多控制區(qū)協(xié)調(diào)自動發(fā)電控制的研究與實現(xiàn)

趙 川，朱 濤，葉 華

（云南電力調(diào)度控制中心，云南 昆明 650011）

0 引言

傳統(tǒng)自動發(fā)電控制[1-7]（AGC）功能在對控制區(qū)進行發(fā)電控制時，通常只考慮系統(tǒng)頻率和本控制區(qū)與其他控制區(qū)之間的聯(lián)絡(luò)線交換功率兩個控制目標，不能對控制區(qū)內(nèi)部的穩(wěn)定斷面潮流進行控制。隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴大，電網(wǎng)實際運行方式越來越復(fù)雜，對控制區(qū)內(nèi)部的穩(wěn)定斷面潮流進行合理控制是電網(wǎng)安全運行的重要保證。同時，對電網(wǎng)中電源與負荷分布不平衡的部分地區(qū)，如何最大限度地發(fā)揮地區(qū)聯(lián)絡(luò)線斷面的傳輸能力，同時又能滿足地區(qū)聯(lián)絡(luò)線斷面的安全約束也是電網(wǎng)控制面臨的重大挑戰(zhàn)。

以往對穩(wěn)定斷面的控制通常采用的方法是將AGC 與安全約束調(diào)度（SCD）相結(jié)合，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，實現(xiàn)穩(wěn)定斷面的預(yù)防和校正控制[8-12]。這種方法可以有效地控制穩(wěn)定斷面不超過限值，但由于它不進行穩(wěn)定斷面下限控制，因而不能將穩(wěn)定斷面潮流保持在限值附近，從而最大限度地發(fā)揮穩(wěn)定斷面的傳輸能力；而且它依賴于狀態(tài)估計和安全約束調(diào)度的結(jié)果，當狀態(tài)估計或者安全約束調(diào)度不收斂時，無法對穩(wěn)定斷面潮流進行有效的控制。

針對控制區(qū)內(nèi)部穩(wěn)定斷面潮流控制問題，云南省調(diào)AGC 實現(xiàn)了多區(qū)域協(xié)調(diào)自動發(fā)電控制，將原來的單一控制區(qū)劃分為多個控制區(qū)，包括一個主控制區(qū)和多個子控制區(qū)，每個控制區(qū)均包含多個AGC電廠和機組；主控制區(qū)的控制目標為頻率和聯(lián)絡(luò)線偏差控制，子控制區(qū)的控制目標為該子控制區(qū)穩(wěn)定斷面（包括其內(nèi)部穩(wěn)定斷面和對外聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定斷面），既能充分利用其輸電能力，又不會導(dǎo)致斷面越限；在緊急情況下，子控制區(qū)也可參與主控制區(qū)的控制，實現(xiàn)與主控制區(qū)的協(xié)調(diào)控制。

1 多控制區(qū)模型

根據(jù)控制區(qū)穩(wěn)定斷面潮流控制的實際需要，將控制區(qū)劃分為多個控制區(qū)域，其中包括一個主控制區(qū)和多個子控制區(qū)，每個控制區(qū)均包含一定數(shù)量的AGC 電廠和機組，用于對本控制區(qū)進行控制，如圖1所示。

圖1 多控制區(qū)模型Fig.1 Model of multi-control zone

主控制區(qū)內(nèi)的AGC 機組承擔系統(tǒng)頻率和對外聯(lián)絡(luò)線潮流控制，應(yīng)保證有足夠的調(diào)節(jié)容量。子控制區(qū)是根據(jù)其內(nèi)部穩(wěn)定斷面和對外聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定斷面潮流控制的需要來劃分的。若子控制區(qū)對外聯(lián)絡(luò)線不構(gòu)成需要控制的穩(wěn)定斷面，則不能將其劃分為一個子控制區(qū)。同時，還應(yīng)保證子控制區(qū)內(nèi)部應(yīng)有一定數(shù)量的AGC 電廠和機組，能夠通過對這些電廠和機組的控制來達到控制其內(nèi)部穩(wěn)定斷面和對外聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定斷面潮流的目的。另外，子控制區(qū)的數(shù)量不宜過多，如果過多，一方面可能會使控制過于復(fù)雜，從而影響控制的效果，另一方面也會影響主控制對頻率和聯(lián)絡(luò)線的控制。

1.1 主控制區(qū)發(fā)電控制

主控制區(qū)的控制目標是頻率和聯(lián)絡(luò)線偏差控制，對應(yīng)的控制模式為TBC[13]，此時，區(qū)域控制偏差A(yù)CE 描述如下：

其中：B為頻偏系數(shù)；f為系統(tǒng)實際頻率（Hz）；f0為系統(tǒng)計劃頻率（Hz）；P為區(qū)域聯(lián)絡(luò)線實際功率（MW）；P0為區(qū)域計劃凈交換功率（MW）。

1.2 子控制區(qū)發(fā)電控制

子控制區(qū)的控制目標是控制該子控制區(qū)穩(wěn)定斷面（包括其內(nèi)部穩(wěn)定斷面和對外聯(lián)絡(luò)線穩(wěn)定斷面）潮流為設(shè)定值。子控制區(qū)采用恒定聯(lián)絡(luò)線功率控制模式（FTC）[13]，即

其中：Ps為子控制區(qū)穩(wěn)定斷面實際功率（MW）；Pset為子控制區(qū)穩(wěn)定斷面設(shè)定控制值（MW）。

子控制區(qū)不僅包括上限控制，而且還包括下限控制。上限控制是為了確保穩(wěn)定斷面的潮流不超過斷面限值，下限控制是為了讓穩(wěn)定斷面盡可能輸送較多的電力，最大限度利用其輸電能力。為此，子控制區(qū)ACE 的控制區(qū)域分為正常區(qū)、次緊急區(qū)和緊急區(qū)，如圖2所示。

圖2 子控制區(qū)控制區(qū)域圖Fig.2 Control area of sub control area

實際設(shè)置時，子控制區(qū)設(shè)定了次緊急區(qū)門檻Pthre和緊急區(qū)門檻Pthre+，其中Pthre+>Pthre>0。圖2中，Pemer+=Pset+Pthre；Pemer-=Pset-Pthre；Pemer++=Pset+Pthre+；Pemer--=Pset-Pthre+。其中，Pthre既不宜設(shè)置過大，也不宜設(shè)置過小。設(shè)置過大，不能充分利用子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線輸送能力；設(shè)置過小，會造成子控制區(qū)內(nèi)AGC 機組頻繁調(diào)節(jié)。

當|ACE|

當Pthre≤|ACE|

|ACE|≥Pthre+，為子控制區(qū)ACE 的緊急區(qū)。緊急區(qū)的控制策略與次緊急區(qū)類似，區(qū)別在于處于緊急區(qū)時，AGC 機組不會響應(yīng)惡化本子控制區(qū)ACE的控制命令。

1.3 主、子控制區(qū)的協(xié)調(diào)控制

正常情況下，主控制區(qū)、子控制區(qū)各自獨立進行控制；當運行方式變化，需要主、子控制區(qū)協(xié)調(diào)控制時，雖然子控制區(qū)內(nèi)的AGC 電廠和機組可以接受主控制區(qū)的控制指令，但其前提是仍然需要保證子控制區(qū)穩(wěn)定斷面ACE 處于正常區(qū)內(nèi)。當子控制區(qū)穩(wěn)定斷面ACE 處于正常區(qū)外時，子控制區(qū)只會響應(yīng)使本子控制區(qū)ACE 向正常區(qū)靠近的主控制區(qū)命令，并會禁止執(zhí)行惡化本子控制區(qū)ACE 的主控制區(qū)命令。

2 子控制區(qū)控制算法

從電網(wǎng)調(diào)度運行來看，子控制區(qū)控制策略包括其對外聯(lián)絡(luò)線斷面控制和內(nèi)部穩(wěn)定斷面控制，這樣才能保證斷面既不越限，又能充分利用電網(wǎng)輸送能力。子控制區(qū)穩(wěn)定斷面潮流的協(xié)調(diào)控制策略如下所述。

2.1 子控制區(qū)對外聯(lián)絡(luò)線控制流程

1）斷面潮流計算。對子控制區(qū)內(nèi)所有穩(wěn)定斷面進行遍歷，根據(jù)各穩(wěn)定斷面的斷面組成，分別計算穩(wěn)定斷面的斷面潮流。

2）子控制區(qū)斷面越上限控制。對所有子控制區(qū)穩(wěn)定斷面進行遍歷，對比步驟1）中計算的斷面潮流和斷面上限，判斷斷面是否越上限，如果越上限則對該斷面進行越上限控制。子控制區(qū)斷面越上限控制流程將在2.2 節(jié)詳細描述。

3）子控制區(qū)AGC 機組調(diào)節(jié)量統(tǒng)計。對子控制區(qū)中AGC 機組進行遍歷，統(tǒng)計子控制區(qū)斷面越上限控制所分配的AGC 機組調(diào)節(jié)量總和。

4）更新子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)功率。將之前計算的子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)功率減去AGC 機組調(diào)節(jié)量總和，得到新的子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)功率。

5）子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)功率判斷。對更新后的子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)功率進行判斷，如果調(diào)節(jié)功率為負，且大于次緊急區(qū)門檻，說明子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線有減出力需求，轉(zhuǎn)6），進行子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線越上限控制；否則，說明子控制區(qū)發(fā)電出力仍有上調(diào)空間，可以進行子控制區(qū)斷面和聯(lián)絡(luò)線的越下限控制。

6）子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線越上限控制。將子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)功率分配給控制區(qū)中所有滿足調(diào)節(jié)條件但未參與子控制區(qū)斷面越上限控制的那些AGC 機組，進行子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線越上限控制。由于子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線有減出力需求，因此完成子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線越上限控制后，將不再進行對子控制區(qū)內(nèi)越下限斷面進行控制，否則可能會導(dǎo)致子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線潮流再次越上限。

7）子控制區(qū)斷面越下限控制。對所有子控制區(qū)內(nèi)穩(wěn)定斷面進行遍歷，對比步驟1）中計算的斷面潮流和斷面上限，判斷斷面是否越下限，如果越下限則對該斷面進行越下限控制。子控制區(qū)斷面越下限控制流程見2.3 節(jié)。

8）更新子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)功率。重新統(tǒng)計子控制區(qū)內(nèi)各AGC 機組的調(diào)節(jié)量總和，將之前計算的子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)功率減去AGC 機組調(diào)節(jié)量總和，得到新的子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)功率。

9）對更新后的子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線調(diào)節(jié)功率進行判斷，如果調(diào)節(jié)功率為正，且大于次緊急區(qū)門檻，說明子控制區(qū)有增出力需求，進行子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線越下限控制。

10）子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線越下限控制。將區(qū)域調(diào)節(jié)功率分配給子控制區(qū)中所有滿足調(diào)節(jié)條件但未參與斷面控制的那些AGC 機組，進行子控制區(qū)聯(lián)絡(luò)線越下限控制。結(jié)束本周期的控制。

2.2 子控制區(qū)內(nèi)部穩(wěn)定斷面越上限控制流程

1）對所有子控制區(qū)穩(wěn)定斷面進行逐個遍歷，檢查斷面是否越上限，如果不越限，則檢查下一個，直到所有斷面檢查完成；如果越限，則計算斷面的越限量和待分配調(diào)節(jié)量。

2）統(tǒng)計越上限斷面所關(guān)聯(lián)的AGC 機組的已分配調(diào)節(jié)量，這些調(diào)節(jié)量可能是在其他穩(wěn)定斷面越限時分配的。

3）更新越上限斷面的待分配調(diào)節(jié)量，即用原來的待分配調(diào)節(jié)量減去關(guān)聯(lián)AGC 機組的已分配調(diào)節(jié)量。

4）判斷更新后的待分配調(diào)節(jié)量是否足夠小，如果足夠小，則不必再分配，檢查下一個穩(wěn)定斷面；否則，繼續(xù)以下步驟。

5）統(tǒng)計越上限斷面的可調(diào)節(jié)AGC 機組，如果AGC 機組不能承擔調(diào)節(jié)功率或者已分配調(diào)節(jié)量或者禁止下調(diào)節(jié)，則該關(guān)聯(lián)AGC 機組不能統(tǒng)計在內(nèi)。

6）將待分配調(diào)節(jié)量在可調(diào)節(jié)AGC 機組中分配，分配原則為各AGC 機組的可調(diào)節(jié)裕度。分配過程中，如果某AGC 機組分配量使其目標出力越限或者分配量超過最大命令，則其分配量固定在最大可分配量上。

7）更新待分配調(diào)節(jié)量，如果待分配調(diào)節(jié)量足夠小，則不必再分配，檢查下一個穩(wěn)定斷面；否則，轉(zhuǎn)步驟5），繼續(xù)進行分配。

2.3 子控制區(qū)內(nèi)部穩(wěn)定斷面越下限控制流程

子控制區(qū)內(nèi)部穩(wěn)定斷面越下限控制流程與2.2節(jié)類似，在此不再贅述。

3 主子控制區(qū)協(xié)調(diào)算法

由于云南電網(wǎng)汛期及枯期發(fā)電出力相差極大，子控制區(qū)AGC 參與主控制區(qū)AGC 的調(diào)節(jié)實際上是通過修改子控制區(qū)“參與主控制區(qū)調(diào)節(jié)”開關(guān)來實現(xiàn)的。

汛期時，子控制區(qū)內(nèi)水電為大方式運行，調(diào)度控制要求是子控制區(qū)內(nèi)部斷面及聯(lián)絡(luò)線控制在Pset±10 MW 內(nèi)。對于裝機容量達24 000 MW 的云南電網(wǎng)來說，其對主網(wǎng)ACE 的影響可以忽略不計。因此汛期時子控制區(qū)“參與主控制區(qū)調(diào)節(jié)”開關(guān)關(guān)閉，子控制區(qū)只進行本區(qū)域內(nèi)部斷面及對外聯(lián)絡(luò)線潮流越上限及越下限控制。

枯期時，子控制區(qū)內(nèi)的電廠小方式運行，其總出力不會使內(nèi)部斷面及聯(lián)絡(luò)線越限，控制要求是子控制區(qū)內(nèi)部斷面及聯(lián)絡(luò)線潮流控制不低于Pset。因此枯期時子控制區(qū)“參與主控制區(qū)調(diào)節(jié)”開關(guān)打開，子控制區(qū)內(nèi)機組不會再對本區(qū)域內(nèi)部斷面及對外聯(lián)絡(luò)線進行越上限調(diào)整，但在主控制區(qū)AGC 調(diào)節(jié)過程中，要進行子控制區(qū)內(nèi)部斷面及聯(lián)絡(luò)線的越下限控制，其控制方法如第2.3 節(jié)所述。

4 算例分析

2013年6月28日，云南省調(diào)AGC 的德宏子控制區(qū)投入試運行。德宏子控制區(qū)對外聯(lián)絡(luò)線為500 kV 德宏變雙主變，德宏子控制區(qū)內(nèi)部穩(wěn)定斷面有220 kV 德盈三回線。

根據(jù)試驗當天德宏主變上網(wǎng)情況，德宏子控制區(qū)“參與主控制區(qū)調(diào)節(jié)”開關(guān)關(guān)閉，德宏子控制區(qū)500 kV 德宏變雙主變設(shè)定控制值Pset1=910 MW，德盈三回線設(shè)定控制值Pset2=800 MW，同時設(shè)定次緊急區(qū)門檻Pthre=15 MW。按策略要求，AGC 控制下德宏主變的上網(wǎng)功率Ps1應(yīng)控制在Pset1±Pthre內(nèi)，即895 MW

圖3、圖4為試驗期間德宏子控制區(qū)德盈三回線及德宏主變有功曲線圖，可以看出，10:00:00～10:20:00，德盈三回線上網(wǎng)均值為800.15 MW，最大值為811.14 MW，最小值為795.38 MW；德宏主變上網(wǎng)均值為898 MW，最大值為915 MW，最小值為887 MW，考慮到次緊急區(qū)門檻的大小并排除AGC 機組的調(diào)節(jié)死區(qū)因素，達到了預(yù)期的控制目標。

圖3 德盈三回線（10:00～10:20）總有功曲線Fig.3 Curve of three circuits of Deying active power between 10:00 to 10:20

圖4 德宏主變（10:00～10:20）有功曲線Fig.4 Curve of Dehong substation transformer active power between 10:00 to 10:20

圖5、圖6為試驗期間德宏子控制區(qū)參與AGC調(diào)節(jié)的大盈江三級電廠及弄另電廠的AGC 控制命令曲線與實際出力對比圖。可以看出，德宏子控制區(qū)對AGC 電廠調(diào)節(jié)命令的均值為10 MW，基本接近于次緊急區(qū)門檻Pthre=15 MW，由此也印證了策略的正確性。

圖5 大盈江三級電廠（10:00～10:20）命令與實際出力曲線Fig.5 Command and actual active power curve of Dayingjiangsanji Power Plant between 10:00 to 10:20

圖6 弄另電廠（10:00～10:20）命令與實際出力曲線Fig.6 Command and actual active power curve of Nongling Power Plant between 10:00 to 10:20

通過此次試驗，有效驗證了云南省調(diào)多區(qū)域協(xié)調(diào)AGC 控制策略的正確性和有效性。從多區(qū)域協(xié)調(diào)AGC 控制的經(jīng)濟性來看，2013年7月初德宏子控制區(qū)AGC 控制投入正式運行后，截止至2013年11月，德宏地區(qū)已累計多送出水電200 000 MWh。

從子控制區(qū)控制質(zhì)量來看，德宏子控制區(qū)AGC功能投入前的2013年5月28日至6月28日期間，德宏雙主變越限24 次，日均越限0.8 次，日均越限時間35.4 s；德盈三回線越限26 次，日均越限0.87次，日均越限時間32.8 s。德宏子控制區(qū)AGC 功能投入后的7月26日至8月26日期間，德宏雙主變越限次數(shù)降低為8 次，日均越限0.26 次，日均越限時間僅為6.7 s；德盈三回線越限次數(shù)降低為6 次，日均越限0.2 次，日均越限時間僅為4.3 s。

在提高德宏子控制區(qū)斷面及聯(lián)絡(luò)線潮流控制質(zhì)量的同時，并未影響主控制區(qū)的整體控制效果。通過主控制區(qū)AGC 與德宏子控制區(qū)AGC 之間的協(xié)調(diào)機制，主控制區(qū)2013年7月～11月控制性能標準(CPS)指標較2012年同期有了明顯的改善和提高，如表1所示。

表1 投運前后主控制區(qū)CPS 指標比較Table 1 Comparison of CPS index in main control area before and after the operation

5 結(jié)論及經(jīng)驗

在云南電網(wǎng)快速發(fā)展但網(wǎng)架結(jié)構(gòu)還不很完善的情況下，如何利用現(xiàn)有技術(shù)裝備，提高電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行水平，是擺在每個電網(wǎng)運行管理和技術(shù)人員面前的重大問題。通過對AGC 的行為與電網(wǎng)潮流之間的作用關(guān)系進行研究，提出了基于多控制區(qū)協(xié)調(diào)自動發(fā)電控制技術(shù)的工程實現(xiàn)方法，并在云南電網(wǎng)AGC 系統(tǒng)中得到了實現(xiàn)，不僅減輕了調(diào)度運行人員對電網(wǎng)潮流的監(jiān)視、調(diào)整壓力，而且充分利用了電網(wǎng)的輸送能力，增加了云南汛期水電的送出，提高了云南電網(wǎng)AGC 的技術(shù)水平，有效保證了電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行。

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