面向各類功率擾動的頻率控制及評估問題探討

朱全勝,常燁骙，張振安，趙華，晉萃萃，吳玉瓊，劉嬈

(1.國網河南省電力公司電力科學研究院, 鄭州市 450052；2.大連理工大學電氣工程學院，遼寧省大連市 116024；3.國網遼寧省電力有限公司大連供電公司，遼寧省大連市116024)

0 引 言

頻率對電能質量具有重要意義，維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定是保證電網安全、穩(wěn)定運行的先決條件。在電網運行中出現(xiàn)的各種功率擾動，會引起頻率波動，進而影響系統(tǒng)正常的運行狀態(tài)[1-3]。目前，隨著我國特高壓交直流混聯(lián)電網逐漸成型與新能源的大規(guī)模接入，系統(tǒng)單一故障功率缺額增大，且常規(guī)機組上網空間大大減小。因新能源機組一般不具備頻率響應能力，系統(tǒng)整體頻率響應能力下降，頻率穩(wěn)定問題日益嚴重。為應對各類擾動帶來的不利影響，系統(tǒng)需采取一系列措施來保證擾動后頻率的快速恢復及電網的可靠運行，包括一次調頻、二次調頻、啟動事故備用、高頻切機和低頻切負荷等。因其中一部分措施是由控制區(qū)域來完成的，故需劃分各控制區(qū)域的責任并制定相應的控制性能評價標準來引導和規(guī)范其控制行為，以保證電網運行的可靠性。

目前，北美電力可靠性公司(North American Electric Reliability Corporation，NERC)推行的可靠性標準集中[4]，BAL、EOP、TOP、IRO等系列標準能夠相互配合共同處理電網的擾動情況，以保障電網運行的安全與穩(wěn)定。其中，擾動控制標準(disturbance control standard，DCS)是BAL系列標準之一，編號為BAL-002。其版本經BAL-002-0到BAL-002-1發(fā)展到目前的BAL-002-2[5]，于2015年11月5日完成修正。該標準用于評價責任主體(responsible entity，RE)應對平衡故障事件的事故備用的容量配置及調用情況，目的在于快速恢復故障，提高系統(tǒng)穩(wěn)定裕度。

現(xiàn)階段，我國特高壓互聯(lián)電網建設處于初級階段，大功率缺失故障發(fā)生概率較高[6-7]，且系統(tǒng)頻率穩(wěn)定問題比較嚴重，故對系統(tǒng)頻率響應能力需求較高，多數(shù)情況下需進行區(qū)域間頻率響應支援。同時，由于我國電網的管理模式為“統(tǒng)一調度、分級管理”，五級調度機構都有各自的職權和管轄機組[8-11]，與北美“RC(reliability coordinators)-BA(balancing authority)-GO (generator operators)”的管理結構不同[4]，這就導致直接沿襲北美標準的設計思路不利于發(fā)揮我國管理模式在協(xié)調控制全網資源方面的優(yōu)勢，需要針對新形勢下我國特有的電網管理模式，設計適合我國的頻率控制與評價方法。

本文首先剖析北美擾動控制的內涵與機制，接著依據(jù)我國電網當前管理模式，探討其在統(tǒng)籌全網控制資源方面所具有的優(yōu)勢，進而說明直接沿襲北美標準的設計思路不夠合理。另外，依據(jù)大擾動下和正常運行情況下頻率控制目標的不同，提出控制及評價應依據(jù)電網運行情況進行劃分的原則，界定我國擾動控制性能評估方法是對大擾動下系統(tǒng)整體的頻率控制效果的評價，并提出國網、區(qū)域網和省網三級標準的設計理念。

1 北美聯(lián)合電力系統(tǒng)各標準的銜接配合

1.1 系統(tǒng)受擾動后的頻率調節(jié)

NERC制定的面向大電網的可靠性標準集中的TPL系列標準規(guī)定了8種預想事件[4]：P0，零故障，系統(tǒng)處于正常運行狀態(tài)；P1—P2，系統(tǒng)發(fā)生單一元件故障；P3—P7，故障導致系統(tǒng)中2個或更多元件損失或出現(xiàn)連鎖故障。上述故障一旦發(fā)生，系統(tǒng)穩(wěn)定運行就會受到影響，需采取措施進行控制。若故障發(fā)生在系統(tǒng)正常運行過程中，系統(tǒng)有功平衡被打破，系統(tǒng)中旋轉元件釋放動能平衡功率缺額，從而導致旋轉元件轉速降低，系統(tǒng)頻率下降[12]；此后，調速器依據(jù)本地頻差動作，進行一次調頻，因該過程屬有差調節(jié)，不能將頻率恢復到初始階段，需采用二次調頻增發(fā)功率，以將頻率恢復到系統(tǒng)正常運行頻率，并將一次調頻置換出來，用于應對未來系統(tǒng)擾動，這一過程通過調用 10 min調節(jié)備用實現(xiàn)。

若系統(tǒng)功率缺額容量較大，上述調頻過程不足以抵御系統(tǒng)擾動。為滿足電網穩(wěn)定限額約束，提高二次調頻釋放速率，需調用系統(tǒng)事故備用容量。但該操作會降低系統(tǒng)穩(wěn)定儲備，影響系統(tǒng)對后續(xù)故障抵御能力，因此事故備用恢復需滿足時間約束要求。若調出事故備用之后，依舊平衡功率缺額量，則需通過低頻率減載、解列措施進行頻率控制。

1.2 北美聯(lián)合電力系統(tǒng)的有功平衡控制及評價

故障發(fā)生后，在進行頻率控制的同時，需依據(jù)標準約束各平衡監(jiān)管機構(BA)出力，對其行為進行評價約束[13]等。NERC可靠性標準集中有關有功平衡的標準有：

CPS1[14-15]標準(BAL-001-2：R1)用于評價各BA對實時有功平衡的控制作用，具有長期考核功能，能夠較客觀地對各BA控制作用對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定所做的貢獻進行評價[16-17]。

BAAL標準(BAL-001-2：R2)是對BA的區(qū)域控制偏差(area control error,ACE)在短時間尺度內的限制，要求每個BA報告ACE的分鐘平均值不能持續(xù)超過其BAAL限值30 min以上。該標準同時使用了ACE和頻率偏差，能夠捕捉到各區(qū)域ACE對可靠性的影響。

DCS標準(BAL-002)的目的是在發(fā)生可報告事故后，確保責任主體能夠通過調用事故備用平衡功率缺額，使ACE恢復到規(guī)定范圍內。

BAL-003標準為頻率響應與頻率偏差設定標準，要求各BA依據(jù)本地頻差進行充分調節(jié)以攔截頻率持續(xù)下降，目的是保障頻率質量處在安全的水平。

EOP-002標準是用于解決電力電量不足的緊急情況，規(guī)定了4種能源緊急警戒(energy emergency alerts，EEA)[4]等級及各等級下應該采取的措施，使BA能夠為電力電量緊急情況做準備。

TOP-007標準解決的是輸電線路功率越限的緊急情況，要求當出現(xiàn)系統(tǒng)運行極限(system operation limit，SOL)與互聯(lián)電網可靠性極限(interconnection reliability operation limit，IROL)越限情況時，應能采取切負荷、解列操作并對越限原因進行分析。

IRO系列標準是在系統(tǒng)發(fā)生故障后，用于指導各BA采取措施并相互協(xié)調、配合，以恢復、維持系統(tǒng)的可靠運行。

2 北美擾動控制及其標準剖析

2.1 啟動條件

BAL-002-0和BAL-002-1標準中的啟動條件為發(fā)生可報告擾動，是指發(fā)生80%最嚴重單個故障(most severe single contingency, MSSC)[4]以上功率的擾動，且擾動產生的功率缺額是瞬時非連續(xù)的。在BAL-002-2中，規(guī)定了一個接近影響北美同步電網頻率質量的功率缺失量，當責任主體發(fā)生平衡故障事件(BAL-002-2)，且該故障大于80%MSSC與所有同步電網所規(guī)定功率值二者中較小的一個時，可把它當做可報告平衡故障事件。

對于DCS可報告事件是否進行評價，要從故障大小、發(fā)生時間與多重性方面進行分析在故障大小方面，若功率缺額小于80%MSSC，建議責任主體進行報告；若擾動量處于80%～100%MSSC之間，需報告并評價，并要求在15 min內完成ACE恢復；對于大于MSSC的事件，則只報告不評價，不要求在15 min內恢復ACE。

在故障發(fā)生的時間段與多重性方面，若將1 min內發(fā)生的多故障視為單一故障，則當多故障缺失量之和超過MSSC，做報告不評價處理?？蓪_動恢復期內發(fā)生的多重故障進行匯報，若發(fā)生在某一可報告擾動之后1 min與恢復周期結束之間，則該段時間內發(fā)生的其他故障無須進行評價；而發(fā)生在事故備用恢復期的多個故障需要報告并進行評價?？蓤蟾嫫胶夤收鲜录卸ǖ倪壿嬃鞒桃妶D1。

圖1 DCS決策樹流程Fig.1 Flow chart of decision tree for DCS

2.2 評價對象

之前版本中標準的評價對象為備用共享組(reserve sharing groups, RSG)或非RSG成員的BA。在BAL-002-2中將二者統(tǒng)稱為責任主體。責任主體通常分為3種類型：非RSG成員的BA(如圖2中①)、RSG(如圖2中②)和RSG成員的BA(見圖2中③)。值得注意的是，當圖中③BA發(fā)生擾動，若啟用備用共享程序，則②RSG為責任主體；否則有，③BA為責任主體。

2.3 評價時段

擾動恢復期，為可報告事件發(fā)生后的15 min。該時間要求與事故備用的調用速度、啟動備用共享程序的時間與系統(tǒng)調度運行的時間尺度[18]相關。

2.4 評價目標

發(fā)生可報告平衡故障事件后，在擾動恢復期內，責任主體能夠使用事故備用對發(fā)電和負荷進行平衡，將其ACE恢復到規(guī)定范圍內，隨后的90 min事故備用恢復期內恢復其事故備用。

圖2 責任主體劃分示意圖Fig.2 Dividing diagram of responsible entities

2.5 評價方法

擾動控制標準是對事故備用最低容量配置和實際調用效果的評價，依據(jù)評價結果檢驗事故備用的配置調用情況，并進行相應調整。

(1)事故備用容量的最低要求。依據(jù)N-1原則，責任主體應該維持事故備用容量不小于MSSC。

(2)事故備用的調用效果。在故障恢復期內將責任主體的ACE恢復為0(故障前ACE大于等于0)或故障前的值(故障前ACE小于0)。

(3)檢驗方法。依據(jù)符合性計算結果對各責任主體控制作用進行量化處理，若其符合性低于100%，計算備用整定參數(shù)，在之后的考核時段中，要求其增大事故備用量。之前版本中符合性計算的是擾動恢復率Ri[4]；在BAL-002-2符合性計算中，使用事故備用響應值和功率缺失量間的比較，獲得符合性計算結果[5]。上述2種方法區(qū)別在于后者將發(fā)生于擾動恢復期的其他平衡故障考慮在內。

2.6 評價制度建設

BAL-002-2中規(guī)定了3點要求：R1為2.5節(jié)(2)中的內容；R2在判定MSSC時，要求責任主體制定并執(zhí)行特定運行程序，責任主體用于維持系統(tǒng)可靠性所需的事故備用需不小于其MSSC；R3要求責任主體在故障備用恢復期內至少將備用容量恢復至MSSC。對每一項要求都要有證明文件用以說明責任主體對各要求的符合性。

符合性監(jiān)測程序包括以下步驟：(1)明確符合性執(zhí)行機構。(2)保存證據(jù)，時間從上一次審查開始。責任主體需對當前年與之前3年內的數(shù)據(jù)與相關證明進行留存；若不能滿足責任主體的符合性要求，則需將上述信息一直保存至滿足要求。符合性執(zhí)行機構需從上一次審查記錄開始對之后所有要求與相關提交記錄進行留存。(3)符合性監(jiān)測與程序評估，該數(shù)據(jù)信息評估工作用于對相關可靠性標準的性能進行評價。

根據(jù)責任主體對每項要求的符合性劃分了低、中、高、嚴重4種違規(guī)嚴重性等級(violation severity levels，VSL)，詳見文獻[5]中的符合性因子表。

3 我國頻率控制及評估應考慮的問題

我國電網多級管理模式和特高壓網架結構與北美電網之間存在較大差異，實現(xiàn)我國面向不同擾動的頻率控制及評估需要充分考慮這些差異。

3.1 特高壓帶來的新問題

現(xiàn)階段，我國特高壓互聯(lián)電網正逐步投入運行，因其網架結構尚較薄弱，故障導致的特高壓聯(lián)絡線功率波動越限引起兩端交流母線電壓幅值變化，嚴重時會造成電壓失穩(wěn)問題，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。此外，特高壓情況下的直流閉鎖故障頻發(fā)也給頻率控制帶來了很大的挑戰(zhàn)。

系統(tǒng)正常運行的情況下，發(fā)電和負荷的隨機波動，只會引起頻率在較小的范圍內連續(xù)變化，為了保證運行經濟性，在不損害系統(tǒng)可靠性的情況下，應盡量減少頻率的調節(jié)次數(shù)。但當發(fā)生以直流單雙級閉鎖為代表的大功率缺失故障時，頻率會瞬時大幅度下降，此時需要受影響的區(qū)域通過聯(lián)絡線進行大量的功率支援，以便頻率快速恢復正常。由此可見，當電網由于大擾動進入警戒或以上狀態(tài)后，頻率控制的原則從經濟性為主變?yōu)榘踩詾橹?，對相關控制主體控制性能的要求也有所變化，為了正確引導和監(jiān)督各控制主體的調節(jié)行為，相應的頻率控制與評估方式也應該有所調整。因此，按照電網的運行狀態(tài)根據(jù)不同的控制目標，制定不同的控制與評估方案很有必要。

3.2 我國電網管理模式的特殊性

在北美電網中，所有與系統(tǒng)運行可靠性相關的事宜，例如制訂可靠性標準、確定各控制機構職能等均由NERC主導和實施。從有功平衡實時控制角度來看，北美電網是以平衡監(jiān)管區(qū)(balancing authority area，BAA)為基本控制單元，由平衡機構BA負責功率平衡。BA管轄若干發(fā)電運營商(generator operator，GO)和配電提供機構(distribution provider，DP)，標準要求這些GO和DP服從一個責任BA的協(xié)調和控制。一個或多個BAA組成一個可靠性協(xié)調區(qū)(reliability coordinator area，RCA)，其由可靠性協(xié)調機構(reliability coordinator，RC)管轄。在北美IRO-001標準中規(guī)定了RC具有發(fā)出運行控制指令來解決可靠性問題的職能，且其管轄范圍的BA、GO和DP必須服從RC的運行指令。由此可見，北美電網各運行機構之間不存在行政隸屬的關系，只是通過可靠性的規(guī)定和要求行使各自職權。

我國電網為分級管理模式，調度機構分為國調、網調、省調、地調和縣調共5級。在大電網有功平衡實時控制層面，省網調度功能與北美BA類似，是基本平衡控制單元；區(qū)域網調度功能與北美RC類似，負責所轄區(qū)域內各省網控制的監(jiān)管與協(xié)調。盡管我國電網的管理層級與北美電網有些相似，但在整體管理模式和各級調度管轄范圍上卻有一些差別。

一方面，我國電網的調度工作是國務院電力行政主管部門所主導的，其和NERC的職能有很大不同。電網運行執(zhí)行“統(tǒng)一調度、分級管理”原則，《電網調度管理條例》[9]規(guī)定“調度機構調度管轄范圍內的發(fā)電廠、變電站的運行值班單位，必須服從該級調度機構的調度?！庇纱丝梢?，相比于北美電網，我國電網是更加典型的“自上而下”的管理模式。另一方面，我國各級調度機構都有各自的可調用機組，國調和網調也不例外，這樣的資源配置是北美電網中沒有的?！峨娋W調度管理條例》規(guī)定“調度機構直接調度的發(fā)電廠的劃定原則，由國務院電力行政主管部門確定”。

電網的可靠性控制與評估只有與電網管理模式相匹配，管理模式的優(yōu)勢才能夠得以充分的發(fā)揮。鑒于此，目前沿襲北美標準的設計思路，從根本上無法與我國“自上而下”的“統(tǒng)一調度、分級管理”的模式相適應，不能充分發(fā)揮我國電網管理模式的優(yōu)勢。

3.3 我國頻率控制與評估的現(xiàn)狀

北美可靠性標準體系包含多個子系列標準，其中，BAL系列標準主要針對系統(tǒng)的有功平衡控制問題，如BAL-001標準評價頻率調節(jié)的整體效果；BAL-002評價擾動下備用的調用及恢復過程；IRO系列標準針對系統(tǒng)可靠運行與協(xié)調的相關問題；TOP系列標準針對聯(lián)絡線安全運行相關問題；PRC系列標準針對系統(tǒng)保護與控制的相關問題；EOP系列標準針對緊急狀況下系統(tǒng)安全及穩(wěn)定運行的相關問題。由此可見，北美可靠性標準體系較為完備，涵蓋了和系統(tǒng)可靠運行相關的各方面的問題。

反觀我國頻率控制與評估方式， 2000年開始，華東、華中、東北電網與南方電網借鑒北美CPS標準，逐步設計并實施了各自的頻率控制與評估方法。2007年，華東電網在探討了實施DCS標準的可行性之后[6]，于2009年正式推行該標準，并于同年推行了聯(lián)絡線安全控制方面的T標準[19-20]。由此可見，與北美完善的可靠性標準集相比，目前我國各類控制與評估方法尚未形成涵蓋所有頻率控制措施的標準體系，亟待從系統(tǒng)可靠運行的角度出發(fā)，構建理論完備、覆蓋全面、界限明晰的結構體系。

4 我國頻率控制及評估體系的設計思路

4.1 頻率調控責任和評估

電網頻率調控責任的確定與評估的目的是用來監(jiān)督和評價控制區(qū)域的控制行為?？刂菩袨槭怯煽刂颇繕藳Q定的，而控制目標與電網所處的運行狀態(tài)密切相關，因此，首先需要分析電網處在不同運行情況時，控制區(qū)域的控制目標，以此為基礎進行電網頻率調控責任確定與評估。

我國一般將電力系統(tǒng)運行狀態(tài)劃分為正常狀態(tài)、警戒狀態(tài)、緊急狀態(tài)和極端緊急狀態(tài)。其中，正常狀態(tài)是指電力系統(tǒng)能夠滿足充裕性與安全性要求；警戒狀態(tài)是指電力系統(tǒng)具有潛在不充裕性和/或不安全性[1]。緊急狀態(tài)與極端緊急狀態(tài)可能需要切機、切負荷及至解列等緊急控制手段，不屬于本論文范疇，不進行討論。

雖然正常狀態(tài)和警戒狀態(tài)下，電網的安全性和充裕性沒有被破壞，但不同程度的擾動會使系統(tǒng)處于不同的運行情況。系統(tǒng)負荷隨機波動和小功率缺額的擾動不會使得系統(tǒng)處于潛在不可靠狀態(tài)。也就是說，這種情況下系統(tǒng)保有較高的安全調節(jié)裕度，能夠承受未來可能發(fā)生的較大的功率缺額事故。由于電網頻率質量已經較高，增加控制行為對電能質量或電網的安全性提升較少，且不利于經濟性運行，因此，此時頻率控制的原則是在保證系統(tǒng)可靠運行的情況下盡量減少控制甚至無控制。

大擾動會引起頻率出現(xiàn)階躍式變化，例如2015年華東出現(xiàn)的特高壓直流雙極閉鎖，瞬時損失功率為 5 400 MW，使華東頻率最低跌至49.56 Hz[11]。這種情況下，頻率控制目標有所改變，即從經濟性為主的盡量少控制轉變?yōu)橐园踩詾橹鞯姆e極主動控制。事后研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有頻率調控方法在此次事故中并不能很好地發(fā)揮效用。由此可見，如果大擾動情況下仍然沿用正常狀態(tài)下的頻率控制與評估方法，一方面無法促進頻率質量的快速恢復，另一方面很難準確評估各區(qū)域的控制行為。

反觀北美電網，針對類似情況，其頻率調控體系中有專門針對大擾動下系統(tǒng)控制規(guī)范的標準，即，EOP系列標準，實踐證明，其具有良好的實施效果。但由3.3節(jié)分析可知，在我國現(xiàn)行的頻率調控責任確定與評估方法中并沒有類似EOP系列的標準，因此，在大擾動情況下，我國擾動控制性能評估方法需根據(jù)相應的頻率控制目標來制定頻率控制與評估方法，不應與正常情況下一致。值得注意的是，此處所指的擾動控制性能評估方法是針對大擾動下系統(tǒng)頻率控制的方法，與北美DCS標準評價和監(jiān)督事故備用保有量的內涵有所差異。

綜上所述，我國應根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生擾動的大小，來制定具有不同控制目標的頻率控制與評估方法。其中，小擾動情況(或無擾動)下，對區(qū)域控制行為進行要求的原則是以經濟性為主，保證系統(tǒng)頻率在安全范圍波動的情況下，盡量減少機組的調節(jié)次數(shù)；大擾動情況下，則以可靠性為主，其控制目標是盡快恢復穩(wěn)定裕度和頻率質量。

4.2 我國擾動控制性能評估方法制定

相比北美電網，我國電網在正常情況(小擾動)下可以實現(xiàn)類似北美的分區(qū)分散控制，以節(jié)約調控成本；在發(fā)生大擾動時又可由上級電網在更大的范圍進行統(tǒng)一的協(xié)調控制，以利于保障電網安全。因此，我國的管理模式不僅具備北美電網的分散控制的優(yōu)勢，其強大的協(xié)調配合能力對事故恢復更為有利。

4.2.1擾動分級控制及評估

據(jù)上文分析可知，本文提出的面向各類功率擾動的頻率控制與評估方法和北美標準有所不同，不是針對擾動下備用調用及恢復的問題，而是評估擾動下頻率控制的整體效果，即一次調頻、二次調頻和備用調用的綜合效果。

我國電網管理模式在發(fā)生大擾動需要多區(qū)域協(xié)調控制的情況下，能夠充分發(fā)揮作用。因此，大擾動下的擾動控制性能評估方法應與“統(tǒng)一調度、分級管理”的管理模式相結合，即結合電網擾動故障涉及的范圍大小，設計并劃分為國網、區(qū)域網、省網三級擾動控制性能評估方式。

(1)省網控制及其擾動控制性能評估方法。發(fā)生的故障理應由省網獨立恢復的，采用既定的頻率調控方法對省網內機組出力進行評估，作用類似于華東電網實施的SCPS標準[21]。該功能為對其內部可控擾動的恢復控制性能進行評價?？蓤蟾嫫胶夤收习l(fā)生后，省網按照機組性能以一定比例將故障的功率缺額分攤至各機組，利用機組的出力情況構建評價指標，判斷機組是否按照要求在規(guī)定的時間內提供了功率支援，以滿足省網評估方式對擾動恢復控制評價的要求。

(2)區(qū)域網控制及其擾動控制性能評估方法。發(fā)生的故障理應由省網間協(xié)調恢復的，采用既定的頻率調控方法對區(qū)域內省網出力進行評估，對象為省網。在備用分配方面，區(qū)域網將國網擾動控制性能評估方法規(guī)定的最低事故備用容量按比例分攤給各省網，并將其作為各省網最低事故備用?？蓤蟾嫫胶夤收习l(fā)生后，將區(qū)域網整體的功率調節(jié)責任分攤至各省網，區(qū)域網作為一個備用共享組，各省網成員通過動態(tài)ACE共享備用資源，抵御故障的發(fā)生。之后，根據(jù)省網功率調節(jié)情況，來評估省網在可報告平衡故障事件中的調節(jié)行為。

(3)國網控制及其擾動控制性能評估方法。發(fā)生的故障理應由多區(qū)域間協(xié)調的，采用既定的頻率調控方法對國網出力進行評估，評價對象為區(qū)域網。國網擾動控制性能評估方法用于評價其內部區(qū)域網控制性能。事故備用支援的區(qū)域電網進行恢復控制性能評價。在備用分配方面，國網為各區(qū)域網規(guī)定了最低事故備用容量要求；可報告平衡故障發(fā)生后，國網將功率缺額的整體調節(jié)責任分配給各區(qū)域網，根據(jù)區(qū)域網功率調節(jié)情況，來評價區(qū)域網在可報告平衡故障中的調節(jié)行為。

4.2.2擾動控制啟動條件

結合我國電網特高壓發(fā)展現(xiàn)狀、五級調度結構與北美的差異，在北美DCS基礎上，將故障規(guī)模設置為擾動控制啟動條件。

將文獻[1]中Ⅰ類大擾動確定為我國擾動控制中的平衡故障，即N-1故障，通過與北美DCS中平衡故障對比后，獲知2種故障類型間對應關系。同時，參照北美DCS中MSSC可得到我國擾動控制所需MSCC。從故障規(guī)模角度看，可將發(fā)生80%～100%MSSC的平衡故障作為可報告條件，其中各實際電網可依據(jù)自身條件調整80%這一指標，調整后需將修改情況與相應原因報至上級機構，在獲得批注后方可實施。

5 仿真研究

為比較分析本文提出的面向各類功率擾動的互聯(lián)電網擾動控制性能評估方法與北美DCS的頻率控制效果，本文使用Simulink/Matlab進行仿真研究，具體如圖3所示。為簡化計算，采用集中參數(shù)進行仿真分析。其中，系統(tǒng)頻率、功率和機組參數(shù)分別使用以50 Hz和4 000 MW為基準值的標幺值表示，具體參數(shù)見表1。圖3和表1中各參數(shù)的物理含義為：PSP為發(fā)電機組基準功率；Pm為汽輪機機械功率；Pe為發(fā)電機電磁功率；Tg為調速器時間常數(shù)；TR為主進汽容積和汽室時間常數(shù)；H為慣性時間常數(shù)；D為負荷阻尼系數(shù)。

圖3 仿真電網結構圖Fig.3 Control structure of simulated power grid

表1 機組參數(shù)Table 1 Parameters of power generating unit

北美DCS(方法1)使用頻率的功率換算值判定啟動條件，本文提出的面向各類功率擾動的擾動控制性能評估方法(方法2)使用功率限值作為啟動條件。

假設系統(tǒng)運行場景為：前100 s系統(tǒng)正常運行，100 s時發(fā)生故障1，400 s時發(fā)生故障2。其中，故障2達到了方法1的啟動條件，故障1、2均達到了方法2的啟動條件。

對比2種頻率擾動控制方法的仿真效果，具體如圖4、5所示。

圖4 方法1的頻率控制效果Fig.4 Frequency control effect of method 1

圖5 方法2的頻率控制效果Fig.5 Frequency control effect of method 2

比較分析可知，在100 s發(fā)生故障1時，因方法1擾動控制條件未滿足，而方法2擾動控制條件已滿足，方法2頻率恢復效果較方法1好，且在方法2下可恢復系統(tǒng)一、二次調頻能力，對系統(tǒng)抵御連續(xù)故障有利。因此，在400 s發(fā)生故障2時，雖2種方法均已啟動擾動控制，但因方法1已在前一次故障中幾乎耗盡一、二次調節(jié)能力，且其頻率跌落較低，故雖在故障2下2種方法均采用了擾動控制，方法2頻率恢復效果仍較方法1好且快。采用方法2，能夠在避免頻率過低的同時，在規(guī)定時間內恢復系統(tǒng)頻率，對電網安全有利。

6 結 語

北美可靠性標準體系的結構較為完善，其包含多個子系列標準，如BAL系列、EOP系列等，標準間能夠前后銜接并相互配合，共同保證電力系統(tǒng)的運行可靠性。其中，擾動控制標準的內涵是對事故備用最低容量配置和實際調用效果的評價。目前我國頻率控制與評估方式參照北美標準進行設計，其體系還有待于進一步完善。

我國電網的運行執(zhí)行“統(tǒng)一調度、分級管理”的原則，在統(tǒng)籌全網控制資源進行協(xié)調控制方面具有優(yōu)勢，沿襲北美頻率控制和評估的思路不利于相關優(yōu)勢的發(fā)揮。我國特高壓發(fā)展迅速，其帶來的直流閉鎖等嚴重事故，頻率控制需要跨省跨區(qū)間的相互協(xié)調；同時，在系統(tǒng)正常運行與大擾動情況下，頻率控制的目標與對相關控制主體控制性能的要求也不盡相同?；诖耍岢鑫覈念l率控制與評估方法應該按照擾動嚴重程度來分級，且需結合我國分級管理的調度模式進行相關標準設計。

正常情況(小擾動或無擾動)下，由于無須控制區(qū)域間的相互協(xié)調，相關調控方式可借鑒北美的BAL系列標準進行設計；大擾動下，可結合我國“統(tǒng)一調度、分級管理”的管理模式，根據(jù)擾動故障涉及的范圍、擾動量大小，從國網、區(qū)域網和省網等3個層級進行頻率控制手段整體控制效果的評估方法設計。