协调控制系统快速响应AGC指令的设计新方法及其工程应用

第29卷第20期电网技术Vol.29No.202005年10月PowerSystemTechnologyOct.2005文章编号：1000-3673（2005）20-0047-06中图分类号：TK39文献标识码：A学科代码：470⋅99协调控制系统快速响应AGC指令的设计新方法及其工程应用韩忠旭1，齐小红2，王擎2，周广3，常亚丽3（1．中国电力科学研究院，北京市海淀区100085；2．东北电力学院动力系，吉林省吉林市132012；3．姚孟发电有限责任公司，河南省平顶山市467031）ANovelDesignMethodforRapidResponsetoAGCDemandofCoordinatedControlSystemandItsEngineeringApplicationHANZhong-xu1，QIXiao-hong2，WANGQing2，ZHOUGuang3，CHANGYa-li3（1．ChinaElectricPowerResearchInstitute，HaidianDistrict，Beijing100085，China；2．DynamicDepartmentofNortheastChinaInstituteofElectricPowerEngineering，Jilin132012，JilinProvince，China；3．YaomengPowerCo.,Ltd.，Pingdingshan467031，HenanProvince，China）ABSTRACT:Automaticgenerationcontrol(AGC)isanessentialrequestofmodernpowersystemautomaticcontrol.Atpresent,slowresponsetoAGCloaddemandisaseriousproblemexistinginthermalpowerunitstakingpartinAGC,whichmakesthecontrolperformanceofpowersystemAGCpoor.TheunitoneandunittwoofYaomengPowerCo.,Ltd.areallonce-throughboiler,itsboiler-turbinecoordinatedcontrolsystem(CCS)isbasedonincrementalstateobservercombinedwithconventionalPIDcontrol,andtheconnectionlogicofCCSwithAGCadoptedtheschemeshowninthispaper.ThroughadoptingtheconnectionlogicofCCSwithAGC,thepre-addcoalfunctioncanberealizedinAGCmode,whichassuredtherapidresponsetoAGCloaddemandofthepowerunit,andthisviewpointhasbeenfullyprovedbythetrendcurvesofAGCadjustingtestofthetwounits.KEYWORDS:Automaticgenerationcontrol(AGC)；Boiler-turbinecoordinatedcontrolsystem(CCS)；Rapidresponse；Connectionlogic；Stateobserver摘要：自动发电控制（AutomaticGenerationControl，AGC）是当代电网自动控制的一项基本要求。目前参与AGC控制的火电机组存在响应速度慢等问题，使电网AGC的控制效果较差。姚孟发电有限责任公司的1号和2号300MW本生直流炉式单元机组采用了增量型状态观测器与传统PID控制相结合的协调控制方案，并采用了文章给出的AGC与CCS的接口控制逻辑，使协调控制系统中的预给煤运算等功能在AGC方式下能得以实现，从而使机组能快速响应AGC负荷指令。两台机组AGC联调试验实时趋势曲线证明了这一点。关键词：自动发电控制（AGC）；机炉协调控制系统；快速响应；接口逻辑；状态观测器1引言自动发电控制（AutomaticGenerationControl，AGC）是当代电网自动控制的一项基本要求，是电力市场商业化运营的需要。随着电网容量的不断扩大及电力市场商业化运行与管理的开展，经济考核的力度将不断加大，对电能质量的要求也将越来越高，仅靠调度员指令和人工操作进行电网出力的调整已不能满足现代化大电网运行管理的需要，因此必须实现AGC。AGC主要由3部分组成：电网调度中心的能量管理系统（EMS）、电厂端的远方终端单元（RemoteTerminalUnit，RTU）和分散控制系统（DistributedControlSystem，DCS）的协调控制系统（CoordinatedControlSystem，CCS）。EMS与RTU之间的信息传递通过微波通道实现，RTU与DCS/CCS之间通常由硬接线连接。提高单元机组机炉协调控制系统的负荷响应速率一直是热控领域的一项重要研究课题，是电网自动化的重要基础之一，也是实现AGC和提高电能质量的基本前提。热控领域的许多研究均是围绕机炉协调控制系统这一课题开展的[1-16]，其中文献[11-16]中的方法已在国内300MW以上容量的单元机组机炉协调控制系统中得到了应用。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建韩忠旭等：协调控制系统快速响应AGC指令的设计新方法及其工程应用Vol.29No.20作者将文献[13,17]的设计方法和概念应用于姚孟1号机组，在机炉协调控制方式下，负荷以9MW/min（3%额定负荷/min）的变化速率从300MW降至220MW（变动量为80MW）的变动负荷试验表明，实际负荷与LDC（LoadDemandControl）几乎同步达到目标值，负荷的最大超调量为6MW，压力最大超调量为0.8MPa，而且，变负荷的过程还经历了滑压段。在这一先进的控制方法中使用了某些具有预测功能的算法，需要知道有关目标负荷的相关信息。本文将讨论采用AGC控制方式时CCS如何从目标负荷这一信号获得更多的相关信息，以便应用这些预测功能，从而获得尽可能高的负荷响应速率，并通过现场试验来验证所提出的解决方案的正确性和实用性。2单元机组协调控制系统提高负荷响应速率的典型设计方案在姚孟1号机组（300MW汽轮发电机组，双炉膛结构本生直流炉）协调控制系统设计中，采用图1所示控制方案得到了图2所示的控制效果，负荷以9MW/min（3%额定负荷/min）的变化速率从300MW降至220MW时，实际负荷与LDC几乎同步达到目标值。图1中T为切换器（Transfer）；M/A为手动/自动转换（Manual/Auto）；LEADLAG为惯性环节；f(x)为函数发生器。图2中主蒸汽压力及其设定值的量程为0~18Mpa；有功功率及其设定值的量程为100~350MW；PID调节器输出信号的量程为-10%~10%；总燃料量的量程为85~165t/h；汽机主控器指令的量程为70%~100%；状态反馈控制信号的量程为-20%~80%。横坐标每格表示5min。PIDPIDPIDPIDPIDM/AM/ATTΣΣΣΣΣΣΣf(x)f(x)FB去DEHf(x)PsPrPTPsMWLDC去给水控制去给粉机变频器总燃料量锅炉主控状态反馈炉跟踪机跟踪汽机主控实际负荷负荷设定机前压力压力设定预给煤运算功率偏差负荷升降指令交叉限制协调协调LEADLAG机前压力压力设定M图1单元机组协调控制系统总体设计方案Fig.1Holisticdesignschemeofunitcoordinatedcontrolsystemt图2协调方式下以9MW/min的速率减80MW负荷时实际负荷与机前压力的变化趋势Fig.2Real-timetrendcurveofactualloadandthrottlepressureat9MW/minloadramprateand80MWscopeinCCSmode在该协调控制系统的设计过程中，除了应用基于增量型函数观测器的状态反馈之外，还考虑了文献[18]中提供的设计概念，若要使TPΔ（机前压力变化量）的变化尽可能小就要保证2T()MKMfm⋅Δ的比值尽可能不变，TPΔ为[18]-2TT2112T2T2Te()()()()[()]1()()()MsMbMbMbKMsfPsCfDCCCsCfDsffftmmmm⋅⋅ΔΔ=⋅⋅++⋅++(1)式中PT为机前压力；M为燃料量；KM为燃料量变化引起炉膛热负荷变化的比例系数；Mt为燃料量改变至炉膛热负荷变化的滞后时间；D为锅炉蒸汽量；Cb为蓄热系数，表示锅炉分离器（或汽包）压力每改变1MPa时锅炉释放出来的蒸汽量；CM为蒸汽母管的容量系数；Tm为汽机调节阀开度；NE为发电机有功功率；s为复变量；f1、f2为函数关系式；带“Δ”的变量表示相应量的变化量。在动态过程中，煤量的变化要经过一个时间迟滞，为最大限度地降低锅炉迟滞和惯性对升降负荷的影响，在锅炉主控回路中加入了预给煤运算的逻辑，当升降负荷的逻辑信号置位时给出一个额外的加减煤的指令，经若干时间该信号消失，该信号的作用为“正踢”（相当于初始冲量）。同理，当升降负荷的逻辑信号复位时要求升降负荷的指令结束，但由于锅炉迟滞的作用，此时进入锅炉的煤量将在随后的过程中产生过量的影响，因此在预给煤的运算逻辑中还设计了一个“反踢”（类似于“刹车器”）作用，用以防止锅炉汽压的“过调”。文献[18]还揭示了有功功率、汽轮机机前压力、汽轮机一级压力、汽轮机调速器有效阀位及锅炉燃料量之间的动态及静态关系如下：PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建()()()(1)PskfPsTsmΔ=Δ+(2)式中P1为汽机一级压力；k1为比例系数。当燃料量发生阶跃变化时，由Laplace变换的终值定理可得11012TTT0()()()()()limlimlimlimtstsPtPskfPtPsm→∞→→∞→ΔΔ==⋅ΔΔ(3)即在稳态工况下有1T2T2T1212T1()()()MEKMNPPffkkkfmmm⋅ΔΔΔΔ===⋅⋅⋅(4)式中k2为比例系数。上述设计在协调控制CCS方式下已取得了极好的控制效果，而在AGC方式下这些功能能否得到发挥关键在于CCS与AGC的接口设计。3协调控制系统与AGC的接口逻辑设计在图1所示协调控制系统设计方案中，具有预测功能的预给煤控制逻辑需要得知以下信息：①目标负荷设定值与当前机组实际负荷的差值是多少，该信号决定预给煤量的多少；②开始增减负荷的指令信号，该信号决定预给煤信号何时开始起作用。本文设计了图3所示的AGC与CCS接口逻辑，以便使协调控制系统中的预给煤运算等功能在AGC方式下得以实现，从而使机组能快速响应AGC负荷指令。MWAGCLDC目标负荷升降负荷梯度AGC目标负荷目标负荷实际负荷电网频率高限低限低限低限高限高限高限高/低限高/低限高/低限高/低限高/低限高/低限延时关延时关锅炉主控自动汽机主控自动投入AGC请求退出AGC请求闭缩增或闭缩减AGC变送器故障去预加煤控制回路LDCGO请求LDCHOLD请求LDC减LDC达高限LDC增闭缩增闭缩减LDC达低限ANDRUNBACK选择速率ORORORORORORORANDNOORNONONONONOCCS允许AGC投入条件SELECTRATEAGCMODEAGCMODELDC增LDC减增RATEPIDANDANDNOLAGS1R0ANDS1R0ANDANDS1R0ANDTTTΣΣΣΣYNNNY-1-1-1-1-111111YN微分RUNBACKT0Y图3AGC与CCS接口逻辑图Fig.3Conne