控制區二次調頻容量需求預測新方法

宋學杰，陳新儀，宋依群，嚴　正，楊立兵，洪元瑞

（1.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2.上海交通大學電氣工程系，上海 200240；3.華東電網有限公司，上海 200120）

控制區二次調頻容量需求預測新方法

宋學杰1，2，陳新儀1，2，宋依群1，2，嚴正1，2，楊立兵3，洪元瑞3

（1.上海交通大學電力傳輸與功率變換控制教育部重點實驗室，上海 200240；2.上海交通大學電氣工程系，上海 200240；3.華東電網有限公司，上海 200120）

區域控制偏差評價標準（BAAL）是北美電力可靠性委員會（NERC）新提出的控制性能評價標準，已在北美各大電網開始試運行，但國內對此鮮有研究。該文介紹了BAAL標準的基本原理，對比分析了BAAL標準與控制性能評價標準（CPS）中的CPS2標準的差異性；提出了考慮BAAL標準的控制區二次調頻容量需求預測新方法，并探討了最大允許越限時間、安全裕度和CPS2補充約束對控制區二次調頻容量需求的影響；最后以上海電網為例進行了仿真分析，結果驗證了該方法可將控制區預測的二次調頻容量需求減少5%以上。

區域控制偏差評價標準；控制性能評價標準；二次調頻容量需求；預測

二次調頻服務是電力系統最為昂貴的一種輔助服務。提供二次調頻服務的發電機組通過自動發電控制系統實時調整出力，以平衡分鐘級的負荷波動，并消除系統一次調頻過程中的頻率殘差，充足的調頻容量是維持電力系統頻率穩定的保障［1］。

在對二次調頻服務的性能進行評價時，目前國內外各大區域電網中應用較多的是控制性能評價標準CPS（control performance standard），由CPS1與CPS2兩個子標準組成［2-3］。BAAL標準（balancing authority ACE limit［4］）是北美電力可靠性委員會NERC（North America Electric Reliability Corporation）近年來新提出的評價標準，目前還處于試驗階段。未來該標準有望取代CPS2標準。

BAAL標準設計的初衷是為了減少控制區調頻需求，減輕自動發電控制AGC（automatic generation control）機組的調節壓力。目前，對BAAL標準的相關研究僅在NERC的試驗報告中有所涉及［4］，國內尚無研究成果發表。BAAL標準對控制區二次調頻容量需求的影響尚無定論。

本文提出了考慮BAAL標準的控制區二次調頻容量需求預測新方法，并探究了最大允許越限時間、安全裕度與CPS2補充約束對預測結果的影響。以基于滾動平均法的二次調頻容量需求傳統預測方法為對比標準，分析了考慮BAAL標準的二次調頻容量需求預測方法的效用。

1　BAAL標準及其與CPS2標準的比較

BAAL標準與頻率實時相關，體現在兩個方面：在系統頻率超過50 Hz時要求控制區區域控制偏差ACE（area control error）小于BAAL上限BAALHigh；在系統頻率低于50 Hz時要求控制區ACE大于BAAL下限BAALLow。違反上述兩條約束中任一條為越限，BAAL標準規定控制區ACE連續越限時間不能超過30 min。BAALHigh與BAALLow的數學表達式為

式中：B為控制區的頻率偏差系數，單位為MW/0.1 Hz；fHigh為上限參照頻率，大小取50 Hz加上3倍的互聯電網頻率控制偏差ε，單位為Hz；fLow為下限參照頻率，大小取50 Hz減去3倍的互聯電網頻率控制偏差ε，單位為Hz；ft為系統實時頻率，單位為Hz。

CPS2標準的計算方法［1］為

式中：ACE10min為10 min時間段內系統采樣的ACE點數；L10為現行CPS2標準限值；ε10為給定一年時段內，系統實際頻率與標準頻率偏差的10 min平均值的均方根值，單位為Hz；BS為互聯電網總的頻率偏差系數，單位為MW/0.1 Hz。

BAAL標準與CPS2標準的差異在于CPS2標準要求控制區將ACE控制在固定范圍內，而BAAL標準下此范圍與系統頻率有關，是可變的。如圖1所示，在控制區頻率偏差較小時，BAAL標準放寬了對控制區ACE的限制，允許控制區聯絡線功率出現短時較大的超用，減輕了該控制區內AGC機組的調節壓力；在控制區頻率偏差較大時，BAAL標準對控制區ACE的限制更為嚴格，有效地抑制了頻率質量的進一步惡化。

在北美CPS2的月度考核中，即使部分控制區存在單日內ACE長時間連續越限的情況，只要保持CPS2指標月度平均值在90%以上，該控制區即免于考核。而BAAL標準規定控制區ACE連續越限時間不能超過30 min，這將促使控制區更加注重短時安全，與月度CPS1考核的配合更加協調。

相比于北美電網，國內電網的CPS考核周期通常為10或15 min［5-6］，若采用BAAL標準，現行考核體制也將受到影響。以華東電網為例，目前其實行基于CPS標準的經濟考核，以10 min為考核周期，根據考核時段內CPS1和CPS2指標的均值，按照一定的方法折算為電量考核費用，并按月對被考核單位進行財務結算［5］。若用BAAL標準替代CPS2標準，其經濟考核周期和考核辦法均需調整：考核周期將根據BAAL標準的最大允許越限時間適當延長，考核電量則與BAAL標準的越限程度相關。

圖1　BAAL和CPS2考核曲線Fig.1　BAAL and CPS2 limits

2　二次調頻容量需求預測方法

2.1滾動平均法

傳統二次調頻容量需求的預測原則是根據歷史相同時刻負荷曲線的波動情況來完成對未來的預測。以滾動平均法為例，在已知歷史負荷曲線的前提下，通過對曲線上每一點前后一段數值滾動求平均，擬合出一條平滑的負荷曲線，擬合前后曲線的差值即為控制區的調頻需求［7-9］。滾動平均法如式（5）所示。

式中：LFt是負荷曲線擬合處理后t時刻的負荷值；Lt是原負荷曲線t時刻的負荷值；M為滾動平均所需負荷點數的一半。

t時刻控制區所需二次調頻容量的估計為

式中：REGt是t時刻控制區所需的二次調頻容量，ACEt是t時刻控制區的區域控制偏差，小于零表示控制區需要上調容量，大于零表示控制區需要下調容量；M的大小直接影響控制區對二次調頻容量需求的估計。一般來說，M越大，控制區對二次調頻容量需求的估計越大［7-8］。M和采樣周期及采樣時段有關，采樣周期一般取15 s，采樣時段主要有15 min，30 min，60 min 3種，相應的M取30，60，120。

得到各個時刻的REGt后，采用文獻［8］中提出的統計分析方法（文獻［8］中所選時段為1 d，此處選為1 h），確定控制區每小時所需的二次調頻容量需求。

2.2考慮BAAL標準的預測方法

為了滿足BAAL標準，控制區在t時刻的區域控制偏差ACEt必須滿足：

式中：BAALHigh和BAALLow是t時刻通過公式（1）計算出的BAAL標準上限和BAAL標準下限；ACEt是控制區t時刻的區域控制偏差，由公式（6）得出。

考慮控制區出現功率缺額，頻率下降的情況如圖2所示。實線表示某運行小時內控制區的BAALLow，虛線表示控制區t時刻的ACEt。可以看出，在30 min到50 min這一時段，控制區ACEt持續越限。為了消除越限，控制區需要上調容量（圖2中向上箭頭），大小為BAALLow與ACEt的差值。同理，當控制區頻率上升時，需要的下調容量大小為ACEt與BAALHigh的差值。則考慮BAAL標準的二次調頻容量預測值可表示為

式中：REGt_BAAL是考慮BAAL標準確定的控制區二次調頻容量需求，單位為MW。

之后采用文獻［8］中統計分析的方法確定控制區每小時所需的二次調頻容量需求。

圖2　ACEt和BAALLowFig.2　ACEtvs BAALLow

在BAAL標準的實際運用過程中，還需要考慮最大允許越限時間、安全裕度和CPS2補充約束的影響，具體分析如下所述。

2.2.1最大允許越限時間約束

考慮時間約束，修正控制區二次調頻需求。依據BAAL標準，只有當控制區ACE連續越限超過30 min時，才是一次不合格事件。實際上，為了保留一定的控制裕度，控制區設定的最大允許越限時間往往小于30 min，用Tmax表示控制區允許的最大越限時間，大小從0到30 min不等。則式（8）可視作Tmax=0條件下的二次調頻容量需求預測公式。

考慮控制區出現功率缺額，頻率下降的情況如圖3所示。實線表示某運行小時內控制區的BAALLow，虛線表示該小時內控制區t時刻的ACEt。假定只有在控制區ACEt越過BAALLow時段超過時限Tmax時，控制區才需要上調容量，所需上調容量為BAALLow與越限時刻ACEt的差值。上調容量使控制區ACEt曲線上移，修正后的ACEt滿足BAAL標準。對下調容量的分析類似，本文不再贅述。

圖3　考慮時間約束后的ACEt和BAALLowFig.3　ACEtvs BAALLowconsidering time constraint

2.2.2安全裕度約束

為了保證一定的安全裕度，考慮預想事故的影響，將控制區的BAAL約束修正為

式中：ACE′t為修正后的控制區ACEt；Δfmargin表示預想事故引起的系統頻率偏差，單位為Hz；ΔPmargin表示預想事故引起的控制區功率缺額（機組跳閘情況下為負值，甩負荷情況下為正值），單位為MW。

預想事故下，式（11）較之式（1）分母上多了Δfmargin一項，BAALHigh和BAALLow的絕對值均減小，控制區ACE合格范圍減小。

2.2.3CPS2補充約束

當控制區頻率偏差較小時，BAAL標準限值（BAALHigh和BAALLow的絕對值）較高，對控制區ACE的限制并不明顯，長時間運行會導致控制區之間無意交換電量增加。考慮CPS2補充約束后控制區ACE合格區間變小，能夠限制無意交換電量。

根據北美電網的運行經驗，在實際運用過程中可將CPS2標準適當放寬作為BAAL標準的補充約束，則該補充約束可表示為

式中，N為整數，其值一般取1、2或4。

3　仿真分析

上海電網地處華東，負荷特性具有明顯的都市化特征，日負荷高峰位于早高峰（7∶00—9∶00）和晚高峰（18∶00—20∶00）兩個時段，日負荷低谷位于午夜低谷（0∶00—2∶00）和午后低谷（13∶00—15∶00）兩個時段。截止2013年底，上海電網統調裝機容量21 602 MW，夏季高峰最高電力需求31 000 MW，年用電量達1.435×1012kW·h。

本文以上海電網為例，選取2013年8月份夏季某一運行日負荷數據，預測2014年夏季相似運行日二次調頻容量需求。滾動平均法中時間間隔取30 min，每15 s一個采樣，24 h內采樣點5 760個，置信水平取0.98。全網頻率控制偏差ε=0.015 77 Hz，華東全網頻率偏差系數BS=2 381 MW/0.1 Hz，上海電網頻率偏差系數B=310 MW/0.1 Hz［10］。

3.1滾動平均法

利用滾動平均法，對上海電網特定運行日的分鐘級負荷波動預測如圖4所示。用統計分析的方法對每小時的負荷波動量進行分離，對運行日每小時二次調頻容量需求估計如圖5所示。

在負荷高峰時段，控制區所需上調容量較大，最高可達262.95 MW（8∶00—9∶00，第9小時段），遠高于當天所需上調容量平均水平142.25 MW（24 h上調容量平均值）；所需下調容量較小，最低僅需53.01 MW（8∶00—9∶00），遠低于當天所需下調容量平均水平147.08 MW（24 h下調容量平均值）。

在負荷低谷時段，控制區所需下調容量較大，最高可達239.55 MW（0∶00—1∶00，第1小時段），遠高于當天所需下調容量平均水平147.08 MW；所需上調容量較小，最低僅需45.38 MW（0∶00—1∶00），遠低于當天所需上調容量平均水平142.25 MW。

圖4　分鐘級負荷分量分布Fig.4　Distribution of minute-level load component

圖5　控制區二次調頻容量需求預測（滾動平均法）Fig.5　Control area's regulation reserve requirements forecast（rolling-average method）

3.2考慮BAAL標準的預測方法

選取同一天的負荷數據，利用式（6）估算出控制區各個時刻的區域控制偏差ACEt，對系統頻率的實時估計為

由式（1）計算出控制區各個時段的BAAL標準限值如圖6所示，大于0部分為BAALHigh，小于0部分為BAALLow。

僅以BAAL標準是否越限作為控制區確定二次調頻容量的標準，則根據式（8）可得二次調頻容量預測結果如圖7所示。在負荷高峰時段（7∶00—9∶00、18∶00—20∶00），BAALLow絕對值較小，控制區ACE容易越過下限，所需上調容量增加；在負荷低谷時段（0∶00—2∶00，13∶00—15∶00），BAALHigh絕對值較小，控制區ACE容易越過上限，所需下調容量增加。預測的調頻容量分布情況與傳統的滾動平均法所得結果大體一致，在8∶00—9∶00控制區所需上調容量最大，為220.43 MW；在0∶00—1∶00控制區所需下調容量最大，為183.27 MW。但控制區各個小時預測的二次調頻容量需求相比傳統預測方法均有所減少，在一天中的某些小時段內甚至不需要二次調頻容量（0∶00—1∶00預測控制區所需上調容量為0，8∶00—9∶00預測控制區所需下調容量為0）。

圖6　控制區BAAL限值預測Fig.6　Control area's BAAL limit forecast

圖7　控制區二次調頻容量需求預測（考慮BAAL標準）Fig.7　Control area's regulation reserve requirements forecast（with BAAL standard）

圖8所示為考慮時間約束后，不同時限標準下控制區所需的二次調頻容量（包括上調容量和下調容量）。文中將Tmax分別設置為0 min、10 min和20 min，仿真發現，控制區允許的越限時間越長，所需的二次調頻容量也越少。

圖8　考慮時間約束后滿足BAAL標準控制區二次調頻容量需求預測Fig.8　Control area's regulation reserve requirements forecast to meet BAAL limit considering time constraint

圖9　考慮時間約束和安全裕度后滿足BAAL標準控制區所需二次調頻容量預測Fig.9　Control area′s regulation reserve requirements forecast to meet BAAL limit considering time constraint and safety margin

考慮安全裕度，分析預想事故對控制區所需調頻容量的影響。預想事故為500 MW火電機組跳閘時，預測Tmax取0 min，10 min和20 min時控制區的上調容量需求，仿真結果如圖9（a）所示。同圖8（a）對比可得，大型機組跳閘后，控制區頻率大幅度下降，BAAL標準收緊，在不同的最大允許越限時間下，控制區對上調容量的需求均有所增加。同理當預想事故為控制區突然失去500 MW負荷時，其仿真結果如圖9（b）所示，對比圖8（b）可得，在不同的最大允許越限時間下，控制區對下調容量的需求也有所增加。

分析CPS2補充約束的影響。控制區需要同時滿足BAAL標準（式（7））和放寬的CPS2補充約束（式（13））。仿真結果如圖10所示。與圖7對比可發現：考慮該補充約束會增加控制區的二次調頻容量需求，特別是對于N=1的情況，相當于控制區同時需要滿足BAAL標準和CPS2標準，控制區所需的二次調頻容量最多。

圖10　考慮CPS2補充約束后滿足BAAL標準控制區所需二次調頻容量預測Fig.10　Control area's regulation reserve requirements forecast to meet BAAL limit considering CPS2 supplemental constraint

將傳統的滾動平均法和本文提出的考慮BAAL標準的方法預測得到的控制區二次調頻容量需求匯總如表1和表2所示。

不考慮預想事故的情況下，考慮BAAL標準的預測方法得到控制區24 h平均上調容量需求在27.98～139.88 MW之間，相比于滾動平均法預測得到的147.25 MW可減少5.00%～81.00%；平均下調容量需求在26.88～139.72 MW之間，相比于滾動平均法預測得到147.08 MW可減少5.00%～81.72%。

若考慮預想事故，考慮BAAL標準的預測方法得到控制區24 h平均上調容量需求在118.06～498.13 MW之間，相比于滾動平均法預測得到的647.25 MW可減少23.04%～81.76%；平均下調容量需求在116.03～489.58 MW之間，相比于滾動平均法預測得到的647.08 MW可減少24.34%～82.07%。

算例驗證了本文提出的考慮BAAL標準的預測方法相較于滾動平均法可以有效減少控制區二次調頻容量需求這一結論。

表1　滾動平均法和考慮BAAL標準方法對比（上調容量）Tab.1　Comparison between rolling-average method and BAAL standard method（upward regulation requirements）

表2　滾動平均法和考慮BAAL標準方法對比（下調容量）Tab.2　Comparison between rolling-average method and BAAL standard method（downward regulation requirements）

4　結語

本文提出了一種考慮BAAL標準預測控制區二次調頻容量需求的新方法，與滾動平均法相比，該方法可以有效地減少控制區二次調頻容量預測需求。

在對BAAL標準下影響控制區二次調頻容量需求的因素進行分析后發現：控制區所需二次調頻容量隨控制區最大允許越限時間Tmax的增加而減少；預想事故下，控制區所需二次調頻容量增加；考慮CPS2補充約束后，控制區所需二次調頻容量增加。

通過仿真驗證，相比于傳統預測方法，考慮BAAL標準的預測方法在不考慮預想事故的情況下預測得到的控制區二次調頻容量需求可減少5%以上；考慮預想事故情況下預測得到的控制區二次調頻容量需求可減少23%以上。

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［3］嚴文潔，雷霞，李挺，等（Yan Wenjie，Lei Xia，Li Ting，et al）.BF-PSO算法在電網CPS標準經濟考核中的應用（Application of the synthesis of bacterial foraging algorithm and particle swarm in power grid CPS economic assessment）［J］.電力系統及其自動化學報（Proceedings of the CSU-EPSA），2014，26（10）：7-12.

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［10］國家電網公司華東分部.2014年國家電網運行方式（華東分冊）［Z］.上海：國家電網公司華東分部，2014.

New Method to Forecast the Regulation Reserve Requirements of Control Area

SONG Xuejie1，2，CHEN Xinyi1，2，SONG Yiqun1，2，YAN Zheng1，2，YANG Libing3，HONG Yuanrui3
（1.Key Laboratory of Control of Power Transmission and Conversion，Ministry of Education，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Department of Electrical Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；3.East China Gird Corporation，Shanghai 200120，China）

The balancing authority ACE limit（BAAL）standard is part of a new set of control performance standards proposed by North America Electric Reliability Corporation（NERC），which is currently under field trial in North America.However，this standard is rarely researched in China.This paper introduces the characteristics of BAAL standard and compares it with the CPS2 standard of Control Performance Standard（CPS）.A new approach is then developed to forecast the regulation reserve requirements based on BAAL standard，and the influences of maximum allowable cross-limit time，safety margin and CPS2 supplemental constraint are analyzed.The results of simulations based on Shanghai power grid confirm that more than 5%reduction of regulation reserve requirements is realized compared with the traditional method.

balancing authority ACE limit（BAAL）standard；control performance standard（CPS）；regulation reserve requirements；forecast

TM761.2

A

1003-8930（2016）09-0123-07

10.3969/j.issn.1003-8930.2016.09.020

宋學杰（1991—），男，碩士研究生，研究方向為電力系統頻率及有功功率的自動調整。Email：akinsam@163.com

陳新儀（1990—），女，碩士研究生，研究方向為電力系統自動化、電力市場。Email：xinyi_chen_0218@163.com

宋依群（1970—），女，博士，副教授，研究方向為電力市場及電力系統分析。Email：yqsong@sjtu.edu.cn

2015-01-12；

2015-12-23

國家電網公司華東分部科技項目（HDYXKJ［2013］165）