紧急需求响应的分散-集中协调控制方法及系统与流程

本发明涉及电力系统稳定与控制技术领域，特别涉及一种紧急需求响应的分散-集中协调控制方法及系统。

背景技术：

随着大容量特高压直流线路的建设和投运，多直流馈入受端电网的等效转动惯量不断降低，若发生直流闭锁故障，电网频率将在数秒内发生显著的跌落，引发电力系统短期频率稳定问题。高比例间歇性新能源机组的接入导致电网运行方式变化更为频繁，从而对控制手段的适应性提出了更高的要求。

紧急需求响应(emergencydemandresponse，edr)是一种新兴的电网短期频率稳定控制手段，通过与用户签约获取负荷的控制权，并根据紧急情况下实际切除的负荷量进行经济补偿。由于选取的负荷一般对断电的敏感性不高，因此用户友好性强，成本较低，在国内外得到了广泛的重视和越来越多的应用。

目前紧急需求响应技术有分散决策和集中决策两种模式。分散决策模式不需要高速通信网络，建设成本低，但无法获知全网信息，对电网运行方式变化的适应性差。集中决策模式需要高速通信网络发送负荷控制命令，因此前期建设成本高昂，市场推广困难。有必要结合分散决策和集中决策模式的优点，研究紧急需求响应的分散-集中协调控制方法和系统。

技术实现要素：

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种紧急需求响应的分散-集中协调控制方法，该方法可以获得全网信息，对电网运行方式变化的适应性高，建设成本低，便于进行市场推广。

本发明的另一个目的在于提出一种紧急需求响应的分散-集中协调控制系统。

为达到上述目的，本发明一方面实施例提出了一种紧急需求响应的分散-集中协调控制方法，包括：

获取电网当前运行方式、历史扰动数据和当前edr资源情况，根据所述电网当前运行方式、所述历史扰动数据和所述当前edr资源情况生成单位阶跃响应曲线，协调控制参数和滤波函数；

获取分布式edr控制子站的母线电压频率变化率，根据所述分布式edr控制子站的母线电压频率变化率、所述滤波函数、所述单位阶跃响应曲线生成第一扰动时刻频率变化率，根据所述第一扰动时刻频率变化率和所述协调控制参数计算各分布式edr控制子站应切负荷实际值和分布式负荷切除时间实际值，根据所述各分布式edr控制子站应切负荷实际值和所述分布式负荷切除时间实际值生成各分布式edr控制子站控制命令；

获取控制中心所在母线的频率变化率，根据所述滤波函数、所述单位阶跃响应曲线和所述控制中心所在母线的频率变化率生成第二扰动时刻频率变化率，根据所述第二扰动时刻频率变化率和所述协调控制参数计算各分布式edr控制子站应切负荷估算值和分布式负荷切除时间估算值，根据所述各分布式edr控制子站应切负荷估算值和所述分布式负荷切除时间估算值计算各集中式edr控制子站应切负荷量，根据所述各集中式edr控制子站应切负荷量生成集中式edr控制命令。

本发明实施例的紧急需求响应的分散-集中协调控制方法，利用分散决策和集中决策同时进行紧急需求响应的协调控制，可以获得全网信息，对电网运行方式变化的适应性高，建设成本低，便于进行市场推广。

另外，根据本发明上述实施例的紧急需求响应的分散-集中协调控制方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述s1进一步包括：

s11，根据所述电网当前运行方式和所述历史扰动数据生成所述单位阶跃响应曲线；

s12，根据所述单位阶跃响应曲线和所述当前edr资源情况生成所述协调控制参数；

s13，根据所述历史扰动数据生成所述滤波函数；其中，所述滤波函数为高阶椭圆低通滤波器传递函数，所述高阶椭圆低通滤波器参数的调试原则为所述历史扰动数据中各母线频率变化率的振荡分量被滤除时对应的参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述单位阶跃响应曲线为：

其中，g(s)为系统频率响应模型传递函数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述协调控制参数包括：频率变化门槛值和分布式edr响应因子，所述频率变化门槛值f′t为：

其中，fn为工频；pbase为能够提供转动惯量的在线发电机组的额定功率总和；δpt为功率缺额门槛值，ft为系统频率稳定阈值，hσ为系统等效惯性常量；

所述分布式edr响应因子λk为：

其中，pedr_k为对应分布式edr控制子站当前可切负荷量，pedr为当前可响应的所有分布式edr负荷总量，pres为集中式控制子站预留比例，pcen为集中式edr容量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述s2进一步包括：

通过所述滤波函数对所述分布式edr控制子站的母线电压频率变化率进行滤波，根据所述滤波函数和所述单位阶跃响应曲线生成模式曲线，根据所述模式曲线和滤波后的分布式edr控制子站的母线电压频率变化率生成所述第一扰动时刻频率变化率；

所述s3进一步包括：

通过所述滤波函数对所述控制中心所在母线的频率变化率进行滤波，根据所述模式曲线和滤波后的控制中心所在母线的频率变化率生成所述第二扰动时刻频率变化率。

进一步地，在本发明的一个实施例中，其特征在于，

所述模式曲线为：

m(t)＝l^-1{gf(s)}*u′(t)

其中，u′(t)为单位阶跃响应曲线u(t)的导数；

所述滤波后的分布式edr控制子站的母线电压频率变化率为：

f′k(t)＝l^-1{gf(s)}*f′k(t)

其中，f′k(t)为所述分布式edr控制子站的母线电压频率变化率；

所述第一扰动时刻频率变化率为：

其中，ts为采样点间隔，tsw为采样窗口长度，tint为控制器启动时刻，t0为扰动时刻，所述控制器启动时刻为f′k(t)首次低于频率变化率启动阈值f′th的时刻。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述各分布式edr控制子站控制命令包括：所述各分布式edr控制子站应切负荷实际值和所述分布式负荷切除时间实际值，所述各分布式edr控制子站应切负荷实际值为：

其中，f′t为频率变化门槛值，λk为分布式edr响应因子，为第一扰动时刻频率变化率；

所述分布式负荷切除时间实际值为：

tk＝tint+tsw+δt

其中，tint为控制器启动时刻，tsw为采样窗口长度，δt为计算及动作延时。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述滤波后的控制中心所在母线的频率变化率为：

f′c(t)＝l^-1{gf(s)}*f′c(t)

其中，f′c(t)为所述控制中心所在母线的频率变化率；

所述第二扰动时刻频率变化率为：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述各分布式edr控制子站应切负荷估算值为：

所述分布式负荷切除时间估算值为：

t′k＝tc＝t′int+tsw+δt+δτ

其中，tc为集中式edr负荷切除时间，t′int为控制器启动时刻，tsw为采样窗口长度，δτ为保守裕量。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述集中式edr控制命令包括所述各集中式edr控制子站应切负荷量和集中式负荷切除时间，所述各集中式edr控制子站应切负荷量计算方法为求解以下优化问题：

min∑ciδpri

其中，δpri为各集中式edr控制子站应切负荷量，ci为对应子站的单位负荷控制成本，为对应子站的可切负荷上限，δf(t)为：

其中，δphs为控制中心接收到的扰动时刻功率缺额量。

为达到上述目的，本发明另一方面实施例提出了一种紧急需求响应的分散-集中协调控制系统，包括：

协调控制模块，用于获取电网当前运行方式、历史扰动数据和当前edr资源情况，根据所述电网当前运行方式、所述历史扰动数据和所述当前edr资源情况生成单位阶跃响应曲线，协调控制参数和滤波函数；

分散决策模块，用于获取分布式edr控制子站的母线电压频率变化率，根据所述分布式edr控制子站的母线电压频率变化率、所述滤波函数、所述单位阶跃响应曲线生成第一扰动时刻频率变化率，根据所述第一扰动时刻频率变化率和所述协调控制参数计算各分布式edr控制子站应切负荷实际值和分布式负荷切除时间实际值，根据所述各分布式edr控制子站应切负荷实际值和所述分布式负荷切除时间实际值生成各分布式edr控制子站控制命令；

集中决策模块，用于获取控制中心所在母线的频率变化率，根据所述滤波函数、所述单位阶跃响应曲线和所述控制中心所在母线的频率变化率生成第二扰动时刻频率变化率，根据所述第二扰动时刻频率变化率和所述协调控制参数计算各分布式edr控制子站应切负荷估算值和分布式负荷切除时间估算值，根据所述各分布式edr控制子站应切负荷估算值和所述分布式负荷切除时间估算值计算各集中式edr控制子站应切负荷量，根据所述各集中式edr控制子站应切负荷量生成集中式edr控制命令。

本发明实施例的紧急需求响应的分散-集中协调控制系统，利用分散决策和集中决策同时进行紧急需求响应的协调控制，建设成本低，对电网运行方式变化的适应性高，可以获得全网信息，便于进行市场推广。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的紧急需求响应的分散-集中协调控制方法流程图；

图2为根据本发明又一个实施例的紧急需求响应分散-集中协调控制方法流程图；

图3为根据本发明一个实施例的扰动时刻频率变化率估算时序图；

图4为根据本发明一个实施例的紧急需求响应的分散-集中协调控制系统的应用场景图；

图5为根据本发明一个实施例的紧急需求响应的分散-集中协调控制系统结构图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的紧急需求响应的分散-集中协调控制方法及系统。

首先将参照附图描述根据本发明实施例提出的紧急需求响应的分散-集中协调控制方法。

图1为根据本发明一个实施例的紧急需求响应的分散-集中协调控制方法流程图。

如图1所示，该紧急需求响应的分散-集中协调控制方法包括以下步骤：

在步骤s1中，获取电网当前运行方式、历史扰动数据和当前edr资源情况，根据电网当前运行方式、历史扰动数据和当前edr资源情况生成单位阶跃响应曲线，协调控制参数和滤波函数。

进一步地，s1进一步包括：

s11，根据电网当前运行方式和历史扰动数据生成单位阶跃响应曲线；

s12，根据单位阶跃响应曲线和当前edr资源情况生成协调控制参数；

s13，根据历史扰动数据生成滤波函数。

如图2所示，通过紧急需求响应的分散-集中协调控制系统实现紧急需求响应的分散-集中协调控制方法，紧急需求响应的分散-集中协调控制系统由协调控制模块、分散决策模块和集中决策模块组成，分别内置于控制中心分布式edr控制子站和控制中心内。在图2中，虚线箭头表示慢速通信线路，即控制中心与分布式edr控制子站通过成本较低的慢速通信线路相连。

如图2所示，协调控制模块包括系统频率响应更新子模块和协调控制参数计算子模块。系统频率响应更新子模块根据当前电网运行方式，即发电机开机情况和负荷水平进行系统频率响应模型的更新。系统频率响应模型的传递函数g(s)为：

其中，hσ为系统等效惯性常量，通过在线火电机组和在线水电机组的惯性常量(标幺值)累加计算得出；gσ(s)为系统等效一次调频响应模型的传递函数，通过在线火电机组和在线水电机组的一次调频响应传递函数累加计算得出；gl(s)为系统等效负荷模型的传递函数，满足：

其中，pl为当前电网负荷水平，kl1和kl2分别为静态负荷调差系数和动态负荷调差系数，tl为动态负荷等效时间常数，通过历史扰动数据拟合得出。系统单位阶跃响应曲线为：

如图2所示，协调控制参数计算子模块根据系统频率响应模型更新子模块发来的单位阶跃响应曲线和当前edr资源情况(即各子站可切负荷量)计算协调控制参数。协调控制参数包括频率变化率门槛值f′t和分布式edr响应因子λk。频率变化率门槛值满足：

其中，fn为工频；pbase为能够提供转动惯量的在线发电机组的额定功率总和；hσ为系统等效惯性常量；δpt为功率缺额门槛值，满足：

其中，ft为系统频率稳定阈值(即可容忍的最低频率值)。

第k个分布式edr控制子站的分布式edr响应因子满足：

其中，pedr_k为对应分布式edr控制子站当前可切负荷量；pedr为当前可响应的所有分布式edr负荷总量；pres为集中式控制子站预留比例，满足：

其中，pcen为集中式edr容量。

在步骤s2中，获取分布式edr控制子站的母线电压频率变化率，根据分布式edr控制子站的母线电压频率变化率、滤波函数、单位阶跃响应曲线生成第一扰动时刻频率变化率，根据第一扰动时刻频率变化率和协调控制参数计算各分布式edr控制子站应切负荷实际值和分布式负荷切除时间实际值，根据各分布式edr控制子站应切负荷实际值和分布式负荷切除时间实际值生成各分布式edr控制子站控制命令。

进一步地，s2进一步包括：

通过滤波函数对分布式edr控制子站的母线电压频率变化率进行滤波，根据滤波函数和单位阶跃响应曲线生成模式曲线，根据模式曲线和滤波后的分布式edr控制子站的母线电压频率变化率生成第一扰动时刻频率变化率。

如图2所示，分散决策模块包括扰动时刻频率变化率估算子模块和本地分布式edr应切量计算子模块。

扰动时刻频率变化率估算子模块根据分布式edr控制子站所在母线测得的母线电压频率变化率f′k(t)，判断其是否低于启动阈值f′th，f′th的选取原则是在避免误动的前提下尽可能取较小的绝对值，从而使扰动时刻频率变化率估算子模块启动时刻tint尽可能接近扰动时刻t0，若结果为是，则估算扰动时刻系统惯性中心的频率变化率(以下简称为扰动时刻频率变化率)。

对f′k(t)进行低通滤波，滤波器传递函数为gf(s)，阶数不低于12阶，截止频率在1hz左右，其选取原则是在滤除频率变化率的振荡分量的前提下尽可能取较大值。根据协调控制模块传递来的单位阶跃响应曲线可得模式曲线：

m(t)＝l^-1{gf(s)}*u′(t)(8)

其中，u′(t)为单位阶跃响应曲线u(t)的导数。

其中，滤波函数gf(s)为高阶椭圆低通滤波器传递函数，滤波器参数的调试原则为历史扰动数据中各母线频率变化率的振荡分量恰好被滤除。

从而第k个分布式edr控制子站测得的扰动时刻频率变化率为：

其中，ts为采样点间隔，tsw为采样窗口长度，tint为控制器启动时刻，t0为扰动时刻，控制器启动时刻为f′k(t)首次低于频率变化率启动阈值f′th的时刻，在不误动的前提下尽量设置尽可能小的|f′th|从而保证tint非常接近t0，滤波后频率变化率函数满足：

f′k(t)＝l^-1{gf(s)}*f′k(t)(10)

扰动时刻频率变化率估算的动作时序如图3所示，判断是否启动计算时采用未滤波信号，进行扰动时刻频率变化率估算时采用滤波后信号。

如图2所示，本地分布式edr应切量计算子模块根据扰动时刻频率变化率估算子模块发来的扰动时刻频率变化率估算值和协调控制模块发来的协调控制参数计算本地应切负荷。第k个分布式edr控制子站切除负荷量为：

切除时间：

tk＝tint+tsw+δt(12)

其中，δt为计算及动作延时。

具体地，在通过分散决策模块得到本地应切负荷后，根据计算出的应切负荷进行负荷切除。

在步骤s3中，获取控制中心所在母线的频率变化率，根据滤波函数、单位阶跃响应曲线和控制中心所在母线的频率变化率生成第二扰动时刻频率变化率，根据第二扰动时刻频率变化率和协调控制参数计算各分布式edr控制子站应切负荷估算值和分布式负荷切除时间估算值，根据各分布式edr控制子站应切负荷估算值和分布式负荷切除时间估算值计算各集中式edr控制子站应切负荷量，根据各集中式edr控制子站应切负荷量生成集中式edr控制命令。

通过集中决策模块计算出的各分布式edr控制子站应切负荷估算值为估算量，根据各分布式edr控制子站应切负荷估算值计算各集中式edr控制子站应切负荷量，将各集中式edr控制子站应切负荷量告知控制中心，并根据各集中式edr控制子站应切负荷量进行负荷切除。

进一步地，s3进一步包括：

通过滤波函数对控制中心所在母线的频率变化率进行滤波，根据模式曲线和滤波后的控制中心所在母线的频率变化率生成第二扰动时刻频率变化率。

如图2所示，集中决策模块包括分布式edr切除情况估算子模块和各集中式edr控制子站应切负荷量计算子模块。分布式edr切除情况估算子模块根据本地母线频率变化率(即控制中心所在母线测得的频率变化率)，采用与分散决策模块相同的扰动时刻频率变化率估算方法，保持滤波器参数一致，从而控制中心测得的扰动时刻频率变化率满足据此估算得第k个分布式edr控制子站切除量为：

切除时间为：

t′k＝tc＝t′int+tsw+δt+δτ(14)

其中，δτ为保守裕量，用以减小误差，t′int为控制器启动时刻，tsw为采样窗口长度，tc为集中式edr负荷切除时间。

各集中式edr控制子站应切负荷量计算子模块根据估算的分布式edr切除情况(包括子站负荷切除量及切除时间)计算各集中式edr控制子站应切负荷量。系统频率的时域函数可写成：

其中，为扰动时刻电网频率，工程应用中可用代替，δphs为控制中心接收到的扰动时刻功率缺额量，δpri为第i个集中式edr控制子站应切负荷量。集中式edr控制子站应切除的负荷量的计算可约束为一个优化问题：

其中，δpri为各集中式edr控制子站应切负荷量，ci为对应子站的单位负荷控制成本，为对应子站的可切负荷上限。

通过上述方法可以减少线路的铺设，降低建设成本，同时采用分散决策和集中决两种控制方式，对电网运行方式变化的适应性高，便于进行市场推广。

如图4所示，为一个典型的紧急需求响应的分散-集中协调控制系统的应用场景，图中虚线箭头表示成本较低的慢速通信线路，实线箭头表示成本较高的光纤通信线路。下面以此为例，介绍本发明的具体实施方式：

1、控制中心接入ems/wams系统，为协调控制模块提供当前电网的实时运行方式及历史扰动数据，协调控制模块据此更新系统频率响应模型，生成协调控制参数和系统单位阶跃响应曲线，通过慢速通信下发到各分布式edr控制子站，通过光纤通信发送到集中决策模块。

2、分布式edr控制子站设置在各主要母线上，包括分散决策模块和所聚合的紧急需求响应负荷，采用分散决策模式。当分散决策模块监测到本地母线频率变化率低于启动阈值f′int，则计算本地应切负荷，并通过直接负荷控制装置切除该子站所聚合的紧急需求响应负荷。

3、控制中心持续监测所在母线的频率变化率，若其低于启动阈值f′int，则估算分布式edr控制子站切除负荷情况，并计算集中式控制子站应切负荷量，将命令通过光纤通信下发到集中式控制子站。

4、集中式控制子站设置在控制中心附近，接到控制中心命令后延时一段时间执行(保证控制时序在分布式edr控制子站后)。

根据本发明实施例提出的紧急需求响应的分散-集中协调控制方法，利用分散决策和集中决策同时进行紧急需求响应的协调控制，建设成本低，对电网运行方式变化的适应性高，可以获得全网信息，便于进行市场推广。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的紧急需求响应的分散-集中协调控制系统。

图5为根据本发明一个实施例的紧急需求响应的分散-集中协调控制系统结构示意图。

如图5所示，该紧急需求响应的分散-集中协调控制系统包括：协调控制模块100、分散决策模块200和集中决策模块300。

协调控制模块100，用于获取电网当前运行方式、历史扰动数据和当前edr资源情况，根据电网当前运行方式、历史扰动数据和当前edr资源情况生成单位阶跃响应曲线，协调控制参数和滤波函数。

分散决策模块200，用于获取分布式edr控制子站的母线电压频率变化率，根据分布式edr控制子站的母线电压频率变化率、滤波函数、单位阶跃响应曲线生成第一扰动时刻频率变化率，根据第一扰动时刻频率变化率和协调控制参数计算各分布式edr控制子站应切负荷实际值和分布式负荷切除时间实际值，根据各分布式edr控制子站应切负荷实际值和分布式负荷切除时间实际值生成各分布式edr控制子站控制命令。

集中决策模块300，用于获取控制中心所在母线的频率变化率，根据滤波函数、单位阶跃响应曲线和控制中心所在母线的频率变化率生成第二扰动时刻频率变化率，根据第二扰动时刻频率变化率和协调控制参数计算各分布式edr控制子站应切负荷估算值和分布式负荷切除时间估算值，根据各分布式edr控制子站应切负荷估算值和分布式负荷切除时间估算值计算各集中式edr控制子站应切负荷量，根据各集中式edr控制子站应切负荷量生成集中式edr控制命令。

进一步地，协调控制模块100还包括：系统频率响应更新子模块101和协调控制参数计算子模块102。

系统频率响应更新子模块101，用于根据电网当前运行方式和历史扰动数据生成单位阶跃响应曲线。

协调控制参数计算子模块，用于根据单位阶跃响应曲线和当前edr资源情况生成协调控制参数。

分散决策模块200包括：扰动时刻频率变化率估算子模块201和本地分布式edr应切量计算子模块202。

扰动时刻频率变化率估算子模块201用于根据分布式edr控制子站的母线电压频率变化率、滤波函数、单位阶跃响应曲线生成第一扰动时刻频率变化率。

本地分布式edr应切量计算子模块202用于根据第一扰动时刻频率变化率和协调控制参数计算各分布式edr控制子站应切负荷实际值和分布式负荷切除时间实际值，根据各分布式edr控制子站应切负荷实际值和分布式负荷切除时间实际值生成各分布式edr控制子站控制命令。

集中决策模块300包括：分布式edr切除情况估算子模块301和各集中式edr控制子站应切负荷量计算子模块302。

分布式edr切除情况估算子模块301用于计算各分布式edr控制子站应切负荷估算值和分布式负荷切除时间估算值。

各集中式edr控制子站应切负荷量计算子模块302用于根据各分布式edr控制子站应切负荷估算值和分布式负荷切除时间估算值计算各集中式edr控制子站应切负荷量。

需要说明的是，前述对紧急需求响应的分散-集中协调控制方法实施例的解释说明也适用于该实施例的装置，此处不再赘述。

根据本发明实施例提出的紧急需求响应的分散-集中协调控制系统，利用分散决策和集中决策同时进行紧急需求响应的协调控制，可以获得全网信息，对电网运行方式变化的适应性高，建设成本低，便于进行市场推广。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。