滕贤亮,谈超,昌力,等/高比例新能源电力系统有功功率与频率控制研究综述及展望/2023,47(15):12-35.
电网有功频率控制面临的挑战与机遇
解决电力系统安全稳定运行和新能源高效消纳间的矛盾是构建新型电力系统的核心任务，电网有功频率控制对保障电力系统安全稳定运行至关重要。伴随新能源比例逐年提升、电力市场化改革不断深化以及数字化转型加速推进，电网有功频率控制面临着新的挑战和机遇：
1）电网实时平衡难度增加，省级电网（简称省网）的调节压力日益加剧，需要深入挖掘省间电力互补互济潜力，提高多区域协同控制水平；
2）为了提高电网调节能力，不仅需要采取燃煤机组灵活性改造、抽水蓄能技术应用、新型储能布局等方式，还需要挖掘分布式资源（DER）的调节潜力，并实现多类型资源有序调用；
3）电力市场与经济调度（ED）、自动发电控制（AGC）等调控业务耦合运行，区域平衡模式和资源调用方式需要根据市场交易品种和组织模式不断变化；
4）大量智能终端泛在接入增加数据泄露和网络入侵风险，电力系统已成为网络攻击的重要目标，安全事件检测与防御技术亟待突破；
5）大量数字化技术将与“源网荷储”各环节全面融合，为新型电力系统安全高效运行持续赋能。
电网有功频率控制技术研究现状
针对面临的挑战和机遇，对应的主要研究内容如图1所示。
图1 主要研究内容
1）多控制区协同控制
为了发挥大电网余缺互济优势，需要实现多区域协同控制，在正常工况下促进调频资源共享，故障工况下加强备用互济支援。正常工况下，华北电网采用了多区域协同分摊联络线波动量的控制策略，通过在省网的区域控制偏差（ACE）中附加特高压联络线功率波动分量，共同承担特高压联络线潮流波动的调整责任；南方电网建立了面向区域调频辅助服务市场的统一调频控制区架构，各省网的调频资源可无差别调用。欧美也开展了一些应用实践，北美采用了ACE差异交换（ADI）策略，利用ACE“正负”互补性减少各控制区ACE，实施流程如图2所示；欧洲则提出了利用“开环ACE”互补性的国际电网控制合作（IGCC），降低各控制区的调频备用需求，实施流程如图3所示。故障工况下，我国各大区域电网均建立了以动态ACE为代表的考虑安全约束的跨区域故障功率分摊机制，北美也制定了类似的故障处置流程，提高了电网故障恢复能力。该研究领域目前已经取得了一定的进展，但仍存在一些问题有待改进，如统一调频控制区架构可能增大联络线计划偏差，ADI未充分考虑联络线约束等。
图2 ADI实施流程
图3 IGCC实施流程
2）多类型资源有序调用
为应对高比例新能源并网给电网频率控制带来的巨大挑战，亟须进一步挖掘常规电源和新型资源的调节潜力。常规电源方面，需要持续推动燃煤机组灵活性改造，使其具备深度调峰能力；运用可变速技术使抽水蓄能电站具备双向灵活调节能力。新型资源方面，在保证新能源合理消纳的前提下，允许新能源电站适度提供下调服务，并加装储能提高稳定输出能力；电网侧储能参与AGC在国内外均有应用实践，已经与常规电源实现了协调控制，提升电网调节能力；DER需要聚合成为DER集群参与电网调控，以负荷聚合商、虚拟电厂、微电网等聚合方式，参与全网或局部的有功平衡控制。此外，建立支撑多类型资源参与的调频市场机制至关重要，要合理确定备用容量，科学制定调用策略，逐步完善补偿机制。
3）ED与AGC的协调配合
ED和AGC是实时调度的关键环节，需要加强协调配合。以往ED模型中仅考虑固定备用容量，可在ED中引入AGC动态状态变量模型，得出兼顾电力电量平衡和AGC动态调节需求的调度决策结果。同时，AGC也应改进“计划偏差”分配策略，将ED动态集成到AGC中，或借鉴KKT（Karush-Kuhn-Tucker）动态调整机组参与因子。总体而言，ED要考虑AGC的实时性，AGC也应依据ED调整分配策略，后续还需为两者构建一套整体协作机制，利用先进技术实现“实时优化控制”。
4）安全事件检测与防御
各类安全事件可能导致AGC系统失效或误控，威胁电网安全稳定运行。近年来，世界范围内能量管理系统（EMS）故障事件频发，2017年至2021年北美EMS失效事件如表1所示。为了应对这些事件，美国新英格兰独立系统运营商提出了将向量量测单元（PMU）作为数据采集与监控（SCADA）故障的后备手段，并进一步提出了基于函数即服务（FaaS）的云计算模型架构。
表1 2017至2021年报告给NERC的EMS失效事件
同时，如何有效地防御网络攻击已经成为研究热点。目前对攻击设计、检测的研究较多，对攻击防御方面研究相对匮乏，未能充分考虑AGC系统自身的动态响应特性。
5）智能化与新技术
智能化技术方面，深度学习可挖掘数据特征，强化学习具备自主学习决策能力，将两者结合的深度强化学习可实现AGC的离线优化、连续动作搜索和在线控制；群体智能可支持分层分布式AGC协同控制。仿真技术方面，构建高精度的AGC离线仿真模型，配合实时数据进行验证调优，可提高关键参数的准确性；EMS调度员培训仿真系统可模拟AGC运行环境，进行反事故演练。但仅依赖经典数学建模仿真难以满足未来需求，需要与数据驱动和数字孪生相结合。总体而言，人工智能赋能AGC策略优化，数字孪生支撑AGC仿真与验证，通过新技术的有效应用，推动AGC向着更加智能化的方向发展。
研究展望
1）互联电网多控制主体有功频率控制
面对新运行场景，不同控制主体需要加强协作，以实现互联电网经济高效运行。随着跨区直流输电规模扩大，需要考虑直流线路作为调频资源，实现互联电网统一频率控制；针对形成的“沙戈荒”风光能源基地，需要研究基地与网省两级协同优化调度及控制方法；随着分布式新能源的快速发展，需要建立涵盖大电网和微电网的“集中协调 分散自治”控制体系。此外，针对新型电力系统不同发展阶段的特点，还需考虑适当放宽频率允许偏差范围，制定新的频率控制标准。
2）海量泛在可调节资源的实时协同控制
对DER进行规模化聚合与高效调配是提升电力系统灵活性的关键举措。首先，需要研究DER分层分区动态聚合方法，以最优的集群形式参与AGC；其次，需结合数据驱动方式，攻克DER集群外部动态特性在线辨识和参数化表征技术；最后，需深入研究DER集群的分布式协同控制技术，并研究DER集群与常规电源的协调控制理论。
3）适应辅助服务市场多品种、多主体的闭环控制
国内需要对AGC系统的角色重新定位，在支撑辅助服务市场发展方面需要做出适应性调整，以实现多品种、多主体的有效协同和闭环控制。省级市场方面，需要研究适应不同运行工况下的多调节带宽自适应匹配策略，探索适应多类型新兴市场主体参与的商业模式和价格机制；省间市场方面，除了借鉴欧美国家为多区域协同控制提供市场机制支撑以外，还需要进一步探索跨区直流参与调频、备用辅助服务市场的技术路线及闭环控制方法。
4）应对系统故障、网络攻击的检测和防御方法
AGC系统面临的安全威胁日益严峻，需要加强系统故障检测和网络攻击防御能力。目前这两方面的研究相对孤立，需要加强交叉借鉴，提高研究成果的实用性，尤其需要加强防御技术和策略的研究，运用新技术提高AGC系统的抗干扰性和鲁棒性。此外，随着电力市场建设，直接针对市场主体的网络攻击可能增多，需要研究其检测和防御方法，降低市场主体被利用的风险。
5）人工智能技术的深化应用
人工智能技术在AGC系统中的应用仍面临可解释性、模型适应性等问题，在后续研究中，首先，为提高结果的可解释性，应采用人机混合增强智能的方式，而非完全依赖“黑箱”处理。其次，面对电网运行特性的变化，基于历史数据训练的机器学习模型的适应性有待验证，需要研究相关评价指标和方法，确保模型对当前及未来电网运行工况的适应性。
/ 引文信息
滕贤亮,谈超,昌力,等.高比例新能源电力系统有功功率与频率控制研究综述及展望[J].电力系统自动化, 2023, 47(15): 12-35. DOI: 10.7500/ AEPS 20221128005.
TENG Xianliang, TAN Chao, CHANG Li, et al. Review and Prospect of Research on Active Power and Frequency Control in Power System with High Proportion of Renewable Energy[J]. Automation of Electric Power Systems, 2023, 47(15):12-35. DOI:10.7500/AEPS20221128005.
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姚建国,余涛,杨胜春,等.提升电网调度中人工智能可用性的混合增强智能知识演化技术[J].电力系统自动化,2022,46(20):1-12.
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主要作者简介
Introduction to the Main Authors
滕贤亮
谈 超
国电南瑞科技股份有限公司电网调控技术分公司高级工程师，国网电力科学研究院有限公司、南京师范大学硕士生导师。国家电网有限公司新型电力系统智能调控科技攻关团队成员，中国电机工程学会高级会员。入选中国电机工程学会青年人才托举工程、国家电网有限公司青年人才托举工程。主要研究方向：电网调度自动化、电力市场。
新型电力系统智能调控科技攻关团队是国家电网公司第一批新型电力系统科技攻关团队，团队由国电南瑞科技股份有限公司南瑞研究院和电网调控技术分公司的20位科研人员组成，团队平均年龄39岁，硕士及以上人员占比100%，高级职称及以上人员占比80%，是一支具有深厚理论与实践基础的科研团队。团队瞄准新型电力系统智能调控的技术难题，初步攻克了新型电力系统全要素建模、不确定性场景生成、考虑一次能源供给的多类新型资源联合优化等技术，近3年获得省部级及国家电网公司级科技进步奖12项，承担国家、国家电网公司重大科技项目20余项，研究成果已成功应用于国家电网公司新一代调度技术支持系统，为新型电力系统发展提供了技术支撑。后续，团队将重点突破大电网全景监视、高性能在线安全评估、多元资源联合优化调度及协同控制等技术，研发源网荷储协同调控相关软件并试点应用，为电网安全稳定运行提供坚强保障。
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