南方電網(wǎng)水電廠AGC算法設計及調(diào)節(jié)性能評估

胡 林，唐 海，李 毅

（華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南省昆明市 650214）

南方電網(wǎng)水電廠AGC算法設計及調(diào)節(jié)性能評估

胡 林，唐 海，李 毅

（華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南省昆明市 650214）

自動發(fā)電控制（AGC）是電力自動化系統(tǒng)的一項基本功能，對電能質量和電網(wǎng)穩(wěn)定性有至關重要的影響，受各電廠的直接管理和調(diào)度機構的間接管理。為提高AGC調(diào)節(jié)性能，從電廠角度出發(fā)，就AGC調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)精度、調(diào)節(jié)速率三個方面，分別論述了AGC算法相關部分的設計方法，并進行了性能評估，從而在電廠設備技術條件制約下，盡可能滿足調(diào)度機構及電力行業(yè)的相關要求。同時，對AGC算法無法同時滿足電廠設備約束和調(diào)度機構響應約束的矛盾點，特別是由于調(diào)度機構對AGC調(diào)節(jié)速率考核門檻和計算方式所導致的沖突，進行了論證，進而提出了建議的解決方法。

AGC；算法；調(diào)節(jié)性能；調(diào)節(jié)范圍；調(diào)節(jié)精度；調(diào)節(jié)速率

0 引言

自動發(fā)電控制（Automatic Generation Control，以下簡稱AGC）是電力自動化系統(tǒng)的一項基本功能，以有功負荷和系統(tǒng)頻率為調(diào)節(jié)對象，對電力系統(tǒng)的安全、優(yōu)質、經(jīng)濟起著至關重要的作用。

為保證電能質量，針對各電廠AGC在調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)穩(wěn)定性等方面的差異，中國南方電網(wǎng)采用評價考核的方式對電廠AGC的調(diào)節(jié)性能進行間接管理[1]，管理指標包括調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)精度和調(diào)節(jié)速率[2-5]等，主要依據(jù)的文獻有：《南方區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》（以下簡稱《實施細則》）、《南方電網(wǎng)電廠并網(wǎng)運行及輔助服務管理算法規(guī)范》（以下簡稱《算法規(guī)范》）。此外，國家能源局于2013年發(fā)布的《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術導則》[2]（以下簡稱《技術導則》）也包含了對并網(wǎng)水電廠負荷調(diào)節(jié)性能的相關規(guī)定。

本文針對水電廠AGC核心算法中與調(diào)節(jié)性能關系密切的部分進行分析與設計，同時兼顧水電廠的設備約束和上級管理單位的響應約束，其中前者是AGC算法的制約因子和決定因子。

1 AGC調(diào)節(jié)范圍

1.1 設備約束

AGC調(diào)節(jié)范圍決定于正常情況下機組出力的變化范圍，由機組本身物理特性決定，主要受兩個因素影響。

（1）機組出力上限，即水電廠機組可以發(fā)出的最大功率，除受到機組額定容量限制外，一般還受水頭制約，特別是高水頭、大容量水電廠，不同水頭下機組出力上限往往有較大變化。

（2）機組振動區(qū)，水輪機組運行穩(wěn)定性是行業(yè)內(nèi)普遍存在的難題。特定水頭下，機組在某些負荷區(qū)域運行時會產(chǎn)生較大振動，進而影響到機組的安全穩(wěn)定性及使用壽命。因此，水電廠機組在運行中應盡量避開振動較大的負荷區(qū)域，振動區(qū)的存在限制了機組的調(diào)節(jié)范圍。

1.2 響應約束

（1）《實施細則》規(guī)定當“……AGC調(diào)節(jié)范圍達到可調(diào)容量的40%”或“……調(diào)節(jié)上限為額定容量100%……下限為振動區(qū)上限”時，“視為滿足”。

（2）《算法規(guī)范》對調(diào)節(jié)范圍合格率λ的計算公式為：

式中：P——水電廠AGC調(diào)節(jié)范圍上限；

——水電廠AGC調(diào)節(jié)范圍下限；

S——水電廠當前出力上限，是所有運行機組在當前水頭下出力上限的總和；

——所有運行機組振動區(qū)上限的總和。

1.3 算法設計

AGC以水電廠為控制對象，因此需要將各機組振動區(qū)通過計算轉化為電廠形式的數(shù)據(jù)。

當所有機組振動區(qū)數(shù)量均為1且下限均為0時，AGC調(diào)節(jié)范圍為單一并且連續(xù)的區(qū)間。假設有n臺運行機組，則計算公式為：

式中：Si——機組i在當前水頭下的出力上限；

θi——機組i的狀態(tài)標志，當機組i發(fā)電時，θi值為1，反之則為0。

對于機組有多個振動區(qū)的水電廠，情況則有所不同，例如糯扎渡電廠，其9臺機組在各水頭下的振動區(qū)如表1所示。

主要表現(xiàn)為，機組多振動區(qū)造成了AGC調(diào)節(jié)范圍的不連續(xù)，同時使計算復雜性大大增加[6]，AGC調(diào)節(jié)范圍的計算過程為：

（1）根據(jù)振動區(qū)對機組進行分類，其中1～6號機組為A類，7～9號機組為B類。

（2）在特定水頭下從出力上限中扣除振動區(qū)，得到A類機組的兩個運行區(qū)和B類機組的兩個運行區(qū)

（3）根據(jù)機組在不同運行區(qū)的分布情況，計算A類機組的相應出力區(qū)域和B類機組的相應出力區(qū)域，分別以行向量ΩA和ΩB表示：

式中：nA——發(fā)電狀態(tài)的A類機組臺數(shù)；

nB——發(fā)電狀態(tài)的B類機組臺數(shù)。

（4）計算水電廠對應機組在不同運行區(qū)各種分布情況的所有出力區(qū)域，并取其并集得到AGC調(diào)節(jié)范圍Ω：

當水頭為204m時，根據(jù)糯扎渡電廠運行機組種類及數(shù)量的不同，計算得出水電廠AGC調(diào)節(jié)范圍如表2所示。

1.4 算法評估

由于中國南方電網(wǎng)在對AGC調(diào)節(jié)范圍進行考核時引入了水電廠機組的出力上限、振動區(qū)等設備要素，因此本算法可以同時滿足互相吻合的設備約束和響應約束。

但是《算法規(guī)范》對調(diào)節(jié)范圍合格率λ的計算公式存在兩個問題：

（1）應擴展涵蓋AGC調(diào)節(jié)范圍不連續(xù)的機組多振動區(qū)水電廠。

（2）公式所評估的調(diào)節(jié)范圍參數(shù)為水電廠程序計算或人為設置，可能大于實際的AGC調(diào)節(jié)范圍。

因此，建議同時對AGC調(diào)節(jié)范圍的合格性和真實性進行考核，并修改計算公式以適應機組多振動區(qū)水電廠的考核需要。

2 AGC調(diào)節(jié)精度

2.1 設備約束

水電廠AGC調(diào)節(jié)精度是所有運行機組有功調(diào)節(jié)精度的總體反映。在機組有功調(diào)節(jié)過程中，調(diào)節(jié)機構使機組有功功率不斷趨向于機組有功設定值，當二者差值處于一定范圍內(nèi)時，調(diào)節(jié)完成，該差值范圍即為機組有功調(diào)節(jié)死區(qū)。機組有功調(diào)節(jié)死區(qū)越小則調(diào)節(jié)精度越高，反之則調(diào)節(jié)精度越低。目前普遍采用的機組PID有功調(diào)節(jié)作為一種閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)方式，調(diào)節(jié)精度不依賴于調(diào)節(jié)對象的準確數(shù)學模型[7]，但受機組出力上限和調(diào)節(jié)速率的制約：

（1）隨著出力上限的增大，機組微調(diào)性能降低，調(diào)節(jié)死區(qū)增加，調(diào)節(jié)精度降低。

（2）隨著機組有功調(diào)節(jié)速率的增加，為了保證調(diào)節(jié)穩(wěn)定性，減少有功負荷的反調(diào)量和超調(diào)量，需要增大調(diào)節(jié)死區(qū)，降低調(diào)節(jié)精度。

2.2 響應約束

（1）《技術導則》規(guī)定“…有功功率…與給定值的偏差應為-1%～+1%”，即調(diào)節(jié)死區(qū)須小于出力上限的1%。

（2）《實施細則》規(guī)定“AGC調(diào)節(jié)量誤差不超過3%”，即調(diào)節(jié)死區(qū)須小于出力上限的3%。

（3）《算法規(guī)范》對調(diào)節(jié)精度合格率μ的計算公式為：

式中：P——全廠有功功率；

Pset——全廠有功設定值。

2.3 算法設計

（1）在同時滿足設備約束和響應約束的前提下，合理確定各臺機組的有功調(diào)節(jié)死區(qū)Di：

（2）AGC調(diào)節(jié)死區(qū)D等于所有運行機組調(diào)節(jié)死區(qū)的總和：

2.4 算法評估

根據(jù)本算法，當水電廠全廠有功功率與全廠有功設定值的偏差小于死區(qū)范圍時，AGC調(diào)節(jié)完成，即：

因此，本算法滿足調(diào)度要求。

3 AGC調(diào)節(jié)速率

3.1 設備約束

AGC調(diào)節(jié)速率包括程序響應延遲和負荷變化速率。

程序響應延遲是從調(diào)度機構下達AGC命令到水電廠負荷開始變化的時間，主要受以下因素影響：

（1）調(diào)度發(fā)出全廠有功設定值從調(diào)度傳輸至水電廠需要的時間，決定于通信通道傳輸性能和通信程序執(zhí)行效率。

（2）水電廠對收到的全廠有功設定值進行計算，并分配至機組的時間，主要決定于AGC節(jié)點硬件性能、AGC程序執(zhí)行效率、運算量等，其中該次有功分配產(chǎn)生的運算量與AGC算法有關。

負荷變化速率是實際調(diào)節(jié)過程水電廠負荷變化的快慢，決定于參與AGC調(diào)節(jié)的機組數(shù)量以及各機組的有功調(diào)節(jié)速率；機組的有功調(diào)節(jié)速率決定于調(diào)節(jié)機構性能、PID調(diào)節(jié)參數(shù)，同時與機組出力上限相關。

3.2 響應約束

《技術導則》規(guī)定“從調(diào)度機構下達AGC命令起，至機組開始負荷調(diào)節(jié)時的響應時間不大于10s”。

《技術導則》規(guī)定當“AGC負荷調(diào)節(jié)量不小于25%額定負荷時，調(diào)節(jié)過程中每分鐘的平均負荷調(diào)節(jié)量應不小于50%額定負荷”。

《實施細則》規(guī)定“…AGC調(diào)節(jié)速率要求達到60%額定容量/分鐘以上”。

《算法規(guī)范》對調(diào)節(jié)速率合格率ω的計算過程如下：

（1）對負荷變化超過20MW的調(diào)節(jié)命令進行速率計算：

式中：PS為調(diào)度下達AGC命令時的水電廠全廠有功功率。

（2）確定調(diào)節(jié)起止時間點t1、t2：

（3）計算調(diào)節(jié)速率V：

（4）計算調(diào)節(jié)速率合格率ω：

3.3 算法設計

減少AGC運行過程中的運算量。對于機組多振動區(qū)的水電廠，在進行有功分配計算時，需要根據(jù)全廠有功設定值和各機組的組合出力模型在機組多個出力區(qū)間內(nèi)進行匹配選擇。對機組組合出力模型的建模計算有以下兩種方式：

（1）當水頭發(fā)生變化或運行機組發(fā)生變化時，進行建模運算。

（2）在AGC程序第一次加載時，針對水電廠的所有可能工況進行預建模，將建模結果以文件的形式進行存儲，并根據(jù)AGC運行時的工況改變情況讀取相應的模型文件。

由于AGC算法非線性、多階段的特點，機組組合出力建模運算量較大，因此第二種方式可以有效減少AGC運行過程中的計算量。

增加參與AGC調(diào)節(jié)的機組數(shù)量，大要方法為：

（1）計算AGC有功設定值與水電廠全廠有功功率的差值作為待分配值ΔP。

（2）根據(jù)各機組目標運行區(qū)域的上下限（與調(diào)節(jié)方向一致）和當前有功功率計算出各機組的可分配值Ci并按可分配值從大到小的順序進行優(yōu)先級排序。

（4）按優(yōu)先級順序，在機組可分配值Ci范圍內(nèi)，將待分配值ΔP按照AGC分配步長依次分配至各臺機組，假設水電廠有3臺機組處于發(fā)電狀態(tài)，優(yōu)先級從高到低依次為3號機組、1號機組、2號機組，則分配流程如圖1所示，圖中ΔPi為各機組被分配有功。

從圖1中可見，在待分配值ΔP給定的情況下，參與調(diào)節(jié)的機組臺數(shù)m主要決定于每臺機組的AGC分配步長

依據(jù)《技術導則》規(guī)定，當“AGC負荷調(diào)節(jié)量不小于25%額定負荷時”，若要使所有運行機組參與AGC調(diào)節(jié)，則機組AGC分配步長不能大于機組出力上限Si的25%：

3.4 算法評估

在算法設計中通過減少程序響應延遲、增加參與AGC調(diào)節(jié)機組數(shù)量的方式提高AGC調(diào)節(jié)速率，但仍無法滿足電網(wǎng)要求，主要原因有：

《算法規(guī)范》以負荷變化超過20MW作為調(diào)節(jié)命令的考核門檻，當考核對象為大型水電廠時，遠低于《技術導則》“25%額定負荷”門檻要求。以糯扎渡電廠為例，當水頭高于193m時：

式中：n為糯扎渡電廠運行機組數(shù)量。

導致對于負荷變化較小的調(diào)節(jié)命令，由于以下原因，無法滿足調(diào)度的調(diào)節(jié)速率考核指標：

（2）AGC調(diào)節(jié)過程中，為平衡全廠有功功率，可能出現(xiàn)部分機組反向調(diào)節(jié)，從而在一定程度上抵消了總體調(diào)節(jié)速率。

《算法規(guī)范》中計算調(diào)節(jié)起止時間點的公式（11），差值參數(shù)過低。當考核對象為大型水電廠時，小于AGC調(diào)節(jié)死區(qū)。以糯扎渡電廠為例，當水頭高于193m時：

若全廠有功功率與設定值的差值大于5MW但小于AGC調(diào)節(jié)死區(qū)，則計算得出的調(diào)節(jié)起止時間與實際情況存在偏差。特別是對于調(diào)節(jié)結束時間的判定，由于全廠有功功率與設定值的差值在死區(qū)范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)過程在事實上已結束，但考核程序認為調(diào)節(jié)仍在進行，導致計算得出的調(diào)節(jié)結束時間遠滯后于實際結束時間，從而使計算得出的調(diào)節(jié)速率遠小于實際調(diào)節(jié)速率，如圖2所示。

圖2中，t1為計算得出的調(diào)節(jié)結束時間；Δt1為實際的調(diào)節(jié)結束時間。

以上兩個問題均與水電廠有功調(diào)節(jié)死區(qū)相關，如2.1所述，調(diào)節(jié)死區(qū)受機組調(diào)節(jié)性能的強約束，若為響應調(diào)度考核要求，無視客觀規(guī)律盲目縮小調(diào)節(jié)死區(qū)，則勢必引發(fā)更多問題，反而降低了AGC調(diào)節(jié)性能，因此建議：

（1）根據(jù)水電廠機組容量，適當提高調(diào)節(jié)命令的考核門檻。

（2）修正《算法規(guī)范》中調(diào)節(jié)起止時間點的計算參數(shù)，與2.2中的死區(qū)參數(shù)保持一致[8-9]。

（3）增加對程序響應延遲的考核，計算調(diào)度下發(fā)命令時間點t0，并將程序響應延遲引入考核算法，有以下兩種做法：

1）單獨對程序響應延遲進行考核：

2）綜合對程序響應延遲和負荷變化速率進行考核：

4 結束語

本文從AGC算法設計的角度出發(fā)，在充分考慮水電廠設備技術條件制約的前提下，對提升AGC調(diào)節(jié)性能以盡可能滿足電力行業(yè)和調(diào)度機構的各項要求進行了分析和研究，并對水電廠設備約束和調(diào)度機構響應約束之間的幾點沖突進行了論證，從而為水力發(fā)電行業(yè)的AGC管理工作提供借鑒和參考。

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2017-05-15

2017-09-14

胡 林（1983—），男，工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化控制。E-mail：hulin．lcjgs@163．com

唐 海（1961—），男，高級工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化控制、繼電保護系統(tǒng)，E-mail：tanghai@lcjsd．cn

李 毅（1983—），男，助理工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)自動化控制。E-mail：hydroleey@gmail．com

AGC Algorithm Design and Performance Evaluation for Hydropower Plants of China Southern Power Grid

HU Lin，TANG Hai，LI Yi
（Cascade Control Center of Huaneng Lancang River Hydropower Co.， Ltd， Kunming 650214， China）

As a basic function of electric power automation system，Automatic Generation Control （AGC） has a crucial impact on power quality and grid stability， which is under the direct management of power plant and indirect management of power dispatching mechanism. In order to improve the regulation performance of AGC，this paper， starting from the perspective of the power plant， analyzed the design technique of the relevant part of AGC algorithm and evaluated performance in three aspects： AGC regulation range，regulation precision and regulation velocity. Thus AGC algorithm can meet the relevant requirements of dispatching mechanism and power industry as much as possible under the constraints of power plant’s equipment and technical condition. Besides， via analysing the contradiction that the AGC algorithm is unable to meet the power plant device constraints and response constraints of dispatching mechanism， especially the conflict between dispatching mechanism’s amerce threshold of AGC regulation velocity and calculation method，this paper proposed recommended solutions.

AGC； algorithm； regulation performance； regulation range； regulation precision； regulation velocity

TP2

A學科代碼：510．80

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．010

國家自然科學基金（51579029，51209031），中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助（DUT16QY30）。