互聯電網AGC的分區控制策略改進

楊 平，董國威

(上海電力學院 電力與自動化工程學院，上海 200090)

0 引言

自動發電控制(AGC)已在區域互聯電網的電力系統中得到了廣泛的應用。一般采用日前計劃、實時調度、AGC相配合的有功調度模式，也與經濟調度構成一體化系統。AGC作用于區域互聯電網的效果評價已從早先的A標準改變為CPS(Control Performance Standard)標準。CPS標準是北美電力可靠性協會 (NERC)于1996年出臺了基于統計學原理的區域控制標準。CPS標準著眼于頻率質量和某個控制區域內頻率偏差控制的長期性能，更為合理地鼓勵各控制區域積極參與調整互聯電網的運行頻率，充分發揮大電網的優越性。

研究CPS標準下的AGC控制策略，是近年來調度自動化的熱點課題。由相關專題研究文獻，可發現許多兼顧CPS標準的AGC控制新策略。文獻[1]提出一種根據CPS指標修正ACE的AGC分區控制策略。文獻[2]在傳統CPS控制策略的基礎上引入了新的判斷條件 (區域控制偏差與頻率偏差的乘積因子)，通過該條件來判斷機組狀態是否對系統的頻率恢復有利，從而控制AGC機組的調節動作，但是其僅通過試驗證明在單區域電力系統中是有效的，沒有在互聯電網中進行試驗該方法的有效性。文獻[3]根據電力系統實際運行情況和CPS考核要求，提出將AGC最小調節容量的獲取轉換為最小調節速率的獲取，從而確定不同時段最優AGC機組調節容量，協調不同特性機組的運行，從而保證電力系統安全穩定經濟運行，同時很好地兼顧電網運行的可靠性和市場運營的經濟性。文獻[4]提出了CPS調節功率分量這一新概念，并將其與比例分量和積分分量相結合，構成區域總調節功率PR，通過引人調節功率動態死區的概念，進一步提出了根據區域總調節功率而不是ACE來劃分AGC控制區域的方法，從而減少機組不必要的過零動作，但是PR的不確定性，使此策略實現起來比較困難。文獻[5]提出了基于CPS統計特性的自適應自動發電控制策略，解決了參數自動整定問題，借鑒引用了以經濟性和指標性為主的優化控制方法，研究表明，該策略可在保證CPS考核合格率的同時有效減輕發電廠的調節壓力。此外，還有一些新控制策略在文獻[6]中有所論述。

以下所述研究主要是對文獻[1]提出的分區控制策略進行改進。改進的要點是簡化了分區條件和以修正PID參數替代了修正ACE。改進后的效果是明顯提高了CPS指標和和頻率質量。

1 AGC分區控制策略分析

文獻[1]介紹了一種適應CPS標準的和易實現的AGC分區控制策略。其分區方法和對應的控制策略如表1所示。

表1 AGC分區控制策略Tab.1 AGC zoning control strategy

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

從表1可以看出，分區的依據主要是三個變量，即，CPS1，ACE和Δf。其中CPS1是統計數值，代表的是過去一段時間的系統控制質量指標;而ACE和Δf是當下的系統控制質量指標。可以說，這種分區方法是既考慮了過去又考慮了現在的控制質量指標。雖然是依據三個變量分區，但是也分主次，即，以CPS1為主，以ACE和Δf為輔。系統的控制質量狀態被分為了4個區:保持區、正常調節區、輔助調節區、不過零調節區。相應的控制對策為:保持原控制不變、正常調節、強化調節、弱化調節。根據文獻[1]，這些控制對策的實現相當簡單。所謂保持就是控制輸出不變。所謂正常調節就是取控制輸出為按A1標準設計的AGC控制器的輸出。所謂強化和弱化調節就是改變了AGC控制器的輸入量ACE;強化時，所取ACE的絕對值比原來的ACE的大一些;弱化時，比原來的小一些。這相當于使控制器的增益在強化時增大而在弱化時減小。

總的看來，文獻[1]所提出的適應CPS標準的AGC分區控制策略是設計合理和簡單易行的。但是，其控制質量狀態分區方法有點繁瑣，其控制對策的實現又有點太簡單，尤其在強化和弱化調節上明顯粗糙。為此，提出三點改進思路:

(1)現在普遍應用的控制器均為PID控制器。而ACE是AGC控制系統的被控量，又是AGC控制器的輸入量。因此，文獻[1]所提出的AGC分區控制策略中的ACE調整功效完全可以改用PID控制器中的Kp參數調整來實現。此外，PID控制器中的 Kp，Ki，Kd三個參數的變化對CPS指標均有影響。因此，對Kp，Ki，Kd三個參數同時進行調整，將可期望CPS指標改善的更大空間。

(2)PID參數組有些對頻率偏差控制特別有效、有些對聯絡線功率偏差控制特別有效、有些對CPS指標控制特別有效。因此根據相應的情況應用相應的PID參數組。當CPS指標偏差大時，應用對CPS指標恢復有很強控制能力的PID參數組;當CPS指標偏差小時，應用對頻率控制特別有效的PID參數組。

(3)從CPS指標CPS1的定義式上看，變量CPS1就是過去一段時間的ACE和Δf組合量的統計數值。所以，在控制質量狀態分區時，即便不考慮當前的ACE和Δf，應該影響也不大。再有，當前的AGC控制器主要依據ACE來控制，而ACE包含了Δf變量，所以，欠缺的主要是對CPS指標的兼顧。因此，在控制質量狀態分區時，放棄對當前的ACE和Δf變量的依賴，應該是明智的選擇。只依據CPS1指標進行控制質量狀態分區，將可以大幅簡化分區處理過程，并且使控制目標變得簡單明了。

2 改進的分區控制策略設計

按照只依據CPS1指標進行控制質量狀態分區的改進思路，采取兩個CPS1指標的分區界限值:200%和CPS1V。CPS1可稱為警戒值，是在0%至200%的范圍內的一個經驗取值。于是，控制質量狀態區被分為三個區域:保持區、警戒區和緊急區。在不同的分區內將采用不同的控制策略，見圖1。

圖1 改進分區控制策略Fig.1 Improved AGC zoning control strategy

按照CPS1指標分區控制策略可按區闡述如下:

(1)警戒區

進入條件:200%≥CPS1≥CPS1V。

控制策略:不調整AGC控制器的3個PID參數(Kp，Ki，Kd)。

(2)緊急區

進入條件:CPS1≤CPS1V。

控制策略:調整AGC控制器的3個PID參數(Kp，Ki，Kd)。調整的目標是使CPS1指標回歸到警戒值以上。詳見下節。

PID參數的具體調整算法 (以Kp調整為例):

(3)保持區

進入條件:CPS1≥200%

控制策略:AGC控制輸出保持原來數值不變。

3 仿真驗證試驗

為了檢驗所提出的分區控制改進策略的有效性，有必要進行計算機仿真驗證試驗。為此采用了文獻[7]中所用的一種 MATLAB/SIMULINK仿真實驗系統模型，見圖2。該系統模型為經典的兩區域電網AGC控制系統。區域1和區域2均為2 000 MW。設定聯絡線參數a12=－Pr1/Pr2=－1;區域中汽輪機和發電機速度限制為3%/min。具體參數詳見文獻[7]。通過代換區域AGC控制器模塊Controller1和Controller2的手法，分別進行了采用不考慮CPS指標的PID控制策略(所用控制器模塊詳見文獻[7])、考慮CPS指標的分區控制策略 (所用控制器模塊參見圖3)和分區控制改進策略的AGC控制試驗 (所用控制器模塊參見圖4)。

圖3為AGC分區控制器的Simulink模型。其中，kese1 Calculator模塊的功能是計算控制過程中的頻率波動參數ε1;CPS Calculator模塊的功能是計算 ACE修正模塊所需要的參數 CPS1，fe，L10;Subsystem of Change ACE模塊是修正模塊，將按控制質量狀態分區 (保持區、正常調節區、輔助調節區、不過零調節區)對ACE的當前值進行修正。

圖4為AGC分區改進控制器的Simulink模型。其中，CPS Calculator模塊的功能是根據ACE和Δf進行計算實時CPS1;KI changer，KP changer，KD changer模塊均為PID系數調整模塊，其結構相同，功能相似。在進行AGC分區控制改進試驗時，PID參數調整算法中的幾個參數選定為:

在仿真驗證試驗中，采用文獻[8]中的負荷擾動模型作為擾動試驗信號。主要考慮了周期10 s以內的較小幅值的負荷分量和周期10 s到數分鐘的負荷分量。所構成的擾動試驗信號形如圖5所示。

圖5 負荷擾動曲線Fig.5 the output of the system with load disturbance

分別對PID控制策略、分區控制策略、分區控制改進策略進行仿真試驗。圖6和圖7分別為仿真試驗所得的區域1和區域2的CPS1指標曲線。圖中，實線曲線對應分區改進控制策略;點線曲線對應PID控制策略;點劃線曲線對應分區控制策略。可以看出AGC分區改進控制較PID控制和AGC分區控制在兩電網區域的CPS1指標上都有明顯的提高。

分別統計三種控制策略試驗過程中的兩個電網區域的頻率偏差均方根，即各區域的ε1，可得如表2所示結果。該結果說明用分區改進控制策略的頻率偏差均方根比未改進前大幅減小。雖然這個結果和用PID控制策略的結果差不多，但是，是在明顯提高CPS1指標下得到的。也就是說，在提高CPS1指標的前提下也能保持頻率偏差控制的高水準。

表2 應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 結論

在AGC系統的控制質量狀態分區上，本文改進方法比原方法更簡潔、更合理。其簡潔性體現在:分區數由4變3，判別條件數由5變2。其合理性體現在不重復考慮當前的ACE和Δf變量，因為CPS1已是過去一段時間的ACE和Δf的組合量。

在針對CPS指標的控制量修正上，本文改進方法比原方法更細致、更全面。其細致性體現在把ACE加或減一個固定數值改變為無級調整PID參數值。其全面性體現在動態和穩態特性一起修正，因為比例增益和時間常數同時在調整。

仿真試驗結果表明，AGC分區控制改進策略的實施效果相比于未改進前明顯提高了CPS1指標值，又顯著降低了頻率偏差均方根值。證明了AGC分區控制改進策略的正確性和有效性。