朱全勝,常燁骙，張振安，趙華，晉萃萃，吳玉瓊，劉嬈

(1.國網(wǎng)河南省電力公司電力科學(xué)研究院, 鄭州市 450052；2.大連理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，遼寧省大連市 116024；3.國網(wǎng)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(zhì)量具有重要意義，維持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定是保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的先決條件。在電網(wǎng)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種功率擾動，會引起頻率波動，進(jìn)而影響系統(tǒng)正常的運(yùn)行狀態(tài)[1-3]。目前，隨著我國特高壓交直流混聯(lián)電網(wǎng)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(jī)組上網(wǎng)空間大大減小。因新能源機(jī)組一般不具備頻率響應(yīng)能力，系統(tǒng)整體頻率響應(yīng)能力下降，頻率穩(wěn)定問題日益嚴(yán)重。為應(yīng)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(fù)及電網(wǎng)的可靠運(yùn)行，包括一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、啟動事故備用、高頻切機(jī)和低頻切負(fù)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(zé)任并制定相應(yīng)的控制性能評價標(biāo)準(zhǔn)來引導(dǎo)和規(guī)范其控制行為，以保證電網(wǎng)運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)集中[4]，BAL、EOP、TOP、IRO等系列標(biāo)準(zhǔn)能夠相互配合共同處理電網(wǎng)的擾動情況，以保障電網(wǎng)運(yùn)行的安全與穩(wěn)定。其中，擾動控制標(biāo)準(zhǔn)(disturbance control standard，DCS)是BAL系列標(biāo)準(zhǔn)之一，編號為BAL-002。其版本經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)用于評價責(zé)任主體(responsible entity，RE)應(yīng)對平衡故障事件的事故備用的容量配置及調(diào)用情況，目的在于快速恢復(fù)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(wǎng)建設(shè)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(yán)重，故對系統(tǒng)頻率響應(yīng)能力需求較高，多數(shù)情況下需進(jìn)行區(qū)域間頻率響應(yīng)支援。同時，由于我國電網(wǎng)的管理模式為“統(tǒng)一調(diào)度、分級管理”，五級調(diào)度機(jī)構(gòu)都有各自的職權(quán)和管轄機(jī)組[8-11]，與北美“RC(reliability coordinators)-BA(balancing authority)-GO (generator operators)”的管理結(jié)構(gòu)不同[4]，這就導(dǎo)致直接沿襲北美標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計思路不利于發(fā)揮我國管理模式在協(xié)調(diào)控制全網(wǎng)資源方面的優(yōu)勢，需要針對新形勢下我國特有的電網(wǎng)管理模式，設(shè)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(nèi)涵與機(jī)制，接著依據(jù)我國電網(wǎng)當(dāng)前管理模式，探討其在統(tǒng)籌全網(wǎng)控制資源方面所具有的優(yōu)勢，進(jìn)而說明直接沿襲北美標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計思路不夠合理。另外，依據(jù)大擾動下和正常運(yùn)行情況下頻率控制目標(biāo)的不同，提出控制及評價應(yīng)依據(jù)電網(wǎng)運(yùn)行情況進(jìn)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(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)和省網(wǎng)三級標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計理念。

1 北美聯(lián)合電力系統(tǒng)各標(biāo)準(zhǔn)的銜接配合

1.1 系統(tǒng)受擾動后的頻率調(diào)節(jié)

NERC制定的面向大電網(wǎng)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)集中的TPL系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了8種預(yù)想事件[4]：P0，零故障，系統(tǒng)處于正常運(yùn)行狀態(tài)；P1—P2，系統(tǒng)發(fā)生單一元件故障；P3—P7，故障導(dǎo)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(yùn)行就會受到影響，需采取措施進(jìn)行控制。若故障發(fā)生在系統(tǒng)正常運(yùn)行過程中，系統(tǒng)有功平衡被打破，系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)元件釋放動能平衡功率缺額，從而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)元件轉(zhuǎn)速降低，系統(tǒng)頻率下降[12]；此后，調(diào)速器依據(jù)本地頻差動作，進(jìn)行一次調(diào)頻，因該過程屬有差調(diào)節(jié)，不能將頻率恢復(fù)到初始階段，需采用二次調(diào)頻增發(fā)功率，以將頻率恢復(fù)到系統(tǒng)正常運(yùn)行頻率，并將一次調(diào)頻置換出來，用于應(yīng)對未來系統(tǒng)擾動，這一過程通過調(diào)用 10 min調(diào)節(jié)備用實(shí)現(xiàn)。

若系統(tǒng)功率缺額容量較大，上述調(diào)頻過程不足以抵御系統(tǒng)擾動。為滿足電網(wǎng)穩(wěn)定限額約束，提高二次調(diào)頻釋放速率，需調(diào)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(fù)需滿足時間約束要求。若調(diào)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(jìn)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(jìn)行頻率控制的同時，需依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)約束各平衡監(jiān)管機(jī)構(gòu)(BA)出力，對其行為進(jìn)行評價約束[13]等。NERC可靠性標(biāo)準(zhǔn)集中有關(guān)有功平衡的標(biāo)準(zhǔn)有：

CPS1[14-15]標(biāo)準(zhǔn)(BAL-001-2：R1)用于評價各BA對實(shí)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(xiàn)進(jìn)行評價[16-17]。

BAAL標(biāo)準(zhǔn)(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(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)(BAL-002)的目的是在發(fā)生可報告事故后，確保責(zé)任主體能夠通過調(diào)用事故備用平衡功率缺額，使ACE恢復(fù)到規(guī)定范圍內(nèi)。

BAL-003標(biāo)準(zhǔn)為頻率響應(yīng)與頻率偏差設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，要求各BA依據(jù)本地頻差進(jìn)行充分調(diào)節(jié)以攔截頻率持續(xù)下降，目的是保障頻率質(zhì)量處在安全的水平。

EOP-002標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)該采取的措施，使BA能夠?yàn)殡娏﹄娏烤o急情況做準(zhǔn)備。

TOP-007標(biāo)準(zhǔn)解決的是輸電線路功率越限的緊急情況，要求當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行極限(system operation limit，SOL)與互聯(lián)電網(wǎng)可靠性極限(interconnection reliability operation limit，IROL)越限情況時，應(yīng)能采取切負(fù)荷、解列操作并對越限原因進(jìn)行分析。

IRO系列標(biāo)準(zhǔn)是在系統(tǒng)發(fā)生故障后，用于指導(dǎo)各BA采取措施并相互協(xié)調(diào)、配合，以恢復(fù)、維持系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

2 北美擾動控制及其標(biāo)準(zhǔn)剖析

2.1 啟動條件

BAL-002-0和BAL-002-1標(biāo)準(zhǔn)中的啟動條件為發(fā)生可報告擾動，是指發(fā)生80%最嚴(yán)重單個故障(most severe single contingency, MSSC)[4]以上功率的擾動，且擾動產(chǎn)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(wǎng)頻率質(zhì)量的功率缺失量，當(dāng)責(zé)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(wǎng)所規(guī)定功率值二者中較小的一個時，可把它當(dāng)做可報告平衡故障事件。

對于DCS可報告事件是否進(jìn)行評價，要從故障大小、發(fā)生時間與多重性方面進(jìn)行分析在故障大小方面，若功率缺額小于80%MSSC，建議責(zé)任主體進(jìn)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(nèi)完成ACE恢復(fù)；對于大于MSSC的事件，則只報告不評價，不要求在15 min內(nèi)恢復(fù)ACE。

在故障發(fā)生的時間段與多重性方面，若將1 min內(nèi)發(fā)生的多故障視為單一故障，則當(dāng)多故障缺失量之和超過MSSC，做報告不評價處理?？蓪_動恢復(fù)期內(nèi)發(fā)生的多重故障進(jìn)行匯報，若發(fā)生在某一可報告擾動之后1 min與恢復(fù)周期結(jié)束之間，則該段時間內(nèi)發(fā)生的其他故障無須進(jìn)行評價；而發(fā)生在事故備用恢復(fù)期的多個故障需要報告并進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(zé)任主體。責(zé)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(dāng)圖中③BA發(fā)生擾動，若啟用備用共享程序，則②RSG為責(zé)任主體；否則有，③BA為責(zé)任主體。

2.3 評價時段

擾動恢復(fù)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(diào)用速度、啟動備用共享程序的時間與系統(tǒng)調(diào)度運(yùn)行的時間尺度[18]相關(guān)。

2.4 評價目標(biāo)

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

圖2 責(zé)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(biāo)準(zhǔn)是對事故備用最低容量配置和實(shí)際調(diào)用效果的評價，依據(jù)評價結(jié)果檢驗(yàn)事故備用的配置調(diào)用情況，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

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

(2)事故備用的調(diào)用效果。在故障恢復(fù)期內(nèi)將責(zé)任主體的ACE恢復(fù)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(yàn)方法。依據(jù)符合性計算結(jié)果對各責(zé)任主體控制作用進(jìn)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(fù)率Ri[4]；在BAL-002-2符合性計算中，使用事故備用響應(yīng)值和功率缺失量間的比較，獲得符合性計算結(jié)果[5]。上述2種方法區(qū)別在于后者將發(fā)生于擾動恢復(fù)期的其他平衡故障考慮在內(nèi)。

2.6 評價制度建設(shè)

BAL-002-2中規(guī)定了3點(diǎn)要求：R1為2.5節(jié)(2)中的內(nèi)容；R2在判定MSSC時，要求責(zé)任主體制定并執(zhí)行特定運(yùn)行程序，責(zé)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(zé)任主體在故障備用恢復(fù)期內(nèi)至少將備用容量恢復(fù)至MSSC。對每一項(xiàng)要求都要有證明文件用以說明責(zé)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(jī)構(gòu)。(2)保存證據(jù)，時間從上一次審查開始。責(zé)任主體需對當(dāng)前年與之前3年內(nèi)的數(shù)據(jù)與相關(guān)證明進(jìn)行留存；若不能滿足責(zé)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(jī)構(gòu)需從上一次審查記錄開始對之后所有要求與相關(guān)提交記錄進(jìn)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(guān)可靠性標(biāo)準(zhǔn)的性能進(jìn)行評價。

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

3 我國頻率控制及評估應(yīng)考慮的問題

我國電網(wǎng)多級管理模式和特高壓網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與北美電網(wǎng)之間存在較大差異，實(shí)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(wǎng)正逐步投入運(yùn)行，因其網(wǎng)架結(jié)構(gòu)尚較薄弱，故障導(dǎo)致的特高壓聯(lián)絡(luò)線功率波動越限引起兩端交流母線電壓幅值變化，嚴(yán)重時會造成電壓失穩(wěn)問題，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行的情況下，發(fā)電和負(fù)荷的隨機(jī)波動，只會引起頻率在較小的范圍內(nèi)連續(xù)變化，為了保證運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，在不損害系統(tǒng)可靠性的情況下，應(yīng)盡量減少頻率的調(diào)節(jié)次數(shù)。但當(dāng)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(luò)線進(jìn)行大量的功率支援，以便頻率快速恢復(fù)正常。由此可見，當(dāng)電網(wǎng)由于大擾動進(jìn)入警戒或以上狀態(tài)后，頻率控制的原則從經(jīng)濟(jì)性為主變?yōu)榘踩詾橹?，對相關(guān)控制主體控制性能的要求也有所變化，為了正確引導(dǎo)和監(jiān)督各控制主體的調(diào)節(jié)行為，相應(yīng)的頻率控制與評估方式也應(yīng)該有所調(diào)整。因此，按照電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)根據(jù)不同的控制目標(biāo)，制定不同的控制與評估方案很有必要。

3.2 我國電網(wǎng)管理模式的特殊性

在北美電網(wǎng)中，所有與系統(tǒng)運(yùn)行可靠性相關(guān)的事宜，例如制訂可靠性標(biāo)準(zhǔn)、確定各控制機(jī)構(gòu)職能等均由NERC主導(dǎo)和實(shí)施。從有功平衡實(shí)時控制角度來看，北美電網(wǎng)是以平衡監(jiān)管區(qū)(balancing authority area，BAA)為基本控制單元，由平衡機(jī)構(gòu)BA負(fù)責(zé)功率平衡。BA管轄若干發(fā)電運(yùn)營商(generator operator，GO)和配電提供機(jī)構(gòu)(distribution provider，DP)，標(biāo)準(zhǔn)要求這些GO和DP服從一個責(zé)任BA的協(xié)調(diào)和控制。一個或多個BAA組成一個可靠性協(xié)調(diào)區(qū)(reliability coordinator area，RCA)，其由可靠性協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)(reliability coordinator，RC)管轄。在北美IRO-001標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了RC具有發(fā)出運(yùn)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(yùn)行指令。由此可見，北美電網(wǎng)各運(yùn)行機(jī)構(gòu)之間不存在行政隸屬的關(guān)系，只是通過可靠性的規(guī)定和要求行使各自職權(quán)。

我國電網(wǎng)為分級管理模式，調(diào)度機(jī)構(gòu)分為國調(diào)、網(wǎng)調(diào)、省調(diào)、地調(diào)和縣調(diào)共5級。在大電網(wǎng)有功平衡實(shí)時控制層面，省網(wǎng)調(diào)度功能與北美BA類似，是基本平衡控制單元；區(qū)域網(wǎng)調(diào)度功能與北美RC類似，負(fù)責(zé)所轄區(qū)域內(nèi)各省網(wǎng)控制的監(jiān)管與協(xié)調(diào)。盡管我國電網(wǎng)的管理層級與北美電網(wǎng)有些相似，但在整體管理模式和各級調(diào)度管轄范圍上卻有一些差別。

一方面，我國電網(wǎng)的調(diào)度工作是國務(wù)院電力行政主管部門所主導(dǎo)的，其和NERC的職能有很大不同。電網(wǎng)運(yùn)行執(zhí)行“統(tǒng)一調(diào)度、分級管理”原則，《電網(wǎng)調(diào)度管理?xiàng)l例》[9]規(guī)定“調(diào)度機(jī)構(gòu)調(diào)度管轄范圍內(nèi)的發(fā)電廠、變電站的運(yùn)行值班單位，必須服從該級調(diào)度機(jī)構(gòu)的調(diào)度?！庇纱丝梢?，相比于北美電網(wǎng)，我國電網(wǎng)是更加典型的“自上而下”的管理模式。另一方面，我國各級調(diào)度機(jī)構(gòu)都有各自的可調(diào)用機(jī)組，國調(diào)和網(wǎng)調(diào)也不例外，這樣的資源配置是北美電網(wǎng)中沒有的。《電網(wǎng)調(diào)度管理?xiàng)l例》規(guī)定“調(diào)度機(jī)構(gòu)直接調(diào)度的發(fā)電廠的劃定原則，由國務(wù)院電力行政主管部門確定”。

電網(wǎng)的可靠性控制與評估只有與電網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計思路，從根本上無法與我國“自上而下”的“統(tǒng)一調(diào)度、分級管理”的模式相適應(yīng)，不能充分發(fā)揮我國電網(wǎng)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(biāo)準(zhǔn)體系包含多個子系列標(biāo)準(zhǔn)，其中，BAL系列標(biāo)準(zhǔn)主要針對系統(tǒng)的有功平衡控制問題，如BAL-001標(biāo)準(zhǔn)評價頻率調(diào)節(jié)的整體效果；BAL-002評價擾動下備用的調(diào)用及恢復(fù)過程；IRO系列標(biāo)準(zhǔn)針對系統(tǒng)可靠運(yùn)行與協(xié)調(diào)的相關(guān)問題；TOP系列標(biāo)準(zhǔn)針對聯(lián)絡(luò)線安全運(yùn)行相關(guān)問題；PRC系列標(biāo)準(zhǔn)針對系統(tǒng)保護(hù)與控制的相關(guān)問題；EOP系列標(biāo)準(zhǔn)針對緊急狀況下系統(tǒng)安全及穩(wěn)定運(yùn)行的相關(guān)問題。由此可見，北美可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系較為完備，涵蓋了和系統(tǒng)可靠運(yùn)行相關(guān)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(wǎng)與南方電網(wǎng)借鑒北美CPS標(biāo)準(zhǔn)，逐步設(shè)計并實(shí)施了各自的頻率控制與評估方法。2007年，華東電網(wǎng)在探討了實(shí)施DCS標(biāo)準(zhǔn)的可行性之后[6]，于2009年正式推行該標(biāo)準(zhǔn)，并于同年推行了聯(lián)絡(luò)線安全控制方面的T標(biāo)準(zhǔn)[19-20]。由此可見，與北美完善的可靠性標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)體系，亟待從系統(tǒng)可靠運(yùn)行的角度出發(fā)，構(gòu)建理論完備、覆蓋全面、界限明晰的結(jié)構(gòu)體系。

4 我國頻率控制及評估體系的設(shè)計思路

4.1 頻率調(diào)控責(zé)任和評估

電網(wǎng)頻率調(diào)控責(zé)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?biāo)決定的，而控制目標(biāo)與電網(wǎng)所處的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)，因此，首先需要分析電網(wǎng)處在不同運(yùn)行情況時，控制區(qū)域的控制目標(biāo)，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行電網(wǎng)頻率調(diào)控責(zé)任確定與評估。

我國一般將電力系統(tǒng)運(yùn)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(jī)、切負(fù)荷及至解列等緊急控制手段，不屬于本論文范疇，不進(jìn)行討論。

雖然正常狀態(tài)和警戒狀態(tài)下，電網(wǎng)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(yùn)行情況。系統(tǒng)負(fù)荷隨機(jī)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(diào)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(wǎng)頻率質(zhì)量已經(jīng)較高，增加控制行為對電能質(zhì)量或電網(wǎng)的安全性提升較少，且不利于經(jīng)濟(jì)性運(yùn)行，因此，此時頻率控制的原則是在保證系統(tǒng)可靠運(yùn)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(biāo)有所改變，即從經(jīng)濟(jì)性為主的盡量少控制轉(zhuǎn)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(diào)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(jìn)頻率質(zhì)量的快速恢復(fù)，另一方面很難準(zhǔn)確評估各區(qū)域的控制行為。

反觀北美電網(wǎng)，針對類似情況，其頻率調(diào)控體系中有專門針對大擾動下系統(tǒng)控制規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，即，EOP系列標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)踐證明，其具有良好的實(shí)施效果。但由3.3節(jié)分析可知，在我國現(xiàn)行的頻率調(diào)控責(zé)任確定與評估方法中并沒有類似EOP系列的標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)的頻率控制目標(biāo)來制定頻率控制與評估方法，不應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)評價和監(jiān)督事故備用保有量的內(nèi)涵有所差異。

綜上所述，我國應(yīng)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(biāo)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(jìn)行要求的原則是以經(jīng)濟(jì)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(jī)組的調(diào)節(jié)次數(shù)；大擾動情況下，則以可靠性為主，其控制目標(biāo)是盡快恢復(fù)穩(wěn)定裕度和頻率質(zhì)量。

4.2 我國擾動控制性能評估方法制定

相比北美電網(wǎng)，我國電網(wǎng)在正常情況(小擾動)下可以實(shí)現(xiàn)類似北美的分區(qū)分散控制，以節(jié)約調(diào)控成本；在發(fā)生大擾動時又可由上級電網(wǎng)在更大的范圍進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)控制，以利于保障電網(wǎng)安全。因此，我國的管理模式不僅具備北美電網(wǎng)的分散控制的優(yōu)勢，其強(qiáng)大的協(xié)調(diào)配合能力對事故恢復(fù)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(biāo)準(zhǔn)有所不同，不是針對擾動下備用調(diào)用及恢復(fù)的問題，而是評估擾動下頻率控制的整體效果，即一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和備用調(diào)用的綜合效果。

我國電網(wǎng)管理模式在發(fā)生大擾動需要多區(qū)域協(xié)調(diào)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(yīng)與“統(tǒng)一調(diào)度、分級管理”的管理模式相結(jié)合，即結(jié)合電網(wǎng)擾動故障涉及的范圍大小，設(shè)計并劃分為國網(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)、省網(wǎng)三級擾動控制性能評估方式。

(1)省網(wǎng)控制及其擾動控制性能評估方法。發(fā)生的故障理應(yīng)由省網(wǎng)獨(dú)立恢復(fù)的，采用既定的頻率調(diào)控方法對省網(wǎng)內(nèi)機(jī)組出力進(jìn)行評估，作用類似于華東電網(wǎng)實(shí)施的SCPS標(biāo)準(zhǔn)[21]。該功能為對其內(nèi)部可控擾動的恢復(fù)控制性能進(jìn)行評價?？蓤蟾嫫胶夤收习l(fā)生后，省網(wǎng)按照機(jī)組性能以一定比例將故障的功率缺額分?jǐn)傊粮鳈C(jī)組，利用機(jī)組的出力情況構(gòu)建評價指標(biāo)，判斷機(jī)組是否按照要求在規(guī)定的時間內(nèi)提供了功率支援，以滿足省網(wǎng)評估方式對擾動恢復(fù)控制評價的要求。

(2)區(qū)域網(wǎng)控制及其擾動控制性能評估方法。發(fā)生的故障理應(yīng)由省網(wǎng)間協(xié)調(diào)恢復(fù)的，采用既定的頻率調(diào)控方法對區(qū)域內(nèi)省網(wǎng)出力進(jìn)行評估，對象為省網(wǎng)。在備用分配方面，區(qū)域網(wǎng)將國網(wǎng)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?jǐn)偨o各省網(wǎng)，并將其作為各省網(wǎng)最低事故備用。可報告平衡故障發(fā)生后，將區(qū)域網(wǎng)整體的功率調(diào)節(jié)責(zé)任分?jǐn)傊粮魇【W(wǎng)，區(qū)域網(wǎng)作為一個備用共享組，各省網(wǎng)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(wǎng)功率調(diào)節(jié)情況，來評估省網(wǎng)在可報告平衡故障事件中的調(diào)節(jié)行為。

(3)國網(wǎng)控制及其擾動控制性能評估方法。發(fā)生的故障理應(yīng)由多區(qū)域間協(xié)調(diào)的，采用既定的頻率調(diào)控方法對國網(wǎng)出力進(jìn)行評估，評價對象為區(qū)域網(wǎng)。國網(wǎng)擾動控制性能評估方法用于評價其內(nèi)部區(qū)域網(wǎng)控制性能。事故備用支援的區(qū)域電網(wǎng)進(jìn)行恢復(fù)控制性能評價。在備用分配方面，國網(wǎng)為各區(qū)域網(wǎng)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(wǎng)將功率缺額的整體調(diào)節(jié)責(zé)任分配給各區(qū)域網(wǎng)，根據(jù)區(qū)域網(wǎng)功率調(diào)節(jié)情況，來評價區(qū)域網(wǎng)在可報告平衡故障中的調(diào)節(jié)行為。

4.2.2擾動控制啟動條件

結(jié)合我國電網(wǎng)特高壓發(fā)展現(xiàn)狀、五級調(diào)度結(jié)構(gòu)與北美的差異，在北美DCS基礎(chǔ)上，將故障規(guī)模設(shè)置為擾動控制啟動條件。

將文獻(xiàn)[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(yīng)關(guān)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(shí)際電網(wǎng)可依據(jù)自身?xiàng)l件調(diào)整80%這一指標(biāo)，調(diào)整后需將修改情況與相應(yīng)原因報至上級機(jī)構(gòu)，在獲得批注后方可實(shí)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(wǎng)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(jìn)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(jìn)行仿真分析。其中，系統(tǒng)頻率、功率和機(jī)組參數(shù)分別使用以50 Hz和4 000 MW為基準(zhǔn)值的標(biāo)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(jī)組基準(zhǔn)功率；Pm為汽輪機(jī)機(jī)械功率；Pe為發(fā)電機(jī)電磁功率；Tg為調(diào)速器時間常數(shù)；TR為主進(jìn)汽容積和汽室時間常數(shù)；H為慣性時間常數(shù)；D為負(fù)荷阻尼系數(shù)。

圖3 仿真電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Control structure of simulated power grid

表1 機(jī)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(shè)系統(tǒng)運(yùn)行場景為：前100 s系統(tǒng)正常運(yùn)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(dá)到了方法1的啟動條件，故障1、2均達(dá)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(fù)效果較方法1好，且在方法2下可恢復(fù)系統(tǒng)一、二次調(diào)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(diào)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(fù)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(nèi)恢復(fù)系統(tǒng)頻率，對電網(wǎng)安全有利。

6 結(jié) 語

北美可靠性標(biāo)準(zhǔn)體系的結(jié)構(gòu)較為完善，其包含多個子系列標(biāo)準(zhǔn)，如BAL系列、EOP系列等，標(biāo)準(zhǔn)間能夠前后銜接并相互配合，共同保證電力系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。其中，擾動控制標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)涵是對事故備用最低容量配置和實(shí)際調(diào)用效果的評價。目前我國頻率控制與評估方式參照北美標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，其體系還有待于進(jìn)一步完善。

我國電網(wǎng)的運(yùn)行執(zhí)行“統(tǒng)一調(diào)度、分級管理”的原則，在統(tǒng)籌全網(wǎng)控制資源進(jìn)行協(xié)調(diào)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(guān)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(yán)重事故，頻率控制需要跨省跨區(qū)間的相互協(xié)調(diào)；同時，在系統(tǒng)正常運(yùn)行與大擾動情況下，頻率控制的目標(biāo)與對相關(guān)控制主體控制性能的要求也不盡相同?；诖?，提出我國的頻率控制與評估方法應(yīng)該按照擾動嚴(yán)重程度來分級，且需結(jié)合我國分級管理的調(diào)度模式進(jìn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)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(diào)，相關(guān)調(diào)控方式可借鑒北美的BAL系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計；大擾動下，可結(jié)合我國“統(tǒng)一調(diào)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(wǎng)、區(qū)域網(wǎng)和省網(wǎng)等3個層級進(jìn)行頻率控制手段整體控制效果的評估方法設(shè)計。