南方電網水電廠AGC算法設計及調節性能評估

胡 林，唐 海，李 毅

（華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南省昆明市 650214）

南方電網水電廠AGC算法設計及調節性能評估

胡 林，唐 海，李 毅

（華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南省昆明市 650214）

自動發電控制（AGC）是電力自動化系統的一項基本功能，對電能質量和電網穩定性有至關重要的影響，受各電廠的直接管理和調度機構的間接管理。為提高AGC調節性能，從電廠角度出發，就AGC調節范圍、調節精度、調節速率三個方面，分別論述了AGC算法相關部分的設計方法，并進行了性能評估，從而在電廠設備技術條件制約下，盡可能滿足調度機構及電力行業的相關要求。同時，對AGC算法無法同時滿足電廠設備約束和調度機構響應約束的矛盾點，特別是由于調度機構對AGC調節速率考核門檻和計算方式所導致的沖突，進行了論證，進而提出了建議的解決方法。

AGC；算法；調節性能；調節范圍；調節精度；調節速率

0 引言

自動發電控制（Automatic Generation Control，以下簡稱AGC）是電力自動化系統的一項基本功能，以有功負荷和系統頻率為調節對象，對電力系統的安全、優質、經濟起著至關重要的作用。

為保證電能質量，針對各電廠AGC在調節速率、調節穩定性等方面的差異，中國南方電網采用評價考核的方式對電廠AGC的調節性能進行間接管理[1]，管理指標包括調節范圍、調節精度和調節速率[2-5]等，主要依據的文獻有：《南方區域發電廠并網運行管理實施細則》（以下簡稱《實施細則》）、《南方電網電廠并網運行及輔助服務管理算法規范》（以下簡稱《算法規范》）。此外，國家能源局于2013年發布的《水輪機調節系統并網運行技術導則》[2]（以下簡稱《技術導則》）也包含了對并網水電廠負荷調節性能的相關規定。

本文針對水電廠AGC核心算法中與調節性能關系密切的部分進行分析與設計，同時兼顧水電廠的設備約束和上級管理單位的響應約束，其中前者是AGC算法的制約因子和決定因子。

1 AGC調節范圍

1.1 設備約束

AGC調節范圍決定于正常情況下機組出力的變化范圍，由機組本身物理特性決定，主要受兩個因素影響。

（1）機組出力上限，即水電廠機組可以發出的最大功率，除受到機組額定容量限制外，一般還受水頭制約，特別是高水頭、大容量水電廠，不同水頭下機組出力上限往往有較大變化。

（2）機組振動區，水輪機組運行穩定性是行業內普遍存在的難題。特定水頭下，機組在某些負荷區域運行時會產生較大振動，進而影響到機組的安全穩定性及使用壽命。因此，水電廠機組在運行中應盡量避開振動較大的負荷區域，振動區的存在限制了機組的調節范圍。

1.2 響應約束

（1）《實施細則》規定當“……AGC調節范圍達到可調容量的40%”或“……調節上限為額定容量100%……下限為振動區上限”時，“視為滿足”。

（2）《算法規范》對調節范圍合格率λ的計算公式為：

式中：P——水電廠AGC調節范圍上限；

——水電廠AGC調節范圍下限；

S——水電廠當前出力上限，是所有運行機組在當前水頭下出力上限的總和；

——所有運行機組振動區上限的總和。

1.3 算法設計

AGC以水電廠為控制對象，因此需要將各機組振動區通過計算轉化為電廠形式的數據。

當所有機組振動區數量均為1且下限均為0時，AGC調節范圍為單一并且連續的區間。假設有n臺運行機組，則計算公式為：

式中：Si——機組i在當前水頭下的出力上限；

θi——機組i的狀態標志，當機組i發電時，θi值為1，反之則為0。

對于機組有多個振動區的水電廠，情況則有所不同，例如糯扎渡電廠，其9臺機組在各水頭下的振動區如表1所示。

主要表現為，機組多振動區造成了AGC調節范圍的不連續，同時使計算復雜性大大增加[6]，AGC調節范圍的計算過程為：

（1）根據振動區對機組進行分類，其中1～6號機組為A類，7～9號機組為B類。

（2）在特定水頭下從出力上限中扣除振動區，得到A類機組的兩個運行區和B類機組的兩個運行區

（3）根據機組在不同運行區的分布情況，計算A類機組的相應出力區域和B類機組的相應出力區域，分別以行向量ΩA和ΩB表示：

式中：nA——發電狀態的A類機組臺數；

nB——發電狀態的B類機組臺數。

（4）計算水電廠對應機組在不同運行區各種分布情況的所有出力區域，并取其并集得到AGC調節范圍Ω：

當水頭為204m時，根據糯扎渡電廠運行機組種類及數量的不同，計算得出水電廠AGC調節范圍如表2所示。

1.4 算法評估

由于中國南方電網在對AGC調節范圍進行考核時引入了水電廠機組的出力上限、振動區等設備要素，因此本算法可以同時滿足互相吻合的設備約束和響應約束。

但是《算法規范》對調節范圍合格率λ的計算公式存在兩個問題：

（1）應擴展涵蓋AGC調節范圍不連續的機組多振動區水電廠。

（2）公式所評估的調節范圍參數為水電廠程序計算或人為設置，可能大于實際的AGC調節范圍。

因此，建議同時對AGC調節范圍的合格性和真實性進行考核，并修改計算公式以適應機組多振動區水電廠的考核需要。

2 AGC調節精度

2.1 設備約束

水電廠AGC調節精度是所有運行機組有功調節精度的總體反映。在機組有功調節過程中，調節機構使機組有功功率不斷趨向于機組有功設定值，當二者差值處于一定范圍內時，調節完成，該差值范圍即為機組有功調節死區。機組有功調節死區越小則調節精度越高，反之則調節精度越低。目前普遍采用的機組PID有功調節作為一種閉環反饋調節方式，調節精度不依賴于調節對象的準確數學模型[7]，但受機組出力上限和調節速率的制約：

（1）隨著出力上限的增大，機組微調性能降低，調節死區增加，調節精度降低。

（2）隨著機組有功調節速率的增加，為了保證調節穩定性，減少有功負荷的反調量和超調量，需要增大調節死區，降低調節精度。

2.2 響應約束

（1）《技術導則》規定“…有功功率…與給定值的偏差應為-1%～+1%”，即調節死區須小于出力上限的1%。

（2）《實施細則》規定“AGC調節量誤差不超過3%”，即調節死區須小于出力上限的3%。

（3）《算法規范》對調節精度合格率μ的計算公式為：

式中：P——全廠有功功率；

Pset——全廠有功設定值。

2.3 算法設計

（1）在同時滿足設備約束和響應約束的前提下，合理確定各臺機組的有功調節死區Di：

（2）AGC調節死區D等于所有運行機組調節死區的總和：

2.4 算法評估

根據本算法，當水電廠全廠有功功率與全廠有功設定值的偏差小于死區范圍時，AGC調節完成，即：

因此，本算法滿足調度要求。

3 AGC調節速率

3.1 設備約束

AGC調節速率包括程序響應延遲和負荷變化速率。

程序響應延遲是從調度機構下達AGC命令到水電廠負荷開始變化的時間，主要受以下因素影響：

（1）調度發出全廠有功設定值從調度傳輸至水電廠需要的時間，決定于通信通道傳輸性能和通信程序執行效率。

（2）水電廠對收到的全廠有功設定值進行計算，并分配至機組的時間，主要決定于AGC節點硬件性能、AGC程序執行效率、運算量等，其中該次有功分配產生的運算量與AGC算法有關。

負荷變化速率是實際調節過程水電廠負荷變化的快慢，決定于參與AGC調節的機組數量以及各機組的有功調節速率；機組的有功調節速率決定于調節機構性能、PID調節參數，同時與機組出力上限相關。

3.2 響應約束

《技術導則》規定“從調度機構下達AGC命令起，至機組開始負荷調節時的響應時間不大于10s”。

《技術導則》規定當“AGC負荷調節量不小于25%額定負荷時，調節過程中每分鐘的平均負荷調節量應不小于50%額定負荷”。

《實施細則》規定“…AGC調節速率要求達到60%額定容量/分鐘以上”。

《算法規范》對調節速率合格率ω的計算過程如下：

（1）對負荷變化超過20MW的調節命令進行速率計算：

式中：PS為調度下達AGC命令時的水電廠全廠有功功率。

（2）確定調節起止時間點t1、t2：

（3）計算調節速率V：

（4）計算調節速率合格率ω：

3.3 算法設計

減少AGC運行過程中的運算量。對于機組多振動區的水電廠，在進行有功分配計算時，需要根據全廠有功設定值和各機組的組合出力模型在機組多個出力區間內進行匹配選擇。對機組組合出力模型的建模計算有以下兩種方式：

（1）當水頭發生變化或運行機組發生變化時，進行建模運算。

（2）在AGC程序第一次加載時，針對水電廠的所有可能工況進行預建模，將建模結果以文件的形式進行存儲，并根據AGC運行時的工況改變情況讀取相應的模型文件。

由于AGC算法非線性、多階段的特點，機組組合出力建模運算量較大，因此第二種方式可以有效減少AGC運行過程中的計算量。

增加參與AGC調節的機組數量，大要方法為：

（1）計算AGC有功設定值與水電廠全廠有功功率的差值作為待分配值ΔP。

（2）根據各機組目標運行區域的上下限（與調節方向一致）和當前有功功率計算出各機組的可分配值Ci并按可分配值從大到小的順序進行優先級排序。

（4）按優先級順序，在機組可分配值Ci范圍內，將待分配值ΔP按照AGC分配步長依次分配至各臺機組，假設水電廠有3臺機組處于發電狀態，優先級從高到低依次為3號機組、1號機組、2號機組，則分配流程如圖1所示，圖中ΔPi為各機組被分配有功。

從圖1中可見，在待分配值ΔP給定的情況下，參與調節的機組臺數m主要決定于每臺機組的AGC分配步長

依據《技術導則》規定，當“AGC負荷調節量不小于25%額定負荷時”，若要使所有運行機組參與AGC調節，則機組AGC分配步長不能大于機組出力上限Si的25%：

3.4 算法評估

在算法設計中通過減少程序響應延遲、增加參與AGC調節機組數量的方式提高AGC調節速率，但仍無法滿足電網要求，主要原因有：

《算法規范》以負荷變化超過20MW作為調節命令的考核門檻，當考核對象為大型水電廠時，遠低于《技術導則》“25%額定負荷”門檻要求。以糯扎渡電廠為例，當水頭高于193m時：

式中：n為糯扎渡電廠運行機組數量。

導致對于負荷變化較小的調節命令，由于以下原因，無法滿足調度的調節速率考核指標：

（2）AGC調節過程中，為平衡全廠有功功率，可能出現部分機組反向調節，從而在一定程度上抵消了總體調節速率。

《算法規范》中計算調節起止時間點的公式（11），差值參數過低。當考核對象為大型水電廠時，小于AGC調節死區。以糯扎渡電廠為例，當水頭高于193m時：

若全廠有功功率與設定值的差值大于5MW但小于AGC調節死區，則計算得出的調節起止時間與實際情況存在偏差。特別是對于調節結束時間的判定，由于全廠有功功率與設定值的差值在死區范圍內，調節過程在事實上已結束，但考核程序認為調節仍在進行，導致計算得出的調節結束時間遠滯后于實際結束時間，從而使計算得出的調節速率遠小于實際調節速率，如圖2所示。

圖2中，t1為計算得出的調節結束時間；Δt1為實際的調節結束時間。

以上兩個問題均與水電廠有功調節死區相關，如2.1所述，調節死區受機組調節性能的強約束，若為響應調度考核要求，無視客觀規律盲目縮小調節死區，則勢必引發更多問題，反而降低了AGC調節性能，因此建議：

（1）根據水電廠機組容量，適當提高調節命令的考核門檻。

（2）修正《算法規范》中調節起止時間點的計算參數，與2.2中的死區參數保持一致[8-9]。

（3）增加對程序響應延遲的考核，計算調度下發命令時間點t0，并將程序響應延遲引入考核算法，有以下兩種做法：

1）單獨對程序響應延遲進行考核：

2）綜合對程序響應延遲和負荷變化速率進行考核：

4 結束語

本文從AGC算法設計的角度出發，在充分考慮水電廠設備技術條件制約的前提下，對提升AGC調節性能以盡可能滿足電力行業和調度機構的各項要求進行了分析和研究，并對水電廠設備約束和調度機構響應約束之間的幾點沖突進行了論證，從而為水力發電行業的AGC管理工作提供借鑒和參考。

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2017-05-15

2017-09-14

胡 林（1983—），男，工程師，主要研究方向：電力系統自動化控制。E-mail：hulin．lcjgs@163．com

唐 海（1961—），男，高級工程師，主要研究方向：電力系統自動化控制、繼電保護系統，E-mail：tanghai@lcjsd．cn

李 毅（1983—），男，助理工程師，主要研究方向：電力系統自動化控制。E-mail：hydroleey@gmail．com

AGC Algorithm Design and Performance Evaluation for Hydropower Plants of China Southern Power Grid

HU Lin，TANG Hai，LI Yi
（Cascade Control Center of Huaneng Lancang River Hydropower Co.， Ltd， Kunming 650214， China）

As a basic function of electric power automation system，Automatic Generation Control （AGC） has a crucial impact on power quality and grid stability， which is under the direct management of power plant and indirect management of power dispatching mechanism. In order to improve the regulation performance of AGC，this paper， starting from the perspective of the power plant， analyzed the design technique of the relevant part of AGC algorithm and evaluated performance in three aspects： AGC regulation range，regulation precision and regulation velocity. Thus AGC algorithm can meet the relevant requirements of dispatching mechanism and power industry as much as possible under the constraints of power plant’s equipment and technical condition. Besides， via analysing the contradiction that the AGC algorithm is unable to meet the power plant device constraints and response constraints of dispatching mechanism， especially the conflict between dispatching mechanism’s amerce threshold of AGC regulation velocity and calculation method，this paper proposed recommended solutions.

AGC； algorithm； regulation performance； regulation range； regulation precision； regulation velocity

TP2

A學科代碼：510．80

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．010

國家自然科學基金（51579029，51209031），中央高校基本科研業務費專項資金資助（DUT16QY30）。