（电力系统及其自动化专业论文）agc机组调配经济性的混沌遗传算法研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 a bs t r a c t t h em o s ti m p o r t a n tc o n t r o lo p e r a t i o no fe n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ( e m s ) i 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 ) ，a n di t sa l s oa ni m p o r t a n ta n c i l l a r ys e r v i c ei n e l e c t r i cp o w e rm a r k e t i np l a n n e de c o n o m y p a t t e r n ，t h ep r o b l e mo fa g cp a r t i c i p a t i n gi n t h ef r e q u e n c ya n dp o w e rc o n t r o lw a so n l yo n es i m p l ed i s p a t c hi s s u ei ni g n o r a n c eo ft h e e c o n o m yf a c t o r s i n c ep o w e rm a r k e th a sb u i l tu p ，d i s p e r s i v ed e c i s i o n sr e p l a c et h e c e n t r a l i z e dr e g u l a t i o na n dt h es e c u r i t yo ft h eg r i di si n f l u e n c e d s oo n l ye c o n o m i c m e t h o d sc a ni n s p i r i tp o w e rp l a n t st os u p p l yt h ea n c i l l a r ys e r v i c e f i r s t ，a sam e r c h a n d i s e ， a g c a n c i l l a r ys e r v i c ei sn ol o n g e rf r e e ，g r i dc o m p a n ys h o u l dp a yf o rt h es e r v i c et ot h e p l a n t sw h os u p p l yi t s e c o n d ，p o w e rp l a n t sm u s tc o m p e t ei na g ca n c i l l a r ys e r v i c e m a r k e ta n dw i nt h ep a c tb yh i 曲q u a l i t ya n dp r e f e r e n t i a lp r i c e i no t h e rw o r d s ，a g ch a s c h a n g e dt ou n f r e es e r v i c ew h i c hi sc o m p e n s a t e dw i t hm o n e yo re v e nf o c u so np r i c e c o m p e t i t i o n a tp r e s e n t ，a g ca n c i l l a r ys e r v i c eh a sb e c a m eah o tr e s e a r c hs p o t t h ep r o b l e mo f a g cu n i t sd i s p a t c hi ng e n e r a t i o nm a r k e ti sa d d r e s s e dt h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i c a l l yi n t h i sp a p e r t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st r yt ou s ec g ai nu n i t ss e l e c t i o n , a n dt h e c a l c u l a t i n gr e s u l tp r o v e s t h a tc g ai saa d v a n c e da l g o r i t h ma d a p t i n ga g cu n i t s s e l e c t i o n f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e sa g ca n c i l l a r ys e r v i c ei np o w e rm a r k e ta n d i n t r o d u c e st h ea c t u a l i t ya n dd e v e l o p m e n to fa g ca n c i l l a r ys e r v i c ei na n do u to fc h i n a n e x t ，w ep r e s e n tam o d e lo nt h ed e p l o y m e n to fa g c u n i t sa n dg i v ea p a r t i c u l a ra n a l y s i s s t r i c tc o n d i t i o n sa r et h ek e y so fr e s o l v i n ga g cu n i t ss e l e c t i o n ，s ow ei n t r o d u c es o m e m e t h o d st or e s o l v et h e s et w os t r i c tv a l u e s t h e n w eu s ec o n v e n t i o n a lg aa n dc g ao n t h es a m eu n i t si no r d e rt og a i nd i f f e r e n to p t i m a ls e l e c t i o n so ft h eu n i t s t h er e s u l t s p r o v et h a tc g a i sn o to n l ya p p l i c a b l et ot h ea g cu n i t sd e p l o y m e n t ，b u ta l s ow i t h h i g h e re f f i c i e n c ya n dl o w e rc o s t s u n d e rt h ep r e m i s eo f a f f i r m a t i o no nc g a ，w ea d dt h e c o n s t r a i n tc o n d i t i o no fn e t w o r kf l o w si n t ot h em o d e l ，a n ds i m u l a t et h eo p t i m i z a t i o n d i s p a t c h f i n a l l y , w eg i v eac o n c l u s i o no ft h i sp a p e r , a n dp o i n to u ts o m et o p i c sf o rt h e f u r t h e rr e s e a r c ho nt h ed e p l o y m e n to f a g cu n i t s k e y w o r d 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 ) ，e c o n o m i cd i s p a t c h ( e d ) ， s e l e c t i o no f a g cu n i t s ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，c h a o sg e n e t i ca l g o r i t h m c l a s s n o ：u d c ：6 2 1 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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：竞蠢笛j 一 导师签名： 象尜 签字日期：加鼎年b 月l o b签字日期：咖商年占月，日 独创性声明 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，也不包含为获得北京交通大学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。 学位论文作者签名椒 签字日期捌年6 月o 日 致谢 本论文的工作是在我的导师宋永华教授的悉心指导下完成的，宋永华教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 宋永华老师对我的关心和指导。 魏少岩博士悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向魏博士表示衷心的谢意。 刘典安、武二克两位同事对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见， 在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，万航羽、王伟等同学对我论文中的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 引言 1 引言 1 1 电力市场下a g c 辅助服务概述 1 辅助服务( a n c i l l a r ys e r v i c e ，简称a s ) 是指为了完成输电的主要功能，即将 电能从发电厂输送到用户并保证其安全和质量，所需采取的必要的辅助措施。换 而言之，在输电过程中为保证电能安全和质量所采取的一切辅助措施，都属于辅 助服务的范畴。 随着我国电力工业体制改革的日益深入，开放发电侧电力市场的逐渐成熟， 电力辅助服务市场的构建也提上了改革日程。在发电、输电、配电垂直一体化的 传统电力工业体制下，辅助服务的提供是各发电厂的义务。但在电力市场环境下， 由于电厂已经是独立的经济实体，所以不愿再无偿提供辅助服务。因此，电力市 场中的辅助服务可以分为基本辅助服务和有偿辅助服务两大类。通常把在并网协 议和市场规程中，由电力市场运营管理机构明确规定的各发电公司所拥有的发电 机组所必须具备的最低技术性能要求，称为基本辅助服务功能。在实时运行中， 市场运营管理机构根据电力系统安全需要所必须购买的辅助服务，称为有偿辅助 服务。有偿辅助服务的主要内容定为自动发电控制a g c 、备用、无功支持和黑启 动等服务。 自动发电控制，也叫做负荷频率控制( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r o l 或l o a d f r e q u e n c yc o n t r o l ，简称a g c 或l f c ) ，指根据系统频率、输电线负荷变化或它们 之间关系的变化，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 的系统频率和与其它地区商定的交换功率在一定的限值之内。 自动发电控制作为一种辅助服务，已经成为电力市场的重要组成部分，尤其 是在最近几年，随着电网的快速发展，为保证现代化电网的安全、优质和经济运 行，全国各大电网均不同程度地采用了a g c 技术。当前，我国在a g c 辅助服务 上的指标量化、费用分析和服务结算等问题亟待解决。在我国传统的运行机制下， 调度员可以理所当然的“命令一电厂无偿地提供该项辅助服务。然而在电力市场 环境下，电厂是独立的经济实体，没有无偿提供该项服务的义务。a g c 也应该围 绕市场有所竞争，并需要某种机制来激励市场参与者积极提供a g c 辅助服务和确 保他们有足够的收益。 为此，本文在借鉴了国内外学者先进经验的基础上，对电力市场发电侧a g c 机组的优化调度问题进行了探讨，希望能为我国电力工业的市场化改革提供一些 有益的帮助。 北京交通大学硕十学位论文 1 2 国内外电力市场a g c 辅助服务的现状 1 2 1 国外电力市场a g c 辅助服务的现状 2 3 一些发达国家已将辅助服务市场从电量交易市场中分离出来，建立了独立的 a g c 竞价市场，以保障电力市场中电网a g c 的顺利实旌。a g c 辅助服务的组织 有两种思路：一种是签订长期合同，并在系统需要a g c 服务时调用：另一种是组 织a g c 市场，进行a g c 辅助服务的竞标。从世界范围看，以竞标方式组织辅助 服务的情况居多，在a g c 辅助服务市场中引入竞争机制将是主流趋势。 在国外，a g c 调度基本按照下面的流程进行。首先电力提供者( 即电厂) 把 自己的a g c 服务价格按照小时为单位，分次汇报给市场管理部门( 即调度中心) 。 然后管理部门将报价单输入到调度计划系统中，通过计算机，能够计算出当日最 优计划和最优调度。最后管理部门依据计算出的数据结果调度发电机。可见，将 这种调度计划系统结合在e m s 中，同时配合报价系统共同工作，则可完成机组的 实际交互任务。 在实际的应用中，计算最优计划和最优调度所采用的调度方法有很多种，大 致可分为： 1 、优先级法( m e r i t o r d e r - b a s e dd i s p a t c h ) 投标型电力市场中，每一种服务( 指电能、各项辅助服务) 都按照每个市场 参与者可提供的数量和价格进行排序。这种方法简单易行，但出现某些发电机组 同时提供的发电量与备用容量的和小于该机组容量限值时，该方法可能会导致不 可行或非最优解。 2 、序列调度法( s e q u e n t i a ld i s p a t c h ) 序列调度方法是上一种方法的扩展，它考虑了有功电量和辅助服务之间的耦 合关系，这种对产品耦合关系的认知因市场而异。序列调度方法算法较为简单， 市场清晰透明，可操作性强。根据a g c 市场和电能市场优先权顺序的不同，又可 以分为以下两种情况：有功电量市场a g c 市场和a g c 市场有功电量市 场。但第一种情况要求系统必须备有充足的a g c 容量。在第二种优先顺序下，机 组出力计划尚未确定，可提供a g c 服务的机组较多，a g c 市场的竞争力度更大。 且在a g c 市场中获准提供a g c 服务的机组即已具有了一定的基点出力，这样对 于发电机组积极参与电网a g c 也是一种激励。 3 、联合调度法( j o i n td i s p a t c h ) 当电力市场中存在多种产品时，上述两种调度方法都有可能得不到有效解， 难度在于处理各个产品之间的交互作用关系。联合调度方法则是把问题描述成一 2 引言 个有约束优化问题，如线性规划( l i n e a rp r o g r a m m i n g ，简称l p ) 问题。在l p 式 子中，清楚地包含了各种约束，如容量耦合、输电阻塞等。联合调度法能够综合 考虑电能交易和辅助服务交易，进行协调优化，从而获得最安全和经济的方案。 但是这种方法在建立模型和求解方法上都比较复杂。此外，a g c 市场与电量市场 联合决策，也造成了市场透明度低，可监管性差的缺点。 下面对a g c 市场有功电量市场中a g c 辅助服务的具体流程进行介绍。 在发电侧电力市场中，具备a g c 功能的发电机组( a g c 机组) 单独组织起 一个优先级别高于有功电量市场的a g c 辅助服务市场，进行a g c 决策和交易， 如图1 1 所示。 a g c 服务申报ll 系统x a g c 需求 g c | | 1 6 t 务购燕容量 有功【l 涟市场 a g c g l 组缀溺度发电； 划 能量管理系统f e m s ) 实时a g c 旃用 a c , c g l 组 图1 1a g c 辅助服务流程图 发电市场的市场主体是各独立发电厂和电网经营企业( 如代表网省公司的调 度交易中心) 。在计划交易日的前一天，调度交易中心公布计划交易日各时段电网 a g c 容量和速率需求，发电厂在向调度交易中心进行有功电量申报的同时，提交 a g c 辅助服务申报，内容包括：机组的调节容量、调节死区、调节速率、响应时 间、调节偏差等a g c 技术指标及a g c 容量价格曲线。 调度交易中心根据发电厂申报，对台参选的a g c 机组依据一定的方法选取 出参与电网a g c 服务的r 台机组，以满足系统a g c 容量和速率要求。对被选中 的a g c 机组来说，由各a g c 机组的购买容量与a g c 机组的可调频出力范围结合， 得到a g c 机组的基值出力点范围，同时预留一部分发电容量。而剩余的a g c 机 组则进入有功市场，与非a g c 机组一起竞争，参与电能与调度计划的制定。在实 时市场中，凡是被选中的a g c 机组，都必须根据调度交易中心发出的a g c 负荷 指令参与系统频率和联络线交换功率的控制，而未被选中的a g c 机组则严格执行 发电计划，不得擅自参与a g c 调节。在实时负荷调整时，厅台a g c 机组不分先 后顺序被调用，统一动作。当系统a g c 总容量或总跟踪能力不足时，则对a g c 市场中剩余a g c 机组进行计划外购买。 于是，发电市场上述a g c 辅助服务框架下的a g c 机组调配方案如下：确定 系统对a g c 调节容量和调节速率的需求，并按一定的方法选择a g c 机组参与电 3 北京交通大学硕士学位论文 网的a g c 服务。 在运行过程中需要注意的是，我们在确定调度方法的前提下，还必须满足一 定的调度要求，如：机组出力要求，速度约束要求( 上升速度和下降速度) 、容量 限制以及响应约束等。另外由于a g c 的投入，给电厂也带来了一系列的问题，如： 机械设备和电气设备磨损明显加快，能源消耗明显增加，a g c 对水轮机、汽轮机 及其部件产生的一系列影响，机组运行效率低，损耗加剧，调相发电工况转换频 繁使得调相器系统能力不适应。因此，对参与a g c 调节的机组，调度部门还要对 以上情况给予一定的补偿。 1 2 2 我国电力市场a g c 辅助服务的现状和发展趋势 4 】 我国从1 9 9 8 年初，开始在电力行业实行“厂网分开、竞价上网”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的直接价格竞争的a g c 辅 助服务市场。上述电网采取的考核和结算方法都是很粗略的，a g c 辅助服务费用 没有得到很好地量化，难以体现电力市场的竞争机制，不能满足各独立电厂的经 济利益，造成电厂不愿在a g c 设备上进行投资和技术改进，影响其参与电网a g c 辅助服务的积极性，造成a g c 辅助服务的供需矛盾，最终影响到电网的供电质量。 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： l 、市场模式 a g c 辅助服务从主电能市场中分离出来，引入竞争机制，进行单独的考核和 结算，提供直观的经济信号，引导发电企业提供a g c 辅助服务。从世界各国电力 市场来看，以投标型提供辅助服务的情况居多，如新英格兰、加州、波兰、阿根 廷等电力市场，建议我国电力市场也采用投标型的a g c 辅助服务模式。 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 e m 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： 4 引言 ( 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的a g c 机组，而对于整个电网系统的a g c 调节是不合适的。 ( 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。该种方式 不仅可以准确地购买a g c 服务，减少冗余购买，避免购买不足。而且在购买时， 还可以同预调度发电计划相结合，充分考虑了机组的带负荷情况。 ( 3 ) 实时市场是短期市场，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，机组可调整出力范围很小，可参与a g c 市场的机会较少， 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，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他一些不可预测、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 考相应电能交易的情况。目前，辽宁发电市场的电能交易每3 0 m 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 m 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 电力市场中a g e 机组面临的问题 5 a g c 机组作为一种特殊的机组将参与多种市场交易，从商品类型不同的角度 来看，有电能市场和辅助服务市场；对于其参与的电能市场而言，又可以根据交 易时间的不同周期划分为远期市场、现货市场和实时市场。而对于其参与的辅助 服务市场，不能简单地等同于电能市场中的划分，因为虽然频率调整是实时的， 5 北京交通大学硕士学位论文 但提供调频服务的具体时段和量值均无法预测。频率调整的这种特殊性使调频服 务的交易与电能交易有所不同，对于调频服务只能有质的规定和量的范围，所以 应该提前进行这种辅助服务的承诺性交易，即由电网和发电公司协商得到或者由 发电公司上报未来某段时期满足一定要求的调频服务的价格，电网根据市场准入 条件和市场竞争规则选择机组，与发电公司签订承诺性合同，明确电网与发电公 司各自的责任和义务以及利益分配原则，当然，这种承诺性合同可以采用不同的 合同期限。 在厂网分开的情况下，为了确保系统的安全稳定运行和电力市场的公平运营， 保持调度、交易、电网的紧密耦合，由调度部门运作实时市场和辅助服务市场是 无可争议的。无论是交易还是调度，均需强调针对发电公司侧的公平性原则和针 对电网侧的最优性原则。这里的公平性原则是指对于提供同等服务的机组交易、 调度、考核、付费的标准相同；而最优性原则是指在满足系统要求的条件下电网 资金消耗最小。电网的经济目标就是在确保电网安全运行的条件下向发电公司支 付的总购电费用最低。由于a g c 机组提供调频服务与仅提供电能两种运行方式之 间既有联系又有矛盾，所以在考虑电力市场的交易和调度问题时必须同时考虑辅 助服务市场和电能市场。 在发电侧电力市场较完善的情况下，针对调频服务而言，达到最优的经济目 标并实现公平、合理调度的最佳方法将是一种以价格竞争为主要手段，将长期、 短期合同和竞价相结合的综合模式。 1 4 本文所做的工作 我国电力市场建立后，特别是电力系统改革以后，厂网逐步分离，电厂通过 报价竞价参与市场竞争，争取以最高的成交价格和最低的运行成本多发电，获得 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，其任务则是从传 统的“在确保电网运行安全的基础上使得全网运行成本最小 ，转变为“在确保电 网运行安全的前提下使得电网公司向电厂支付的电费最少 。也就是说，电厂和电 网已经成为在市场运行规则约束下的电力市场买卖双方，成交量及价格直接关系 到厂网的经济效益。在这样的大环境下，营运方式的改变使得电网a g c 面临着一 系列的问题，这就要求电网a g c 改进现有技术，使用更加先进实用的算法进行调 配和选择。 本文所提出的就是一种基于混沌遗传算法的a g c 机组调配方法，与标准的遗 传算法相比，该种算法能够最大限度地实现全局寻优，且在收敛速度上也有所改 进。本文的章节安排如下： 引言 第一章简单介绍了电网a g o 的基本概念以及电力市场下a g c 机组亟待解决 的问题，综合评述了目前国内外电力市场a g c 辅助服务的情况。第二章首先介绍 了a g c 机组的数学模型并对其进行了简要的分析，然后介绍了国内外广泛应用的 几种a g c 常用算法，在阐述其各自优缺点的基础上提出了本文的优化算法。第三 章在对遗传算法进行了简单的分析后，将遗传算法用于求解a g c 机组的优化调配 问题，并编写了基于m a t l a b 仿真平台的a g c 机组调配优化过程的源代码。第四 章在对混沌优化进行了简单的分析后，将混沌遗传算法用于求解a g c 机组的优化 调配问题，并编写了基于m a t l a b 仿真平台的a g o 机组调配优化过程的源代码。 第五章把针对两种方法编写出的源代码在m a t l a b 平台上进行模拟仿真，并且结合 东北局和安徽省的具体算例对仿真得出的结果进行分析。第六章在验证了混沌遗 传算法可行性的基础上，近一步考虑系统网络潮流的约束，并对i e e e l l 8 节点系 统的a g c 机组进行优化调度仿真。第七章对混沌遗传算法应用于a g c 机组调配 作一个详细的总结，证明混沌遗传算法应用于a g c 机组调配具有一定的实际意义。 7 北京交通大学硕士学位论文 2 自动发电控制( a g c ) 的原理和数学模型 2 1 自动发电控制( a g c ) 的基本原理 2 1 1 a g c 系统的总体结构 4 】 a g c 是通过一个闭环系统来实现的，其系统构成图见图2 1 。 图2 - 1a g c 系统构成图 首先a g c 从s c a d a 获取所需的实时测量数据，根据这些实时数据形成区 域控制偏差( a c e ) 并将其作为反馈信号，按照经济分配的原则分配给各机组， 并计算出各机组或电厂的控制命令，然后再把这些控制命令通过s c a d a 送到各电 厂的电厂控制器，由电厂控制器调节机组功率，使之跟踪a g c 的控制命令。 如图所示，a g c 系统主要由三个控制环组成：区域计划跟踪控制环；区 域调节控制环；机组控制环。计划跟踪环的控制目的是按照计划提供发电基点 功率，它与负荷预测、机组经济组合、水电计划及交换功率计划有关，承担主要 的调峰任务。区域调节控制环的目的是使区域控制误差a c e 调节至零，这是a g c 的核心，其功能是在可调机组之间分配区域控制误差，将这一可调分量加到机组 跟踪计划的发电基点功率值之上，设置发电功率值，并送往电厂控制器。机组控 制环是通过基本控制回路来调节机组控制误差，使之减小至零，在许多情况下， 特别是水电厂，一台电厂控制器能同时控制多台机组，a g c 的信号送到电厂控制 器后再分到各台机组。 2 1 2a g c 的控制功能 一 自动发电控制( a g e ) 的原理和数学模型 自动发电控制a g c 在实现高质量电能的前提下以满足电力供需实时平衡为目 的。而频率是电能质量的一个重要指标，反映了电力系统中有功功率供需平衡的 基本状态。当电力系统中有功功率的总供给满足了负荷的总需求，并能随负荷变 化而及时调整时，电网的运行频率将保持为额定值；当电力系统中有功功率供大 于求时，电网的运行频率将高于额定值，反之，将低于额定值。故a g c 控制的基 本功能之一就是负荷频率控制( l o a df r e q u e n c yc o n t r o l ，l f c ) 。l f c 最基本的任 务就是将电网的系统频率调整到额定值，将相邻电网间的联络线交换功率调整到 计划值。这主要是通过将a c e 调整到正常区域或零来实现的。显然，在一段时间 内，计划的联络线交换功率和系统频率是不变的，而实际的交换功率和系统频率 取决于电力系统的发电水平和负荷水平。在一般情况下，都是要维持当前的负荷 水平，所以，通常的做法是通过调节电力系统中可控机组的出力来改变实际的交 换功率和系统频率，从而达到减少a c e 的目的。 此外，a g c 的另外一个重要功能就是经济调度( e c o n o m i cd i s p a t c h ，e d ) 。 a g c 调节机组不仅要让机组出力满足l f c 的要求，同时在这个基础上，还必须调 用经济调度( e d ) 的模块。这一模块的目的是在满足给定的系统需求下，周期性 地计算出一组参与经济分配的机组的经济基点和经济分配因子，使电网获得最大 的效益。它通常包含经济调度和安全调度两种算法，前者的结果来自于a g c ，后 者的结果来自于实时网络分析系统( n a s ) 。 2 2a g c 机组调配的数学模型 2 2 1 a g c 机组调配的数学模型【8 】 实行电力市场后，系统调度员并不是将所有的a g c 机组投入到运行当中，而 是有选择的使用a g c 机组进行系统负荷调节，即电力公司的a g c 机组间是竞争 的关系，这样系统调度员就要看哪些机组既能满足系统需要又能使机组购置费用 最低。可见，机组调配在a g c 中占有极其重要的地位。 目前，电量市场采用按照申报价格从低到高排序的方法，交易中心逐次选择 发电的机组，直至发电量满足负荷需求。在交易过程中，交易中心遵循向发电公 司付费最低原则。这一原则适用于电量市场，同样也适用于辅助服务市场。因为 辅助市场贯穿每一个交易时段，是在市场中确保电网安全、稳定运行的重要手段， 系统对机组提供辅助服务的质量要求高，这也是对机组性能优劣的考验。 当机组确定在a g c 市场中竞争时，需要机组提高预留容量，压低出力运行， 并根据实时调度需要分配电量。机组压低出力运行可能牺牲部分参与电量市场获 北京交通大学硕士学位论文 利的机会，这部分损失的发电利润称为机组的机会成本。同时，机组压低出力工 作，将使单位发电成本增高。作为这两部分利润的补偿，机组一旦交易成功，无 论是否被实时调用，都应支付其容量费用。另外，机组在实时调用过程中所产生 的发电量需要另外结算。因此，在市场投标中，各机组应分别提交备用容量报价 与电量报价e 。机会成本的一个最重要特点就是越靠近a g c 市场边际机组的机 组，它提供a g c 辅助服务而逆序开机的机会成本越大。火电机组的容量报价可以 反映其机会成本，而机会成本又反映可能损失的利益。因此，i s o 为了实现成本最 小化，不能只考虑容量报价或是只考虑电量报价，而必须同时考虑容量报价和电 量报价。 文中在竞标评价中采用常量k 表征机组综合调节质量，称为机组综合因子。 即i s o 根据最+ k 最排序。根据价格排序及实际可用容量，确定各台机组的参调 容量，直到满足总需求。当电力调度交易中心根据各机组发电计划和负荷预测偏 差，确定出系统所需a g c 调节容量和应具备的调节速率后，可将选择a g c 机组 的目标函数描述为： 0 i _ m i n ( 最+ k 圪) 而q ( 2 - 1 ) i = l 式中最为第f 台机组的容量报价( 元m w h ) ；只为第i 台机组的电量报价 ( 元m w h ) ；q 为第i 台机组的调节容量( m w ) ，表示交易中心最终向a g c 机组购买的a g c 调节量，即机组的中标容量，为某一实数闭区间内的连续变量； 五称为机组参与a g c 调节的决策因子，其取值为整数0 或1 ，且当五为l 时，表 示机组被指定参与a g c 调节；当五为0 时，表示机组未被指定参与a g c 调节； 常量k 为卜1 之间的实数，必须由i s o 在各机组申报后确定，由专家统计打分确 定各机组的综合调节因子，并向所有机组公开。目标函数即式( 2 1 ) 考虑的是交 易中心购买的a g c 辅助服务费用最小，其中q 、薯为所求变量。 对a g c 的选择除了要满足上述目标函数外，还必须满足下列约束条件的要求： 1 、调节容量约束 j i q 薯q 耐 ( 2 - 2 ) i = l 式( 2 2 ) 表示所有中标机组参与a g c 调节的容量之和要大于或等于系统所 需要的调节容量。式中q 为第f 台机组的调节容量( m w ) ；q 耐为目标容量或某 一时刻系统所需的a g c 调节容量( m w ) 。 2 、响应速率约束 k 而g n e e d i = 1 ( 2 3 ) 式( 2 3 ) 表示所有中标机组的向上( 向下调节速率) 要满足系统所需要的向 l o 自动发电控靠i j ( a g c ) 的原理和数学模型 上( 向下) 调节速率。式中为在某一时刻系统所需的a g c 响应速率 ( m w m i n ) ；形是指第i 台机组的响应速率( m w m i n ) 。 3 、单机容量的调节区间约束 q 砌q q (2-4) 式( 2 - 4 ) 表示机组的基点调节容量q 必须是某一正实数闭区间的变量值。式 中q 融和q 胁是指a g c 机组f 的调节容量上下限( m w ) 。 2 2 2 数学模型分析 在a g c 辅助服务的选择模型中，k 值的大小有着举足轻重的作用。k 值的设 定将直接影响着各发电机组在a g c 辅助服务市场中的排列地位，从而进一步影响 到机组的竞争结果。理想中的电力市场是一个完全公正、公平、公开的市场，市 场的每一个参与者都是平等的，信息也都是公开的。因此。k 值的确定应该是一项 非常严谨的工作，选择一种既有说服力又具有可行性的方法将成为解决a g c 机组 选择问题的关键。 在国外，加州电力市场由i s o 预测并发布一个整个市场统一的概率因子k ， 结果是k 值很难预测准确，这样将导致市场的购电费用上升或导致市场投机现象 的发生。针对以上可能出现的不足，采用文献【8 】中所提出的计算方法：由专家打 分和层次分析法相结合确定每台机组的概率因子k 。这种方法的具体做法是：第一 步，由资深专家根据每台a g c 机组以往参与a g c 调节的表现情况和实际电网的 运行情况，并结合调度运行人员的实践经验，给每台机组打分，分值在6 0 - 1 0 0 之 间。第二步，将专家打分结果和各机组申报数据同时考虑，运用层次分析法计算 程序得出每台机组的k 值。 这种方法的优点在于：用明确的数字进行比较，通过计算得出概率因子k 值， 较好地解决了概率因子难以预测确定的问题，杜绝了市场中可能出现的一些投机 行为，更好地体现电力市场公平、公正原则。同时考虑专家打分和公开申报的数 据，运用层次分析法统一核算，进一步使市场的竞争透明度加强，充分体现了电 力市场的公开原则。 在a g c 机组选择数学模型的约束条件中两个约束值、q 耐，即a g c 机 组的调节容量和调节速率是数学模型求解的关键，下一小节中对这两个约束值的 确定进行了详细地介绍。 这里要注意的是在公式中根据机组容i q i 取值的不同，则原问题表现的机组 实际参调情况也是不一样的。如果发电公司提供的a g c 机组上网发电时满负荷运 行，此时电网公司调度a g c 机组的数学模型是线性问题，即对于其中的任意一台 北京交通大学硕士学位论文 机组都有q ：| _ 砌= q = q ，说明q 在目标函数中为恒定值，这样就可以去掉上述 模型中的约束条件式( 2 4 ) ，此时的数学模型说明原问题就是一个标准的卜1 整 数规划问题。而如果发电公司的a g c 机组在向系统提供a g c 辅助服务时，其发 电容量是可以改变的，也就是说大容量机组可以进行小容量调节，说明q 是在某 一闭区间的变化值，即由数学模型可知q 为可变量，此时的数学模型说明原问题 是一个多变量的非线性整数规划问题。可以看出，上述a g c 调配问题是一个连续 变量和整形变量混合的优化问题。 2 3 电力市场环境下a g c 需求的确定 a g c 是以控制调整发电机组的输出功率来适应负荷波动的反馈控制。a g c 的 主要功能是：维持电力系统的频率在额定值上；维持和控制区域电网联络线上的 交换功率在一定范围内；分配发电出力使每个机组最经济地带动负荷。 为了实现上述功能，系统运营机构即购电方需要获取一定的a g c 调节容量， 用来随时补偿随机事件所引起的功率缺额，同时也承担系统频率调整的任务。单 从供电可靠性和电能质量而言，a g c 容量越多越好；而从运行经济性考虑，a g c 容量却不宜过多。传统上其大小主要是根据系统负荷的变化、运行经验等来确定， 一般为最大负荷的2 一5 ，大系统取小值，小系统取大值。这是一种基于运行经 验确定a g c 容量的方法，没有很好的兼顾电网运行的可靠性和市场运营的经济性， 在电力市场建立后不再适用。 调节容量和调节速率是衡量系统当前发电和用电差额的两个性能指标，这两 个参数的确定是a g c 调配方案实现的基础。在传统的电力系统的垂直管理模式下 系统调度员对机组的调度根本不参考这两个系统调节要求，而是感性地将全部 a g c 机组投入运行，以牺牲a g c 单元机组利用率，增加系统发电成本来满足系 统调节指标的。所以如果确定了这两个系统参数，就能用现有的计算机技术对a g c 的数学模型进行求解，从而制定出使用费用较低的a g c 机组调配方案。 2 3 1 预测误差分析 图2 3 是负荷预测和发电计划曲线图，从图中可以看出，如果负荷预测准确， 且各发电厂严格执行发电计划，则需要的a g c 数量为所有不吻合中的最大上升速 度。然而，负荷预测并非是和实际完全吻合的，而各发电厂由于各种原因也不一 定严格执行发电计划，所以，实际运行情况和计划情况就会存在一定的偏差，下 面分别说明。 1 2 t i 动发电控制( a g c ) 的原理和数学模型 如图2 4 ，虚线为预测值，实线为实际值。显然由于预测的误差，造成所需的 a g c 调节量变大，相应调节速率的要求也提高了。按计划，所需最大a g c 调节 量是直线段a b ，而实际的需求量为直线段c d ，所需的调节速率a b a t 提高至 c d | & 。 图2 3 正常情况下a g c 容量的需求量 a g c 新需求量c d 图2 _ 4 实际情况与负荷预测不同时a c , c 的容量要求 图2 - 5 实际情况与发电计划不同时a g c 的容量需求 如果由于一些原因，发电厂没有完全按照发电计划执行，如在某个时段某发 1 3 北京交通大学硕士学位论文 电厂将其增发了，时间推迟出，如图2 5 。图中实线部分是实际执行情况，虚线 部分实际发电计划。很显然，这时系统所需的a g c 调节量由a b 增至c d 。而a g c 的调节速率需求，视具体情况而定，这主要看a b a t 和c d a t 大小比较结果。 2 3 2由计划数据确定调节容量和调节速率 由前面的分析可知，a g c 容量和速率的需求量与很多因素有关，所以，其数 值大小的确定应从这些因素入手。从理论上讲，可以安排非a g c 发电机组的起停 与调节时刻，使发电计划与负荷曲线完全吻合，这样a g c 调节容量的需求为零， 但这只是一种理想情况。实际上，运行调度人员在作计划时，允许存在一定量的 偏差。这个偏差的大小由运行人员的经验决定，而这时系统所需要的a g c 容量就 是这个偏差量。 当负荷预测出现偏差时，由前面的分析可知，这个偏差完全由a g c 来承担。 这个偏差最大是多少，由负荷预测的最大误差决定。实际运行中，对数据预测有 最大预测误差限制，可以利用该值作为计算值。 当非a g c 发电机组跟踪负荷出现偏差时，如图2 5 中，在负荷上升阶段推迟 出时间，则这时没有被补偿的负荷也是由a g c 承担。由图2 5 可知，这个负荷量 的大小与该时刻负荷的上升速率相关。在计算时，可采用一天中负荷上升( 下降) 最快的速率进行计算( 所得结果是保守的) ，而& 则由运行人员靠经验确定。综上 所述，系统所需a g c 的调节量： q 蒯= q + q 2 + q 3 ( 2 - 5 ) 式中：q i 为发电计划与负荷曲线的最大偏差；q 2 为负荷预测的最大偏差；q 3 为发电计划执行的最大偏差。 同样分析可知：匕一= 圪删。一圪。一朐c ( 2 - 6 ) 式中：匕g c 一为a g c 应具备的最大调节速率；圪训。为实际负荷最大变化速 率；圪州g c 为非a g c 发电机组调节速率之和。 由上面的分析可知，a g c 机组容量和调节速率的需求量并不是完全由负荷特 性决定的，它取决于各种客观和主观因素，如：负荷预测的精度，发电计划制定 的是否合理，发电计划执行的是否准确等等。这些因素具有很强的不确定性，在 进行分析时不易把握。因此，根据负