互联电网AGC的分区控制策略改进

2012-08-11董国威

电力科学与工程 2012年11期

杨平，董国威

(上海电力学院电力与自动化工程学院，上海 200090)

0 引言

自动发电控制(AGC)已在区域互联电网的电力系统中得到了广泛的应用。一般采用日前计划、实时调度、AGC相配合的有功调度模式，也与经济调度构成一体化系统。AGC作用于区域互联电网的效果评价已从早先的A标准改变为CPS(Control Performance Standard)标准。CPS标准是北美电力可靠性协会 (NERC)于1996年出台了基于统计学原理的区域控制标准。CPS标准着眼于频率质量和某个控制区域内频率偏差控制的长期性能，更为合理地鼓励各控制区域积极参与调整互联电网的运行频率，充分发挥大电网的优越性。

研究CPS标准下的AGC控制策略，是近年来调度自动化的热点课题。由相关专题研究文献，可发现许多兼顾CPS标准的AGC控制新策略。文献[1]提出一种根据CPS指标修正ACE的AGC分区控制策略。文献[2]在传统CPS控制策略的基础上引入了新的判断条件 (区域控制偏差与频率偏差的乘积因子)，通过该条件来判断机组状态是否对系统的频率恢复有利，从而控制AGC机组的调节动作，但是其仅通过试验证明在单区域电力系统中是有效的，没有在互联电网中进行试验该方法的有效性。文献[3]根据电力系统实际运行情况和CPS考核要求，提出将AGC最小调节容量的获取转换为最小调节速率的获取，从而确定不同时段最优AGC机组调节容量，协调不同特性机组的运行，从而保证电力系统安全稳定经济运行，同时很好地兼顾电网运行的可靠性和市场运营的经济性。文献[4]提出了CPS调节功率分量这一新概念，并将其与比例分量和积分分量相结合，构成区域总调节功率PR，通过引人调节功率动态死区的概念，进一步提出了根据区域总调节功率而不是ACE来划分AGC控制区域的方法，从而减少机组不必要的过零动作，但是PR的不确定性，使此策略实现起来比较困难。文献[5]提出了基于CPS统计特性的自适应自动发电控制策略，解决了参数自动整定问题，借鉴引用了以经济性和指标性为主的优化控制方法，研究表明，该策略可在保证CPS考核合格率的同时有效减轻发电厂的调节压力。此外，还有一些新控制策略在文献[6]中有所论述。

以下所述研究主要是对文献[1]提出的分区控制策略进行改进。改进的要点是简化了分区条件和以修正PID参数替代了修正ACE。改进后的效果是明显提高了CPS指标和和频率质量。

1 AGC分区控制策略分析

文献[1]介绍了一种适应CPS标准的和易实现的AGC分区控制策略。其分区方法和对应的控制策略如表1所示。

表1 AGC分区控制策略Tab.1 AGC zoning control strategy

表1中，ACE为区域控制偏差;Δf为频率控制偏差;fe为频率偏差控制目标值;L10为ACE 10 min平均值的控制限值。

从表1可以看出，分区的依据主要是三个变量，即，CPS1，ACE和Δf。其中CPS1是统计数值，代表的是过去一段时间的系统控制质量指标;而ACE和Δf是当下的系统控制质量指标。可以说，这种分区方法是既考虑了过去又考虑了现在的控制质量指标。虽然是依据三个变量分区，但是也分主次，即，以CPS1为主，以ACE和Δf为辅。系统的控制质量状态被分为了4个区:保持区、正常调节区、辅助调节区、不过零调节区。相应的控制对策为:保持原控制不变、正常调节、强化调节、弱化调节。根据文献[1]，这些控制对策的实现相当简单。所谓保持就是控制输出不变。所谓正常调节就是取控制输出为按A1标准设计的AGC控制器的输出。所谓强化和弱化调节就是改变了AGC控制器的输入量ACE;强化时，所取ACE的绝对值比原来的ACE的大一些;弱化时，比原来的小一些。这相当于使控制器的增益在强化时增大而在弱化时减小。

总的看来，文献[1]所提出的适应CPS标准的AGC分区控制策略是设计合理和简单易行的。但是，其控制质量状态分区方法有点繁琐，其控制对策的实现又有点太简单，尤其在强化和弱化调节上明显粗糙。为此，提出三点改进思路:

(1)现在普遍应用的控制器均为PID控制器。而ACE是AGC控制系统的被控量，又是AGC控制器的输入量。因此，文献[1]所提出的AGC分区控制策略中的ACE调整功效完全可以改用PID控制器中的Kp参数调整来实现。此外，PID控制器中的 Kp，Ki，Kd三个参数的变化对CPS指标均有影响。因此，对Kp，Ki，Kd三个参数同时进行调整，将可期望CPS指标改善的更大空间。

(2)PID参数组有些对频率偏差控制特别有效、有些对联络线功率偏差控制特别有效、有些对CPS指标控制特别有效。因此根据相应的情况应用相应的PID参数组。当CPS指标偏差大时，应用对CPS指标恢复有很强控制能力的PID参数组;当CPS指标偏差小时，应用对频率控制特别有效的PID参数组。

(3)从CPS指标CPS1的定义式上看，变量CPS1就是过去一段时间的ACE和Δf组合量的统计数值。所以，在控制质量状态分区时，即便不考虑当前的ACE和Δf，应该影响也不大。再有，当前的AGC控制器主要依据ACE来控制，而ACE包含了Δf变量，所以，欠缺的主要是对CPS指标的兼顾。因此，在控制质量状态分区时，放弃对当前的ACE和Δf变量的依赖，应该是明智的选择。只依据CPS1指标进行控制质量状态分区，将可以大幅简化分区处理过程，并且使控制目标变得简单明了。

2 改进的分区控制策略设计

按照只依据CPS1指标进行控制质量状态分区的改进思路，采取两个CPS1指标的分区界限值:200%和CPS1V。CPS1可称为警戒值，是在0%至200%的范围内的一个经验取值。于是，控制质量状态区被分为三个区域:保持区、警戒区和紧急区。在不同的分区内将采用不同的控制策略，见图1。

图1 改进分区控制策略Fig.1 Improved AGC zoning control strategy

按照CPS1指标分区控制策略可按区阐述如下:

(1)警戒区

进入条件:200%≥CPS1≥CPS1V。

控制策略:不调整AGC控制器的3个PID参数(Kp，Ki，Kd)。

(2)紧急区

进入条件:CPS1≤CPS1V。

控制策略:调整AGC控制器的3个PID参数(Kp，Ki，Kd)。调整的目标是使CPS1指标回归到警戒值以上。详见下节。

PID参数的具体调整算法 (以Kp调整为例):

(3)保持区

进入条件:CPS1≥200%

控制策略:AGC控制输出保持原来数值不变。

3 仿真验证试验

为了检验所提出的分区控制改进策略的有效性，有必要进行计算机仿真验证试验。为此采用了文献[7]中所用的一种 MATLAB/SIMULINK仿真实验系统模型，见图2。该系统模型为经典的两区域电网AGC控制系统。区域1和区域2均为2 000 MW。设定联络线参数a12=－Pr1/Pr2=－1;区域中汽轮机和发电机速度限制为3%/min。具体参数详见文献[7]。通过代换区域AGC控制器模块Controller1和Controller2的手法，分别进行了采用不考虑CPS指标的PID控制策略(所用控制器模块详见文献[7])、考虑CPS指标的分区控制策略 (所用控制器模块参见图3)和分区控制改进策略的AGC控制试验 (所用控制器模块参见图4)。

图3为AGC分区控制器的Simulink模型。其中，kese1 Calculator模块的功能是计算控制过程中的频率波动参数ε1;CPS Calculator模块的功能是计算 ACE修正模块所需要的参数 CPS1，fe，L10;Subsystem of Change ACE模块是修正模块，将按控制质量状态分区 (保持区、正常调节区、辅助调节区、不过零调节区)对ACE的当前值进行修正。

图4为AGC分区改进控制器的Simulink模型。其中，CPS Calculator模块的功能是根据ACE和Δf进行计算实时CPS1;KI changer，KP changer，KD changer模块均为PID系数调整模块，其结构相同，功能相似。在进行AGC分区控制改进试验时，PID参数调整算法中的几个参数选定为:

在仿真验证试验中，采用文献[8]中的负荷扰动模型作为扰动试验信号。主要考虑了周期10 s以内的较小幅值的负荷分量和周期10 s到数分钟的负荷分量。所构成的扰动试验信号形如图5所示。

图5 负荷扰动曲线Fig.5 the output of the system with load disturbance

分别对PID控制策略、分区控制策略、分区控制改进策略进行仿真试验。图6和图7分别为仿真试验所得的区域1和区域2的CPS1指标曲线。图中，实线曲线对应分区改进控制策略;点线曲线对应PID控制策略;点划线曲线对应分区控制策略。可以看出AGC分区改进控制较PID控制和AGC分区控制在两电网区域的CPS1指标上都有明显的提高。

分别统计三种控制策略试验过程中的两个电网区域的频率偏差均方根，即各区域的ε1，可得如表2所示结果。该结果说明用分区改进控制策略的频率偏差均方根比未改进前大幅减小。虽然这个结果和用PID控制策略的结果差不多，但是，是在明显提高CPS1指标下得到的。也就是说，在提高CPS1指标的前提下也能保持频率偏差控制的高水准。