周劍，于昌海，吳繼平，滕賢亮

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

四川電網(wǎng)實時發(fā)電計劃與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.國網(wǎng)四川省電力公司，四川成都610041;2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京211000)

四川電網(wǎng)是一個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)的同時保證機(jī)組日前發(fā)電計劃能夠得到較好的執(zhí)行，提出了實時調(diào)度計劃與自動發(fā)電控制(AGC)協(xié)調(diào)的閉環(huán)控制策略。運(yùn)行結(jié)果驗證了所述方法的有效性。

自動發(fā)電控制;實時發(fā)電計劃;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，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)大和自動化水平的不斷提高，CPS評價機(jī)制的引入及“三公”調(diào)度的進(jìn)一步深入，對調(diào)度運(yùn)行和自動發(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，網(wǎng)省調(diào)逐步推進(jìn)日前、日內(nèi)和實時發(fā)電計劃建設(shè)工作，與AGC相互銜接，在實現(xiàn)擾動調(diào)節(jié)的多級協(xié)調(diào)和多時間尺度優(yōu)化中發(fā)揮了積極作用［1－4］。機(jī)組日前發(fā)電計劃由計劃部門根據(jù)負(fù)荷預(yù)報結(jié)果，機(jī)組檢修開停機(jī)及電力市場等因素得到。在日前計劃的基礎(chǔ)上，根據(jù)短期負(fù)荷預(yù)測和超短期負(fù)荷預(yù)測的結(jié)果對日前計劃進(jìn)行一定程序的修正得到日內(nèi)計劃和實時計劃［5－6］。負(fù)荷預(yù)測結(jié)果與區(qū)域內(nèi)實際負(fù)荷肯定會有一定的偏差，在AGC實時控制時必然會有區(qū)域控制偏差(area control error，ACE)需要機(jī)組參與調(diào)節(jié)。實時計劃與AGC控制周期重合、控制對象相互影響，實時計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若未考慮實時計劃的趨勢指導(dǎo)作用，僅根據(jù)ACE事后反饋調(diào)節(jié)，在未來時段難以保持其最優(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)荷波動的同時，使其調(diào)節(jié)動作能夠較好地反映發(fā)電計劃特征，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)組和實時調(diào)度機(jī)組的作用，組織各類機(jī)組實現(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ACE調(diào)節(jié)行為對機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)造成的影響，提出了AGC機(jī)組基于發(fā)電計劃閉環(huán)的改進(jìn)控制算法;同時，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)不同工況下的擾動平衡的需要，進(jìn)一步提升電網(wǎng)動態(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)電計劃閉環(huán)控制策略

1.1 基于動態(tài)調(diào)節(jié)步長的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?？紤]到區(qū)域ACE實時變化，機(jī)組調(diào)節(jié)功率在調(diào)節(jié)步長限定的調(diào)節(jié)區(qū)間內(nèi)實時調(diào)整，其出力的動態(tài)調(diào)節(jié)過程將圍繞基點(diǎn)功率上下波動。根據(jù)基點(diǎn)來源不同，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、實時計劃方式或人工給定。前兩項由負(fù)荷預(yù)測、聯(lián)絡(luò)線交換計劃制定，用于跟蹤負(fù)荷變化趨勢，實現(xiàn)超前調(diào)節(jié)。

2)浮動基點(diǎn)模式:參與區(qū)域ACE調(diào)節(jié)，基點(diǎn)功率取實際出力或可調(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，跟蹤實時的負(fù)荷變化和功率平衡。

通過機(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，實現(xiàn)實時發(fā)電計劃(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)，是實時發(fā)電計劃與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，機(jī)組將完全跟蹤計劃曲線;否則，在計劃值的基礎(chǔ)上承擔(dān)調(diào)節(jié)功率。

水電機(jī)組的調(diào)節(jié)速率非?？?，區(qū)域調(diào)節(jié)需求超出死區(qū)時，可實現(xiàn)ACE快速調(diào)節(jié)，定義該過程為主動調(diào)節(jié)過程;但是在區(qū)域調(diào)節(jié)需求回到死區(qū)后，機(jī)組出力需返回計劃值，定義該過程為返回調(diào)節(jié)過程，當(dāng)多臺水電機(jī)組同時進(jìn)入返回調(diào)節(jié)過程時，可能給電網(wǎng)造成新的功率擾動。

圖1 SHCER模式機(jī)組調(diào)節(jié)示意圖

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

1)主動調(diào)節(jié)過程

主動調(diào)節(jié)過程可采用較大調(diào)節(jié)步長，目的為實現(xiàn)ACE快速調(diào)節(jié)。為避免機(jī)組長時段調(diào)節(jié)導(dǎo)致實際出力偏離發(fā)電計劃太遠(yuǎn)，以機(jī)組的發(fā)電計劃為基準(zhǔn)，上下擴(kuò)充一定的帶寬，形成計劃值調(diào)整帶，作為機(jī)組的實時調(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)可考慮暫時取消計劃帶寬的限制。

2)返回調(diào)節(jié)過程

返回調(diào)節(jié)過程中，采用較小的返回調(diào)節(jié)步長，減小每次調(diào)節(jié)帶來的擾動;返回調(diào)節(jié)過程中，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)資源動態(tài)置換的配合效果。

1.2 計劃帶寬約束的AGC控制策略

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

圖2 計劃帶寬約束示意圖

調(diào)整帶生成方法如下:假設(shè)計劃值為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)

通過上述方法計算機(jī)組的調(diào)節(jié)范圍，機(jī)組可以在這個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)，而不用在調(diào)節(jié)ACE后返回計劃值，可減少不必要的來回調(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，其實時調(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。實時運(yùn)行控制中需要足夠的調(diào)節(jié)備用以應(yīng)對未來負(fù)荷調(diào)整和突發(fā)擾動的調(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)留備用過多或過少都難以兼顧系統(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，適時調(diào)整機(jī)組控制模式:負(fù)荷爬坡時段，通過增加固定基點(diǎn)機(jī)組，超前跟蹤負(fù)荷波動，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)時段，合理配置浮動基點(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)外來電失去、大機(jī)組跳閘事故擾動發(fā)生時，電網(wǎng)實時功率缺額反映在ACE上，而實時發(fā)電計劃僅能更新未來15 min計劃值點(diǎn)，此時需要更多的浮動基點(diǎn)機(jī)組參與緊急ACE調(diào)節(jié)，以快速平抑?jǐn)_動。

實時運(yùn)行控制中需要足夠的調(diào)節(jié)備用以應(yīng)對未來負(fù)荷調(diào)整和突發(fā)擾動的調(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)組選擇的無序性，將系統(tǒng)中部分機(jī)組作為可在固定基點(diǎn)和浮動基點(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)模式切換功能實時監(jiān)視電網(wǎng)運(yùn)行工況、負(fù)荷波動和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)備用無法滿足最小調(diào)節(jié)備用限值時，則啟動模式切換策略，以提高負(fù)荷快速跟蹤和擾動調(diào)節(jié)能力。當(dāng)監(jiān)測到直流輸電故障或大機(jī)組跳閘等緊急工況發(fā)生時，則啟動ACE緊急控制策略，將固定基點(diǎn)模式的緩沖機(jī)組轉(zhuǎn)為浮動基點(diǎn)模式，應(yīng)對功率緊急缺口。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軟件中實施應(yīng)用，在調(diào)度生產(chǎn)實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)組采用動態(tài)調(diào)節(jié)步長后的調(diào)節(jié)跟蹤過程。從圖4中可以看出該機(jī)組大步長參與ACE調(diào)節(jié)、小步長返回計劃值，且控制爬坡速率，減小了對電網(wǎng)沖擊。

圖4 動態(tài)調(diào)節(jié)步長控制跟蹤過程

為進(jìn)一步檢驗AGC調(diào)節(jié)對機(jī)組發(fā)電計劃的影響，對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分析結(jié)果見表1所示。數(shù)據(jù)表明新策略實施以后，AGC調(diào)節(jié)機(jī)組的計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