电网技术 Power System Technology 1990年11月第4期（总第45期） No.4 (Ser.No.45)November 1990 电力系统在线经济调度和自动调频 朱瑞云 (电科院电网自动化研究所) 内容提要本文根据我国电网自动化的现状，提出了将在线经济调度与自动调频相结合 的算法，并根据经济调度的协调方程式提出了改进算法，以加快计算速度，保证选代收敛。 在自动调频控制中，为提高自动控制的安全可靠性，改善调频特性，采取了一系列措施。 系统频率的变化主要是由于系统中功率不平衡引起的。要维持频率在额定值，必须不断 调节发电机出力。为了提高整个电力系统运行的经济性，通常要求合理地在各电厂或机组间 分配负荷，所以，把频率自动调节和在线经济调度联系在一起就提出了自动发电控制。 早期的发电控制实际上是手动调频。20年代后期出现了自动调频，后来由在调频厂内装 设自动调频装置进行独立控制发展到今天的调度所计算机自动控制系统。我国电网容量不断 增加，有些地区已形成互联系统，手动调频已满足不了对频率和联络线交换功率控制的要求。 因此，在我国急需实现自动发电控制。 一、自动调频原理 1,电力系统负荷频率调节过程 频率的一次调节过程：在稳定运行情况下发电机的静态调节特性∫=F(P)如图1所 示。系统出力和负荷平衡时，系统频草为额 定值∫，运行于0点。当系统负荷增加△Px 时，调速器动作，增加发电出力；经过一次 调节，频率为，运行于01点，此时系统频 率偏差为△f=f1一fo。 频率的二次调节过程：经过调速器的一 次调节后，频率仍不能恢复到额定值，因此 Pc 需要通过外力进行二次调节，即加外界干预 图1机组静态调节特性 信号，改变发电机出力，使系统总出力与总 负荷平衡，使频率恢复到额定值。这相当于调节曲线平移到02点。二次调频是由自动调频 机构实现的。 自动调频和在线经济调度相结合可实现下述要求： (1)保持电网频率和本网的联络线净交换功率在计划值。 ·7· C 1994-201I China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
电 网 技 术 , 年 月 第 期 总第‘期 。 桃 曲” 毛 姆 。 。 反 。 了 电力系统在线经济调度和 自动调频 朱 瑞 云 电 科院 电网 自动化研 完 所 内容提要 本文根据我国 电网自动化的现状 , 提 出了将在线经济 调度与 自动 调频相结合 的算法 , 并根据经济调度的协调方程式提出了改进算法 , 以加快计算速度 , 保 证迭代收敛 在自动调频控制中 , 为提高 自动控制的安全可 靠性 , 改善 调频特 性 , 采取了一系 列措 施 。 系统 频率 的 变化主要是 由于 系统中功率 不平衡 引起的 。 要维持 频率在 额定值 , 必须不 断 调节发电机出力 。 为 了提高整个 电 力系统运 行的经济性 , 通常要求 合理地 在各 电厂或机组间 分配负荷 , 所以 , 把频率 自动调节和 在线经济调度联 系在一 起就提出 了 自动发 电控制 。 早期 的 发电 控制实际上 是手 动调须 。 年代后期 出现 了 自动调颇 , 后来由在调颇厂 内装 设 自动 调频装置进行 独立控制发展 到今天 的调度所 计算机 自动控制 系统 。 我国 电网容量不断 增 加 , 有些地区 已形 成互联 系统 , 手 动调频已满足不 了对 频率和联络线 交换功率控制的要求 。 因此 , 在 我国急需实现 自动发 电控 制 。 一 、 自动调频原 理 电力 系统负荷频率调节过程 频率的一 次调 节 过程 在 稳定 运 行情 况 下发 电机的 静态 调节特 性 一 ! 如 图 所 二二 二卢 一 上 一 — 一 , 了 一互 尸。 尸‘ · 图 机组 静态 调节特 性 负荷平衡 , 使频率恢 复到额 定 值 。 机构 实现 的 。 示 。 系统 出力和 负荷平衡时 , 系统频率为额 定值 。, 运 行于 。 点 。 当 系统 负荷增加△凡 时 , 调速器 动作 , 增加 发 电出 力 经 过一次 调节 , 频率 为 , , 运 行于 。, 点 , 此时 系统频 率偏 差为 △ 一 。 。 频率的 二次调 节过 程 经过调速器的一 次 调 节后 , 频率 仍不能 恢复 到额定 值 , 因此 需 要通过外 力 进行二次 调节 , 即加 外界 干预 信 号 , 改变发 电机 出力 , 使系统总 出力与总 这 相当 于调节 曲线平移到 点 。 二次 调频是由 自动 调 须 自动 调频 和在 线经济调度 相结合 可实 现下述 要求 保 持 电网 频率和本 网的联 络线净 交 换功率在计 划值 。
(2)在各机组间实行经济功率分配，使系统运行费用最低。 (3)消除电钟误差。 2。自动调频的主要任务 自动调频的主要任务是调节调烦机组的功率到期望值，维持频率和各系统净交换功率在 计划值，并合理分配机组出力以减少运行费用。在稳定状态时互联系统各点频率相同，每个 系统都要独立控制自己的发电功率，使得区域控制偏差ACE达到零值，维持共同的控制目 标。计算ACE的公式如下： ACE=(PIj-Pr)+Bj(f-fo) (1) 式中ΣP;一与邻区所有联络线的交换功率代数和，设输出为正，输人为负， P0一本系统的给定总交换功革； B;一系统的综合频率特性： ∫、∫一分别为系统的实测领率和额定频率。 3,自动调频的工作原理 自动调频是一个闭环反馈控制系统，由两层控制回路构成：负荷分配回路和机组控制回 路11，如图2所示。 潭功装置 调功装置 : 负荷分配回路 计算ACE 图2两层控制回路 (1)负荷分配回路 在负荷分配回路中，以区域控制偏差ACE为反馈信号计算出调节功率，将调节功率与 机组的实测功率之和按经济分配原则分配给各机组，使系统频率和联络线净交换功率达到计 划值，且使系统费用最小。本文采用的负荷分配方法是将在线经济调度和自动调频相结合， 用基点功率P:、经济参与系数、比例参与系数表示每台机组的期望发电功率P:: Paes i=Pui +aiPr+BiPp (2) 式中P,一一区域调节功率的积分部分，P=GACE dt; G、G一ACE积分增益系数和比例增益系数； P。一区域调节功率的比例部分，P。=GP·ACE; α：一经济参与系数，取微增率曲线P:处切线斜率的倒数： B:一一比例参与系数，由调度所整定，一般与机组的调节速率和容量成正比。 。8 C1994-201I China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
在各机组间实行 经济功率分配 , 使系统 运行 费用 最低 。 消除电钟误差 。 自动调频的主要 任务 自动调频的主 要任务是调节调频机组的功 率到 期望值 , 维持频率 和各 系统净 交换 功率在 计划值 , 并合 理分 配机组出力 以减少运行 费用 。 在 稳定状态时互联系统各点频率相 同 , 每个 系统都要独立控制 自己的发 电功率 , 使得区 域控制偏差 达到零值 , 维持共同 的控制 目 标 。 计算 的公 式如下 注 万尸 , 一 尸 。 刀, 一 。 式中 刃尸,— 与邻区所有联络线的交换功 率代数和 , 设输 出为 正 , 输 人为负, 尸 , 。 —本系统的给定总 交换功率 — 系统的综合频率特性 、 。 —分别为 系统的实 测频率和额定 频率 。 自动调频的 工作原理 自动调 频是一个 闭环反馈控制 系 统 , 由两层控制回路构 成 负荷分配回 路和机 组控制回 路 〔‘〕, 如 图 所示 乙 乡 调功 装置 夕 … 负荷分配回 路 计算 人 图 两层控制 回路 负荷分配回 路 在负荷分配回路 中 , 以区 域控 制偏差 注 为 反馈 信号 计算出调节 功 率 , 将调 节功 率与 机组 的 实测 功率之 和按经济分配 原 则分配 给各机 组 , 使 系统频率和联络线净交换 功率达到计 划值 , 且使系统费用最 小 。 本文 采用的 负荷分配 方法是将 在线经济调度 和 自动调频相 结 合 , 用基 点功率 ‘ 、 经济参 与系数 、 比例 参与 系数表 示每 台机组 的期望 发 电功率几 , , 几 , , “ 几 “ 口马 式 中 , 一 区“ 节 功率的积分 部 分 , 了一 体 “ 认 ‘ , 、 ‘ — 积分增益系数和比 例增 益 系数 , — 区域调 节功率的 比例 部分 , , 二 ‘ 。 · —经济 参 与系 数 , 取微 增率 曲线几 , 处切线斜率 的倒 数 口‘— 比 例参 与 系数 , 由调 度所整定 , 一般 与机组的 调节速率 和容量成 正比 。
当调节稳定后，P,为零，P则为系统的增加功率即稳态分量。在式(2)中，基底经 济功率一般每5分钟计算一次，而稳态调频分量沿其切线分配，这样既能时刻逼近等微增率 曲线，达到经济运行的目的，而且使频率调整与有功经济分配联接起来，使整个系统成为闭 环控制系统。 (2)机组控制回路 机组控制回路主要是根据机组的给定发电功率与实际出力之差，通过调功装置的比例、 积分环节发出改变调节特性的信号，通过调速器的控制马达改变机组的调节特性，使机组达 到期望的发电功率。 二、自动调频的软件模块及功能 自动调频的软件流程如图3所示。 1.建立数据库接口，获取实时数据 自动调频计算及控制所需的数据由数据库管理，因此首先要建立好与数据库的接口，通 过访问数据库获取计算所需的数据。 2.处理量测数据 建立与数据库的接口，获取实时最据 为了使控制平滑、可靠，程序对主要量测数据进 行检查和处理。自动调频控制是以频率和联络线交换 处理量测数据 功率为依据进行控制的，当检查发现频率或联络线交 换功率量测无效时，就报警通知调度员处理。程序还 计算系统参数并进行滤被， 对频率、联络线交换功率及机组出力进行滤波，滤除 高频分量，以避免不必要的调频控制。 负荷分配 3.计算系统参数并进行滤波 自动调频的计算和发送控制命令的周期一般取 机组控制 4~12秒。每个周期要计算的系统参数有：联络线净 交换功率、系统总发电功率、系统负荷及ACE,并且 自动调领性崔评价 对这些参数进行滤波，滤波后的数据通过画面显示给 调度员。 图3自动调频软件流程图 (1)联络线净交换功率：联络线净交换功率为各联络线功率之和（规定流出本系统的 联络线功率为正)。要判断联络线净交换功率的当前值是否越出计划值的上、下限，越限时 则通过报警画面显示给调度员。 (2)系统发电功率：系统的总发电功率为各机组出力之和。 (3)系统负荷：此处的系统负荷为系统实际负荷与网损之和。 (4)ACE:自动调频主要是根据ACE的值进行控制的，由ACE的当前值及积分值构 成自动调频的控制信号。ACE按式(1)计算，ACE的积分值按下式计算： ACE积分值=ACE dt 0 4.负荷分配 在前面讨论自动调频原理时已经谈到，负荷分配回路的任务主要是分配负荷给各机组， ·9。 C 1994-201I China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
当调节 德定后 , 几为 零 , 马则为 系统的 增加功率即 稳态分量 。 在 式 中 , 基 底望经 济功率一般每 分钟计算一次 , 而稳态 调颇分量沿其切 线分配 , 这样既能时刻逼近 等微增率 曲线 , 达到经济运行的 目的 , 而且使频率调整与有功经济 分配联接起来 , 使整个系统成 为闭 环控制系统 。 机组控制回路 机组控 制回 路主要是根据机组的给定发电功率与实际 出力之差 , 通过调功装置 的 比例 、 积分环节发 出改 变调 节特性的 信号 , 通过调 速器的控制马达 改变机组的 调节特性 , 使机组达 到期 望的 发电功 率 。 二 、 自动调频 的软件模块及功能 自动调 频的软件流 程如 图 所示 。 建立教据库接口 , 获 取实时教 据 自动调频计算及控制所 需的 数据 由数 据库管 理 , 过访 问数据库获取计算所需的数据 。 处理且侧橄据 为 了使控制平滑 、 可靠 , 程 序对主 要量测数据进 行检查和处理 。 自动调频控制是以频率和联络线交 换 功率 为依 据进行控制的 , 当检查发 现频率或联络线 交 换功 率量测无效时 , 就报警通知调度 员处理 。 程序还 对频率 、 联 络线 交换功率及机组 出力进行滤波 , 滤除 高频 分量 , 以避 免不必 要的 调频控 制 。 计算系统参数并进行 滤波 自动调 频的 计算和 发送控 制 命 令 的周期 一般取 秒 。 每个 周期要计算的 系统参 数有 联 络线净 交换功率 、 系统总 发 电功率 、 系统负荷及 , 并且 对 这 些参数 进行滤 波 , 滤波 后 的数据 通 过画 面显示给 调 度 员 。 因此首先要建 立好 与数据库的接 口 , 通 图 自动 调频软件流程 图 联络线净交换功率 联 络线净 交换功 率为 各联 络线功率之和 规定流出本 系统 的 联 络线功率为正 。 要判 断联络线净交换功率 的当 前值是否越出 计划值 的上 、 下限 , 越限时 则通过报警画面显示 给调度 员 。 系统发 电功率 系统的总 发 电功率为 各机组出 力之和 。 系统 负荷 此 处的 系统负荷为 系统 实际 负荷与 网损之 和 。 自动调频主要是根据 的 值进行控制 的 , 由 的 当前值 及积 分值构 成 自动调 频的控制信 号 。 按式 计算 , 的 积 分值 按下 式计 算 名 积 分值一 “ ‘ 负荷分配 在 前 面讨论 自动调频原理时已经 谈到 , 负荷分配 回路的 任务 主要是分配负荷给 各机组 ,
即按式(2)计算各机组的期望发电功率。 5,机组控制 由负荷分配回路计算出的机组期望发电值并不直接送到机组的调速装置，须经过一系列 的约束、限制才能将控制信号送到发电机。这样做的主要目的是改善自动调烦的控制效果， 保证机组出力平滑稳定地跟踪P4。机组控制示意图如图4所示。在图4中，首先将机组的 期望发电值与实际出力相减，得出功率误差信号，然后再通过以下几个环节。 补偿环节 1ZS 功书变化信号 响花速串 G 1+PS 及信号反向限制 出力上、下限 果加系数 采加器 控斜信号 ACE permissive lest 检素机细是否响应 图4机组控制图 (1)补偿环节 补偿环节主要是改善机组的响应特性，避免机组过调，以取得良好的控制效果。功率误 差信号通过补偿环节后的输出与累加器的输出之和形成功率变化信号。 (2)累加器 累加器的功能是累加超过死区而由于其它条件限制没有发送给机组的功率变化信号，待 下一个周期再发送。 (3)响应速率及信号反向限制 根据机组允许的响应速率计算出每个自动调频周期允许机组上升或下降的最大功率。为 使机组安全运行，功率变化信号不能超过允许的上升或下降最大功率。功率变化信号可能有 增有减，为了减少功率信号的上升和下降频繁交替，损害机组的物理性能，对同一方向的功 率信号持续时间规定了一个限值，在这个时间段内封锁掉反向功率信号。 (4)机组出力上、下限 如果功率变化信号与机组当前出力之和大于机组出力上限，功率变化信号修正为： 功率变化信号=机组出力上限一机组当前出力 如果功率变化信号与机组当前出力之和小于机组的出力下限（功率变化信号为负值）， 功率变化信号修正为： 功率变化信号=机组出力下限一机组当前出力 如果功率变化信号值小于死区限值，则将其置为零。 (5)检查机组出力是否响应 这一环节的功能主要是监视机组的出力变化是否跟踪计算机所要求的变化，其周期一般 较长。累加每个调频周期内的功率变化信号，若累加值小于死区限值，则不需要进行响应检 查；若累加值大于死区限值，则要求机组实际出力变化与功率变化信号累加值之比大于一定 ·10· C 1994-201I China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
即按式 计算各机组 的期望发 电功率 。 机组控刹 由负荷分配回路计算 出的机组期望发 电值并不直 接送到机组的调 速装置 , 须经 过一 系列 的约束 、 限制才能 将控制 信号送 到发 电机 。 这祥做 的主 要 目的是改善 自动调颇的 控制效果 , 保证机组出 力平滑稳定地 跟踪几 , , 。 机 组控制示意图如 图 所示 。 在图 中 , 首先 将机组 的 期望发 电值与实际出 力相减 , 得 出功 率误差信号 然后再通 过以下几个环节 。 补偿环节 冷 响 戎 邃 率 ‘ 了 了落 及信号反向限翻 广 人 记 图 机组控制图 补偿环节 补 偿环节主要是改善机组的响 应特性 , 避 免机组过调 , 以取得 良好的控制效果 。 功率误 差信号通过补偿环节后的 输出 与累加 器的 输出之 和形成功率变化信号 。 累加器 累加 器 的功能 是累加超过 死区而 由于 其它 条件 限制没有 发送 给机组的功 率变 化信号 , 待 下一个周期再 发送 。 响应 速率及信号反 向限 制 根据机组允 许的 响 应速率计算出每个 自动调频周期 允许机组上升或下 降的最 大功 率 。 为 使机组安全运行 , 功率 变化 信号不能超 过允许 的上升或下降最 大功率 。 功 率变化 信号可能 有 增有减 , 为 了减少功率 信号 的上升和下 降频繁交 替 , 损害 机组的物理性能 , 对 同一方 向的功 率信号持续时间规定 了一个限值 , 在这个时 间段 内封锁掉反 向功率信号 。 机组出 力上 、 下限 如果功率变化 信号与机组当前出力之和 大于 机组出 力上限 , 功 率变化信号 修正 为 功率 变化 信号 机组 出力上 限 一 机 组当 前出力 如果功 率变化 信号 与 机组当前出力之和小 于机组的 出力 下限 功 率变化 信号为 负值 , 功 率变化 信号修正为 功 率变 化信 号 一 机 组 出力下限 一 机组 当前 出力 如果 功率变化 信号值小于 死区限 值 , 则将其 置为零 。 检查 机组出 力是否 响应 这一 环 节的功能 主要是监视机组 的 出力变 化是否跟踪计算机 所要求的 变化 , 其周期一般 较长 。 累加每个 调频周期 内的功率变化信号 , 若累加 值小于死区限值 , 则 不需要 进行响 应检 查 , 若 累加值大于死区限 值 , 则要求机组实际 出 力变化 与功率 变化信号累加值之 比 大于一 定
值，否则认为机组不响应，将该机组退出调频运行。 (6)ACE许可检验(permissive test) 当ACE大于一定值时，自动调频软件将封锁那些不能使ACE减小的功率变化信号，然后 计算发送给机组的功率值。 发送值=机组当前出力+功率变化信号 6。自动调频性能评价 主要评价指标为： (1)10分钟内ACE是否过零。 (2)10分钟间隔内ACE的平均值是否越限。 (3)ACE是否受到干扰，即ACE值是否超出正常范围。 (4)发生千扰后10分钟内ACE能否过零。 根据上述指标，求出一些统计数据，通过画面显示给调度员。 三、在线经济调度数学模型及程序 在线经济调度以最优的方法分配负荷给在线运行机组，提供调频机组的基点功率P:。 1。经济调度的数学模型 机组间的经济负荷分配由机组微增率的协调方程决定()： 器-〔1-器]=0 (3) Pi-PL-PD=0 (4) Pimin≤P:≤Pimax (5) 式中F:、P:一机组的费用曲线和发电出力； PD、P一一系统负荷和网损功率； P:mx、P:min—机组出力的上、下限。 在计算程序中，机组的费用曲线是以微增率曲线分段形式存取的，可以推出微增率入的 最优迭代因子： APp △1= (6) iPE-M 式中：PR,=/(1-品)为机组：的s罚系数：M:为机组：的微增来曲线斜率。 在按式(6)迭代1时，能很快求出1的最优值，但经常出现迭代发散的情况。为了快 速而又避免发散地求解的最优解，本文采用了迭代与二维搜索相结合的方法求解式(3)~ 式(5)。 2.在线经济调度的计算 经济负荷分配计算分为三步： (1)判断经济分配的可行性 ·11· C 1994-201I China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
值 , 否则认为机组不 响应 , 将 该机组退出调频运行 。 许可 检验 当 大于一定值时 , 自动调频软件将封锁那些不能使 ‘ 减小 的功 率变 化信 号 , 然后 计算发送给机组的功率值 。 发送 值 机 组 当前出 力 十 功 率变化信号 ‘ 。 自动调频性 能评 价 主 要评价指标为 分钟 内 是否过零 。 分钟间隔 内 的 平均值是否越限 。 是否受 到干 扰 , 即 值是否超 出正常范 围 。 发生 干扰后 分钟内 能 否过 零 。 根据上 述指标 , 求 出一些 统计 数据 , 通 过 画面显示给 调 度 员 。 三 、 在线经济调度数学模型及程序 在 线经济调度 以最优的 方法 分配负荷 给在 线运行 机组 , 提 供调频机组 的 基点功率’ 。 。 经济调度的数学模型 机组 间的经济 负 荷分配 由机组微增 率的 协调方程决定〔’〕 豁 一 “ 〔 ‘一 豁〕 一 ” 刃 , 一 几一 尸 刀 二 只 。 簇只 毛只 。江 式 中 、 ,—机组 落的 费用 曲线和发 电出 力 尸刀 、 凡—系统 负荷和 网损功 率 只 。 二 、 只 — 机 组出力的上 、 下限 。 在 计算程序 中 , 机组 的 费用 曲线 是 以微 增率 曲线 分段 形式 存取 的 , 最优 迭代 因 子 可 以推 出微 增 率 只 的 △尸刀 于 产 一二 。 。 , , 几 、二 如 。 、 忧 。 , ‘ , , 车 功 扣 、、 二 击 ‘ 协 , 式中 尸尸 二 一 等冬为机组 落的 惩罚 系数 为机组 落的微 增 率曲 线斜率 。 ‘“ ’ 一 ‘ 一 、一 口 “ “ “ 一 ’ ” “ 护 一 ‘ 一 ’ 一 ‘ 一 “ “ 一 ’ 一 “ ’ 一 一 “ 一 ’ ‘ 在按式 迭代 又时 , 能很 快求 出 又 的最 优值 , 但经常 出现迭代 发散的 情况 。 速而又避免 发散地 求解只的最 优解 , 本 文采 用 了迭代 与二 维搜 索相 结合 的方法求 解式 式 。 在线经 济调度的计 算 经济 负荷分配计算分为 三步 判 断经济 分配 的 可行性 为 了快 、