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1、自动发电控制( AGC)的结构分析及实际应用摘要：现代电网已发展成为在电力市场机制的基础上多控制区域的互联系统，自动发电控制(AGC)作为互联电网实现功率和频率控制的主要手段，其控制效果直接影响着电网品质。因此，跨大区互联电网通过什么样的标准对其控制质量进行评价，电网AGC采用什么样的控制方法是近年来调度自动化关注的一个热点问题。本论文紧紧围绕这一具有重要现实意义的课题展开了研究和讨论，介绍了电网AGC技术的实现与发展，AGC实施中的NERC标准、火电厂实施AGC的控制方案，及电网和电厂之间相互联系的协同控制策略。指出互联电网 AGC采用 CPS标准进行控制考核是必然趋势，建议国内有关电力系统
2、和热控专业科研部门加紧这方面的研究工作。关键词：自动发电控制，电力系统，互联电网，发展第一章 绪 论自动发电控制(Automatic Generation Control)简称AGC，作为现代电网控制的一项基本功能，它是通过控制发电机有功出力来跟踪电力系统的负荷变化，从而维持频率等于额定值，同时满足互联电力系统间按计划要求交换功率的一种控制技术。它的投入将提高电网频率质量，提高经济效益和管理水平。自动发电控制技术在“当今世界已是普遍应用的成熟技术，是一项综合技术”。自动发电控制在我国的研究和开发虽然起步较早，但真正在电网运行中发挥效能，还是在最近几年。60年代初，我国几个主要电力系统都曾试验过
3、自动频率调整(AFC)，而直到90年代，自动发电控制却还未能全部正常运行。近些年来，随着我国经济的高速发展，对安全、可靠、优质和经济运行，各大区电网都对频率的调整非常重视，并实行了严格的考核。为实现这一目标，全国各大电网均不同程度地采用了AGC技术。随着计算机技术、自动控制理论、网络通讯等技术的发展，电厂、电网自动化运行水平的不断提高，自动发电控制逐步得到广泛的应用。现代的AGC是一个闭环反馈控制系统，主要由两大部分构成，如图1所示： （1）负荷分配器：根据测得的发电机实际出力、频率偏差和其它有关信号，按一定的调节准则分配各机组应承担的机组有功出力设定值。该部分为传统的电网调度功能实现。 机组
4、控制器电力系统（2）机组控制器：根据负荷分配器设定的有功出力，使机组在额定频率下的实发功率与设定有功出力相一致。电厂具备AGC功能时该部分由机组协调控制系统CCS自动实现。PG1PS1 +PS2 +PG2PG3PS3 +f PT误差信号计算负荷分配器图1 AGC组成示意图从控制论的角度来看，AGC过程是一个通过调节控制区域中各发电机出力,使由于负荷变化和机组出力波动而产生的区域控制偏差(ACE - Area Control Error)不断减少直到为零的闭环控制过程。该系统可被看作一个多变量串级调节系统，其中负荷分配器的功能为该闭环系统中的主控制器，而机组控制器的作用为串级系统的内回路控制器，
5、各内回路控制器与机组对象一起构成主控制器的执行机构。由于火电机组锅炉的惯性和迟延，使各火电厂在实现AGC时表现为惯性特性，出现与主控制回路频率调节快速性要求的矛盾。 AGC调节控制的是靠一次调频不能将频率偏移调节到允许的范围之内的一般在10s到3min之间变化幅度比较大的脉动负荷分量，脉动负荷分量引起的频率偏移较大（ 0.05Hz 0.5Hz ）。 AGC随电力系统自动化在近年来发展很快，我国目前正实施厂网分离，AGC作为连接厂网的技术纽带，可靠的厂网相互协作对电网的稳定发展和电厂的高效运转都将起到十分积极的作用。 第二章 AGC技术的特点2.1 AGC涉及的信号AGC 指令信号是电网调度中心
6、的计算机产生的被控机组的目标功率, 按RTU 的通信规定组装成AGC 遥调报文输送给电厂RTU, RTU 装置将接收到的AGC 控制信号转换成4 20mA信号送至发电机组的功率调节系统。同时, 功率变送器将发电机组有功功率转换成4 20 mA 信号,经过RTU 远动装置转换成线性比例的二进制遥测数据, 该数据由RTU 转换成高频载波信号, 送到电网调度实时控制系统中。电网调度实时控制系统和发电机组控制系统除了上述两个重要参数的沟通外, 发电机组还将一些能反映机组控制系统的状态、AGC 响应的品质参数及机组的负荷限制参数通过RTU 送到电网调度实时控制系统。2.2 AGC指令的生成AGC指令是电
7、网调度实时控制系统中经过负荷预测的调度计划, 并在实际运行中根据当前负荷需求和电网频率稳定的要求, 每8s运算一次当前被控机组的设定功率。它是由基本负荷分量和调节分量组成。基本负荷分量是在短期预测基础上制定的日负荷发电计划中包含的基本发电量; 调节分量是指超短期负荷系统, 对当前负荷变化情况运算预测出的下一时间段要求改变的系统负荷调节量 1 。2.3 发电机组对AGC指令的影响现在参与AGC 调节的火电机组基本上都采用了分散控制系统( Distributed Control System, 即DCS) , 完成对AGC 指令的响应和调节的是DCS中的机炉协调控制系统( CCS) , CCS系统
8、又有多种运行方式, 主要有以锅炉跟随为基础的协调方式、以汽机跟随为基础的协调方式以及以直接能量平衡为基础的协调方式2 。不管采用何种协调方式, 其目标都是协调地调整机组的锅炉燃烧率和汽机调门开度, 在稳定机组主蒸汽压力的基础上, 兼顾机组的安全性和经济性, 尽可能快速地响应负荷指令, 包括AGC 指令和操作员的人工设定指令。第三章 AGC在火电厂的实施与应用31 火电厂AGC的监视和控制系统（微机分散协调控制DCS和CCS）大型火电厂的监视和控制系统经过了模拟控制、功能设备分散方式的第1代数字控制（微机分散控制DCS）、分层分散方式的第2代数字控制三个阶段，其特征是各机组所用的计算机系统彼此孤
9、立。目前正在向第3代数字控制发展，采用开放式工业自动化系统，构成火电厂综合自动化系统。一般分2级：机组级采用开放式DCS和顺序控制器，在线监控单元机组、输变电和辅助车间的生产运行；全厂级由MIS及厂站机构成，通过网络取得第一线的在线实时监控信息，并向第一线发布各种命令。在第3代控制系统中，全厂级可以向电力调度所提供全厂在线实时信息并接受命令，经全厂经济负荷分配计算后下达命令至机组级控制机组启停、出力和机组输出功率。该系统采用的技术有：开放式工业计算机系统；现场总线与智能变送器及伺服机；大屏幕监视器；先进控制技术。通信标准化MAP/TOP已获成功。DCS和PLC融合，DCS向小型化、分散化、多功
10、能封闭型模块化方向发展，PLC向网络化方向发展。现场总线国际标准逐步进入实用阶段，不同厂家的产品仅需一个gataway接口就能接入DCS。由DCS实现的机组协调控制CCS和电调系统DEH已成为AGC闭环实现的基础。3.2某火电厂一号机组AGC控制系统的描述系统框图如图2所示。该系统是以锅炉跟随为基础的协调控制系统, 即在汽机主调功率、锅炉主调压力的基础上,相互协调, 兼顾其它各参数的稳定和限制调节范围内对AGC指令进行响应。当机组接收到AGC指令时, 以较快的速度响应电网的负荷要求。做AGC试验时, 一般在两种方式下分别对系统进行测试。图2 某火电厂1号机组的AGC控制系统框图第一种是TE 方
11、式, 通过电网调度, 直接大幅度地上升或下降AGC 指令, 经过规定时间后, 测出机组在这段时间内实际负荷平均升降速率。第二种是BR 方式, 将机组和电网调度系统的电能管理系统( EMS )投入闭环运行。使机组负荷真正跟随电网的用电负荷进行发电。在这种方式下, 通过测试机组的实发功率跟随AGC 指令的情况判定机组的调节品质。3.3号机组AGC的投运及技术优化试验及投用的实际情况表明, 在机组投入AGC时, 如果指令变化频繁且幅度较大, 机组的实际功率基本上能较好地跟随AGC 指令, 但是其它参数如主汽压、主汽温、汽包水位波动相对较大, 且稳定所需的时间也较长。因此, 这需要进一步优化DCS中的
12、调节参数。1号机组经过一段时间AGC投运后, 我们又做了进一步的技术优化。3.3.1削弱制粉系统启停对AGC的影响1号机组配备2 台钢球磨。钢球磨启动后,由于排粉机的带粉量较多, 而这部分煤粉直接吹入炉膛, 因此钢球磨的启停, 对负荷的影响较大,这直接影响AGC的投运品质。根据钢球磨启停的数据分析, 发现排粉机的带粉量和钢球磨运行时的料位(钢球磨内的煤量)有一定的关系, 因此在CCS的燃料控制中, 增加了以钢球磨料位为基础的前馈信号, 有效地防止了钢球磨启停时对负荷的冲击, 改善了AGC 的品质。3. 3.2增加CCS中的调频回路在常规设计中, 一次调频功能做在汽轮机数字电液调节系统( DEH
13、 )中, 当投入CCS后, DEH只接收从CCS来的控制调门的信号, 如果电网出现较大的频差时, 则触发一次调频回路, 直接动作调门, 动作的幅度和频差成一定的函数关系。这种方法只能暂时对电网调频起一定的作用, 如果频差出现时间较长, 则机组难以起到持久的作用,这是因为CCS无法获取频差的信息, 在一次调频作用时, 没有同时增加或减少燃料。因此, 1号机组在CCS控制策略中增加了调频功能, 引入了频差的信号, 在一次调频作用后, 同时增加或减少燃料, 使机组在AGC 投入时, 闭环实现CCS的调频功能。这样可以消除纯粹靠DEH 进行一次调频引起的能量不平衡及参数不稳定。3. 3.3 电网调度增
14、加功率跟踪回路1号机组原来在投入AGC 之前, 往往要和电网调度通过电话联系, 确定在投入AGC 之前电网调度下达的AGC 指令, 以免在投入AGC 后机组实际负荷和AGC 指令存在较大偏差而引起较大扰动。现经和电网调度商量, 在AGC 撤出时, 将AGC 指令跟踪机组的实际出力, 这样, 在投入AGC后可实现无扰切换 3 。3.3.4 增加AGC的模拟测试程序随着电力市场的推行, AGC 将成为火电机组重要的一项辅助服务, AGC 投入率的多少, 将直接影响企业的经济效益。因此, 为提高机组的AGC性能, 在CCS回路中增加了AGC 的模拟测试程序。测试程序主要有如下功能：( 1) 在AGC
15、 调节范围内( 80 135MW )能够进行任意负荷的阶跃扰动测试, 用来模拟AGC 的TE 方式;( 2) 在测试程序中, 机组负荷指令可从80MW 开始以1MW (默认值)的步长3 s(默认值)的时间间隔自动加到135 MW 。 步长和时间间隔均可人为设定; 在测试的过程中可人为任意停止其指令自动输出而维持当前的值,或改娈其指令输出方向; 程序中设定了负荷步长和时间间隔的限值, 以免自动连续发出大步长阶跃指令, 造成机组不稳定, 因为这在实际AGC 的模式下是不太可能出现的状况。第四章 总 结AGC为保证电网安全、稳定运行发挥了重要作用。国内对互联电网和跨大区电网实现 AGC控制的研究还不多。互联电网 AGC采用 CPS标准进行控制考核是必然趋势，建议国内有关科研部门加紧这方面的研究工作。大型火电厂AGC的实施是电网调度自动化系统的组成部分之一。应在全面规划电网调度自动化的 AGC功能基础上确定电厂 AGC的控制方式，并与热控专业人员紧密配合，根据大型火电厂单元机组控制的特点和自动调整装置的类型，选择简单、可靠、适用而先进的AGC方案。进一步推动我国AGC及其电力事业的迅速发展。