计及频率响应时空相关性的新能源电力系统惯量估计方法

裴铭; 叶林; 罗雅迪; 沙立成; 张再驰; 宋旭日

doi:10.7500/AEPS20230716004

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

计及频率响应时空相关性的新能源电力系统惯量估计方法

新型电力系统惯量-功率-频率控制理论与应用 | 更新时间：2025-06-16

- 计及频率响应时空相关性的新能源电力系统惯量估计方法
- Inertia Estimation Method for Power System with Renewable Energy Considering Spatio-temporal Correlation of Frequency Response
- 电力系统自动化 2024年48卷第8期页码：53-66
- 作者机构：
  
  1.中国农业大学信息与电气工程学院,北京市 100083
  2.中国电力科学研究院有限公司,北京市 100192
  3.国网北京市电力公司,北京市 100031
  4.国网北京市电力公司电力科学研究院,北京市 100075
- 作者简介：
  
  裴铭(1997—)，男，博士研究生，主要研究方向：新能源电力系统运行与控制、电力系统及其自动化。E-mail：peiming@cau.edu.cn
  叶林(1968—)，男，通信作者，教授，博士生导师，德国洪堡学者，主要研究方向：电力系统及其自动化、新能源发电技术。E-mail：yelin@cau.edu.cn
  罗雅迪(1986—)，男，高级工程师，主要研究方向：电力调度自动化高级应用。E-mail：luoyadi@epri.sgcc.com.cn
- 基金信息：
  
  国家电网有限公司总部科技项目(5108-202218280A-2-294-XG);国家自然科学基金资助项目(U22B20117)
- DOI：10.7500/AEPS20230716004
  中图分类号：
- 收稿：2023-07-16，
  
  修回：2024-02-05，
  
  网络出版：2024-03-26，
  
  纸质出版：2024-04-25
- 稿件说明：
移动端阅览
裴铭,叶林,罗雅迪等.计及频率响应时空相关性的新能源电力系统惯量估计方法[J].电力系统自动化,2024,48(8):53-66.

PEI Ming,YE Lin,LUO Yadi,et al.Inertia Estimation Method for Power System with Renewable Energy Considering Spatio-temporal Correlation of Frequency Response[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(8):53-66.
裴铭,叶林,罗雅迪等.计及频率响应时空相关性的新能源电力系统惯量估计方法[J].电力系统自动化,2024,48(8):53-66. DOI： 10.7500/AEPS20230716004.

PEI Ming,YE Lin,LUO Yadi,et al.Inertia Estimation Method for Power System with Renewable Energy Considering Spatio-temporal Correlation of Frequency Response[J].Automation of Electric Power Systems,2024,48(8):53-66. DOI： 10.7500/AEPS20230716004.

摘要

高比例新能源电力系统惯性水平低、不确定性强，系统惯性水平与频率动态响应过程密切相关。系统内各节点之间的频率响应过程在时空上具有相关性，动态量化节点间频率的时空相关性是实时估计新型电力系统惯量的技术手段。首先，给出了面向同步机组和新能源发电机组惯量的计算方法；其次，利用Granger因果检验算法，动态分析系统内不同节点之间频率的相关性，构建随时间变化的系统频率时空因果相关集合；此外，基于系统内各节点频率响应过程的摇摆方程，建立系统惯性常数-频率状态空间模型；然后，基于无迹卡尔曼滤波器和固定滞后平滑器，提出高比例新能源电力系统惯量估计方法；最后，在改进的IEEE 39节点系统中验证了所提方法的有效性和适用性。结果表明，所提方法可以在不同新能源渗透率和频率扰动场景下保证惯量估计效果的一致性，具有工程应用潜力。

Abstract

The power system with high-proportion renewable energy has low inertia level and high uncertainty. The system inertia level is closely related to the dynamic frequency response process. Considering the spatio-temporal correlation of frequency response process between nodes within the system

dynamically quantifying the spatio-temporal correlation of frequency between nodes provides an effective technique for real-time inertia estimation in the new power system. Firstly

a calculation method for inertia of synchronous units and renewable energy generator units is proposed. Secondly

the Granger causality test algorithm is used to dynamically analyze the frequency correlation of different nodes in the system

thereby establishing a time-varying spatio-temporal causal correlation set of system frequency. Furthermore

based on the swing equation of frequency response processes of various nodes in the system

a system inertia-frequency state space model is constructed. Subsequently

a novel method for estimating the inertia of power system with high-proportion renewable energy is proposed using the unscented Kalman filter and fixed-lag smoother. Finally

the proposed method is validated using an improved IEEE 39-node system

demonstrating its effectiveness and applicability. Results show that the proposed method ensures consistent inertia estimation performance in different renewable energy penetration rates and frequency disturbance scenarios

which has engineering application potential.

关键词

Keywords

references

张峰，田宇，丁磊 . 风电虚拟惯量延时的影响机理模型解析及替代性研究［J/OL］. 电力系统自动化［ 2023-07-01 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.tp.20230224.1712.002.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.tp.20230224.1712.002.html .

ZHANG Feng ， TIAN Yu ， DING Lei . Analytical solution for influential mechanism model of virtual inertia delay of wind power and its substitutability research ［J/OL］. Automation of Electric Power Systems ［ 2023-07-01 ］. https：//kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.tp.20230224.1712.002.html https://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1180.tp.20230224.1712.002.html .

汪梦军，郭剑波，马士聪，等 . 新能源电力系统暂态频率稳定分析与调频控制方法综述［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1672 - 1694 .

WANG Mengjun ， GUO Jianbo ， MA Shicong ， et al . Review of transient frequency stability analysis and frequency regulation control methods for renewable power systems ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 5 ）： 1672 - 1694 .

张剑云，李明节 . 新能源高渗透的电力系统频率特性分析［J］. 中国电机工程学报， 2020 ， 40 （ 11 ）： 3498 - 3507 .

ZHANG Jianyun ， LI Mingjie . Analysis of the frequency characteristic of the power systems highly penetrated by new energy generation ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2020 ， 40 （ 11 ）： 3498 - 3507 .

马宁嘉，谢小荣，李浩志，等 . 计及频率动态分布性的新能源机组惯量需求分析［J/OL］. 中国电机工程学报［ 2023-07-01 ］. http：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.223212 http://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.223212 .

MA Ningjia ， XIE Xiaorong ， LI Haozhi ， et al . Inertia demand analysis of new energy units with dynamic frequency distribution ［J/OL］. Proceedings of the CSEE ［ 2023-07-01 ］. http：//doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.223212 http://doi.org/10.13334/j.0258-8013.pcsee.223212 .

闵勇，陈磊，刘瑞阔，等 . 电力系统频率动态中惯量与惯量响应特性辨析［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （ 3 ）： 855 - 868 .

MIN Yong ， CHEN Lei ， LIU Ruikuo ， et al . Analysis on characteristics of inertia and inertial response in power system frequency dynamics ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ 3 ）： 855 - 868 .

裴铭，李奕霖，叶林，等 . 考虑惯量时空特性的系统频率响应组合预测［J］. 中国电机工程学报， 2023 ， 43 （增刊1 ）： 57 - 69 .

PEI Ming ， LI Yilin ， YE Lin ， et al . Combined prediction of system frequency response considering time-space characteristics of inertia ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2023 ， 43 （ Supplement 1 ）： 57 - 69 .

ASHTON P M ， SAUNDERS C S ， TAYLOR G A ， et al . Inertia estimation of the GB power system using synchrophasor measurements ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2015 ， 30 （ 2 ）： 701 - 709 .

李东东，张佳乐，徐波，等 . 考虑频率分布特性的新能源电力系统等效惯量评估［J］. 电网技术， 2020 ， 44 （ 8 ）： 2913 - 2921 .

LI Dongdong ， ZHANG Jiale ， XU Bo ， et al . Equivalent inertia assessment in renewable power system considering frequency distribution properties ［J］. Power System Technology ， 2020 ， 44 （ 8 ）： 2913 - 2921 .

刘方蕾，胥国毅，王凡，等 . 基于差值计算法的系统分区惯量评估方法［J］. 电力系统自动化， 2020 ， 44 （ 20 ）： 46 - 53 .

LIU Fanglei ， XU Guoyi ， WANG Fan ， et al . Assessment method of system partition inertia based on differential calculation method ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2020 ， 44 （ 20 ）： 46 - 53 .

FERNÁNDEZ-GUILLAMÓN A ， VIGUERAS-RODRÍGUEZ A ， MOLINA-GARCÍA Á . Analysis of power system inertia estimation in high wind power plant integration scenarios ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2019 ， 13 （ 15 ）： 2807 - 2816 .

TUTTELBERG K ， KILTER J ， WILSON D ， et al . Estimation of power system inertia from ambient wide area measurements ［C］// 2019 IEEE Power & Energy Society General Meeting （PESGM）， August 4-8 ， 2019 ， Atlanta， USA .

PANDA R K ， MOHAPATRA A ， SRIVASTAVA S C . Online estimation of system inertia in a power network utilizing synchrophasor measurements ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 4 ）： 3122 - 3132 .

MAKOLO P ， ZAMORA R ， LIE T T . Online inertia estimation for power systems with high penetration of RES using recursive parameters estimation ［J］. IET Renewable Power Generation ， 2021 ， 15 （ 12 ）： 2571 - 2585 .

TAN B D ， ZHAO J B . Data-driven time-varying inertia estimation of inverter-based resources ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2023 ， 38 （ 2 ）： 1795 - 1798 .

GAUTAM V V ， LOKA R ， PARIMI A M . Cubature Kalman filter and linear quadratic regulator for load frequency control ［J］. Electric Power Systems Research ， 2023 ， 222 ： 109509 .

ZHAO J B ， GÓMEZ-EXPÓSITO A ， NETTO M ， et al . Power system dynamic state estimation： motivations， definitions， methodologies， and future work ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2019 ， 34 （ 4 ）： 3188 - 3198 .

FRIGO G ， DERVIŠKADIĆ A ， ZUO Y H ， et al . PMU-based ROCOF measurements： uncertainty limits and metrological significance in power system applications ［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement ， 2019 ， 68 （ 10 ）： 3810 - 3822 .

POUDYAL A ， TAMRAKAR U ， TREVIZAN R D ， et al . Multiarea inertia estimation using convolutional neural networks and federated learning ［J］. IEEE Systems Journal ， 2022 ， 16 （ 4 ）： 6401 - 6412 .

DHARA P K ， RATHER Z H . Non-synchronous inertia estimation in a renewable energy integrated power system with reduced number of monitoring nodes ［J］. IEEE Transactions on Sustainable Energy ， 2023 ， 14 （ 2 ）： 864 - 875 .

AZIZI S ， SUN M Y ， LIU G Y ， et al . Local frequency-based estimation of the rate of change of frequency of the center of inertia ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2020 ， 35 （ 6 ）： 4948 - 4951 .

LIU J H ， WANG C ， BI T S ， et al . Online estimation of POI-level aggregated inertia considering frequency spatial correlation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2023 ， 38 （ 4 ）： 3232 - 3244 .

EDIB S N ， LIN Y Z ， VOKKARANE V M ， et al . Situation-aware load restoration considering uncertainty and correlation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2024 ， 39 （ 2 ）： 2611 - 2629 .

叶林，王凯丰，赖业宁，等 . 低惯量下电力系统频率特性分析及电池储能调频控制策略综述［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 2 ）： 446 - 464 .

YE Lin ， WANG Kaifeng ， LAI Yening ， et al . Review of frequency characteristics analysis and battery energy storage frequency regulation control strategies in power system under low inertia level ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 2 ）： 446 - 464 .

张怡，张恒旭，李常刚，等 . 电力系统频率响应模式及其量化描述［J］. 中国电机工程学报， 2021 ， 41 （ 17 ）： 5877 - 5887 .

ZHANG Yi ， ZHANG Hengxu ， LI Changgang ， et al . Power system frequency responses pattern and its quantitative analysis ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2021 ， 41 （ 17 ）： 5877 - 5887 .

曹斌，原帅，刘家豪，等 . 考虑频率动态响应实时分区的电力系统惯量在线评估方法［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 3 ）： 930 - 941 .

CAO Bin ， YUAN Shuai ， LIU Jiahao ， et al . Power system online inertia estimation considering real-time clustering of frequency dynamic response ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 3 ）： 930 - 941 .

刘翔宇，李慧斌，顾雪平，等 . 考虑惯量充裕度与频率变化率的互联电网在线频率安全分析［J］. 电网技术， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1780 - 1788 .

LIU Xiangyu ， LI Huibin ， GU Xueping ， et al . Online frequency security analysis of interconnected power grid considering inertia adequacy and RoCoF ［J］. Power System Technology ， 2023 ， 47 （ 5 ）： 1780 - 1788 .

周海强，鲁锦文，薛峰，等 . 计及风电综合惯性控制的电力系统扩展频率响应模型［J］. 电力系统自动化， 2023 ， 47 （ 8 ）： 198 - 205 .

ZHOU Haiqiang ， LU Jinwen ， XUE Feng ， et al . Extended frequency response model for power system considering wind power synthetic inertia control ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2023 ， 47 （ 8 ）： 198 - 205 .

叶林，陈超宇，张慈杭，等 . 基于分布式模型预测控制的风电场参与AGC控制方法［J］. 电网技术， 2019 ， 43 （ 9 ）： 3261 - 3270 .

YE Lin ， CHEN Chaoyu ， ZHANG Cihang ， et al . Wind farm participating in AGC based on distributed model predictive control ［J］. Power System Technology ， 2019 ， 43 （ 9 ）： 3261 - 3270 .

穆钢，陈奇，刘洪波，等 . 揭示电力系统运行数据中因果关系的逆信息熵因果推理方法［J］. 中国电机工程学报， 2022 ， 42 （ 15 ）： 5406 - 5417 .

MU Gang ， CHEN Qi ， LIU Hongbo ， et al . A reciprocal information entropy causal inference method for exploring the cause-effect relationship in power system operation data ［J］. Proceedings of the CSEE ， 2022 ， 42 （ 15 ）： 5406 - 5417 .

叶林，裴铭，路朋，等 . 基于天气分型的短期光伏功率组合预测方法［J］. 电力系统自动化， 2021 ， 45 （ 1 ）： 44 - 54 .

YE Lin ， PEI Ming ， LU Peng ， et al . Combination forecasting method of short-term photovoltaic power based on weather classification ［J］. Automation of Electric Power Systems ， 2021 ， 45 （ 1 ）： 44 - 54 .

AL-YAHYAEE K H ， MENSI W ， AL-JARRAH I M W ， et al . Testing for the Granger-causality between returns in the U.S. and GIPSI stock markets ［J］. Physica A： Statistical Mechanics and Its Applications ， 2019 ， 531 ： 120950 .

SHEN H ， WEN G H ， LV Y Z ， et al . USV parameter estimation： adaptive unscented Kalman filter-based approach ［J］. IEEE Transactions on Industrial Informatics ， 2023 ， 19 （ 6 ）： 7751 - 7761 .

WANG C P ， CAO Z Q ， LI J J ， et al . A hierarchical LiDAR odometry via maximum likelihood estimation with tightly associated distributions ［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology ， 2022 ， 71 （ 10 ）： 10254 - 10268 .

ÖZKURT G ， ZERDALI E . Design and implementation of hybrid adaptive extended Kalman filter for state estimation of induction motor ［J］. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement ， 2022 ， 71 ： 7500212 .

ABOLMASOUMI H ， FARAHANI A ， MILI L . Robust particle filter design with an application to power system state estimation ［J］. IEEE Transactions on Power Systems ， 2023 ， 39 （ 1 ）： 1810 - 1821 .

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

考虑动态分区可靠性约束的新能源电力系统备用优化模型

国外新能源脱网事故对中国电网安全稳定运行的启示