【技术】北美电网频率控制性能标准发展分析

    华东电网于2001年率先引入CPS，并进行了一定程度的修改，随后华中、东北等电网也开始使用CPS来进行区域控制性能的考核工作。多年来，中国电网加强了一次调频建设，制订了相应的自动发电控制(AGC)策略以推进AGC技术的应用，并提升了发电计划的实用化水平，改善了电网频率质量。

      然而，随着中国电网的不断发展，对频率质量的要求也不断提高，现行的频率控制性能标准已不能满足实际的需求。本文分析了CPS存在的不足以及国内外实际使用中产生的问题。介绍了北美平衡监管区区域控制偏差限制(BAAL)标准的基本内容，分析了BAAL标准与CPS1之间的关系。最后，针对中国电网现行CPS的问题提出了修改建议，并探讨了实施BAAL标准的可行性。

      1、CPS标准适用性分析

      CPS标准分为CPS1和CPS2两个子标准。

      CPS1用于评价一段时间内区域ACE对整个互联电网频率偏差的影响，是ACE变化情况的统计测量。由于ACE代表着一个控制区实际发电与负荷的平衡程度，所以CPS1指标反映区域综合性的控制性能，不仅包含实时的一次调频和二次调频能力，还包括固定周期的日前、日内及实时发电计划编制的精确度，以及供电、需求侧的负荷管理水平。CPS1能够衡量电网长期的频率偏差的均方根值是否在限定的范围内，但平均值的统计方式对实时的频率偏差不敏感。如果频率偏差不能时刻保证在一定的范围内，一旦发生较大扰动或者事故以后，系统的频率偏差可能会影响到系统的安全稳定运行，造成不必要的低频减载或高频切机。因此，针对实时控制性能评价的标准需要另行研究。

      CPS2的目的在于使得控制区在完成CPS1目标时，能够最小化机组调节次数，并起到减小区域间的偏离计划潮流和偏离计划电量的作用。但经过多年的运行和实践，CPS2并不能达到预期目标，主要表现在：

      1)CPS2要求区域在10分钟内按照L10的要求来控制ACE的平均值，但L10的设置值得商榷。CPS2的前提条件是假设10分钟的ACE一致性为0，但实际运行中难以实现，当ACE的一致性为正，由于CPS2是由CPS1公式推导得出，则L10过大，区域的ACE主要受到CPS1的约束，CPS2考核显得冗余;当ACE的一致性为负，则L10过小，区域为了满足其要求将不必要地增加或减少机组出力，造成不顾频率质量的无谓调节。

      2)CPS2不能用于限制偏离计划潮流。由于多区域互联电网中，每个控制区对外都包含多条联络线，ACE中的净交换潮流偏差量仅反映区域总的对外或者对内的潮流量，所以通过限制ACE的方法难以根据某条联络线上或传输断面上的可传输容量和事故附加裕度来限制偏离计划潮流。

      3)CPS2沿用A2标准的考核方式，要求90%的ACE在限定范围内，缺失了对10%的ACE进行考核，即一个考核月内有72个小时是失效的。此外，由于CPS2的考核方式是基于ACE的正态分布性，某些电网由于受到调频死区、限荷机组及机组增减出力速率、二次调频控制质量等非线性因素的综合影响，使频率出现非正态分布，频率不符合正态分布导致控制区的ACE也不符合正态分布，则CPS2并不具有广泛的适用性。

      4)互联电网中频率控制的目的是允许区域间存在适量的偏离计划潮流和偏离计划电量以实现区域间的相互支援，提高电网的频率质量。①限制偏离计划潮流是线路安全性方面的问题，应另行制定相应的联络线功率控制或系统传输可靠性标准，并不应该包含在频率控制性能标准中;②偏离计划电量影响的是区域间的电量交易，不需作为控制标准中研究的内容，而应建立适当的考核与偿还机制。

      基于上述分析，CPS2影响着电力系统频率质量的进一步提高，不宜作为频率控制性能标准中的子标准。

      2、BAAL标准的特点

      由于现行CPS对电网的适用性不足，NERC的PCE工作组于2002年制定了研究短期频率控制性能标准的规划，结合北美电网的运行经验，于2005年提出了BAAL标准草案，并在后续的实验中不断修订与完善。2013年7月，BAAL标准提案通过了NERC的最终投票，将于2016年7月1日起正式执行。

      BAAL标准与CPS1的曲线类似，对区域的调节责任分配方法相同，但差异性可以分为以下三点：

      1)控制目标不同。BAAL标准的控制目标是保证系统实时运行的可靠性，根据在一段时间内所能容忍的1min平均频率偏差的绝对值而设定;CPS1的控制目标是保证区域的长期控制性能达到预期要求，根据上一年或预设的1min平均频率偏差的均方根值而设定。

      2)要求的ACE控制幅度不同。在相同的频率偏差下，BAAL标准的控制目标值相当于1min的CPS1分值为-700%。

      3)评价的时间尺度不同。CPS1是固定长周期的评价标准，各区域仍应以适度提高CPS1分值为控制目标;BAAL标准是实时运行中电网频率的“安全阀”，减少短期内影响系统运行可靠性的不良控制行为。由于频率偏差的分布特性，BAAL标准也能在短期内辅助CPS1，提高电网的频率质量。

      3、对中国的启示和借鉴

      随着特高压互联电网的建设，交直流输电技术的发展以及新能源渗透率的提高，不仅增加了电网调控的复杂程度，也对电网实时运行的安全可靠性提出了更高的要求。中国现行的CPS已经难以满足电网频率的控制要求，应结合北美频率控制性能标准的发展，对其进行修改和补充。

      修改短时段CPS1考核的参数。北美制定CPS1的目的是用于长期(一年)的区域控制性能评价，中国在引入CPS时由于应用条件与北美不同，将CPS1用于短时段考核(如华东电网的CPS10和CPS30)以较好地评价区域的控制行为。采用短时段CPS1考核，促进了日常运行的发用电平衡工作，对中国频率质量的提高发挥了很大作用，但分段CPS1指标被用于定量计算加价收费，从理论上说，不宜采用北美CPS1中的控制目标参数。由于一天中出现的高峰、低谷负荷时段以及AGC消除断面越限的过程都会影响到电网的频率偏差，所以不同时段内频率偏差的差异性是存在的，若继续将CPS1作为短时段考核的依据，应针对不同的考核时段设定不同的控制目标值，使CPS1分值更具有参考意义。

      引入BAAL标准以提高电网运行可靠性。中国将CPS1用于短时段考核是一种经济惩罚手段，并不具有强制性，而对CPS1合格率的统计周期仍属于长期(月度和年度)，这与北美使用CPS1的思路是类似的。因此，为了能够加强短时段频率控制性能的考核力度，应当考虑引入BAAL标准作为补充。

      针对多区域互联电网的联络线控制标准值得进一步研究。中国可逐渐不将CPS2作为主要的考核标准，并结合输电线路的运行要求，另行制定出较为完善的联络线功率控制标准。已有的T1标准保证了“华中-华北”互联电网间特高压联络线的安全运行，能够防止因联络线上偏离计划潮流的较大波动而引起两端电网的电压问题以及对特高压线路输送能力的不良影响，但该标准目前主要用于两区域互联。

      频率控制性能标准的目的在于提高电网的频率质量，联络线功率控制标准的目的在于保证输电线路的安全运行，虽然两类标准一定程度上可以互相补充，但控制目标并不相同。

      4、结语

      频率控制性能标准对于正确地引导区域的调节控制行为，改善电网的频率质量具有重要的作用。国内外使用的CPS对电网的适用性不足，主要体现在：

      1)CPS1适用于评价长期的区域控制性能，未体现对电网实时运行可靠性的要求。

      2)CPS2影响着电力系统频率质量的进一步提高，不宜作为频率控制性能标准中的子标准。

      为了进一步提高电网的频率质量，中国电网在适当修改现行CPS考核方式的基础上，应考虑引入北美BAAL标准来加强区域的频率控制性能考核。BAAL标准体现了对实际电网的运行需求，能够引导区域减少不良的频率控制行为。

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