基于實時仿真的AGC閉環(huán)測試能力研究

伍文聰，胡斌江，朱益華，胡亞平，郭琦，歐開健

(1. 直流輸電技術(shù)國家重點實驗室(南方電網(wǎng)科學(xué)研究院)，廣州510663；2. 國家能源大電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)(實驗)中心，廣州510663；3. 廣東省新能源電力系統(tǒng)智能運行與控制企業(yè)重點實驗室，廣州510663；4. 中國南方電網(wǎng)公司仿真重點實驗室，廣州510663；5. 中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣州510663)

0 引言

電力系統(tǒng)運行狀態(tài)有不同的評價指標(biāo)，頻率是反映電力系統(tǒng)運行品質(zhì)的重要參數(shù)之一[1]。發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率發(fā)生變化或者系統(tǒng)負(fù)荷產(chǎn)生波動而引發(fā)的系統(tǒng)不平衡狀態(tài)會通過頻率的變化反映出來。當(dāng)前，電網(wǎng)呈現(xiàn)出特高壓、遠(yuǎn)距離、大容量西電東送的輸電格局，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，規(guī)模愈加龐大，電網(wǎng)頻率異常不僅會給電力用戶帶來嚴(yán)重后果，而且會影響電力系統(tǒng)自身運行[2 - 5]。而自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)是維持互聯(lián)電網(wǎng)穩(wěn)定運行的主要手段[6]，AGC實時跟蹤負(fù)荷的變化，調(diào)節(jié)系統(tǒng)有功功率，使系統(tǒng)頻率穩(wěn)定于允許范圍，可以使系統(tǒng)重新回到平衡狀態(tài)。

在電力市場環(huán)境下，AGC是輔助服務(wù)的重要組成部分[7]。電力系統(tǒng)中的負(fù)荷時刻在變動，導(dǎo)致電網(wǎng)頻率時刻處于動態(tài)變化中；電機(jī)突然故障退出運行或負(fù)荷發(fā)生很大波動時，電網(wǎng)瞬間躍變到非穩(wěn)定運行狀態(tài)，這需要網(wǎng)省級調(diào)度交易中心提供AGC輔助服務(wù)。因此，電力市場環(huán)境下AGC作用更加顯著。

為適應(yīng)電力市場建設(shè)需要，南方電網(wǎng)正在開展統(tǒng)一調(diào)頻控制區(qū)建設(shè)[8]，其中最重要的就是網(wǎng)省間的AGC改造，尤其是AGC策略參數(shù)的制定。而AGC控制環(huán)節(jié)眾多、牽涉面廣泛，AGC功能特性測試一直是電網(wǎng)調(diào)度自動化等相關(guān)領(lǐng)域的難題。文獻(xiàn)[9]利用實時數(shù)字仿真器(real-time digital simulator, RTDS)實時仿真平臺對孤島運行方式下云廣直流自動功率調(diào)整功能與送端小灣電廠AGC的相互配合關(guān)系進(jìn)行了仿真研究。文獻(xiàn)[10]對某水電機(jī)組開展單臺機(jī)組AGC性能驗證試驗，該試驗通過現(xiàn)場調(diào)度發(fā)令測試單機(jī)AGC性能。文獻(xiàn)[11]采用試驗—仿真—再試驗的工作模式，首先進(jìn)行一些初步試驗用以了解燃機(jī)、汽機(jī)的負(fù)荷變化特性，并將該特性用于仿真邏輯中，然后利用機(jī)組夜間停運時進(jìn)行一系列的AGC仿真試驗，以驗證邏輯功能并進(jìn)行參數(shù)初步設(shè)置，經(jīng)過大量仿真試驗再進(jìn)行正式試驗。文獻(xiàn)[12]針對特高壓聯(lián)絡(luò)線上的功率波動特點，研究提出了一種網(wǎng)省協(xié)調(diào)的AGC策略，并利用MATLAB/Simulink對華中電網(wǎng)的AGC模型進(jìn)行仿真計算。文獻(xiàn)[13]針對大規(guī)模電力系統(tǒng)二次調(diào)頻控制的動態(tài)仿真問題，采用混雜系統(tǒng)的建模方法，提出了一種適于機(jī)電暫態(tài)及中長期動態(tài)全過程仿真的自動發(fā)電控制模型。文獻(xiàn)[14]通過仿真試驗對比了2種典型機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)策略對機(jī)組一次調(diào)頻和自動發(fā)電控制(AGC)指令的響應(yīng)特性。上述文獻(xiàn)研究未涉及大電網(wǎng)AGC調(diào)度主站功能閉環(huán)仿真測試的研究。而當(dāng)前常用方法是在實際電網(wǎng)中開展AGC閉環(huán)測試，但該測試流程復(fù)雜，需要多個運行單位相互配合，測試工作具有一定風(fēng)險，而當(dāng)南方電網(wǎng)建成統(tǒng)一調(diào)頻市場以后，將更加難以在實際電網(wǎng)中開展AGC功能的測試，因此調(diào)度自動化迫切需要有一個可真實模擬實際電網(wǎng)的仿真環(huán)境，來支撐開展AGC功能測試。

而此前南方電網(wǎng)科學(xué)研究院建設(shè)的電網(wǎng)調(diào)度運行仿真鏡像系統(tǒng)是一個對電網(wǎng)進(jìn)行準(zhǔn)確模擬的系統(tǒng)[15]，可部署調(diào)度自動化的AGC功能應(yīng)用。在技術(shù)路線方面，基于實時仿真的AGC閉環(huán)測試是可行的。為驗證RTDS實時仿真具備開展AGC閉環(huán)測試的能力，本文選取了實際電網(wǎng)的AGC事件進(jìn)行仿真反演，包括現(xiàn)場測試的功率擾動下AGC控制響應(yīng)事件、電網(wǎng)系統(tǒng)頻率波動AGC響應(yīng)事件。本文采用錄波回放方式控制調(diào)頻機(jī)組出力、由AGC應(yīng)用閉環(huán)控制調(diào)頻機(jī)組這兩種不同方式反演來驗證頻率仿真的準(zhǔn)確性以及RTDS開展AGC閉環(huán)測試的能力。

1 基于實時仿真的AGC閉環(huán)仿真系統(tǒng)設(shè)計與構(gòu)建

1.1 系統(tǒng)功能架構(gòu)

基于實時仿真開展AGC調(diào)頻閉環(huán)仿真系統(tǒng)的基本框架如圖1所示。

圖1 AGC調(diào)頻閉環(huán)測試基本框架

鏡像系統(tǒng)主站部署了與實際電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)一致的軟件程序，AGC閉環(huán)測試涉及的主要軟件程序是SCADA和AGC，SCADA負(fù)責(zé)將前置采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，AGC從SCADA獲取計算所需的電網(wǎng)數(shù)據(jù)，主要包括發(fā)電機(jī)組出力、重要線路斷面功率、系統(tǒng)頻率、開關(guān)狀態(tài)等，AGC再將計算得到的調(diào)頻電廠所要承擔(dān)的出力反饋至SCADA，由SCADA經(jīng)前置向?qū)崟r仿真(電網(wǎng))的電廠發(fā)送PLC控制命令，即實時仿真模擬實際電網(wǎng)向AGC功能應(yīng)用提供仿真數(shù)據(jù)，AGC根據(jù)仿真數(shù)據(jù)及內(nèi)部策略發(fā)出PLC控制命令反饋至實時仿真系統(tǒng)，從而形成一個閉環(huán)測試系統(tǒng)，能夠驗證AGC參數(shù)的有效性及開展相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化。

為進(jìn)一步發(fā)揮實時仿真精確仿真的優(yōu)勢，將實時仿真系統(tǒng)與直流控制保護(hù)系統(tǒng)相連，使實時仿真能夠更真實地模擬實際電網(wǎng)。

在本文測試架構(gòu)中實時仿真與鏡像系統(tǒng)主站的接口利用RTDS公司的GTNET板卡(104規(guī)約)實現(xiàn)，即GTNET板卡相當(dāng)于實際電網(wǎng)的RTU裝置，保證了鏡像系統(tǒng)主站采集數(shù)據(jù)方式與實際電網(wǎng)主站一致，區(qū)別是測試采集數(shù)據(jù)是由實時仿真產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)，而非實際電網(wǎng)數(shù)據(jù)。

1.2 大電網(wǎng)RTDS仿真模型

為實現(xiàn)基于實時仿真的AGC閉環(huán)仿真，首要條件是建立對大電網(wǎng)精確仿真的RTDS實時仿真模型，從而對大電網(wǎng)系統(tǒng)頻率進(jìn)行準(zhǔn)確仿真模擬，方可在RTDS與AGC閉環(huán)后完成AGC主站的正確控制。

本文以南方電網(wǎng)夏季負(fù)荷最大的極限方式(簡稱夏大極限方式)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，搭建了南方電網(wǎng)220 kV及以上交直流大電網(wǎng)RTDS仿真模型，同時根據(jù)反演事件的運行方式需要，對開機(jī)方式和負(fù)荷水平進(jìn)行必要調(diào)整。

在大電網(wǎng)RTDS仿真模型中，電機(jī)調(diào)速器對系統(tǒng)頻率起關(guān)鍵作用，為此發(fā)電機(jī)調(diào)速器模型根據(jù)BPA方式數(shù)據(jù)進(jìn)行模型搭建，其中網(wǎng)級調(diào)度機(jī)構(gòu)控制電廠的調(diào)速器主要以GM模型(BPA暫態(tài)穩(wěn)定程序提供的調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型)為主，邏輯結(jié)構(gòu)如圖2所示。同時在RTDS中根據(jù)邏輯結(jié)構(gòu)搭建相同的調(diào)速器控制邏輯。

圖2 GM卡邏輯結(jié)構(gòu)

若RTDS模型庫中的調(diào)速系統(tǒng)模型找不到一致或類似的調(diào)速模型，則需根據(jù)實際系統(tǒng)的傳遞函數(shù)框圖搭建自定義模型，如圖3所示。

圖3 自定義調(diào)速器模型

此外，本文RTDS仿真采用ZIP負(fù)荷模型(40%恒阻抗+30%恒電流+30%恒功率)模擬各廠站負(fù)荷，同時考慮負(fù)荷頻率特性，即負(fù)荷的有功功率和無功功率受頻率偏差影響變化，負(fù)荷模型的邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 ZIP負(fù)荷邏輯結(jié)構(gòu)

1.3 基于實時仿真的AGC閉環(huán)反演方法

上述測試架構(gòu)搭建完成后，為驗證基于實時仿真的AGC閉環(huán)仿真的有效性，在確定選取的多個實際現(xiàn)場AGC動作事件后，制定了相應(yīng)的仿真測試方法，具體如下。

1)收集斷面(AGC動作事件發(fā)生時刻附近)數(shù)據(jù)及方式數(shù)據(jù)，將原RTDS實時仿真模型數(shù)據(jù)中的發(fā)電機(jī)出力及負(fù)荷水平調(diào)整至與AGC動作事件時刻附近的運行方式一致。如表1的數(shù)據(jù)示例，在夏大極限方式中電廠A發(fā)出的有功功率為100 MW，而發(fā)生AGC動作事件前電廠A發(fā)出的有功功率為80 MW，則在RTDS模型中修改功率參考值使得仿真初態(tài)的電廠A出力為80 MW，以同樣的方法修改全電網(wǎng)的電廠及負(fù)荷。

表1 方式調(diào)整數(shù)據(jù)示例

2)利用實際SCADA系統(tǒng)導(dǎo)出參與調(diào)頻機(jī)組或一次調(diào)頻變化較大機(jī)組的出力曲線，如表2所示。修改RTDS模型中上述機(jī)組的出力控制，出力變化參考值按出力曲線下發(fā)控制，全網(wǎng)其他電廠按典型方式數(shù)據(jù)進(jìn)行修改。

表2 電廠出力曲線數(shù)據(jù)示例

3)通過類似錄波回放的方式仿真AGC動作事件中功率變化較大的機(jī)組，仿真全網(wǎng)頻率與實際現(xiàn)場的全網(wǎng)頻率進(jìn)行比較，仿真頻率與實際頻率趨勢吻合，則驗證建立的RTDS仿真模型具備開展AGC頻率仿真的能力。

4)將RTDS實時仿真系統(tǒng)與調(diào)度系統(tǒng)通過104規(guī)約進(jìn)行閉環(huán)，在AGC動作事件中網(wǎng)級調(diào)度參與調(diào)頻的機(jī)組由OS2系統(tǒng)的AGC應(yīng)用進(jìn)行自動控制，中調(diào)參與調(diào)頻的機(jī)組繼續(xù)通過類似錄波回放的方式進(jìn)行出力控制，仿真全網(wǎng)頻率與實際現(xiàn)場的全網(wǎng)頻率進(jìn)行比較，由AGC應(yīng)用閉環(huán)控制機(jī)組的仿真出力與實際出力進(jìn)行比較。

2 AGC仿真反演案例分析

本文選取2個電網(wǎng)實際發(fā)生的AGC動作事件進(jìn)行仿真反演，以研究基于實時仿真的AGC閉環(huán)測試能力，詳細(xì)仿真如下。

2.1 電廠快減出力的AGC動作案例

2018年調(diào)度在實際電網(wǎng)測試了功率擾動情況下AGC控制響應(yīng)情況，擾動生成方式是調(diào)度員手動快速調(diào)整電廠出力，按700 MW/min速度減少出力700 MW，試驗中系統(tǒng)頻率最低49.95 Hz，回到49.975 Hz(死區(qū))，用時3 min。

按前文試驗方法進(jìn)行試驗，一方面由于仿真模型的運行方式與實際反演事件所處的運行方式有差別，另一方面仿真模型的一次調(diào)頻動作比實際情況理想，為使系統(tǒng)頻率能夠下降到死區(qū)外，仿真中調(diào)整減出力比實際多減少約400 MW。電廠減出力后，系統(tǒng)的發(fā)電功率與負(fù)荷不平衡，導(dǎo)致系統(tǒng)頻率下降，觸發(fā)AGC動作，AGC調(diào)整調(diào)頻電廠出力，主要電廠出力比對如圖5所示(虛線為實際出力，實線為仿真出力)。

圖5 電廠出力及系統(tǒng)頻率比對

由仿真結(jié)果可知，參與調(diào)頻的主要電廠的仿真出力與實際出力在變化趨勢及大小基本一致，且仿真頻率與實際頻率趨勢一致，在頻率下降到死區(qū)以外時(死區(qū)為0.025 Hz)，系統(tǒng)能在3 min內(nèi)恢復(fù)到死區(qū)內(nèi)，但在具體細(xì)節(jié)上，仿真與實際的頻率存在差異，分析原因主要有以下方面。

1)由于實際現(xiàn)場的負(fù)荷也是呈現(xiàn)一定變化的，但仿真中負(fù)荷是恒定的。

2)仿真與實際現(xiàn)場的機(jī)組一次調(diào)頻存在差異，仿真的一次調(diào)頻是理想響應(yīng)，而實際機(jī)組的一次調(diào)頻存在未響應(yīng)的情況，導(dǎo)致仿真與實際現(xiàn)場的頻率特性有一定差別。系統(tǒng)減少相同出力，仿真的頻率下降幅度較?。涣硗?，在系統(tǒng)恢復(fù)過程中，仿真的頻率也相對恢復(fù)快。

本次試驗雖然仿真與實際現(xiàn)場的頻率存在一定差異，但趨勢基本一致，可認(rèn)為建立的電網(wǎng)220 kV及以上等級的仿真模型具備仿真電網(wǎng)系統(tǒng)頻率變化的能力。

在驗證RTDS對于電網(wǎng)頻率仿真能力后，將RTDS仿真系統(tǒng)與網(wǎng)級調(diào)度運行監(jiān)控系統(tǒng)(operation control system，OCS)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)，在反演AGC動作事件中參與調(diào)頻的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度電廠由AGC應(yīng)用直接閉環(huán)控制，其他電廠與類似錄波回放方式控制調(diào)頻機(jī)組出力的試驗基本一致。

同樣對調(diào)整電廠進(jìn)行減少出力的操作，試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 調(diào)頻電廠出力及系統(tǒng)頻率比對

從頻率比對結(jié)果來看，與類似錄波回放方式控制調(diào)頻機(jī)組出力的試驗基本一致。在細(xì)節(jié)上，仿真頻率與實際頻率更加吻合。本試驗驗證了RTDS系統(tǒng)是具備與AGC應(yīng)用閉環(huán)試驗的能力。

2.2 電網(wǎng)頻率波動導(dǎo)致的AGC動作案例

電廠E 1臺機(jī)組退出AGC模式，進(jìn)行手動調(diào)節(jié)穿越振動區(qū)操作，全廠出力波動(如圖7實線所示)，進(jìn)而引發(fā)電網(wǎng)頻率波動，最高頻率為50.13 Hz，最低頻率為49.86 Hz，波動周期33 s，波動約3 min后平息(如圖7的虛線所示)。

圖7 現(xiàn)場頻率曲線

同樣采用前文所述的測試方法，電網(wǎng)頻率波動期間功率變化較大的6個電廠發(fā)出的有功功率采用功率回放方式，頻率仿真結(jié)果如圖8所示。仿真結(jié)果中系統(tǒng)頻率波動非常接近實際現(xiàn)場的電網(wǎng)頻率波動情況，頻率最大值為50.14 Hz，最小值為49.86 Hz，平均振蕩周期35 s，約3 min后平息。通過比對頻率的振蕩周期、最大值和最小值，認(rèn)為仿真結(jié)果成功復(fù)現(xiàn)了電網(wǎng)頻率波動現(xiàn)象，同時也說明RTDS實時仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性，能比較真實地反應(yīng)實際電網(wǎng)的頻率特性。

圖8 系統(tǒng)頻率仿真結(jié)果

為驗證基于RTDS實時仿真的AGC閉環(huán)測試能力，將參與調(diào)頻的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度電廠由AGC應(yīng)用直接閉環(huán)控制，其他電廠與類似錄波回放方式控制調(diào)頻機(jī)組出力的試驗基本一致。仿真結(jié)果如圖9—10所示。在頻率波動的前半段，電廠的AGC指令是跟隨頻率振蕩，到了后面半段明顯發(fā)現(xiàn)頻率波動是衰減的，原因是總調(diào)AGC主站策略控制電廠出力可將頻率波動進(jìn)行平復(fù)。仿真的AGC動作指令曲線與現(xiàn)場AGC動作指令趨勢一致，跟隨頻率波動而出現(xiàn)指令的波動調(diào)節(jié)。仿真結(jié)果表明接入OCS系統(tǒng)的AGC主站，RTDS實時仿真能夠驗證AGC主站控制策略。

圖9 AGC閉環(huán)測試的系統(tǒng)頻率仿真結(jié)果

圖10 OCS系統(tǒng)AGC主站下發(fā)的某電廠控制指令

3 結(jié)論與展望

本文通過搭建基于實時仿真的AGC閉環(huán)測試系統(tǒng)，并對實際AGC動作事件進(jìn)行反演驗證，證明了建立的RTDS實時仿真模型具備仿真交直流大電網(wǎng)系統(tǒng)頻率變化的能力，具有較高的準(zhǔn)確性。同時RTDS系統(tǒng)具備與AGC應(yīng)用閉環(huán)試驗的能力，可接入調(diào)度OCS系統(tǒng)的AGC主站，RTDS實時仿真能夠驗證AGC主站控制策略。

但本文提出的閉環(huán)試驗系統(tǒng)還需進(jìn)一步提升仿真精度，主要包括2個方面：1)RTDS仿真中電廠機(jī)組采用的是理論模型，與實際電廠工況存在差異，后續(xù)將在RTDS仿真中依據(jù)實測數(shù)據(jù)搭建調(diào)速器模型，能夠準(zhǔn)確反映實際電網(wǎng)電廠調(diào)速器特性；2)RTDS仿真中負(fù)荷的調(diào)頻特性模型與實際工況也有差異，后續(xù)將考慮建立感應(yīng)電動機(jī)并聯(lián)靜態(tài)負(fù)荷特性的綜合負(fù)荷模型，負(fù)荷模型中的感應(yīng)電動機(jī)采用3階模型，靜態(tài)負(fù)荷特性部分采用ZIP模型，通過此方法提升負(fù)荷的仿真精度。此外，為適應(yīng)新能源將參與調(diào)頻服務(wù)的發(fā)展，目前已在開展新能源頻率控制邏輯的仿真建模研究。

展望未來，本文的研究工作將為后續(xù)進(jìn)一步開展網(wǎng)省AGC聯(lián)合測試提供技術(shù)支持，同時提出的AGC閉環(huán)試驗系統(tǒng)后續(xù)還將應(yīng)用于新能源接入后的頻率控制特性測試、多能互補的網(wǎng)源荷儲協(xié)調(diào)控制技術(shù)研究等場景，具有良好的應(yīng)用前景。