控制性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)下的自動(dòng)發(fā)電控制策略

張志雄，楊平

(上海電力學(xué)院，上海 200090)

1 性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)概況

自動(dòng)發(fā)電控制AGC(Automatic Generation Control)是現(xiàn)代電網(wǎng)控制系統(tǒng)的一項(xiàng)重要功能，是建立在電網(wǎng)調(diào)度能量管理系統(tǒng)與發(fā)電機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)間的一種閉環(huán)控制技術(shù)［1］。

我國(guó)自引入SCADA/AGC系統(tǒng)以來，先是一直使用北美電力可靠性協(xié)會(huì)(NERC)的CPC(Control Performance Criterion)標(biāo)準(zhǔn)，即A1，A2標(biāo)準(zhǔn)。后來，NERC總結(jié)多年AGC運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，于1998年推出新的性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) CPS(Control Performance Standard)［2］。

我國(guó)華東電網(wǎng)1998年開始醞釀，2001年10月1日試行，2002年12月1日正式執(zhí)行CPS標(biāo)準(zhǔn)。正式運(yùn)行期間，又相繼出臺(tái)一系列的管理規(guī)定和考核辦法。華中電網(wǎng)2004年開始醞釀，2005年5月1日和2006年1月1日分別開始試行和正式執(zhí)行CPS標(biāo)準(zhǔn)。

隨著CPS的應(yīng)用進(jìn)入應(yīng)用領(lǐng)域，許多國(guó)內(nèi)外專家針對(duì)這套更為合理的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了廣泛的探討，有部分專家提出要繼續(xù)對(duì)CPS本身的標(biāo)準(zhǔn)作修訂［3－5］，另一部分專家則對(duì)不斷發(fā)展變化中的CPS標(biāo)準(zhǔn)下的AGC該如何控制做了有益的探索［6－8］，也有常年工作在調(diào)度第一線的專家根據(jù)現(xiàn)在和原來2套標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別和聯(lián)系，探索了2套標(biāo)準(zhǔn)并行時(shí)的AGC 控制策略［9－13］。

2 CPS標(biāo)準(zhǔn)新修訂

北美電力可靠性協(xié)會(huì)(NERC)在1998年開始推廣CPS標(biāo)準(zhǔn)之后，在2005年修訂了CPS標(biāo)準(zhǔn)來評(píng)價(jià)互聯(lián)電網(wǎng)AGC性能。2008年NERC再次對(duì)CPS標(biāo)準(zhǔn)做出修訂，于2009年5月13日開始實(shí)施。

NERC的CPS標(biāo)準(zhǔn)由2部分構(gòu)成:CPS1為統(tǒng)計(jì)聯(lián)絡(luò)線功率偏差變化量與頻率偏差關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)，作用是控制頻率;CPS2作用域限制大的不可預(yù)測(cè)的系統(tǒng)潮流。

ACE的表達(dá)公式為

式中:ACE為電網(wǎng)區(qū)域誤差;NIA為所有聯(lián)絡(luò)線實(shí)際流量的代數(shù)和;NIS為所有聯(lián)絡(luò)線計(jì)劃流量的代數(shù)和;B為本控制區(qū)域頻率偏差系數(shù)，MW/0.1 Hz，根據(jù)電力系統(tǒng)功率頻率特性，符號(hào)為負(fù);fA為系統(tǒng)實(shí)際頻率;fS為系統(tǒng)額定頻率;IME為誤差校正系數(shù)，受網(wǎng)絡(luò)聯(lián)絡(luò)線平均每小時(shí)的流量和網(wǎng)絡(luò)需求交換值(MW/h)的影響，這個(gè)參數(shù)一般都會(huì)很小，甚至為零。

在最新修訂的CPS中，增加考慮了ACE中IME的作用。IME雖然比較小，但能提高CPS控制器的精確性。

3 CPS標(biāo)準(zhǔn)下的AGC控制

CPS標(biāo)準(zhǔn)下的AGC控制如圖1所示，CPS標(biāo)準(zhǔn)下的AGC控制器主要由3部分組成。

(1)DCS(Disturbance Control Standard)控制器，主要用于電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)時(shí)的緊急恢復(fù)控制。

(2)CPS1控制器，主要用于對(duì)電網(wǎng)CPS1指標(biāo)的實(shí)時(shí)控制。

(3)CPS2控制器，主要用于對(duì)電網(wǎng)ACE和CPS2指標(biāo)的實(shí)時(shí)控制。

圖1 CPS標(biāo)準(zhǔn)下的AGC控制

電網(wǎng)中的SCADA系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前的ACE，ΔF值，根據(jù)CPS標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)公式和前一階段的數(shù)據(jù)，以及歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，得到CPS1和CPS2當(dāng)前的2個(gè)指數(shù)和當(dāng)前的滿足度，輸出給CPS1，CPS2及DCS控制器，3個(gè)控制器分別輸出各自得到的控制結(jié)果，根據(jù)協(xié)調(diào)邏輯控制器對(duì)當(dāng)前ACE和ΔF的判斷，確定最終的控制輸出，下達(dá)必要的AGC調(diào)節(jié)指令，進(jìn)行機(jī)組調(diào)節(jié)，穩(wěn)定電網(wǎng)。

根據(jù)文獻(xiàn)［14］，以2區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)為例，2區(qū)域內(nèi)各有1組發(fā)電機(jī)組，各有1個(gè)對(duì)應(yīng)的負(fù)載區(qū)域。2個(gè)系統(tǒng)之間使用聯(lián)絡(luò)線相連接。CPS控制器根據(jù)SCADA得到的實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，即當(dāng)前的ACE和ΔF，計(jì)算出當(dāng)前CPS1，CPS2的滿足值，然后根據(jù)當(dāng)前的ACE情況分別決定是否輸出控制變量，輸出的控制變量影響PI控制器的KP和KI值和當(dāng)時(shí)的調(diào)速限制作用于電廠AGC端。

相比于原有的CPC標(biāo)準(zhǔn)，CPS標(biāo)準(zhǔn)下的AGC控制可以對(duì)減少機(jī)組調(diào)節(jié)次數(shù)，提高機(jī)組裝置燃料效率，減少損耗和成本。

4 CPS標(biāo)準(zhǔn)下的AGC控制策略

CPS標(biāo)準(zhǔn)是在原有的A1，A2標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，但在數(shù)學(xué)模型和評(píng)價(jià)思路上有區(qū)別，原有的控制方案已經(jīng)不能符合要求，因此，目前國(guó)內(nèi)、外提出了多種針對(duì)CPS標(biāo)準(zhǔn)的AGC控制策略方案。這些方案大致可分為2個(gè)類型:A1，A2標(biāo)準(zhǔn)下的AGC控制方案的改進(jìn)型和基于CPS標(biāo)準(zhǔn)的新設(shè)計(jì)型。

4.1 原有策略改進(jìn)型

圖2 2個(gè)區(qū)域互聯(lián)系統(tǒng)框圖

由于原有的A1，A2標(biāo)準(zhǔn)是在實(shí)際運(yùn)行中總結(jié)而來，而CPS標(biāo)準(zhǔn)正是由此發(fā)展而來，因此，很多國(guó)內(nèi)、外專家學(xué)者認(rèn)為，原有A1，A2標(biāo)準(zhǔn)下AGC控制策略中的大部分仍然可以在新的標(biāo)準(zhǔn)下有效運(yùn)行。

高宗和等學(xué)者認(rèn)為，通過對(duì)A1，A2和CPS標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比(如圖2所示)，PI控制和ACE分區(qū)域方法仍然可以繼續(xù)使用，可以繼續(xù)維持原有的已經(jīng)相對(duì)穩(wěn)定的KP和KI值。但是不再需要使ACE強(qiáng)制過零，調(diào)節(jié)策略目標(biāo)改成維持一定的ACE，使得 CPS1≥200%，即ACE對(duì)互聯(lián)電網(wǎng)頻率質(zhì)量有所幫助的程度。這種改進(jìn)型的控制策略可簡(jiǎn)述如下:

圖3 區(qū)域控制示意圖

根據(jù)參考文獻(xiàn)［10］，賈燕冰等學(xué)者介紹了當(dāng)前的華東電網(wǎng)的各省(市)控制策略特點(diǎn)，提出了進(jìn)一步優(yōu)化控制策略的想法。主要有預(yù)測(cè)AGC控制、混成控制、機(jī)組跟蹤曲線處理技術(shù)等。在參考文獻(xiàn)［11］中，楊桂鐘等學(xué)者則提出了人工置入偏差量的方案來進(jìn)一步改善調(diào)節(jié)效果。在參考文獻(xiàn)［12］中，黃穎等專家根據(jù)一線情況提出了AGC超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的思路和實(shí)現(xiàn)方法，并且根據(jù)CPS標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行了修正，以獲得進(jìn)一步的優(yōu)化。王珍意在參考文獻(xiàn)［13］中采用了修改比例積分和2種修改ACE區(qū)域劃分邊界的方法，經(jīng)過試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，其中一種ACE區(qū)域邊界劃分方法比較優(yōu)越。

改進(jìn)原有的方案相對(duì)比較便捷，及時(shí)判斷當(dāng)前的CPS考核狀況所在的區(qū)域，當(dāng)ACE值在邊界游動(dòng)時(shí)，由于調(diào)節(jié)方案在邊界兩側(cè)的差異，可能會(huì)導(dǎo)致反復(fù)穿越邊界，反而有可能使部分機(jī)組出現(xiàn)反復(fù)收到指令。這種模式對(duì)于某些CPS標(biāo)準(zhǔn)改造未完成(即CPS標(biāo)準(zhǔn)和CPC標(biāo)準(zhǔn)并行下的區(qū)域電網(wǎng))的電網(wǎng)有比較好的控制效果。

4.2 基于CPS標(biāo)準(zhǔn)的新設(shè)計(jì)型

由于CPS標(biāo)準(zhǔn)在很大程度上是基于原有經(jīng)驗(yàn)上的數(shù)學(xué)模型而來，因此，許多學(xué)者針對(duì)CPS控制器做出了自己的設(shè)計(jì)方案。CPS控制器大部分設(shè)計(jì)為一個(gè)PI控制器，許多學(xué)者結(jié)合比較新的控制方法，提出了自己的控制器設(shè)計(jì)思路。

余濤等學(xué)者采取了2個(gè)區(qū)域互聯(lián)的系統(tǒng)方案(如圖2所示)。根據(jù)當(dāng)前和歷史數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前的CPS1和CPS2值，然后得到PI控制器的2個(gè)參數(shù)KP和KI，KP主要受到CPS1影響，而KI則主要受到CPS2的影響。根據(jù)實(shí)時(shí)的CPS指標(biāo)，利用模糊控制規(guī)則調(diào)節(jié)KP和KI，并且提出通過整體調(diào)節(jié)KP和KI使得PI控制器維持在既能降低發(fā)令次數(shù)、反調(diào)次數(shù)，又能基本不降低CPS考核水平的折中方案(如圖4所示)。例如，若CPS考核處于比較高水平的代價(jià)是大幅增加調(diào)節(jié)次數(shù)時(shí)，可以綜合考慮各項(xiàng)因素，略微犧牲CPS考核水平，達(dá)到對(duì)整體的放松管制，從而大幅降低調(diào)節(jié)次數(shù)。

圖4 變論域模糊控制下的AGC控制

根據(jù)參考文獻(xiàn)［5］，賈燕冰等結(jié)合NERC的最新標(biāo)準(zhǔn)與華東電網(wǎng)AGC評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，提出機(jī)組性能標(biāo)準(zhǔn)可以作為CPS應(yīng)用的進(jìn)一步補(bǔ)充。類似于上文介紹，余濤等在文獻(xiàn)［7］中，提出利用自適應(yīng)控制也可以對(duì)AGC控制進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)參考文獻(xiàn)［15］，劉斌等將標(biāo)準(zhǔn)PSO算法應(yīng)用于互聯(lián)電網(wǎng)CPS評(píng)價(jià)，相對(duì)于單純使用平均分配方法，有比較高質(zhì)量的優(yōu)化解、穩(wěn)定的收斂性以及有效的計(jì)算效率。

利用CPS考核標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生的短期數(shù)據(jù)對(duì)于PI控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，使得CPS的長(zhǎng)期考核能夠達(dá)到比較好的效果，而且要綜合考慮各項(xiàng)因素，在必要的時(shí)候，略微犧牲考核水平可以減少調(diào)節(jié)次數(shù)。通過模糊控制或者粒子群算法［16］，可以比較實(shí)時(shí)地放松或者收緊管制。但是針對(duì)大系統(tǒng)和不可預(yù)測(cè)的電網(wǎng)負(fù)荷變化，建立這套系統(tǒng)比較復(fù)雜。在這點(diǎn)上，可以進(jìn)一步結(jié)合其他的智能控制理論和方法，做相關(guān)仿真并且與已有的模糊控制粒子群仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。另外，針對(duì)最新修訂后新增帶有IME的ACE變化的相關(guān)研究文獻(xiàn)尚未見到。

5 結(jié)論與展望

(1)CPS標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)于原有標(biāo)準(zhǔn)而言，對(duì)減少機(jī)組磨損，產(chǎn)生了比較積極的作用。而CPS標(biāo)準(zhǔn)并非是一個(gè)完善的標(biāo)準(zhǔn)，許多新近的研究表明，CPS標(biāo)準(zhǔn)本身也需要進(jìn)一步的研究。NERC繼2005年和2008年修訂后，目前仍在進(jìn)行進(jìn)一步的標(biāo)準(zhǔn)修訂工作。

(2)原有方案的改進(jìn)型方案相對(duì)比較便捷，對(duì)于某些CPS標(biāo)準(zhǔn)改造未完成，即CPS標(biāo)準(zhǔn)和CPC標(biāo)準(zhǔn)并行下的區(qū)域電網(wǎng)有比較好的控制效果。根據(jù)最新理論和技術(shù)，可進(jìn)一步考慮把已有的控制策略進(jìn)行修正，比如對(duì)分區(qū)域模式下的邊界，可以考慮使用模糊控制等智能理論進(jìn)行優(yōu)化。

(3)新設(shè)計(jì)型控制策略更側(cè)重CPS標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于已經(jīng)完全適合于CPS標(biāo)準(zhǔn)并適時(shí)改造完成的地區(qū)有比較好的控制效果，同時(shí)，可進(jìn)一步結(jié)合智能理論進(jìn)行探索，與已有的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，尋找最優(yōu)控制方案。

［1］陳楷，孫建華，王卉.節(jié)能調(diào)度模式下的河南電網(wǎng)AGC控制策略［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(4):58 －61.

［2］汪德星.華東電網(wǎng)實(shí)行CPS標(biāo)準(zhǔn)的探索［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000(8):41－44.

［3］傅吉悅，高巖，王紹然，等.吉林電網(wǎng)實(shí)行 CPS的探討［J］.吉林電力，2009，37(3):13 －15.

［4］王文斌.基于CPS標(biāo)準(zhǔn)的AGC控制策略研究［D］.南京:南京理工大學(xué)，2006.

［5］賈燕冰，高翔，嚴(yán)正.NERC與華東電網(wǎng)AGC評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比較［J］.華東電力，2008，36(4):41 －44.

［6］余濤，于文俊，李章文.基于CPS標(biāo)準(zhǔn)的AGC變論域模糊松弛控制方法［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33(23):37 －41.

［7］余濤，陳亮，蔡廣林.基于CPS統(tǒng)計(jì)信息自學(xué)習(xí)機(jī)理的AGC自適應(yīng)控制［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2000，28(10):82－87.

［8］李正，敬東，趙強(qiáng)，顏泉.CPS/DCS標(biāo)準(zhǔn)在大區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)AGC控制策略中的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2003，15(2):27 －32，48.

［9］高宗和，滕賢亮，涂力群.互聯(lián)電網(wǎng)AGC分層控制與CPS控制策略［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2004，28(1):78 －81.

［10］賈燕冰，高翔，高伏英，等.華東電網(wǎng)CPS標(biāo)準(zhǔn)控制策略現(xiàn)狀分析及展望［J］.華東電力，2007，35(9):16－21.

［11］楊桂鐘，翁蔚.福建電網(wǎng)AGC系統(tǒng)控制策略改進(jìn)［J］.福建電力與電工，2004，24(3):24－26.

［12］黃穎，李輝.AGC超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)控制模式的研究［J］.湖南電力，2008，28(3):9 －12.

［13］王珍意，謝一工，尹成全，等.對(duì)CPS標(biāo)準(zhǔn)下AGC與一次調(diào)頻配合問題的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(19):22－25，51.

［14］S.K.Aditya，D.Das.Battery Energy Storage for Load Frequency Control of an Interconnected Power System［J］.Electric Power Systems Research，2001，58(3):179－185.

［15］劉斌，王克英，余濤，等.PSO算法在互聯(lián)電網(wǎng)CPS功率調(diào)節(jié)中的應(yīng)用研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37(6):36 －39，52.

［16］王亞軍，房大中.基于粒子群算法的AGC機(jī)組調(diào)配研究［J］.繼電器，2007，35(17):58 －61，64.