一种高占比新能源电网频率稳定水平监测预警方法及系统与流程

1.本发明属于电力系统大电网安全稳定控制领域，本发明涉及一种高占比新能源电网频率稳定水平监测预警方法及系统。


背景技术：

2.随着新能源的快速发展，清洁能源替代的推进，电力系统的常规同步发电机组被新能源大量替代，新能源在电网运行中的出力占比不断提升，常规机组发电占比持续降低，引起电力系统的有效转动惯量不断降低，导致系统频率稳定风险上升。当系统发生故障或出现较大功率缺失的情况时，系统惯量不足极易引发全网频率稳定问题，不具备惯量及频率主动支撑能力的大规模新能源接入将给电力系统的安全稳定运行带来巨大挑战。
3.近年来世界范围内发生了数起大停电事故，部分事故与系统惯量不足、系统频率稳定水平降低有关。总结近年来发生的电网大停电事故，随着系统常规机组开机占比的降低，高占比新能源电网频率稳定风险逐步凸显。在此背景下，高占比新能源电力系统转动惯量监测与频率稳定水平的实时评估成为了当前亟待解决的工程问题。目前针对高占比新能源电网频率稳定水平实时监测技术的研究尚较为鲜见，也缺乏适应高占比新能源电网的转动惯量监测预警系统实现方案，亟需结合高比例新能源直流外送型送端电网运行特点，开展相关研究，提出功能架构以及技术路线，为高占比新能源电网频率稳定提供技术支撑。


技术实现要素：

4.为克服上述现有技术的不足，本发明提出一种高占比新能源电网频率稳定水平监测预警方法，包括：
5.获取电网机组当前运行方式下的全网常规机组转动惯量；
6.基于当前运行方式下的全网常规机组转动惯量和预先获得的电网最小转动惯量需求，计算得到转动惯量风险评价指标；
7.基于所述评价指标对系统频率稳定进行风险评估，对电网进行预警。
8.优选的，所述获取电网机组当前运行方式下的全网常规机组转动惯量，包括：
9.通过预先建立区域级电网常规水、火电机组动态参数库，掌握机组惯性时间常数、额定容量与转动惯量相关的参数；
10.基于预先构建的参数库，将各区域、各类型和各电压等级的机组进行组合和归类，对电网机组的转动惯量数据进行实时统计，得到机组转动惯量的实时数据；
11.基于所述机组转动惯量的实时数据，进行叠加计算得到当前运行方式下的全网常规机组转动惯量。
12.优选的，所述当前运行方式下的全网常规机组转动惯量计算式为：
[0013][0014]
式中，j
σ
为当前运行方式下的全网常规机组转动惯量，si为第i个发电机组的额定
容量，t
ji
为第i个机组的惯性时间常数，t
ji
中的j表示转动惯量，ω0为机组的额定转速。
[0015]
优选的，所述电网最小转动惯量需求的计算式是：
[0016][0017]
式中，j
min
为电网最小转动惯量需求，tc为安控动作时间，δp为机组功率扰动，ω0为机组额定转速，k1为第一修正系数，k2为第二修正系数，δf
max
为电网频率最大变化值，f0为电网额定频率。
[0018]
优选的，所述转动惯量风险评价指标的计算式是：
[0019][0020]
式中，ρ为转动惯量风险评价指标，j
min
为电网最小转动惯量需求，j
σ
为当前运行方式下的全网常规机组转动惯量。
[0021]
优选的所述基于所述评价指标对系统频率稳定进行风险评估，并根据评估结果对电网进行预警，包括：
[0022]
对所述评价指标与预设值进行比较，当评价指标小于预设值时，风险评估结果为不存在风险，不对电网进行预警；
[0023]
当评价指标等于预设值时，风险评估结果为不存在风险不对电网进行预警；
[0024]
当评价指标大于预设值时，风险评估结果为存在风险对电网进行预警。
[0025]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种高占比新能源电网频率稳定水平监测预警系统包括：数据模块、计算模块和评估预警模块；
[0026]
所述数据模块用于，获取电网机组当前运行方式下的全网常规机组转动惯量；
[0027]
所述计算模块用于，基于当前运行方式下的全网常规机组转动惯量和预先获得的电网最小转动惯量需求，计算得到转动惯量风险评价指标；
[0028]
所述评估预警模块用于，基于所述评价指标对系统频率稳定进行风险评估，对电网进行预警。
[0029]
优选的，所述数据模块主要用于：通过预先建立区域级电网常规水、火电机组动态参数库，掌握机组惯性时间常数、额定容量与转动惯量相关的参数；
[0030]
基于预先构建的参数库，将各区域、各类型和各电压等级的机组进行组合和归类，对电网机组的转动惯量数据进行实时统计，得到机组转动惯量的实时数据；
[0031]
基于所述机组转动惯量的实时数据，进行叠加计算得到当前运行方式下的全网常规机组转动惯量。
[0032]
优选的，所述当前运行方式下的全网常规机组转动惯量计算式为：
[0033][0034]
式中，j
σ
为当前运行方式下的全网常规机组转动惯量，si为第i个发电机组的额定容量，t
ji
为第i个机组的惯性时间常数，t
ji
中的j表示转动惯量，ω0为机组的额定转速。
[0035]
优选的，所述电网最小转动惯量需求的计算式是：
[0036][0037]
式中，j
min
为电网最小转动惯量需求，tc为安控动作时间，δp为机组功率扰动，ω0为机组额定转速，k1为第一修正系数，k2为第二修正系数，δf
max
为电网频率最大变化值，f0为电网额定频率。
[0038]
优选的，所述转动惯量风险评价指标的计算式是：
[0039][0040]
式中，ρ为转动惯量风险评价指标，j
min
为电网最小转动惯量需求，j
σ
为当前运行方式下的全网常规机组转动惯量。
[0041]
优选的，所述评估预警模块主要用于：对所述评价指标与预设值进行比较，当评价指标小于预设值时，风险评估结果为不存在风险，不对电网进行预警；
[0042]
当评价指标等于预设值时，风险评估结果为不存在风险不对电网进行预警；
[0043]
当评价指标大于预设值时，风险评估结果为存在风险对电网进行预警。
[0044]
与最接近的现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：
[0045]
针对大规模新能源接入引起电力系统的有效转动惯量不断降低、系统频率稳定风险上升等问题，结合电网实际运行特性，本发明提出了一种高占比新能源电网频率稳定水平监测预警方法及系统，包括：获取电网机组当前运行方式下的全网常规机组转动惯量；基于当前运行方式下的全网常规机组转动惯量和预先获得的电网最小转动惯量需求，计算得到转动惯量风险评价指标；基于所述评价指标对系统频率稳定进行风险评估，对电网进行预警。本发明实现了高占比新能源电网频率稳定水平的监视、预警与回溯，降低电网运行安全稳定风险，为新能源替代常规电源后的高占比新能源电网稳定运行提供技术评价与支撑手段。
附图说明
[0046]
图1为本发明提供的一种高占比新能源电网频率稳定水平监测预警方法流程示意图；
[0047]
图2为高占比能源电网频率稳定水平监测预警系统功能框图；
[0048]
图3为24小时系统转动惯量曲线图；
[0049]
图4为本发明提供的一种高占比新能源电网频率稳定水平监测预警系统结构图。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。
[0051]
实施例1：
[0052]
本发明提供的一种高占比新能源电网频率稳定水平监测预警方法流程示意图，如图1所示，包括：
[0053]
步骤1：获取电网机组当前运行方式下的全网常规机组转动惯量；
[0054]
步骤2：基于当前运行方式下的全网常规机组转动惯量和预先获得的电网最小转
动惯量需求，计算得到转动惯量风险评价指标；
[0055]
步骤3：基于所述评价指标对系统频率稳定进行风险评估，对电网进行预警。
[0056]
具体的操作流程，如图2所示，步骤1包括：
[0057]
1-1机组动态信息接入
[0058]
考虑现阶段新能源机组虚拟同步机技术应用范围较为有限，电网运行转动惯量主要由常规水、火电机组提供，通过建立区域级电网常规水、火电机组动态参数库，掌握机组惯性时间常数、额定容量等与转动惯量相关的参数，为系统转动惯量的实时统计提供数据支撑。
[0059]
1-2机组标签化
[0060]
为便于区域内常规机组转动惯量的实时掌握，确保全网及局部转动惯量满足系统安全稳定要求，通过机组标签化功能，将区域、不同类型、不同电压等级的机组进行组合、归类，按照不同的维度和颗粒度对电网转动惯量进行汇总、统计，更好地满足调度控制要求。
[0061]
1-3转动惯量实时监视
[0062]
系统通过实时感知网内水、火电机组运行状态(并网/停运)，结合机组动态参数库，实现了电网转动惯量全景化监视功能。
[0063]
通过公式(1)累加得到当前运行方式下的全网常规机组转动惯量j
σ
，并将其作为系统频率稳定水平衡量指标。
[0064][0065]
式中，式中所述，si为第i个发电机组的额定容量，t
ji
为第i个机组的惯性时间常数，tj为机组惯性时间常数，ω0为额定转速。
[0066]
步骤2包括：
[0067]
结合电网运行特点，基于电网运行状态实时得到频率稳定约束下的系统转动惯量需求，通过将其与系统实时转动惯量对比，在转动惯量不足时向调度机构提供预警，从而为电网运行方式调整提供技术支持。
[0068]
高占比新能源送端电网运行实践表明，其频率稳定水平主要受制于大容量特高压直流闭锁后的电网高频问题，且频率最高点一般出现在安控系统动作时刻，并忽略负荷频率特性，则该时刻系统频率可通过式(2)给出。
[0069][0070]
其中，f为系统频率，tc为安控动作时间，ω为电网转速，δp为系统功率扰动，j为当前机组的转动惯量；
[0071]
在式(2)的基础上，进一步考虑系统故障后综合考虑负荷-电压动态特性，并引入二次多项式来描述其对频率变化的影响，即有式(3)。
[0072][0073]
基于式(2)、(3)，系统最小转动惯量需求可推导得式(4)。
[0074][0075]
其中，j
min
为电网最小转动惯量需求，tc为安控动作时间，δp系统功率扰动，ω0为系统额定转速，k1为第一修正系数，k2为第二修正系数，δf
max
为系统频率最大变化值，f0为系统额定频率。
[0076]
实际中，可以以直流闭锁后安控正确动作后不触发系统高频切机动作为原则，通过典型方式下的时域仿真确定式(4)中修正系数k1和k2。
[0077]
步骤3包括：
[0078]
结合区域电网结构特点及稳定特性，通过计算校核得到系统频率稳定约束下的转动惯量需求j
min
，在得到j
min
的基础上，将其与电网转动惯量实时j
σ
对比，判断给出当前时刻区域电网转动惯量运行裕度，从而判断系统评率稳定风险，结合转动惯量指标给出电网常规机组、直流运行方式调整建议。根据专家经验将需求转动惯量j
min
与电网转动惯量实时j
σ
做比值，如
[0079]
式5所示。
[0080][0081]
根据比值设定系统频率稳定风险评估三个等级，如式(6)所示。
[0082][0083]
上式中，a为预设值，可设置为1。系统转动惯量充足时，即电网实时转动惯量大于需求转动惯量，系统频率稳定性风险极低，系统惯量平衡时，系统频率稳定性风险较低，系统惯量不足，即电网实时转动惯量小于需求转动惯量，系统频率稳定性存在极大风险，运行时应惯量不足告警。
[0084]
实施例2：以西北电网为例，具体内容如下：
[0085]
某日，西北电网新能源最大发电电力达到4639万千瓦，占该时刻西北电网用电负荷、总发电力比例分别达到63.97％和44.03％(部分电力通过直流外送)，均创下历史新高。
[0086]
在此过程中，高占比新能源电网频率稳定水平监测预警系统为电网调控运行提供了有效的技术支撑，通过本系统，调控人员在进行日前计划安排及日内方式调整时能够快速掌握开机方式变化及直流运行功率调整对系统频率安全稳定水平的影响，从而确保系统有着足够的转动惯量以应对事故冲击。
[0087]
在该日实际运行中系统转动惯量情况如图3所示，可以看出，通过本系统的应用可
动态控制系统转动惯量保持在7700t
·
m2至8300t
·
m2，满足稳定约束下的转动惯量需求，在提高新能源利用效率的同时有效保障了系统的频率稳定水平。
[0088]
实施例3：
[0089]
基于同一发明构思，本发明还提供了一种高占比新能源电网频率稳定水平监测预警系统。
[0090]
该系统结构如图4示，包括：数据模块、计算模块和评估预警模块；
[0091]
所述数据模块用于，获取电网机组当前运行方式下的全网常规机组转动惯量；
[0092]
所述计算模块用于，基于当前运行方式下的全网常规机组转动惯量和预先获得的电网最小转动惯量需求，计算得到转动惯量风险评价指标；
[0093]
所述评估预警模块用于，基于所述评价指标对系统频率稳定进行风险评估，对电网进行预警。
[0094]
其中，所述数据模块主要用于：通过预先建立区域级电网常规水、火电机组动态参数库，掌握机组惯性时间常数、额定容量与转动惯量相关的参数；
[0095]
基于预先构建的参数库，将各区域、各类型和各电压等级的机组进行组合和归类，对电网机组的转动惯量数据进行实时统计，得到机组转动惯量的实时数据；
[0096]
基于所述机组转动惯量的实时数据，进行叠加计算得到当前运行方式下的全网常规机组转动惯量。
[0097]
其中，所述当前运行方式下的全网常规机组转动惯量计算式为：
[0098][0099]
式中，j
σ
为当前运行方式下的全网常规机组转动惯量，si为第i个发电机组的额定容量，t
ji
为第i个机组的惯性时间常数，t
ji
中的j表示转动惯量，ω0为机组的额定转速。
[0100]
其中，所述电网最小转动惯量需求的计算式是：
[0101][0102]
式中，j
min
为电网最小转动惯量需求，tc为安控动作时间，δp为机组功率扰动，ω0为机组额定转速，k1为第一修正系数，k2为第二修正系数，δf
max
为电网频率最大变化值，f0为电网额定频率。
[0103]
其中，所述转动惯量风险评价指标的计算式是：
[0104][0105]
式中，ρ为转动惯量风险评价指标，j
min
为电网最小转动惯量需求，j
σ
为当前运行方式下的全网常规机组转动惯量。
[0106]
其中，所述评估预警模块主要用于：对所述评价指标与预设值进行比较，当评价指标小于预设值时，风险评估结果为不存在风险，不对电网进行预警；
[0107]
当评价指标等于预设值时，风险评估结果为不存在风险不对电网进行预警；
[0108]
当评价指标大于预设值时，风险评估结果为存在风险对电网进行预警。
[0109]
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序
产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0110]
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0111]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0112]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0113]
最后应当说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:本领域技术人员阅读本发明后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。