陳 浩1，吳 寧2
(1廣東省電力調(diào)度中心，廣東 廣州 510600；
2廣州發(fā)電廠有限公司，廣東 廣州 510160）
摘 要：主要介紹了分層控制系統(tǒng)在電力系統(tǒng)的自動(dòng)電壓控制（AVC）和自動(dòng)發(fā)電控制（AGC）兩方面的應(yīng)用。采用分層控制系統(tǒng)，可以有效地提高電力系統(tǒng)的供電可靠性，使電網(wǎng)調(diào)度工作更為省力。最后指出，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了投入相應(yīng)的人、財(cái)、物以外，還需處理涉及到的系統(tǒng)調(diào)度技術(shù)、組織關(guān)系、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等多方面問題。
關(guān)鍵詞：電網(wǎng)調(diào)度；自動(dòng)電壓控制；自動(dòng)發(fā)電控制；分層控制系統(tǒng)
Hierarchy system applied to electric network dispatching
CHEN Hao1, WU Ning2
(1.Guangdong Power Grid Dispatching Center,Guangzhou 510600,China;
2.Guangzhou Power Plant Co.,Ltd.,Guangzhou 510160,China)
Abstract:The applications of hierarchy system to automatic voltage control(AVC)and automatic generation control(AGC)of electric power system are described in this paper.The hierarchy system can effectively improve the reliability of power supply and facilitate power network dispatching.To achieve this goal,however, many aspects concerned such as system dispatching technique,organizational relations,computer technology and communication technology should be considered in addition to investment of manpower,funds and materials.
Keywords:power network dispatching;automatic voltage control;automatic generation control;hierarchy system
所謂的“分層控制系統(tǒng)”是指從物理結(jié)構(gòu)上或從功能上進(jìn)行分層，使由此而形成的各子控制系統(tǒng)的動(dòng)作從整個(gè)系統(tǒng)來看達(dá)到最恰當(dāng)?shù)目刂菩Ч⒆詣?dòng)或人工地把這些動(dòng)作協(xié)調(diào)起來，遵循某一控制目標(biāo)而工作的系統(tǒng)。
依照麥薩洛維克（Mesarovic）的觀點(diǎn)，電力系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的分層及分割方法可按以下三種方式進(jìn)行：
a)按照控制水平劃分；
b)按照模型化方法的不同劃分；
c)按照組織分層進(jìn)行劃分。
目前的調(diào)度組織系統(tǒng)就屬于第三種情況。而所謂的分層控制系統(tǒng)（hierarchy system）就是指這種分層方式。見圖1。
電力系統(tǒng)具有相應(yīng)于電壓等級(jí)的分層結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代調(diào)度組織也具有由中心調(diào)度所及其下屬的許多地區(qū)調(diào)度所形成的分層結(jié)構(gòu)。因此，為了構(gòu)成達(dá)到預(yù)期目的的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，把所有正在發(fā)展中的地區(qū)調(diào)度所及發(fā)電廠、變電站的自動(dòng)化完善地協(xié)調(diào)起來以形成分層控制系統(tǒng)是比較現(xiàn)實(shí)的。
從電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化的觀點(diǎn)來看，分層控制系統(tǒng)具有以下的優(yōu)點(diǎn)：
a)是適合于電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)；
b)易于保證自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性；
c)可靈活地適應(yīng)系統(tǒng)的擴(kuò)大和變更；
d)可提高投資效率；
e)能更好地適應(yīng)現(xiàn)代技術(shù)水平的發(fā)展。
要使其成為最佳控制系統(tǒng)，必須從可靠性、經(jīng)濟(jì)性、響應(yīng)特性、維修特性等最優(yōu)條件來決定。
隨著電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，當(dāng)主干系統(tǒng)發(fā)生事故時(shí)，無論系統(tǒng)本身的狀況、事故的后果以及預(yù)防事故的措施，都會(huì)變得很復(fù)雜。如果萬一對(duì)系統(tǒng)事故后的處理不當(dāng)，其影響的范圍將是非常廣泛的。鑒于這種情況，必須從保證供電可靠性的觀點(diǎn)來討論目前系統(tǒng)調(diào)度的自動(dòng)化問題。
為保證供電的可靠性，對(duì)全部系統(tǒng)設(shè)備采用一定的冗余設(shè)計(jì)，這雖然是一種有效的方法，但存在著經(jīng)濟(jì)方面的問題，因此，迄今防止事故蔓延的主要方法仍是借助繼電保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)，以及從系統(tǒng)調(diào)度自動(dòng)化方面采取一些措施。其基本原則是，為了防止事故蔓延，不單是依靠繼電保護(hù)裝置，而是平時(shí)就要對(duì)事故有相應(yīng)的準(zhǔn)備，一旦發(fā)生事故，則可盡快實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作的恢復(fù)。
1結(jié)合電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制進(jìn)行調(diào)度
電壓是衡量電能質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)。隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，只通過人工控制無功潮流和進(jìn)行電壓控制，以保證大電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性是不實(shí)際的，必須實(shí)施自動(dòng)電壓控制（AVC）。
同頻率調(diào)節(jié)概念類似，電壓調(diào)節(jié)也可分為一次、二次和三次調(diào)節(jié)。電壓的快速無規(guī)則變化由發(fā)電機(jī)組無功功率“一次調(diào)節(jié)”進(jìn)行補(bǔ)償，這種一次調(diào)節(jié)要求快速（毫秒級(jí)），必須自動(dòng)（類似機(jī)組一次調(diào)頻），主要由機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（AVR）實(shí)現(xiàn)。二次調(diào)節(jié)是補(bǔ)償電壓的慢變化，控制的是控制區(qū)域內(nèi)“控制機(jī)組”所吸收和發(fā)出的無功功率，以使區(qū)域內(nèi)電壓合格，其反應(yīng)時(shí)間為1～5 min（類似二次調(diào)頻，即AGC）。三次調(diào)節(jié)則是使系統(tǒng)電壓和無功分布全面協(xié)調(diào)，控制電網(wǎng)在安全、經(jīng)濟(jì)和優(yōu)化狀態(tài)下運(yùn)行，時(shí)間為15 min以上（類似三次調(diào)頻，即經(jīng)濟(jì)調(diào)度）。
國外尤其是法國、意大利等歐洲國家從20世紀(jì)70年代末開始開發(fā)應(yīng)用分層、分區(qū)的AVC控制系統(tǒng)。如意大利國家電力公司實(shí)現(xiàn)了電壓與無功功率的自動(dòng)控制，分別于1984年在佛羅倫薩地區(qū)、1986年在西西里地區(qū)實(shí)現(xiàn)了電壓二次調(diào)節(jié)，運(yùn)行效果非常好，并于1993年在整個(gè)超高壓電網(wǎng)中普遍實(shí)現(xiàn)二次及三次電壓調(diào)節(jié)，它是一個(gè)在線分層控制結(jié)構(gòu)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
由于存在著電壓分散測(cè)量的誤差以及理論上的無功最優(yōu)潮流無法收斂等問題，一直不能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，因而只能作為調(diào)度運(yùn)行人員調(diào)節(jié)無功功率和電壓的參考。
由于AVC可以有效地提高電網(wǎng)和機(jī)組的安全穩(wěn)定水平，提高電壓質(zhì)量，減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，隨著在大電網(wǎng)中逐步實(shí)施各區(qū)域?qū)Ω魇 ⒏麟姀S以及地區(qū)調(diào)度AVC的無功閉環(huán)控制，AVC系統(tǒng)一定能在電網(wǎng)運(yùn)行中發(fā)揮越來越大的作用。
2自動(dòng)發(fā)電控制的分層控制與協(xié)調(diào)技術(shù)
自動(dòng)發(fā)電控制（autogenerationcontrol，AGC）也稱負(fù)荷和頻率控制（load and frequency control，LFC），它是能量管理系統(tǒng)的重要組成部分。按電網(wǎng)控制中心的目標(biāo)函數(shù)將指令發(fā)送給有關(guān)發(fā)電廠的機(jī)組，通過電廠或機(jī)組的自動(dòng)控制調(diào)節(jié)裝置，實(shí)現(xiàn)發(fā)電自動(dòng)控制，從而達(dá)到控制中心（調(diào)度中心）的調(diào)控目標(biāo)。
從電網(wǎng)運(yùn)行角度來看，AGC的主要控制目標(biāo)有：
a)調(diào)整全網(wǎng)的發(fā)電使與負(fù)荷平衡，保持頻率在正常范圍內(nèi)；
b)按聯(lián)絡(luò)線功率偏差控制，使聯(lián)絡(luò)線交換功率在計(jì)劃允許范圍內(nèi)；
c)在EMS系統(tǒng)中，AGC作為最優(yōu)潮流與安全約束、經(jīng)濟(jì)調(diào)度的執(zhí)行環(huán)節(jié)。
AGC是實(shí)時(shí)保證發(fā)電與負(fù)荷平衡，維持電力系統(tǒng)頻率質(zhì)量的重要技術(shù)。近年來，我國電力系統(tǒng)AGC工作取得了很大的進(jìn)展，其中一個(gè)重要標(biāo)志是大量的發(fā)電機(jī)組具備了投入AGC運(yùn)行的條件。但是作為電力系統(tǒng)的控制者和電力市場運(yùn)營者的電力調(diào)度中心，必須合理地安排AGC可調(diào)容量，才能既保證電力系統(tǒng)的安全，又降低運(yùn)行費(fèi)用。
大型區(qū)域性電網(wǎng)的AGC控制方式主要有以下三種模式：
a)恒定頻率控制（FFC）。這種控制方式最終維持的是系統(tǒng)頻率恒定，適合于獨(dú)立系統(tǒng)或聯(lián)合系統(tǒng)的主系統(tǒng)。
b)恒定交換頻率控制（FTC）。這種控制方式是維持聯(lián)絡(luò)線交換功率的恒定，適合于聯(lián)合系統(tǒng)的小系統(tǒng)。而當(dāng)外區(qū)域發(fā)生負(fù)荷變化時(shí)，F(xiàn)TC控制模式不利于系統(tǒng)頻率的恢復(fù)，目前各省網(wǎng)正逐步由FTC向聯(lián)絡(luò)線和頻率偏差控制模式過渡。
c)聯(lián)絡(luò)線和頻率偏差控制（TBC）。這種控制方式既要控制頻率又要控制交換功率，在適當(dāng)?shù)膮?shù)配合下，可以維持控制區(qū)域發(fā)電功率和負(fù)荷的就地平衡。在TBC模式下，AGC只負(fù)責(zé)調(diào)整本區(qū)域內(nèi)的負(fù)荷變化，這兼顧了各控制區(qū)的自身利益，體現(xiàn)了公平的調(diào)頻原則。
在大的區(qū)域性電網(wǎng)互聯(lián)成為發(fā)展趨勢(shì)的情況下，采用AGC分層控制以保證電網(wǎng)的頻率質(zhì)量顯得尤為重要。互聯(lián)電網(wǎng)中AGC控制的基本原則是在保證系統(tǒng)頻率質(zhì)量的前提下，執(zhí)行區(qū)域間的交換功率計(jì)劃，每個(gè)區(qū)域負(fù)責(zé)處理本區(qū)域的負(fù)荷擾動(dòng)，并在緊急情況下給予相鄰區(qū)域以臨時(shí)性支援。目前，網(wǎng)、省調(diào)度根據(jù)這一原則，結(jié)合我國電網(wǎng)“統(tǒng)一調(diào)度、分級(jí)管理”的網(wǎng)、省調(diào)度運(yùn)行模式提出的網(wǎng)、省調(diào)度分層TBC控制和CPS控制策略，已在華東電網(wǎng)調(diào)度、江蘇省電網(wǎng)調(diào)度和上海市電網(wǎng)調(diào)度等實(shí)際運(yùn)行中取得了良好的效果。我們完全可以借鑒其經(jīng)驗(yàn)，在其他網(wǎng)、省調(diào)度中推廣應(yīng)用。
網(wǎng)、省調(diào)度TBC模式的AGC分層控制策略如下：
a)在網(wǎng)調(diào)度中心AGC中建立包括網(wǎng)調(diào)度和所轄各省調(diào)度在內(nèi)的AGC多控制區(qū)域模型。其目的是便于網(wǎng)調(diào)度AGC了解各省調(diào)度AGC的控制能力，方便網(wǎng)、省調(diào)度之間AGC控制策略的協(xié)調(diào)與配合，最大限度地發(fā)揮網(wǎng)、省調(diào)度控制電網(wǎng)頻率的優(yōu)勢(shì)。這就要求網(wǎng)調(diào)度中心采集各省際間的交換功率，并盡可能收集各省調(diào)度的AGC電廠實(shí)時(shí)信息。
b)由于網(wǎng)直接調(diào)度的電廠都是分布在各省內(nèi)，這些電廠的出線應(yīng)作為網(wǎng)調(diào)度與省調(diào)度之間的廣義聯(lián)絡(luò)線。在建立網(wǎng)、省調(diào)度AGC控制區(qū)模型時(shí)，與區(qū)域間的實(shí)際聯(lián)絡(luò)線同等對(duì)待。
c)在網(wǎng)調(diào)度AGC多控制區(qū)中，只有網(wǎng)調(diào)度控制區(qū)真正執(zhí)行AGC控制，各省調(diào)度控制區(qū)控制權(quán)仍在各省調(diào)度中心，網(wǎng)調(diào)度AGC只對(duì)各省調(diào)度控制區(qū)進(jìn)行監(jiān)視，如ACE（包括CPS）的各項(xiàng)性能指標(biāo)、備用容量等。
d)在省調(diào)度AGC中，一般只建立一個(gè)控制區(qū)域模型，特殊情況下，也可以建立多控制區(qū)域模型。
e)網(wǎng)調(diào)度控制區(qū)可以視具體情況，采用FFC或TBC控制模式。當(dāng)然，如果網(wǎng)調(diào)度控制區(qū)與外網(wǎng)無聯(lián)系，采用FFC控制模式；如果存在與外網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線，可以建立兩個(gè)控制區(qū)——一個(gè)控制區(qū)采用TBC控制模式，只用于CPS性能監(jiān)視，另一控制區(qū)真正執(zhí)行AGC控制，可以根據(jù)需要采用FFC或TBC控制模式。
f)省調(diào)度控制區(qū)均采用TBC控制模式。
g)在實(shí)際運(yùn)行中，由于網(wǎng)、省調(diào)度AGC不能嚴(yán)格保證頻率和省際間的交換功率數(shù)據(jù)采樣的同時(shí)性，這必然造成AGC在一定程度上的超調(diào)或欠調(diào)，延長了系統(tǒng)頻率的恢復(fù)過程，增大了AGC機(jī)組的磨損，同時(shí)也為網(wǎng)調(diào)度中心考核各省調(diào)度的AGC性能帶來了困難。因此，在網(wǎng)調(diào)度AGC中統(tǒng)一計(jì)算各控制區(qū)的ACE，再通過遠(yuǎn)動(dòng)或計(jì)算機(jī)通信將ACE發(fā)至各省調(diào)度EMS。
h)各省調(diào)度AGC按照接收到的ACE調(diào)節(jié)本區(qū)域AGC機(jī)組的出力。省調(diào)度AGC也計(jì)算本區(qū)域的ACE，作為網(wǎng)調(diào)度通信中斷時(shí)的后備ACE。
3結(jié)束語
迄今，電力系統(tǒng)自動(dòng)化是以負(fù)荷-頻率控制、電壓無功功率控制來提高電能質(zhì)量及保證經(jīng)濟(jì)性，以通過將電力系統(tǒng)的發(fā)、變電站集中監(jiān)視控制，實(shí)行節(jié)省人力和無人化為主要內(nèi)容。而計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的引入，對(duì)于進(jìn)一步推廣電力系統(tǒng)綜合自動(dòng)化的分層控制系統(tǒng)非常重要。
推行綜合自動(dòng)化關(guān)鍵在于兩個(gè)方面，即下位系統(tǒng)的發(fā)、變電站的局部控制和中央的綜合控制。在推行適用于分層控制系統(tǒng)的綜合自動(dòng)化時(shí)，對(duì)系統(tǒng)所必需的功能進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)等，往往需要付出相當(dāng)多的時(shí)間和人力，同時(shí)還必須對(duì)許多技術(shù)問題開展研究。而隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，必然導(dǎo)致調(diào)度組織上的變革。
形成分層控制系統(tǒng)后，在初期還是由人來控制所調(diào)度的二層或三層結(jié)構(gòu)。但是，考慮到各電力公司的人員構(gòu)成，以及隨著電力設(shè)備不斷增加所帶來的人員劇增的問題，必須考慮采取更為強(qiáng)有力的節(jié)省人力和無人化措施。
采用分層控制系統(tǒng)的重要意義在于提高供電可靠性和使調(diào)度工作省力化。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，除了投入許多資金、人力和物力以外，還需處理涉及到的系統(tǒng)調(diào)度技術(shù)、組織關(guān)系、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)等多方面問題。電力系統(tǒng)從頻率自動(dòng)控制和電壓無功功率控制等維持電能質(zhì)量方面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化以后，最終必然可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的自動(dòng)化。
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