NARI自动发电控制培训.ppt

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1、1,水电厂自动发电控制（AGC）,二00五年七月,2,目 录第一章、电力系统的频率调整 第二章、水电厂自动发电控制（AGC）第三章、梯级水电厂经济调度控制（EDC）,3,第一章 电力系统频率调整,在稳态情况下,电力系统的频率是全系统一致的运行参数。当总出力和总负荷(包括网损)发生不平衡时,就会产生频率的偏差。由于负荷是经常发生变化的,任何一处的负荷变化都会引起全系统的功率不平衡,因而导致系统频率的波动。所以,电力系统运行中的重要任务之一就是对频率的监视与调节。频率调节的任务就是当系统有功功率不平衡而使频率偏离额定值时,调节发电机出力以达到新的平衡,从而保证将频率偏移限制在允许的范围内。,4,第

2、一章 电力系统频率调整,电力系统的频率调整是按照负荷变化的周期和幅值大小区别对待的,一般将负荷变化分解成三种成分。第一种幅度很小,周期又很短,一般小于10秒,据有随机性质,称为微小变动分量。第二种变动幅度较大,周期大约在10秒至23分钟之间,属于冲击性的负荷变动。第三种是长周期分量,周期大约在23分钟之1020分钟之间,它是由生产、生活和气象等引起的负荷变化,有其规律性,可以预测。针对上述三种不同的负荷变动分量,将频率调整相应划分为一次、二次和三次调整。,5,1.1 频率的一次调整 一次调整是针对第一种负荷变动分量，它是由发电机原动机和负荷本身的调节效应共同作用下完成的，因而响应速度最快。但由

3、于调速器的有差调节特性,不能将频率偏差调到零，也就是说一次调整是有差调节，负荷变动幅度越大,频率偏差就越大,因此靠一次调整不能满足频率质量的要求。设系统中仅有一台发电机组和一个综合负荷，它们的静态频率特性分别如图1.1和图1.2，这些特性曲线都近似的以直线替代。,第一章 电力系统频率调整,6,1.1 频率的一次调整 发电机组原动机的频率特性的斜率KG称之为发电机的单位调节功率，它标志了随频率的升降发电机发出功率减少或增加的多寡，是可以整定的。综合负荷的静态频率特性也有一个斜率KL，称之为负荷的单位调节功率，它标志了随频率的升降负荷消耗功率减少或增加的多寡，是不可以整定的。,第一章 电力系统频率

4、调整,f N f f N f 图1.1 发电机静频特性图 图1.2 负荷静频特性,K G=PG/f,KL=PL/f,PG PL,PGN PLN,7,第一章 电力系统频率调整,1.1 频率的一次调整 发电机组原动机的频率特性和负荷的频率特性的交点就是系统的原始运行点，如图1.3中的O点。设在点O运行时负荷突然增加PL0，即负荷的频率特性突然向上移动PL0，则由于负荷突增时机组出力不能及时随之变化，机组将减速，系统频率将下降。而在系统频率下降的同时，机组在调速器的一次调整作用下将增加出力，负荷的功率将因它本身的调节效应而减少。前者沿原动机的频率特性向上增加，后者沿负荷的频率特性向下减少，经过一个衰

5、减的震荡过程抵达一个新的平衡点，即图1.3中的O点，对应频率偏移f=f0-f0。根据图1.3中的几何关系可以看出：,8,第一章 电力系统频率调整,1.1 频率的一次调整PL0=BO+AB=(KG+KL)f=KS*f(1-1)KS称系统的单位调节功率，它取决于发电机的单位调节功率和负荷的单位调节功率。KS标志了系统负荷增加或减少时，在发电机和负荷的共同作用下系统频率上升或下降的多寡。,P A P0 O B PL0 O f0 f0 f 图1.3 频率的一次调整,9,第一章 电力系统频率调整,1.2 频率的二次调整,二次调整是针对第二种负荷变动分量,这种调整需要通过自动或手动方式改变调频发电机的同步

6、器(也称调频器)来实现。同步器位置的改变会平移调速系统的静特性,从而改变发电机出力,达到调频的目的。如果参加调频机组的容量足够大,就可以实现无差调节。二次调整除了对系统的备用容量有要求外,还要求调整速度能适应负荷的变化,调节过程要稳定。在图1.3中，如果不进行二次调整，则在负荷增加PL0后，频率将下降至f0、功率增加为P0。在一次调整的基础上进行二次调整，就是在频率f0超出允许范围时，操作调频器，增加发电机出力，使频率特性向上移动。,10,设发电机增发PG0，则运行点又将从点O 转移到点O，如图1.4所示。点O对应的频率为f0、功率为P0，即二次调整后频率偏移f由一次调整时的f0=f0-f0

7、减少为f0=f0-f0，可以供应负荷的功率由一次调整时的P0增加为P0。显然，由于进行了二次调整，系统频率质量有了改进。根据图1.4中的几何关系可以看出：PL0=PG0+BC+AB=PG0+KS*f(1-2)或 PL0-PG0=KS*f(1-3)如果PL0=PG0，即发电机如数增加了负荷功率的原始增量PL0，则f=0，亦即实现了所谓的无差调节。无差调节如图1.4中虚线所示。,第一章 电力系统频率调整,11,f0f0 f0 f 图1-4 频率的二次调整,12,1.3 频率的三次调整 三次调整是针对第三种负荷变动分量,它随时间调整机组出力执行发电计划,或每隔一段时间(如1分钟)按经济调度原则重新分

8、配出力。如果能准确地预计系统短期负荷、合理地安排发电计划（包括机组启停），既保证了全系统的经济运行，又在事前就达到AGC控制的要求，避免AGC频繁调节机组。目前，尚有大量机组不能参加AGC，如果这部分机组能严格按照计划运行，实际上也参加了发电控制，只是手动控制（MGC）而已。对于AGC可控机组来说，可以直接按在线经济调度的结果重新分配出力，达到经济运行的目的。,第一章 电力系统频率调整,13,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,2.1 概述 水电厂以往通常是采用功率成组调节装置，按流量(或按水位)调节装置等实现负荷控制功能。在采用了计算机监控系统后，自动发电控制(Automatic Gene

9、ration Control,简称AGC)功能在水电厂控制领域得到了广泛的使用。AGC是指按预定条件和要求，以迅速、经济的方式自动控制水电厂有功功率来满足系统需要的技术，它是在水轮发电机组自动控制的基础上，实现全电厂自动化的一种方式。根据水库上游来水量和电力系统的要求，考虑电厂及机组的运行限制条件，在保证电厂安全运行的前提下，以经济运行为原则，确定电厂机组运行台数、运行机组的组合和机组间的负荷分配。在完成这些功能时，要避免由于电力系统负荷短时波动而导致机组的频繁起、停。,14,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,2.1 概述 由于水电厂调节性能好，调节速度快，一般情况下是由水电厂来承担电力系

10、统日负荷图中的峰荷和腰荷，电网负荷给定的方式有两种，一是瞬间负荷给定值方式，即按电网AGC定时计算出的给定值，即时下达给电厂执行。水库大，调节性能好，机组容量大，在电网中担任调峰、调频的水电厂一般采用这种调节方式。另一种则是日负荷给定曲线的方式，即电网调度中心前一日即下达某电厂一天的负荷给定值曲线，到当天0时计算机监控系统即自动将此预先给定的日负荷曲线存于当天该执行的日负荷曲线存放区，以便水电厂AGC执行。,15,2.2 AGC负荷分配原则2.2.1 与容量成比例原则 这是较为简单的一种负荷分配原则，在水轮机组的某些特性曲线不全或不够精确的前提下，采用该原则比较合理。n：n台参加AGC的机组：

11、参加AGC的第台机组在当前水头下最大出力：参加AGC的各台机组当前水头下最大出力之和：AGC分配到第台参加AGC机组的有功功率,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,16,2.2.2 按等微增率原则分配 2.2.2.1.耗量特性 水电厂中有功功率负荷合理分配的目标是在满足一定约束条件的前提下，尽可能节约消耗的水量。发电设备单位时间内消耗的能源与发出有功功率的关系，即发电设备输入与输出的关系，这种关系称耗量特性。如图，其中纵坐标为单位时间内消耗的水量W，如每秒钟多少立方米，横坐标则为以千瓦或兆瓦表示的电功率Pg。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,17,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,

12、18,如图，其中纵坐标为单位时间内消耗的水量W，如每秒钟多少立方米，横坐标则为以千瓦或兆瓦表示的电功率Pg。耗量特性曲线上某一点纵坐标和横坐标的比值,即单位时间内输入能量与输出功率之比称比耗量。耗量特性曲线上某一点切线的斜率称耗量微增率。耗量微增率是单位时间内输入能量微增量与输出功率微增量的比值。即,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,19,2.2.2.2.等微增率准则 由前面提出的有功功率负荷合理分配的目标可知，AGC的目标函数应当是水电厂的总的水耗量最小。通常认为水电厂的总的水耗费量只与各发电机组所发有功Pgi有关。,目标函数:,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,20,约束条件:,等

13、约束条件：给定与实发有功功率保持平衡，即 式中：Pgi 第i台机组所发的有功功率。PL 水电站所带负荷有功功率。不等约束条件：式中Qi(Pgi)表示某发电设备发出有功功率时Pgi单位时间内所需消耗的水量。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,21,求条件极值问题可用拉格朗日乘数法来解。即建立一个新的，不受约束的目标函数拉格朗日函数。其中：为等约束条件；称拉格朗日乘数。则求C*最小值时，应有显然，这n+1个条件有,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,22,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,23,由于：,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,24,最终有,因为 是发电设备i承担有功功率负荷

14、Pgi时的耗量微增率，所以有这就是等耗量微增率准则。它可解释为，水电厂承担的有功功率一定时（PL），为使总耗水量最小，应按相等的耗量微增率在各发电机组间分配负荷。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,25,2.2.3 多目标规划原则 厂内AGC须按顺序依次满足下列目标：（1）省水多发；（2）AGC分配值与调度给定值尽可能最接近；（3）避免机组频繁穿越振动区；（4）相邻两次负荷调节所造成的机组负荷波动最小。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,26,2.3 AGC的直观解释 水电厂AGC的最终目的是在保证机组安全可靠运行的前提下，以最少的耗水量发出最大的电能。在电厂中，由于每台机组的容量、运

15、行特性等因素，使得在同一水情条件下，以同样的功率发电时，所消耗的水量有所不同。因此，应综合考虑水情、机组容量、机组不可运行区（汽蚀区、振动区）、机组耗量特性、运行工况等多方面因素，进行水电厂的自动发电控制，以达到经济运行的目的。当系统调度人员或水电厂运行人员根据系统内负荷情况给定了电厂的出力后，如何分配该值于电厂内参加AGC机组间就成为AGC所考虑的问题。实际当中，水轮发电机组的出力增大，其消耗的水量也增大，这就是水轮发电机组的水耗量特性，如图：,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,27,图中S点表示水轮机组出力为Ps时，耗水量为Qs，而S点的切线斜率则表示了水轮机在出力Ps处，增减单位功率

16、时，耗水量的增加情况即 就是通常所说的水耗量微增率。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,28,实际当中，水轮机组的耗量特性是一条凹形向上曲线，所以各点的切线斜率是一个递增的曲线，如下图：,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,29,假设某水电厂中有两台机组，其水耗量微增率曲线如下：,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,30,当给定的全站出力为PL时，且 当两台水轮机的水耗量微增率 时，此时的水耗量最少。若P1减少出力P（很小），P2增加出力P。整个电厂出力虽然仍为 水轮机1可以减少耗水量 为梯形的面积,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,31,水轮机2由于出力增加，耗水量也将增加为梯形

17、 面积,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,32,由于（显然），可以肯定，即全站的耗水量由于水轮机运行方式的改变而增加。而耗水量最少的运行点，则发生在，即各台机组的耗量微增率正当相等时。上述解释只是粗略地说明，除此之外，实际的AGC当中还应考虑水轮机的不可运行区（汽蚀区、振动区）、容量限制等。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,33,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,2.4 机组开停机策略水电厂AGC有功分配值PAGC可表示为：PAGC=PsPAGC Ps表示全厂有功设定值；PAGC表示全厂未参加AGC机组的实发有功总和。2.4.1 机组开机算法1、理论开机条件：PAGC+PbPT式

18、中 Pb表示全厂的旋转备用容量；PT表示全厂参加AGC且处于发电态机组的可调节容量。2、理论开机台数：Nk=(PAGC+Pb-PT)/Pm+1式中 Nk为理论开机台数；Pm 为单机最大容量。,34,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,2.4.2 机组停机算法1、理论停机条件：PT（PAGC+Pb）Pm 2、理论停机台数：Nt=(PT(PAGC+Pb)/Pm 式中 Nt为理论停机台数。2.4.3 避免机组频繁起停的措施1、在理论开停机台数对应的调节范围两侧设置覆盖区。如果电厂需要增加有功，则只有等电厂需发功率比理论开机台数-1对应的最大出力和原最大出力之和大于某一定值时才按理论开机台数开机，否

19、则按理论开机台数-1开机；如果电站需要减少功率，则只有等电站需发功率比原最大出力减掉理论停机台数对应的最大出力的差值小某一定值才按理论停机台数停机，否则，按理论停机台数-1停机。,35,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,2.4.3 避免机组频繁起停的措施2、考虑电厂负荷变化趋势，尽量避免刚开不久的机组又马上安排停机，或停下的机组又马上安排开机。根据预测的负荷曲线计算下一时段的各类机组的最佳运行机组数，然后比较目前已经运行的机组台数、本时段需要运行的最佳运行机组台数和下一时段应运行的最佳运行机组台数。如果发现本时段有机组要停机而下一时段又有机组要开机时，则本时段的最佳运行机组台数就等于下一时

20、段的最佳运行机组台数。,36,2.4.4 机组启停顺序遵循的原则人工设定的优先级。机组开机/停机时间和总开机/停机累计时间的长短。例如该次停机时间长的机组先开，或累计开机时间长的先停。最短停机或开机限制。例如机组停机后的最短停机时间为30分钟，小于30分钟不得开机。又如机组最短开机时间为30分钟，小于30分钟不得停机。4）厂用电要求和主变中性点接地的要求。5）开机或停机失败的机组的优先级自动下降。机组的启停优先顺序是根据上述原则综合计算得到的，若想按照人工设定的优先顺序控制机组启停，可将人工设定的优先系数增大，使其远远大于其他因数的优先系数，即机组启停顺序只跟人工设定的优先顺序有关。,第二章

21、水电厂自动发电控制（AGC）,37,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,2.5 AGC运行方式2.5.1 投入/退出 机组AGC功能投入意味着该台机组参加AGC，AGC程序将其进行负荷分配和启停指导；机组AGC功能退出意味着该台机组不参加AGC，AGC程序将其视为带固定负荷的机组，不对其进行负荷分配和启停指导。全厂AGC功能可人工投入/退出，无机组参加AGC时全厂AGC自动退出。全厂AGC投入意味着启动机组负荷分配和启停指导功能；全厂AGC退出意味着不启动机组负荷分配和启停指导功能。,38,2.5.2 AGC功能闭锁条件 全厂AGC功能投入时，如下闭锁条件之一被破坏，全厂AGC退出，并报警、

22、登录。无机组参加AGC；系统频率大于故障频率上限或小于故障频率下限；电厂有事故；AGC控制权在远方时，主机与通讯机通讯故障或通讯机与省调通讯故障;系统频率测点品质为坏;AGC控制权在远方时，远方设定值品质为坏。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,39,2.5.2 AGC功能闭锁条件 机组AGC功能投入时，如下闭锁条件之一被破坏，则该机组AGC退出，并报警、登录。机组水头异常（包括大于水头上限、小于水头下限、水头梯度变化过大）；机组处于发电态时，有功不可调；LCU故障；有功功率等逻辑源测点品质为坏。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,40,2.5.2 调功方式/调频方式 AGC调节模式有

23、调功方式和调频方式，AGC调功方式下，全 厂给定值设值方式有曲线和定值二种方式。2.5.2.1 曲线方式 当给值方式设置为“曲线”时，全厂给定负荷跟踪设定曲线的当前时刻值。由梯调给定或由运行人员设定日负荷曲线，AGC以日负荷曲线当前时刻的功率作为全厂有功负荷的设定值，进行全厂有功控制。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,41,在系统频率正常的情况下：不参加AGC机组的实发有功总和：负荷曲线设定的全厂总负荷在系统频率越过紧急调频区段时:当前时刻全厂有功实发值:系统频率与标准频率的偏差:紧急调频系数,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,42,2.5.2.2 定值方式 有时难以预测未来的负荷情

24、况，不能提供日负荷曲线，通常是随时接收梯调的负荷调度指令，调整总负荷，因此AGC提供给定全厂负荷的调节全厂有功方式。AGC可以通过梯调直接给定负荷或由运行人员接收梯调负荷指令设置AGC画面的负荷。同样，AGC可以通过上述两种方式设定当前时刻全厂总负荷。,AGC控制的功率为：给定的全厂总负荷：不参加AGC运行机组的实发总有功,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,43,如果系统频率在这种运行方式下越过紧急频率的上/下限：当前时刻全厂实发有功：紧急调频系数,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,44,2.5.2.3 调频方式 对于某些调频电厂，设立调频功能，该功能随时监视母线频率，而不保证全厂总有

25、功。当频率超出正常调频区段时，AGC按KfEf增减参加AGC机组的负荷，直至系统频率重新回到正常调频区段，或者参加AGC机组负荷到达当前水头下负荷上下限值为止，频率正常区段可以由运行人员在AGC控制画面或数据库中设定。当频率f 位于正常调频区段时：当频率f 越过正常调频区段时：,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,45,2.5.3 调节开环/闭环 开环方式下，AGC程序仅给出参加AGC机组负荷分配指导，但不作为机组设定值，此时机组设定值仍由运行人员给定。闭环方式下，AGC程序给出参加AGC机组有功设定值，通过LCU作用至机组执行。此时机组设定值跟踪AGC设定值。,2.5.4 控制开环/闭环

26、开环方式下，AGC程序仅给出参加AGC机组的启/停指导，不会启动机组启/停顺控流程，此时机组起停运行人员人工完成；闭环方式下，AGC程序给出参加AGC机组的启/停指导，同时自动启动机组启/停顺控流程并自动执行流程，人工无法中止流程执行，此时机组启停无需运行人员操作。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,46,2.5.5 控制权远方/当地 控制权设置为远方时，此时远方开停机令和远方全厂有功设定值均有效，电站现地人工开停机和全厂有功设定值无效;控制权设置为当地时，此时远方开停机令和远方全厂有功设定值均无效，电站现地开停机和全厂有功设定值有效。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,47,AGC有

27、关参数可根据各电厂的情况在AGC组态界面中组态，还可以根据当时实际运行条件，在AGC控制画面上在线修改。远方有功设值上限:85.8 MW；远方有功设值下限:15 MW；远方有功设值与实发值的差值限值:85.8 MW；当地有功设值与实发值的差值限值:20 MW；相邻两次远方有功设值的梯度限值:85.8 MW；全厂有功功率的旋转备用容量:0 MW；有功设值死区:2 MW；全厂有功功率的调整死区:5 MW；最大水头：102.5m；最小水头：101.1m；,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,48,AGC停机预计负荷时间:1 h；AGC开机预计负荷时间:1 h；自动开停机向上覆盖面积:5 MW；自动

28、开停机向下覆盖面积:5 MW；最短开机时间:0.5 h；最短停机时间:0.5 h；开机等待时间：0.2 h；停机等待时间：0.4 h；单机最大出力：28.6 Mw；单机最小出力：15 Mw；,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,49,系统频率在正常范围内的调频系数:100 MW/Hz；系统频率正常范围的高限:50.1 Hz；系统频率正常范围的低限:49.9 Hz；系统频率在紧急状态时的调频系数:200 MW/Hz；系统频率处于紧急频率范围的高限:50.2 Hz；系统频率处于紧急频率范围的低限:49.8 Hz；系统故障频率高限:50.5 Hz；系统故障频率低限:49.5 Hz；,第二章 水电厂

29、自动发电控制（AGC）,50,2.6 工程问题 2.6.1 关于目标函数 水电厂的总耗水量最少，应该说这只是一个总的原则，对于各种实际情况，还会有各种变化或修正，例如在汛期时，实际目标函数可考虑为：在给定可用水量的情况下，使水电厂的总发电量最大。对于水火电联合调度的系统，应在一定可用水量的条件下，满足联合调度确定的发电任务，并且使系统的总煤耗最小。对于调峰、调频和承担紧急事故备用及冲击负荷的水电厂，则必须牺牲该水电厂的部分自身经济效益而确保整个电力系统的经济和安全效益，如整个电力系统的发电量最大及停电时间和停电范围最小。此外还需考虑长输电线的线损和多机组电站不同机组工作水头的差异等问题，如葛洲

30、坝电厂左、右岸水头的最大差值可达12米。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,51,2.6.2 负荷调整与避开振动区问题 水电厂AGC在实现机组负荷优化分配时，应特别注意机组启停条件下的负荷转移、分配以及避免由于设定值的小波动而引起机组负荷的频繁调节等，也就是说，AGC应尽可能地保证全厂负荷以最快的速度平稳地逼近系统设定值。另外，在工程实际中，因不同机组功率调节特性及调节时间不同，需特别考虑调节时间长的机组，负荷平衡条件下机组负荷的转移，以及快速负荷调节时全厂总功率的波动和响应时间等。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,52,在发电机组的负荷控制中，经常会碰到不可运行区，即水轮机的振动、

31、汽蚀区等问题，个别机组的振动区甚至出现在机组的高效率区，厂内躲避振动区可根据机组振动区段数及大小，确定电厂负荷的可运行区域，并按照避振原则优化计算得到机组间最优负荷分配。厂内躲避振动区原则一般有避免机组频繁穿越振动区、避免机组负荷大范围波动以及机组实发有功值以最快的速度跟踪电网调度下达的负荷给定值等。若机组有两个振动区，则此时避开运行区的约束条件为：,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,53,式中 PgijL为第i台机组第j个不可运行区的出力下限；PgijH为第i台第j个不可运行区的出力上限；m为不可运行区的个数；j=1,2,m；k=j+1。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,54,2.

32、6.2 负荷调整与避开振动区问题 有时机组的不可运行区多达34个，如振动区，此时的情况变得异常复杂了，已不是简单地跳开振动区的问题，通常会出现2个问题：调节的平滑度和调节最终结果对负荷目标给定值的逼近程度，此时常常会出现较大的偏差；不恰当的处理往往会导致宏观的调节速度减慢，远远达不到电网调度中心对AGC调节速度的要求。躲避振动区的原则是：避免机组负荷频繁穿越振动区；避免机组负荷大范围波动；AGC负荷给定值与系统负荷给定值相差最小等。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,55,2.6.3 远方控制与备用容量 远方AGC的实现方式有2种：电网调度仅给出水电厂各时段的总出力，机组开、停机和经济负荷

33、分配完全由厂内AGC来实现；电网调度分别给出远方开停机命令和相应实际功率设定值，即机组开停机操作也由调度遥控完成。目前采用前一种方法的比较多。设置备用容量对于电力系统的安全稳定运行是非常重要的。对于水电厂而言，备用容量常分为旋转备用容量和冷、热备用容量等。冷、热备用容量用于满足变化比较缓慢的负荷要求，或按计划进行的负荷调整等；而旋转备用容量则主要用于频率调整、突变负荷或紧急事故备用，以及大型轧钢厂冲击负荷等。旋转备用的方式可将必须的备用容量分配到各台运行机组，必要时也可在采取上述方式的同时由1台机空载备用。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,56,2.6.4 限制条件和其他问题 在实现水电

34、厂AGC时，除必须满足电力系统负荷平衡条件外，还要考虑的限制条件很多，如经常提到的下游工、农业用水的限制，航运对水流变化速率的限制，汛前腾出部分库容、汛后蓄至正常蓄水位等调度方式对用水量的限制，分组(地区)输电且组间无电气联系的水电厂运行方式的限制，带厂用电或带电抗器接地机组优先启动的要求，即先开后停带厂用电的机组等；同时要考虑若干时段后电力系统负荷变化的趋势，避免电力系统负荷在短时间内回升或下降而进行的不必要的开、停机操作，造成空载流量浪费等。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,57,水电厂AGC在工程实施中还会碰到一些其他问题，例如在水电厂设备事故的情况下，即机组事故、LCU故障、系统

35、频率异常等，此时如何迅速退出个别AGC机组或全厂AGC，即在事故条件下如何自动判别并迅速改变AGC机组的状态，以确保电力系统稳定运行和设备安全，在出现很大的负荷缺额时，如何能迅速有序地连续开启各台机组以满足事故备用或冲击负荷的需要。此外，信号的合理性及有效性检查，AGC运行方式与常规运行方式的统一，AGC操作界面的友好和灵便，AGC各种方式切换时机组负荷无扰动问题，全厂和机组调节死区的考虑，如单机功率调节死区之和可能大于全厂功率调节死区等。,第二章 水电厂自动发电控制（AGC）,58,3.1 概述 梯级水电厂之间不仅存在着电力联系，而且存在着水力联系。约束条件较多，既有电网负荷平衡、机组躲避振

36、动区、机组出力限制等电力方面约束，又有防洪、灌溉、航运、渔业养殖、生活用水、工业用水等综合利用方面要求，数学模型也较复杂。通常在电力系统预先给定梯级水电厂需发的日负荷计划或即时需发功率时，梯级水电厂EDC的优化准则是在遵守各项限制条件的前提下，梯级水电厂各级水库总耗能（水）量最小，或各级水库在计算期末总蓄能（水）量最大。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,59,基于此优化准则的数学模型，求解算法一般有关联预估与微增率逐次逼近相结合法，座标轮换法以及基于等微增率原则的可行搜索迭代法等。这些算法理论上较严谨，理论上的经济性也较好，但计算时间较长，实时性较差，很难满足梯级水电厂AGC实时运行

37、的要求。另外，由于梯级水电厂上网电价存在差异，单纯追求总发电量最大并不能完全表示梯级水电厂总的经济效益最优。针对大中型、中小型梯级水电厂介绍不同的EDC数学模型及其算法。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,60,3.2 大中型梯级水电厂EDC数学模型 梯级水电厂EDC的任务是在遵守各项限制条件的前提下，以梯级水电厂各级水库计算期末总蓄能(效益)量最大为原则优化分配厂间负荷；与此同时，各电厂必须实现厂内AGC。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,61,3.2.1 目标函数 式中 N为水电站的个数；T为计算时段数目；Zui,t为第i级电站t时段上游水位；ZdN,t为第N级电站t时段

38、下游水位；QINi,t为第i级电站t时段入库流量；Qi,t为第i级电站t时段综合利用流量；为第i级电站t时段上网电价。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,62,3.2.2 约束条件(1)电网负荷平衡(忽略网损)3-2 式中 Ni,t为第i级水电站t时段出力；Ps,t为梯级t时段电网调度给定负荷。(2)水量平衡条件 3-3 式中 Vi,t为第t时段初i水库库容；Vi,t+1为第t时段末i水库库容；t为时段间隔；3-4 式中QIZi,t为第i级电站t时段的区间天然来水；i-1为第i-1级电站到第i级电站的水流流达时间。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,63,(3)水库库容(水位)

39、约束 3-5 式中Vi,t为第i水库t时段的库容下限；为第i水库t时段的库容上限。(4)电站出力约束 3-6 式中 Ni,t为第i级水电站t时段的出力下限；为第i级水电站t时段的出力上限。(5)综合利用流量 3-7 式中 Qi,t为第i级电站t时段下游综合利用要求的最小流量；为第i级电站t时段下游综合利用要求的最大流量。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,64,3.2.3 求解算法 动态规划法 人工神经元网络 混沌进化算法 利用混沌序列对初始的敏感性，使产生的群体不可能同时陷于同一的局部值，因而进化不会停止；通过进化操作在搜索空间上加速最优解的收敛速度，而在接近全局最优解时，由于混沌序

40、列的介入和家族竞争的引进，最优解总是不断地被更新，直到稳定，从而有效抑制了“早熟”现象，提高了解的精度。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,65,3.3 中小型梯级水电厂EDC数学模型 在满足第一级电站水库库容较大，而其它各级电站级电站水库库容很小；各级电站区间用水量很小（一般情况下不考虑区间耗水问题）；梯级各电站相距很近（可忽略梯级电站之间水流流达时间）等条件下，可采用下述优化调度准则建立EDC数学模型。在下游电站的水库水位未达到最高水位时尽量少发电，但要保证下游最小流量，使水库迅速上升到最高水位；到达最高水位后，即按入流量等于出流量以维持最高水位运行方式运行。梯级各电站按水量平衡原

41、则分配负荷，即各站之间负荷以等流量原则分配负荷。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,66,3.3.1 目标函数 3-8式中N为水电站的个数；Zui为第i级电站上游水位；Zsi为第i级电站上游设定水位；Qi为第i级电站发电流量。当|Zui Zsi|Zi时，i=1;当|Zui Zsi|Zi时，i=0;Zi为第i级电站上游设定水位的死区值。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,67,3.3.2 约束条件(1)电网负荷平衡 3-9式中 Pi为梯级第i级水电站出力；Ps为整个梯级电网调度给定负荷。（2）水量平衡条件 3-10式中 Qi为第i级电站发电流量；Qi+1为第i级到第i+1级电站区

42、间来水，其包括区间天然来水和第i级电站的泄洪流量。（3）水库库水位约束 3-11式中 为第i级电站上游水位下限；为第i上限。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,68,3.3.2 约束条件（4）电站出力约束 Pimin PiS Pijl 3-12 Pijh PiS Pikl 3-13 Pimh PiS Pimax 3-14 式中 Pijl为第i级电站第j个不可运行区域的出力下限；Pijh为第i级电站第j个不可运行区域的出力上限；m 为不可运行区的个数；j=1m；k=j+1。(5）电站间相邻两次负荷转移的限制 3-15式中 PS 为梯级电站相邻两次有功设定值差值。,第三章 梯级水电厂经济调

43、度控制（EDC）,69,3.3.3 求解算法 不直接求解目标函数3-8，而是采用了间接方法，其核心思想就是调整各级电站的负荷使各级电站上游水位以最快的速度达到正常值，当各级电站上游水位达到了正常值，此时EDC按等流量分配负荷。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,70,3.3.3.1计算水轮发电机组的工作水头HiHi的一般计算公式为:(3-16)式中 为第i级电站拦污栅后的上游水位；Zdi为第i级电站尾水位。因电站尾水位不易测准，根据伯努力方程，可得到实用且较准确的水头计算公式：(3-17)式中Ri为第i级电站各台正在发电的机组涡壳水压均值，i为第i级电站水头修正系数。,第三章 梯级水电

44、厂经济调度控制（EDC）,71,3.3.3.2计算各级电站发电流量 因梯级各电站各台机组型号、容量基本一致，可将某个电站等效成一台机组，由机组出力计算公式可得到某级电站发电出力：(3-18)式中 为等效机组的效率。由式(3-9)、（3-10）、（3-18）可得首级电站的发电流量：（3-19）根据式（3-10）可计算得到其它各级电站的发电流量。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,72,3.4负荷调整 针对上述初始解，需检查非首级电站库水位，并根据其库水位适当调整电站的出力以尽量使库水位在正常范围内运行。梯级水电站EDC负荷调整策略的主要思想是当非首级的某级电站库水位过高时，该级电站应多带

45、负荷，反之，该级电站应少带负荷。对于某级电站库水位来说，可能出现过高、正常、过低三种状态，那么非首级的各级电站库水位的状态组合就有3（N-1）种。目前正在现场运行的负荷调整策略见图1。梯级电站的最大调整负荷Pmax：（3-20）式中：为单位库水位的负荷调整值；Zmax为梯级各级电站中库水位与正常水位差值绝对值的最大值。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,73,3.4负荷调整根据图1的负荷调整策略表可以确定某种库水位组合下的各级电站负荷增减情况，增加负荷值应于减少负荷值相等，具体增加负荷值P+i、减少负荷值P-i分别见下式：（3-21)式中：，+i为第i级电站增加负荷份数（即“+”个数）

46、,若第i级电站负荷不变或需要减少，+i 则为0。(3-22）式中：，-i为第i级电站减少负荷份数（即“-”个数），若第i级电站负荷不变或需要增加，-i 则为0。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,74,3.3.3.5负荷校核 在非首级电站库水位处于最低水位与最高水位之间时，若出现控制其水位与满足调度负荷要求相矛盾的情况，应优先考虑满足调度负荷要求；反之，在非首级电站库水位高于最高水位或低于最低水位条件下，应优先考虑控制其库水位。因上述调整造成调度设定值与EDC分配值相差大于调度设定值与梯级水电站EDC分配值差值的允许值Pd时，需对库水位处于最低水位与最高水位之间的电站负荷重新调整，直到

47、最大限度地满足调度负荷要求。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,75,76,4.3.3.4 应用分析 2001年4月8日西洱河梯级水电站EDC正式投入运行，曾出现过某级或多级电站未在其库水位正常范围内运行的情况，甚至在过高或过低水位运行，严重影响了大坝的安全。其原因有二种：个别库水位组合的负荷调整策略欠完善；负荷调整步长过小。修改相关负荷调整策略和步长后未出现类似问题。从理论上说，若能得到准确的i、Hi以及Qi，那么通过调整各级电站的负荷，很快就能使非首级电站库水位达到正常值，此时调度负荷给定值若不变，那么各级电站各台机组负荷就应保持不变。但在实际中因无法得到准确的i、Hi以及Qi，又

48、要使非首级电站库水位维持在正常范围内，有可能造成各级电站各台机组负荷频繁波动，这样，既不利于经济运行，更不利于安全生产。,77,4.3.3.4 应用分析 为了避免机组负荷频繁波动，得到准确的i、Hi以及Qi事关重要。由（9）式计算得到的i已相当准确，Qi在枯水期可以忽略，在汛期可由运行人员根据区间来水实际情况人工设置，而得到准确的等效机组效率相对较困难。下面着重分析影响EDC安全经济运行的几个问题。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,78,3.3.4.1 等效机组的效率问题 严格地讲只有在各台机组型号、容量、效率曲线完全一致的情况下，才能将多台机组等效为一台机组，其效率曲线可根据单台机

49、组的效率曲线计算得到。在实际运行中，若某级电站各台机组均参加AGC，且不考虑振动区因数，也即各台机组所带负荷完全相同，此时，等效机组的效率曲线是准确，否则，就是有误差的。即使某级电站有机组带固定负荷不参加AGC，又要考虑躲避振动区，只要选择合适的负荷调整策略，EDC也能迅速平稳地将非首级的各级电站库水位调至正常值。,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,79,3.3.4.2 负荷调整策略问题 对于西洱河梯级水电站来说，除第一级电站外的各级电站库水位组合共有27种。对于每种组合，其对应的负荷调整策略好坏直接影响EDC调节时间。不合理的负荷调整策略可能造成EDC频繁调节，甚至可能造成EDC无法

50、将非首级的各级电站库水位同时调至正常值。根据理论分析和运行经验得到的初始负荷调整策略并不一定能满足实际运行要求，可通过下述两条途径完善EDC负荷调整策略：,第三章 梯级水电厂经济调度控制（EDC）,80,3.3.4.2 负荷调整策略问题主要途径：通过改变相关电站库水位上、下限值，使EDC进入不同的库水位组合运行（特别是特殊的库水位组合），检查EDC能否迅速平稳地将非首级电站库水位调至正常值，否则，修改负荷调整策略，直到EDC能迅速平稳地将非首级电站库水位调至正常值；辅助途径：在EDC实际运行中注意观察各级电站库水位、AGC负荷给定值以及各台机组负荷的变化曲线，若出现库水位长时间不能达到正常值或