CPS标准下的AGC控制策略研究

西华大学硕士学位 论文 I 摘 要 随着我国电力工业的飞速发展，电网规模不断增大，互联范围逐渐加深， 维持电力系统频率的稳定和联络线交换功率的平衡显得越来越重要。自动发电控制 (主要功能是当系统 负荷 发生扰动 时通过调整发电机组出力， 实现区域电网之间任意时刻电能的供需平衡，从而将系统频率和联络线交换功率维持在计划值，并使每台发电机组最经济地带负荷。 在我国电力市场化的改革逐步深入的背景下 ， 如何提高电能质量 ,降低发电成本，实现对电力系统的经济调度 , 成为近年来自动发电控制的热门话题。 准是 北美可靠性委员会（ 于 1997 年提出的互联电网自动发电控制最新控制标准策略。与原来的 准相比， 准更着眼于频率质量和一个控制区域在频率偏差控制方面的长期表现，从而 更为合理地鼓励各控制区域积极参与调整联合系统的运行频率。在新的 准下，频率的合格率有了很大的提高，但极小的频率波动依然可能导致 组的 频繁调节 ，使得机组的磨损加大，增加其发电成本。另一方面，在省网对省调进行 核的背景下，在控制策略上不能一味地追求 考核率，因此如何降低发电成本和考核罚款也是自动发电控制中应该考虑的重要问题。 首先，文章介绍了自动发电控制的发展背景，对电力系统调频与自动发电控制基本原理作了概述，并详细介绍了自动发电控制的评价标准，即 A 标准和 准。然后对传统的 制器的优缺点以及存在的问题进行分析，围绕满足互联电力系统对鲁棒性和适应性的要求，提出了一种将 经网络预测算法和模糊逻辑控制器相结合的控制方法，配合 的传统 制器，根据 制参数的预测值与当前值之间的偏差值，实现对 组的预控制。利用 真软件建立了一个双区域电力系统的控制模型，在提高 核率的情况下，达到了改善 制效果的目的，减少了机组的调节次数，降低了运行费用。其次，针对电力系统经济调度的新要求，对于如何减少 准考核罚款以及机组的运行成 本，提出了一种基于混合粒子群优化的细菌觅食算法（ 整定 制，其仿真结果说明新的控制方法在保持 制效果的基础上，使得罚款和发电成本总和最少，实现了对电网的经济调度。 辅助服务 系统的建立是 为 了 维护电力系统的安全、稳定、 经济 运行 ，保证电能质量以及生产、输送 以及 使用 ， 本文 根据四川电网的实际情况，以及影响 节性能的4 个效能系数：调节容量、调节速率、调节精度和响应时间 ， 提出了先使用归一化，然后使用几何均值的处理方法，这种方法能避免性能不良的指标被性能良好的指标所掩盖，同时也避免了繁琐的权重 设置 ， 能够更好的表征 组的综合调节性能 。 关键词 ： 自动发电控制； 准；经济调度 ； 辅助服务准下的 制策略研究 of by of It is to is to of in at t in it up of to to of a of in is GC 997. 1 2 on of in a it in of PS,to GC of it PS on to be in of GC,GC GC in PS of PS on in By up a of to PS PS by of of to of to PS in of up a I on to PS by 华大学硕士学位 论文 PS of is to to GC a of up by GC be by 准下的 制策略研究 目 录 摘 要 . I . 言 . 1 1 绪论 . 2 研究的背景和意义 . 2 国内外研究现状 . 3 本文的主要工作 . 4 2 自动发电控制的基本原理 . 6 统总体结构 . 6 主站计算机系统 . 6 能量管理软件系统 . 7 用软件 . 7 厂控制系统 . 8 调节原理 . 8 电力系统的一、二、三次调节 . 9 互联电力系统负荷频率控制模式 . 10 互联电力系统控制策略的配合方式 . 12 自动发电控制性能评价标准 . 13 自动发电控制 A 标准 . 13 自动发电控制 准 . 13 两种评价标准的比较 . 14 本章小结 . 15 3 基于 经网络和模糊控制的电网 棒控制策略研究 . 16 制策略 . 16 传统 制器 . 18 电力系统模型 . 20 发电机 . 21 汽轮机 . 21 联络线模型 . 22 负荷扰动模型 . 23 制器模型 . 24 经网络预测 . 26 基于 经网络的频率偏差预测 . 26 西华大学硕士学位 论文 结合 统 制的模糊控制方法 . 29 算例仿真 . 31 本章小结 . 35 4 基于 法的电网 济调度研究 . 36 准下的经济考核 . 36 基于 法的控制流程 . 37 基于 法的电网 济调度 . 38 粒子群算法 . 38 细菌觅食算法 . 40 合算法 . 41 算例仿真 . 43 章小结 . 46 5 四川并网发电厂辅助服务系统 量评估研究 . 47 调度数据网络现状 . 47 项目简介 . 47 系统总体功能结构 . 48 节综合效能系数 . 49 调节容量 . 49 调节速率 . 50 调节精度 . 50 响应时间 . 50 综合效能系数 . 51 算例分析 . 51 本章小结 . 53 6 结论与展望 . 55 结论 . 55 展望 . 55 参 考 文 献 . 57 攻读硕士学位论文期间学术论文及科研情况 . 60 致 谢 . 61 准下的 制策略研究 1 引 言 电能作为一种特殊的产品，它表现在电能的生产、输送、供应和消耗必须在同一时间完成。由于电力系统的负荷瞬息万变，因此独立 电力系统必须一方面使电能保持供需平衡，另一方面需要维持正常的频率；为了使整个系统协调和稳定运行，互联电力系统还必须保证联络线交换功率按交易计划合理运行。然而，仅仅依靠人工调节方式无论从调节速度还是调节精度上都难以满足现代电力系统安全、协调、优质和经济运行的新要求。因此，还需要进一步提高整个电力系统的电能质量和联络线交换功率的控制及调节水平，来实现电网现代化的管理，即提供相应的自动化控制技术手段来提供实质性的保障。而目前解决这一问题的最佳途径和工具就是自动发电控制（ 自动发电控制是以满足电力供需实时 平衡为目的，使电力系统的发电与用电负荷相符合，以实现可靠的电能质量供应。 运用 术，可以以电力供需实时平衡获得高质量的电能，提高互联电网安全、稳定、经济的运行水平，更加有效地执行互联电网之间的电力 联络线功率 计划，这样就能降低运行管理人员的劳动强度；对于提高调度中心发电厂的技术水平和电力市场的竞争实力，完善管理机制，适应现代互联电力系统发展运营的新要求，都具有非常重要的意义。 其根本任务是实现下列目标： 1) 维持电力系统频率在允许误差范围之内，保证频率偏移累积误差引起的电钟与标准钟之间的时差在规定限值之内； 2) 控制互联电网净交换功率按计划值运行，交换功率累积误差引起无意交换电量在允许范围之内； 3) 在满足电网安全约束条件、电网频率和互联电网净交换功率计划的情况下协调参与 节的电厂或机组按市场交易或经济调度原则优化运行。 运用 术，可以以电力供需实时平衡获得高质量的电能，提高互联电网安全、稳定、经济的运行水平，更加有效地执行互联电网之间的电力 联络线功率 计划，这样就能降低运行管理人员的劳动强度；对于提高调度中心发电厂的技术水平和电力市场的竞争实力，完善管理机制，适应现代互联电力系统发展运营的新要求，都具有非常 重要的意义。准下的 制策略研究 2 1 绪论 研究的背景和意义 自动发电控制 以前 称为 ： 电力系统频率与有功功率的自动控制 。在二十世纪五十年代 电力系统扩大以后， 它得到了不断的发展和应用 ，随着电力系统的容量不断增长，工业发达国家的电力系统通过 几十年长期的 试验 和 研究 ， 也相继实现对 频率 和 有功功率的自动控制 ；六十年代以后控制装置元件逐渐改用使用集成电路和晶体管，控制方式由模拟量转向数字化；七十年代以来，在线电子数字计算机在美国 力控制中心采用，实现了自动发电控制、电力系统安全监控和经济负荷分配以后，各国也大跨越式 地发展 ，进行基于计算机集中控制的现代 术的研究和应用，取得了明显的经济效益。国外自动发电控制的发展应用如表 示： 表 国外 自动发电控制的发展应用 of 家 所属电力系统 控制方式 自动控制装置 前苏联 南部、中部及乌拉尔、西伯利亚西部等联合电力系统 由虚有差率调整准则过渡到频率交换功率（ 电子模拟和磁放大器式 美国 电力公司所属电 力系统之间 频率 交换功率（ 高速频率负荷控制装置、自动负荷控制装置、电力系统自动负荷分配系统 欧洲 以西德和法国电力系统为主组成的西欧联合电力系统 频率 交换功率（ 各国内部的控制准则和装置则多种多样 。 日本 存在两个联合电力系统，分别包含三个和七个电力系统 多数采用频率 交 换 功 率（ 少数用选择式频率控制 主要是比例积分型 以我国发展较 早 的华东电网为例， 从六十年代开始进行自动发电控制的试验工作 ，华东电网于 1963 逐步过渡到 “频率 联络线交换功率 ”（ 制方式，并 开始制定规划、组织实施。 电能质量的提高，也为电力企业也为整个社会带来了可观的效益。华东电网 从“主系统集中控制下的地区分散制”控制逐步过渡到“频率 联络线交换功率”（ 制方式 ； 20 世纪九十年代及 21 世纪初， 确定了 制的策略，即华东电网总调度所实行 “ 定频率控制（ ” ，三省一市调度所实行 “ 联络线功率 频率偏差控制（ ” 。 北美电力可靠性委员会（ 关于 自动发电控制性能评价标准的 规定中可以发现，对 1， 如今的 准的发展，其发展历程如下： 西华大学硕士学位 论文 3 1) A 标准： 20 世纪 60 年代以来，北美一直采用 定的 制性能标准对互联电力系统各控制区域的控制性能进行评价。 20 世纪 80 年代我国开始引进国外 统并一直采用 准对电网性能进行评价监督。 准要求在任何一个 10隔内， 须过零 ； 准确定了 控制限值。 经过长期的实践，技术人员逐渐发现各控制区域 A 评价标准由于要求任何 10 分钟内 须至少过零一次，因此会使 组频繁动作，从而造成机组的磨损。其缺点是：一旦某一区域系统 发生故障并且在无法短时期恢复正常控制，其他控制区域为了保持其 2 的评价指标，会降低其给予的支援力度，这样就不能很好地来维持整个互联电力系统的控制性能。 2) 准： 1997 年 2 月， 出了新的 标准来替代原来的 A 标准。准能够更加公正的评估各区域的控制对互联电网的作用，确保区域之间的交换功率满足交换要求并保持互联电力系统的正常频率。 准的优点： 根据统计方法推导出来的 准，一方面强调 自动发电控制 的长期控制能力，着眼于调整电网的频率， 使 组频繁调整造成的设备磨损进一步 减少，降低其发电成本；另一方面鼓励事故发生时下对故障区域的支援，其含义是鼓励频率减小时少发电，频率增加时多发电。价标准要求各区域应满足同时 00% 和 0% 。 由以上可知：在数学模型和评估方法上 准与 A 标准相比有很大的差别，因此原来基于 A 标准的 制方案达不到新标准的要求，或者甚至会与 准控制效果相反，基于 A 标准的控制方法和控制策略在新标准下已不能继续使用。 2000 年开始，我国开始对 制 策略进行研究，近几年来取得了相当大的进展，并在 际运行中以及考核中发挥了非常大的作用。 因此， 在 准下找到新的控制策略，在提高考核率的基础上，减少机组的起停次数，减小机组的损耗 和成本， 具有重要的经济价值。 在网调对省调进行 核的背景下，降低发电成本和考核罚款 ，在 自动发电控制中 实现对电网的经济调度也具有十分重要的意义 。 国内外研究现状 （ 1） 准下的 制策略 国内研究现状如下： 在控制策略方面： 我国学者对 准下的 层控制和控制策略 1行了深入研究， 文献 10提出了网省调分层 制和 制标准策略，着重讨论了 华东电网中取得了良好的效果； 文献 11提出 节功率分量 的概念，与比例分量和积分分量相结合，构成区域的调节总功率；文献 12比较了 准和 A 标准的数学和物理差别，并分析了 理想控制策略。 在控制器改进方面： 我国大多数 制目前都采用的是传统的 制 13，然而准下的 制策略研究 4 这种基于经验来确定比例和积分值的控制策略，往往难以达到互联电力系统对鲁棒性的要求，因此越来越多的控制器和控制算法加入到传统 制器 之中。文献 14计并将模糊逻辑控制器应用于自动发电控制，基于 控制器比传统 制器更加优越，提高了系统的鲁棒性； 文献 16提出了一种新的 制器并带有增益调节，设计了一种发电率限制和带死区的四区域互联系统 。 在 智能算法 方面： 文献 17设计了基于 Q 学习算法的 校正控制，通过在线学习算法对电网结构、参数和运行方式具有良好的适应性，但是容易 产生过调， 造成 文献 18将 法应用于互联电网 率调节中，在经济的条件下使得 准最优； 文献 19提 出基于现代内点理论的互联电网 准下的制策略，通过仿真实验说明该算法能有效减少 组的下令次数，大幅度地提高 标。 国外的研究 主要 在结合多种智能算法和控制方法 20， 文献 25提出了将模糊控制器和神经网络相结合加入到互联电网的控制中去 ；文献 26提出将自整定模糊比例积分控制器应用到互联区域电力系统负荷频率控制中 ；文献 27将模糊遗传算法控制器设计应用于自动发电控制。 引入 这些算法都 是为了 更好地适应电力系统对鲁棒性和适应性的要求。 （ 2） 济考核 国外电力市场通过建立独立的 助服务竞价市场 28，或与能量交易市场统一考虑等形式来保障 实施。 文献 29量化了 组对电网的贡献，并采用经济的方式予以体现，当 组违反运营规则时，则必须要给出定量的经济惩罚 。 而国内 当前对电厂调节性能的考核方法都是以 组的调节容量、调节速率、调节精度和响应时间等指标为基础 30大多数研究是根据机组的曲线跟踪能力，判别其是否满足要求并进行考核。文献 32提出了一种在电力市场环境下 助服务的概率学先验定价和统计学考核方法来考核 献 33提出了一种基于 务分解为机组考评要求的评估方法，通过对超限指令的补偿，可以区分系统运行人员与机组的责任。 由于 令和 组之间是一个非静态的、非线性的关系，因此 组的调节性能的优劣和机组的考核还应该与其控制策略有关。 文献 34设计了一种应用于组的变论域模糊控制器，显示出它比传统 制器更加优越，提高了系统的鲁棒性和自适应性，减少了控制命令的下发次数和反调次数。但是没有在考虑联络线功率、电量考核的情况下整定其控制器参数。因此在网调对省调进行 核的背景下 35在控制策略上不能一味地追求 考核率，因此如何降低发电成本和考核罚款也是 自动发电控制中应该考虑的核心问题 。 本文的主要工作 本文一方面提出了 基于 经网络预测及模糊控制的互联电网 棒控制，西华大学硕士学位 论文 5 另一方面， 对 核的背景下， 提出了 基于混合粒子群优化的细菌觅食算法（ 整定 制 ，最后对 四川省并网发电厂 辅助服务 系统的 综合效能系数 计算方法进行了改进 。 主要工作如下： （ 1） 首先介绍了自动发电控制发展概况，包括国内外 研究与应用，然后 探讨 了 性能评价标准和国内外学者对 准下 制策略的研究应用 。紧接着对 统总体控制结构 和 基本调节原理进行了详细的阐述 ， 介绍了互联电力系统频率控制的几种控制模式及其基本原理 ， 并对 性能评价标准的 A 标准和 准进行 了 比较。 （ 2） 针对传统 制策略难以满足互联电力系统对鲁棒性和适应性的要求，提出了一种采用 经网络预测算法和模糊控制相结合的方式的控制方法，配合 I 控制器，实现对 组的预控制。经过仿真后，其结果说明新的控制方法不仅达到了改善 制 效果的目的，并且提高了 标的考核率，减少了机组的调节次数，降低了运行费用，取得了一定的经济效益。 （ 3） 分析了在网调对省调进行 核的背景下， 制策略还应该综合考虑核罚款和发电成本的问题，因此 提出了一种基于混合粒子群优化的细菌觅食算法（ 整定 制。建立了一个双区域电力系统的 核系统模型，对优化前后的控制效果以及进行了对比，仿真结果说明新的控制方法在保持 制效果的基础上，使得罚款和发电成本总和最少，实现了对电网的经济调度。 （ 4） 介绍了 四川省并 网发电厂 辅助服务 系统，阐述了系统的基本结构和考核方法，通过研究对 4 个效能系数：调节容量、调节速率、调节精度和响应时间 ，并提出了一种新的 综合效能系数 计算方法，即归一化和几何均值相结合的处理方法。这种方法能避免性能不良的指标被性能良好的指标所掩盖，同时也避免了繁琐的权重设置 ， 能够更好的表征 组的综合调节性能。 （ 5）提出了 论文的主要 结论，本文主要从控制器的改进和经济调度环境下控制方