風(fēng)電技術(shù)監(jiān)督數(shù)據(jù)的采樣頻率確定方法研究

李洪海,王尚斌,楊子江,李 軍,高 嵩

(1.山東魯軟數(shù)字科技有限公司,山東 濟(jì)南 250000;2.山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院,山東 青島 266590;3.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院,山東 濟(jì)南 250000)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,社會(huì)能源需求總量快速增長,能源供需矛盾日益突出。加快開發(fā)與利用風(fēng)力等可再生能源發(fā)電對于我國社會(huì)發(fā)展具有重要意義。根據(jù)國家能源局發(fā)布的2022年全國電力工業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),2022年全國風(fēng)力發(fā)電量為6 867億千瓦時(shí),約占同期全國總發(fā)電量的8.19%[1]。風(fēng)力發(fā)電為緩解我國能源緊張、推進(jìn)電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型發(fā)揮了重要作用。風(fēng)力發(fā)電具有清潔、無污染等眾多優(yōu)勢。同時(shí),風(fēng)力發(fā)電也具有波動(dòng)性、間歇性等缺陷。這些缺陷給大規(guī)模風(fēng)力發(fā)電并網(wǎng)和電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[2-3]。

針對風(fēng)力發(fā)電的技術(shù)監(jiān)督等已受到廣泛關(guān)注。袁紅團(tuán)[4]設(shè)計(jì)了包含風(fēng)電的智能電網(wǎng)監(jiān)測平臺(tái)架構(gòu)。雷集晴等[5]提出了風(fēng)電企業(yè)技術(shù)監(jiān)督管理的若干策略。陳正順[6]對風(fēng)力發(fā)電中的熱工技術(shù)監(jiān)督內(nèi)涵和方法進(jìn)行了深入闡述。李強(qiáng)等[7]討論了風(fēng)電場運(yùn)行能效評價(jià)問題,詳細(xì)地提出了風(fēng)電技術(shù)監(jiān)督的六大類指標(biāo)。這對風(fēng)電企業(yè)開展技術(shù)監(jiān)督具有重要參考意義。劉曉光等[8]以集團(tuán)公司風(fēng)電監(jiān)督為著眼點(diǎn),研究了基于數(shù)據(jù)挖掘的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)監(jiān)督方法。為了確保電網(wǎng)的平穩(wěn)運(yùn)行,我國相繼出臺(tái)風(fēng)力發(fā)電技術(shù)監(jiān)督管理辦法,以確保風(fēng)力發(fā)電的并網(wǎng)質(zhì)量。例如:國家市場監(jiān)督管理總局與國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)發(fā)布了《電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定導(dǎo)則》(GB 38755—2019)[9];國家能源局、華北能源監(jiān)管局發(fā)布了《華北區(qū)域風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則(2022年修訂版)》[10]。

在對風(fēng)電場進(jìn)行技術(shù)監(jiān)督的過程中,需要將風(fēng)力發(fā)電場的大量數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)專線實(shí)時(shí)傳輸至技術(shù)監(jiān)督中心。由于目前缺乏針對技術(shù)監(jiān)督的數(shù)據(jù)采樣頻率確定方法,存在過度強(qiáng)調(diào)高頻率采樣數(shù)據(jù)的問題,給帶寬有限的網(wǎng)絡(luò)專線實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸帶來了巨大挑戰(zhàn)。因此,需要以技術(shù)監(jiān)督需求為目標(biāo),研究數(shù)據(jù)采樣頻率下限的確定方法,從而降低數(shù)據(jù)傳輸量、實(shí)現(xiàn)有限網(wǎng)絡(luò)帶寬下的技術(shù)監(jiān)督數(shù)據(jù)傳輸。風(fēng)力發(fā)電涉網(wǎng)性能指標(biāo)是技術(shù)監(jiān)督的主要內(nèi)容。其中,動(dòng)態(tài)性能類指標(biāo)對于數(shù)據(jù)的采樣頻率要求高于統(tǒng)計(jì)類性能指標(biāo)。

為了滿足風(fēng)電場技術(shù)監(jiān)督的數(shù)據(jù)需求并降低網(wǎng)絡(luò)專線得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸量,本文以風(fēng)電場一次調(diào)頻性能監(jiān)督指標(biāo)為應(yīng)用對象,提出了基于風(fēng)電場一次調(diào)頻過程動(dòng)態(tài)模型蒙特卡洛仿真的采樣頻率下限確定方法,設(shè)計(jì)了蒙特卡洛仿真框架以及技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)估計(jì)值的有效性判斷方法;在此基礎(chǔ)上,結(jié)合具體案例,說明了所提方法的應(yīng)用步驟及有效性。

1 一次調(diào)頻監(jiān)督指標(biāo)及估計(jì)方法

根據(jù)《華北區(qū)域風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則(2022年修訂版)》,當(dāng)前風(fēng)電技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)分為2類,分別為統(tǒng)計(jì)類指標(biāo)和動(dòng)態(tài)性能類指標(biāo)。統(tǒng)計(jì)類指標(biāo)有風(fēng)電場理論可用功率與實(shí)際可用功率的完整率與正確率等。動(dòng)態(tài)性能類指標(biāo)包括一次調(diào)頻有功功率上升時(shí)間、有功功率調(diào)節(jié)時(shí)間等。通過對這些技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)的分析可知,理論與實(shí)際可用功率的完整率和正確率、中短期和超短期預(yù)測準(zhǔn)確率等指標(biāo)對數(shù)據(jù)采樣頻率要求較低,而一次調(diào)頻性能指標(biāo)對數(shù)據(jù)采樣頻率要求較高。本文以風(fēng)電場一次調(diào)頻性能監(jiān)督中采用的滯后時(shí)間、上升時(shí)間、調(diào)節(jié)時(shí)間、調(diào)節(jié)偏差這4個(gè)技術(shù)指標(biāo)的數(shù)據(jù)采樣頻率確定為目標(biāo),闡述風(fēng)電場技術(shù)監(jiān)督數(shù)據(jù)的采樣頻率下限確定方法。

風(fēng)電場的一次調(diào)頻功能有2種運(yùn)行模式,分別為正常和遠(yuǎn)程在線測試。在正常運(yùn)行模式下,風(fēng)電場通過測量并網(wǎng)點(diǎn)的實(shí)時(shí)電網(wǎng)頻率,跟蹤電網(wǎng)頻率變化。風(fēng)電場功率控制系統(tǒng)根據(jù)電網(wǎng)頻率偏差量及一次調(diào)頻曲線計(jì)算有功功率調(diào)節(jié)指令,并將指令分解、下發(fā)給各臺(tái)風(fēng)電機(jī)組,以實(shí)現(xiàn)整個(gè)風(fēng)電場的有功功率調(diào)整。

(1)

(2)

(3)

(4)

為了便于表述,下文統(tǒng)一采用技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)v表示式(1)～式(4)中的4個(gè)性能指標(biāo)。

2 采樣頻率下限確定方法

為了滿足技術(shù)監(jiān)督對數(shù)據(jù)的需求,同時(shí)降低數(shù)據(jù)傳輸量,本文以《華北區(qū)域風(fēng)電場并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則(2022年修訂版)》中一次調(diào)頻性能監(jiān)督指標(biāo)為應(yīng)用對象。本文首先估計(jì)得到風(fēng)電場實(shí)發(fā)功率噪聲方差,并建立風(fēng)電場一次調(diào)頻過程動(dòng)態(tài)模型;然后采用蒙特卡洛仿真方法,得到不同采樣頻率下的技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)估計(jì)值;接著通過變異系數(shù),評價(jià)不同采樣頻率下的技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)估計(jì)值的有效性;最后選取技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)估計(jì)值有效時(shí)對應(yīng)的最小采樣周期作為采樣頻率下限。

2.1 噪聲方差估計(jì)

(5)

式中:β0,β1,…,βK為待確定的擬合參數(shù);K為多項(xiàng)式階數(shù),由用戶根據(jù)所采集到的高頻數(shù)據(jù)段趨勢特征選擇,建議值為K=2。

本文令β=[β0,β1,…,βK]、Y=[y0(1),y0(2),…,y0(N0)]T,T=[1,2,…,N0]T。β的最小二乘估計(jì)為:

(6)

2.2 一次調(diào)頻過程建模

本文根據(jù)風(fēng)電場建模研究的相關(guān)結(jié)果,以雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)作為當(dāng)前風(fēng)電場的主流機(jī)型[12]。所采用的電場一次調(diào)頻過程動(dòng)態(tài)模型為:

(7)

式中:s′為拉普拉斯算子;ωn、ξ和τ均為待確定的模型等效參數(shù)。

(8)

(9)

式中:u0(t)為u(t)變化前的取值;u1(t)為u(t)變化后的取值。

2.3 采樣頻率下限確定

(10)

(11)

通過式(11)可得到cv(i)序列,i=1,2,…,I。

根據(jù)變異系數(shù)在應(yīng)用中的一般性原則,當(dāng)變異系數(shù)大于α%,則認(rèn)為估計(jì)結(jié)果已經(jīng)失去可靠性。其中,α%的建議值為10%。當(dāng)設(shè)定變異系數(shù)閾值為α%時(shí),本文選取變異系數(shù)大于α%時(shí)對應(yīng)的采樣頻率最小值作為采樣頻率下限fv,Low,即:

(12)

3 仿真案例

本文以某雙饋機(jī)組風(fēng)電場的一次調(diào)頻響應(yīng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),先根據(jù)式(6)估計(jì)噪聲方差,再根據(jù)式(8)完成式(7)中模型參數(shù)辨識,最后根據(jù)式(10)～式(12)確定技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)所需的數(shù)據(jù)采樣頻率下限。

風(fēng)電場一次調(diào)頻數(shù)據(jù)段及辨識模型輸出如圖1所示。

圖1 風(fēng)電場一次調(diào)頻數(shù)據(jù)段及辨識模型輸出

(13)

仿真框架如圖2所示。

圖2 仿真框架圖

由此可得到相應(yīng)的仿真輸出y(t)。fi=100 Hz時(shí)ui(n)和yi(n)的樣本序列如圖3所示。

圖3 fi=100 Hz時(shí)ui(n)和yi(n)的樣本序列

100次仿真得到的不同采樣頻率下的性能指標(biāo)估計(jì)結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同采樣頻率下的性能指標(biāo)估計(jì)結(jié)果

4個(gè)性能指標(biāo)估計(jì)值的變異系數(shù)序列如圖5所示。

圖5 4個(gè)性能指標(biāo)估計(jì)值的變異系數(shù)序列

結(jié)合圖5中變異系數(shù)隨采樣頻率變化趨于穩(wěn)定的趨勢,以及所得到的4個(gè)性能指標(biāo)的估計(jì)數(shù)據(jù)采樣頻率下限值可知,對于給定的變異系數(shù)閾值,4個(gè)性能指標(biāo)對數(shù)據(jù)采樣頻率的要求相差較大。例如td和ess對數(shù)據(jù)采樣頻率的要求相差12.45 Hz。不同的技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)對采樣頻率的敏感程度不同。ess對數(shù)據(jù)采樣頻率最敏感,其變異系數(shù)隨著頻率的增加迅速降低到了給定的變異系數(shù)閾值以下。相比之下,td對數(shù)據(jù)采樣頻率的敏感性最差。

4 結(jié)論

本文以一次調(diào)頻性能監(jiān)督為基礎(chǔ),提出了一種風(fēng)電場涉網(wǎng)性能監(jiān)督的數(shù)據(jù)采樣頻率下限確定方法。該方法首先以一次調(diào)頻過程高頻數(shù)據(jù)段為基礎(chǔ),辨識得到風(fēng)電場一次調(diào)頻過程動(dòng)態(tài)模型;其次,構(gòu)建所得動(dòng)態(tài)模型仿真輸入信號,并以估計(jì)所得噪聲方差構(gòu)造動(dòng)態(tài)模型輸出量測噪聲,得到所得動(dòng)態(tài)模型輸出信號;然后,以不同采樣頻率對動(dòng)態(tài)模型的仿真輸入和輸出信號進(jìn)行采樣,并由所得樣本得到涉網(wǎng)技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)的估計(jì)值;最后,重復(fù)執(zhí)行上述步驟,得到不同采樣頻率下涉網(wǎng)技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)的多組估計(jì)值,并以涉網(wǎng)技術(shù)監(jiān)督指標(biāo)估計(jì)值變異系數(shù)大于給定閾值時(shí)對應(yīng)的采樣頻率最小值作為采樣頻率下限。

本文所提風(fēng)電場涉網(wǎng)性能監(jiān)督數(shù)據(jù)的采樣頻率下限確定方法,通過辨識風(fēng)電場一次調(diào)頻過程的特性動(dòng)態(tài)模型、估計(jì)噪聲方差,使得數(shù)據(jù)采樣頻率下限的確定過程融合了噪聲和一次調(diào)頻過程特性、動(dòng)態(tài)特性對技術(shù)監(jiān)督結(jié)果的影響。所提方法具有針對性強(qiáng)、實(shí)施簡便等優(yōu)勢,可推廣應(yīng)用至風(fēng)電場自動(dòng)發(fā)電控制等其他技術(shù)監(jiān)督數(shù)據(jù)的采樣頻率下限確定。該研究對在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通信條件下深入推進(jìn)風(fēng)電場技術(shù)監(jiān)督工作具有重要的支持意義。