王之偉，徐春雷，黃俊輝，李海峰，李雪明，宋 杰，史 迪

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 210024；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，南京 210000；3.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，南京 211106；4.智博能源科技（江蘇）有限公司，南京 211300）

0 引言

保持頻率穩(wěn)定是電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求,但國(guó)內(nèi)超高壓、特高壓輸電線的大量建設(shè)和投運(yùn)使保持系統(tǒng)頻率穩(wěn)定變得越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性。這些超高壓、特高壓輸電線路具有很高的傳輸容量，如果突然發(fā)生故障，可能會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生嚴(yán)重的功率短缺，威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行[1]。由于大功率缺額導(dǎo)致系統(tǒng)頻率急劇下跌，多起嚴(yán)重停電事故已在電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生。例如，2019 年8 月8 日英國(guó)的天然氣發(fā)電廠Little Barford 和海上風(fēng)電場(chǎng)Hornsea 發(fā)生故障，導(dǎo)致嚴(yán)重頻率下降和停電，影響了110 萬(wàn)用戶約1 h。

分布式微小負(fù)荷有巨大的潛力參與電力系統(tǒng)頻率調(diào)節(jié)，但是需要有效的方法來(lái)聚合和控制分布式微小負(fù)荷。在現(xiàn)有的研究文獻(xiàn)和工業(yè)實(shí)際應(yīng)用中，有2 種控制方法被廣泛使用，即集中控制法和分布控制法[2]。集中控制方法又可以進(jìn)一步細(xì)分為自適應(yīng)方法[3]和功率缺額估計(jì)方法[4]。在自適應(yīng)方法中，中央控制器測(cè)量電力系統(tǒng)的頻率，并使用反饋控制和下垂控制等方法來(lái)計(jì)算所需的負(fù)荷切除量。對(duì)于功率缺額估計(jì)方法，中央控制器首先估計(jì)擾動(dòng)后系統(tǒng)功率缺額的大小，然后根據(jù)功率缺額估計(jì)結(jié)果計(jì)算負(fù)荷切除量。這些集中控制方法的一個(gè)共同特征是由中央控制器將控制信號(hào)發(fā)送給分布式響應(yīng)負(fù)荷，因此集中控制方法具有全局準(zhǔn)確的優(yōu)點(diǎn)，但是它需要大量昂貴的高速通信信道[5]，可能導(dǎo)致分布式設(shè)備的響應(yīng)速度較慢,不適用于緊急頻率控制。分布控制方法[6]需要測(cè)量分布式負(fù)荷的狀態(tài)，設(shè)定頻率閾值和時(shí)間延遲，允許分布式控制設(shè)備做出自主負(fù)荷投切決策。分布控制的優(yōu)點(diǎn)是不依賴通信，可以快速響應(yīng)，但是如果沒(méi)有集中協(xié)調(diào)，分布控制容易導(dǎo)致負(fù)荷過(guò)切或欠切。

本文研發(fā)了一種新型的分布式負(fù)荷控制系統(tǒng)“電網(wǎng)脈”，實(shí)現(xiàn)了對(duì)終端用戶負(fù)荷設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和直接控制?；陔娋W(wǎng)脈的信息物理系統(tǒng)架構(gòu)，提出了基于邊緣智能計(jì)算的電網(wǎng)功率缺額本地估計(jì)方法，用于電網(wǎng)緊急頻率控制。與現(xiàn)有文獻(xiàn)中的集中控制和分布控制方法不同，電網(wǎng)脈在每個(gè)智能插座中進(jìn)行電網(wǎng)功率缺額本地估計(jì)并做出切負(fù)荷決策。因此，該方法結(jié)合了集中控制和分散控制的優(yōu)點(diǎn)，能保證全局控制精度并且快速響應(yīng)。

1 電網(wǎng)脈及其頻率控制方法簡(jiǎn)介

1.1 電網(wǎng)脈構(gòu)成

具有智能邊緣計(jì)算能力的智能插座在電網(wǎng)脈系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用［7］。它們可以①測(cè)量電壓、電流、有功功率和無(wú)功功率等；②實(shí)時(shí)跟蹤電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)頻率；③將測(cè)量結(jié)果發(fā)送到控制中心；④ 根據(jù)本地測(cè)量值或來(lái)自控制中心的命令控制負(fù)荷判斷；⑤從控制中心接收參數(shù)設(shè)置，包括時(shí)間延遲和閾值。智能插座的功能模塊和硬件實(shí)物如圖1所示。

圖1 智能插座功能模塊Fig.1 Function blocks of the smart outlet

智能插座和路由器采用WiFi通信。與有線通信（例如光纖）相比，WiFi通信提供了一種低成本且靈活的解決方案，使用消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)控制中心與不同地理位置的智能插座之間的通信，該協(xié)議是物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中常用的輕量級(jí)消息協(xié)議。

控制中心接收來(lái)自智能插座的測(cè)量值并檢測(cè)智能插座的地理位置，在地圖上存儲(chǔ)、分析和繪制功率密度。控制中心可以向智能插座發(fā)送設(shè)置或控制命令。

1.2 控制方法介紹

電網(wǎng)脈系統(tǒng)采用電網(wǎng)功率缺額本地估計(jì)方法，介紹如下。在發(fā)生任何頻率跌落事件之前，控制中心會(huì)監(jiān)控智能插座的狀態(tài)，計(jì)算電力系統(tǒng)頻率控制的相關(guān)參數(shù)，并且將這些參數(shù)發(fā)送到智能插座以備執(zhí)行電網(wǎng)功率缺額本地估計(jì)。由于電力系統(tǒng)狀態(tài)可隨時(shí)間變化，因此控制中心會(huì)在線更新參數(shù)，并定期（例如每15 min）將其發(fā)送到智能插座中。然后，智能插座會(huì)接收這些參數(shù)并將其存儲(chǔ)在本地。基于這些參數(shù)，智能插座能夠檢測(cè)到頻率跌落事件，快速進(jìn)行電網(wǎng)功率缺額本地估計(jì)，并在滿足條件時(shí)迅速做出切除負(fù)荷的決定?；谶@種方法，智能插座可以在1 s 內(nèi)采取減載措施，以便在發(fā)生嚴(yán)重頻率跌落事件時(shí)有效地抑制頻率下降。

智能插座可實(shí)時(shí)測(cè)量電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、頻率、頻率變化率以及用電設(shè)備的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。智能插座每隔1 min 將這些測(cè)量結(jié)果發(fā)送到控制中心，更新其在控制中心的狀態(tài)?？刂浦行目紤]到用電設(shè)備的類型及其位置，將廣域分布的智能插座聚合為具有層級(jí)的負(fù)荷模塊，如圖2所示。

圖2 負(fù)荷聚合Fig.2 Aggregation of the loads

假設(shè)第i個(gè)模塊的功率是，則第i個(gè)模塊的累積功率為

式中:上標(biāo)B為單個(gè)模塊；上標(biāo)A為累積。負(fù)荷模塊的累積功率為需要切除負(fù)荷時(shí)該負(fù)荷模塊的優(yōu)先級(jí)，累積功率越小，優(yōu)先級(jí)越高。每個(gè)負(fù)荷模塊的累積功率由控制中心計(jì)算并發(fā)送到該模塊中的所有智能插座。發(fā)生頻率擾動(dòng)事件后，智能插座將估計(jì)電網(wǎng)功率缺額，當(dāng)所需的負(fù)荷切除量大于存儲(chǔ)在智能插座中的累積功率值時(shí)，該智能插座才會(huì)關(guān)閉。

電網(wǎng)脈系統(tǒng)的一項(xiàng)控制原則是確保系統(tǒng)頻率不會(huì)下降到低頻減載的啟動(dòng)頻率，同時(shí)最大程度地減少智能插座所切斷的負(fù)荷，這樣可以防止嚴(yán)重故障時(shí)可能的系統(tǒng)崩潰，避免大規(guī)模切除負(fù)荷。低頻減載的啟動(dòng)頻率因系統(tǒng)而異，在中國(guó)，對(duì)于50 Hz系統(tǒng)，低頻減載起始頻率的典型值為49 Hz。選擇略高于低頻減載起始頻率的閾值頻率fs作為電網(wǎng)脈頻率控制的目標(biāo)，fs典型值設(shè)置為49.5 Hz。

2 智能插座的邊緣智能控制策略分析

智能插座實(shí)時(shí)檢測(cè)電力系統(tǒng)的頻率，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常頻率跌落事件后，進(jìn)行電網(wǎng)功率缺額估計(jì)。即首先用最小二乘法快速計(jì)算出一個(gè)功率缺額值，作為擴(kuò)展卡爾曼濾波方法的初值，然后進(jìn)行卡爾曼濾波計(jì)算直到收斂。

功率缺額值ΔP可以根據(jù)頻率下降率的值g(t0)確定為

式中:D為系統(tǒng)阻尼因子；R為調(diào)速器常數(shù)；Km為機(jī)械功率常數(shù)；α為震蕩衰減因子；ωn為虛擬振蕩頻率；φ1為第一振蕩常數(shù)［8］。

在檢測(cè)到異常頻率跌落之后，采用一組連續(xù)頻率測(cè)量值來(lái)估計(jì)g(t0)。假設(shè)故障后n個(gè)頻率測(cè)量值為M={f1,f2,…,fn}，寫(xiě)作N={1,2,…,n}/fs,這里fs是頻率測(cè)量的更新速率

由最小二乘法估計(jì)的結(jié)果作為初始值，使用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法可以進(jìn)一步提高估計(jì)精度。假設(shè)故障前系統(tǒng)正常頻率為fn，在時(shí)間tx突然出現(xiàn)功率缺額ΔP(tx)，根據(jù)電力系統(tǒng)頻率動(dòng)力學(xué)模型，頻率波動(dòng)用數(shù)學(xué)描述為

實(shí)際上，對(duì)于連續(xù)測(cè)量頻率的分布式設(shè)備（如智能插座），實(shí)時(shí)了解故障時(shí)刻tx的準(zhǔn)確值非常困難。另外，基于tx錯(cuò)誤值的功率缺額將極大地影響ΔP的估計(jì)。因此，需要同時(shí)估計(jì)2 個(gè)值，功率缺額量ΔP以及功率缺額發(fā)生的時(shí)刻tx。

考慮到頻率測(cè)量的更新速率fs，方程（6）被離散成為方程（7）

式中:k為擴(kuò)展卡爾曼濾波的迭代次數(shù)；ΔP(tx)為tx時(shí)刻的功率缺額；φ為調(diào)整后的振蕩常數(shù)；ζ為虛擬振蕩頻率因子［8］。

擴(kuò)展卡爾曼濾波的狀態(tài)定義X為

狀態(tài)轉(zhuǎn)換方程為

然后將觀察矩陣線性化［9］

觀察的公式為

式中:ε(k)為噪聲。

如果估計(jì)所得的功率缺額為ΔP，則為避免頻率降低至fs需要的最小負(fù)荷切除量ΔPv為

式中:ΔPs為閾值功率。智能插座檢測(cè)到嚴(yán)重的電力系統(tǒng)頻率下跌事件后，如果需要的最小負(fù)荷切除量大于該負(fù)荷模塊的累積功率值，則智能插座會(huì)關(guān)斷與其連接的用電器。

3 案例分析

本文提出的方法在IEEE 24 母線系統(tǒng)上進(jìn)行測(cè)試，移除了原IEEE 24 母線系統(tǒng)23 母線上的發(fā)電機(jī)，并且將特高壓直流線路連接到23 母線上，如圖3 所示，以便研究直流閉鎖故障后電網(wǎng)脈的頻率響應(yīng)策略。

圖3 修改后的IEEE 24?bus系統(tǒng)Fig.3 Modified IEEE 24?bus system

系統(tǒng)中慣性常數(shù)H和調(diào)速器下降控制常數(shù)R通常做出如下假設(shè):對(duì)于額定功率小于1 MW的發(fā)動(dòng)機(jī)，設(shè)為5.8 s和1/17；對(duì)于額定功率在1～2 MW之間的發(fā)電機(jī)，設(shè)為8.1 s和1/20；對(duì)于額定功率高于2 MW的發(fā)電機(jī)，設(shè)為9.3 s和1/22；阻尼系數(shù)D為2.5；再熱發(fā)電機(jī)參數(shù)FH為0.3；平均再加熱時(shí)間常數(shù)TR為8；頻率增益因子Km為0.95。

3.1 電網(wǎng)功率缺額本地估計(jì)

為了展現(xiàn)本文提出的電網(wǎng)功率缺額本地估計(jì)算法的性能，假設(shè)在IEEE 24母線系統(tǒng)中有5 MW（5 p.u.）功率缺額并進(jìn)行1萬(wàn)次仿真。對(duì)于每次仿真，將±0.01 Hz的隨機(jī)噪聲添加到每一個(gè)頻率測(cè)量值中，頻率測(cè)量的更新間隔為16 ms。擴(kuò)展卡爾曼濾波結(jié)果的典型曲線如圖4所示。最小二乘法估計(jì)的功率缺額為4.21 p.u.，該值用作擴(kuò)展卡爾曼濾波方法的初始值。當(dāng)擴(kuò)展卡爾曼濾波方法的結(jié)果收斂時(shí)，它將非常接近5 p.u.。1萬(wàn)次仿真的統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。結(jié)果表明，92.38%的結(jié)果誤差小于4%。

圖4 擴(kuò)展卡爾曼濾波功率缺額估計(jì)收斂曲線Fig.4 Power loss estimation curve of extended Kalman filter

表1 擴(kuò)展卡爾曼濾波功率缺額估計(jì)效果Table 1 Power loss estimation of extended Kalman filter

3.2 系統(tǒng)緊急頻率控制

假設(shè)在IEEE 24 母線系統(tǒng)中有100 萬(wàn)個(gè)智能插座，連接到每個(gè)智能插座的用電設(shè)備的電功率是［10 W，1 800 W］之間的某個(gè)隨機(jī)值。智能插座分為1 000 個(gè)負(fù)荷模塊，每個(gè)組中有1 000 個(gè)智能插座。假設(shè)這些負(fù)荷模塊按其重要性排序，每個(gè)智能插座將其累積功率與閾值功率進(jìn)行比較來(lái)決定是否切除負(fù)荷。

圖5中顯示了在考慮智能插座切負(fù)荷的情況下電力系統(tǒng)的頻率動(dòng)態(tài)。此處顯示的最低頻率約為49.5 Hz，正是電網(wǎng)脈系統(tǒng)的頻率控制目標(biāo)。比較不使用電網(wǎng)脈和使用電網(wǎng)脈的2種情況，可以看出電網(wǎng)脈系統(tǒng)可以快速響應(yīng)，防止電力系統(tǒng)頻率嚴(yán)重下降。

圖5 電網(wǎng)脈頻率調(diào)節(jié)效果Fig.5 Frequency regulation performance of Grid Sense

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種名為電網(wǎng)脈的基于物聯(lián)網(wǎng)的分布式頻率控制系統(tǒng)的信息物理設(shè)計(jì)，電網(wǎng)脈可以利用大量的分布式設(shè)備為電網(wǎng)提供頻率緊急支持，具有基于邊緣智能計(jì)算的電網(wǎng)功率缺額本地估計(jì)方法。根據(jù)控制中心發(fā)送的參數(shù)，智能插座可以在本地檢測(cè)到頻率變化，估計(jì)電力系統(tǒng)中的有功功率缺額，并在發(fā)生嚴(yán)重頻率跌落事件后迅速準(zhǔn)確地做出負(fù)荷控制決定。仿真結(jié)果表明該電網(wǎng)功率缺額本地估計(jì)方法具有很高的頻率控制精度和魯棒性，可有效阻止大功率缺額后電力系統(tǒng)頻率的嚴(yán)重下降，提升電網(wǎng)運(yùn)行的安全性。