發(fā)電計劃閉環(huán)中AGC機組控制模式?jīng)Q策方法

李利利，仇晨光，張勇，丁恰

（1.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 211106；2.國網(wǎng)江蘇省電力公司，江蘇南京 210024）

電網(wǎng)運行方式的不斷變化和需求預(yù)測精度隨時間尺度不斷提高的特點，決定了電網(wǎng)生產(chǎn)是一個逐步遞進和細(xì)化的過程[1]。電力系統(tǒng)運行，包括日前發(fā)電計劃、日內(nèi)滾動計劃、實時發(fā)電計劃、自動發(fā)電控制（AGC）等多個不同時間尺度的環(huán)節(jié)，通過各環(huán)節(jié)的協(xié)調(diào)運作，提升電網(wǎng)的精細(xì)化管理水平[2-6]。發(fā)電計劃與AGC的閉環(huán)協(xié)調(diào)，能夠提高發(fā)電計劃的執(zhí)行效率，并通過發(fā)電計劃的預(yù)控，減輕AGC的控制壓力，提升電網(wǎng)運行的安全性與經(jīng)濟性。

AGC是時時刻刻保證發(fā)電與負(fù)荷平衡，維持電力系統(tǒng)頻率質(zhì)量的重要技術(shù)手段[7-8]。近年來，國內(nèi)大量發(fā)電機組具備了投入AGC運行的條件[9]。AGC機組的運行控制模式一般分為2類：第1類是跟蹤發(fā)電計劃指令運行，即計劃模式，如SCHEO機組；第2類是按電網(wǎng)實時控制指令運行，使本系統(tǒng)的頻率保持額定值或使聯(lián)絡(luò)線的功率維持于計劃值，即調(diào)節(jié)模式，如AUTOR機組、SCHER機組等。

目前調(diào)度生產(chǎn)中，發(fā)電計劃環(huán)節(jié)優(yōu)化機組出力后交給AGC執(zhí)行，在AGC中由調(diào)度人員根據(jù)經(jīng)驗進行機組控制模式的設(shè)置，選擇部分機組用于跟蹤實時發(fā)電計劃。由于發(fā)電計劃環(huán)節(jié)并未考慮AGC機組的控制模式，將增大AGC的控制壓力，也會影響實時計劃的執(zhí)行效果。同時，在現(xiàn)有方式下，調(diào)度員需要時時根據(jù)系統(tǒng)運行情況轉(zhuǎn)換AGC機組的控制模式，工作量和強度都很大。為此，調(diào)度員通常采用相對保守的方式，系統(tǒng)中設(shè)置較多的調(diào)節(jié)模式機組，影響了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，也增加了不同性能機組之間協(xié)調(diào)控制的難度[10]。

隨著電網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，電網(wǎng)運行日益復(fù)雜，調(diào)峰調(diào)頻壓力日漸增大，不同類型、不同控制目標(biāo)機組的運行模式轉(zhuǎn)換頻繁。如何根據(jù)電網(wǎng)的不同運行狀態(tài)，兼顧電網(wǎng)安全、經(jīng)濟、環(huán)保、公平與效益多方面要求，實現(xiàn)AGC機組控制模式的優(yōu)化調(diào)控，是提高發(fā)電計劃及其閉環(huán)控制品質(zhì)，提升電網(wǎng)調(diào)度精益化水平的關(guān)鍵。本文首先分析AGC機組控制模式?jīng)Q策需求，采用層次分析法獲得機組的綜合評估指標(biāo)，進而建立優(yōu)化決策模型，應(yīng)用效果表明，本文所提方法能夠滿足電網(wǎng)運行需求。

1 發(fā)電計劃閉環(huán)分析

電力系統(tǒng)頻率變化主要是由負(fù)荷波動引起的。負(fù)荷波動可以分解為隨機分量、脈動分量和持續(xù)分量3種負(fù)荷分量[11]。隨機分量變化周期在10 s以內(nèi)，變化幅度較小，對應(yīng)的調(diào)整方式是發(fā)電機組的一次調(diào)頻；脈動分量變化周期在10 s到數(shù)分鐘之間，對應(yīng)的調(diào)整方式是二次調(diào)頻，即自動發(fā)電控制；持續(xù)分量變化緩慢，變化幅度大，對應(yīng)的調(diào)整方式是發(fā)電計劃，如圖1所示。

圖1 負(fù)荷波動與相應(yīng)控制方式Fig.1 Load fluctuation and the corresponding control mode

負(fù)荷波動持續(xù)分量的調(diào)整，在一段時間內(nèi)對發(fā)電機出力的要求是單調(diào)增加或單調(diào)減小的，大多數(shù)發(fā)電機組都能夠適應(yīng)這樣的要求。若能對調(diào)節(jié)速率較低的AGC機組、以及不具備AGC功能的發(fā)電機組進行預(yù)先控制，精確實現(xiàn)對負(fù)荷波動持續(xù)分量的調(diào)整，則有利于減輕負(fù)荷波動脈動分量調(diào)整的壓力，降低AGC階段調(diào)節(jié)備用的需求與實時控制的風(fēng)險。

發(fā)電計劃閉環(huán)控制實現(xiàn)了實時發(fā)電計劃與日前、日內(nèi)發(fā)電計劃以及AGC之間的一體化銜接，為AGC在線控制預(yù)留更合理的備用分布和全局最佳調(diào)節(jié)能力，通過發(fā)電控制環(huán)節(jié)的前移，提高電網(wǎng)超前預(yù)控能力和發(fā)電機組在線控制品質(zhì)，提升電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線功率和頻率控制的全局優(yōu)化水平，減輕調(diào)度運行壓力。

2 AGC機組控制模式?jīng)Q策分析

發(fā)電計劃閉環(huán)的關(guān)鍵在于對AGC機組不同控制模式的動態(tài)優(yōu)化控制，決策機組的控制模式為計劃模式或者調(diào)節(jié)模式，亦即決策實時調(diào)度中哪些機組負(fù)責(zé)跟蹤執(zhí)行發(fā)電計劃，哪些機組負(fù)責(zé)提供調(diào)節(jié)備用以執(zhí)行AGC控制指令。

為使電力系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定地運行，同時減少發(fā)電成本，應(yīng)該研究新的決策方法以更好地滿足電力系統(tǒng)精細(xì)化管理的要求[12]。傳統(tǒng)的優(yōu)先順序法選擇AGC調(diào)節(jié)機組時考慮了調(diào)節(jié)速率等性能指標(biāo)，但忽略了容量報價因素；文獻[13]對優(yōu)先順序法進行了改進，對市場中的AGC機組按性能價格比確定優(yōu)先權(quán)順序后，依次選取機組直至滿足系統(tǒng)需求；文獻[14-16]提出了建立優(yōu)化模型對AGC機組控制模式進行調(diào)配的方案，并分別采用混合整數(shù)規(guī)劃法、遺傳算法、粒子群算法進行求解。然而，上述研究均基于電力市場調(diào)度模式，沒有考慮目前國內(nèi)調(diào)度中的電量合同完成進度等要求，無法實際應(yīng)用。同時，電力生產(chǎn)中AGC調(diào)節(jié)服務(wù)與有功電能具有較強的耦合性，而上述文獻均孤立研究AGC機組調(diào)配問題，雖易于理解和實現(xiàn)，但可能得不到有效的結(jié)果。

考慮到國內(nèi)調(diào)度運行實際情況，AGC機組控制模式的決策需要綜合考慮調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)時間、電量完成進度等因素，通過AGC調(diào)節(jié)備用與有功功率的協(xié)調(diào)調(diào)度獲得合理的決策結(jié)果，既保證系統(tǒng)具有滿足電網(wǎng)運行要求的快速調(diào)節(jié)能力，又實現(xiàn)電網(wǎng)運行的安全性與經(jīng)濟性。

3 AGC機組性能評估

不同類型發(fā)電機組的AGC調(diào)節(jié)性能差異很大，甚至同類型之間的機組調(diào)節(jié)性能差異也很大。同時，兼顧電網(wǎng)調(diào)度運行模式的需求，發(fā)電計劃閉環(huán)控制應(yīng)優(yōu)先選擇綜合性能較優(yōu)的機組參與實時調(diào)節(jié)。AGC機組的控制模式?jīng)Q策與下列因素有著直接的關(guān)系：

1）調(diào)節(jié)速率。AGC機組必須具備一定的調(diào)節(jié)速率配合才能滿足電網(wǎng)運行的需要。調(diào)節(jié)速率是指機組響應(yīng)負(fù)荷指令的速率，每臺AGC機組的調(diào)節(jié)速率一般都不相同，一般要在運行前進行實時測定和考核。

2）響應(yīng)時間。不同機組的響應(yīng)時間有所差異，對于同樣一個指令，響應(yīng)速度快的機組調(diào)節(jié)完畢時，響應(yīng)速度慢的機組可能才剛開始調(diào)節(jié)，甚至還沒開始調(diào)節(jié)，從而影響實時控制效果。

3）電量完成進度。均衡發(fā)電量調(diào)度是目前我國的主要的調(diào)度模式，其核心目標(biāo)是確保電廠年度合同電量的同步執(zhí)行[17-18]。當(dāng)前，電力調(diào)度部門多采用年計劃分月，月計劃分日方式，層層分解，形成理想進度的發(fā)電計劃，然后調(diào)度執(zhí)行。在電力生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，保證電網(wǎng)安全運行的前提下，需要盡可能地保持發(fā)電進度同步。

在AGC機組控制模式?jīng)Q策模型中，難以直接建?？紤]上述因素。為此，采用層次分析法對AGC機組的調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)時間、電量完成進度進行綜合評估[19-20]。層次分析法是一種實用的多目標(biāo)決策方法，其主要特征在于合理地將定性與定量的決策結(jié)合起來，按照調(diào)度人員的思維規(guī)律把決策過程層次化[21]。AGC機組評估的層次結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 機組綜合評估層次Fig.2 Hierarchical model for units evaluation

從電網(wǎng)運行角度考慮，機組調(diào)節(jié)性能對電網(wǎng)安全運行更為重要，同時兼顧機組電量完成進度。各項因素的相對重要程度為：調(diào)節(jié)速度比響應(yīng)時間重要；響應(yīng)時間比電量完成進度重要。在此基礎(chǔ)上，進行層次單排序與一致性檢驗，獲得機組性能評估的層次總排序，進而構(gòu)造出反映各個機組綜合性能的調(diào)節(jié)備用成本。

4 優(yōu)化決策模型

模型是在機組開停方式確定的條件下優(yōu)化機組出力與調(diào)節(jié)備用，要求滿足系統(tǒng)需求和機組運行約束，并且滿足電網(wǎng)運行的潮流約束。通過能量與備用的聯(lián)合優(yōu)化，獲得合理的機組控制模式結(jié)果。

優(yōu)化目標(biāo)為機組發(fā)電成本與調(diào)節(jié)備用成本之和最小。需要指出的是，此處的成本并不局限于狹義的煤耗成本，而是滿足電網(wǎng)調(diào)控需求的廣義成本，包括追蹤日前計劃的偏差成本以及反映機組綜合性能的調(diào)節(jié)備用成本。數(shù)學(xué)表達為

式中，T為調(diào)度時段數(shù)；I為機組數(shù)；Cpi為機組i的發(fā)電成本曲線；Cri為機組i的調(diào)節(jié)備用成本曲線；Pit為機組i在時段t的計劃出力；Rit為機組i在時段t提供的調(diào)節(jié)備用。

約束條件包括系統(tǒng)功率約束、系統(tǒng)調(diào)節(jié)備用約束、區(qū)域調(diào)節(jié)備用約束、機組調(diào)節(jié)備用約束、機組出力限值約束、爬坡速率約束，以及電網(wǎng)安全約束。

4.1 系統(tǒng)功率平衡約束

式中，Plt為系統(tǒng)在時段t的總負(fù)荷。

4.2 機組調(diào)節(jié)備用約束

式中，Ri，max和Ri，min分別為機組i調(diào)節(jié)能力的上、下限；RFit為AGC機組i在時段t的控制模式?jīng)Q策狀態(tài)，其為0/1變量，0代表計劃模式，1代表調(diào)節(jié)模式。

4.3 機組出力限值約束

式中，Pi，max和Pi，min分別為機組i出力的上、下限。

4.4 爬坡速率約束

式中，Δi為機組i每時段爬坡速率的最大值。

4.5 系統(tǒng)調(diào)節(jié)備用約束

式中，Qt為系統(tǒng)在時段t的調(diào)節(jié)備用需求。

4.6 區(qū)域調(diào)節(jié)備用約束

式中，Qzt為區(qū)域z在時段t的調(diào)節(jié)備用需求。

4.7 調(diào)節(jié)備用爬坡約束

式中，Δri為機組i在5 min內(nèi)的爬坡速率的最大值。

4.8 電網(wǎng)安全約束

式中，Pij，max表示支路ij的潮流上限；M為電網(wǎng)計算節(jié)點集合；l（i，t）為節(jié)點負(fù)荷功率；S（i，j，t）為節(jié)點i的注入功率對支路ij的靈敏度。

上述模型本質(zhì)上是混合整數(shù)規(guī)劃（MIP）模型，本文采用商用數(shù)學(xué)優(yōu)化軟件包CPLEX進行模型求解。在江蘇電網(wǎng)實際運行時，系統(tǒng)包括144臺建模發(fā)電機組，優(yōu)化周期為未來3 h，每15 min為一時段。在CPU主頻2 GHz、物理內(nèi)存4 GB的工作站上，可在15 s內(nèi)完成一次計算，因此滿足日內(nèi)及實時調(diào)度應(yīng)用的要求。

5 實例分析

采用本文方法的日內(nèi)及實時調(diào)度系統(tǒng)已經(jīng)在江蘇省調(diào)度控制中心試驗運行。該系統(tǒng)的投運改變了以往實時調(diào)度中主要依靠人工經(jīng)驗來確定控制模式的狀況，實現(xiàn)了發(fā)電計劃閉環(huán)范圍內(nèi)的控制模式優(yōu)化，有助于調(diào)度精益化水平的提升。

根據(jù)江蘇電網(wǎng)某日的實測數(shù)據(jù)，采用本文方法優(yōu)化機組控制模式，系統(tǒng)中投入調(diào)節(jié)模式的機組數(shù)目減少，更多的機組可以參與閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)模式機組數(shù)目的變化如圖3所示。其中，優(yōu)化前結(jié)果為系統(tǒng)投運前實際運行中的投入調(diào)節(jié)模式機組數(shù)目，優(yōu)化后結(jié)果為采用本文方法后計算的數(shù)據(jù)。

圖3 優(yōu)化前后調(diào)節(jié)模式機組數(shù)目對比Fig.3 Comparison of regulation mode number of generators before and after optimization

通過機組控制模式的優(yōu)化，改變了系統(tǒng)實時控制方式，系統(tǒng)中投入調(diào)節(jié)模式的機組數(shù)目減少，而投入計劃模式的機組數(shù)目增加，更多的機組可以參與系統(tǒng)閉環(huán)控制，有利于電網(wǎng)對控制資源的更合理調(diào)用，在一定程度上提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性，降低了調(diào)度運行壓力。

為了給AGC留出足夠的調(diào)節(jié)能力，通常處于調(diào)節(jié)模式的機組計劃取可調(diào)出力上下限的中間值，從而影響了機組的電量完成進度。因而需要根據(jù)電網(wǎng)完成情況動態(tài)選擇參與調(diào)節(jié)的機組。電量進度為各機組發(fā)電量與其計劃電量的比值。優(yōu)化后，部分機組的電量進度如圖4所示。

圖4 機組電量進度統(tǒng)計結(jié)果Fig.4 Statistical result of units energy schedule

在考慮各種運行因素的條件下，電量進度最大的為103%，最小的為97%，全網(wǎng)機組均有效地完成了計劃電量。通過優(yōu)化機組控制模式，動態(tài)選擇提供AGC調(diào)節(jié)服務(wù)的機組，有利于電網(wǎng)對控制資源的更合理調(diào)用。

6 結(jié)論

通過對AGC機組不同控制模式的決策方法研究，改變目前以人工經(jīng)驗為主的設(shè)置模式，在保證實時控制質(zhì)量的前提下，動態(tài)選擇提供AGC輔助服務(wù)的機組，有利于電網(wǎng)對控制資源更合理調(diào)用，充分利用發(fā)電機組的調(diào)節(jié)能力，降低系統(tǒng)運行成本，提高機組控制的平穩(wěn)性和有序性。

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