（电力系统及其自动化专业论文）三峡梯级及其电站自动发电控制（agc）软件研究与实施.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t f o r m a n yy e a r s ，r e s e a r c h e r s a l lo v e rt h ew o r l dh a v e p r e s e n t e d n u m e r o u se f f e c t i v em a t h e m a t i c a lm o d e la n da l g o r i t h mo ft h ea u t o m a t i c g e n e r a t i o nc o n t r o lo fc a s c a d e d h y d r o p o w e rp l a n t s a n ds o l v e dal o to f p r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o b l e m s t h i sd i s s e r t a t i o n ，f o c u s i n go n t h ea u t o m a t i c g e n e r a t i o nc o n t r o lo fc a s c a d e dh y d r o p o w e rp l a n t s ，d i s c u s s e dt h et h e o r i e s a n dm e t h o d sa n dt h e i ra p p l i c a t i o n ，a g a i n s ts t a t ek e y t e c h n o l o g i c a lp r o j e c t “s o f t w a r e d e v e l o p m e n tr e s e a r c h o na g co ft h r e e g o r g e s c a s c a d e h y d r o p o w e r s t a t i o n ”t h em a j o rw o r ki so u t l i n e da sf o l l o w s ： i t h i s p a p e rb r i e f l yi n t r o d u c e st h eb a s i cf u n c t i o n sa n dp r i n c i p l e so f t h et r a d i t i o n a la g cs y s t e m sf i r s t t h em e r i t sa n d s h o r t c o m i n g s o ft h e t h e o r i e sa n dm e t h o d sa r es t a t e dn e x t ，a f t e rt h er e v i e wo ft h ee a r l yw o r k s o v e rt h ep a s ts e v e r a ld e c a d e so nt h et h e o r y ，m e t h o da n d a p p l i c a t i o ni nt h e a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o lo f c a s c a d e d h y d r o p o w e rp l a n t s 2 b a s e do nt h ep r o j e c to ft h r e eg o r g e sc a s c a d e ，a f t e ra l la n a l y s i so f t h em a t h e m a t i c a lm o d e l c u r r e n t l y u s e d ，t h e c o m p l e xp r o b l e m s a r e d e c o m p o s e da n ds i m p l i f i e du s i n gt h ep r o g r e s s i v eo p t i m a l i t ya l g o r i t h m ，o f w h i c ht h ec o m p u t a t i o n s t e p sa r ed e s c r i b e d i nd e t a i l i tc a r ! b eu s e dn o to n l y f o rt h ed a i l yg e n e r a t i o ns c h e d u l i n g ，b u ta l s of o rt h er e a l t i m ec o n t r o lo f c a s c a d e dh y d r o p o w e rp l a n t s ，a n dt a k e si n t of u l la c c o u n tt h ee f f e c to ft h e i n i t i a lr e s e r v o i re l e v a t i o n s ，n a t u a li n f l o w si no n e d a y a n dt i m e d e l a yo f w a t e r b e t w e e nr e s e r v o i r s 3 t a k ei n t oa c c o u n tt h e i n n e r p l a n t a g ca n d i n t e r p l a n t a g c s i m u l t a n e o u s l yi no r d e rt oa c h i e v et h er e a lo p t i m a lo p e r a t i o no f c a s c a d e d h y d r op o w e rp l a n t s 华中科技大学硕士学位论文 4 t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sa r e p r a c t i c a l l yt e s t e d ，t h er e s u l t si n d i c a t e e f f e c t i v e n e s so ft h e t h e o r ya n dm e t h o d s a si ti sw e l lk n o w n ，n u m e r o u s l a r g ec a s c a d e dh y d r o p o w e rp l a n t sh a v e b e e nb u i l to rw i l lb eb u i l ti nc h i n a o nt h eo t h e rh a n d ，r e s e a r c h e ss h o wt h a t i n n e r p l a n t a g cc a n i m p r o v e t h ee c o n o m i cb e n e f i t s b y l 3 w h i l e i n t e r p l a n ta g c w i l li m p r o v et h eb e n e f i t sf u r t h e r m o r e t h e r e f o r e ，t h ew o r k i nt h i sd i s s e r t a t i o nh a sag r e a t s i g n i f i c a n c e n o t o n l y f o rt h ee c o n o m i c o p e r a t i o n o fp o w e rs y s t e m s ，b u ta l s of o rt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n to f c h i n a k e y w o r d s ： t h r e e g o r g e s ， c a s c a d e d h y d r o p o w e rp l a n t s ， a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ， a g c ， p r o g r e s s i v eo p t i m a l i t ya l g o r i t h m l 华中科技大学硕士学位论文 = = = # = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= ： 1绪论 1 1 实现自动发电控制的必要性和现实意义 电力系统中的负荷是经常变化的，有的有规律，有的是随机的，预测的负荷曲 线往往与实际负荷相差甚远，一般在2 - 5 左右。负荷发生变化后，系统的频率和 电压将随之变化，特别是负荷发生较大突变或发电厂变电站出现突发事故，会引起 频率和电压很大的变化，有时甚至造成系统瓦解。为了维持系统的频率和电压，必 须对系统发出的有功功率和无功功率进行有效控制，使其恢复到原先的水平，也就 是希望的水平。尽管有功功率和无功功率联系密切，但是，频率的变化主要由有功 功率的不平衡引起，电压的变化则由无功功率的不平衡引起。因此，在小波动范围 内有功功率和无功功率的控制可以分成两个相对独立的问题来分别处理。 频率和有功功率控制在电力行业已不是一个新概念，而最近二、三十年来则提 出了自动发电控制( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r 0 1 ) 这一全新的概念。自动发电控制 ( a g c ) ，作为电力系统调度自动化的一项基本功能，早已在国外尤其在北美得到 了广泛应用，也是近几年国内电力系统对发电厂的一个新的基本要求，火电机组和 水电机组都要按系统要求参加a g c 运行。 我国水利资源位居世界首位，随着国民经济的蓬勃发展和对能源需求的急剧增 长，逐渐兴建和正在兴建一大批梯级水电站。根据国外优先发展水电能源的经验， 我国水电事业具有很好的发展前景。随着我国加入w t o ，国际问的竞争日益激烈， 我国水电技术只有在水电数量、质量、科技、管理、效益等方面全面领先，才能成 为真正意义上的水电第一大国。与火电机组相比，水电机组具有起动迅速，负荷调 节灵活的特点，可以迅速地改变出力和启停，适合担任系统调峰、调频任务，在电 力系统中担任a g c 运行的主角。 实现自动发电控制以后，可以使水电站和机组经常处于优化工况下运行，达到 多发电、少耗水的目的。梯级水电站实现全梯级优化运行后，可以进一步节约宝贵 的水电资源，提高经济效益。前苏联学者曾对可获得的经济效益进行了计算，结果 表明可提高水能利用率约4 。我国的实际运行资料分析表明，平均效益约为1 。 具体效益的大小随水电站的类型而异，具有调节性能强的水库和负荷曲线变化大的 水电站的经济效益尤为显著。梯级水电站实现经济运行后的效益更大，可达百分之 几。其效益的相对值虽然不大，但绝对值则很大。水电站采用计算机监控以后，监 华中科技大学硕士学位论文 视和操作大多由计算机系统进行，汁算机能迅速采集和处理大量信息，弥补了人的 能力局限性，因而能迅速发现异常，以便及时采取措施，防止事故发生，大大提高 水电站安全运行的水平；能减轻运行人员的劳动强度及精神负担，不必人工时刻监 视，频繁手动调整以及担心越限运行，极大提高水电站现代化自动化运行水平。因 而，町以减少甚至取消运行值班人员，有助于实现少人值班和“无人值班”( 少人 值：j ：) 。a g c 的应用将显著改变国内电力运行长期依靠人工调度的局面，使其更经 济，f t l 能质量更高，同时对于改进管理和促进基础自动化j 二作都将有重要意义。 1 2 电网a g c 自动发电控制，即电网对电站，电站对机组的出力进行自动控制，使其符合预 定要求。美国电气和电子工程师学会i e e e 的一个专业委员会曾对电力系统的自动 发电控制下了以下定义：自动发电控制，指根据系统频率、输电线负荷变化或它们 之问关系的变化，对某一规定地区内发电机有功功率进行调节，以维持计划预定的 系统频率和或与其它地区商定的交换功率在一定限制之内。 电网a g c 是与电网调度管理方式有关的一个重要功能。在引入电网a g c 以 f i i i ，电力系统原有的有功一频率的调节方式是利用改变调频厂出力大小来稳定电网 频率的。随着电力系统的发展，出现了相邻电网强联网的局面。虽然，就整个联网 系统而言，系统有功供需平衡的变化即反映出系统频率的波动；但由于出现了与相 邻电网大幅度的功率交换，单一的频率变化已不能反映互联各系统内的有功功率波 动。不处于系统控制中枢的调频电厂难以得到各处联络线潮流分布的信息，电网的 有功一频率控制方式就要过渡到由中心调度所的a g c 系统控制的一群发电机的有 功出力来实现系统的有功功率供需平衡。在这种情况下电网a g c 被提到议事同程 上束。 电网a g c 系统是电网电能量管理系统( e m s ) 的重要组成部分，承担着电网频 率调节、网际联络线交换功率控制和经济调度的重要任务。我国从8 0 年代起至今， 已有2 0 多个网省局的电网a g c 系统通过国调中心的实用化验收，在保障电网优质、 安全、经济运行方面发挥着重要的作用。 电网a g c 根据用电需求和发电能力，并按照安全和经济原则，制定电网的发、 供电计划，并在计划执行过程中通过负荷频率控制( l f c ) 调节a g c 电站的出力 努力使电网频率偏差到零，从而保持电网频率为额定值；在各控制区域内分配全网 发电出力，使区域间联络线潮流实际值与计划值相等；在本区域发电厂间分配发电 出力，使区域运行成本最小。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= ： 电喇a g c 能够根据频率、联络线功率、时钟误差这三个因素的不同组合方式 束控制电网的有功一频率平衡，在高一级的水平上实现电力系统的安全发供电，这 是通过计算a c e 而实现的。 a c e = ( 1 0 l s o 一，) 一1 0 b ，( 正一工) 式中：l ，l 联络线实际与计划净交换功率； & ，f 预计的和随机偏移的频偏回馈功率； 研频偏系数，耿负值( m w 0 1 h z ) 。 正，频率的实测值与预设值； l f c 有四种不同模式：定频率控制，a c e 算式只取右边第二项，a g cj 控制 系统频率趋于恒定，使之尽可能接近或等r 系统频率的设定值；定联络线交换功率 控制，a c e 算式只取右边第一项，a g c 只维持联络线交换功率到计划值；联络线 偏差控制，完全按a c e 算式计算，a g c 力图使频率和联络线功率都维持到计划值， 也是互联系统的常用控制方式：自动修萨时差控制，该方式在第三种方式的基础上 增加了的时间偏差修正功能，时问偏差是由于系统频偏的积累形成的。修正时差就 是校正电钟与标准钟之间的误差，这时： a c e = ( t o 一一s o 一) 一1 0 b ，( 五一正) 一尽e 式中：巨：时钟误差；b ，：时差修正系数( m w 0 1 s ) 由于电网和电站的功率实际存在一定的波动，实测功率都具有一定的随机性， 故经a c e 算式算出的a c e 原始值应进行数字滤波处理。 区域控制偏差需由a g c 来消除。中调计算机软件将这一功率偏差值按照预定 的分配系数分配到各a g c 电站，并按一定的周期实时下达给电站。制定分配系数 首先要考虑经济因素，一般应按梯级优先调度原则分配调节负荷，此外还应考虑各 种安全因素。 1 3 水电站 g c 水电站自动发电控制是电力系统自动发电控制的一个子系统，是指按预定条件 和要求，以迅速、经济的方式自动控制水电站有功功率来满足系统需求的技术。它 是在水轮发电机组自动控制的基础上，实现全厂自动化的一种方式，根据水库上游 柬水量或电力系统的要求，考虑电厂及机组的运行限制条件，在保证电厂安全运行 的前提下，以经济运行为原则，确定电厂机组运行台数、运行机组的组合和机组间 的负荷分配。系统计算出某水电站需发功率，并将此信息传送到该水电站以后，如 何实现此需发功率就是水电站自动发电控制的任务。 华中科技大学硕士学位论文 通过儿1 年的研究与发展，国内外学者提出了许多富有成效的理沦和方法，现 将它们在水电站自动发电控制中的应用情况概括如f 。 1 3 1 功率反馈法 此法的思想是，在运行中调整各台机组的出力或启停，使各台机组均运行于水 轮机最高效率点附近。如不能满足时，启停某些机组，重新调整功率，直至每台机 均运行j 二最高效率点附近。 此法计算的依据是水轮机特性曲线，并非实测数据。先算出当前工作水头f 各 台水轮机的最高效率和实发效率，再计算出各台机实发效率和最高效率的偏差，如 果超过允许值( 通常取1 ) ，则依据偏差的正负在原有运行机组问调整相应机组 的h j 力，如果该调整还不能使偏差满足要求，则根据实发功率与最高效率对应的功 率的偏差，决定是要开机还是要停机。如此反复进行，直到所有机组的实发效率均 在最高效率点附近。 此法算法简单，易于实现，可用于设有不同类型机组的水电站，美国石河段水 电站和大古力水电站就采用了该法。但是，此法理论上不能给出最佳运行机组组合， 不能预先确定要开多少台机组，无法进行某些校核计算，对实际运行中的安全性要 求考虑较少，计算时间太长。这些都限制了它的应用。 1 3 2 水轮机组合效率曲线交点法”1 根据制造厂提供的水轮机模型特性曲线，求出各种水头下不同运行机组组合时 的效率曲线，7 = ，( p ，h ，n ) ，又称水轮机组合效率曲线，如图l 所示。 o 图1水轮机组合效率曲线 4 华中科技大学硕士学位论文 图l 中圆括号咀的数字表示运行机组组合情况，如( 2 ，1 ) 表示有两种机型， 第一种机型2 台，第二种机型1 台的机组组合。j ：部f t l 线对应高水头，下部曲线对 应低水头。同水头下不同运行机组组合的效率曲线有一系列交点。将不同水头下 互相相邻的两效率曲线对应的各个交点依次连接起来，就得到所谓的理论开停机特 性曲线。 围2实际开停机特性曲线 这些理论开停机特性曲线再结合各种组合下水轮机和发电机出力限制等实际 条件作一些修j 下：有时为防止机组频繁启停，减少机械摩损，需要在原有特性曲线 上设置功率覆盖区。通常做法是，将实际开机特性右移一点距离，只有当电厂功率 比原来所需功率大某一值时才增开一台机；同样，将实际停机特性左移一点距离， 只有电厂功率比原来所需功率小某一值时才停一台机。便得到了如图2 所示的实际 使用的开停机特性曲线。 当水电站安设的机组型号、容量和动力特性相差不大时，通常用水轮机组合效 率曲线交点法来确定最佳运行机组数，按预先给定的开停机顺序确定应运行机组台 号，运行机组间采用等微增率或等负荷原则进行负荷分配。该算法已在西津水电站 p i 得到应用。但是，当电站设有不同型号或容量机组时，上述方法就不能采用。 1 3 3 穷举法 水电站事先排出各种可能运行的机组组合，当需要启停机组时，从各种可能的 运行组合中选出一种流量最小的组合，采用的是穷举法。此法理论上是严谨的，但 计算时间太长，当电站安装的机组台数较多，容量较大时，问题更为突出。因此不 能经常计算以保证电站运行于优化工况，导致电站经常偏离优化工况，更无法满足 调频的要求，特别不能用于参加调频的电站。委内瑞拉的古力水电站采用了此法。 华中科技大学硕士学位论文 1 3 4 动态规划法 动态规划法例2 9 i 是运筹学的一个分支，它是解决多阶段决策过程最优化的一种 方法。现在，将动态规划法实际应用到水电厂自动发电控制中来。 原问题数学模型为： q = r a i n q ，( p ) j = l p = 只= c o n s t i = i q ( o ) = 0 ( 只用于计算) 式中： q 电厂总流量； q i ( 只) 机组的流量特性。 我们把不同机组数参加运行看作不同阶段，以四台机为例具体阐述动态规划法 的应用。可以允许各台机组均不相同，是该法的优点。假设各台机特性曲线为 q ( p ，h ，) 。我们将一台机运行作为第一阶段，两台机运行作为第二阶段，依此类 推，共分四个阶段。第k 阶段决策变量为第k 阶段投入机组的出力只，状态变量为 第k 阶段全部机组总出力。 1 ) 第一阶段，只有一台机运行。因为只有一台机运行，机组特性就是电厂特 性，则： 卵( 只) = q ( 忍) 式中： 研9 第一阶段只有一台机组时电厂等值流量； 只电厂功率，应有b 只一； q 一台机的流量( i 取值l ，2 ，3 ，4 ) 。 2 ) 第二阶段，两台机参加运行。在原有一台机运行的基础上，需要再投入一 台机组，理论上任意一台机都可作为候选机组投入运行。而实际操作时，新投入机 组应使得电厂运行在最优工况点，即电厂所需流量最小。第二阶段的电厂等值特性： q f ( 只) = m i n ( q , ( p j ) + q ，( 忍一只) ) 式中： 簖第二阶段两台机组运行时电厂等值流量： 6 华中科技大学硕士学位论文 p 一一第：阶段新投入机组可能发的功率，应有 p ，s f ，且r p ，日，。 q 第：阶段新投入机组的流量( i 取值l ，2 ，3 ，4 ，且i 茌i ) 。 3 ) 同理，可得到递推关系方程式的一般形式： 鳃( 只) = r a i n ( q , ( 只) + q 翟( 乓一只) ) 求解时的限制条件： 一只，。上l 只一只s 目 i 取值1 2 ，3 ，4 且i 仨n ，n 为第n 阶段采用的机组组合 这样我们可以获得不同电厂功率对应的电厂最佳运行工况所需流量研( 只) 。 如果要求电厂发某一功率联，我们可以从q r ( 只) 查出对应此功率的4 号机功率只。 如果为0 ，表示只需要3 台机运行。然后计算其他三台机应发的功率层一只，再从 q 需( 只) 特性中查出对应一只功率的三号机功率b 。类似的，我们可以得到其他 机组应发的功率。与此同时，我们可以计算出各台机所需流量和全厂用水量。 动态规划法理论上比较严谨，精度高，可以解决含有不同类型机组组合的电厂 a g c 问题，它在确定电厂各种类型机组最佳运行机组组合和台数的同时，也给出了 电厂各机组的运行状态和出力，进而解决了电厂各种类型机组应运行机组台号和机 组间负荷经济分配的问题。但动态规划法纯粹从经济方面难以从电站供电安全和设 备安全方面考虑问题，另外它所需的计算工作量比较大，在机组台数较多时，甚至 会出现所谓的“维数灾”，计算时间长，不能满足实时在线控制的要求，故只能应 用于装机台数不多，容量不太大的电厂。利用动态规划法事先离线计算存表待查的 方法在葛洲坝二江电厂a g c 中得到了应用。 1 3 5 网络最短路径搜索法 在最近的研究中，文献【1 4 】借鉴虚拟机组技术”i ，通过将机组工况转换成本 折算成水当量来计算，建立数学模型，给出了目标函数 ，r m i n e r e ( n , ，j r , ，) 丁+ gj j w l - - l 式中： ，为水电站机组总数； 华中科技大学硕士学位论文 ；= = = = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = 一= ： r 为时段数； ，为时段，、机组f 分配的负荷； 岛，为时段r 、机组f 的净水头； 9f m ，j 为时段，、机组i 的流量特性函数： 7 1 为时段长度： c ，为时段t 、机组i 的机组工况转换成本，包括实际机组j r 机成本和同 属于一台实际机组的1 i 同虚拟机组之间的切换成本，即穿越机组气蚀振 动区的成本。 模型根据水电站可用的实际机组和各机组气蚀振动区信息，确定所有可用的虚 拟机组以及各机组出力区问和流量特性曲线，并生成虚拟机组所有可用机组组合， 通过筛选产生每个时段可用且符合要求的机组组合。根据机组组合和用动态规划法 计算的水电站按任意机组组合完成指定负荷所需发电耗水量生成双带权分层有向 网络，将其转换为边带权分层有向网络后，应用搜索最短路径的经典算法确定水电 站在所研究时间范围内的最优机组发电计划。 该模型将动态规划和网络最短路径搜索有效结合，使水电站发电耗水量最小化 的同时，最大限度地减少了机组启停和负荷调节时穿越机组气蚀振动区的次数。模 型计算结果能在发电耗水成本和机组工况转换成本之间取得良好的平衡，从而有效 降低发电综合成本。 但是，为了计算、比较方便，该模型将机组开机成本折算成机组5 r a i n 满负荷 运行的耗水量，将机组穿越气蚀震动区的成本折算成机组i r a i n 满负荷运行时的耗 水量。这种折算缺乏理论依据。引入虚拟机组技术，将实际机组抽象成多台虚拟机 组，大大增加了优化问题的规模和复杂度，虽然机组组合通过筛选后有所减少，但 效果并不明显，这使得该算法的实时性较差，只能用于离线优化计算。当水电站装 机台数较多或者机组有多段气蚀振动区时，问题尤为突出。三峡电站装有2 6 台特 大容量机组，机组有两段气蚀振动区，显然不能采用此法。 1 3 6 工程应用上的改进 虽然，水电站自动发电控制理论和方法已经进行了较深入的研究，基本问题已 经解决，但还不能完全满足实际应用的要求。最近几年国内外工程技术人员根据电 网特点，结合工程应用的实际要求，为改善a g c 控制性能对常规a g c 算法做了若 干重要的改进。包括a g c 控制周期、a g c 控制策略、a g c 数据库模型、a g c 机 组控制模式、区域控制偏差( a c e ) 平滑处理等方面1 1 6 l 。 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一一 1 4 梯级a g o 目前国内f 在实施“流域开发，滚动发展”的流域开发策略，随着长江、黄河、 清江等流域的滚动开发，梯级水电站将会越来越多，故研究梯级水电站a g c 理论 模趔及其工程实现意义非常重大。 梯级a g c 是研究调度期内逐时段各水电站最优调度和负荷分配，基本任务是： 在满足梯级运行中各项约束条件的前提f ，按照优化运行原则，实时、经济地将梯 级总负荷分配到梯级各电站，并控制各机组的运行状态和出力，尽可能提高整个梯 级的水能利用率，实现系统对整个梯级的发电要求；同时各电站也必须实现a g c 。 梯级a g c 属于梯级短期( 一天内) 优化运行问题，是一个典型的多约束的大 型、动态、有时滞的非线性系统的优化问题，理论上可以采用数学匕的优化方法对 其求解。在过去几十年罩，国内外学者对此进行了深入研究，优化理论、方法及其 在水资源工程领域中的应用也取得了很大的进展。 本世纪2 0 年代左右，等微增率法1 2 1 1 3 2 i 的思想就已产生，5 0 年代基本形成。基 于古典变分法原理推导出的使目标函数取最小值的等微增率法应满足两个条件。必 要条件为：各电厂或机组的负荷分配符合等耗量微增率，即盟：丝丝一一竺益： d e , d p 2d p ， 充分条件为：耗水流量对各自负荷的二价导数大于零或耗量函数是凸函数，即 一2 n 之导 0 。然而它在实际运用中往往不尽人意，因为：充分条件有时不易满足，机 印： 组耗水微增率特性存在较大误差，必须加以修正和改进；机组容量不同，技术出力 限制不同，使得等微增率原则不能在机组的所有出力范围内适用；无法避开机组的 汽蚀和振动区，不利于机组和电站的安全运行；不能用来确定最佳运行机组组合， 无法解决机组组合之间的相互转换：主接线约束条件难以满足。对于梯级水电站， 这种方法难以考虑一些复杂条件，忽略了梯级水电站问流量流达时间的影响。如果 长时间运用这种方法，必将偏离最优解。这种方法应用比较广泛，计算速度比较快， 但是在水电站数目增加时收敛困难，并且在处理复杂的水火电力系统，特别是解决 梯级水电系统的多约束问题时，这种方法有其局限性。 线性规划法( l p ) 1 3 3 1 0 q l ”作为较成熟的优化理论在水电能源系统中已有了广泛 的应用。l p 法处理高维问题的能力比较强：可获得全局最优解；可从任意初始解 丌始求解：易于处理复杂的约束条件；算法编程简单，计算速度快。但是线性规划 要求目标函数和约束条件必须是线性的。然而，一个较复杂的水电系统优化运行问 9 华中科技大学硕士学位论文 题其h 标函数和大部分约束条件如水电站机组特性、水库特性等，从本质上来说都 是典犁的非线性特性，因此在应用时必需先对实际系统的非线性特性进行分段线性 化处理从而降低了计算精度，增加了计算复杂性，直接影响经济效益。因而，线 性规划法较适用于系统容量不大，对精度要求不高的系统。 i 线性规划法( n l p ) 1 3 6 i 厶b 。e , 如实反映系统的非线性因素，理论上比较严谋，能 给较其它方法更普遍的模型。假足，解1 e 线性规划问题比解线性规划问题困难得 多，i if m 尚缺乏能适用于所有问题的般解法。当问题的规模较大时，有可能遇到 数值稳定性问题，影响算法的收敛。较适用于与其它方法结合，并在局部使用。因 此，往现阶段，从工程实用性角度来说，此法尚缺乏吸引力。 动态规划法( d p ) 1 1 7 1 1 3 8 1 1 3 9 i 在梯级水电站自动发电控制中的应用比较普遍。严 格来说，水电系统自动发电控制的目标函数是非线性的，既不满足凸性，也不满足 叫性，其他方法比较难处理，而动态规划法却能在系统不作任何简化的条件下有效 解决，这是其他优化方法所不及的。由于水电系统的优化问题诈好是一个多阶段决 策问题，运用动态规划法可以将一个大型的复杂的多阶段优化问题按时段划分为一 系列r 问题求解。相对而言，动态规划法比较容易考虑复杂约束和随机因素的影响， 阏而动态规划法从理论上来说非常适合于解决水电系统优化问题。所以，目前动态 规划法是解决水电系统优化运行问题中使用最广泛的方法。但是当水库数目较多， 规模较大时，随机动态规划模型求解存在“维数灾”问题。为克服动态规划“维数 灾”，国内外学者提出了不少改进的方法，最常用的是离散微分动态规划( d d d p ) 以 及逐次逼近动态规划( d p s a ) 。d d d p 由于每次迭代计算都局限在所得轨迹为中心的 个s 邻域内，这样大大缩小了可行域的范围，减少了占用内存量和节省了机 时。该方法主要缺点是只能获得局部最优解。因此，必须从若干不同试验轨迹出发， 进行迭代计算，如果所得的稳定策略各不相同，则只能选择使目标函数值最优的那 个策略作为问题的最优解。d p s a 是将原来i l l 维状态向量的动态规划问题分解成只有 一个状态变量的m 个子问题，使这些子问题的优化序列收敛于原问题的解，因而其 计算工作量只随维数m 成线性增长而不是成指数增长。由此可见，问题的维数越高， 该法所节省计算工作量越显著。其主要缺点是不能证明在所有情况下均收敛于全局 最优解，而且达到收敛所需迭代次数取决于初始解与最优解的逼近程度，为了获得 更接近于全局最优解，有必要选用若干个不同的初始策略进行试算。在解决实际工 程问题时，常常是利用d p s a 与d d d p 相结合：首先用d p s a 将m 维动态规划问题分 解成只有一维的1 1 1 个子问题，然后用d d d p 来实现每个子问题的最优化。 网络流规划法( n f p ) 1 4 0 1 1 4 1 i 是针对网络特点的一种数学规划算法，具有线性规 划的特点，同时又针对网络特点建立了比一般线性规划算法简单得多的算法，上百 华中科技大学硕士学位论文 倍地提高了解题速度。n f p 已广泛应用j ：电力系统优化问题的各个领域，在处理规 模较大的系统的优化问题时，较其它方法更具吸引力，有明显优点。n f p 求解梯级 自动发电控制问题时，先处理约束条件，将各种约束条件转化为网络的结构参数或 弧参数，在对其进行优化值求解。n f p 处理各种约束能力强，运算速度快，模型表 示直观明了，容易考虑梯级问水流的延迟和水能转换系数随水头和流量的变化。但 n f p 要求费用函数为凸函数，网络中流的下限为零，在实际系统中往往难以满足； 并且对于梯级水电站的某些特殊约束，很难川网络模型表示。 大系统分解协调法i l8 l 是将大系统分解成相对独立的若干个子问题，运用优化方 法实现各个子系统的局部最优；然后再根据人系统的总目标，使各子系统相旺胁凋 起来，以获得整个大系统的全部最优。分解与协调是大系统寻优的重要手段。从求 解程序而言，分解是大系统算法的结构设讨，协调是大系统全局最优的保证。大系 统分解协调法常用于梯级水电站群发电优化调度问题中。 混沌i 1 1 2 0 i 具有其独特的性质：a 随机性，即混沌具有类似随机变量的杂乱表 现；b 遍历性，即混沌能够不重复地历经一定范围内的所有状态；c 规律性，即混 沌是由确定性的迭代式产生的，介于确定性和随机性之间。混沌的遍历性特点可作 为搜索过程中避免陷于局部极小的一种优化机制，因此混沌已成为一种新颖的优化 技术，并受到广泛重视。很多学者进行了混沌的应用研究，提出了不同的混沌优化 算法。函数问题的混沌优化策略思路直观，容易程序实现，比较适合于连续变量的 函数优化问题。但它起步较晚，有很多关键技术还需要进一步完善。从最近的科技 论文中看到，混沌优化法已经应用到水资源优化问题中。 遗传算法( g e n e t i ca l g o r i t h m s ，简称g a ) 1 2 i l l 2 2 1 1 3 7 1 1 4 2 i 是一种新兴的基于群体 选择的通用的自适应随机搜索寻优技术，适用于求解大规模的优化问题。它模仿生 物的进化和遗传，根据“优胜劣汰，适者生存”的法则，借助复制、交换、突变的 操作，使待解决问题的初始解一步步逼近最优解。它将优化问题视为一种生存环境， 将优化过程视为一种进化过程，把问题的一个解当作生存环境中的一个个体，以目 标函数值或其变化形式来评价个体对环境的适应能力，模拟由一定数量的个体所组 成的群体的进化过程，优胜劣汰，最终获得最好的个体，即问题的最优解。g a 可以 从多个初始点出发，沿多条路径在大区域中作快速随机搜索，搜索始终遍及整个解 空间，能以很大的概率找到全局最优解，实现全局或准全局最优，并且对优化问题 的限制较少，对目标函数及其约束条件不作任何限制，既不要求可微也不要求连续， 仅要求可解，适合处理非线性优化问题。g a 提供了一种求解复杂系统优化问题的通 用框架，它不依赖于问题的具体领域，具有很强的鲁棒性，所以具有广泛的应用价 华中科技大学硕士学位论文 值，应用于科学l 一程各个领域。由于在解决梯级水电站优化调度问题时，逐次逼近 动态规划法存在日标函数收敛于局部极值情况，而遗传算法可以从不同的初始解出 发获得全局最优解或趋向最优解，所以很适合解决水电系统优化问题。但是该算法 只是以种概率收敛f 最优解，其群体所占内存也较犬，存在“早熟”等缺点。 山于梯级水电站自动发电控制约束条件多，要全面考虑各梯级水电站库水位、 天然入流量和水流时滞等诸多因素的影响，尤其对于具有多个水电站的梯级，以i ： 所提到的各种方法都存在各自的缺陷，均在一定程度i ：对问题进行了某些简化，这 样就影响了优化精度。所以在解决实际工程问题时往往会综合运用以上一种或j d i f 方法。这些算法理沦上比较严谨，经济性较好，但计算时间长，实时性较差，很难 满足梯级水电站a g c 实时运行的要求。 1 5 电力市场下的a g c 随着社会主义市场经济的发展，近年来，我国电力运营体制也孕育着一场深刻 变革，j 下逐步由计划经济体制下的独家垄断经营转变为市场经济下的商业化运营。 有关电力市场的理论研究多集中于实时电价、转运费用等电价体系方厩，对于 电力市场环境下a g c 技术应用方面的研究，目前还不多，即使有一般也是针对电 网a g c 的，而对实现电力市场后的梯级水电站a g c 则涉及不多。 电力市场建立后，厂网逐步分离，电厂通过报竞价参与市场竞争，争取以最高 的成交价格和最低的运行成本多发电，获取最大的经济效益，而代表网省公司向电 厂购电的电网监控中心，其任务由确保电网运行安全的前提下使全网运行成本最小 转变为确保电网运行安全的前提下使网省公司向电厂支付的电费最少。 a g c 作为一种辅助服务，已成为电力市场的重要组成部分。电网为了消除区 域控制偏差，将a c e 分配给各a g c 电站，由电站再将发电任务在全厂各机组间经 济分配，这一点和传统意义的梯级水电站a g c 相差并不大。电网中必须有足够的 机组参加a g c ，承担调频、调峰任务，保证系统频率质量。在我国传统运行机制下， 调度员理所当然地“命令”电厂无偿提供a g c 辅助服务；而在电力市场环境下， 发电从输配电中分离出来，电厂是独立的经济实体，和电网分属于不同的利益团体， 只存在经济上的买卖关系，没有无偿提供该项服务的义务。为了鼓励水电站积极参 与a g c ，对a g c 机组出力给出了不同于固定负荷机组更优惠的电价，水电站在市 场竞争中如何安排发电计划，制定市场报价才能确保他有足够的收益是梯级水电站 a g c 面临的新课题。 华中科技大学硕士学位论文 1 6 课题来源 1 9 9 9 年6 月长江勘测规划设计研究院( 简称长委) 委托华中科技大学( 原华 中理工大学) 水电与数字化工程学院研制“三峡梯级及其电站自动发电控制( a g c ) 软件”，该项目是固家蕈大科技项目( 攻关) 计划“一：峡枢纽综合自动化系统实施 方案研究”专题的一个子题，并签订了技术丌发合同，予题合同编u g - ： 9 7 3 1 2 - 0 6 一卜4 。此后，华中科技大学a g c 课题组丌展了实际的研制工作。 2 0 0 0 年1 0 月配霄了一套p e n t i u m i i ，主频8 5 0 兆赫的个人计算机及打印机， ) 1 始了数学模型和算法的研究。2 0 0 1 年6 月，a g c 课题组提出了“三峡梯级及其 电站自动发电控制( a g c ) 软件开发与研究研究报告”。2 0 0 2 年5 月，长委组织专 家组来我校检查工作，我们设计的a g c 软件从整体功能到人机界面都得到了专家 组高度评价，一次通过验收。经过一年多的努力，基本完成合同规定的工作，“提 交了研究成果报告，达到了子题合同制订的攻关目标要求，合同金费使用合理”。 1 7 本文的重要内容及章节安排 本文是以自动发电控制为主线，具体研究水电站a g c 、梯级a g c 等问题，并 以三峡梯级及其电站a g c 为实例，对梯级及其水电站自动发电控制问题进行应用 性研究。由于结合工程实际，本文的研究具有较大的现实意义。本文的章节安排为： 第l 章主要介绍实现a g c 的必要性和现实意义，综合评述了过去几十年中， 传统的梯级及其水电站自动发电控制的理论、方法和应用的现状，分析了各种理论 方法的优点和不足。对电力市场下的梯级水电站a g c 也有所阐述。 第2 章主要介绍水电站自动发电控制的任务和内容，描述了水电站a g c 的基 本思想和实现。 第3 章主要介绍了梯级a g c 的研究内容，并以三峡一葛洲坝梯级为背景分析 了目前梯级自动发电控制的数学模型，采用逐次逼近算法对复杂问题进行分解和简 化，考虑了各种约束条件，给出了详细的求解步骤。 第4 章主要对上面的模型进行数字仿真计算，考证其适用性，可靠性。 第5 章主要对三峡梯级a g c 软件设计进行了简要论述，分析了该软件的特点、 功能、组成等。 第6 章对全文内容进行总结，并提出了以后的工作方向。 华中科技大学硕士学位论文 2 水电站自动发电控制 2 1 水电站自动发电控制的基本任务和内容 在实施水电站自动发电控制时，可以将经济分配负荷与负荷频率控制结合在一 起进行，甚至还可将机组的合理启停都包括进来。因此，水电站自动发电控制的任 务可以归纳为：在满足电能生产的安全、可靠、优质的前提下，在保证电站设备正 常、满足各项限制条件下，合理地组织、调度电站的发电设备，迅速、经济地控制 整个电站机组的启停和有功功率的调整，来满足系统的需要，使电站出力与中调下 达的总负荷随时保持一致，同时使用水量最小，从而获得尽可能大的经济效益。 电力系统目前采用分层控制模式，中调只给电站下达电站总负荷，不直接控制 机组，电站再控制机组的启停和负荷分配，而与之相关的经济和安全约束、监视和 处理均由电站计算机负责。水电站自动发电控制要使电站出力与中调下达的总负荷 随时保持一致( 即偏差不超过规定死区) ，在此前提下，使用水量最小，使电站保 持在安全、经济的优化工况下运行。 它包括了经济分配负荷和合理启停机组，具体内容可以概括如下： 1 ) 根据给定的水电站需发功率，考虑调频和备用容量的需要、系统负荷变化 的趋势，选择当前水头下水电站的最佳运行机组组合和台数； 2 ) 根据水电站供电的可靠性、设备( 特别是机组) 的实际安全和经济状况， 按照安全、经济原则，确定应运行的和下一步开或停的机组台号； 3 ) 在应运行机组间实现负荷的经济分配，并进行成组调节： 4 ) 校和各种限制条件，如系统频率，机组负荷运行区、空蚀振动区、下游最 小流量、下游水位变化等，不能满足时，进行各种修正或告警： 5 ) 用水量的计算。 2 2 水电站自动发电控制的过程控制方式 水电站计算机控制通常采用分级分层控制方式，即分系统调度级、电站级和机 组级，a g c 闭环控制系统相应地也分两层实现1 4 i 。一层为负荷分配回路，a g c 通 过远程终端设备( r t u ) 、通道和s c a d a 软件获得所需的实时测量数据，由a g c 计算出各电站的需发功率，再经s c a d a 、通道、r t u 送到电站级计算机。另一层 1 4 华中科技大学硕士学位论文 为各电站( 或机组) 控制叫路，电站级计算机完成自动发电控制程序计算，结果送 机组级的远程终端设备( r t u ) 或可编程控制器( p l c ) 去执行。后者在作必要的 安全性校核后，再通过基础自动化装置控制机组的启停和出力。同时将各项信息送 回电站级计算机( 见图3 ) 。 ”l i w - i i r l p i l 图3水电站自动发电控制的分层实现