狮子滩发电公司梯级电站梯级调度计算机监控系统AGC设计

罗远福1，王大继

(1.重庆电力高等专科学校，重庆400053；2.国家电投集团 重庆狮子滩发电有限公司，重庆 401220)

1 概述

狮子滩发电公司所属梯级电站按水流方向由分布在龙溪河流域上的狮子滩电站(46 MW)、狮龙电站(21.7 MW)、回龙寨电站(16 MW)、下硐电站(35 MW)和大洪河流域上的大洪河电站(45 MW)组成，狮子滩流域长寿湖总库容为10.27亿m3，大洪河流域洪湖总库容1.6亿m3。该公司拟建设梯级电站调度中心，实现水电厂无人值班，为流域内各电站的统一管理、调度、运行提供条件，充分利用资源，提高综合经济效益，提高运行管理水平，带动整个流域水电站管理体制的改革。

2 梯级调度AGC功能要求

该梯级调度计算机监控系统自动发电控制(AGC)能迅速、平稳、准确地维持狮子滩发电公司梯级电站出力值为设定值的要求，确定流域电站参与AGC的各台机组有功功率的经济分配，满足系统AGC要求及运行约束条件[1]。

1)使各电站的频率保持或接近50 Hz，偏差不超过±0.1 Hz；各电站向电网输送总功率保持或接近规定值。

2)根据市调下达的负荷曲线，按流域内流量平衡原则，确定流域各电站运行的最佳机组台数、机组运行组合方式，实现自动发电控制。

3)调度中心AGC采用控制到电站单机方式。AGC模型的运算结果直接控制每台机组，实现自动启、停机组，也可由人工启、停操作或调整。

3 梯级调度AGC具体设计

本设计中的狮子滩流域内各电站之间距离短，各电站机组台数、单机容量及电站总装机容量、单机耗水量不同，站与站之间有区间流量，且通常上一级电站的放水情况对下一级电站的发电情况起决定性因素。

3.1 控制目标和原则

本AGC的目标是保证公司两个流域电站发电负荷满足给定总负荷条件下，龙溪河流域发电耗水量或弃水量最少。因此，调度中心AGC根据流域内各电站及机组的出力和耗水率，将流域内每个电站作为一个整体进行考虑。由于市调、地调中心主站系统AGC将采用控制到流域、控制到单站和控制到机组等多种调控方式，调度中心AGC的功能按照三层进行设计[2-3]。

1)上级调度用全流域总出力进行控制

公司内AGC以全流域总出力进行控制，首先对具有最大调节能力的电站(狮子滩电站)进行调节，再考虑梯级内上一级电站放水流量和水流到达下一级电站的时间、下一级电站机组耗水率、区间流量等情况，调节后续电站的出力，根据水力发电机出力优化和流量平衡原则，确定各电站最佳运行的机组台数和机组间最佳有功功率分配。

2)上级调度对流域内某些单站进行全站负荷控制

公司内AGC应根据调度系统对这些电站的负荷要求，对目标电站进行AGC计算，确定各电站最佳运行的机组台数和机组间最佳有功功率分配。在满足调度负荷曲线的前提下，其余电站各机组按照流量平衡、出力优化等原则，随目标电站的出力变化做出相应调节，如果不能满足要求，应自动向调度发出信号请求进行负荷调整。

3)上级调度系统仅对某些机组的负荷进行控制

公司内AGC应将上级调度的单机调度命令直接下达到各被控机组，流域内其余机组在满足调度负荷曲线的前提下，按照流量平衡、出力优化等原则，随被控机组的出力变化做出相应调节，如果不能满足要求，应自动向调度发出信号请求进行负荷调整。

梯级水电站同时考虑如防洪、灌溉、工业和民用用水等其他部门的需要，根据国内其他电站AGC控制经验，控制流程见图1。

图1 厂内AGC程序流程图与厂间AGC程序流程图

3.2 梯级电站AGC数学模型

目前，梯级AGC常用的数学模型(即优化准则)有4类：①系统的耗煤量最小模型，当梯级水电厂与火电系统联合优化运行时采用；②耗用流量最少模型，用于厂内经济运行，因为它对于梯级控制不是最经济的；③水头加权流量和最小模型，梯级上游电厂的发电用水可在下游电厂继续产生效益，同样多的水对于上下游电厂的价值效益是不同的，对于上游电厂的用水，不能只考虑本电厂水头，还要考虑下游电厂的水头；④梯级总弃水量最小或总弃水电能损失最小模型，不能完全反映出梯级AGC的实际要求。梯级弃水少是合理的，但是如果没有弃水，无法从不弃水的方案中找出最好的分配方案，弃水可避免时总弃水电能损失最小这个目标也不起作用。

以上数学模型各有其应用的具体条件，都有不足之处。对于龙溪河流域狮子滩电站、上硐电站、回龙寨电站、下硐电站整体梯级调度AGC的情况，结合其他电站设计经验，本设计采用使梯级系统总储能增加最大的数学模型，即梯级各电厂发出了系统给定的负荷后，各水库在所考虑的时段内储能增加之和最大，该模型比较全面地考虑了梯级中各水电厂水库的储能变化。

一个具有N个电厂的梯级，电厂从上游到下游按l到N排列。从能量观点来看，在某时段，梯级发出了给定的负荷后，梯级系统中增加的能量ΔE应为各水库增加能量之和，设分别为ΔE1，…，ΔEn，则有

(1)

整个梯级系统中增加的能量为

(2)

(3)

式中：ΔWi,j为i电厂j时段的水库水量的增量；Qini,j为i电厂j时段的天然来水流量；Qi,j为i电厂j时段的出库流量；τi-1为上游(i-l)电厂的出库流量至下游i电厂的流达时间；t为时段长度。

(4)

以上目标函数反映了梯级中各水库在所考虑的时段内总储能的变化，梯级最佳运行方式即是以总储能增加最大的运行方式。考虑了水流时滞对整个梯级水库储能变化的影响，上游电厂i时段的流量经过时滞后到达所有下游电厂，还兼顾考虑了本时段发电对以后N个时段的影响，在制订日发电计划时，N一般取24或96，应用于实时控制时N≥max(2，max(τ1，τ2，…，τn-1)+1)。

然而，由于该目标函数计算量很大，计算运行时间较长，这与梯级AGC的实时性要求相悖。对于含有多个电厂，而且每个子厂又有多台机组，甚至还有多种机型，该目标函数需要作进一步的改进。在实时给定(或调整)整个梯级的总出力或者由于种种原因引起梯级运行偏离计划发电曲线时，要求AGC能够立即响应，及时分配或调整各电站的出力并进而控制机组的运行工况，迅速、经济地分配流域内各电站之间的负荷，确定流域内最优运行机组组合、应运行机组台号和出力，计算时间不能超过3 s。

因此，改用库水位来描述水库水量增量ΔWt的新的表示方式，即

ΔWt=Vt(Zt0+i,j)-Vt(Zt0,i)

(5)

从而得到改进的数学表达式

(6)

式中：t为时段长度，Vt(Zt0,i)为i电厂对应初始库水位Zt0,i的初始库容，Vt(Zt0+t,i)为i电厂对应末库水位Zt0+t,i的末库容。

水流时滞影响和调度期内各时段间的联系通过各时段求解过程中的约束条件及厂内AGC得到满足，由于该式只涉及各水库在计算时段内的初末库水位，故表达式通用性很强，既适用于调度期内任一时段的计算，也适用于整个调度期的计算,而无需像改进前的表达式那样用各时段求和解决整个调度期总储能增量的问题。采用改进后的算法，AGC计算量大大减少，从而使得梯级AGC有更多的时间裕度。

3.3 AGC模型的求解

基于此模型的求解算法一般有关联预估与微增率结合法、基于等微增率原则的可行性搜索迭代法以及逐次逼近算法等。考虑到狮子滩电厂流域梯级特点：梯级所含电站都是装有多台机组的中小型水电站，水电站其他约束条件也很多，优化问题比较复杂。综合梯级运行安全、实时和经济等多方面要求，在实施时采用的是逐次优化逼近算法。

目标函数的计算公式为

(7)

求解步骤如下：

1)先不考虑时段之间的联系，求最优初始解，得到

(8)

2)考虑时段之间的联系，利用逐次优化逼近算法求最优解。

考虑后续时段影响后，计算目标函数的表达式变为

(9)

在利用逐次优化逼近算法改变A电站的初始负荷分配线以前，先通过上述表达式计算出调度期总目标函数值，并将其作为初始总目标函数值。可以得到一组对应于最大总目标函数值的参数，即为两个电站的最优解。

因此，梯级水电厂日优化运行问题就转化为满足各方面约束条件下，使目标函数值最大。计算采用逐次逼近算法，即先不考虑各时段联系求出最优初始解，以此为基础进行轮回推移逐步寻优。具体计算时，以求解两个电厂的数学模型和算法为基础，然后采用叠加法扩展，例如求解3个电厂时，将下游2个电厂作为整体，用2个电厂的数学模型和算法优化处理，将其等效为1个下游电厂，然后再以上游电厂和等效下游电厂按2个电厂的数学模型和算法优化，得到3个电厂的最优解，以此类推可以推广至更多电厂。

4 梯级调度AGC预期投运效果

对狮子滩发电公司梯级水电站计算机监控系统的AGC设计投入运行后，可以更有效地保证安全经济运行，减少手动操作量。可使其公司各电站频率及向电网输送的总功率保持在规定值的允许偏差范围内；可根据市调下达的负荷曲线，自动确定流域各电站运行的最佳机组台数、机组运行组合方式，实现自动发电控制；可由梯级调度中心直接控制每台机组的自动和人工启、停操作或调整。满足了狮子滩发电公司对所属流域梯级电站集中调度控制系统AGC功能提出的要求。