基于AGC技术的电力系统频率控制标准研究及在华东电力系统中

526中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集中国•海南基于AGC技术的电力系统频率控制标准研究及在华东电力系统中的应用汪德星，张启平，杨立兵（华东电网有限公司，上海200002）摘要：自动发电控制（AGC）技术是维持电力系统发电与负荷实时平衡，保证电力系统频率质量和安全运行的重要技术手段。本文论述了华东电力系统在进行AGC控制时对控制标准的研究，对应用CPS控制标准所采取的改进措施以及技术措施；总结了华东电力系统应用CPS控制标准所取得的成效，并讨论了存在的问题及改进方向。关键词：电力系统；AGC；控制标准；CPS1引言电力系统的频率是表征发电和负荷有功功率平衡的重要指标，电力系统频率偏离额定值将影响发电设备和用户设备的效率及正常运行，严重时甚至会破坏电力系统的稳定。而自动发电控制（AGC）是维持电力系统发电和负荷的实时（分钟级）平衡，保证电力系统频率指标的重要技术手段。1994年，华东电力系统通过深入研究联合电网条件下AGC技术应用的问题，全面推进AGC技术应用。选择合适的控制标准是建立规范的秩序、促进AGC技术应用的重要环节。华东电力系统于1998年开始执行北美NERC的A1、A2标准。但是，经过一段时间的实践，A1、A2标准的一些缺陷逐步显现出来，影响电力系统频率质量的进一步提高。华东电力系统通过跟踪和研究NERC对性能评价标准的改进，于2001年开始推行NERC的新标准CPS。2控制标准的研究华东电力系统通过三年的实践，分析了原来执行的控制标准的缺陷，对NERC新的控制标准CPS进行了研究。2.1A1、A2标准的缺陷A1、A2标准的内容是：A1：控制区域的ACE在任意十分钟内必须至少过零一次。A2：控制区域的ACE十分钟的平均值必须控制在规定的范围Ld内。A1、A2标准是NERC早期推行的控制标准，是建立在经验基础上的，其实质是一种控制方法。各控制区域通过执行A1、A2标准。使ACE始终接近于零，从而保证用电负荷与发电,计划交换和实际交换之间的平衡。它的缺陷是：(1)A1标准要求ACE应经常过零，从而在一些情况下增加了发电机组的无谓的调节。(2)控制ACE的主要目的是为保证电网频率的质量，但在A1、A2标准中，却未体现出对频率质量的要求。在符合A1、A2标准的情况下，省（市）电力系统ACE的过零和上下波动引起了华东电力系统频率的上下波动。见图1。图1，ACE对频率的影响(3)由于要求各省（市）电力系统严格按Ld来控制ACE的十分钟平均值，从而在某省（市）电力系统发生故障时，其它省（市）在未修改交换计划的情况下进行事故支援，控制标准将作出错误的评判，因而，不利于发挥大电网的优越性。通过对1998年8月13日上海电力系统故障时的考核结果的分析，证明了这一结论[1]。2.2CPS标准的原理和特点CPS标准是NERC于1996年提出，并于1998年开始执行的控制标准，其内容是：中国•海南中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集527CPS1：要求BfACEAVEAVE10minmin−∆•−−≤21εCPS2：要求ACE每十分钟的平均值控制在规定的范围L10以内。()()erconBBLint1010101065.1−−••=εCPS标准与A1、A2标准不同，不是建立在经验基础上的，而是建立在ACE对系统频率的影响的理论基础上的。CPS标准规定的是ACE对频率影响的控制目标，而不是控制方法[2]，特别是CPS1，是判断控制区的ACE对系统频率有益、无害、有害的重要标准，式中ACEAVE-min·ΔFAVE-min的物理意义是：当该值为负时，表示该控制区域是低频超送（少受），或高频少送（超受）；当该值为正时，表示该控制区域是低频少送（超受），或高频超送（少受）。CPS性能评价标准的特点是：(1)CPS标准不要求ACE经常过零，可以避免一些不必要的调节，有利于机组的稳定运行。(2)CPS标准中的参数ε1，ε10体现了电网频率控制的目标，对控制区控制性能的评价与是否对频率质量有影响而密切相关。因此，采用CPS标准有利于促进省、市电网控制行为上关心电网的频率质量，有利于提高电网的频率质量。(3)CPS标准对各控制区控制性能的差异能进行定量评价。通过研究，华东电力系统决定采用CPS控制标准。3应用CPS标准的改进措施华东电力系统在推行CPS性能评价标准时，实行了一些开创性的改进措施：3.1进行短期的性能评价CPS标准的设计目标是对长期的（月度的、年度的）控制性能进行评价，而AGC本质上是一项实时的控制技术，其目标是维持分钟级的发电与负荷的平衡，以保证电力系统的频率质量，虽然长期的评价能够对控制区的控制性能作出总体的评价，但不能对AGC控制行为的细节作出评价，因此它的激励因素受到限制。只有开展短期的控制性能评价，才能达到通过评价规范控制区的控制行为，促进AGC技术的应用的目的。通过研究，在CPS1与CPS2相结合的基础上，对控制性能可评价的最小时间段是10分钟，因此，华东电力系统选择10分钟作为短期性能评价的时间段。为了开展短期的性能评价，华东电力系统对NERC的性能等级划分进行了必要的修改，根据CPS的物理意义将控制性能分为三个区间进行评价：(1)当CPS1≥200％时，即CF≤0时，则Σ（ACEAVE-min·ΔFAVE-min）≤0，说明在这段时间内，该控制区的控制行为对互联电网的频率质量有帮助的。为充分发挥大电网的优越性，促进事故情况下各控制区之间相互支援，不要求满足CPS2标准。(2)当100％≤CPS1＜200％时，即0＜CF≤l时，说明在这段时间内，该控制区的控制行为对电网频率质量是不利的，但仍在允许的范围之内，此时，需同时满足CPS2标准。如不能满足，则需将ACE十分钟平均值偏离CPS2标准的部分（大于L10的部分），与ACE对电网频率影响的部分（CPS1偏离200％部分，即2-CPS1）结合起来进行评价。(3)当CPSl＜100％时，即CF＞1时，说明在这段时间内，该控制区的控制行为对电网频率质量是不利的，且已超过了所允许的范围。则分别对ACE十分钟平均值偏离CPS2标准的部分及未偏离CPS2标准的部分分别进行评价。由于CPS标准具有对控制性能差异进行定量分析的特点，因而，在各个区间内评价方法则是连续的。3.2进行标准的强制执行NERC的控制性能评价标准原是一项自愿遵守的标准，华东电力系统为了确保标准执行的严肃性，在推行该标准时将其与对各控制区（即省、市电力公司）的经济奖罚结合起来，使该标准在华东电力系统中成为强制执行的标准：(1)若省(市)电力公司在一个考核时间段内CPS1大于或等于200%时，则不对其考核结果加收费用。(2)若省(市)电力公司在一个考核时间段内CPS1小于200%但大于或等于100%，其ACE十分钟平均值的绝对值超过L10部分乘以（2-CPS1）比例系数所得数值折算成的十分钟电量，按照相应时段华东公司统销电价的0.5倍加收费用。528中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集中国•海南(3)若省(市)电力公司在一个考核时间段内未能满足CPS1考核标准，即CPS1小于100%时，对其ACE十分钟平均值的绝对值未超过L10部分乘以（1-CPS1）比例系数所得数值折算成的十分钟电量，按照相应时段华东公司统销电价的1倍加收费用；其ACE十分钟平均值的绝对值超过L10部分乘以（2-CPS1）比例系数所得数值折算成的十分钟电量，按照相应时段华东公司统销电价的0.5倍加收费用。对省(市)电力公司的考核加价收费，在年度末再按各省(市)电力公司年度的CPS指标进行返回，实际上起了对总体控制性能较好的省(市)电力公司进行奖励的作用。3.3运用CPS标准对偏离计划电量进行处理电力系统运行中必然会产生实际电量与电能计划之间的偏差，如何处理这些偏差量是运行中一个长期困扰的问题，国际上常用的处理方法有两类——电能不平衡和无意交换电量。电能不平衡与无意交换是两个不同的概念[2]，尽管两者都是电能计划与实际电能之间的差异，但是存在区别。无意交换电量则是控制区与互联电力系统之间的电能偏差，一般用同时段电量返还的方法来处理；而电能不平衡是指实体（如负荷供应实体、发电商）与控制区之间的电能偏差，应该用边际价格进行结算。由于华东电力系统中的省（市）电力公司既是控制区，又是买卖电量的经济实体，如果用同时段电量返还的方法来处理运行中产生的实际电量与电能计划之间的偏差，则不利于维持电能交易的市场秩序。CPS标准提供了区分“好”的偏差电量与“坏”的偏差电量的依据，为妥善处理偏差电量提供了有效的手段。华东电力系统对省（市）电力公司的三十分钟CPS1平均值进行了计算（称为CPS30），将CPS30≥200%及CPS30100%对应的电量分别作为对电网安全运行有贡献和有损害的偏离计划电量，并以此为基础进行结算。即CPS30200%的省（市）电力公司具有高价售电和低价购电的权利；而CPS30100%的省（市）电力公司必须高价购电和低价售电；对100%≤CPS30200%对应的电量则按正常电价结算。4应用CPS标准的技术措施华东电力系统为了推进CPS标准的应用，采取了多项技术措施。4.1按CPS标准改造AGC控制策略采用CPS标准的控制目标是追求CPSl为最大值，目的是要改变各省、市的控制行为，使之为维护电网频率质量作出贡献；同时，CPS标准不要求ACE在规定时间内过零，可以减少不必要的调节，改善机组的运行条件。但是，华东电力系统网、省（市）调原来的AGC软件都是按A1、A2标准设计的，控制思想基本上是迫使ACE在三至七分钟内过零，控制目标是ACE的平均值为“0”，与CPS控制策略不一样。要对EMS中的AGC控制策略进行调整绝非易事，特别是在没有技术支持的情况下，要对引进的AGC软件进行改造是比较困难的。华东电力系统各省市电力公司普遍采用了设定控制输出的条件，减少控制行动的方法来适应CPS标准的实施，这是一种较简单的修改方法，基本不需要改变原来的AGC控制策略，只需在CPS1指标高于某个数值时，禁止AGC控制行动即可。江苏、安徽等省调在AGC软件中引入了一个开关量，以CPS1是否大于200%作为判断是否输出AGC控制指令的条件。这种方法可以起到减少控制行动，改善机组运行条件的作用，又能起到继续保持CPS1较高指标的目的。4.2采用基于网络的数据传送技术华东电网在AGC投运初期，各省、市基本上都采集联络线本省、市一侧的功率来计算ACE，这样与网调计算的ACE控制合格率差距较大，往往相差10～20个百分点，既不利于全网AGC控制的稳定运行，也不利于ACE统计考核。跨省、市联络线关口功率的遥测是相关省、市实施联络线控制的重要数据，但华东电网跨省、市联络线关口所在变电站至对端省、市往往无专线远动通道，不能对关口功率实现直采直送。随着华东二级数据通信网的不断完善，以及RTU联接数据通信网功能的开发成功，使得将跨省、市联络线关口所在变电站的远动信息，通过数据通信网直接传送至各省、市调EMS系统成为可能。经实际运行系统的测试，在64Kbps通信电路平均每分钟传输8000个字节的条件下，实时性指标为：RTU与协议转换器的总计延迟时间：从RTU输入突变的模拟量和状态量至协议转换器出口所中国•海南中国科协2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会2004年学术年会论文集529产生的时延，遥测数据小于2秒，遥信数据小于1秒。内置网络协议的RTU，其时延更小一些。网络传输时延：厂站RTU信息从路由器进入数据通信网后，直至华东及省、市调数据通信增值网服务机接收到该信息的网络传输时延小于1秒。运用数据通信网传输RTU信息，不仅使省、市调都能采集到跨省、市联络线关口功率，而且信息延迟时间短，同时解决了信息的实时性和一致性问题。4.3CPS统计技术手段的改进常规的控制性能评价和考核，通过对ACE实时数据积分，得到十分钟的ACE平均值，然后按考核办法