楊 平，董國威

(上海電力學(xué)院 電力與自動(dòng)化工程學(xué)院，上海 200090)

0 引言

自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)已在區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)的電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。一般采用日前計(jì)劃、實(shí)時(shí)調(diào)度、AGC相配合的有功調(diào)度模式，也與經(jīng)濟(jì)調(diào)度構(gòu)成一體化系統(tǒng)。AGC作用于區(qū)域互聯(lián)電網(wǎng)的效果評(píng)價(jià)已從早先的A標(biāo)準(zhǔn)改變?yōu)镃PS(Control Performance Standard)標(biāo)準(zhǔn)。CPS標(biāo)準(zhǔn)是北美電力可靠性協(xié)會(huì) (NERC)于1996年出臺(tái)了基于統(tǒng)計(jì)學(xué)原理的區(qū)域控制標(biāo)準(zhǔn)。CPS標(biāo)準(zhǔn)著眼于頻率質(zhì)量和某個(gè)控制區(qū)域內(nèi)頻率偏差控制的長(zhǎng)期性能，更為合理地鼓勵(lì)各控制區(qū)域積極參與調(diào)整互聯(lián)電網(wǎng)的運(yùn)行頻率，充分發(fā)揮大電網(wǎng)的優(yōu)越性。

研究CPS標(biāo)準(zhǔn)下的AGC控制策略，是近年來調(diào)度自動(dòng)化的熱點(diǎn)課題。由相關(guān)專題研究文獻(xiàn)，可發(fā)現(xiàn)許多兼顧C(jī)PS標(biāo)準(zhǔn)的AGC控制新策略。文獻(xiàn)[1]提出一種根據(jù)CPS指標(biāo)修正ACE的AGC分區(qū)控制策略。文獻(xiàn)[2]在傳統(tǒng)CPS控制策略的基礎(chǔ)上引入了新的判斷條件 (區(qū)域控制偏差與頻率偏差的乘積因子)，通過該條件來判斷機(jī)組狀態(tài)是否對(duì)系統(tǒng)的頻率恢復(fù)有利，從而控制AGC機(jī)組的調(diào)節(jié)動(dòng)作，但是其僅通過試驗(yàn)證明在單區(qū)域電力系統(tǒng)中是有效的，沒有在互聯(lián)電網(wǎng)中進(jìn)行試驗(yàn)該方法的有效性。文獻(xiàn)[3]根據(jù)電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況和CPS考核要求，提出將AGC最小調(diào)節(jié)容量的獲取轉(zhuǎn)換為最小調(diào)節(jié)速率的獲取，從而確定不同時(shí)段最優(yōu)AGC機(jī)組調(diào)節(jié)容量，協(xié)調(diào)不同特性機(jī)組的運(yùn)行，從而保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，同時(shí)很好地兼顧電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性和市場(chǎng)運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。文獻(xiàn)[4]提出了CPS調(diào)節(jié)功率分量這一新概念，并將其與比例分量和積分分量相結(jié)合，構(gòu)成區(qū)域總調(diào)節(jié)功率PR，通過引人調(diào)節(jié)功率動(dòng)態(tài)死區(qū)的概念，進(jìn)一步提出了根據(jù)區(qū)域總調(diào)節(jié)功率而不是ACE來劃分AGC控制區(qū)域的方法，從而減少機(jī)組不必要的過零動(dòng)作，但是PR的不確定性，使此策略實(shí)現(xiàn)起來比較困難。文獻(xiàn)[5]提出了基于CPS統(tǒng)計(jì)特性的自適應(yīng)自動(dòng)發(fā)電控制策略，解決了參數(shù)自動(dòng)整定問題，借鑒引用了以經(jīng)濟(jì)性和指標(biāo)性為主的優(yōu)化控制方法，研究表明，該策略可在保證CPS考核合格率的同時(shí)有效減輕發(fā)電廠的調(diào)節(jié)壓力。此外，還有一些新控制策略在文獻(xiàn)[6]中有所論述。

以下所述研究主要是對(duì)文獻(xiàn)[1]提出的分區(qū)控制策略進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)的要點(diǎn)是簡(jiǎn)化了分區(qū)條件和以修正PID參數(shù)替代了修正ACE。改進(jìn)后的效果是明顯提高了CPS指標(biāo)和和頻率質(zhì)量。

1 AGC分區(qū)控制策略分析

文獻(xiàn)[1]介紹了一種適應(yīng)CPS標(biāo)準(zhǔn)的和易實(shí)現(xiàn)的AGC分區(qū)控制策略。其分區(qū)方法和對(duì)應(yīng)的控制策略如表1所示。

表1 AGC分區(qū)控制策略Tab.1 AGC zoning control strategy

表1中，ACE為區(qū)域控制偏差;Δf為頻率控制偏差;fe為頻率偏差控制目標(biāo)值;L10為ACE 10 min平均值的控制限值。

從表1可以看出，分區(qū)的依據(jù)主要是三個(gè)變量，即，CPS1，ACE和Δf。其中CPS1是統(tǒng)計(jì)數(shù)值，代表的是過去一段時(shí)間的系統(tǒng)控制質(zhì)量指標(biāo);而ACE和Δf是當(dāng)下的系統(tǒng)控制質(zhì)量指標(biāo)。可以說，這種分區(qū)方法是既考慮了過去又考慮了現(xiàn)在的控制質(zhì)量指標(biāo)。雖然是依據(jù)三個(gè)變量分區(qū)，但是也分主次，即，以CPS1為主，以ACE和Δf為輔。系統(tǒng)的控制質(zhì)量狀態(tài)被分為了4個(gè)區(qū):保持區(qū)、正常調(diào)節(jié)區(qū)、輔助調(diào)節(jié)區(qū)、不過零調(diào)節(jié)區(qū)。相應(yīng)的控制對(duì)策為:保持原控制不變、正常調(diào)節(jié)、強(qiáng)化調(diào)節(jié)、弱化調(diào)節(jié)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，這些控制對(duì)策的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)簡(jiǎn)單。所謂保持就是控制輸出不變。所謂正常調(diào)節(jié)就是取控制輸出為按A1標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的AGC控制器的輸出。所謂強(qiáng)化和弱化調(diào)節(jié)就是改變了AGC控制器的輸入量ACE;強(qiáng)化時(shí)，所取ACE的絕對(duì)值比原來的ACE的大一些;弱化時(shí)，比原來的小一些。這相當(dāng)于使控制器的增益在強(qiáng)化時(shí)增大而在弱化時(shí)減小。

總的看來，文獻(xiàn)[1]所提出的適應(yīng)CPS標(biāo)準(zhǔn)的AGC分區(qū)控制策略是設(shè)計(jì)合理和簡(jiǎn)單易行的。但是，其控制質(zhì)量狀態(tài)分區(qū)方法有點(diǎn)繁瑣，其控制對(duì)策的實(shí)現(xiàn)又有點(diǎn)太簡(jiǎn)單，尤其在強(qiáng)化和弱化調(diào)節(jié)上明顯粗糙。為此，提出三點(diǎn)改進(jìn)思路:

(1)現(xiàn)在普遍應(yīng)用的控制器均為PID控制器。而ACE是AGC控制系統(tǒng)的被控量，又是AGC控制器的輸入量。因此，文獻(xiàn)[1]所提出的AGC分區(qū)控制策略中的ACE調(diào)整功效完全可以改用PID控制器中的Kp參數(shù)調(diào)整來實(shí)現(xiàn)。此外，PID控制器中的 Kp，Ki，Kd三個(gè)參數(shù)的變化對(duì)CPS指標(biāo)均有影響。因此，對(duì)Kp，Ki，Kd三個(gè)參數(shù)同時(shí)進(jìn)行調(diào)整，將可期望CPS指標(biāo)改善的更大空間。

(2)PID參數(shù)組有些對(duì)頻率偏差控制特別有效、有些對(duì)聯(lián)絡(luò)線功率偏差控制特別有效、有些對(duì)CPS指標(biāo)控制特別有效。因此根據(jù)相應(yīng)的情況應(yīng)用相應(yīng)的PID參數(shù)組。當(dāng)CPS指標(biāo)偏差大時(shí)，應(yīng)用對(duì)CPS指標(biāo)恢復(fù)有很強(qiáng)控制能力的PID參數(shù)組;當(dāng)CPS指標(biāo)偏差小時(shí)，應(yīng)用對(duì)頻率控制特別有效的PID參數(shù)組。

(3)從CPS指標(biāo)CPS1的定義式上看，變量CPS1就是過去一段時(shí)間的ACE和Δf組合量的統(tǒng)計(jì)數(shù)值。所以，在控制質(zhì)量狀態(tài)分區(qū)時(shí)，即便不考慮當(dāng)前的ACE和Δf，應(yīng)該影響也不大。再有，當(dāng)前的AGC控制器主要依據(jù)ACE來控制，而ACE包含了Δf變量，所以，欠缺的主要是對(duì)CPS指標(biāo)的兼顧。因此，在控制質(zhì)量狀態(tài)分區(qū)時(shí)，放棄對(duì)當(dāng)前的ACE和Δf變量的依賴，應(yīng)該是明智的選擇。只依據(jù)CPS1指標(biāo)進(jìn)行控制質(zhì)量狀態(tài)分區(qū)，將可以大幅簡(jiǎn)化分區(qū)處理過程，并且使控制目標(biāo)變得簡(jiǎn)單明了。

2 改進(jìn)的分區(qū)控制策略設(shè)計(jì)

按照只依據(jù)CPS1指標(biāo)進(jìn)行控制質(zhì)量狀態(tài)分區(qū)的改進(jìn)思路，采取兩個(gè)CPS1指標(biāo)的分區(qū)界限值:200%和CPS1V。CPS1可稱為警戒值，是在0%至200%的范圍內(nèi)的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)取值。于是，控制質(zhì)量狀態(tài)區(qū)被分為三個(gè)區(qū)域:保持區(qū)、警戒區(qū)和緊急區(qū)。在不同的分區(qū)內(nèi)將采用不同的控制策略，見圖1。

圖1 改進(jìn)分區(qū)控制策略Fig.1 Improved AGC zoning control strategy

按照CPS1指標(biāo)分區(qū)控制策略可按區(qū)闡述如下:

(1)警戒區(qū)

進(jìn)入條件:200%≥CPS1≥CPS1V。

控制策略:不調(diào)整AGC控制器的3個(gè)PID參數(shù)(Kp，Ki，Kd)。

(2)緊急區(qū)

進(jìn)入條件:CPS1≤CPS1V。

控制策略:調(diào)整AGC控制器的3個(gè)PID參數(shù)(Kp，Ki，Kd)。調(diào)整的目標(biāo)是使CPS1指標(biāo)回歸到警戒值以上。詳見下節(jié)。

PID參數(shù)的具體調(diào)整算法 (以Kp調(diào)整為例):

(3)保持區(qū)

進(jìn)入條件:CPS1≥200%

控制策略:AGC控制輸出保持原來數(shù)值不變。

3 仿真驗(yàn)證試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)所提出的分區(qū)控制改進(jìn)策略的有效性，有必要進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證試驗(yàn)。為此采用了文獻(xiàn)[7]中所用的一種 MATLAB/SIMULINK仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)模型，見圖2。該系統(tǒng)模型為經(jīng)典的兩區(qū)域電網(wǎng)AGC控制系統(tǒng)。區(qū)域1和區(qū)域2均為2 000 MW。設(shè)定聯(lián)絡(luò)線參數(shù)a12=－Pr1/Pr2=－1;區(qū)域中汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)速度限制為3%/min。具體參數(shù)詳見文獻(xiàn)[7]。通過代換區(qū)域AGC控制器模塊Controller1和Controller2的手法，分別進(jìn)行了采用不考慮CPS指標(biāo)的PID控制策略(所用控制器模塊詳見文獻(xiàn)[7])、考慮CPS指標(biāo)的分區(qū)控制策略 (所用控制器模塊參見圖3)和分區(qū)控制改進(jìn)策略的AGC控制試驗(yàn) (所用控制器模塊參見圖4)。

圖3為AGC分區(qū)控制器的Simulink模型。其中，kese1 Calculator模塊的功能是計(jì)算控制過程中的頻率波動(dòng)參數(shù)ε1;CPS Calculator模塊的功能是計(jì)算 ACE修正模塊所需要的參數(shù) CPS1，fe，L10;Subsystem of Change ACE模塊是修正模塊，將按控制質(zhì)量狀態(tài)分區(qū) (保持區(qū)、正常調(diào)節(jié)區(qū)、輔助調(diào)節(jié)區(qū)、不過零調(diào)節(jié)區(qū))對(duì)ACE的當(dāng)前值進(jìn)行修正。

圖4為AGC分區(qū)改進(jìn)控制器的Simulink模型。其中，CPS Calculator模塊的功能是根據(jù)ACE和Δf進(jìn)行計(jì)算實(shí)時(shí)CPS1;KI changer，KP changer，KD changer模塊均為PID系數(shù)調(diào)整模塊，其結(jié)構(gòu)相同，功能相似。在進(jìn)行AGC分區(qū)控制改進(jìn)試驗(yàn)時(shí)，PID參數(shù)調(diào)整算法中的幾個(gè)參數(shù)選定為:

在仿真驗(yàn)證試驗(yàn)中，采用文獻(xiàn)[8]中的負(fù)荷擾動(dòng)模型作為擾動(dòng)試驗(yàn)信號(hào)。主要考慮了周期10 s以內(nèi)的較小幅值的負(fù)荷分量和周期10 s到數(shù)分鐘的負(fù)荷分量。所構(gòu)成的擾動(dòng)試驗(yàn)信號(hào)形如圖5所示。

圖5 負(fù)荷擾動(dòng)曲線Fig.5 the output of the system with load disturbance

分別對(duì)PID控制策略、分區(qū)控制策略、分區(qū)控制改進(jìn)策略進(jìn)行仿真試驗(yàn)。圖6和圖7分別為仿真試驗(yàn)所得的區(qū)域1和區(qū)域2的CPS1指標(biāo)曲線。圖中，實(shí)線曲線對(duì)應(yīng)分區(qū)改進(jìn)控制策略;點(diǎn)線曲線對(duì)應(yīng)PID控制策略;點(diǎn)劃線曲線對(duì)應(yīng)分區(qū)控制策略。可以看出AGC分區(qū)改進(jìn)控制較PID控制和AGC分區(qū)控制在兩電網(wǎng)區(qū)域的CPS1指標(biāo)上都有明顯的提高。

分別統(tǒng)計(jì)三種控制策略試驗(yàn)過程中的兩個(gè)電網(wǎng)區(qū)域的頻率偏差均方根，即各區(qū)域的ε1，可得如表2所示結(jié)果。該結(jié)果說明用分區(qū)改進(jìn)控制策略的頻率偏差均方根比未改進(jìn)前大幅減小。雖然這個(gè)結(jié)果和用PID控制策略的結(jié)果差不多，但是，是在明顯提高CPS1指標(biāo)下得到的。也就是說，在提高CPS1指標(biāo)的前提下也能保持頻率偏差控制的高水準(zhǔn)。

表2 應(yīng)用三種控制策略的頻率偏差均方根Tab.2 Frequency root square error with applying 3 kind of control strategy

4 結(jié)論

在AGC系統(tǒng)的控制質(zhì)量狀態(tài)分區(qū)上，本文改進(jìn)方法比原方法更簡(jiǎn)潔、更合理。其簡(jiǎn)潔性體現(xiàn)在:分區(qū)數(shù)由4變3，判別條件數(shù)由5變2。其合理性體現(xiàn)在不重復(fù)考慮當(dāng)前的ACE和Δf變量，因?yàn)镃PS1已是過去一段時(shí)間的ACE和Δf的組合量。

在針對(duì)CPS指標(biāo)的控制量修正上，本文改進(jìn)方法比原方法更細(xì)致、更全面。其細(xì)致性體現(xiàn)在把ACE加或減一個(gè)固定數(shù)值改變?yōu)闊o級(jí)調(diào)整PID參數(shù)值。其全面性體現(xiàn)在動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性一起修正，因?yàn)楸壤鲆婧蜁r(shí)間常數(shù)同時(shí)在調(diào)整。

仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，AGC分區(qū)控制改進(jìn)策略的實(shí)施效果相比于未改進(jìn)前明顯提高了CPS1指標(biāo)值，又顯著降低了頻率偏差均方根值。證明了AGC分區(qū)控制改進(jìn)策略的正確性和有效性。