新型電力系統(tǒng)下水電側(cè)自動(dòng)發(fā)電控制改進(jìn)與應(yīng)用

鄭慧娟，芮 鈞，蔡 杰，閻應(yīng)飛，花勝?gòu)?qiáng)

（南瑞集團(tuán)（國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院）有限公司，江蘇 南京 211106）

0 引 言

構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)，保障我國(guó)能源安全的重要技術(shù)途徑。新型電力系統(tǒng)抗擾動(dòng)能力降低，電網(wǎng)承受較大潮流波動(dòng)壓力，頻率控制難度加大。為了平抑風(fēng)電、光伏等新能源出力的隨機(jī)性、波動(dòng)性，新型電力系統(tǒng)要求包括常規(guī)水電和抽水蓄能電站在內(nèi)的調(diào)峰電源更加靈活高效。由于電力系統(tǒng)負(fù)荷實(shí)時(shí)平衡的特性，長(zhǎng)期以來自動(dòng)發(fā)電控制（Automatic Generation Control，AGC）始終在電力系統(tǒng)安全高效運(yùn)行中發(fā)揮關(guān)鍵技術(shù)作用［1］。作為電網(wǎng)AGC系統(tǒng)的重要組成部分，水電廠AGC負(fù)責(zé)根據(jù)電網(wǎng)AGC下達(dá)的實(shí)時(shí)負(fù)荷指令，實(shí)時(shí)確定水電側(cè)機(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行臺(tái)數(shù)、運(yùn)行機(jī)組的組合和機(jī)組間的負(fù)荷分配，以滿足用電需求，并盡量避免由于電力系統(tǒng)負(fù)荷短時(shí)波動(dòng)而導(dǎo)致機(jī)組的頻繁啟停。

在新型電力系統(tǒng)中，大量常規(guī)水電廠將從電量生產(chǎn)和電力調(diào)峰并重，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏φ{(diào)峰為主、電量生產(chǎn)為輔的運(yùn)行模式，以適應(yīng)電網(wǎng)接納大規(guī)模新能源的現(xiàn)實(shí)需求。雖然，大中型水電廠被普遍認(rèn)為具備良好的調(diào)峰能力，但在上述運(yùn)行模式轉(zhuǎn)變的過程中，仍然面臨源網(wǎng)協(xié)調(diào)能力不足的問題。而水電廠AGC的改進(jìn)將是解決上述問題的重要途徑。近年來，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者也圍繞水電廠AGC開展了大量研究，但普遍集中在負(fù)荷分配策略改進(jìn)方面［2-6］，或提出相應(yīng)的群智能算法優(yōu)化［7］。但上述研究大多停留在理論層面，應(yīng)用于工程實(shí)踐中仍然面臨不少問題，使得水電側(cè)AGC在系統(tǒng)整體功能、性能上難以滿足新型電力系統(tǒng)的源網(wǎng)協(xié)調(diào)能力要求。

本文在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水電側(cè)自動(dòng)發(fā)電控制研究的基礎(chǔ)上，以提高機(jī)組可利用率與電網(wǎng)調(diào)控響應(yīng)能力為目標(biāo)，開展新型電力系統(tǒng)對(duì)水電側(cè)AGC能力的需求分析，提出改進(jìn)的水電側(cè)AGC系統(tǒng)架構(gòu)，研究水電廠AGC改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合華電集團(tuán)古田溪梯級(jí)水電站試點(diǎn)應(yīng)用以及參與電網(wǎng)水風(fēng)光互補(bǔ)調(diào)控模擬實(shí)驗(yàn)的情況進(jìn)行分析和展望，以期進(jìn)一步提高水電廠源網(wǎng)協(xié)調(diào)能力，提升水電在新型電力系統(tǒng)中的重要支撐作用。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

隨著新能源由輔助電源逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橹髁﹄娫?，其大?guī)模參與電網(wǎng)AGC時(shí)，在一次調(diào)頻能力、高/低電壓穿越能力不足的情況下，會(huì)造成晚高峰電力供應(yīng)緊張以及低谷調(diào)峰困難，增加了電網(wǎng)調(diào)度不確定性及復(fù)雜度。電網(wǎng)對(duì)水電側(cè)AGC提出運(yùn)行范圍、調(diào)節(jié)速率和穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)精度等方面精細(xì)化的性能指標(biāo)要求。其中，運(yùn)行范圍主要指電廠/機(jī)組滿負(fù)荷的百分比下限容量；調(diào)節(jié)速率主要包括接收到調(diào)度指令后開始動(dòng)作的延時(shí)，以及實(shí)際有功功率調(diào)節(jié)到調(diào)度給定值的時(shí)長(zhǎng)；穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)精度主要指調(diào)節(jié)結(jié)束進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工況的有功功率實(shí)發(fā)值與調(diào)度給定值之間的偏差。水電廠AGC運(yùn)行范圍主要取決于水電機(jī)組的振動(dòng)區(qū)、氣蝕區(qū)等機(jī)械物理特性，需要通過水輪機(jī)葉片加工等手段才能加以改進(jìn)，存在技術(shù)難度大、成本高且效果十分有限的問題，因此實(shí)際應(yīng)用非常少見。穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)精度主要取決于水電廠AGC、機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)死區(qū)，若調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)定較大，則各類輔機(jī)設(shè)備啟停次數(shù)相對(duì)較少，可以減少輔機(jī)設(shè)備的磨損，但可能無法滿足新型電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度要求；若調(diào)節(jié)死區(qū)設(shè)定較小，則可以很好地滿足型電力系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度要求，但會(huì)加大各類輔機(jī)設(shè)備的磨損。這部分僅需要通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，確定相對(duì)合理的調(diào)節(jié)死區(qū)即可。調(diào)節(jié)速率最為復(fù)雜，因?yàn)槠渑c遠(yuǎn)動(dòng)通信、水電廠AGC運(yùn)算、機(jī)組設(shè)定值下發(fā)等環(huán)節(jié)的耗時(shí)，以及調(diào)速器調(diào)節(jié)速率等因素均緊密相關(guān)。從實(shí)際情況來看，目前國(guó)內(nèi)仍有不少水電廠存在因AGC不滿足電網(wǎng)響應(yīng)速率要求而被考核的情況。隨著新型電力系統(tǒng)對(duì)水電廠AGC性能要求日益提高，響應(yīng)速率問題將日益突出。因此，需要研究改進(jìn)水電廠AGC響應(yīng)速率的策略，提升水電廠側(cè)響應(yīng)新能源出力快速變化的新情況，以滿足新型電力系統(tǒng)發(fā)展需要。

此外，目前水電廠及流域水電企業(yè)均為獨(dú)立市場(chǎng)主體，依靠發(fā)電及提供電力輔助服務(wù)獲取經(jīng)濟(jì)效益。因此，水電廠AGC需要在滿足電網(wǎng)實(shí)時(shí)有功負(fù)荷指令要求，以及運(yùn)行范圍、調(diào)節(jié)速率和穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)精度等性能指標(biāo)的前提下，以電站自身經(jīng)濟(jì)運(yùn)行效益最大化為目標(biāo)，根據(jù)電站的庫容、各機(jī)組容量和運(yùn)行特性（汽蝕區(qū)、振動(dòng)區(qū)）的不同，在水電廠自身安全運(yùn)行的強(qiáng)約束條件下，通過最優(yōu)化的開機(jī)組合及負(fù)荷分配，使所投入AGC運(yùn)行的機(jī)組盡可能運(yùn)行在高效率區(qū)，同時(shí)避免機(jī)組頻繁穿越振動(dòng)區(qū)和頻繁啟停操作，以實(shí)現(xiàn)特定有功出力下的最小耗水率。以往研究通?；诟倪M(jìn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法或群智能優(yōu)化算法。然而，當(dāng)前水電廠單機(jī)容量越來越大，裝機(jī)臺(tái)數(shù)越來越多，而AGC的實(shí)時(shí)性要求非常高，使得改進(jìn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法在大型或巨型水電站群應(yīng)用時(shí)會(huì)遭遇維數(shù)災(zāi)問題，此時(shí)意味著水電側(cè)AGC難以在電網(wǎng)規(guī)定的時(shí)間內(nèi)正確響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷指令，將給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重的影響。雖然在中小型水電站中并不會(huì)遭遇維數(shù)災(zāi)問題，但這將導(dǎo)致水電廠AGC難以成為可在不同場(chǎng)景下標(biāo)準(zhǔn)化復(fù)用的成熟產(chǎn)品，既影響了水電廠AGC產(chǎn)品的迭代升級(jí)，也不利于電網(wǎng)AGC技術(shù)持續(xù)完善。群智能算法雖然可以有效地解決維數(shù)災(zāi)問題，但其存在參數(shù)率定難、陷入局部最優(yōu)解甚至偶爾得不到解、求解過程難以復(fù)現(xiàn)的問題。參數(shù)率定難同樣意味著難以形成可產(chǎn)業(yè)化推廣應(yīng)用的成熟軟件，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)部署調(diào)試人員的技能要求極高，將極大制約水電廠AGC的工程應(yīng)用。陷入局部最優(yōu)解意味著水電廠AGC未能實(shí)現(xiàn)全廠耗水率最小化的目標(biāo)，而偶發(fā)找不到可行解的問題，將直接導(dǎo)致AGC負(fù)荷分配失敗，從而無法及時(shí)響應(yīng)電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)指令，給電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。求解過程難以復(fù)現(xiàn)的問題則影響更大，這意味著電網(wǎng)下達(dá)相同的有功負(fù)荷指令，水電廠AGC的輸出將是不確定的，運(yùn)行人員無法預(yù)知水電廠AGC的輸出規(guī)律，尤其是在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證、程序缺陷處理中會(huì)明顯加大技術(shù)難度和工作量。上述問題導(dǎo)致目前的理論研究成果均難以被有效應(yīng)用于實(shí)際工程，當(dāng)前水電廠實(shí)際應(yīng)用的AGC仍然以簡(jiǎn)單的負(fù)荷平均分配原則以及規(guī)避振動(dòng)區(qū)的原則進(jìn)行負(fù)荷分配計(jì)算，并未在確保安全的前提下實(shí)現(xiàn)水能資源的最優(yōu)化利用。為此，需要在現(xiàn)有理論研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究能夠有效兼顧工程應(yīng)用需求的靈活優(yōu)化分配策略。首先是要確保電廠最大有功范圍內(nèi)始終能夠得到可行解，而不至于出現(xiàn)負(fù)荷分配失敗的問題，具備足夠的可靠性和魯棒性；其次是要能夠有效兼容成熟的傳統(tǒng)AGC負(fù)荷分配策略以及各類先進(jìn)的理論研究成果，既能夠適應(yīng)小水電現(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)單部署的需求，也能夠適應(yīng)大中型水電廠負(fù)荷優(yōu)化分配的需求。最后，要靈活適應(yīng)電網(wǎng)仿真試驗(yàn)、梯級(jí)流域多電站大規(guī)模部署等不同應(yīng)用場(chǎng)景，在對(duì)模型、算法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化封裝的前提下，允許根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求進(jìn)行簡(jiǎn)單、高效的二次開發(fā)工作，進(jìn)一步提高水電廠AGC的適用性。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

針對(duì)上述需求，研究并提出了適用于新型電力系統(tǒng)的水電廠自動(dòng)發(fā)電控制改進(jìn)方法，對(duì)傳統(tǒng)水電廠的AGC軟件程序進(jìn)行重構(gòu)，并將其從SCADA系統(tǒng)中獨(dú)立出來，研制水電廠AGC專用裝置。通過數(shù)據(jù)流優(yōu)化設(shè)計(jì)、現(xiàn)地裝置化實(shí)現(xiàn)、并行計(jì)算體系及場(chǎng)景自適應(yīng)改進(jìn)等技術(shù)，提高水電廠AGC的實(shí)時(shí)響應(yīng)速率和負(fù)荷優(yōu)化分配能力，為新型電力系統(tǒng)提供更好的調(diào)峰調(diào)頻能力支撐。AGC專用裝置的軟件分為主機(jī)程序和客戶端程序兩部分組成。總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Overall design

配置客戶端主要包括組態(tài)配置、實(shí)時(shí)監(jiān)視和仿真調(diào)試3個(gè)模塊。其中，組態(tài)配置模塊提供系統(tǒng)參數(shù)配置、從裝置上傳配置、配置信息下載等功能；實(shí)時(shí)監(jiān)視模塊提供實(shí)時(shí)畫面、報(bào)警記錄、統(tǒng)計(jì)查詢、數(shù)據(jù)評(píng)估等功能，通過裝置數(shù)據(jù)接口獲取實(shí)時(shí)及歷史數(shù)據(jù)，并展示AGC運(yùn)行信息；仿真調(diào)試模塊屏蔽機(jī)組負(fù)荷分配值等所有控制輸出，允許調(diào)試人員通過人機(jī)交互接口對(duì)裝置發(fā)送全廠有功設(shè)定值、機(jī)組狀態(tài)、機(jī)組實(shí)發(fā)值等控制令或狀態(tài)值，并監(jiān)視裝置的負(fù)荷分配結(jié)果。調(diào)試人員可通過實(shí)時(shí)畫面進(jìn)入或退出仿真調(diào)試狀態(tài)。

為保證裝置運(yùn)行性能，程序由C實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)時(shí)，配置監(jiān)視模塊從預(yù)先下載的配置文件中加載配置信息，并采用系統(tǒng)共享內(nèi)存方式與采集數(shù)據(jù)共同存儲(chǔ)在核心數(shù)據(jù)區(qū)域。AGC核心計(jì)算程序?qū)崟r(shí)監(jiān)視共享內(nèi)存區(qū)采集到的調(diào)度令、機(jī)組狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)，根據(jù)運(yùn)行閉鎖條件執(zhí)行數(shù)據(jù)有效性檢查，并進(jìn)行機(jī)組的開停機(jī)組合與有功負(fù)荷優(yōu)化分配計(jì)算。采用Modbus TCP、IEC 61850等通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與控制令接收，采集后的數(shù)據(jù)需進(jìn)行預(yù)處理操作，例如對(duì)SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行辨識(shí)、檢查錯(cuò)誤量測(cè)、對(duì)重要指令或數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤進(jìn)行告警提醒，以保證數(shù)據(jù)的可靠性和正確性。

不同規(guī)模水電廠AGC可靠性和經(jīng)濟(jì)性要求各異，為此設(shè)計(jì)中考慮支持3種不同的部署模式：模式1配置主備兩臺(tái)AGC裝置，采用熱備冗余方式，備用裝置保持與主用裝置同樣的斷面數(shù)據(jù)，并通過接收心跳報(bào)文監(jiān)視主用裝置的狀態(tài)，當(dāng)主用裝置不在線或其核心程序異常時(shí)，備用裝置自動(dòng)升級(jí)為主用裝置。單獨(dú)配置客戶端計(jì)算機(jī)，對(duì)主備兩臺(tái)裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視。模式2配置一臺(tái)AGC裝置，單機(jī)運(yùn)行無熱備冗余裝置，配置一臺(tái)客戶端服務(wù)器對(duì)單裝置進(jìn)行監(jiān)視與配置。模式3不配置專用AGC裝置，主機(jī)程序及客戶端均按照在Linux服務(wù)器上，該模式下所有配置操作直接讀寫本地文件，無需使用客戶端的下載與上傳功能。3種部署方式如圖2所示。

圖2 3種部署模式Fig.2 Schemes of deployment

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 提升響應(yīng)速率的數(shù)據(jù)流優(yōu)化設(shè)計(jì)

影響水電廠AGC響應(yīng)速率的主要因素包括接電網(wǎng)AGC負(fù)荷指令接收耗時(shí)、水電廠實(shí)時(shí)運(yùn)行工況數(shù)據(jù)接收耗時(shí)、AGC負(fù)荷分配耗時(shí)，以及調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)耗時(shí)。由于本文重點(diǎn)研究水電廠AGC自身的改進(jìn)策略，因此將調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)耗時(shí)作為外部固定約束，應(yīng)滿足電網(wǎng)考核中接收調(diào)度指令后開始動(dòng)作的延時(shí)時(shí)間以及實(shí)際有功功率調(diào)節(jié)到調(diào)度給定值的時(shí)長(zhǎng)要求，并重點(diǎn)從前3個(gè)因素方面進(jìn)行研究。在此3個(gè)因素中，兩個(gè)因素都與數(shù)據(jù)通信有關(guān)，涉及到多臺(tái)計(jì)算機(jī)、多個(gè)進(jìn)程之間的雙向網(wǎng)絡(luò)通信，在傳統(tǒng)的等比例負(fù)荷分配模式下，在數(shù)據(jù)獲取方面的耗時(shí)甚至遠(yuǎn)大于負(fù)荷分配的耗時(shí)。為此，首先從數(shù)據(jù)流優(yōu)化設(shè)計(jì)方面入手，通過優(yōu)化水電廠AGC與外部的數(shù)據(jù)交互機(jī)制來提升相應(yīng)速率。

水電廠AGC數(shù)據(jù)交互主要可分為三類：第一類是接收網(wǎng)調(diào)AGC下發(fā)的有功設(shè)定值指令，并上送水電廠有功可調(diào)上下限、全廠有功實(shí)發(fā)值等各類相關(guān)信息，通常采用IEC 60870-5-104通信協(xié)議；第二類是采集水電廠內(nèi)各機(jī)組、母線等設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括機(jī)組水頭、有功等實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以及LCU故障、通信中斷等異常事件信號(hào)；第三類是根據(jù)機(jī)組負(fù)荷分配計(jì)算結(jié)果，將投入成組控制的各類機(jī)組有功分配值，下發(fā)給對(duì)應(yīng)的機(jī)組調(diào)速器。傳統(tǒng)水電廠AGC依賴于SCADA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)程進(jìn)行上述三類數(shù)據(jù)交互，即由SCADA數(shù)據(jù)服務(wù)進(jìn)程從網(wǎng)調(diào)AGC接收四遙（遙控、遙調(diào)、遙測(cè)、遙信）通信數(shù)據(jù)，并將AGC所需全部數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給AGC功能模塊，AGC負(fù)荷分配結(jié)果及運(yùn)行統(tǒng)計(jì)信息也由SCADA系統(tǒng)主機(jī)或通信服務(wù)器負(fù)責(zé)分別傳輸給調(diào)速器和網(wǎng)調(diào)AGC。

從國(guó)內(nèi)大中型水電廠AGC實(shí)際運(yùn)行情況來看，SCADA數(shù)據(jù)服務(wù)與AGC模塊的數(shù)據(jù)雙向轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)節(jié)，影響了AGC響應(yīng)速率，可改為由水電廠AGC直接完成上述三類數(shù)據(jù)交互。在網(wǎng)調(diào)AGC數(shù)據(jù)通信方面，接收有功負(fù)荷下行指令時(shí)，可減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的耗時(shí)，運(yùn)行范圍統(tǒng)計(jì)值計(jì)算完后可以直接上送，避免了SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信程序循環(huán)周期的等待耗時(shí)。同理，借助智能水電廠“三層兩網(wǎng)”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系，針對(duì)第二類和第三類數(shù)據(jù)交互，也可由AGC功能模塊采用IEC 61850或Modbus TCP等網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，與支持網(wǎng)絡(luò)通信功能的各類智能測(cè)控裝置進(jìn)行直接雙向通信，并通過多鏈路數(shù)據(jù)通信方式，實(shí)現(xiàn)不同機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)的并行采集與處理，進(jìn)一步縮短數(shù)據(jù)交互通信時(shí)間，提高調(diào)節(jié)響應(yīng)速率。改進(jìn)前和改進(jìn)后的水電廠AGC通信環(huán)節(jié)如圖3所示。改進(jìn)后由AGC直接控制機(jī)組出力，也可將出力值發(fā)給SCADA控制，同時(shí)SCADA送出全廠及機(jī)組運(yùn)行數(shù)據(jù)反饋給AGC判斷是否調(diào)節(jié)到位。

圖3 水電廠AGC數(shù)據(jù)流優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.3 Optimization of data flows for hydro-plant AGC

2.2 基于邊緣計(jì)算的現(xiàn)地裝置化實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)水電廠AGC作為高級(jí)應(yīng)用功能運(yùn)行在SCADA系統(tǒng)的主服務(wù)器上。SCADA系統(tǒng)需兼顧實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、越限判斷、控制指令處理等優(yōu)先級(jí)高的實(shí)時(shí)任務(wù)，甚至還需具備EDC（梯級(jí)經(jīng)濟(jì)調(diào)度控制）、閘門自動(dòng)控制、智能輔助監(jiān)盤等高級(jí)應(yīng)用功能，服務(wù)器負(fù)載也日益加大。

為此，考慮利用水電廠智能現(xiàn)地測(cè)控裝置提供的邊緣計(jì)算功能，將部分高級(jí)應(yīng)用功能下沉到現(xiàn)地進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。與上位機(jī)軟件可以根據(jù)每個(gè)工程很方便的定制化不同，基于裝置的應(yīng)用軟件通常會(huì)直接在裝置生產(chǎn)的過程中直接固化在其中。因此程序是否能夠做到標(biāo)準(zhǔn)化是其是否能夠下沉到邊緣計(jì)算的關(guān)鍵所在，而上述各類高級(jí)應(yīng)用中，EDC、閘門自動(dòng)控制、智能輔助監(jiān)盤工程應(yīng)用較少，尚處于起步階段，需要經(jīng)常性地升級(jí)完善，而AGC和AVC工程應(yīng)用相對(duì)成熟。雖然各個(gè)區(qū)域電網(wǎng)對(duì)水電廠AGC的要求略有不同，但其核心功能均相同。只需要提供一個(gè)可靈活配置的組態(tài)工具，針對(duì)不同區(qū)域電網(wǎng)、不同應(yīng)用場(chǎng)景的個(gè)性化需求進(jìn)行組態(tài)，生成相應(yīng)的配置文件下發(fā)到裝置中即可，從而可實(shí)現(xiàn)AGC程序的標(biāo)準(zhǔn)化。因此，將傳統(tǒng)水電廠AGC后臺(tái)程序移植到裝有嵌入式Linux操作系統(tǒng)的現(xiàn)地智能測(cè)控裝置中，實(shí)現(xiàn)AGC數(shù)據(jù)通信、負(fù)荷分配、安全閉鎖等核心功能的下沉，從而提高水電廠AGC響應(yīng)速率。

上述基于邊緣計(jì)算的現(xiàn)地裝置化實(shí)現(xiàn)方式，除了能夠降低高級(jí)應(yīng)用服務(wù)器負(fù)載，提高水電廠AGC響應(yīng)速度以外，還能夠有效降低AGC程序的現(xiàn)場(chǎng)部署、運(yùn)行維護(hù)的技術(shù)難度，滿足現(xiàn)地快速安裝部署的需求。在新型電力系統(tǒng)中，今后水電與新能源互補(bǔ)運(yùn)行控制的應(yīng)用場(chǎng)景越來越多。由于新能源場(chǎng)站面廣點(diǎn)多，會(huì)面臨新能源側(cè)AGC大規(guī)?？焖俨渴鸬男枨蟆Ｉ鲜鲅b置化實(shí)現(xiàn)方式，為今后拓展應(yīng)用于新能源電站奠定了良好的基礎(chǔ)。借助“云-邊-端”協(xié)同技術(shù)體系，今后還可以在確保網(wǎng)絡(luò)安全的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)地AGC裝置的智能遠(yuǎn)程運(yùn)維。

2.3 基于多代理技術(shù)的并行計(jì)算體系

在水電廠AGC負(fù)荷分配策略方面，目前全國(guó)水電廠普遍采用負(fù)荷等比例分配并考慮規(guī)避振動(dòng)區(qū)的方式，該方法簡(jiǎn)單可靠，但無法實(shí)現(xiàn)發(fā)電耗水率最小化的目標(biāo)。為此，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法及多目標(biāo)蟻群等開展改進(jìn)負(fù)荷分配策略改進(jìn)研究。為了兼顧傳統(tǒng)水電廠AGC分配策略和最新理論研究成果，提出基于多代理技術(shù)的水電廠AGC并行計(jì)算體系。多代理系統(tǒng)由多個(gè)代理共同合作來組成，其基本單元是代理（Agent），代理可以與其所在環(huán)境進(jìn)行互動(dòng)。多代理系統(tǒng)憑借其靈活的結(jié)構(gòu)和自治行為，能夠很好地解決不同負(fù)荷分配策略之間的協(xié)調(diào)問題。為了體現(xiàn)代理的單元自治性，將多代理系統(tǒng)（Multi-Agent System-MAS）模型分為兩級(jí)，第1級(jí)為水電廠AGC全局代理（GA），第2級(jí)為負(fù)荷分配代理（DA）。其中，GA位于多代理系統(tǒng)的頂層，主要工作任務(wù)有：①驗(yàn)證并加載配置文件，啟動(dòng)水電廠AGC主程序；②通過遠(yuǎn)動(dòng)通信從電網(wǎng)AGC獲取負(fù)荷指令，并將實(shí)時(shí)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)值返送給電網(wǎng)AGC；③從SCADA系統(tǒng)中獲取機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、有功實(shí)發(fā)值等實(shí)時(shí)信息；④將負(fù)荷分配的結(jié)果分別發(fā)送給各機(jī)組的調(diào)速系統(tǒng)；⑤監(jiān)視SCADA系統(tǒng)中的故障信號(hào)，并執(zhí)行自動(dòng)退出單機(jī)AGC、自動(dòng)退出全廠AGC等安全閉鎖機(jī)制；⑥接受上位機(jī)的運(yùn)維指令，包括重啟程序、重啟裝置、修改配置文件等；DA位于GA下一級(jí)，每個(gè)不同的負(fù)荷分配策略均對(duì)應(yīng)獨(dú)立的DA，主要負(fù)責(zé)根據(jù)GA請(qǐng)求的待分配有功負(fù)荷，計(jì)算出優(yōu)化的機(jī)組間負(fù)荷分配方案。水電廠AGC多代理架構(gòu)如圖4所示。

圖4 水電廠AGC多代理示意圖Fig.4 MAS structure of hydro-plant AGC

典型的配置是DA1選擇常規(guī)等比例分配方法，DA2選擇改進(jìn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃（DP）算法，DA3選擇遺傳算法（GA）、粒子群算法（PSO）等群智能算法，分別發(fā)揮上述不同類型算法的優(yōu)勢(shì)。常規(guī)等比例分配方法可以確保在DA2遭遇維數(shù)災(zāi)時(shí)，無法在給定時(shí)間內(nèi)尋找到最優(yōu)解時(shí)，輸出一個(gè)可靠的可行解。改進(jìn)動(dòng)態(tài)規(guī)劃利用有功負(fù)荷分配問題的無后效性問題，進(jìn)行快速求解，其本質(zhì)還是遍歷原理，因此在未遭遇維數(shù)災(zāi)的情況下，能夠相對(duì)可靠地得到最優(yōu)解。群智能算法在參數(shù)率定合理的情況下，可以比動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法更快地獲得較好的解，以提高水電廠AGC的響應(yīng)速度。

上述水電廠AGC多代理架構(gòu)，與智能測(cè)控裝置的多核多線程并行計(jì)算能力相結(jié)合，就可構(gòu)建基于多代理技術(shù)的水電廠AGC并行計(jì)算體系，實(shí)現(xiàn)多種負(fù)荷分配算法同時(shí)求解。由于各種算法所需要的時(shí)間不同，應(yīng)采用異步并行計(jì)算方法，并設(shè)定最大的允許計(jì)算時(shí)間。若達(dá)到最大計(jì)算時(shí)間時(shí)，仍有DA未主動(dòng)反饋負(fù)荷分配結(jié)果，則GA負(fù)責(zé)強(qiáng)行終止該DA的計(jì)算過程，并在各DA已反饋的負(fù)荷分配結(jié)果中選擇耗水量最小的方案作為最終方案。若所有DA均在設(shè)定的最大計(jì)算時(shí)間前反饋了分配結(jié)果，則GA負(fù)責(zé)提前結(jié)束本次負(fù)荷分配任務(wù)，立即輸出耗水量最小的負(fù)荷分配方案，從而進(jìn)一步提高水電廠AGC的響應(yīng)速率。

2.4 靈活應(yīng)用組態(tài)的場(chǎng)景適用性改進(jìn)

新型電力系統(tǒng)下水電側(cè)AGC的應(yīng)用場(chǎng)景較以往更為復(fù)雜，例如為了提高對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定性保障作用，需要對(duì)原有的電網(wǎng)AGC下發(fā)計(jì)劃負(fù)荷曲線進(jìn)行插值處理，提前進(jìn)行開停機(jī)和負(fù)荷操作；為了減少機(jī)組功率調(diào)節(jié)過程中的負(fù)荷波動(dòng)，使得水電廠調(diào)節(jié)出力過程更加平穩(wěn)，需要判斷計(jì)算出的負(fù)荷分配結(jié)果與相應(yīng)機(jī)組當(dāng)前實(shí)發(fā)值的差異，若差值大于給定最大單次調(diào)節(jié)范圍時(shí)，需要按照單次最大調(diào)節(jié)范圍，分多次下達(dá)有功設(shè)定值；為了更好地實(shí)現(xiàn)與新能源互補(bǔ)運(yùn)行，也需要與新能源AGC系統(tǒng)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交互，并優(yōu)化自身的輸出結(jié)果；為了更好地對(duì)新型電力系統(tǒng)下的多元能源系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合仿真，需要在仿真過程中對(duì)部分參量進(jìn)行自動(dòng)化設(shè)值，并對(duì)輸出的結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)化校驗(yàn)等任務(wù)。

為了可以在標(biāo)準(zhǔn)化的水電廠AGC程序基礎(chǔ)上，靈活地適應(yīng)上述復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景，在AGC裝置中增加腳本加載和執(zhí)行功能，可以調(diào)用AGC數(shù)據(jù)讀取接口，獲得所需數(shù)據(jù)（機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、限定條件、振動(dòng)區(qū)等信息），也可以調(diào)用AGC數(shù)據(jù)讀取接口對(duì)機(jī)組負(fù)荷分配值進(jìn)行復(fù)核，并下發(fā)控制令給指定通信程序。若腳本輸出類型為負(fù)荷調(diào)節(jié)或開停機(jī)等控制指令，則自動(dòng)將控制指令發(fā)布至消息隊(duì)列中，并經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通信程序發(fā)送給對(duì)應(yīng)的機(jī)組。

針對(duì)不同的任務(wù)類型，設(shè)計(jì)了兩種不同的腳本類型：①定時(shí)掃描執(zhí)行：根據(jù)腳本設(shè)置的定時(shí)掃查周期，定時(shí)輪循定時(shí)掃描腳本，并執(zhí)行腳本文件，比如負(fù)荷計(jì)劃曲線即可采用此種方式掃查計(jì)劃曲線是否已下達(dá)，并執(zhí)行曲線的處理步驟，提前按改進(jìn)的AGC策略計(jì)算各時(shí)間點(diǎn)的機(jī)組負(fù)荷分配值；②觸發(fā)執(zhí)行：實(shí)時(shí)掃查腳本的輸入源狀態(tài)，如果輸入源狀態(tài)發(fā)生改變，立刻進(jìn)行對(duì)應(yīng)腳本的執(zhí)行計(jì)算。使用觸發(fā)式腳本，可縮短從變位發(fā)生到腳本計(jì)算完成的時(shí)間，避免計(jì)算資源浪費(fèi)。腳本計(jì)算流程如圖5所示。

圖5 腳本計(jì)算流程圖Fig.5 Flow chart of script calculation process

為了便捷地對(duì)裝置中的腳本進(jìn)行管理，在SCADA系統(tǒng)上位機(jī)中增加用于AGC腳本管理的靈活應(yīng)用組態(tài)功能，如圖6所示。通過圖形化的方式完成在線讀取、腳本編輯、語法檢查、版本管理、模擬運(yùn)行、腳本下發(fā)等功能。

圖6 AGC腳本靈活組態(tài)界面Fig.6 UI of script editor for AGC

3 應(yīng)用案例

將AGC程序運(yùn)行于PowerPC開發(fā)板與x86工控機(jī)上，測(cè)試執(zhí)行效率，結(jié)果如表1所示。對(duì)比分析表明，在主循環(huán)執(zhí)行時(shí)間方面，X86耗時(shí)略小于PowerPC，但兩者差距很小，但在設(shè)值執(zhí)行時(shí)間方面，X86耗時(shí)明顯小于PowerPC。因此，選擇X86作為AGC裝置的開發(fā)平臺(tái)?？紤]到外部通信需要，搭配8/16路隔離串口和4路100M/1000M自適應(yīng)以太網(wǎng)接口。

表1 不同硬件平臺(tái)AGC計(jì)算速度比較 msTab.1 AGC computation speed of different hardware

采用上述改進(jìn)設(shè)計(jì)的水電廠AGC裝置已在古田溪水力發(fā)電廠正式投運(yùn)，采用主備裝置熱備冗余方式部署，從設(shè)備可在主設(shè)備故障時(shí)自動(dòng)切換為主用模式。裝置接收福建省調(diào)AGC下達(dá)的四級(jí)電站總有功負(fù)荷指令，經(jīng)過正確性校核后完成4級(jí)電站的各機(jī)組負(fù)荷分配與控制，并提供AGC單機(jī)及全廠投退、模式切換操作等功能。作為新中國(guó)第一座梯級(jí)水電站，古田溪水力發(fā)電廠擁有一級(jí)至四級(jí)四座電站，總裝機(jī)容量324 MW。其中一級(jí)電站水庫正常水位382 m、總庫容6.42 億m3，為不完全多年調(diào)節(jié)水庫，電站裝機(jī)2×55 MW；二級(jí)電站壩高43.5 m，為日調(diào)節(jié)電站，裝機(jī)2×65 MW；三級(jí)電站壩高43 m，裝機(jī)2×21 MW；四級(jí)電站大壩壩高45 m，裝機(jī)2×21 MW。工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況表明，與傳統(tǒng)的水電廠AGC相比，改進(jìn)的AGC裝置可使得整體響應(yīng)時(shí)間縮短5 s以上，顯著提高了水電廠AGC的響應(yīng)速度。此外，上述改進(jìn)設(shè)計(jì)的AGC裝置也作為重要的試驗(yàn)裝置，參與了國(guó)網(wǎng)湖南省電力公司大規(guī)模新能源接入電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)風(fēng)電波動(dòng)工況下水電機(jī)組調(diào)節(jié)模擬試驗(yàn)，利用其靈活的腳本組態(tài)功能，實(shí)測(cè)并驗(yàn)證了新能源接入后的水電機(jī)組調(diào)節(jié)能力與機(jī)組安全運(yùn)行。

4 結(jié) 論

深入分析了新型電力系統(tǒng)發(fā)展對(duì)水電廠AGC的功能和性能需求，并結(jié)合傳統(tǒng)水電廠AGC與理論研究成果，提出了改進(jìn)的水電廠AGC系統(tǒng)架構(gòu)，并重點(diǎn)闡述了實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)架構(gòu)的若干關(guān)鍵技術(shù)原理及實(shí)現(xiàn)方式，包括數(shù)據(jù)流優(yōu)化設(shè)計(jì)、現(xiàn)地裝置化實(shí)現(xiàn)、并行計(jì)算體系以及適用性改進(jìn)等。實(shí)際應(yīng)用情況表明，改進(jìn)的水電廠AGC裝置可有效解決水電廠面臨的AGC響應(yīng)速率不足的問題，并通過腳本功能使得其能夠被方便地用于新型電力系統(tǒng)多元能源互補(bǔ)調(diào)控仿真等復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)景中。此外，該裝置在程序標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)場(chǎng)快速部署等方面也具有明顯優(yōu)勢(shì)。

重點(diǎn)針對(duì)水電廠AGC體系架構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，研制標(biāo)準(zhǔn)化的通用水電廠AGC裝置，主要目的在于提高水電廠AGC的響應(yīng)速率，滿足新型電力系統(tǒng)高質(zhì)量發(fā)展要求。在水電廠AGC各類優(yōu)化策略的比較分析，群智能優(yōu)化算法工程應(yīng)用等方面，還有待今后開展進(jìn)一步深入研究。