控制区二次调频容量需求预测新方法

宋学杰，陈新仪，宋依群，严　正，杨立兵，洪元瑞

（1.上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240；2.上海交通大学电气工程系，上海 200240；3.华东电网有限公司，上海 200120）

控制区二次调频容量需求预测新方法

宋学杰1，2，陈新仪1，2，宋依群1，2，严正1，2，杨立兵3，洪元瑞3

（1.上海交通大学电力传输与功率变换控制教育部重点实验室，上海 200240；2.上海交通大学电气工程系，上海 200240；3.华东电网有限公司，上海 200120）

区域控制偏差评价标准（BAAL）是北美电力可靠性委员会（NERC）新提出的控制性能评价标准，已在北美各大电网开始试运行，但国内对此鲜有研究。该文介绍了BAAL标准的基本原理，对比分析了BAAL标准与控制性能评价标准（CPS）中的CPS2标准的差异性；提出了考虑BAAL标准的控制区二次调频容量需求预测新方法，并探讨了最大允许越限时间、安全裕度和CPS2补充约束对控制区二次调频容量需求的影响；最后以上海电网为例进行了仿真分析，结果验证了该方法可将控制区预测的二次调频容量需求减少5%以上。

区域控制偏差评价标准；控制性能评价标准；二次调频容量需求；预测

二次调频服务是电力系统最为昂贵的一种辅助服务。提供二次调频服务的发电机组通过自动发电控制系统实时调整出力，以平衡分钟级的负荷波动，并消除系统一次调频过程中的频率残差，充足的调频容量是维持电力系统频率稳定的保障［1］。

在对二次调频服务的性能进行评价时，目前国内外各大区域电网中应用较多的是控制性能评价标准CPS（control performance standard），由CPS1与CPS2两个子标准组成［2-3］。BAAL标准（balancing authority ACE limit［4］）是北美电力可靠性委员会NERC（North America Electric Reliability Corporation）近年来新提出的评价标准，目前还处于试验阶段。未来该标准有望取代CPS2标准。

BAAL标准设计的初衷是为了减少控制区调频需求，减轻自动发电控制AGC（automatic generation control）机组的调节压力。目前，对BAAL标准的相关研究仅在NERC的试验报告中有所涉及［4］，国内尚无研究成果发表。BAAL标准对控制区二次调频容量需求的影响尚无定论。

本文提出了考虑BAAL标准的控制区二次调频容量需求预测新方法，并探究了最大允许越限时间、安全裕度与CPS2补充约束对预测结果的影响。以基于滚动平均法的二次调频容量需求传统预测方法为对比标准，分析了考虑BAAL标准的二次调频容量需求预测方法的效用。

1　BAAL标准及其与CPS2标准的比较

BAAL标准与频率实时相关，体现在两个方面：在系统频率超过50 Hz时要求控制区区域控制偏差ACE（area control error）小于BAAL上限BAALHigh；在系统频率低于50 Hz时要求控制区ACE大于BAAL下限BAALLow。违反上述两条约束中任一条为越限，BAAL标准规定控制区ACE连续越限时间不能超过30 min。BAALHigh与BAALLow的数学表达式为

式中：B为控制区的频率偏差系数，单位为MW/0.1 Hz；fHigh为上限参照频率，大小取50 Hz加上3倍的互联电网频率控制偏差ε，单位为Hz；fLow为下限参照频率，大小取50 Hz减去3倍的互联电网频率控制偏差ε，单位为Hz；ft为系统实时频率，单位为Hz。

CPS2标准的计算方法［1］为

式中：ACE10min为10 min时间段内系统采样的ACE点数；L10为现行CPS2标准限值；ε10为给定一年时段内，系统实际频率与标准频率偏差的10 min平均值的均方根值，单位为Hz；BS为互联电网总的频率偏差系数，单位为MW/0.1 Hz。

BAAL标准与CPS2标准的差异在于CPS2标准要求控制区将ACE控制在固定范围内，而BAAL标准下此范围与系统频率有关，是可变的。如图1所示，在控制区频率偏差较小时，BAAL标准放宽了对控制区ACE的限制，允许控制区联络线功率出现短时较大的超用，减轻了该控制区内AGC机组的调节压力；在控制区频率偏差较大时，BAAL标准对控制区ACE的限制更为严格，有效地抑制了频率质量的进一步恶化。

在北美CPS2的月度考核中，即使部分控制区存在单日内ACE长时间连续越限的情况，只要保持CPS2指标月度平均值在90%以上，该控制区即免于考核。而BAAL标准规定控制区ACE连续越限时间不能超过30 min，这将促使控制区更加注重短时安全，与月度CPS1考核的配合更加协调。

相比于北美电网，国内电网的CPS考核周期通常为10或15 min［5-6］，若采用BAAL标准，现行考核体制也将受到影响。以华东电网为例，目前其实行基于CPS标准的经济考核，以10 min为考核周期，根据考核时段内CPS1和CPS2指标的均值，按照一定的方法折算为电量考核费用，并按月对被考核单位进行财务结算［5］。若用BAAL标准替代CPS2标准，其经济考核周期和考核办法均需调整：考核周期将根据BAAL标准的最大允许越限时间适当延长，考核电量则与BAAL标准的越限程度相关。

图1　BAAL和CPS2考核曲线Fig.1　BAAL and CPS2 limits

2　二次调频容量需求预测方法

2.1滚动平均法

传统二次调频容量需求的预测原则是根据历史相同时刻负荷曲线的波动情况来完成对未来的预测。以滚动平均法为例，在已知历史负荷曲线的前提下，通过对曲线上每一点前后一段数值滚动求平均，拟合出一条平滑的负荷曲线，拟合前后曲线的差值即为控制区的调频需求［7-9］。滚动平均法如式（5）所示。

式中：LFt是负荷曲线拟合处理后t时刻的负荷值；Lt是原负荷曲线t时刻的负荷值；M为滚动平均所需负荷点数的一半。

t时刻控制区所需二次调频容量的估计为

式中：REGt是t时刻控制区所需的二次调频容量，ACEt是t时刻控制区的区域控制偏差，小于零表示控制区需要上调容量，大于零表示控制区需要下调容量；M的大小直接影响控制区对二次调频容量需求的估计。一般来说，M越大，控制区对二次调频容量需求的估计越大［7-8］。M和采样周期及采样时段有关，采样周期一般取15 s，采样时段主要有15 min，30 min，60 min 3种，相应的M取30，60，120。

得到各个时刻的REGt后，采用文献［8］中提出的统计分析方法（文献［8］中所选时段为1 d，此处选为1 h），确定控制区每小时所需的二次调频容量需求。

2.2考虑BAAL标准的预测方法

为了满足BAAL标准，控制区在t时刻的区域控制偏差ACEt必须满足：

式中：BAALHigh和BAALLow是t时刻通过公式（1）计算出的BAAL标准上限和BAAL标准下限；ACEt是控制区t时刻的区域控制偏差，由公式（6）得出。

考虑控制区出现功率缺额，频率下降的情况如图2所示。实线表示某运行小时内控制区的BAALLow，虚线表示控制区t时刻的ACEt。可以看出，在30 min到50 min这一时段，控制区ACEt持续越限。为了消除越限，控制区需要上调容量（图2中向上箭头），大小为BAALLow与ACEt的差值。同理，当控制区频率上升时，需要的下调容量大小为ACEt与BAALHigh的差值。则考虑BAAL标准的二次调频容量预测值可表示为

式中：REGt_BAAL是考虑BAAL标准确定的控制区二次调频容量需求，单位为MW。

之后采用文献［8］中统计分析的方法确定控制区每小时所需的二次调频容量需求。

图2　ACEt和BAALLowFig.2　ACEtvs BAALLow

在BAAL标准的实际运用过程中，还需要考虑最大允许越限时间、安全裕度和CPS2补充约束的影响，具体分析如下所述。

2.2.1最大允许越限时间约束

考虑时间约束，修正控制区二次调频需求。依据BAAL标准，只有当控制区ACE连续越限超过30 min时，才是一次不合格事件。实际上，为了保留一定的控制裕度，控制区设定的最大允许越限时间往往小于30 min，用Tmax表示控制区允许的最大越限时间，大小从0到30 min不等。则式（8）可视作Tmax=0条件下的二次调频容量需求预测公式。

考虑控制区出现功率缺额，频率下降的情况如图3所示。实线表示某运行小时内控制区的BAALLow，虚线表示该小时内控制区t时刻的ACEt。假定只有在控制区ACEt越过BAALLow时段超过时限Tmax时，控制区才需要上调容量，所需上调容量为BAALLow与越限时刻ACEt的差值。上调容量使控制区ACEt曲线上移，修正后的ACEt满足BAAL标准。对下调容量的分析类似，本文不再赘述。

图3　考虑时间约束后的ACEt和BAALLowFig.3　ACEtvs BAALLowconsidering time constraint

2.2.2安全裕度约束

为了保证一定的安全裕度，考虑预想事故的影响，将控制区的BAAL约束修正为

式中：ACE′t为修正后的控制区ACEt；Δfmargin表示预想事故引起的系统频率偏差，单位为Hz；ΔPmargin表示预想事故引起的控制区功率缺额（机组跳闸情况下为负值，甩负荷情况下为正值），单位为MW。

预想事故下，式（11）较之式（1）分母上多了Δfmargin一项，BAALHigh和BAALLow的绝对值均减小，控制区ACE合格范围减小。

2.2.3CPS2补充约束

当控制区频率偏差较小时，BAAL标准限值（BAALHigh和BAALLow的绝对值）较高，对控制区ACE的限制并不明显，长时间运行会导致控制区之间无意交换电量增加。考虑CPS2补充约束后控制区ACE合格区间变小，能够限制无意交换电量。

根据北美电网的运行经验，在实际运用过程中可将CPS2标准适当放宽作为BAAL标准的补充约束，则该补充约束可表示为

式中，N为整数，其值一般取1、2或4。

3　仿真分析

上海电网地处华东，负荷特性具有明显的都市化特征，日负荷高峰位于早高峰（7∶00—9∶00）和晚高峰（18∶00—20∶00）两个时段，日负荷低谷位于午夜低谷（0∶00—2∶00）和午后低谷（13∶00—15∶00）两个时段。截止2013年底，上海电网统调装机容量21 602 MW，夏季高峰最高电力需求31 000 MW，年用电量达1.435×1012kW·h。

本文以上海电网为例，选取2013年8月份夏季某一运行日负荷数据，预测2014年夏季相似运行日二次调频容量需求。滚动平均法中时间间隔取30 min，每15 s一个采样，24 h内采样点5 760个，置信水平取0.98。全网频率控制偏差ε=0.015 77 Hz，华东全网频率偏差系数BS=2 381 MW/0.1 Hz，上海电网频率偏差系数B=310 MW/0.1 Hz［10］。

3.1滚动平均法

利用滚动平均法，对上海电网特定运行日的分钟级负荷波动预测如图4所示。用统计分析的方法对每小时的负荷波动量进行分离，对运行日每小时二次调频容量需求估计如图5所示。

在负荷高峰时段，控制区所需上调容量较大，最高可达262.95 MW（8∶00—9∶00，第9小时段），远高于当天所需上调容量平均水平142.25 MW（24 h上调容量平均值）；所需下调容量较小，最低仅需53.01 MW（8∶00—9∶00），远低于当天所需下调容量平均水平147.08 MW（24 h下调容量平均值）。

在负荷低谷时段，控制区所需下调容量较大，最高可达239.55 MW（0∶00—1∶00，第1小时段），远高于当天所需下调容量平均水平147.08 MW；所需上调容量较小，最低仅需45.38 MW（0∶00—1∶00），远低于当天所需上调容量平均水平142.25 MW。

图4　分钟级负荷分量分布Fig.4　Distribution of minute-level load component

图5　控制区二次调频容量需求预测（滚动平均法）Fig.5　Control area's regulation reserve requirements forecast（rolling-average method）

3.2考虑BAAL标准的预测方法

选取同一天的负荷数据，利用式（6）估算出控制区各个时刻的区域控制偏差ACEt，对系统频率的实时估计为

由式（1）计算出控制区各个时段的BAAL标准限值如图6所示，大于0部分为BAALHigh，小于0部分为BAALLow。

仅以BAAL标准是否越限作为控制区确定二次调频容量的标准，则根据式（8）可得二次调频容量预测结果如图7所示。在负荷高峰时段（7∶00—9∶00、18∶00—20∶00），BAALLow绝对值较小，控制区ACE容易越过下限，所需上调容量增加；在负荷低谷时段（0∶00—2∶00，13∶00—15∶00），BAALHigh绝对值较小，控制区ACE容易越过上限，所需下调容量增加。预测的调频容量分布情况与传统的滚动平均法所得结果大体一致，在8∶00—9∶00控制区所需上调容量最大，为220.43 MW；在0∶00—1∶00控制区所需下调容量最大，为183.27 MW。但控制区各个小时预测的二次调频容量需求相比传统预测方法均有所减少，在一天中的某些小时段内甚至不需要二次调频容量（0∶00—1∶00预测控制区所需上调容量为0，8∶00—9∶00预测控制区所需下调容量为0）。

图6　控制区BAAL限值预测Fig.6　Control area's BAAL limit forecast

图7　控制区二次调频容量需求预测（考虑BAAL标准）Fig.7　Control area's regulation reserve requirements forecast（with BAAL standard）

图8所示为考虑时间约束后，不同时限标准下控制区所需的二次调频容量（包括上调容量和下调容量）。文中将Tmax分别设置为0 min、10 min和20 min，仿真发现，控制区允许的越限时间越长，所需的二次调频容量也越少。

图8　考虑时间约束后满足BAAL标准控制区二次调频容量需求预测Fig.8　Control area's regulation reserve requirements forecast to meet BAAL limit considering time constraint

图9　考虑时间约束和安全裕度后满足BAAL标准控制区所需二次调频容量预测Fig.9　Control area′s regulation reserve requirements forecast to meet BAAL limit considering time constraint and safety margin

考虑安全裕度，分析预想事故对控制区所需调频容量的影响。预想事故为500 MW火电机组跳闸时，预测Tmax取0 min，10 min和20 min时控制区的上调容量需求，仿真结果如图9（a）所示。同图8（a）对比可得，大型机组跳闸后，控制区频率大幅度下降，BAAL标准收紧，在不同的最大允许越限时间下，控制区对上调容量的需求均有所增加。同理当预想事故为控制区突然失去500 MW负荷时，其仿真结果如图9（b）所示，对比图8（b）可得，在不同的最大允许越限时间下，控制区对下调容量的需求也有所增加。

分析CPS2补充约束的影响。控制区需要同时满足BAAL标准（式（7））和放宽的CPS2补充约束（式（13））。仿真结果如图10所示。与图7对比可发现：考虑该补充约束会增加控制区的二次调频容量需求，特别是对于N=1的情况，相当于控制区同时需要满足BAAL标准和CPS2标准，控制区所需的二次调频容量最多。

图10　考虑CPS2补充约束后满足BAAL标准控制区所需二次调频容量预测Fig.10　Control area's regulation reserve requirements forecast to meet BAAL limit considering CPS2 supplemental constraint

将传统的滚动平均法和本文提出的考虑BAAL标准的方法预测得到的控制区二次调频容量需求汇总如表1和表2所示。

不考虑预想事故的情况下，考虑BAAL标准的预测方法得到控制区24 h平均上调容量需求在27.98～139.88 MW之间，相比于滚动平均法预测得到的147.25 MW可减少5.00%～81.00%；平均下调容量需求在26.88～139.72 MW之间，相比于滚动平均法预测得到147.08 MW可减少5.00%～81.72%。

若考虑预想事故，考虑BAAL标准的预测方法得到控制区24 h平均上调容量需求在118.06～498.13 MW之间，相比于滚动平均法预测得到的647.25 MW可减少23.04%～81.76%；平均下调容量需求在116.03～489.58 MW之间，相比于滚动平均法预测得到的647.08 MW可减少24.34%～82.07%。

算例验证了本文提出的考虑BAAL标准的预测方法相较于滚动平均法可以有效减少控制区二次调频容量需求这一结论。

表1　滚动平均法和考虑BAAL标准方法对比（上调容量）Tab.1　Comparison between rolling-average method and BAAL standard method（upward regulation requirements）

表2　滚动平均法和考虑BAAL标准方法对比（下调容量）Tab.2　Comparison between rolling-average method and BAAL standard method（downward regulation requirements）

4　结语

本文提出了一种考虑BAAL标准预测控制区二次调频容量需求的新方法，与滚动平均法相比，该方法可以有效地减少控制区二次调频容量预测需求。

在对BAAL标准下影响控制区二次调频容量需求的因素进行分析后发现：控制区所需二次调频容量随控制区最大允许越限时间Tmax的增加而减少；预想事故下，控制区所需二次调频容量增加；考虑CPS2补充约束后，控制区所需二次调频容量增加。

通过仿真验证，相比于传统预测方法，考虑BAAL标准的预测方法在不考虑预想事故的情况下预测得到的控制区二次调频容量需求可减少5%以上；考虑预想事故情况下预测得到的控制区二次调频容量需求可减少23%以上。

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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

宋学杰（1991—），男，硕士研究生，研究方向为电力系统频率及有功功率的自动调整。Email：akinsam@163.com

陈新仪（1990—），女，硕士研究生，研究方向为电力系统自动化、电力市场。Email：xinyi_chen_0218@163.com

宋依群（1970—），女，博士，副教授，研究方向为电力市场及电力系统分析。Email：yqsong@sjtu.edu.cn

2015-01-12；

2015-12-23

国家电网公司华东分部科技项目（HDYXKJ［2013］165）