兼顾水电机组调节性能和经济性的水电厂AGC策略

李 滨，麦章影

（广西大学广西电力系统最优化与节能技术重点实验室，广西南宁 530004）

自动发电控制（automatic generation control，AGC）对电力系统的安全、优质、经济运行起着至关重要的作用。在区域电网特高压互联以及风电、光伏等新能源大规模接入的背景下，对频率控制的可靠性和快速性的要求有所提高，这增加了电网中机组启停和调度控制的难度［1-2］，且提高了对AGC 的控制品质以及精确性的要求。AGC调节性能的差异使得各机组对电网的贡献大小也存在差别，如果这种差别在考核上得不到体现，就不能真正体现市场的公平性，也不能激励AGC 机组性能的进一步提高以及运行实效的改善［3］。因此，国家电力监管委员会制定了《发电厂并网运行管理规定》和《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》（简称“两个细则”），通过制定严格的考评和奖惩方法，鼓励发电厂提供优质的调频服务［4］。这种考核模式虽然提高了并网机组参与AGC 调节的积极性，但与以往按计划出力曲线运行相比，机组参与调频的调节深度更深，调节速率更快［5］，这就使得AGC调整速率加快、调节幅度增大以及频繁参与调整，导致AGC 机组长期处于不良的工作状态，从而影响机组的寿命及整体的稳定度，而且厂用电率也会快速上升［6］。如果机组在AGC中只追求调节速率，就会导致机组负荷变动过快等问题［7］，也会使得机组达不到考核标准的要求，还会形成无效扰动，损害电网的稳定。因此，自从电网“两个细则”考核办法实施以来，AGC 调节的合格率较低，给电厂造成了经济损失。

水电厂为满足“两个细则”的要求，需要进行AGC 性能优化工作。常规水电厂AGC 以经济、迅速和安全为原则，负荷分配主要采用等微增率或均匀分配负荷的方式。文献［8-9］采用人工智能优化算法优化AGC 机组组合和启停次序，使经济负荷分配具有稳定性，并大幅减少迭代次数。振动是水电站运行过程中面临的问题之一，为消除水电机组进入振动区和跨越振动区对机组造成的影响：文献［10-11］运用区间数理论分析水电厂全厂可调区域及联合振动区与机组可运行区域之间的关系，使得机组在可行目标值内的穿越次数最少；
文献［12］提出主动避振和主动穿越控制策略，将水电机组落入振动区范围的出力主动上拉或下拉至振动区外，实现机组避开振动区运行；
文献［13］以振动区回避策略为研究重点，构建水电站实时经济运行模型，通过动态规划对水电站机组出力进行优化分配；
文献［14］提出一种AGC 动态分组轮换控制策略，根据电厂内AGC 被调用的容量频度分布实现AGC 机组分组，达到少量机组动以及机组尽量少动的目的。上述研究所提控制策略均取得了一定的效果，这些控制策略的目标主要是在实现经济调度、降低耗水率的基础上使机组避开振动区运行并优化机组组合，以及提高求解精度。对于AGC 的调节性能，上述研究多采用调节速率、调节精度、响应时间等性能要素合成综合性能指标，并制定考核评价系统［15］。但对于“两个细则”的3 类指标和传统策略的结合，上述研究均没有进行充分的考虑，从而可能会使水电厂落入考核范围内，直接影响水电厂的经济效益。

本文通过分析水电厂AGC 面临的电网对其调节性能考核严苛的问题，提出满足“两个细则”条件的水电厂AGC 优化控制策略，在经济性模型的基础上，综合考虑机组出力的可靠性、机组的响应特性、经济性等多方面的要求，在目标中考虑参与AGC 调节的机组数量最少，减少机组频繁参与调节；
结合“两个细则”中对调节精度和调节速率的考核条件，构建相应的最优化数学模型，利用最优化理论进行求解，实现参与负荷调整的机组运行于稳定运行区内，并使调节速率和调节精度在允许范围内，使得AGC能在不同类型电厂、机组间进行分配，减少考核电量的产生，保证水电厂AGC 的调节品质并提高经济性。

为保证电能质量，优化电力资源配置，保障电网安全稳定运行，针对各电厂在调节稳定性等方面的差异，2020 年国家能源局南方监管局对《南方区域发电厂并网运行管理实施细则》及《南方区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》［16-17］进行新的修订，规定电厂应承担电网AGC 等电网调节的责任，具体量化了并网机组参与AGC 调节的性能指标，对达不到基本指标的进行电量考核。南方电网2015 年版“两个细则”中的3 个技术指标为调节速率、调节精度和调节范围，南方电网2020 年版的3 个技术指标更改为响应时间、调节速率和调节精度，具体指标要求如表1 所示，表中对调节速率考核要求中的百分数为以额定容量为基准。

表1 水电厂AGC考核指标Table 1 Assessment index of AGC for hydropower plant

当3个技术指标的考核要求都满足时，合格率为100%。由表1 可以看出：南方电网2020 年版“两个细则”中对调节速率的考核要求为不小于20%／min，考核占比为50%，即要保证调节速率才能达到一半的合格率；
南方电网2020 年版“两个细则”中对调节精度的要求为AGC 调节量误差不超过1%，相较于南方电网2015 年版“两个细则”，对调节精度的要求提高了，要求水电厂AGC 的调节性能更快、更准、更稳，这导致水电厂的合格率降低，使提供AGC 服务的机组与普通机组的收益差别不大，并且AGC 机组由于频繁调节加速了自身老化，增加了自身维护成本，综合来看，提供AGC 服务可能“不赚反亏”，影响水电厂的经济效益。此外，目前没有明确调用调频机组的原则，机组是否参与AGC 服务与其发电成本高低、调节性能好坏、调节容量大小没有明确的关系，这使调节性能好的机组无法充分发挥优势［18］，因此，水电厂AGC 的发展应适应新形势下的电网调控和发展要求。

电网“两个细则”实施以来，对各发电公司的奖惩结果差异很大，同时南方电网统一调频的辅助服务市场已经启动，统一调频也需要“两个细则”对电厂进行约束，才能进行规范的管理，达到更好的调频效果。此外，电力市场中均引入了AGC 运行性能指标，在指标的具体计算公式上，给予响应及时、调节速率快、调节精度高的调频资源更高的补偿费用。因此，AGC机组的调节品质非常重要，如果想获得电网的奖励，就需要对电厂AGC 机组进行相应的改进，提高投入机组的调节性能，使控制策略满足电网调度的要求，并提高机组负荷的动态响应速度和负荷调节品质。

表2 为以南方电网2015 年版、2020 年版“两个细则”为考核标准，某水电厂在AGC 考核时段内的考核情况，表中考核率表示相应指标不合格数占所有指标总不合格数的比例。由表可知：在3 项指标中，大部分是由于不满足调节速率和调节精度指标要求而引起电量考核；
AGC调节速率合格率较低，为72.0%，如果不考虑部分免考原因，实际的调节速率合格率就会更低，而调节速率指标在性能指标中占的比重最大，一旦考核不合格，将会降低一半的合格率；
按照2015年版“两个细则”中对AGC调节精度的要求（≤3%），AGC 调节精度合格率较高，为97.6%，而按照2020 年版“两个细则”中对AGC 调节精度的要求（≤1%），AGC 调节精度合格率为66.3%，整个电厂收益将大幅降低。

表2 某水电厂在AGC考核时段内的考核情况Table 2 Assessment condition of a hydropower plant during AGC assessment period

水电厂AGC投运以来存在的主要问题如下。

1）AGC运行速度过快缩短设备使用寿命。

AGC调节速率的提升能在最短的时间内将机组的运行状态调整至目标值，但这要求AGC 灵敏度必须保持在较高的状态，AGC在高灵敏度下运行时，调速器也高速运转，这会导致设备在运行过程中需要承载较高的压力负荷，使得机械的整体损耗速度加快，也可能会出现机组在断电之后由于惯性无法停止运行的现象［19］。为了保障水电厂的经济效益、有效减少调节次数以及优化机组有功分配算法，将AGC 运行出力调控至机组的振动区间外，可以实现装置磨损率的有效降低，增加机组的使用寿命。

2）AGC难以满足调节速率考核的要求。

水电机组在AGC 方式下的负荷调节十分频繁，有时调度下发的负荷指令的间隔时间不足l min，经常遇到一个负荷指令还没有调整到位就接收到下一个负荷指令的情况，这使机组长期在加负荷、减负荷之间频繁调节，再加上水电机组存在的反调效应以及AGC 指令的通信延时等因素，使得一些大型水电机组在调整20～40 MW 的小负荷指令时，很难达到细则要求的速率。同时由于水电机组存在振动区，水电机组穿越振动区，会使得机组振动和摆度增大以及机械部件磨损增加，甚至会造成机组机械部分和厂房的损坏［10］。而AGC机组根据负荷指令频繁地变化，使得机组经常穿越或停留在振动、气蚀区运行，导致机组的安全性和经济性均降低。为了躲避振动区，可能会出现AGC机组调节速率不合格的现象。

3）AGC 调节方式简单，影响调节速率和调节精度。

目前大多数水电厂采用监控大闭环调节的负荷调节方式，调速器设置为开度模式运行，即由监控系统上位机将AGC 负荷分配指令下达到机组现地控制单元（local control unit，LCU），由机组LCU向调速器发出“增”“减”脉冲，调速器按调节脉冲来控制导叶开度，从而实现负荷的调整。在这种方式下，指令需经过多次转换，这使得脉冲调节的精度有所下降，导致机组AGC 调节速率和调节精度达不到既定的目标，较难满足“两个细则”的相关要求［20］。

3.1 建模构思

电力系统中的AGC 问题是一个大规模混合整数非线性优化问题，旨在满足系统负荷需求、功率上下限值、发电机组运行技术要求等约束条件的情况下，合理地安排不同发电机组出力，使整个系统要求的目标值最小。

在AGC 模式下，为了提升水电厂AGC 调节性能，以尽可能满足电力行业和调度机构的各项要求，本文在传统经济目标的基础上，加入参与调节的机组数量最少的目标，考虑“两个细则”的考核要求，以不低于调节速率的考核指标加入控制策略，使机组在最大调整时间内进行调节，同时满足调节精度的考核指标要求，有效促进机组组合优化，实现负荷分配时间性与经济性的良好结合，由此构建基于“两个细则”的水电厂AGC 最优控制策略模型，并利用最优化理论和算法进行求解。

3.2 数学模型

3.2.1 决策变量

控制策略的目的是根据有功调整量，在机组间实现负荷的分配，因此将机组的AGC 有功分配值Pti设置为决策变量。为了能观测并统计参加AGC 调节的机组情况，设置一个辅助变量ui，表示机组i参与AGC 调节的标识，其为一个0-1 变量，若机组i参与AGC调节，则其值为1，否则为0。因此，模型的决策变量为：

3.2.2 目标函数

1）经济性目标。

在保证水电厂和电力系统安全运行的条件下，以经济性为原则，确定水电厂机组运行工况。水电厂中负荷合理分配的目标是在满足一定约束条件的前提下，尽可能节约消耗水量，水电厂总成本与各发电机组耗量特性间的关系函数为：

式中：f1为水电厂总成本；
a、b、c为水电厂耗水量特性曲线参数，其值与机组性能相关。

2）机组动作次数最少目标。

根据实际运行情况，如果要求每个出力点都在满足电网调节要求的同时达到经济分配，则在调节出力时，有些机组增加出力，有些机组减小出力，这可能会降低全厂负荷的响应性能，导致机械设备经常处于工作状态变化之中，使机组的故障率增加，造成机组损耗，给机组寿命带来不利影响。因此，应当使AGC调用的机组数量最少，即：

式中：f2为参与AGC调节的机组数量。

3.2.3 约束条件

1）出力限值约束。

不同水头下的机组出力限值往往有较大的变化，机组出力上限受水电厂水头和库容的制约，需要根据测试来确定。机组越限运行或者长期运行于低负荷区会对机组设备产生影响，应设置机组出力限值来保障机组的运行，即：

2）振动区约束。

振动是影响水电厂相关机组正常运行的最大因素，甚至会损坏机组以及威胁厂房安全，因此，在机组间分配AGC 控制量时要尽量避开振动区，避免机组在振动区运行或者频繁穿过振动区，从而减少对机组的损害，即：

3）“两个细则”约束。

（1）调节精度约束。

机组调整后的出力应保持在目标值，但在实际运行中，机组的出力会在目标值附近发生微小波动，调节精度约束为实际出力和目标出力间的差值要处于允许的范围内，即：

式中：Pi.s为机组i的额定容量；
Kp为“两个细则”中的调节精度考核指标。

（2）调节速率约束。

调节速率是指正常情况下AGC 机组响应增、减负荷指令的速率，包括上升速率和下降速率。从延迟过程结束时刻开始，机组的出力不断变化，直到达到目标调整量。调节速率约束为：

式中：i=1，2，…，N；
Ks为“两个细则”中调节速率指标；
Ti为机组i的调节时间；
Ti.max为机组i的最大调节时间，水电机组的功率调节性能较好，通常在机组出力从空载到满载的过程中，负荷上升时间短于1 min，在全厂有功功率控制调节下，采用比例-积分-微分（proportional-integral-differential，PID）调节方式并选择合适的PID系数，可使机组在接收到给定功率突变值后的30 s内实现70%功率增量的调节，并在1 min内完成调节过程。

4.1 条件设置

本文仿真采用同一座电厂中的6 台同类型水电机组，其参数如附录A 表A1所示。为了验证本文所提方法的有效性，分别将6 台机组投入AGC，进行全厂AGC 增、减负荷测试，标记每次参与调节的机组，计算每次机组调节后的出力和目标函数值。为了保证本文仿真的准确性，对调节开始时刻机组的出力以及有功调整额进行随机设置。

4.2 仿真结果分析

选取某个时段的10 min进行一个完整考核过程的仿真分析。总功率指令下令情况如表3 所示。为了验证本文策略的有效性，设置2 种对比分配策略：策略1，采用传统的按照可调容量进行功率分配，并按可调容量设置机组调节优先级，按振动区宽度设置调节步长；
策略2，采用文献［14］中的AGC 动态分组轮换控制策略，按AGC 容量被调用的频度分布将全厂参与AGC运行的机组分为AGC即应机组和AGC后备机组，采用动态规划法在AGC 即应机组间进行负荷分配。分别采用3 种不同的策略在相同的下令点以及下令值内进行调节，观察各机组的变化情况。

表3 总功率指令下令情况Table 3 Ordering condition of total power command

在各分配策略下，6 台机组的下令情况和出力变化情况如图1 所示。图中：前4 min 为下达增加负荷指令时3 种策略下机组出力的变化情况，4 min 后为下达减少负荷指令时3 种策略下机组出力的变化情况；
阴影区域表示机组的振动区。

图1 不同策略下各机组出力变化情况Fig.1 Output variation of each unit under different strategies

策略1 下，在响应每次总功率指令时，由于安排了多数机组参与调节，整体调节速率较快，能较快地完成一个调节指令。但多数机组参与调节会使机组经常处于变化之中，增加了机组损耗，并且策略1 中没有任何对振动区的约束，机组可随意跨越或停留在振动区内，由图1（b）可见，调节结束后有机组进入振动区并且在振动区运行，这给机组安全稳定运行带来了巨大的影响。策略2 中对振动区的约束要求是达到振动区的上下界，由图1（c）可见，调节中也有较多的机组选择跨越振动区，这同样不利于机组的稳定运行。

本文策略下，在平稳调节时期，机组保持在振动区之间的可调节区域运行，当机组进入振动区时，将机组快速拉出振动区，避免机组长时间在振动区运行。图1（a）中，在1—3 min，机组G1—G3优先增加出力以跨越振动区，缩短了停留在振动区的时间，在8—10 min，机组G1—G6减少出力到达振动区边界，大幅减少了跨越振动区的次数。当区域调节需求较大时，AGC 下发指令引导机组沿调节出力方向跨越振动区，实现机组出力全量程范围的连续调节。表4 为机组综合控制情况。由表可知，本文策略下的AGC 机组跨越或停留振动区次数相较于策略1 减少了44.4%，相较于策略2 减少了54.5%，这说明本文策略能在一定程度上减少机组跨越或者停留振动区的次数。

表4 机组综合控制情况Table 4 Integrated control condition of units

在调节开始各机组出力相差较大时，会向经济性目标的要求靠拢，如图1（a）所示，机组G1当前出力要小于其他机组，当增加负荷时，为了使各机组出力趋于一致，会在经济性范围内使当前出力较小的机组增加一定的负荷，使当前出力较大的机组保持负荷不变。当减少负荷时，将优先使当前出力较大的机组减少负荷，使当前出力较小的机组保持负荷不变，这样就不会出现图1（c）中机组G1最终调节到运行下限的情况。当调节前机组所剩余的可调容量不多而调整额较大时，将会出现多台机组共同承担调节任务的情况，当有机组出力达到限值时，参与调节的机组数量增加，保证机组不越限运行。在进行一些小负荷指令调整时，由图1（c）可知，策略2下机组G5在下令点4 进行了一个很小范围的调节，而在图1（a）中只有机组G6在规定的范围内进行动作，不仅规避了一些小调节量，而且进行动作的机组数量比策略2下的要少。

参与调节的机组数量取决于调节前机组的出力值。由附录A 图A1 所示不同策略下各机组的下令情况可知，策略1和策略2下，多数机组进行了调节，本文策略下，部分机组出力保持不变，只有小部分机组在规定范围内进行动作，减少了进行动作的机组数量。如表4 所示，本文策略下AGC 机组的总调节次数为13，相较于策略1 减少了40.9%，相较于策略2减少了18.8%，这说明在使机组出力与相邻机组相差不大且满足经济性目标时，采用本文策略可调用较少的机组进行调节，即能够在一定程度上减少参与AGC考核的机组数量。

为了满足“两个细则”的考核要求，本文在模型的设置中加入了时间的限制要求，即要求机组在规定的时间内完成调节，当机组的调节时间超过限制时间时，调节速率就会不达标，从而产生考核费用。要避免调节速率考核的产生，就要增加新的机组来分担负荷，将调节速率限制在合理的范围内。本文策略能够在规定的时间范围内调整参与AGC 的机组数量，从而满足考核的要求；
策略1 比本文策略调用的机组多，耗费的时间相对较少，满足时间的限制要求；
而策略2规定了参与AGC的机组数量，在调节大负荷时不能满足调节速率的要求。

各机组的调节补偿情况如附录A 表A2 所示。由表可知：本文策略的补偿费用与其他策略的差别不大，这说明机组通过参与AGC 辅助调频能得到一定的补贴；
通过减少考核和减少调用的机组数量，能显著提升电厂在调频辅助服务中所获得的补偿费用，且能提升机组的可用效率和寿命；
本文策略的经济性目标耗水量比其他策略的更小，因此采用本文策略更能节约成本以及获取更大的收益。

本文对水电厂机组AGC 策略中与调节性能关系密切的部分进行分析与设计，综合考虑机组出力的可靠性、机组的响应特性、经济性等多方面的要求，构建一种基于“两个细则”条件的水电厂AGC 优化控制策略模型，通过仿真可以得到如下结论：

1）本文所提方法可以根据电网投入的水电AGC机组情况，对AGC 机组进行实时优化，使其在“两个细则”的考核范围内进行调整，同时以较少的总调节次数实现更好的控制效果，为电网提供优质高效的AGC调频服务；

2）采用本文策略进行AGC 时，水电厂AGC 机组可避开振动区运行，减少了跨越振动区的次数，提高了电网运行的可靠性和安全性，同时能提升机组的可用效率和寿命，对保证水电厂AGC 的调节品质具有重要作用。

附录见本刊网络版（http：//www.epae.cn）。