（电力系统及其自动化专业论文）电力市场下的agc机组调配研究.pdf

a b s t r a c t a bs t r a c t t h ea 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 ) i sa l li m p o r t a n tc o m p o n e n to fa n c i l l a r y s e r v i c ei np o w e rm a r k e ta n di ti sc r u c i a lt ot h es t a b l eo p e r a t i o no fp o w e r s y s t e m w i t h t h ed e v e l o p m e n to fs o c i a l i s tm a r k e te c o n o m y , t h eo b j e c t i v eo fa g c a n c i l l a r ys e r v i c e h a sc h a n g e df r o mm a k i n gt h eg e n e r a t i o nc o s tl o w e s to fa l lt h ea g cu n i t sb e f o r e d e r e g u l a t i o nt om a k i n gt h ea n c i l l a r ys e r v i c ec o s tl o w e ao fp o w e rd i s p a t c h i n gc e n t r e p a y sp o w e rp l a n ti np o w e r m a r k e t a st ot h ea g cu n i td i s p a t c h i n gp r o b l e mi np o w e rm a r k e t ，t h et r a d i t i o n a l p r e f e r e n t i a lo r d e rm e t h o dc o n s i d e r st h ep e r f o r m a n c ei n d e xs u c ha sr e g u l a t i n gs p e e d m o r e ，b u t i tn e g l e c t st h ef a c t o ro fc a p a c i t yb i d s oi tm a yr e s u l ti nt h eu n i tw i t hh i g h e r b i db e c o m i n gt h em a r g i n a lu n i tw i t hr u n n i n gu pt h em a r k e tc l e a r i n gp r i c ea n d i n c r e a s i n gt h ec a p a c i t yp u r c h a s i n gc o s t u s i n gt h eg e n e t i ca l g o r i t h mc a nr e a l i z et h e g l o b a lo p t i m i z a t i o n ，b u ti th a ss l o wc o n v e r g e n c es p e e d ，t e n d st og e ti n t ol o c a l o p t i m i z a t i o na n dh a sd i f f i c u l t yi ns o l v i n gt h ec o n s t r a i n t s an e wa g cu n i td i s p a t c hm e t h o di s d e v e l o p e du s i n gt h ep a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o n ( p s o ) a l g o r i t h mi n t h i sp a p e ri nv i e wo ft h ed e f i c i e n c yo ft r a d i t i o n a l m e t h o d s a i m i n ga tt h ea g c u n i td i s p a t c hm a t h e m a t i cm o d e lo fp o w e rm a r k e t ，t h i sp a p e r a n a l y s e st h eu n i tc o n s t r a i n t so fr e g u l a t i n gc a p a c i t ya n dr e g u l a t i n gs p e e d ，f i r s t l y t h e n s e v e r a lo p t i m i z a t i o nf u n c t i o n sa l et e s t e da n dt h ei n f l u e n c e so fd i f f e r e n tv a l u e so f p a r a m e t e ra r ea n a l y z e d t h et e s t i n gr e s u l ts h o w st h a ta d j u s t i n gt h ev a l u eo fc o n t r o l c o e f f i c i e n tc a nr e a l i z et h ea i mo fe n l a r g i n gs e a r c h i n gs p a c ea n d i n c r e a s i n g c o n v e r g e n c es p e e d c a s es t u d i e so na na c t u a lp o w e rs y s t e ms h o wt h a tt h i sm e t h o d c o u l do v e r c o m et h es h o r t c o m i n gi n u s i n gt h ei n t e g e rp r o g r a m m i n gm e t h o d a n d c o m p a r e dw i t ht h eg e n e t i ca l g o r i t h m ，t h ep s oa l g o r i t h mc a na v o i dt h ec o m p l i c a t e d p a r a m e t e rs e a m g a n dh a sg o o dc o n v e r g e n c ea n d h i g hc o n v e r g e n c es p e e d t h ep s oi s a ne f f e c t i v em e t h o di ns o l v i n gt h ep r o b l e mo f a g cu n i td i s p a t c h k e yw o r d s ：p o w e rm a r k e t ；a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l ；p a r t i c l es w a r m o p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ；u n i td i s p a t c h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：王亚孚 签字日期： 2 口0 7 年占月f9 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 王亚罩 导师签名： 签字日期：伽7 年6 月f 矿e l 、 胁仁 i ，e 旯f 。e l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着电力工业体制改革的日益深入，电力市场化成为各国电力工业发展的必 然趋势。所谓电力市场化，就是要在电力工业打破独家垄断，将电力作为一种特 殊的商品纳入到市场经济的框架中，本着公平、公开、公正的原则进行电力交易， 通过市场竞争实现电力资源的优化配置。随着电力市场研究和实践的不断深入， 电力辅助服务市场的构建也提上了改革日程。自动发电控制( a u t o m a t i c g e n e r a t i o nc o n t r 0 1 a g c ) 是辅助服务的一个重要内容，引起了越来越多的学者 的兴趣。 自动发电控制( a g c ) 是e m s 中最重要的控制功能【l 刃，随着各大电网和调 度中心e m s 系统的引进和投运，自动发电控制( a g c ) 技术已经成为现代电网 不可缺少的频率调整和功率调整手段；同时，具备a g c 功能的机组在现代电网中 的比重也越来越大，成为辅助服务中调频的主要提供者【3 1 。 自动发电控制( a g c ) 的主要功能是当系统负荷波动时调整发电机组出力， 实现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的带负荷。为实现上述功能，电力市场运营机构需 要获取一定的a g c 容量，用以补偿各种随机事件引起的发电与负荷之间较小的 实时偏差。从电网运行的可靠性看，获取的a g c 容量越多越好，但从市场运营 的经济性考虑，a g c 容量又不宜过多，否则将造成资源的浪费。 在市场化以前，由于我国电力系统自动化水平低，具备a g c 能力的机组不 多，为了保证电网的安全、稳定运行，往往让几乎所有具备a g c 能力的机组无 偿参与调节，并按机组装机容量分摊全网a g c 调整容量。至今，对于系统a g c 容量需求的确定问题，世界范围内还没有成熟的理论计算方法，一般都是根据调 度员的经验，规定参与调节的a g c 容量大于总装机容量或系统负荷的某个百分 数。如确定a g c 容量为系统最大负荷的2 - - - 5 ，大系统取小值，小系统取大值 等。 随着开放电力市场，引入竞争机制，a g c 作为一个重要的辅助服务，必须给 予相应的经济补偿【4 】。从目前的情况看，调度中心根据发电机组的a g c 性能来安 第一章绪论 排其提供a g c 服务的数量，没有按照市场竞争方式选择提供a g c 机组，对发电 公司提供a g c 服务的补偿也未能很好的体现竞争市场的“三公原n t 5 , 6 1 。长期 下去，不仅会造成发电公司不愿提供a g c 服务，不愿在a g c 设备上进行投资和 技术改进，而且会造成提供辅助服务方面的供需紧张，进而影响到全电网的供电 质量。因此，在保证电网安全可靠的同时，要遵循市场经济的原则，应当积极创 造条件将a g c 辅助服务市场从电量主市场中分离出来，单独进行考核和结算，加 大竞争力度，激励发电公司主动参与a g c 市场竞争，更严格的确保电网的安全稳 定。 在我国，a g c 控制容量比例较高的电网已将a g c 运行调控方式分为两类： 第一类是跟踪发电曲线指令；第二类是按电网实时控制指令运行，使本系统的频 率保持额定值或使联络线的功率维持于计划值。电力市场建立后，电网a g c 的 目标也发生了相应的改变，由主要承担电网频率调节、网络联络线交换功率控制 和经济调度等任务，转变为在保证安全、可靠、及时地调节频率( 或a c e ) 的 前提下，使得市场中代表网省公司向发电厂购电的电力调度交易中心( i s o ) 向 电厂支付的a g c 辅助服务费用达到最小。 1 2 电力市场下a g c 辅助服务的发展过程 1 2 i 电力市场前后的a g c 辅助服务 自动发电控制( a g c ) 是能量管理系统( e m s ) 最重要的控制功能，也是 电力市场辅助服务的一项重要内容，它在电力系统控制中的基本目标和任务是： ( 1 ) 自动跟踪负荷的随机变化，调整机组出力，使系统发电与负荷相平衡； ( 2 ) 控制频率偏差到零，维持系统频率在额定值( 我国国家标准为5 0 o 1 h z ) ： ( 3 ) 在各控制区域间分配系统发电功率，维持区域间联络线净交换功率为 计划值； ( 4 ) 对周期性的负荷变化安排发电计划调整机组发电功率，对偏离预测的 负荷，实现在线经济负荷分配。 a g c 自诞生之日起，至今已有4 0 多年的历史，并且随着电力系统自动控制 技术和计算机信息技术的发展而不断发展，现已成为一项较为成熟的综合技术， 广泛应用于世界各大洲的国家电网甚至跨国电网中。a g c 的应用大大提高了电 力系统的自动化程度，把有功平衡控制由人工操作发展为自动运行，使电力系统 的运行管理得到显著改善。 2 第一章绪论 电力工业体制改革前，所有具有a g c 调节能力的电厂均归属各省网电力调 度局统一调度，在实时电力系统运行中，当出现负荷与发电出力在允许范围内波 动，频率在控制范围内变化时，调度人员直接命令所属a g c 电厂投入，以快速 调节电力系统频率和有功功率。在这种情况下，自认不存在调度机构选择a g c 电厂的问题。然而当前进行的电力工业体制改革，是要引入竞争打破电力系统发 电、输电、配电垂直一体化的垄断格局，发电公司与电力调度交易中心分离，成 为各自独立的经济实体，发电公司向电力调度交易中心提供的各种辅助服务由以 前的无偿提供变为有偿提供。 电力市场建立后，传统的集中管理被分散决策所代替，电网的安全性将会受 到一定的影响，因此应该而且也只能采用经济手段，激励发电公司主动提供辅助 服务。首先，a g c 辅助服务作为_ 种商品，不再是无偿的，需要向提供该服务 的发电公司购买；其次，发电公司必须参与a g c 辅助服务市场竞争，以优质优 价的服务赢得合同。也就是说，a g c 在运行机制上发生了根本变化，已经从传 统机制下的无偿服务转变成以经济补偿甚至直接价格竞争为核心的有偿服务。 于是，a g c 在电力市场条件下的发展开始面临着许多新的亟待解决的问题， 如：电网a g c 控制目标是否有所变化，控制算法该做怎样的改进，如何评价a g c 辅助服务供应商的贡献，确定怎样的定价机制，才能既保证供应商的成本回收和 合理的利润，又使总的供电成本最小化等。 a g c 辅助服务本身并不是什么新的技术，并非随着电力市场出现才出现的， 只是在传统的电力系统中，a g c 辅助服务问题没有引起足够的重视。在电力市 场下，市场机制起作用的同时，电力系统运行的安全性仍然是最重要的，原有 e m s 的大部分，尤其是硬件部分仍可沿用，但是某些运行思想和工作机制将会 发生变化，使用的软件也相应地发生了变化。电力市场下发电竞争的引入和将来 输电开放的实施，使a g c 辅助服务面临着一系列新的诸如控制策略、考核计算 方法以及具体的市场模式和交易方式等问题，吸引了越来越多的学者和电力公司 投入到这些问题的研究上来，并在理论和实践上取得了一些成绩。 1 2 2 我国电力市场a g c 辅助服务现状 我国从1 9 9 8 年起，开始在电力行业实行“厂网分开、竟价上网”的改革， 并确定浙江、上海、山东、辽宁、吉林、黑龙江等六省市电网为试点单位，标志 着我国的电力工业正在逐步从计划经济下的垂直管理模式向市场经济下的竞争 模式转变。但是，由于我国现有的电网结构比较薄弱，备用容量不太充足，具备 a g c 能力的发电机组数量有限，为保证电网的安全稳定运行，各个试点单位对 a g c 辅助服务的市场机制考虑得不多，没有建立起真正意义上直接价格竞争的 3 第一章绪论 a g c 辅助服务市场。 浙江省电网发电市场规则中对a g c 辅助服务费用的支付仅作如下规定1 7 j ： = c x 圪0 c x t ( 卜1 ) 其中，厂为a s 2 服务费用，c 为a s 2 单价，为提供a g c 服务的机组 出力调节速率，丁为该机组提供a g c 服务的时间( 依据有关条款自动统计) 。 实际上，这是一种简化的付费办法，各发电厂只是在竞争a g c 机组的出力 调节速率而已，这种办法在电力市场化初期易于实现。 上海发电侧电力市场对a g c 辅助服务仅考虑了扣罚措施【8 】。当发电机组不能 按电网要求提供合格的a g c 辅助服务时，扣减其年度期货电量指标数和期货上网 电量数，计算公式分别为： 扣减的年度期货电量指标数= ( a g c 停用h 数一允许停用h 数) x 额定容量x 2 0 ： 扣减的年度期货上网电量数= ( a g c 停用h 数一允许停用h 数) x 额定容量x 5 。 上述2 个电网采取的方法都是十分粗略的，a g c 辅助服务费用没有很好地 量化，也难以体现市场竞争的机制。随着我国电力体制改革的深化，参与电力市 场竞争的各独立发电公司在其市场行为上必定更多地考虑自身的利益。同时，由 于电网不按市场竞争方式对发电公司提供的a g c 服务进行补偿，难免会造成发 电公司不愿在a g c 设备上进行投资和技术改进。所以，必然会造成提供辅助服 务方面的供需矛盾，进而影响到电网的供电质量。从目前的情况看，有的调度中 心仅仅根据发电公司的a g c 的性能来安排其提供a g c 辅助服务的数量，没有 考虑提供服务的经济性。长期下去，不仅会造成系统的安全成本太高，而且直接 影响电厂提供a g c 辅助服务的积极性。因此，加强电网建设，提高a g c 技术 水平，合理对a g c 辅助服务定价和建立良好的a g c 辅助服务市场模式，是我 国电力市场建设需要进一步考虑和解决的问题。文献 9 提出一种在电力市场环 境下a g c 辅助服务的“概率学先验定价 和“统计学后验考核”的新方法。文 献 1 0 对甘肃电网在商业化运营下走向电力市场过程中的a g c 发展作了探讨。 文献 1 1 分析了a g c 机组在电力市场中所面临的调度和交易问题。文献 5 结合 辽宁省电网研究了电力市场下a g c 机组调配问题。 1 2 3 我国电力市场a g c 辅助服务发展趋势 电力市场下a g c 辅助服务的组织有两种思路：一种是签订长期a g c 辅助服 务合同，并在系统有需求时调用；另一种是建立a g c 辅助服务市场，进行a g c 服务竟标。从世界范围看，以竟标方式组织a g c 辅助服务的情况居多1 1 2 - 1 6 】。以美 4 第一章绪论 国加州电力市场和北美新英格兰电力市场为代表，已将a g c 辅助服务从电能市场 中分离出来，建立了独立的a g c 辅助服务市场，以保证电网a g c 的顺利实施。 美国加州电力市场由i s o ( 独立系统操作员) 统一运营【l ，i s o 必须采用一 定的方式，保证有足够的a g c 机组可以调度，以维持系统的安全稳定运行。方式 之一就是建立a g c 辅助服务市场，由a g c 机组提供a g c 调节服务。a g c 机组首 先通过市场竞价获取参调资格，然后在实际运行中根据需要改变其发电负荷。这 也就意味着i s o 支付的a g c 辅助服务费用包括两部分：一是辅助容量费用，二是 实际运行中的出力调节费用。对a g c 辅助服务的管理也有两种方式，第一种是将 a g c 辅助服务和电能统一竞价，另一种是a g c 辅助服务单独竟价。 北美新英格兰电力市场的a g c 辅助服务是从1 0 r a i n 旋转备用中分离出来的 【1 2 】，市场规则要求a g c 能够连续、自动地响应i s o 的指令，动态地平衡控制区域 内的电力供应与需求，满足北美电力可靠性委员会( n e r c ) 和东北电力协调委 员会( n p c c ) 的技术标准【l 踟。在新英格兰电力联营体模式下，联邦能源管制委 员会( f e r c ) 要求建立辅助服务分类计价的电力市场，这就使得a g c 辅助服务 和电能一样，由新英格兰i s o 统一调度，采用竞价方式，要求事先定价，辅助服 务的模式为投标型。新英格兰电力市场从a g c 辅助服务的投标要求、成本分析、 清算价格的确定到事后结算，建立起了一套较为完整的市场规则。 目前，我国大部分电网a g c 资源还比较缺乏，因此，通过市场机制、利用 市场提供的经济信号，引导市场成员积极提供a g c 服务显得尤为重要。加强电 网建设，提高a g c 技术水平，建立合理竞争的a g c 辅助服务市场，是我国a g c 辅助服务发展的必然。我国电力市场a g c 辅助服务的市场模式和运行机制可以 借鉴国外电力市场的先进经验。 ( 1 ) 市场模式 我国a g c 辅助服务的市场组织有以下几种形式可供选择：远期合约市场 ( l o n g - t e r mc o n t r a c tm a r k e t ) 、日前市场( d a y - a h e a dm a r k e t ) 和实时市场 ( r e a l t i m em a r k e t ) 。比较而言，在日前市场中组织a g c 交易更为合理，理由 如下： 1 ) 由于系统各时段a g c 需求波动较大，远期购买很可能造成过量或不足。 因此，在远期合约市场组织a g c 交易不够灵活，只适合决定某几台必开a g c 机组。 2 ) 针对各时段a g c 需求，在日前市场组织a g c 交易比较合理，可以比较 准确地购买a g c 服务，减少冗余购买，还可以同预调度发电计划相结合，充分 考虑机组的带负荷情况。 3 ) 尽管在实时阶段可以更精确地判断系统a g c 需求，但在实时市场中，机 5 第一章绪论 组可调整出力范围很小，可参与a g c 市场的机组较少，结算问题也较复杂。所 以，不适合在实时市场组织a g c 交易。 ( 2 ) 运作流程 我国a g c 辅助服务市场的运作流程可以参照北美新英格兰电力市场1 2 】，具 体如下： 1 ) 发电厂投标。， 各发电厂投标内容不仅含有投标价格，还含有机组的技术指标，如自动调节 上、下限，a g c 负荷调节速率等。 2 ) 投标评价和确认 电网公司对各发电厂的a g c 服务投标进行评价和确认，根据系统总需求确 定a g c 市场清算价格。 3 ) 服务费用量化和结算 电网公司需要对发电机组的a g c 设备进行评估，得到设备的投资费用。不 同发电机组的a g c 调节范围和调节能力各不相同，应该获得不同的补偿费用。 另外，在电网实际运行中，由于负荷的随机波动或其它一些不可预测、不可控因 素迫使机组逆序开机或调停，造成a g c 服务的机会费用。在服务费用结算周期 上可以参考相应电能市场的情况。目前，辽宁发电市场的电能交易每3 0 r a i n 结算 一次，而上海发电市场电能交易的结算已经做到每1 5 r a i n 一次。由于我国电力市 场没有开放用电侧，a g c 服务费用的来源不同于新英格兰电力市场向用户单独 收取，只能隐含在电能费用中，然后由电网公司补偿给提供a g c 服务的发电厂。 1 3 本文的主要工作 电力市场下，对a g c 机组的调配问题，传统的优先顺序法对a g c 机组选 择时更多的考虑了调节速率等性能指标，而忽略了容量报价因素，结果可能导致 报价较高的机组成为边际机组，抬高了市场清算价格，增加了容量购置费用。而 采用遗传算法求解过程中又存在着参数设置复杂、收敛速度慢、易陷入局部最优 及约束条件的处理不易等问题。因此本文针对以上方法的不足提出了一种基于粒 子群优化算法的a c j c 机组调配方案，该方法可以找到全局最优解，而且同遗传 算法相比较既避免了复杂的参数设置，又具有较快的收敛速度。 本文的主要工作归纳如下： ( 1 ) 对电力市场下a g c 机组调配问题进行了调研，介绍和分析了电力市场 下a g c 辅助服务的目标，a g c 的基本原理和a g c 辅助服务的现状。 ( 2 ) 总结了电力市场下求解a g c 机组调配问题的方法，对每种方法给出其 6 第一章绪论 数学模型，并用算例验证，同时并分析了各种方法的优缺点。 ( 3 ) 针对电力市场下a g c 机组调配的数学模型，本文提出了一种基于粒子 群优化算法的a g c 机组调配策略进行探究，介绍了算法的基本原理，并分析了 算法的收敛性和特点。 ( 4 ) 对部分测试函数进行优化测试，分析了参数的不同取值对算法收敛性 的影响。 ( 5 ) 以某实际电力系统为例，采用本文所提方法进行了验证。算例结果表 明该方法是有效可行的。 7 第二章自动发电控制( a g c ) 的基本原理 第二章自动发电控制( a g c ) 的基本原理 2 1a g c 的基本概念 电力系统由发电、输电、配电和用电四个基本环节组成。能量管理系统( e m s ) 是以计算机软硬件为基础的电力调度自动化系统，主要针对的是发电和输电环 节，用于区域电网和省级电网【19 1 ，而借鉴e m s 技术发展起来的配电管理系统 ( d i s t r i b u t i o nm a n a g e m e n ts y s t e m ，简称d m s ) 则主要针对配电和用电环节【2 0 】。 自动发电控制( a g c ) 是e m s 中最重要的控制功能，是以调整发电机组输出 功率来适应系统负荷波动的反馈控制。它利用电子计算机和调节性能较好的发电 机组实现控制功能，组成一个小型的闭环控制系统，称为自动发电控制系统。 a g c 发展至今己有4 0 多年的历史，经历了由模拟型系统向数字型系统的转 化，计算机的应用使得a g c 由线性反馈控制上升到最优控制。现在，a g c 已经 成为世界范围内电力系统中普遍应用的一项较为成熟的综合技术。我国几个主要 电力系统在6 0 年代都试验过自动频率控制( a u t o m a t i cf r e q u e n c yc o n t r o l ，简称 a f c ) ，并在9 0 年代直接引进了电力发达国家的a g c 系统【2 1 】。 2 2a g c 的控制功能 在互连的电力系统中，各分区域承担各自的负荷，与外区域按合同买卖电力， 各区域的调度中心既要维持电力系统频率，又要维持区域间净交换功率计划值， 并希望区域运行最经济。自动发电控制就是满足以上要求的闭环控制系统。 电力系统正常运行状态下的基本目标： ( 1 ) 频率控制。响应用电负荷和发电功率的随机变化，维持电力系统频率为 规定值5 0 h z 0 1 h z 之内，同时频率的累积误差也在限制值之内。 ( 2 ) 联络线控制。在各区域间分配系统的发电功率，维持区域间净交换功率 为计划值。 ( 3 ) 优化运行。在满足电网安全约束条件、电网频率和对外净交换功率计划 的情况下，按最优经济分配原则，协调参与遥调的发电厂( 机组) 出力。对电网 周期性的负荷变化，按发电计划调整发电厂( 机组) 出力；对偏离预计的负荷变 化，实现在线经济负荷分配，使电网获得最大的效益。 8 第二章自动发电控制( a g c ) 的基本原理 2 3a g c 的实现条件 a g c 的实现必须具备以下5 个必要条件，否则控制效果难以达到实用要求【2 2 】。 2 3 1 发电计划的合理性 负荷的变化是有规律的。通过对负荷历史数据的分析，可将负荷分为随机变 量、脉动变量和持续变量三类。对随机分量引起的频率变化可由发电机组的调频 功能来调整，即一次调频。对脉动分量由参与调频的机组进行调整，即二次调频。 对负荷持续分量的变化可以通过负荷预计，按负荷曲线安排机组启停，确定出力 计划，满足功率平衡的要求。如果编制的发电计划不合理，与实际运行的偏差范 围过大，a g c 二次调整的实现就很困难，所以发电计划的合理性是a g c 的基础。 2 3 2 具有足够的备用容量 为了保证向用户可靠的供电和保证电能质量，系统发电机组的最大容量应大 于总负荷，两者之差即为备用容量。按存在的形式，可以分为热备用( 旋转备用) 和冷备用两种。当负荷变动、日负荷曲线出现预计误差、发电机因故减出力或退 出运行时，热备用容量应能满足并承担频率调整的要求。如果系统供电紧张，靠 拉闸限电等被动手段来维持周波，是不可能实现a g c 的，所以充足的可调容量 是实现a g c 的必要条件。 2 3 3 调频厂的条件 对于承担二次调频的调频电厂应具备足够的可调容量，并且出力的调整速度 应满足系统负荷变化速度的要求。 对调频电厂的选择应符合经济的要求，电网一般采用抽水蓄能电站和具有调 节容量的水电站作为调频厂，满足调整要求。 2 3 4 调度自动化系统的条件 实现a g c 必须以实时数据采集及其监控系统为基础。调度中心的软件能进 行a g c 计算并发送调频发电机组的给定值。在调频电厂与调度中心之间不仅有 上行通道和下行通道，还应有备用通道，保证信息交换的可靠性。 2 3 5 发电厂的自动化条件 a g c 对发电厂的自动化控制程度有很高的要求，特别是火力发电厂热力系 9 第二章自动发电控制( a g c ) 的基本原理 统复杂，操作频繁，控制参数多，传统的仪表监视和控制方式满足不了a g c 的 需要。采用计算机控制对机、炉、电的协调控制是实现a g c 的关键。 2 4a g c 的控制方式 为了实现a g c ，要求在电网调度自动化系统的计算机上运行a g c 程序。 a g c 程序的目标是使由于负荷变动产生的区域偏差( a c e ) 不断减少直至为零。 与控制方式不同，a c e 可以定义为系统频率偏差、联络线交换功率偏差p 、 联络线交换电能偏差，系统电钟与天文时间偏差丝等变量函数。 根据实际电网的不同要求，实现a g c 有以下几种不同的控制方式【2 3 2 4 】： ( 1 ) 定频率控制方式( f f c ) ，即a f = 0 。此方式适用于独立运行的电网或联 合电网中的主网中。a c e = j 厂，七为电网频率偏移常数，单位m w 0 1 h z 。 七值应接近电网的综合( 自然) 频率调节效应； ( 2 ) 定联络线交换功率控制方式( f t c ) ，即a p = 0 。此方式保持联络线交 换功率恒定，其区域偏差a c e = a p ，a p 为联络线交换功率偏差，单位m w 。 此方式可用于联合电网中小容量的电网，主网采用定频率控制以维持联合电网的 频率稳定； ( 3 ) 联络线偏差控制方式( t b c ) 。此方式需要同时检测系统的频率偏差厂和 联络线交换功率偏差a p ，判断负荷变化的区域，即由该区域的调频机组做出相 应的响应，跟踪负荷的变动。目前，多数系统的a g c 技术多采用此种方式。其 区域偏差a c e = a p + 后厂； 在联合电力系统中，f f c 、f t c 、和t b c 三种控制方式必须配合使用，以保 证在联络线交换功率一定的情况下，负荷变动由本区域系统自行处理，只在紧急 情况下由邻近区域系统给予临时性的支援，并在动态过程中得到最佳的动态品 质。不同的控制方式只影响a c e 的计算，最终导致对机组调节功率的影响，而 不影响机组的基本功率。 2 5a g c 对机组功率的分配 a g c 对机组功率的分配包括两个部分： ( 1 ) 按经济调度原则分配计划负荷和计划外负荷，送出基点功率值； ( 2 ) 将消除a c e 所需的调节功率最分配给机组。 对于区域控制误差a c e ， a g c 发出的调节功率足按比例积分式计算 最，= 6 ：r ，f 彳讧击+ g o a c e , = g ，+ o ， ( 2 1 ) 1 0 第二章自动发电控制( a g c ) 的基本原理 式中，q ，为区域f 的积分增益，q ，为区域f 的比例增益，。，为区域i 的稳 态调节功率，b ，为区域f 的暂态调节功率。 区域j 的a g c 调节功率最。可以按下面的线性公式分配到该区域中的各个具 体机组： 足，f = 只。，+ 岛昂， ( 2 2 ) 式中，最，f 为区域i 机组分配得到的a g c 调节功率，为区域f 机组歹的经 济负荷分配系数，它反比于该机组的发电费用微增率，孱为区域i 机组歹的调节 能力系数，且有 = l ，岛= l e fj g l 于是区域f 机组，新的功率设置点为 e ， ，= ，f + 足，妒 ( 2 3 ) 式中，玎为区域i 机组，的基点功率。 根据区域控制误差a c e 的大小，可把a c e 调节区划分为：死区、正常调节 区、次紧急调节区和紧急调节区( 图2 一1 ) ，对应不同调节区计算调节功率最时 采用不同的调节增益。 e 兰! 土竺! ! 土竺竺土竺! ! 爿 - a c e 2 6a g c 的控制过程 图2 - 1 按a c e 大小划分调节区 a g - c 是建立在以计算机为核心的数据采集与监控系统s c a d a 、发电机组 协调控制系统以及高可靠信息传输系统基础之上的高层控制技术手段，通过遥测 输入环节、计算机处理环节和遥控输出环节构成电力生产过程的远程闭环控制系 统。涉及到调度中心计算机系统、通道、r t u 、厂站计算机、调功装置和电力系 统等。首先，a g c 从s c a d a 获取电网实时量测数据，并进行必要的处理。然 后，根据实时量测数据和当时的各种计划值，在考虑机组各项约束的同时计算出 对机组的控制命令。最后，通过s c a d a 将控制命令送到各电厂的电厂控制器 p l c ( p l a n tc o n t r o l l e r ) ，由p l c 调节机组的有功出力。对于调度端来说，p l c 是 a g c 的一个控制对象；对于电厂端来说，p l c 是一个物理的控制装置。 值得强调的是，a g c 的控制对象是p l c 而非机组，也就是说a g c 计算 第二章自动发电控制( a g c ) 的基本原理 和下发控制命令给p l c 。p l c 的下层记录是机组，因此在建立a g c 数据库时， 可根据实际需要在一个p l c 下插入一个或多个机组记录，从而方便实现对单机 控制、全厂集中控制，甚至通过梯调中心监控系统实现对梯级水电厂的集中控制。 与机组有关的静态参数和实时数据仍然存放在机组记录中，a g c 在每个运行周 期将各机组参数聚集得到p l c 参数，从这个意义上说p l c 是这些机组的一个 等值机。例如p l c 的发电出力是各机组出力之和，只要有一台机组a g c 远方 可控，则p l c 就可投入a g c ；所有机组都停运。则p l c 就停运；p l c 的l f c 上( 下) 限等于可控机组的l f c 上( 下) 限与不可控机组的实际出力之和等。 也有一些参数是专门为p l c 设置的，例如控制模式等，但习惯上我们仍称之为 “机组控制模式”( 严格地说应该是“p l c 控制模式”) 。 a g c 的总体结构见图2 - 2 所示。这里主要有三个控制环：计划跟踪环、区 域调节控制环和机组控制环。计划跟踪控制的目的是按计划提供发电基点功率， 它与负荷预测、机组经济组合、发电计划和交换功率计划有关，担负主要调峰任 务。如果没有上述计划软件，全部应由人工填写。区域调节控制的目的是使区域 控制偏差a c e 调到零，这是a g c 的核心功能，a g c 计算出各机组为消除 a c e 所需增减的调节功率，将这一调节分量加到机组跟踪计划的基点功率之上， 得到控制目标值送到电厂控制器p l c 。机组控制是由基本控制回路去调节机组 控制偏差到零。 图2 - 2a g c 总体结构 2 7a g c 与其它e m s 软件的联系 a g c 是e m s 的有机组成部分，需要在其它e m s 软件的支持下工作。如图 2 3 所示，负荷预测、机组组合、水电计划和交换计划均与发电计划协调，并经 1 2 第二章自动发电控制( a g c ) 的基本原理 发电计划与a g c 相联系。这种联系一是按负荷曲线以周期的形式实现，二是对 计划外的负荷变动的消化。 图2 - 3a g c 在其它e g s 软件支持下工作 a g c 所需要的负荷预测不仅有短期的( 日周) ，而且还有超短期的( 几分 钟几十分钟) ，尤其是在负荷上升阶段。超短期负荷预测与发电计划相结合， 安排负荷上升阶段慢速机组每1 0 m i n 的计划值，达到尽可能密切的调峰跟踪，有 助于a g c 的实现。状态估计可以每1 0 m i n 向a g c 提供各机组和各联络线交接 点的网损微增率，使a g c 做到最恰当的网损修正。如果状态估计发现有线路潮 流过负荷，则启动实施安全约束调度软件，提出解除过负荷的措施，以改变电厂 发电功率限值的方式送给a g c ，由下一个周期开始，a g c 将自动进行解除支路 过负荷的调整。最优潮流可以代替安全约束调度的功能，还可以及时提供网损修 正后的经济负荷分配方案给a g c ，但现在完全实现这几项功能的最优潮流还很 少见，应该说最优潮流的在线应用理论上不存在问题，但实际应用时问题还很多。 2 8 电力市场下a g c 机组调配的数学模型 随着社会主义市场经济的发展，我国的电力工业体制也孕育着一场深刻的变 革，正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。 电力工业体制改革之前，具有a g c 调节能力的电厂归属各省网电力调度局统一 调度。在实时电力系统的运行中，当频率或联络线交换功率在控制范围内波动时， 调度人员直接命令所属a g c 电厂投入，进行快速调节。在这种情况下，不存在 a g c 机组的选择问题。然而当前正在进行的电力工业体制改革，是要引入市场 竞争，打破电力系统发电、输电、配电垂直一体化的垄断格局。发电公司已成为 独立的经济实体，发电公司向电力调度交易中心提供的各种辅助服务也由以前的 无偿提供变为有偿提供。 第二章自动发电控制( a g c ) 的基本原理 电力市场建立后，电网a g c 的目标也发生了相应的改变，从参与电网a g c 的发电机组发电成本最低，转变为在保证安全、可靠、及时地调节频率( 或区域 控制偏差a c e ) 的前提下，使得电力调度交易中心( i s o ) 向电厂支付的a g c 辅 助服务费用达到最小。 在选择合理的a g c 机组问题上，电力调度交易中心应本着公平、公开、公 正的市场经济原则，对各发电公司的每份投标进行认真评价和确认，按市场需求 选择合理的a g c 机组，形成一个既透明又有效的竞争环境，一方面促进发电公 司积极参与a g c 辅助服务市场的竞争，另一方面通过市场竞争，最优化配置发 电资源，更好的保证电力系统运行的安全性。 ( 1 ) 目标函数 对于a g c 机组的调配问题，其目标函数如下： m i n q s 巧 ( 2 4 ) - jjj 1 = 1 式中：c ，为a g c 机组j f 对应于基点出力的当日4 8 点发电报价的平均值( 元 m w h ) ；s ，为a g c 机组的a g c 调节容量( m w ) ；x ，为整数( 其值为0 或 1 ，0 表示未被指定参与a g c 调节，1 表示被指定参与a g c 调节) 。 ( 2 ) 约束条件 a g c 机组调节容量约束： 邑t 只g c 一 ( 2 - 5 ) 1 = 1 e g c 姗为系统所需的a g c 调节容量( m w ) 。 a g c 机组调节速率约束： 巧圪g c 眦 ( 2 6 ) 同 e 为a g c 机组j f 的调节速率( m w m i n ) ；匕g c 一为系统所需的a g c 调节速率 ( m w m i n ) 。 每台a g c 机组调节容量上下限约束： s ，。s ，s ，曲 ( 2 - 7 ) s ，哦和s ，m j 分别为a g c 机组j 的调节容量的上、下限( m w ) 。 上述数学模型中：式( 2 - 4 ) 表示被选定a g c 机组的调节费用最低；式( 2 5 ) 表示所有被选定a g c 机组的调节容量之和大于需求值；式( 2 - 6 ) 表示所有被选定 a g c 机组的调节速率之和大于需求值；式( 2 7 ) 表示a g c 机组的调节区间限制。 1 4 第三章电力市场下a g c 机组调配问题的求解方法 第三章电力市场下a g c 机组调配问题的求解方法 电力市场a g c 辅助服务是由在线a g c 机组提供的，因此电网调度中心在 制定次日有功电量交易计划之前，需要预先选择a g c 机组，购买a g c 容量。 在系统a g c 容量和速率需求确定之后，即可根据某一原则进行a g c 机组的选 择，被选中的a g c 机组需要预留一部分发电容量。 目前关于发电市场a g c 机组选择的方法有t 优先顺序法、整数规划法、归 一化方法、x 概率因子法和遗传算法。 3 1 优先顺序法 优先顺序法是指将对象事物按其某种特性排序，然后进行选取的一种算法， 这种算法提出比较早，现在仍然在研究和应用之中。 传统体制下的优先顺序法按照发电机组调节速率和响应时间等选择调节性 能好的a g c 机组，如果在电力市场下继续沿用这种方法，可能导致报价较高的 某台机组成为边际机组，抬高了市场边际电价，增加了电网购电费用。如果摒弃 该机组而选择另外一台性能稍差但报价较低的机组，或许也能满足a g c 需求， 这就说明忽略报价因素、完全按照调节性能选择a g c 机组是不经济的。优先顺 序法的特点是计算速度快，占用内存少，常常找不到最优解，但能够满足一般的 应用要求。 3 2 整数规划法 整数规划法是一类要求决策变量取整值的数学规划，若线性规划中的变量要 求取整数时，则称其为整数线性规划；若非线性规划中的变量要求取整值时，则 称其为整数非线性规划；要求变量仅取0 或1 值的数学规划称为o l 规划；要 求部分变量取整值的数学规划称为混合型整数规划。常用的整数规划方法有：0 1 规划