（电力系统及其自动化专业论文）互联电力系统频率控制及仿真.pdf

a b s t r a c t i n1 9 5 0 ，c o h np r o p o s e dat i e l i n eb i a sc o n t r o l ( t b c ) m e t h o df o rf r e q u e n c y c o n t r o lo fi n t e r c o n n e c t e da r e a s u n d e rt h i sm e t h o d ，t h ec l o s e rf r e q u e n c yb i a sv a l u e ( b ) m a t c h e st h es y s t e mr e s p o n s ec h a r a c t e r i s t i c ( s r c ) t h eb e t t e rt h ec o n t r o la r e aa g c c a r l s e p a r a t ei n t e m a li m b a l a n c e sf r o me x t e r n a l o n e s n l i sw i l lr e d u c et h en u m b e ro f u n n e c e s s a r yc o n t r o la c t i o n sa n dt h e r e b yp r o v i d eb e t t e rf r e q u e n c yc o n t r 0 1 b e c a u s e s r ci sat i m e - v a r i a b l ea n dn o n - l i n e a rv a l u e ，a n da l s ob e c a u s et h ea b s e n c eo ft h e s e t t i n gw h i c hi s u s e dt om e a s u r et h es r co nl i n e f r e q u e n c yd y n a m i cs i m u l a t i o n b e c o m e st h eb a s e dm e t h o dt od e c i d eba n do t h e rp a r a m e m r so f t h ec o n t r o ls y s t e m m a j o rf r e q u e n c yd i s t u r b a n c e sw e r eo b s e r v e df r o mt i m et ot i m ei nt h ep a s ti n m a n yc o u n t r i e su n d e rv a r i o u sc i r c u m s t a n c e s ，s o t h e f r e q u e n c yd y n a m i cs i m u l a t i o n b e c a m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n tf o rg u i d i n g t h eo p e r a t i o no f p o w e r s y s t e m s t h ef i r s to b j e c t i v eo ft h i sp a p e ri st o g i v eaa l l - a s p e c to ff r e q u e n c yc o n t r o lo f i n t e r c o n n e c t e da r e a s ，t h es e c o n do n ei st od e v e l o paf u l ld y n a m i cs i m u l a t o rt oe v a l u a t e a g c p e r f o r m a n c eo fs i n g l eo rm u l t i a r e as y s t e m sd u r i n gn o r m a ls y s t e mo p e r a t i o no r f o l l o w i n gm a j o rf r e q u e n c yd i s t u r b a n c e s b a s e do nt h ef r e q u e n c ya n a l y s i sp l a t f o r m w h i c hi sp r o v i d e db yp s s e t h ea u t h o rp r o p o s e dau s e r - w r i t e da g cm o d e la n dl i n k e d i tt ot h es i m u l a t o r s oi ti sp o s s i b l et oa n a l y s ef r e q u e n c yp e r f o r m a n c ei n c l u d i n gt h e c o n s i d e r a t i o no ff u l lp r i m a r yf r e q u e n c y r e s p o n s ea n dt h es e c o n d a r yf r e q u e n c yc o n t r 0 1 n l i ss i m u l a t o ri sa l s ou s e di na n a l y s i n gt h ef r e q u e n c yd y n a m i cp e r f o r m a n c ef o re a s t c h i n ap o w e r s y s t e mf o l l o w i n gm a j o rf r e q u e n c yd i s t u r b a n c e ，a n dt h e ng i v e st h eb a s i s t ob s e t t i n g k e yw o l i d s ：a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o m m l ，t i e 1 i n eb i a sc o n t r o l ，p o w e r m a r k e t ，f r e q u e n c yd y n a m i c s i m u l a t i o n 前言 频率既是表征电能质量的重要指标，又是系统运行的重要参数。其恒定的前 提是系统有功功率的平衡。而互联电力系统的频率控制从根本上讲就是当发生有 功功率平衡破坏时( 如负荷增加、减少或发电机跳闸等) ，在一次控制实现的频 率和联络线潮流有差调节基础上，各个区域启动辅助控制环节( 也称为二次调频 环节) ，通过改变发电机调速器整定以使有功功率重新达到额定点上的平衡，实 现频率的无差调节。各个区域可以根据控制目标的不同采用不同的辅助控制策 略，进行相互之间的配合。 分析并正确理解在各种扰动或故障引发的电力系统动态过程中动态频率演 变机理对实现电力系统安全稳定运行具有十分重要的意义。本文将首先介绍电力 系统频率控制的机理，然后介绍在电力系统大型动态仿真软件p s s e 上的频率动 态仿真的实现。在此基础上，研究中国华东电网各种频率控制策略相互之间的配 合及现有模式下关键参数设定等问题。 本文所做的主要工作有： 一、对互联电力系统频率控制机理进行阐述，并介绍了互联电力系统频率控制的 一些新的发展动向； 二、为适应今后电力市场的发展要求，在深入研究现有频率控制方式的基础上， 提出了一种新的互联系统频率控制模式，并且实现了对该模式的仿真； 三、对美国p t i 公司的大型电力系统动态仿真软件p s s e 进行了介绍，针对其主 要框架、数据结构、潮流计算及暂态稳定、动态稳定实现机理进行了详细的 描述； 四、详细介绍了p s s e 中自定义模型的建立方法，并且在此基础上实现了二次频 率控制环节a g c 的模型建立，在p s s e 提供的算例中实现了a g c 模型的 加入及频率动态仿真计算； 五、以中国华东电网数据为基础，实现了扰动或故障情况下频率的动态仿真分 析，对现有华东电网三省一市的频率控制模式进行了深入的研究。 第一章互联电力系统频率控制基础 电力系统频率是指电力系统中同步发电机产生的交流正弦电压的频率。在稳 态条件下各发电机同步运行时，整个电力系统的频率是相等的。作为表征电能质 量的重要指标，作为系统运行的重要参数，电力系统的频率与有功功率有着密切 的联系，系统有功功率的平衡是频率恒定的前提。 1 1 单区域系统频率控制 1 1 1 与系统频率有关的元件模型描述 ( 1 ) 发电机模型 发电机的物理模型如图1 - 1 所示。 图1 1 转速稳定的条件是机械转矩和电磁转矩相等，引入的物理参数如下： i t 转动惯量 t 。h ：机械转矩 f f z 角加速度 t 。l e c ：电磁转矩 l 转速 p 。h i 机械功率 p e l “l 电磁功率 p 。t ：净功率 tcti净转矩0 l 功率角 则有如下推导： 口= i 州 m p t = c o t , 2 1 凡= 。一 p 。= p 。一一p 。 = 哦+ 谢j ：t 喇。：甜j 丛掣：口 讲 排肚+ 谢弦一p 舻争2 j 学一 2 将( 3 ) 式代入( 1 ) 式得： ，掣：( 丁o 。+ n 。) 一( l 。+ 兀。) d f t 。= 瓦。 ，生! 垒型：i f , r 。1 。， 由( 2 ) 式得： ( p w 刚+ p 椰) 一( 尸如。+ p h ) = ( 。+ ) ( 7 乙训+ 7 k 一) 一( z 栅，+ 7 k ) ：乙。= 乙。= z 。 p 岫一一p 山= ( c o 。+ ) ( 7 ：“一a t “c ) 即一p 帆= 0 9 。( l 础一凡。) + 出( 一l k ) 忽略二次项简化得： 、 p 一一p l * = g o 。( z x r 。一l “) 将( 5 ) 式代入上式有： 蟑。h 一心。：，i 坐堕 ” 出 经拉氏变换有： r “( s ) 一p 一( s ) = c o 。l s c o ( s ) 设m = ，m 为惯性时间常数 则有传递框图如图1 - 2 所示( 标幺表示时，f 和u 值相等) 。 世m d 。 ll h 一一 m s p e | e c 图1 2 ( 2 ) 负荷模型 根据有功负荷与频率的关系，可将负荷分为以下几类： 1 ) 频率变化基本无关的负荷，如照明、电热和整流负荷等； 2 ) 与频率成正比的负荷，如切削机床、球蘑机、往复式水泵、压缩机等 3 ) 与频率的二次方成正比的负荷，如变压器中的涡流损耗： 4 ) 与频率的三次方成正比的负荷，如静水头阻力不大的循环水泵等； 5 ) 与频率的更高次方成正比的负荷，如静水头阻力很大的给水泵等。 系统实际负荷是上述各类负荷的组合，即有： r 2 函，时函 ( 丢) + m ( 丢) 、函凡( 丢) 、+ 以几( 丢) 1 其中p d 频率为f 时整个系统的有功负荷 p 陬一频率为额定值时整个系统的有功功率 a i 与频率的i 次方成正比的负荷占p d 。的份额 以p d c 和f c 分别作为功率和频率的基准值，则有： p d = d 。+ 口t f + 口z 厂2 + 口，+ + 4 用曲线表示则如图1 - 3 所示。 图1 3 由图可知，在额定频率时，系统负荷功率为p d 。；当频率下降时，负荷功 率将减少；当频率升高时，负荷功率将增加。这就是说，当系统中有功功率失去 平衡而引起频率变化时，系统负荷也参与对频率的调节，其特性将有助于系统中 有功功率在新的频率值下重新获得平衡，这种现象称为负荷的频率调节效应。定 义负荷的频率静态效应系数为： g = 等( m w h z ) 用标幺值表魏k 等卅 将上述特性曲线在额定点一次线性化，则可以得出：( 均由标么值表示) 心n = 艘l 七酵 b p 。= 如p ， 其中，z x p l 为与频率无关的负荷，将负荷与发电机模型合并，如图1 4 所示。 化简： 得如图1 - 5 所示结果。 图1 - 4 1 耶) 2 竞2 丽1 m s 4 图1 5 ( 3 ) 调速器模型( 频率一次调节控制单元) 1 ) 恒速调节控制单元 调速器的物理模型如图1 - 6 所示： 幽1 6 由于积分环节的动作，只有f 变成零时，系统才达到稳定，也即实现频率 的无差调节。但是恒速调节控制器不能用于两台或多台机组并列运行，因为这要 求每台发电机组都准确地具有完全相同的速度。否则每一台机组都力图控制系统 以自己的设定速度运行，各机组间不能实现负荷的合理分配，因此引入反馈环节。 2 ) 用调差特性作一次频率控制 如图1 7 所示下引入反馈环节： 速度测盛装置 图1 7 其中l r e f 为负荷整定值，r 为调速器调差系数，k g 为调速器积分常数。对 图1 7 虚线部分进行简化，从而得图1 8 ： f 1 一与妊l r f 竺 l 一一一一l 一是生璺 将负荷整定值l r c f 提取出反馈环节后，得如图i - 9 所示结果。 图1 9 将反馈环节的传递函数进行化简，所得结果如图1 1 0 所示。 耶卜东2 点5 兰2 土扎一1 6 r 测有 sk ok g r k g r 一一i 一一 一，r l 二! 怛麴氅 _ j l + 而+ 5 【。，j 图1 1 0 t g 为调速器时间常数，最后得到总的反馈框图如图1 - l l 所示。 也寸志p jl _ _ l r e t 图1 1 1 ( 4 ) 原动机模型 在汽轮机中，阀门位置的改变使进汽量变化，从而导致发电机出力的增减。 由于调节阀门与第一喷嘴间有一定的空间存在，当阀门开启或关闭时，进入阀门 的蒸汽量虽有改变，但这个空间的压力却不能突变。这就形成了机械功率滞后于 阀门开度变化的现象，称为汽容影响。在大容量的汽轮机中，汽容对调节过程的 影响很大。这种现象可用一惯性环节来表示。对于再热式汽轮机还要考虑再热段 的充气时延。以无再热的的汽轮机为例，其框图如图1 1 2 所示。 a p v a l u e 厂广 a p m e c h 1 互五厂1 + 图1 1 2 6 址 再热式汽轮机其框图如图1 1 3 所示。其中t s ，t r 分别为汽门蒸汽容积的时 间常数、中间再热器蒸汽容积的时间常数。 a p v a l u e 1 + g 冗 a p m e c h 一叫而瓦页鬲面厂_ 一斗 图1 - 1 3 综合以上模型，具有频率一次调节环节的总体系统框图如图1 - 1 4 所示。 调速器汽轮机 圈卜1 4 1 1 2 单区域系统一次调频控制分析 ( 1 ) 静态响应分析 从图1 - 1 4 可以得到：址k = ( 一一去v ) 再矗+ i 矗 从静态角度看，( 设l ，。尸o ) ，则发电机最终出力的增加与频率减少的关系为 帮= 一去，用曲线表示如图1 - 1 5 所示。 矿h 图1 1 5 也即指当存在调速器时，系统频率下降，发电机出力增加，这将有助于系统 获得新的平衡。这称为发电机的静态调节特性。如果由多台机组并列运行组成单 区域系统，则引入反馈可以使各机组合理分配负荷缺额。 当然这是以频率的有差调节为代价所实现各机组的稳定运行。那么当负荷突然增 ( 吲旷 a f ( 啪+ ( 志) ( 志) 一北( 叫+ i i l 丽) = 一冀豢 叭曲2 i 五隶万赢 v ( 咖蛳( 驰m ) = 痛 p ：= 一玄鲈 表示因发电机频率调节效应增加的出力 当 + r ：p ：时，也即可：二导时，系统最终在厂t 点达到新的平衡。 乜+ 二 p 图1 - 1 7 f i ) lr ( s ) o = l s ( 即整定值为一常数) ，p l ( s ) = z x p 。s 矾印2 矗嘉茹1r 、l + s 几、+ s 兀7 。 a f ( 。o ) = l i m ( a ( s ) + j ) = 丽l - 4 u t ) l 用曲线表示，如图1 - 1 8 所示。 只= g 厂表示因负荷频率调节效应减少的负荷 p ：= 一表示因发电机频率调节效应增加的出力 k p = 表示通过整定值设定使发电机增加的出力 当p 。+ p l ：p ，+ p 肘，也即，：z - p _ l 盯, ，系统最终在厂点达到新的平衡。 k n + ! r 系统最终在f ，点达到新的平衡，如果l = a p 。，则f = o ，也即如果知道负荷的 确切增量，手动整定使得l = a p 。，即某台机组在实现发电机一次调频的同时通过 改变整定值增加机组出力，表示在图形上就是将发电机特性曲线上移，就可以实 现无差调节。但是一般来讲负荷增量的确切值调度人员并不知道，调度人员只 能凭经验整定，不可能实现真正的频率无差自动调节。 ( 2 ) 动态响应分析方法介绍 3 1 1 ) 用传递函数进行分析 通过控制系统传递函数，求出f 的解析式，然后分解解析式并进行拉氏反变 换，就可以得到该控制系统频率偏差的动态响应。这样方法只能用在阶数比较小 的情况下。在阶数较高的情况下，解析式分解困难，就相应不能求得f 的具体 解，但可以通过对传递函数中特征方程式的分析得到系统是否稳定及其它动态信 息。 一般先求解特征方程式的根，若根落在左半平面时，系统稳定( 也就是系统 会自动平息扰动) 。如果特征方程式的阶数较高，直接求解不方便时，可以用如 下方法进行分析： a 通过r o u t h 稳定判据进行分析； b 通过n y q u i s t 稳定判据对系统是否稳定、相位裕量、幅值裕量和谐振峰值等 进行分析； 9 c 通过b o d e 图进行稳定裕量分析： d 通过根轨迹法对特征根的落点进行分析。 由于以上几种方法在自动控制理论书【3 中都有详细的介绍和推导，在这里就 不再赘述。 2 ) 状态变量空间进行分析 用状态变量空间进行分析时系统用如下方程表示： d x ( t ) ：a x “) + b “( f ) d f y ( f ) = c x ( t ) + d u ( t ) 进行动态分析的方法有： a 求矩阵a 的全部特征值，如果都具有负实部，则系统是渐近稳定的； b 观察系统的可控性、可观测性及b i b o 稳定性，如果都满足的话，系统是渐 近稳定的； c 通过李雅普诺夫第一，第二法进行分析。 关于渐进稳定，b i b o 稳定等概念及李雅普诺夫第一，第二法的具体描述在 现代控制理论教材【4 】都可以找到，在这里也不再作赘述。 1 1 3 单区域系统二次频率控制分析( 加入辅助控制) 如上所述，引入调速器时整个系统实现的是有差调节，尽管可以进行手动整 定，但调度人员不可能确切地知道随时随地发生的负荷缺额，只能由频率上升或 下降的情况凭经验调节，因此需要引入自动二次调频环节，也就是在一次调频系 统中引入一积分环节，使整定值由手动转为自动，控制的目标是频率偏差为零( 这 是由积分环节所保证的) ，加入自动二次调频环节后整个频率控制系统框图如图 1 1 9 所示。 图1 1 9 1 2 互联系统频率控制 1 2 1 联络线模型 假定系统1 与系统2 通过联络线相连，忽略联络线线损，联络线上输送的有 功功率为： 加 凡= 阶阶击s t n & = 阶胂圭s i n ( 孙釉 a p ，：= i v 。4 + i v ” i c o s ( j 一万”) + ( j - 一a 8 ：) 令，。= i u - 。i i u ”l i c o s ( 万m 一万”) n a p 。= t 。( a 6 一6 ：) 又= 2 x a f ，舭a ( 出a s ) 蛾= 烈r2 , c a f d t f2 厅：d r ) 经拉氏变换后有： p ：( s ) ：2 ，踞j e ! a f 。( s ) 一! a t ，( j ) 】：2 r t , , a f 。( j ) 一a f ：( s ) 】 sss 令丁：2 万r 。，则有p ：( s ) ：r - t a t 。( 5 ) 一a f ：( 5 ) 】 j 最后得到联络线模型框图如图1 - 2 0 所示。 + 厂、1r1 一二一一刊二。l _ 一 a f l 、 j i f a f 2 图1 2 0 1 2 2 只有一次调节的互联系统频率控制 将两个一次调节系统与联络线模型相连，得到模型如图1 - 2 l 所示。 图1 2 1 ( 1 ) 用传递函数进行静态响应分析 图1 2 1 所示模型中：l 1 、l 2 为手动信号；p 。c h l 、p 1 1 2 为发电机机械功 率；p l l 、p l 2 分别为区域一、二的负荷波动。得出传递函数为： 为简化起见，定义 + 谢- + 去c 百蠹，+ ；= 4 一 + 洲：+ 去百再) + 了t = 爿： a t - o ) = 川，一至 5 a f 扣) ：恸训小s = _ 二些等 k o i + k d t + + 二 一尸。：。彳一! p 。 4 厂：0 ) = i 一 爿爿：一! 一 s 1 坝m ) ：恸鲥s m ；二坐等 + z + 二+ 当一次调节结束后，频率在额定值附近稳定下来，但实现的不是无差调节。 ( 2 ) 用静态特性曲线进行静态响应分析 用静态特性曲线分析同样可以得到上述用传递函数得到的静态响应结果。如 图1 - 2 2 a 所示，曲线p o l 为区域一发电机调速器的频率特性曲线( 斜率为1 r 1 ) ， 曲线p l l 为区域一的负荷频率特性曲线( 斜率为k d l ) ；如图1 - 2 2 b 所示，曲线p 0 2 为区域二发电机调速器的频率特性曲线( 斜率为i r 2 ) ，曲线p l 2 为区域二的负荷 频率特性曲线( 斜率为k - d 2 ) 。 侩刍1 7 一7 图1 2 2 a p j ? 慕 6 h 、- f 吣j r ： 图1 - 2 2 b 有则 = l己且 坐， = 0 她 执r 一 、 一竽m = 。： ) a o a = 设假 当区域一的负荷发生p l l 时，负荷曲线由p l i 到p l ! ，如果区域一为孤立系 统，则频率将下降到f ：。而一旦两系统互联，则静态响应计算如下： 尸p r 一p 。，= a f ，x 。， ，一：+ a p r = ，：+ k 。z ，一：一盟 j p 。：一生 ，一a f ： 解得：，：，；：a f ：_ 竺生一 二+ ! + k k 口： 们一击“曲+ r 薏 可见区域二通过联络线对区域一进行了支援，使得频率稳定在f 。由区域一 一次调节产生的有功盈余p l 和区域二一次调节功率p 2 ( 通过联络线送入区域 一) 共同承担了区域一负荷缺额p 小其中： 廿一一( 去+ 如p v = ( 去+ 缸p ! j 彘 r -r ： p 2 - 一c 去+ ，v = c 去+ ，+ t _ 芒瓮了乏2 一p r 1 2 3 加入二次辅助调节的互联系统频率控制 联合电力系统的二次调频从根本上来说就是当发生有功功率平衡破坏时( 如 负荷增加、减少或发电机跳闸等) ，在一次控制实现的频率和联络线潮流有差调 节基础上( 如1 2 2 所述) ，各个区域启动辅助控制环节，通过改变发电机调速器 整定以使有功功率重新达到额定点上的平衡，即实现频率的无差调节。通常把本 区域调频过程中产生调节( 控制) 信号称为区域控制误差a c e ( a r e ac o n t r o l e r r o r ) ，这个信号通过恢复性积分环节作用于发电机，如图1 - 2 3 所示。 虻巳一墨l 苎挈出力鼙定 l 星_ _ 图1 2 3 ( 1 ) 联合电力系统二次频率控制方式介绍 根据控制目的的不同，互联系统中单个区域的二次调频对应不同的a c e 定 义有以下三种控制方式： 1 ) a c e = a f , 由于积分控制环节的作用，达到静态稳定时卢o ，也即实现频率无 差调节，故称为恒定频率控制( f f c ：f l a t f r e q u e n e yc o n t r 0 1 ) 2 ) a c e = ap l ，由于积分控制环节的作用，达到静态稳定时p t 一0 ，也即实现联络 线保持计划值这目标，故称为恒定净交换功率控制( c n i c ：c o n s t a n tn e t i n t e r c h a n g e c o n t r 0 1 ) 3 ) a c e = b t i f + a p t ( b o ) ，此时将联络线功率偏差和频率偏差都引入组成控制信 号，其中b 为频率偏差系数，该方式称为联络线和频率偏差控制( t b c ：t i e - l i n e b i a sc o n t r 0 1 ) 将上述单区域二次调频方式进行组合，可以实现多种互联系统频率无差调节 的方案这些方案主要有： 1 ) 在整个互联系统中指定一个区域用来调节系统频率( 也即采用f f c 控制方 式) ，而其他区域则致力于使各个区域间联络线功率潮流维持在计划值( 也即 采用c n i c 控制方式) 。这种方式的缺陷是将引起过多的区域问无意交换。 2 ) 整个互联系统中指定一个区域用来调节系统频率( 也即采用f f c 控制方式) ， 而其他区域则不参加二次调频，在有功失衡过程中只利用一次调节产生的裕 量进行频率支援。这种方式的缺陷是负荷的缺额均由采用f f c 的区域承担， 使之负担过重。 3 ) 互联系统均采用f f c 控制方式，这种方式在实践中存在的困难是由于各子系 统频率测量的误差，导致系统间有功功率的振荡。 4 ) 互联系统均采用c n i c 控制方式，这种方式同样有前述第三种方式的缺陷， 同时在系统发生有功失衡时不能够进行相互之间的支援，也无法保证频率的 恒定。 s ) 互联系统均采用t b c 控制方式，这种方式是由科恩首先提出来【1 0 】 1 3 】，并且已 广泛地应用在互联系统的自动发电控制中，这种方式的优越性将在下面的文 章中详述。 ( 2 ) t b c 控制方式下的互联系统频率控制 t b c 控制方式下的互联系统模型如图1 2 4 所示。 图1 2 9 1 4 1 ) t b c 控制方式下静态响应分析 当区域一发生负荷非计划增加a p l 1 ，区域二发生负荷增加x p l 2 时，可按1 2 2 所述的一次调频方程式进行求解，得： v 2 再- - 4 t p l i 忑+ 再曩- - 。t e l 2 忑 r ，r2 r 尺z 蚺“去拖小覃戋忑 r t 1 1 。矿矿 r r ： + c 去拖，+ 甄- - a p l 2 r 1r2 此时取频率偏差系数b l _ b ( 系统自然频率特性系数，= i 1 + g t ) ；b e = b z k 1 ( 自然频率特性系数，：= ：1 + g t ) 则a c e 的值分别为： 2 a c e = b a f + a p ，= 口t a f - + a p r = 一p c 一 ( 1 ) 4 c e t = b 2 a f z 一p r = 口：a f ，一a p r = 一p c ， ( 2 ) 同时由于积分环节的存在可以得出最终达到稳态时： a c e , = b - a f + a p t = 0( 3 ) a c e , = b ：a f ：一p r - 0( 4 ) a f t = a f z 因为b 。、丑：不为零，所以稳态响应为： a f = a f z = 0 p t = 0 因此，采用t b c 控制方式可实现频率的无差调节，同时实现本区域的有功 缺额由本区域的调频机组承担( 单个区域的调度中心通过分配系数的设定将 a c e 分配到各调频机组) ，而其他区域原则上只参加一次调频，通过联络线在频 率下降的初期进行支援。随着频率的恢复，联络线上的支援功率趋向零，联络线 上功率恢复为计划值。 2 ) 动态响应中几个关键的参数设置 影响系统动态响应的参数主要是b 1 、b 2 、k 1 、k 2 。从前面的静态分析中可 以得出只有当频率偏差系数b 与系统自然频率特性系数相等时，才能达到理想 的控制模式，也就是对当本区域发生负荷波动时由本区域的机组承担，而当外区 域发生负荷波动时，a g c 不做动作。事实上，系统自然频率特性系数并不是常 数，是由负荷特性和发电机调速器特性共同决定的综合特性，是非线性时变系数， 而a g - c 控制中一般都将频率偏差系数b 固定，视为线性的非时变的系数，如果 b f 。( f i x e d1 i n e a r ) 和b ，。( v a r i a b l en o n l i f l o a t ) 不相等，则当外区域发生负 荷变化时，产生的a c e 误差如图1 2 5 所示。 f 【h z ) 0 p l b v n 8 f s 幽1 - 2 5 当一次调节差不多结束时： 8 。鹭、七量t = 一p l 、 a c e ，= 鼠厂+ r = ( 岛t 一且。) - 一只- 。? & b 。 a c e 、 一p t ( _ a f t o ) 虽然系统最终的稳态值没有变化，但动态过程中无意交换将增大，而且响应 时间等都要受到影响。而且从互联系统的整个模型来看，只有当b b 真正等于b 。 时，a c e 的值才有可能一直为零，如果做不到两个系数的相等，则动态响应是 一次与二次的综合作用，不能再用将两者分割开来的思路来进行分析。 可以用试验的方法得到单个区域的系统频率特性系数，但实际运行中仍然还 是采用频率偏差系数固定的作法，如何在实际运行中实时地得到系统频率特性系 数，如何选取最优的参数k 。、k 2 都将是互联系统频率控制今后需要关注的领域。 1 3 小结 本章从电力系统元件建模入手，建立起了单区域系统的频率控制模型。继而 以联络线模型为中介，建立了互联系统的频率一次控制模型，并分析了各种二次 控制策略的组合，对现今广泛应用的t b c 控制模式作了一个比较细致的分析。 力图建立起互联电力系统频率控制方面的基本概念，掌握其基本分析方法。 第二章自动发电控制系统 2 1 能量管理系统e m s 概述 2 1 1e m s 的总体结构 在研究a g c ( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r 0 1 ) 系统之前，首先把目光投入到 能量管理系统e m s 上，力图从总体上把握自动发电控制系统。“一个典型的电力 系统是由发电、输电、变电、配电和用电五个环节所组成。对于分级管理的电网 来说，能量管理系统e m s ( e n e r g ym a n a g e m e n ts y s t e m ) 主要是管理电力系统中 的发电、输电和变电三个部分。配电和用电部分则属于配电管理系统d m s ( 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 ) 的范畴。” 3 7 】能量管理系统是一个复杂的计 算机应用系统，其结构可用图2 1 表示。 调度员 气 0 ， 应用软件( s c a d a e m s ! 堕篁! 一 支撑软件( 数据库、人机界面、应 用接口等) 系统软件( 操作系统、语言等) 硬件( 计算机、网络、通信、远动等) ，、 弋， 电力系统 图2 - 1 能量管理系统结构 可见，能量管理系统涉及计算机硬软件的各个方面。它最终是通过e m s 应 用软件来实现对电力系统的监视、控制和管理。 2 1 2e m s 应用软件 e m s 应用软件一般分为三级：s c a d a 、能量管理系统、网络分析。进一步 还可以增加培训模拟级。e m s 主要的应用软件如图2 2 所示。 监视控制和数据采集s c a d a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n d d a t aa c q u i s i t i o n ) 系 统是电网调度自动化的基础，是能量管理系统应用软件实时数据的来源和控制操 作的执行机构。能量管理级软件的特点是利用电力系统总体信息( 频率、机组功 率、联络线功率) 进行调度决策，目标在于提高控制质量和改善运行的经济性。 网络分析级软件特点是利用电力系统总体信息( 母线电压和功角) 进行分析与决 策，目标在于提高运行的安全性。 图2 2 e m s 主要应用软件 在当前国外3 0 0 多个电力系统中，已安装和运行的e m s 应用软件约有4 0 几 种。其中常见的有： ( 1 ) 自动发电控制a g c ( a u t o m a t i cg e n e r a t i o nc o n t r 0 1 ) a g c 闭环控制电力系统发电机组的出力，其目的是使系统频率和( 或) 新的 交换功率按计划保持在预定值。a g c 根据所期望的发电基点( b a s e dp o i n t s ) ，在 各机组之间协调分配发电控制需求。这些发电基点是由经济调度e d 或诸如紧急 约束调度e c d 的约束调度方式所决定的，或由调度员人工输入。 ( 2 ) 经济调度e d ( e c o n o m i c d i s p a t c h ) 一般的经济调度e d ，其目的在于根据输电网络模型的等式约束条件( 出力负 荷相等) 和发电机组的不等式约束条件( 小于运行极限) ，使总的运行费用最少。 由于没有线损和其它不等式约束，因此e d 只是表征一个无约束的经济调度软件。 ( 3 ) 网络拓扑n t ( n e t w o r k t o p o l o g y ) n t 又称为网络状态处理器n s p ( n e t w o r ks t a t u sp r o c e s s o r ) ，用以辨识电力系 统中所有元件的连接情况。根据网络中现有电源和开关的开合状况，网络状态处 理器辨识该网络元件是否带电、无电或接地。 ( 4 ) 状态估计s e ( s t a t ee s t i m a t i o n ) 状态估计从实时网络的冗余测量值中获取电力系统的母线电压幅值和相角的 最佳估计值。s e 包括下面一些必不可少的功能：网络模型生成器n m b ( n e t w o r k m o d e lb u i l d e r ) 、可观测性程序o r ( o b s e r v a b i | i t yr o u t i n e ) 、状态估计和坏数据 检出和辨识等。 ( 5 ) 调度员潮流d l f ( d i s p a t c h e rl o a df l o w ) d l f 又称为在线潮流o l f ( o n l i n el o a df l o w ) ，可在实时或模拟状态下分析 电力系统的运行工况，用于与调度员会话或供规划工程师研究用。此潮流程序还 用于建立事故预想c e 的基本案例，以及在优化潮流o p f 中作为子程序使用。 ( 6 ) 短期负荷预报s t l f ( s h o r t t e r m l o a df o r e c a s t ) s t l f 预报电力系统下一个2 4 h 直到一周内的每小时负荷。 ( 7 ) 安全分析s a ( s e c u r i t ya n a l y s i s ) 安全分析有时又称为事故预想c e ( c o n t i n g e n c ye v a l u a t i o n ) ，它根据可能导 致网络中线路过负荷和( 或) 电压不正常的事故表，来评估电力系统的静态安全 状况。由于在任一给定时间只有某些可能导致过负荷和( 或) 电压不正常的事故 发生，有时甚至没有，因此，c e 的计算工作量，可以通过过程扫描或事故选择 程序来予以减少。c e 的基本案例，即其初始状态，可以是状态估计所给出的当 前状态，或是来自优化潮流o p f 的几分钟后的状态。 ( 8 ) 在线短路电流计算o s c ( o n 1 i n es h o r tc i r c u i t ) o s c 通常是一个三相短路程序，在母线频繁例行操作的予输电或配电系统中， 用来确定当出现可能的断路器失灵时的短路电流。 ( 9 ) 优化潮流o p f ( o p t i m a lp o w e r f l o w ) o p f 是一个通用的优化程序或是一组程序，它根据电力系统的网络状况和任 何一组简单的不等式约束条件，来使某个给定的目标函数为最小。视优化问题的 性质而定，优化潮流可能采用线性规划或非线性规划技术。o p f 是一个用于事故 约束调度c c d 、紧急约束调度e c d 、无功电压计划v v s 和无功电压调度v v d 的通用工具。 ( 1 0 ) 开停机计划u c ( u n i tc o m m i t m e n t ) 开停机计划确定为各发电机组的启动和停机时间顺序，使之至少在2 4 h 或长 达一周的时间内，包括启动和停机费用在内的总生产费用为最低。在此期间内， 还要计及负荷预报、水电计划、联络线计划、检修计划、发电储备要求以及电力 系统的安全。 ( 1 1 ) 水火电计划h t s ( h y d r o t h e r m a ls c h e d u l i n g ) h t s 协调水火电机组在2 4 h 或长达一周期内的发电计划。在此期间内，还要 计及一周的负荷和水文预报、联络线交易、检修计划、发电储备要求、用水约束 以及电力系统的安全。 ( 1 2 ) 交换计划i s ( i n t e r c h a n g es c h e d u l i n g ) i s 将本公司的发电与合同和剩余发电综合考虑，在满足系统总的要求下，向 系统外售电，以使整个系统得到优化。 ( 1 3 ) 调度员培训模拟d t s ( d i s p a t c h e rt r a i n i n gs i m u l a t o r ) d t s 是一个由电力系统模型和电力系统控制中心模型所组成的培训系统。电 力系统模型提供一个电力系统的实时动态模型，可以模拟电力系统的各种运行方 式，并从r t u 获取各种远动信息。控制中心模拟的设备，应尽可能地做到与实 际的控制中心一致，并具有成套的监视、控制、人机界面和应用软件功能。调度 员培训模拟应按一对一培训和自学习两种模式来进行设计。 2 2 自动发电控制( a g c ) 系统 自动发电控制( a g c ) 是能量管理系统( e m s ) 中最重要的控制功能之一。 它的投入将提高电网频率质量，保证系统安全。自动发电控制在“当今世界已是 普遍应用的成熟技术，是一项综合技术”。i j “ 在互联电力系统中，各区域承担各自的负荷，与外区域按合同买卖电力。各 区域的调度中心要维持额定系统频率，维持区域问净交换功率计划值，并希望区 域运行最经济。自动发电控制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是： ( 1 ) 响应负荷和发电的随机变化，维持电力系统频率为规定值； ( 2 ) 在各区域间分配系统发电功率，维持区域间净交换功率为计划值； ( 3 ) 对周期性的负荷变化按发电计划调整出力，对偏离预计的负荷，实现在线 经济负荷分配。 2 2 1a g c 一般过程p 剐 以图2 3 表示的某一联合电力系统为例介绍a g c 的一般过程。a 、b 、c 为 三个区域系统，它们之间通过联络线互联。正常情况下，各区域应负责调整自己 区域内的功率平衡。例如，在图一的区域b 中接入一个新的负荷时，起初联合 电力系统全部汽轮机的转动惯量提供能量，整个联合电力系统的频率下降。系统 中所有机组的调节器动作，加大出力，提高频率到某一水平，这时整个电力系统 发电与负荷达到新的平衡。一次调节留下了频率偏差f 和净交换功率偏差，a g c 因此而动作。提高区域b 的发电功率，恢复频率到达正常值和交换功率到计划 值，这就是所谓的二次调节。此外，a g c 将随时间调整机组出力执行发电计划 ( 包括机组启停) ，或在非预计的负荷变化积累到一定程度时按经济调度原则重 新分配出力，这就是所谓的三次调节。 图2 - 3 a g c 一般过程示例 从a g c 来说，一次调节是系统的自然特性，希望快速而平稳；二次调节不 仅考虑机组的调节特性，还要考虑到安全( 备用) 和经济特性；三次调节则主要 考虑安全和经济，必要的话甚至可以校验网络潮流的安全性。一般数据采集 ( s c a d a ) 采样周期为1 2 秒，自动发电控制( a g c ) 启动周期为4 8 秒， 经济调度的启动周期为几秒钟到几分钟甚至几十分钟。 2 2 2a g c 的总体结构 自动发电控制通过一个闭环控制系统实现。自动发电控制从s c a d a 获得实 时测量数据，计算出各电厂或各机组的控制命令，再通过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。 自动发电控制的总体结构如图2 - 4 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，可以看出，它由负荷预测、机组经济组合、水电计划及交换功率计划决定。 区域调节控制的目的是使区域控制误差( a c e ) 调到零，这是a g c 的核心。其 主要功能是a g c 计算出为了消除区域控制误差( a c e ) 而分配给各机组的功率 增减量，将这一分量加到机组跟踪计划的基点功率之上，得到设置发电值发往电 厂控制器。机组控制是由基本控制回路去调节机组控制误差到零，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。 图2 - 4 a g c 的总体结构 2 2 3a