唐跃中1 阮前途1 李瑞庆1
1.上海市电力公司中心调度所 上海 200025 2.上海电力科学研究院
0 引言
由于调度中心计算机能量管理系统(EMS)的采用，发电厂和变电站微机远动装置的完善和远动通道可靠性的提高，使自动发电控制AGC成为可能。早在60年代，发达国家开始尝试用计算机实现自动发电控制，目前发达国家电网都将AGC作为EMS系统的一个基本功能加以普遍应用，并积累了丰富的运行经验。80年代开始，我国的4大网和许多省网的调度中心开始引进EMS系统并随后开展了AGC的应用。上海市电力工业局在90年代初期引进了英国西屋公司EMS系统，并于1994年12月完成调度自动化实用化验收。以后，在巩固实用化成果的同时，对上海电网的EMS系统高级应用软件与自动发电控制功能模块进行调查研究，一致认为上海电网必须实施AGC控制，一方面是为了更好地进行口子调节，为今后电网商业化运行打下扎实的基础；另一方面也是现代化大电网技术进步的需要。1995年开始做AGC的基础工作，1996年11月底顺利地进行了机组的按负荷曲线控制试验。1997年3月成功地完成了按联络线口子计划曲线偏差调节试验，于1997年4月1日起全面开始了上海电网的AGC运行工作，并且取得了进展。但是，通过一个阶段的AGC实践，发现了一些困难和问题，主要是：
(1)由于发电计划是运方部门在Novell微机系统上制定，调度员须手工逐台、逐点输入到EMS的AGC应用中，随着投运的AGC机组的增加，每台机组96点的发电计划输入及修改的工作量越来越大；另一方面，由于上海电网EMS系统的AGC软件的人机界面还是基于字符界面的半图形系统，操作与修改很不方便，特别是计划偏离实际负荷较大需不断对AGC计划进行修正时，往往还不如退出AGC直接发令方便，这些问题严重地制约着AGC的有效投运。
(2)由于上海电网具有负荷升降速率快、纯火电机组出力调整慢、冲击负荷容量大等一系列特点，要使AGC达到较高的调节效果，必须要有一定精度的超短期负荷预报来指导AGC进行出力的调节。通过对上海电网AGC工作实践和国内一些电网AGC经验的总结和分析，认为上海电网AGC未能取得满意的调节效果的一个重要原因，是AGC功能没有配置超短期负荷预报和计划校正功能，并且没能很好使调度员参与调节。
“AGC扩展系统”是针对目前调度所EMS系统和微机局域网系统的配置情况和运行管理模式而提出的，目的是为AGC配置超短期负荷预报和计划校正功能，为调度员的参与提供一个友好的人机界面，完善EMS系统中AGC功能，结合市调RMIS系统的研究和开发，充分利用微机局域网系统的灵活性和开放性，以弥补现有系统的不足，克服AGC工作中的问题。该系统自1997年12月正式投用以来，有效地保证上海电网AGC功能及机组投运率，提高了AGC的调节效果。
1 AGC系统结构
1.1 扩展前的系统结构
上海电网AGC系统90年代初从英国Westinghouse公司引进的WESDAC32系统为基础，该系统共配置了3台VAX4300主机、2台VAX4200前置机、10台VAX3100工作站，全部采用粗缆以太网连结，网络操作系统为VMS/DECNET。在完成AGC扩张系统前上海电网AGC系统结构如图1所示。
图1 AGC系统逻辑结构
图1中，AGC有关的发电计划只能靠人工逐机、逐点输入(十几台机组，每台每天96点)。AGC功能软件调节机组出力的依据是由SCADA实时数据计算出的区域控制偏差ACE，因此，这时的AGC本质上实施被动的跟踪控制。
1.2 扩展后的AGC系统逻辑结构
为克服原有AGC系统的缺点与不足，在EMS系统外扩展了基于微机局域网和SQL数据库的系统，并在该系统上开发了超短期负荷预报软件和经济分配软件。SQL数据库存放由EMS中SCADA采集的电网运行数据，SQL由实时库和历史库组成，超短期负荷预报等就建立在此基础之上。超短期负荷预报根据数据库中的历史数据和当前的实际负荷，周期性地预测15 min后电网的负荷，并给出本网出力总调节量。用经济分配软件对超短期负荷预报给出的出力调节量进行分配，在一系列经济技术原则下计算出各AGC机组和非AGC电厂在15 min后的目标出力，再用该目标出力来修正AGC机组的基点功率计划，从而实现了超短期负荷预报、经济分配与AGC的有效结合。另一方面，通过网关接口和AGC基点计划输入软件也实现了AGC机组基点计划的自动输入。该软件是运行在EMS系统中的，基点功率计划的修正也是通过它来实现的。图2详细表示了虾５缤鳤GC扩展系统的结构。图中虚线表示EMS/AGC系统与扩展系统间的分界点，网关是跨越两系统的桥梁，也是联系两系统的纽带。
图2 AGC扩展系统逻辑结构示意
2 原理与算法
2.1 超短期负荷预报软件的原理与算法
超短期负荷预报的预测周期短(≤30 min)，要求预测的速度快，这就要求预测方法不仅要有准确性，而且必须具有快速性。超短期负荷预报方法有多种，典型的有：模型识法、卡尔曼滤波法、时间序列分析法。这些方法的特点是算法较复杂、计算量大。上海电网超短期负荷预报采用的是由电力科学研究院提出的线性外推法。
线性外推法的基本原理是：首先，通过若干相似日期同一时段的历史数据，计算出该时段的负荷平均增长率K，然后以当前负荷作为负荷基准，以斜率K作线性外推得到预测点的负荷。现介绍如下：
将负荷分为工作日负荷和休息负荷2种类型。设当前时刻为t,负荷为f(t)，为得到Δt后的负荷f(t+Δt)，以最近连续5个相同类型日相同时段的负荷为f(i,t)和f(i,t+Δt)，其中i代表第i天，则该时刻的负荷增长率K可从下式得到：
由此得到当天Δt后的负荷f(t+Δt)为：
f(t+Δt)=f(t)+KΔt (2)
上海电网超短期负荷的预报周期为5 min，分别预报15 min和30 min后的负荷。
2.2 经济分配软件算法
该软件利用超短期负荷预报的未来15 min和30 min的预报负荷，以及由华东网调送来的未来15 min和30 min的交换计划及机组的开停情况，按一定的原则在线修正发电计划。修正的15 min后的发电计划可按机组类型的不同分别送入EMS，或通过调度员发令给电厂。30 min后的发电计划提供给调度员作参考。
2.2.1 机组模型
机组可分为2种类型，在线修正机组和固定出力机组。在线修正机组参与发电计划在线修正，固定出力机组按给定的发电计划运行，不参加发电计划在线修正。对在线修正机组按一定的原则分为1、2、3级(具体划分由调度员人工输入)。修正发电计划时1级的权限最高(先加后减)。在线修正机组在它的出力上下限之间可分为3个区，升负荷顺序为从1区到3区。即先在第1区内按类分配负荷，若1区不能满足负荷的要求，再在2区进行，以此类推。减负荷从3区到1区。
对在线修正机组中的AGC机组，15 min后的发电计划直接送入EMS作为AGC机组的基准功率，非AGC机组的15 min后发电计划由调度员发令送给电厂。
2.2.2 在线发电计划修正算法
电网总出力变化量由未来15 min或半小时的系统负荷预报值和机组当前发电出力，来计算未来15 min或半小时在线修正机组应承担的总的出力变化量ΔPG：
PG＝ΔPD-ΔPI-ΔPFLX (3)
式中 ΔPD——未来15 min或30 min的负荷预报值与当前实际负荷之差；
ΔPI——未来15 min和30 min的交换计划与当前实际交换之差；
ΔPFLX——未来15 min和30 min的固定出力机组的出力计划值与实际发电之差。
a. 机组出力分配
按先区后类和类的优先级的原则找出总出力所在的区和类。在同一类中按分配系数分配出力，每一台机组的出力变化量
式中 Fi——本类机组中第i台机组的负荷分配
系数；
N——本类机组的在线修正机组的组数；
ΔPG——本类机组应调整的出力总和。
从公式(4)可以看出，机组的分配系数与机组上升、下降的速率和每台机组在不同分区中的上、下限需配合。例如在负荷上升时，若机组分配系数不合理，可能在同一类机组中会出现有的机组越限而有的机组未带满负荷的情况，为此，采用了以下方法解决此问题，即当总的出力调整量大于某区、某类机组的可调出力之和时，此区此类机组就按速率分配增加出力额度。例如若1、2、3类机组出力分别在1、2、3区，预计增加总出力到第4区，1、2、3区按速率，4区按分配系数。
b. 调节机组出力的约束条件
(a) 增减速率限制
检查机组的出力变化量是否满足增减速率限制，若不满足，调整机组出力变化量以满足速率限制条件。
(b) 机组出力上、下限
检查机组的出力变化量是否超越机组出力上、下限要求，若超越，调整机组出力变化量到机组出力上、下限内。
(c)机组出力调整方向限制
若求出机组的出力变化量要求机组反方向调节出力时，检查是否满足机组出力上升或下降持续时间要求，若不满足，将机组的出力变化量置为零。
2.2.3 计算步骤
发电出力调整量经济分配的计算步骤如下：
(1)计算15 min和半小时后的出力变化量；
(2)按分配系数求机组出力变化量；
(3)检查机组约束，若满足机组的各项约束，将计算结果取整，结束；若不满足机组的各项约束，调整机组的出力变化量，计算不平衡量，返回步骤(2)。
2.2.4 输入、输出参数
经济分配软件需输入以下4类参数：
(1)机组参数。包括：①机组出力上、下限；②是否是AGC机组；③是否固定出力；④机组出力上升、下降速率；⑤出力上升或下降持续时间(不容许反向的时间)；⑥机组出力分配系数。
(2)机组经济参数(选项)。此部分参数主要用于按机组经济特性来安排机组出力。主要有：①机组网损罚因子；②机组煤耗微增率(要求分段线性化)；③机组用燃料发热量，燃料费；④机组运行费。
(3)机组分区参数。用于设定每台机组在不同分区中的上下限。
(4)机组96点开停计划。经济分配软件的输出参数为未来15 min和半小时的电厂和机组的出力计划和出力调整量。
2.3 发电计划的输入与修正
由于Novell局域网和EMS系统的DECnet网络是2种基于不同网络操作系统的局域网系统，因此存在着异种网络间的接口问题；另一方面，由于发电计划是在Novell局域网上编制并通过超短期负荷预报不断修正的，所以首先必须在Novell局域网和EMS系统的DECnet网络间建立一个网桥，以实现网络间的接口，同时还需在Novell局域网上设计一个软件，该软件能够在发电计划重新生成或被修改后实现异种网间的命令递交，以启动EMS中的AGC计划修正程序，将局域网送来的最新发电计划写入AGC发电计划库。
发电计划重新生成是指运行方式部门每天编制的第2天的发电计划，与网调提前1天下达的联络线交易计划。AGC机组计划及口子计划修正结果是指调度科利用超短期负荷预报，或人工对AGC基点功率计划的定时修正和华东总调对口子计划的定时修正。该系统对2种变化都作出响应。软件的逻辑结构如图3所示。
图3 发电计划的输入与修正软件模块
3 AGC扩展系统的应用情况
AGC扩展系统于1997年12月开始正式运行。它的投运对上海电网的AGC运行具有明显的促进作用，主要有以下几个方面。
3.1 大大提高了AGC机组的投运率
上海电网的主力AGC机组是纯火电机组，其特点是机组响应延时大、热惯性大，机组进行反方向调节所需时间长。这些机组若直接按区域控制偏差ACE进行AGC调节，一方面很难跟上AGC指令的要求，对AGC调节效果没有多大促进，有时甚至恶化了ACE；另一方面，这些机组出力的频繁上、下调节又使热力系统的温度、压力处于波动之中，影响了机组的稳定性。因此，经常将这部分机组退出AGC控制。由于AGC扩展系统可以使AGC机组的基点计划处于超短期负荷预报的不断修正之中，因此，这些机组可以在跟踪基点功率曲线的运行方式下投入AGC，使这些机组可以按照负荷变化的大趋势来调节出力，促进了AGC系统的调节品质。同时，由于基点是以15 min的间隔来修正的，从而这些机组的负荷调节方向变化也是以15 min为周期的，满足了机组热力系统对出力调节方向变化的要求，也保证了机组的稳定运行，最终使这些机组的AGC投运率大大提高。如该系统投运前的1997年11月AGC投运率为75%，投运后的12月的AGC机组投运率达到91%。
3.2 使非AGC电厂的出力调节更趋合理
AGC扩展系统中的经济分配软件对预测负荷进行分配时，不但计算各AGC机组出力调整量，而且也计算出非AGC电厂和机组的出力调整量，使调度员有根据地发令来调节这些非AGC电厂和机组的出力(随着上海电力数据交换网扩展到各电厂，非AGC电厂和机组的出力调节量将直接通过数据网送到电厂集控室)。从而使这些电厂出力调节更趋合理，也在一定程度上缓解了AGC的调节压力。
3.3 提高了AGC系统的整体调节效果
AGC系统的调节目标是控制区域控制偏差在一定范围之内，对上海电网AGC采用TBC控制模式，ACE是交换功率偏差和频率折差的和。由于该扩展系统的投用，使电网中调节特性稍差的AGC机组和非AGC电厂可以在超短期负荷预报的指导下调节出力，使系统总出力较好地跟随了负荷和交换计划的变化，初步将ACE调整在一定范围内，那些调节特性较好按调ACE方式运行的AGC机组的主要任务，转变为按随机负荷的波动来响应，使这些机组的出力调节的频度和幅度大大减小。由于不同特性的机组各取所长地为AGC的控制目标服务，从而有效地提高了AGC系统的整体调节效果。图4是扩展系统没有投用时某天ACE控制曲线，图5是投用该系统时某天的ACE控制曲线。可以看出，投运该系统后，ACE曲线的脉动幅度蟠笮∮诓煌队檬钡姆龋褹CE波动的中心线也更贴近交换计划曲线，从而使AGC控制合格率得到大幅度提高。
图4 扩展系统没有投用时某天的ACE控制曲线
图5 扩展系统投用后某天的ACE控制曲线
3.4 减轻了调度员的工作强度
该系统将调度员从每天输入大量AGC基点功率计划和手动修改计划中解放出来；同时由于实现了超短期负荷预报、经济分配软件和AGC系统的闭环控制，因而大大减少了发令次数，有效减小了调度员的工作强度。
4 结论
“AGC扩展系统”的开发使上海电网在以下几个方面的技术水平和应用水平有了较大提高：(1)基于线性化处理理论的电力系统超短期负荷预报技术水平以及实际应用水平。(2)负荷在机组间的分配原则和方法的研究以及与生产实践相结合的程度。(3)基于SQL关系型数据库的调度实时数据库系统及其应用技术。(4)微机局域网与EMS系统DECnet网的网桥接口技术。(5)EMS系统中AGC自动发电数据库直接访问技术。并最终实现了超短期负荷预报、经济分配与AGC的结合，大大提高了AGC机组的投运率和AGC系统的整体调节效果，有效减小了调度员的工作强度。
开发“AGC扩展系统”的现实意义还在于：该项工作是对引进的EMS/AGC系统的进一步消化吸收，锻炼了队伍，提高了上海电网AGC的应用水平，加上已经开发完成的电力系统高级应用软件，使上海的EMS系统成为一个更加完善的能量管理系统。
“AGC扩展系统”的开发和应用加快了上海电网AGC的实用化进程，并最终实现真正有效的AGC的闭环控制，为上海电网的安全、稳定、经济运行创造了更加有利的条件。
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