0引言
作為現代化電網運行控制的基本技術,自動發電控制\\(AGC\\)已成為電網調度運行必備的手段之一。與互聯電網的發展相適應,AGC經歷了從分散式頻率自動控制裝置\\(AFC\\)到基于能量管理系統\\(EMS\\)的自動控制系統的發展過程,并逐步制定了相關技術評價標準用于引導控制區運行。中國自20世紀80年代末期從國外引進AGC以來,經過多年的探索和實踐,已在該領域取得了快速發展,顯著提升了電網的頻率質量,為電網的安全經濟運行發揮了重要作用。
隨著特高壓電網、交直流輸電技術和新能源的快速發展,國內電網結構和形態發生了新的變化,物理上各區域電網連為一體,由長鏈式弱連接向團式強連接轉化,運行特性呈現出一體化趨勢,增加了電網調度和控制的復雜程度,對電網安全經濟運行的調度業務支撐提出了新的要求。因此,迫切需要增強互聯電網頻率、聯絡線功率的控制手段,提高電網智能一體化協調控制的能力。
作為智能電網調度控制系統的核心應用,AGC面臨著新的挑戰,主要表現在:需適應不斷發展的交直流混聯電網的復雜運行方式,現有區域電網和省級電網AGC遵循的評價標準、控制策略需要隨之變化;要適應新能源的規?；l展,面向常規機組的控制模式和分省平衡控制方式難以滿足新能源接入后實時調度控制的需要;要能充分保證大電網的運行安全,除了要實現電網正常運行狀態下的區域功率平衡、特高壓潮流和重要輸電斷面安全控制以外,還應能在電網發生擾動時通過多級調度的協同措施,實現頻率的快速恢復,并盡量減少該過程中的聯絡線潮流波動。
本文在分析基于智能電網調度控制系統的AGC新需求的基礎上,結合近年來在該應用領域開展的技術實踐,提出了智能調度AGC多目標協調控制的應用架構,總結了適應特高壓電網一體化調度和新能源接入需求的AGC關鍵技術,并對適應未來華北、華中、華東 \\(簡稱 “三華”\\)電網控制的AGC發展趨勢進行了展望。
1 AGC應用需求1.1 AGC控制模式、標準與策略關系分析
不同于國外普遍采用的單一控制區性能評價標準\\(以下簡稱“評價標準”\\)和控制技術支撐體系[5],中國的頻率和聯絡線功率控制問題已演變為多層級控制主體、多重控制目標和多套評價標準相交織的復雜控制問題。
對于互聯電力系統控制而言,AGC控制模式、評價標準、控制策略是3個獨立又相互影響的重要環節,三者之間的關系如圖1所示。
1\\)控制模式。根據互聯電網的形態和管理需求制定,其實質決定了電網控制區和控制主體[6]\\(或“平衡主體”\\)之間的配合關系,單一層級的電網控制模式側重多個區域互聯時各自的控制責任,如定頻率控制\\(FFC\\)、頻率偏差控制\\(TBC\\)等模式;對于現階段“三華”電網來說,控制模式重點在于理清國、分、省三級調度之間的控制目標和協調機制?？刂颇Ｊ绞侵贫ㄔu價標準、研究控制策略的基礎,其重要特征之一是會隨著電網結構和管理體制的變化而發生改變,這也正是新形勢下AGC控制需求變化的內在動因。
2\\)評價標準。用于引導各控制區規范、安全、經濟控制的重要準則,其與控制模式的關系如同政策標準與國家政體的關系,是引導控制策略執行的“指揮棒”,也是控制模式得到運用的主要載體。由于各級主體控制的目標不同,國內存在多套并行的評價標準,如A標準、C標準和T標準等,有著各自的適用性。對于某一類特定的控制目標\\(如頻率\\),評價標準具有抽象性,與電網結構、電壓等級和區域調節資源的構成關系較小。
3\\)控制策略?？刂撇呗允窃u價標準的執行和實現,是調度運行機構為適應控制模式和評價標準的要求采取的具體措施與手段,由控制區自行制定。以適應控制性能標準的AGC控制策略為例,其既可以由集中控制模式下的控制區域運營者操作,也可以由分散式控制模式下的被授權機組和其他市場參與方進行操作。由于對評價標準的解讀不同,標準在執行時既可以作為控制的約束條件,也能作為優化目標,因而實際運行中所采用的控制策略不一。
1.2智能電網調度控制系統中AGC的需求驅動
中國互聯電網已從區域電網發展成為廣泛互聯、高度智能的特高壓互聯電網,AGC控制模式、評價標準和控制策略正面臨著重大改變,需要適應電網電氣聯系增強、團狀結構和運行一體化等特性,逐步解決大范圍協調、多級調度配合、多類控制措施協調的關鍵問題,面臨新的技術訴求。
1.2.1支撐一體化調度模式
隨著大區互聯程度的增強,AGC的協調層級和協調廣度相比以往更大。傳統的電網控制主要考慮區域電網和內部省級電網的協調,較少涉及區域電網之間的協調,上下級主體間的配合方式主要為對等、主子、單一幾種方式。特高壓電網涉及國、分、省三級調度多個控制區,不同調度層級間的配合方式更加復雜。
由于各國電網管理運行模式的差異性和電力市場化程度不同,互聯電網AGC控制模式在有功控制目標、資源獲取方式和資源調用方式等方面存在著較大差異[7]。綜合來看呈現以下發展趨勢:為了降低控制資源需求,由分子區域平衡向區域統一平衡過渡;為了提高經濟性,由分子區域獲取資源向區域統一獲取資源過渡;為了加快頻率恢復速度和加強統一管理,由分子區域調用、區域分級調用向區域直接調用過渡。文獻[8]對不同范圍電力系統對AGC的調節需求進行了分析比較,指出較大范圍內統一使用AGC調節容量比較小范圍內經濟得多。
特高壓互聯電網形成后,電網特性將由區域模式轉向總體模式,集中調用資源和控制可使AGC資源得到最優配置,運行費用降低,聯網經濟效益得以充分體現。需要指出的是,控制模式與電網管理模式不同,目前“統一調度、分級管理”的管理模式雖不會改變,但控制模式可根據電網的發展和調控支撐技術的日趨成熟不斷變化。
隨著智能調度技術的快速發展,以及信息化和自動化程度的不斷提高,面向未來互聯電網的智能電網調度控制系統已具備業務層面的“集中式”控制,調控中心具備快速獲取全網信息,全局統籌分析、預警和決策的能力。一體化調控模式下,調控中心可根據全網的調節資源分布情況,將調節量直接下發至網內所有AGC機組\\(或經由內部的下級調度機構轉發或分解\\),出力分配過程中優先調用品質優良的調節資源,在電網發生大擾動時考慮輸電斷面的安全約束[3],進行快速、有效的全局性支援。
1.2.2適應特高壓電網控制
中國電網目前所廣泛采用的A標準、C標準等性能評價標準,主要以北美電力可靠性協會\\(NERC\\)制定的CPC\\(control performance criteria\\)和CPS\\(control performance standard\\)[9]為參照系,考慮到電網結構和管理體制的實際情況與國外的差異,在引入時進行了一定程度的改進[10]。多年實際運行結果證明了其對提升電網頻率品質、建立良好的頻率控制秩序起到了重要作用。
華北、華中電網經晉東南—南陽—荊門特高壓交流聯絡線聯網后,為強化對聯絡線功率的控制,有效抑制其波動,國家電力調度控制中心制定了以責任度為核心的T標準[11],與C標準構成了對偶的一組標準。
圖2所示為統計的2012全年華北—華中互聯系統的頻率和特高壓聯絡線功率偏差分布?？梢园l現其滿足數學期望近似為0的正態分布\\(圖中聯絡線功率偏差的期望存在一定偏移,原因主要是由華北、華中電網采用不同的評價標準導致\\)。
實際上,C標準和T標準的制定原則正是基于這種長期統計學特性,評價目標雖然不同,但核心數學原理基礎一致。評價標準實質上反映的是控制區自身區域控制偏差\\(ACE\\)與全網控制目標的相關性\\(由Ⅰ類標準規范\\),鼓勵區域間的相互支援,重在區分控制區的責任和貢獻大小,同時還起到限制各平衡區非計劃功率流動的作用\\(由Ⅱ類標準規范\\)。
隨著特高壓區內、跨區交直流線路的不斷建設,目前采用的一些評價標準,如A標準、T標準逐漸不再適用,需要研究適應新的網架結構和控制目標的評價標準和策略。多回交直流線路強聯系方式下,電力系統運行的不確定性增加。例如直流閉鎖、交流電網嚴重故障等造成的大功率缺失時,為了保證系統連續供電的能力,應當配置足夠的備用容量;同時,為了保證電網的穩定運行,區域協調控制需覆蓋更大的范圍,上升到更高的電網層級來考慮。
1.2.3適應新能源的接入
近年來,國內風能和太陽能發電發展迅速,根據國家新興能源產業發展規劃,預計到2020年風電、光伏總裝機容量將分別達到150GW和100GW。新能源發電的大規模接入,給電力系統的各個領域都帶來了挑戰,有功調度控制領域也不例外。為此,需要結合新能源發電的特點,對傳統的AGC控制策略和相關的評價標準進行改進。
一方面,需要盡可能地綜合利用傳統發電方式與風力發電方式,通過制定出合理可行的調度控制方案來消納風電的影響。隨著新能源接入規模的擴大,除了要實現區域內部的協調控制,還需要站在整個區域互聯電網的角度,集中全局的可調節資源來實現新能源的跨區大范圍消納[12]。
另一方面,需要建立與廣域協調控制相適應的聯絡線功率\\(電量\\)評價標準。新能源接入后,平衡區內的功率波動將更加明顯,分鐘級以內的頻率控制問題更加突出。針對CPS存在的對控制區短時性能評價缺失的問題,NERC近年提出了BAAL\\(balancing authority ACE limit\\)標準,規定在特定的連續時間\\(不少于30min\\)內,控制區ACE的單位分鐘均值的限值應根據實時頻率偏差計算得出。
該標準用于替代現有的CPS2標準,并對CPS1的缺陷更好地進行了補充[13-14],值得今后的標準研究和制定工作借鑒。
綜上所述,新的業務需求亟待研發新的AGC架構及應用功能,以提升全網統一控制決策的能力,在實現電網安全、經濟控制的同時,滿足大范圍資源優化配置和最大限度接納可再生能源等需求。
2 AGC模型及架構
2.1 AGC控制模型
近年來,AGC已從單一區域控制過渡到多區域控制模型,傳統的多區域控制模型在固定后很少改變,區域的劃分方式和AGC機組隸屬關系是靜態的,需要離線維護。新的調控業務需求下,控制區域ACE的內涵更加豐富,通過改變ACE的表達式可以起到改變承擔的控制責任、附加的調節任務甚至控制區邊界等作用;當區域調節資源無法滿足備用需求時,應可以靈活地進行在線調整和轉移。為滿足上述需求,在智能電網調度控制系統設計之初,提出了支持多區域、多層級AGC協調的動態建模方法。
1\\)控制區域既可以對應實際的控制區,也可以對應虛擬的控制區?！皩嵖刂茀^”同時支持建立不同層次的控制區域模型,除了可以建立本區域和外網的聯絡線模型外,還支持外網模型、下一級區域電網模型等;“虛控制區”可以僅為某類特定控制問題服務,如一段時期內抽調機組構成的特高壓控制區、某個斷面潮流控制區,甚至新能源控制區等,這些虛擬的控制區不像常規控制區那樣必須具備頻率、聯絡線量測。
2\\)控制目標靈活可定制?！皩嵖刂茀^”除可采用本區域計算的ACE外,還支持上級或同級調度機構轉發的ACE來調節機組出力;對“虛控制區”而言,控制目標是對傳統ACE的拓展,可由運行人員根據實際需要自行組織,如新能源外送控制目標、擾動后頻率緊急恢復時的附加調整功率等。在實現上,支持用戶使用智能電網調度控制系統基礎平臺自定義量測或公式編輯,也可以由其他調度機構、應用模塊通過消息轉發接入。
3\\)可在線指定任一個或一組控制對象參與某個區域\\(目標\\)的調整,這得益于AGC模型內部采用了控制對象和區域的動態指針映射機制。為實現這一功能,還根據調節資源的特性,對調節設備進行了一體化建模處理,可控對象除常規水火電機組外,還可以是風機、光伏逆變器等新能源設備,甚至是直流控制器。
2.2 AGC應用架構
智能電網調度控制系統中AGC應用架構如圖3所示。在決策層,實現多個維度的協調控制:空間維度,通過在國、分、省三級調度的部署,實現各級調度控制目標的協調互動;時間維度,實現日前、實時計劃機組和AGC機組在不同時間尺度的銜接控制;目標維度,除了滿足功率平衡控制目標外,還通過和網絡分析應用的閉環實現對電網潮流的安全控制。在執行層,基于決策層給出的控制目標,通過對常規發電和新能源發電資源的優化分配調用,經安全防誤處理后形成控制指令。
3 AGC關鍵技術
3.1多級調度標準和策略的協調
對各級調度采用的不同評價標準均給予支持,并提供與之相適應的控制策略[15-16],根據評價目標的調整\\(如從A標準調整為C標準\\)在線實施切換。
特別是為滿足特高壓互聯電網多層級控制需要,支持多級主體控制策略的協調,目前已在下列場景得到實際應用:為滿足跨區特高壓聯絡線功率控制的需要,通過分、省調ACE的實時協同來兼顧T標準和C標準[17];為實現區域受端電網頻率擾動后的快速恢復,通過分攤事故備用來實現對ACE的短時快速修正[18]。
3.2安全約束控制
傳統的AGC與電力系統的網絡結構無關,運行時不考慮電力系統的安全約束。對于安全穩定運行要求更高的特高壓電網來說,在實時控制層面,除了要滿足AGC常規控制目標外,還需要兼顧重要的線路、穩定斷面的潮流控制,使其始終處于安全范圍之內。
根據斷面控制要求不同,AGC安全約束控制支持多種實現方法:對于省區內部的特定控制斷面,如500kV和200kV電磁環網解環后形成的獨立分區間的傳輸斷面,由于其已與區域內機組形成相對封閉的割集,可采用多區域控制模型實施對斷面功率的跟蹤控制[19],為實現斷面在不超過穩定限值的情況下盡可能利用其傳輸能力,分區控制目標可在引入時預先進行處理;對于多斷面復雜控制,利用智能電網調度控制系統在基礎平臺、數據和分析決策等方面提供的支持,AGC通過與網絡分析應用的接口獲取靈敏度分析、安全約束調度\\(SCD\\)的優化結果,閉環后可實現穩定斷面越限的預防控制和校正控制[20]。
3.3與實時發電計劃的閉環控制
實時發電計劃建模和優化編制目前已取得較大進展[21],但進入閉環控制環節還存在一些亟待解決的問題:一是實時計劃優化結果在執行時,通常由調度人員根據經驗來選擇部分AGC機組承擔,難以適應日益復雜多變的電網運行方式和新能源接入后的實時調控要求;二是實時計劃周期較短且覆蓋AGC控制周期,控制對象相互影響,若不能充分考慮AGC調節性能的要求,計劃執行過程有可能增大AGC壓力。
實際運行中發現,AGC若不考慮實時計劃對其調節趨勢的指導作用,僅依據ACE事后反饋信息,一旦失去調節能力,控制效果和評價指標將會嚴重惡化。與日前計劃的閉環控制有所不同[22],實時發電計劃閉環的核心是通過組織各類機組實現控制角色和調節容量的優化調控,以保持未來時段綜合的最優調節能力,避免機組的頻繁調整和爬坡資源的不合理分配。針對上述考慮,AGC已實現參與實時調度機組控制模式的動態轉換和調節容量轉移,可根據不同工況下AGC容量需求的變化自適應進行調整:在負荷爬坡階段增加固定基點模式機組,以實現對負荷趨勢變化的快速跟蹤,平穩時段多采用浮動基點模式機組,以滿足ACE調節和實時控制指標\\(如C標準\\)的要求;電網擾動情況下,根據缺失的功率大小和速率要求,釋放更多的浮動基點備用容量,以快速恢復頻率和平抑功率波動。
3.4新能源接入控制
在適應風電、光伏接入后的有功調度控制策略方面,近年來國內外已經取得較多應用實踐[23]?；谥悄茈娋W調度控制系統基礎平臺和分區多目標控制模型,AGC從架構和策略方面已實現對新能源控制的有效支撐,具體表現在以下方面。
1\\)調度主站端控制
針對新能源發電對電網調峰、調頻及外送通道斷面安全的影響,結合其自身控制特性,提供了最大功率、限值功率、計劃跟 蹤等 不同 的有 功控制模式[24],以滿足風電\\(光伏\\)最大限度消納、電網緊急控制、調峰控制等多種需求。上述模式和策略已在西北等10 GW級風電基地取得實際應用,采用AGC實時控制可以平穩控制斷面潮流不超過限值,同時又最大限度地利用了風電輸送通道容量。
2\\)新能源場站端、接入地區控制為適應抽水蓄能、化學儲能系統,以及風、光電源聯合運行控制的需要,建立了應用于新能源匯集地區場站端的分層控制框架和多源電源聯合控制策略。以“國家風光儲輸示范工程”的實踐為例[25],基于智能電網調度控制系統基礎平臺的AGC應用支持可靈活組態、無縫切換的風光儲聯合控制模式和單場站控制模式,可協調儲能系統實現多種控制目標\\(平滑風光、削峰填谷等\\),通過結合儲能荷電狀態\\(SOC\\)反饋實時優化風光儲聯合發電系統的運行狀態,實現近似常規電源發電品質的功率輸出。
3.5控制安全防誤
電網調度業務的集成化和控制技術的一體化趨勢,對AGC安全防誤提出了全新要求?？v向維度,需重點應對調度和廠站數據交互增多后,過程安全控制、指令傳輸鏈條和電廠執行環節等增加的不確定性風險,例如對關鍵中間變量濾波以消除高頻分量和數據異動的影響,完善水電機組振動區跨越邏輯[26],及時校驗電廠反饋結果實施自動干預等;橫向維度,需關注AGC運行參數、模式操作不當等人為風險,對各類人工輸入進行操作權限和合理性區間的動態校驗,對模型維護、平臺數據庫及相關應用發生異常時進行有效隔離。以往AGC暫?；蛲顺鰰r,調度員往往需要花費大量時間來從結果反向分析原因,如能給出綜合判定后的故障原因告警,并提供計算流程和安全策略的圖形化動態展示界面,則有助于運行人員快速處置故障和恢復運行。
在吸取以往AGC安全校驗和閉鎖措施的經驗基礎上,基于“交叉校驗、層級閉鎖”的原則,形成了由“全過程自動安全策略、操作安全防誤、圖形化分層告警”組成的安全防誤體系[27]。
3.6輔助分析控制技術
利用智能電網調度控制系統基礎平臺對應用的支撐,為實現控制由經驗型、分析型向智能型的轉變,通過引入可視化、事故反演等技術手段,AGC進一步增強了對未來運行趨勢和歷史控制行為的輔助分析。
可視化AGC包括:采用消息映射機制的多主題框架、數據動態著色、可視化圖元及三維虛擬等技術[28],實現區域、場站和機組\\(含新能源控制對象\\)運行信息、備用需求及評價指標等的全景展示;對上文所述的控制策略給予可視化支持,如附錄A圖A1所示,提供頻率、聯絡線功率和ACE組成的動態運行平面,實時給出區域在執行CPS、特高壓功率控制策略時運行點所處的區間,記錄歷史運行軌跡,使調度員能直觀感受到整體控制效果,并根據變化趨勢作出相應調整;在觸發安全約束控制策略時,基于地理潮流圖,結合斷面重載或越限程度、關聯機組的靈敏度分析,展示AGC機組開始調節直至斷面恢復的全過程動態\\(見附錄A圖A2\\)。
電網結構和控制行為日趨復雜,當出現故障或運行指標不佳時,需要對歷史控制行為進行回溯分析,在數據采集與監控\\(SCADA\\)反演功能的基礎上,AGC還通過對電網重要事件的辨識,實時記錄AGC模型、數據和指令,結合圖形可視化技術,實現了對電網故障和恢復過程的“全息”反演。
4結語
特大電網地域分布廣、網絡結構復雜、運行狀態多變,安全協調控制異常復雜,迫切需要通過聯絡線功率和系統頻率的協調優化控制,提升電網運行的經濟性和安全性。結合“三華”電網建設過程中的發展新趨勢,提出下一步需要著重研究的內容和方向,以供參考。
1\\)隨著電力系統市場化進程的不斷加快,需要在現有的AGC功能基礎上進一步考慮機組輔助服務費用,研究適應統一電力市場環境的AGC控制策略和評價標準。
2\\)在AGC控制策略方面,雖然近年來已陸續提出了自適應和變結構控制、魯棒控制、智能控制和預測控制等算法[29],但仍處于起步研究階段,距離電網實際應用還有一定距離。因此,需繼續深入研究大系統多變量協調控制理論的數學模型和優化方法,為多區域優化協調控制提供理論支撐。
3\\)需重點研究“三華”特高壓電網形成過程中,送、受端區域電網在控制中出現的新問題,如新能源直流外送近區的風火打捆控制、大受端電網區內特高壓潮流和常規AGC的協調控制問題等。
4\\)與AGC控制的一些配套技術。例如:為促進各區域電網聯絡線及頻率控制的精細化,區域頻率偏差系數的獲取和分配方法,一次、二次調頻的協調控制技術還有待完善。
