)節(jié)，互聯(lián)電網(wǎng)內(nèi)所有機組的AGC均根據(jù)本控制區(qū)域的ACE情況動作，因而對互聯(lián)電網(wǎng)的頻率恢復(fù)將會造成幾方面的不利影響：（1）電網(wǎng)頻率恢復(fù)緩慢，沒有發(fā)揮全網(wǎng)備用共享的作用；（2）電網(wǎng)承受連續(xù)頻率擾動能力下降，頻率越限可能性上升；（3）CPS，DCS考核在臟數(shù)據(jù)時段無法合理考核各控制區(qū)域頻率調(diào)節(jié)能力；（4）CPS，DCS考核促進各控制區(qū)提高頻率調(diào)節(jié)能力的效用被削弱。

目前，國內(nèi)只有華東電網(wǎng)采用了動態(tài)ACE計算方法，動態(tài)ACE使得CPS不但可以更好地評估控制區(qū)域AGC調(diào)節(jié)性能，也可以與DCS結(jié)合評估緊急情況下的控制區(qū)域AGC調(diào)節(jié)性能。但是動態(tài)ACE也不能在所有情況適用，動態(tài)ACE的完善仍需進一步研究討論。

3.3 現(xiàn)有控制性能標(biāo)準(zhǔn)適用性不足

我國電網(wǎng)調(diào)度管理體制是“統(tǒng)一調(diào)度、分級管理”，存在國、網(wǎng)、省、地多個層級的控制?！叭A”同步聯(lián)網(wǎng)以后，在國家電網(wǎng)核心區(qū)將形成國調(diào)、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)等多個層級控制主體協(xié)調(diào)配合、共同進行聯(lián)絡(luò)線功率控制的局面。控制區(qū)之間的控制模式配合策略則隨各控制區(qū)的控制對象和上下級控制主體之間的配合方式而變化。在此情況下，對各控制區(qū)的聯(lián)絡(luò)線功率控制性能要求顯得相當(dāng)復(fù)雜?，F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)未覆蓋所有可能的控制配合策略，難以適應(yīng)多層級的控制方式。

4 結(jié)束語

隨著國內(nèi)調(diào)度自動化水平的不斷提高，各級調(diào)度中心已具備各種智能化監(jiān)視、分析、預(yù)警及決策能力。相比省調(diào)而言，網(wǎng)調(diào)更具有快速獲取全網(wǎng)信息、全局統(tǒng)籌調(diào)度的優(yōu)勢。全網(wǎng)集中控制可以考慮到整個電網(wǎng)的安全約束，實現(xiàn)更大范圍內(nèi)AGC資源的優(yōu)化配置，是適應(yīng)大規(guī)模風(fēng)電等新能源接入的理想模式。然而目前在技術(shù)和管理上還存在一定困難，因此以全網(wǎng)集中控制為目標(biāo)、分級協(xié)調(diào)控制為過渡，逐步實現(xiàn)。在控制標(biāo)準(zhǔn)方面，當(dāng)前控制標(biāo)準(zhǔn)已不能完全適應(yīng)電網(wǎng)變化，今后ACE計算方式仍需進一步完善。除華東電網(wǎng)的動態(tài)ACE外，按調(diào)頻任務(wù)劃分為短周期和長周期分別建立控制評價方法，研究建立通用的評價標(biāo)準(zhǔn)都將是研究的熱點方向；此外，CPS參數(shù)對考核結(jié)果的影響，對參數(shù)和考核標(biāo)準(zhǔn)進行改進等也都是值得研究的方向。

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