南方电网水电厂AGC算法设计及调节性能评估

胡 林，唐 海，李 毅

（华能澜沧江水电股份有限公司集控中心，云南省昆明市 650214）

南方电网水电厂AGC算法设计及调节性能评估

胡 林，唐 海，李 毅

（华能澜沧江水电股份有限公司集控中心，云南省昆明市 650214）

自动发电控制（AGC）是电力自动化系统的一项基本功能，对电能质量和电网稳定性有至关重要的影响，受各电厂的直接管理和调度机构的间接管理。为提高AGC调节性能，从电厂角度出发，就AGC调节范围、调节精度、调节速率三个方面，分别论述了AGC算法相关部分的设计方法，并进行了性能评估，从而在电厂设备技术条件制约下，尽可能满足调度机构及电力行业的相关要求。同时，对AGC算法无法同时满足电厂设备约束和调度机构响应约束的矛盾点，特别是由于调度机构对AGC调节速率考核门槛和计算方式所导致的冲突，进行了论证，进而提出了建议的解决方法。

AGC；算法；调节性能；调节范围；调节精度；调节速率

0 引言

自动发电控制（Automatic Generation Control，以下简称AGC）是电力自动化系统的一项基本功能，以有功负荷和系统频率为调节对象，对电力系统的安全、优质、经济起着至关重要的作用。

为保证电能质量，针对各电厂AGC在调节速率、调节稳定性等方面的差异，中国南方电网采用评价考核的方式对电厂AGC的调节性能进行间接管理[1]，管理指标包括调节范围、调节精度和调节速率[2-5]等，主要依据的文献有：《南方区域发电厂并网运行管理实施细则》（以下简称《实施细则》）、《南方电网电厂并网运行及辅助服务管理算法规范》（以下简称《算法规范》）。此外，国家能源局于2013年发布的《水轮机调节系统并网运行技术导则》[2]（以下简称《技术导则》）也包含了对并网水电厂负荷调节性能的相关规定。

本文针对水电厂AGC核心算法中与调节性能关系密切的部分进行分析与设计，同时兼顾水电厂的设备约束和上级管理单位的响应约束，其中前者是AGC算法的制约因子和决定因子。

1 AGC调节范围

1.1 设备约束

AGC调节范围决定于正常情况下机组出力的变化范围，由机组本身物理特性决定，主要受两个因素影响。

（1）机组出力上限，即水电厂机组可以发出的最大功率，除受到机组额定容量限制外，一般还受水头制约，特别是高水头、大容量水电厂，不同水头下机组出力上限往往有较大变化。

（2）机组振动区，水轮机组运行稳定性是行业内普遍存在的难题。特定水头下，机组在某些负荷区域运行时会产生较大振动，进而影响到机组的安全稳定性及使用寿命。因此，水电厂机组在运行中应尽量避开振动较大的负荷区域，振动区的存在限制了机组的调节范围。

1.2 响应约束

（1）《实施细则》规定当“……AGC调节范围达到可调容量的40%”或“……调节上限为额定容量100%……下限为振动区上限”时，“视为满足”。

（2）《算法规范》对调节范围合格率λ的计算公式为：

式中：P——水电厂AGC调节范围上限；

——水电厂AGC调节范围下限；

S——水电厂当前出力上限，是所有运行机组在当前水头下出力上限的总和；

——所有运行机组振动区上限的总和。

1.3 算法设计

AGC以水电厂为控制对象，因此需要将各机组振动区通过计算转化为电厂形式的数据。

当所有机组振动区数量均为1且下限均为0时，AGC调节范围为单一并且连续的区间。假设有n台运行机组，则计算公式为：

式中：Si——机组i在当前水头下的出力上限；

θi——机组i的状态标志，当机组i发电时，θi值为1，反之则为0。

对于机组有多个振动区的水电厂，情况则有所不同，例如糯扎渡电厂，其9台机组在各水头下的振动区如表1所示。

主要表现为，机组多振动区造成了AGC调节范围的不连续，同时使计算复杂性大大增加[6]，AGC调节范围的计算过程为：

（1）根据振动区对机组进行分类，其中1～6号机组为A类，7～9号机组为B类。

（2）在特定水头下从出力上限中扣除振动区，得到A类机组的两个运行区和B类机组的两个运行区

（3）根据机组在不同运行区的分布情况，计算A类机组的相应出力区域和B类机组的相应出力区域，分别以行向量ΩA和ΩB表示：

式中：nA——发电状态的A类机组台数；

nB——发电状态的B类机组台数。

（4）计算水电厂对应机组在不同运行区各种分布情况的所有出力区域，并取其并集得到AGC调节范围Ω：

当水头为204m时，根据糯扎渡电厂运行机组种类及数量的不同，计算得出水电厂AGC调节范围如表2所示。

1.4 算法评估

由于中国南方电网在对AGC调节范围进行考核时引入了水电厂机组的出力上限、振动区等设备要素，因此本算法可以同时满足互相吻合的设备约束和响应约束。

但是《算法规范》对调节范围合格率λ的计算公式存在两个问题：

（1）应扩展涵盖AGC调节范围不连续的机组多振动区水电厂。

（2）公式所评估的调节范围参数为水电厂程序计算或人为设置，可能大于实际的AGC调节范围。

因此，建议同时对AGC调节范围的合格性和真实性进行考核，并修改计算公式以适应机组多振动区水电厂的考核需要。

2 AGC调节精度

2.1 设备约束

水电厂AGC调节精度是所有运行机组有功调节精度的总体反映。在机组有功调节过程中，调节机构使机组有功功率不断趋向于机组有功设定值，当二者差值处于一定范围内时，调节完成，该差值范围即为机组有功调节死区。机组有功调节死区越小则调节精度越高，反之则调节精度越低。目前普遍采用的机组PID有功调节作为一种闭环反馈调节方式，调节精度不依赖于调节对象的准确数学模型[7]，但受机组出力上限和调节速率的制约：

（1）随着出力上限的增大，机组微调性能降低，调节死区增加，调节精度降低。

（2）随着机组有功调节速率的增加，为了保证调节稳定性，减少有功负荷的反调量和超调量，需要增大调节死区，降低调节精度。

2.2 响应约束

（1）《技术导则》规定“…有功功率…与给定值的偏差应为-1%～+1%”，即调节死区须小于出力上限的1%。

（2）《实施细则》规定“AGC调节量误差不超过3%”，即调节死区须小于出力上限的3%。

（3）《算法规范》对调节精度合格率μ的计算公式为：

式中：P——全厂有功功率；

Pset——全厂有功设定值。

2.3 算法设计

（1）在同时满足设备约束和响应约束的前提下，合理确定各台机组的有功调节死区Di：

（2）AGC调节死区D等于所有运行机组调节死区的总和：

2.4 算法评估

根据本算法，当水电厂全厂有功功率与全厂有功设定值的偏差小于死区范围时，AGC调节完成，即：

因此，本算法满足调度要求。

3 AGC调节速率

3.1 设备约束

AGC调节速率包括程序响应延迟和负荷变化速率。

程序响应延迟是从调度机构下达AGC命令到水电厂负荷开始变化的时间，主要受以下因素影响：

（1）调度发出全厂有功设定值从调度传输至水电厂需要的时间，决定于通信通道传输性能和通信程序执行效率。

（2）水电厂对收到的全厂有功设定值进行计算，并分配至机组的时间，主要决定于AGC节点硬件性能、AGC程序执行效率、运算量等，其中该次有功分配产生的运算量与AGC算法有关。

负荷变化速率是实际调节过程水电厂负荷变化的快慢，决定于参与AGC调节的机组数量以及各机组的有功调节速率；机组的有功调节速率决定于调节机构性能、PID调节参数，同时与机组出力上限相关。

3.2 响应约束

《技术导则》规定“从调度机构下达AGC命令起，至机组开始负荷调节时的响应时间不大于10s”。

《技术导则》规定当“AGC负荷调节量不小于25%额定负荷时，调节过程中每分钟的平均负荷调节量应不小于50%额定负荷”。

《实施细则》规定“…AGC调节速率要求达到60%额定容量/分钟以上”。

《算法规范》对调节速率合格率ω的计算过程如下：

（1）对负荷变化超过20MW的调节命令进行速率计算：

式中：PS为调度下达AGC命令时的水电厂全厂有功功率。

（2）确定调节起止时间点t1、t2：

（3）计算调节速率V：

（4）计算调节速率合格率ω：

3.3 算法设计

减少AGC运行过程中的运算量。对于机组多振动区的水电厂，在进行有功分配计算时，需要根据全厂有功设定值和各机组的组合出力模型在机组多个出力区间内进行匹配选择。对机组组合出力模型的建模计算有以下两种方式：

（1）当水头发生变化或运行机组发生变化时，进行建模运算。

（2）在AGC程序第一次加载时，针对水电厂的所有可能工况进行预建模，将建模结果以文件的形式进行存储，并根据AGC运行时的工况改变情况读取相应的模型文件。

由于AGC算法非线性、多阶段的特点，机组组合出力建模运算量较大，因此第二种方式可以有效减少AGC运行过程中的计算量。

增加参与AGC调节的机组数量，大要方法为：

（1）计算AGC有功设定值与水电厂全厂有功功率的差值作为待分配值ΔP。

（2）根据各机组目标运行区域的上下限（与调节方向一致）和当前有功功率计算出各机组的可分配值Ci并按可分配值从大到小的顺序进行优先级排序。

（4）按优先级顺序，在机组可分配值Ci范围内，将待分配值ΔP按照AGC分配步长依次分配至各台机组，假设水电厂有3台机组处于发电状态，优先级从高到低依次为3号机组、1号机组、2号机组，则分配流程如图1所示，图中ΔPi为各机组被分配有功。

从图1中可见，在待分配值ΔP给定的情况下，参与调节的机组台数m主要决定于每台机组的AGC分配步长

依据《技术导则》规定，当“AGC负荷调节量不小于25%额定负荷时”，若要使所有运行机组参与AGC调节，则机组AGC分配步长不能大于机组出力上限Si的25%：

3.4 算法评估

在算法设计中通过减少程序响应延迟、增加参与AGC调节机组数量的方式提高AGC调节速率，但仍无法满足电网要求，主要原因有：

《算法规范》以负荷变化超过20MW作为调节命令的考核门槛，当考核对象为大型水电厂时，远低于《技术导则》“25%额定负荷”门槛要求。以糯扎渡电厂为例，当水头高于193m时：

式中：n为糯扎渡电厂运行机组数量。

导致对于负荷变化较小的调节命令，由于以下原因，无法满足调度的调节速率考核指标：

（2）AGC调节过程中，为平衡全厂有功功率，可能出现部分机组反向调节，从而在一定程度上抵消了总体调节速率。

《算法规范》中计算调节起止时间点的公式（11），差值参数过低。当考核对象为大型水电厂时，小于AGC调节死区。以糯扎渡电厂为例，当水头高于193m时：

若全厂有功功率与设定值的差值大于5MW但小于AGC调节死区，则计算得出的调节起止时间与实际情况存在偏差。特别是对于调节结束时间的判定，由于全厂有功功率与设定值的差值在死区范围内，调节过程在事实上已结束，但考核程序认为调节仍在进行，导致计算得出的调节结束时间远滞后于实际结束时间，从而使计算得出的调节速率远小于实际调节速率，如图2所示。

图2中，t1为计算得出的调节结束时间；Δt1为实际的调节结束时间。

以上两个问题均与水电厂有功调节死区相关，如2.1所述，调节死区受机组调节性能的强约束，若为响应调度考核要求，无视客观规律盲目缩小调节死区，则势必引发更多问题，反而降低了AGC调节性能，因此建议：

（1）根据水电厂机组容量，适当提高调节命令的考核门槛。

（2）修正《算法规范》中调节起止时间点的计算参数，与2.2中的死区参数保持一致[8-9]。

（3）增加对程序响应延迟的考核，计算调度下发命令时间点t0，并将程序响应延迟引入考核算法，有以下两种做法：

1）单独对程序响应延迟进行考核：

2）综合对程序响应延迟和负荷变化速率进行考核：

4 结束语

本文从AGC算法设计的角度出发，在充分考虑水电厂设备技术条件制约的前提下，对提升AGC调节性能以尽可能满足电力行业和调度机构的各项要求进行了分析和研究，并对水电厂设备约束和调度机构响应约束之间的几点冲突进行了论证，从而为水力发电行业的AGC管理工作提供借鉴和参考。

[1]蔡秋娜，文福拴，陈新凌，等．发电厂并网考核与辅助服务补偿细则评价指标体系[J]．电力系统自动化，2012，09：47-53．CAI Qiuna，WEN Fushuan，CHEN Xinling，et al．An Evaluation System for Two Regulation on Power Plant Operation Assessment and Ancillary Service Compensation[J]．Automation of Electric power Systems，2012，09：47-53．

[2]DL/T 1245—2013，水轮机调节系统并网运行技术导则[S]．

[3]李丹，梁吉，孙荣富，等．并网电厂管理考核系统中AGC调节性能补偿措施[J]．电力系统自动化，2010，04：107-111．LI Dan，LIANG Ji，SUN Rongfu，et al．Compensation Strategies of AGC Regulation Performance in Plants Management and Assessment System[J]． Automation of Electric power Systems，2010，04：107-111．

[4]潘峰，薛小静． 溪洛渡—向家坝梯级AGC的工程实现[J]． 水电自动化与大坝监测，2015，（01）：65-69．PAN Feng，XUE Xiaojing．The Engineering Realization of Xiluodu-Xiangjiaba Cascade AGC[J]． Hydropower and Pumped Storage，2015，（01）：65-69．

[5]王刚，窦海妮，侯飞，等． 电网双电压等级潮流约束下的水电站AGC功能策略设计[J]． 水电自动化与大坝监测，2014，（04）：70-72．WANG Gang，DOU Haini，HOU Fei， et al． Design of station AGC function strategy hydroelectric power grid double voltage current constraints[J]． Hydropower and Pumped Storage， 2014，（04）：70-72．

[6]申建建，武新宇，程春田，等．大规模水电站群短期优化调度方法Ⅱ：高水头多振动区问题[J]．水利学报，2011，10：1168-1176+1184．SHEN JianJian，WU Xinyu，CHENG Chuntian，et al．Short-term optimal operation methods of large-scale hydropower plants II． Solution method for high-head generating units with multi-vibration zone[J]．Journal of Hydraulic Engineering，2011，10：1168-1176+1184．

[7]魏守平，卢本捷．水轮机调速器的PID调节规律[J]．水力发电学报，2003，04：112-118．WEI Shouping，LU Benjie．On the PID regulating rule of hydro turbine governor[J]． Journal of Hydroelectric Engineering，2003，04：112-118．

[8]朱光照． 电力市场下改进的AGC机组调节效能计算方法研究[D]．大连理工大学，2012．

[9]冯玉昌，滕贤亮，涂力群． AGC机组调节速率和精度的实时计算方法[J]． 电力系统自动化，2004，04：75-77+99．FENG Yuchang，TENG Xianliang，TU Liqun． Real-Time Calculation of Regulation Speed and Regulation Precision on AGC Software[J]．Automation of Electric power Systems，2004，04：75-77+99．

2017-05-15

2017-09-14

胡 林（1983—），男，工程师，主要研究方向：电力系统自动化控制。E-mail：hulin．lcjgs@163．com

唐 海（1961—），男，高级工程师，主要研究方向：电力系统自动化控制、继电保护系统，E-mail：tanghai@lcjsd．cn

李 毅（1983—），男，助理工程师，主要研究方向：电力系统自动化控制。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学科代码：510．80

10．3969/j．issn．2096-093X．2017．05．010

国家自然科学基金（51579029，51209031），中央高校基本科研业务费专项资金资助（DUT16QY30）。