四川電網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃與AGC閉環(huán)控制策略研究

周劍，于昌海，吳繼平，滕賢亮

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司，四川成都610041;2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211000)

四川電網(wǎng)實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃與AGC閉環(huán)控制策略研究

周劍1，于昌海2，吳繼平2，滕賢亮2

(1.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司，四川成都610041;2.國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211000)

四川電網(wǎng)是一個(gè)以水電資源為主的區(qū)域電網(wǎng)，發(fā)電機(jī)組調(diào)節(jié)性能差異大，為了在具有較好控制性能指標(biāo)的同時(shí)保證機(jī)組日前發(fā)電計(jì)劃能夠得到較好的執(zhí)行，提出了實(shí)時(shí)調(diào)度計(jì)劃與自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)協(xié)調(diào)的閉環(huán)控制策略。運(yùn)行結(jié)果驗(yàn)證了所述方法的有效性。

自動(dòng)發(fā)電控制;實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃;協(xié)調(diào)控制;控制模式切換

0 引言

四川電網(wǎng)裝機(jī)規(guī)模持續(xù)快速增長(zhǎng)，截止2014年年底全網(wǎng)統(tǒng)調(diào)裝機(jī)總?cè)萘窟_(dá)45 186 MW，其中水電占比為70.5%，火電占比為28.4%，水電總裝機(jī)容量遠(yuǎn)超火電。隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大和自動(dòng)化水平的不斷提高，CPS評(píng)價(jià)機(jī)制的引入及“三公”調(diào)度的進(jìn)一步深入，對(duì)調(diào)度運(yùn)行和自動(dòng)發(fā)電控制(automation generation control，AGC)的功能優(yōu)化提出了更高的要求。

近年來(lái)，網(wǎng)省調(diào)逐步推進(jìn)日前、日內(nèi)和實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃建設(shè)工作，與AGC相互銜接，在實(shí)現(xiàn)擾動(dòng)調(diào)節(jié)的多級(jí)協(xié)調(diào)和多時(shí)間尺度優(yōu)化中發(fā)揮了積極作用［1－4］。機(jī)組日前發(fā)電計(jì)劃由計(jì)劃部門根據(jù)負(fù)荷預(yù)報(bào)結(jié)果，機(jī)組檢修開(kāi)停機(jī)及電力市場(chǎng)等因素得到。在日前計(jì)劃的基礎(chǔ)上，根據(jù)短期負(fù)荷預(yù)測(cè)和超短期負(fù)荷預(yù)測(cè)的結(jié)果對(duì)日前計(jì)劃進(jìn)行一定程序的修正得到日內(nèi)計(jì)劃和實(shí)時(shí)計(jì)劃［5－6］。負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果與區(qū)域內(nèi)實(shí)際負(fù)荷肯定會(huì)有一定的偏差，在AGC實(shí)時(shí)控制時(shí)必然會(huì)有區(qū)域控制偏差(area control error，ACE)需要機(jī)組參與調(diào)節(jié)。實(shí)時(shí)計(jì)劃與AGC控制周期重合、控制對(duì)象相互影響，實(shí)時(shí)計(jì)劃若未充分考慮電網(wǎng)調(diào)節(jié)性能要求，將增大AGC調(diào)節(jié)壓力，不利于控制行為的優(yōu)化。AGC若未考慮實(shí)時(shí)計(jì)劃的趨勢(shì)指導(dǎo)作用，僅根據(jù)ACE事后反饋調(diào)節(jié)，在未來(lái)時(shí)段難以保持其最優(yōu)調(diào)節(jié)能力。

在發(fā)電機(jī)組參與調(diào)節(jié)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)的同時(shí)，使其調(diào)節(jié)動(dòng)作能夠較好地反映發(fā)電計(jì)劃特征，是“三公”調(diào)度的基本要求，也是提高發(fā)電機(jī)組投入AGC控制積極性的重要手段。此外，實(shí)際運(yùn)行中不同類型、不同控制目標(biāo)機(jī)組運(yùn)行模式轉(zhuǎn)換頻繁，如何根據(jù)電網(wǎng)不同運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)揮AGC機(jī)組和實(shí)時(shí)調(diào)度機(jī)組的作用，組織各類機(jī)組實(shí)現(xiàn)控制角色和調(diào)節(jié)容量的優(yōu)化調(diào)控是提升電網(wǎng)控制性能的又一關(guān)鍵。

針對(duì)ACE調(diào)節(jié)行為對(duì)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)造成的影響，提出了AGC機(jī)組基于發(fā)電計(jì)劃閉環(huán)的改進(jìn)控制算法;同時(shí)，為保證足夠的AGC調(diào)節(jié)備用還提出機(jī)組控制模式配置方案，以及模式切換策略，以適應(yīng)電網(wǎng)不同工況下的擾動(dòng)平衡的需要，進(jìn)一步提升電網(wǎng)動(dòng)態(tài)控制效果，優(yōu)化系統(tǒng)控制性能指標(biāo)。

1 基于機(jī)組控制模式的發(fā)電計(jì)劃閉環(huán)控制策略

1.1 基于動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)步長(zhǎng)的SCHER控制模式

機(jī)組的控制模式由基點(diǎn)功率模式和調(diào)節(jié)功率模式組成，其目標(biāo)出力由基點(diǎn)功率和調(diào)節(jié)功率構(gòu)成。考慮到區(qū)域ACE實(shí)時(shí)變化，機(jī)組調(diào)節(jié)功率在調(diào)節(jié)步長(zhǎng)限定的調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)整，其出力的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過(guò)程將圍繞基點(diǎn)功率上下波動(dòng)。根據(jù)基點(diǎn)來(lái)源不同，將控制模式分為以下兩類:

1)固定基點(diǎn)模式:基點(diǎn)功率由日前、實(shí)時(shí)計(jì)劃方式或人工給定。前兩項(xiàng)由負(fù)荷預(yù)測(cè)、聯(lián)絡(luò)線交換計(jì)劃制定，用于跟蹤負(fù)荷變化趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)超前調(diào)節(jié)。

2)浮動(dòng)基點(diǎn)模式:參與區(qū)域ACE調(diào)節(jié)，基點(diǎn)功率取實(shí)際出力或可調(diào)容量比例分配值，調(diào)節(jié)功率由區(qū)域?qū)嶋H調(diào)節(jié)需求分配得到，屬于滯后閉環(huán)控制，跟蹤實(shí)時(shí)的負(fù)荷變化和功率平衡。

通過(guò)機(jī)組基點(diǎn)功率和調(diào)節(jié)功率兩類指令的協(xié)調(diào)，如SCHER控制模式，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃(機(jī)組基點(diǎn)功率)與AGC調(diào)節(jié)需求(機(jī)組調(diào)節(jié)功率)的協(xié)調(diào)，是實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃與AGC閉環(huán)控制的有效手段。

大型水電機(jī)組具有容量大、調(diào)節(jié)速率快、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，其參與ACE調(diào)節(jié)常用的控制模式為SCHER模式。該模式下，水電機(jī)組目標(biāo)指令是由計(jì)劃值疊加調(diào)節(jié)量得到的。當(dāng)調(diào)節(jié)需求位于死區(qū)范圍時(shí)，機(jī)組將完全跟蹤計(jì)劃曲線;否則，在計(jì)劃值的基礎(chǔ)上承擔(dān)調(diào)節(jié)功率。

水電機(jī)組的調(diào)節(jié)速率非?？欤瑓^(qū)域調(diào)節(jié)需求超出死區(qū)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)ACE快速調(diào)節(jié)，定義該過(guò)程為主動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程;但是在區(qū)域調(diào)節(jié)需求回到死區(qū)后，機(jī)組出力需返回計(jì)劃值，定義該過(guò)程為返回調(diào)節(jié)過(guò)程，當(dāng)多臺(tái)水電機(jī)組同時(shí)進(jìn)入返回調(diào)節(jié)過(guò)程時(shí)，可能給電網(wǎng)造成新的功率擾動(dòng)。

圖1 SHCER模式機(jī)組調(diào)節(jié)示意圖

因此，有必要區(qū)分SCHER模式的主動(dòng)調(diào)節(jié)和返回調(diào)節(jié)過(guò)程，并采用不同的控制參數(shù)和控制邏輯。

1)主動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程

主動(dòng)調(diào)節(jié)過(guò)程可采用較大調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，目的為實(shí)現(xiàn)ACE快速調(diào)節(jié)。為避免機(jī)組長(zhǎng)時(shí)段調(diào)節(jié)導(dǎo)致實(shí)際出力偏離發(fā)電計(jì)劃太遠(yuǎn)，以機(jī)組的發(fā)電計(jì)劃為基準(zhǔn)，上下擴(kuò)充一定的帶寬，形成計(jì)劃值調(diào)整帶，作為機(jī)組的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)范圍。為保證事故狀態(tài)下機(jī)組能夠提供快速的功率支援，在緊急控制區(qū)可考慮暫時(shí)取消計(jì)劃帶寬的限制。

2)返回調(diào)節(jié)過(guò)程

返回調(diào)節(jié)過(guò)程中，采用較小的返回調(diào)節(jié)步長(zhǎng)，減小每次調(diào)節(jié)帶來(lái)的擾動(dòng);返回調(diào)節(jié)過(guò)程中，為減緩機(jī)組的返回調(diào)節(jié)，每次下發(fā)指令的命令間隔也應(yīng)作限制，以達(dá)到與其他調(diào)節(jié)資源動(dòng)態(tài)置換的配合效果。

1.2 計(jì)劃帶寬約束的AGC控制策略

一般自動(dòng)控制模式下，機(jī)組基點(diǎn)功率始終為當(dāng)前實(shí)際出力，與發(fā)電計(jì)劃無(wú)關(guān)聯(lián)。機(jī)組根據(jù)承擔(dān)的調(diào)節(jié)功率，在整個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)上下調(diào)節(jié)。如果在一段時(shí)間內(nèi)，區(qū)域的調(diào)節(jié)需求方向相對(duì)單一，機(jī)組出力可能會(huì)很大程度地偏離發(fā)電計(jì)劃。如果要求機(jī)組跟蹤計(jì)劃又必須預(yù)留出一部分調(diào)節(jié)空間參與全網(wǎng)ACE控制時(shí)，可采用上述的按需調(diào)整的計(jì)劃模式，但按需調(diào)整的計(jì)劃模式在ACE小于控制死區(qū)時(shí)要求機(jī)組的實(shí)際出力重新回到計(jì)劃值，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組的來(lái)回調(diào)整。為減少機(jī)組的來(lái)回調(diào)整，可采用計(jì)劃帶寬模式。計(jì)劃帶寬模式以機(jī)組的發(fā)電計(jì)劃為基準(zhǔn)，上下擴(kuò)充一定的帶寬，形成計(jì)劃值調(diào)整帶，作為計(jì)劃帶寬模式機(jī)組的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)范圍。在正常情況下，機(jī)組只能在此計(jì)劃值調(diào)整帶范圍內(nèi)上下調(diào)節(jié)，只有當(dāng)計(jì)劃值無(wú)效，才恢復(fù)機(jī)組固有的調(diào)節(jié)范圍。

圖2 計(jì)劃帶寬約束示意圖

調(diào)整帶生成方法如下:假設(shè)計(jì)劃值為Pb，機(jī)組調(diào)節(jié)上限為Pmax，機(jī)組調(diào)節(jié)下限為Pmin，帶寬為w，調(diào)整帶上限為Bmax，調(diào)整帶下限為Bmin。

調(diào)整帶邊界為

同時(shí)要根據(jù)以下條件進(jìn)行修正:

當(dāng)，Pb+w＞Pmax，Bmax=Pmax(3)

當(dāng)Pb－w＜Pmin，Bmin=Pmin(4)

通過(guò)上述方法計(jì)算機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍，機(jī)組可以在這個(gè)調(diào)節(jié)范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，而不用在調(diào)節(jié)ACE后返回計(jì)劃值，可減少不必要的來(lái)回調(diào)節(jié)。

2 適應(yīng)電網(wǎng)多復(fù)雜工況的機(jī)組控制模式自動(dòng)切換策略

現(xiàn)階段AGC機(jī)組作為電網(wǎng)基本調(diào)控單元，其實(shí)時(shí)調(diào)整能力與電網(wǎng)頻率和聯(lián)絡(luò)線交換功率密切相關(guān)，一旦失去調(diào)節(jié)能力，CPS指標(biāo)將嚴(yán)重惡化。實(shí)時(shí)運(yùn)行控制中需要足夠的調(diào)節(jié)備用以應(yīng)對(duì)未來(lái)負(fù)荷調(diào)整和突發(fā)擾動(dòng)的調(diào)節(jié)需求?，F(xiàn)有調(diào)度控制系統(tǒng)中，AGC機(jī)組的控制模式由調(diào)度員依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)人工設(shè)定和決策修改，這就導(dǎo)致預(yù)留AGC備用具有不確定性，預(yù)留備用過(guò)多或過(guò)少都難以兼顧系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性和安全性的要求。

于是提出了一種電網(wǎng)工況自適應(yīng)機(jī)組模式自動(dòng)切換方案，根據(jù)電網(wǎng)不同工況下負(fù)荷調(diào)整需要，適時(shí)調(diào)整機(jī)組控制模式:負(fù)荷爬坡時(shí)段，通過(guò)增加固定基點(diǎn)機(jī)組，超前跟蹤負(fù)荷波動(dòng)，減少機(jī)組調(diào)整壓力，滿足負(fù)荷爬坡要求;負(fù)荷平穩(wěn)時(shí)段，合理配置浮動(dòng)基點(diǎn)機(jī)組，滿足區(qū)域調(diào)節(jié)備用需求，保證區(qū)域ACE和CPS指標(biāo)控制要求。大功率區(qū)外來(lái)電失去、大機(jī)組跳閘事故擾動(dòng)發(fā)生時(shí)，電網(wǎng)實(shí)時(shí)功率缺額反映在ACE上，而實(shí)時(shí)發(fā)電計(jì)劃僅能更新未來(lái)15 min計(jì)劃值點(diǎn)，此時(shí)需要更多的浮動(dòng)基點(diǎn)機(jī)組參與緊急ACE調(diào)節(jié)，以快速平抑?jǐn)_動(dòng)。

實(shí)時(shí)運(yùn)行控制中需要足夠的調(diào)節(jié)備用以應(yīng)對(duì)未來(lái)負(fù)荷調(diào)整和突發(fā)擾動(dòng)的調(diào)節(jié)需求，因此將電網(wǎng)分為正常和緊急兩種工況，建立適應(yīng)兩種工況下的機(jī)組模式切換方案。為避免切換機(jī)組選擇的無(wú)序性，將系統(tǒng)中部分機(jī)組作為可在固定基點(diǎn)和浮動(dòng)基點(diǎn)模式間自由轉(zhuǎn)換的機(jī)組，該類機(jī)組定義為緩沖機(jī)組。方案數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

自適應(yīng)模式切換功能實(shí)時(shí)監(jiān)視電網(wǎng)運(yùn)行工況、負(fù)荷波動(dòng)和AGC調(diào)節(jié)備用信息，正常工況下，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷快速爬坡或AGC調(diào)節(jié)備用無(wú)法滿足最小調(diào)節(jié)備用限值時(shí)，則啟動(dòng)模式切換策略，以提高負(fù)荷快速跟蹤和擾動(dòng)調(diào)節(jié)能力。當(dāng)監(jiān)測(cè)到直流輸電故障或大機(jī)組跳閘等緊急工況發(fā)生時(shí)，則啟動(dòng)ACE緊急控制策略，將固定基點(diǎn)模式的緩沖機(jī)組轉(zhuǎn)為浮動(dòng)基點(diǎn)模式，應(yīng)對(duì)功率緊急缺口。在緊急工況退出或AGC調(diào)節(jié)容量恢復(fù)后，浮動(dòng)基點(diǎn)模式緩沖機(jī)組分批依次返回固定基點(diǎn)。

圖3 自適應(yīng)控制模式切換數(shù)據(jù)流程框圖

3 試驗(yàn)及運(yùn)行

所提出的優(yōu)化策略已在四川電網(wǎng)D5000智能調(diào)度控制系統(tǒng)AGC軟件中實(shí)施應(yīng)用，在調(diào)度生產(chǎn)實(shí)際中取得了良好的控制效果。

圖4為四川電網(wǎng)某SCHER模式水電機(jī)組采用動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)步長(zhǎng)后的調(diào)節(jié)跟蹤過(guò)程。從圖4中可以看出該機(jī)組大步長(zhǎng)參與ACE調(diào)節(jié)、小步長(zhǎng)返回計(jì)劃值，且控制爬坡速率，減小了對(duì)電網(wǎng)沖擊。

圖4 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)步長(zhǎng)控制跟蹤過(guò)程

為進(jìn)一步檢驗(yàn)AGC調(diào)節(jié)對(duì)機(jī)組發(fā)電計(jì)劃的影響，對(duì)瀑布溝水電站在策略執(zhí)行前后兩年同一日電量完成情況比對(duì)分析結(jié)果見(jiàn)表1所示。數(shù)據(jù)表明新策略實(shí)施以后，AGC調(diào)節(jié)機(jī)組的計(jì)劃電量完成情況也得到顯著改善。

Sichuan power grid is a regional power grid mainly on hydroelectric power，so the regulation performance of generating units varies widely.In order to achieve a better control performance target and good execution of day－ahead generation schedule，a coordinated control strategy with real－time generation scheduling and automatic generation control(AGC)is proposed.The operation results show the validity of the proposed strategy.

automatic generation control(AGC);real－time generation scheduling;coordinated control;control mode switching

TM73

A

1003－6954(2015)06－0060－03