AGC功能与技术分析

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1、水电站自动发电控制(AGC)技术功能及调试分析王竹(宝珠寺水力发电厂， 四川 广元 628003)摘 要：介绍了水电站 AGC 工作的基本原理、宝珠寺电站 AGC 基本功能配 置及其实现原则，以及 AGC 现场调试的目的、措施、步骤和一些问题的处理情 况。关键词：AGC；负荷分配；控制；调试；宝珠寺水力发电厂1 前言AGC即为水电站自动发电控制，是指按预定条件和要求，以迅速、经济的 方式自动控制水电厂有功功率来满足系统需要的技术，它是在水轮发电机自动控 制的基础上，实现全厂自动化的一种方式。AGC要根据系统运行情况及机组运 行工况等因素，以安全经济运行为原则，确定全厂机组开停机台数、机组组合、

2、 负荷分配等。电站主设备运行稳定，自动控制装置动作可靠是AGC正常投入运 行的前提条件。从目前AGC在国内水电站的投运情况来看，基本上都处在探索 和逐步成熟阶段，加之AGC技术本身又和各电网及电厂实际情况的关系极为密 切，因此，有关的技术要求和规范很难进行统一。宝珠寺水电站装机容量为70万kW(4X 175 MW),年设计发电量为23亿 kWh，电站共设4回出线，升压站采用双母线带旁路刀闸的主接线方式，电站 承担四川省电网调峰、调频和事故备用等重任。宝珠寺水力发电厂为实现“无人 值班”(少人值守)以及创国电公司一流水电厂工作需要，投入大量人力和物力， 深入开展了计算机监控系统AGC功能的开发调

3、试工作。笔者结合本厂AGC的 技术性能及调试手段进行分析和论述。2AGC技术及功能分析2.1AGC 基本原理和控制依据从一般意义上讲，AGC(自动发电控制)的原理是：(1)针对无调节库容的径流 电站，最大限度地利用上游来水量，以不弃水或少弃水为原则，尽可能地保证电 厂在较高水头下运行；(2)在网调统一调度下，KG*2按给定的发电负荷曲线或 实时给定的电站总有功，完成计划性或随机性的发电任务； (3)根据系统的频率 瞬时偏差或频率偏差的积分，确定电厂的总出力，直接参与电力系统的调频。AGC在功率控制方式下，分配的有功PAGc是根据负荷曲线值或全厂有功给 定进行设定：PAGC=PSET-PNAGC

4、AGC在调频控制方式下，分配的有功Pagc是根据系统频率偏差进行设定：p =p +Kf A -pAGC AGTf NAGC式中PAGT为全厂实发总有功；Kf为系统调频系数； f为系统频率偏差；PNAgc 为不参加AGC机组的实发有功之和；Pset为全厂有功设定。AGC按如下原则进行负荷分配：(1) 与容量成正比例进行分配的原则。这是一种较为简单的负荷分配原则， 当水轮机组的某些特性曲线不全或不够精确时，采用该原则是合理的；(2) 按等微增率进行分配的原则。此方式的目的是在满足一定约束条件的前 提下，尽可能地减少耗水量。 我们知道机组单位时间消耗的能源与发出有功 功率的关系(即机组耗量特性)是一

5、条下凹单调递增曲线，见图1。图1中纵座标为单位时间内消耗的水量W(m+3/s),横座标则为机组输出的有 功功率P (MW)。机组耗量微增率在图 1 中可看作特性曲线上任意点切线的斜率，其物理意义 为机组单位时间耗水量的增量与输出有功的增量之比值(入= W/A P )。根据等耗量微增率准则：电站总有功(片)给定时，为使全站总耗水量最小，应 按相等的耗量微增率在各发电机组间分配负荷。以上结论为数学分析结果， AGC 实际进行负荷分配时还必须考虑机组出力限制(最小出力P1min；最大出力P1ma丿、 机组运行时的振动区、气蚀区以及设备定期切换等约束条件。2.2我厂AGC投入运行的必要条件KMB计算机

6、监控系统将AGC进程建立后并不一定真正执行上述功能，只有满足以 下全部条件， AGC 才进行负荷分配和开停机操作，否则进程将空转。(1) 厂 AGC 在“投入”；(2) 全厂在“自动”方式运行：单机 PID 在投，联机状态处于在线状态；(3) AGC进程运行在“主控”机上；(4) 选择功率控制或频率方式；(5) 系统频率在网调规定的恶化频率范围之外；(6) 本厂处于“遥调”控制方式(远方控制方式下)或处于“现地”控制方式下；(7) 网调本厂通信“正常”。上述7项条件均具备时本厂AGC受网调控制，且“本地AGC”功能无效， 系统只执行网调下达的单机开、停机，单机及全厂负荷调节命令。当(6)、 (

7、7)有 任意一条不具备时，则AGC处于本厂现地控制方式，拒绝执行“遥调”指令。2.3AGC对机组的判别AGC 对机组的控制分为“单机”和“成组调节”两种方式。“单机”方式 只在“遥调”控制方式下有效，此时网调可通过远方 AGC 对本厂单机进行开停 机操作。“成组调节”（全厂）方式在“本地”和“遥调”两种方式下均有效。AGC 判别“成组可调”的标准是：（1）机组处于“备用”或“发电”状态； （2）机组处于AGC方式；（3）调速器处于“自动”方式；（4）联机状态处于“在线” 状态；（5）机组无事故。AGC 判别“单机”的标准是：上述（2）改为省调设“单机”方式。本厂该机 组未参与AGC，其他条件相

8、同。2.4AGC基本功能及其实现原则由于 AGC 与电网结构以及调度模式有着密切关系，一般情况下，出于对系统 安全和经济利益的考虑，现在投运的AGC均以“功率控制”为其基本功能，“频 率控制”功能的实际投入较少，以下重点讨论“功率控制”的实现方法和流程。AGC 在“功率控制”方式下，有两种运行模式：全厂功率给定方式和负荷 曲线方式。这两种方式均可按需求进行人为设定。选择全厂给定方式时运行人员可随时给定全厂总有功， AGC 按给定值调控并 将其中成组总有功 PAGC 在参与 AGC 调节的机组（成组可调机组）间进行优化分 配，如运行人员不再给出新的全厂总有功负荷， AGC 将定时跟踪，维持全厂总

9、 有功负荷不变。当选择负荷曲线方式时， AGC 自动定时按当日实时时段的负荷曲线值调控， 并将其中的成组总有功PAGC在成组可调机组间优化分配。负荷曲线值以每15 min 为一个时段，并要求在选择“负荷曲线”方式前输出。当功率控制方式由“全厂 给定”改为“负荷曲线”方式时，AGC将随时按当时对应的负荷曲线值分配一 次，而不按原设计的各运行周期进行。当计算机监控系统对调速器的控制处于“脉冲”方式时，AGC将对机组进行 闭环控制。首先，AGC计算出某台机组的最优负荷分配值（目标值P。），然后AGC 按等时间间隙（6 s）向调速器发出一持续开关导叶的脉冲（脉冲宽度为2 s）,直到机 组出力达到P。，

10、这种方式相当于操作人员在调速器机械柜旁按值长命令，手动 操作增减负荷把手调整机组负荷。当计算机监控系统对调速器的控制处于“通讯” 方式时，AGC对机组实施的控制是一种“相对闭环控制”。这时，AGC将计算 所得的单台机组的负荷分配值（P。）以通讯方式送到调速器的控制装置，接下来调 速器根据其自身调节原理将机组出力调整至目标值（P。），在调速器完成其调节目 标的过程中，AGC对机组的控制处于相对开环状态。实际调试表明，上述两种 调节模式在个别情况下都会引起全厂总有功的大范围波动。当“闭环调节”功能投入时，AGC将根据最优原则对机组进行负荷分配。这 种模式下，当计算结果要对某些机组进行开停机操作时，

11、AGC只是弹出相应的 “开停机指导”并不直接对机组实施开停机操作。当“闭环控制”功能投入时， AGC 除了对参与成组调节的机组实施负荷分配外，还将根据分配结果对机组实 施开停机操作。这两种功能的设置可增强AGC运行的灵活性，同时为AGC调 试提供了一定方便。在“闭环控制”功能投入时，AGC对机组的开停操作将按系统预先设置的机 组开停机优先权进行顺序组合，以判断机组开停机的顺序。当未指定优先权时，AGC 将把机组运行时间和停机时间(在 AGC 控制下)作为判断机组开停机顺序的 决定因素。AGC对故障的处理原则：(l)LCU故障，对应机组自动退出AGC；调速 器故障切手动，对应机组退出 AGC；

12、(3)机组开机并网超时，该机组退出 AGC； (4)机组其他机械、电气事故出口。2.5AGC其他功能及其实现原则如前所述，由于种种原因，当前水电站运行中的AGC大都只投入了“功率控 制”功能，但真正意义上的 AGC 功能却远非这一项，而“自动频率控制”就是 它的另一项非常重要的功能。下面简要介绍AGC “频率控制”功能的原则和主 要流程。当电力系统实时频率f和频率目标值f-o的偏差绝对值込fl所设“调频启 动死区值(frbd)”时，AGC按所设定“紧急调频率系数( P/0.01 Hz)”和込fl增 减全厂总有功，并将其中的成组总有功在参与AGC的机组间优化分配。AGC 在“频率控制”方式下的负

13、荷分配以及相应开停机原则与“功率控制” 方式下相似。3AGC 现场调试分析3.1现场调试目的AGC现场调试目的是通过人为设定AGC运行环境(主要包括机组各种运行 及组合工况)，检验AGC在各种工况下运行的稳定性，同时找出软件设计流程中 与现场实际不相适应的Bug。调试的主要重点应放在检验单机AGC功能、成组 AGC功能、AGC投入或故障退出时全厂有功波动、“功率给定”方式与“负荷 曲线”方式转换时全厂有功波动情况。3.2 调试前期的准备工作正如前言中所述，投入AGC是对全厂机电设备的一次彻底检验。如果没有良 好的设备健康水平为基础，很难想象AGC的投入有何意义。进行AGC调试前 应做好以下准备

14、工作：搞好机电设备的检修维护工作，重点检查全厂励磁系统、调速器系统以 及机组自动开停机回路的完好和可靠；各台机组的调速器的调节性能(比如导叶全行程动作时间等)应尽量调整 一致；保证带厂用电机组运行可靠，并设为禁停机组； 与网调联系，系统做好调频准备；调试人员到位，并做好事故预想。3.3 调试基本步骤由于AGC功能调试涉及到的工况很多，所以必须事先制定出详细的调试方 案。方案中应按调试目的明确调试步骤，这样做既可做到调试时心中有数，减少 盲目性，使测试更加完备，同时也可以优化试验流程，减少不必要的重复开停机。 我厂AGC功能(仅限功率控制方式)测试的主要步骤分述如下。3.3.1开环调节方式下AG

15、C功能测试该方式下主要投入单机AGC进行测试，检查单机在全厂有功给定下AGC负 荷分配值是否正常。3.3.2功率给定方式时AGC基本功能测试(1)单机投入AGC时基本功能测试：投入试验机组的单机PID、单机AGC,选择“功率控制方式”，投入全 厂AGC观察机组负荷分配值是否正常；继续投入AGC闭环调节功能，设定全厂有功给定，观察单机AGC负荷 分配及调节是否正常；退出AGC,观察正常与否。(2)成组方式下AGC基本功能测试：任意投入两台机的AGC基本功能测试： 负荷调整试验。全厂有功给定按：60 MW、140 MW、250 MW、140 MW、60 MW顺序设定，测试负荷分配情况及AGC开停机

16、指导情况是否正常； 负荷波动试验。先退出全厂AGC，两台参与试验的机组出力分别设为175 MW和0 MW，然后分两种情况投入全厂AGC： 一种情况是当机组稳定运行时 投入全厂AGC；另一种情况是待机组稳定后，先设定全厂总有功给定(250 MW)， 再投入全厂AGC。观察两种情况下机组间的负荷波动：投入任意 3 台机组的 AGC 基本功能测试。其步骤与两台机组类似；投入任意 4 台机组的 AGC 基本功能测试。其步骤与两台机组类似。3.3.3 负荷曲线方式下的闭环调节试验(1) 4台机均投入单机PID单机、AGC；(2) 选择“功率控制方式”，AGC设为“负荷曲线方式”；(3) 投入全厂AGC，

17、观察投入AGC的机组负荷分配是否正常；(4) 投入 AGC 闭环调节，设定全厂负荷曲线，观察机组负荷分配情况以及 AGC 开停机指导是否正常。3.3.4测试4台机组AGC成组调节在选择AGC “闭环控制”方式时，改变全厂有功给定，观察记录机组负荷分 配以及开停机操作是否正常。从功率给定方式切换至负荷曲线方式，观察机组负荷分配情况。 3.4调试过程中发现的问题及处理AGC 实际调试过程中先后出现过许多的问题，总体上可分为两大类： AGC 功能本身设计上的缺陷和外围设备问题。外围设备问题主要有：调速器性能(负 荷调整速率)不一致，导致AGC分配负荷时全厂总有功有较大波动，甚至AGC 退出；系统测频

18、回路不稳定导致全厂AGC退出等。处理方法是停机对单机接力 器全行程(全关、全开)时间进行调整，以及更换相应回路的变送器等。AGC 功能本身缺陷所反映的问题主要有：(1) 单机PID连续3次退出，AGC自动停机。进行单机AGC试验时，由于有功测量发生异常波动，导致单机AGC退出， 人为投入后又再次退出，共3次，AGC自动停机。此现象表明设计流程中存在 与现场不相适应的地方。运行单位并不希望仅仅因为AGC自身的问题而随意将 机组停下来；(2) AGC 自动停机过程中，负荷大幅度转移，造成不必要的负荷波动。在 AGC 按曲线或定值方式运行涉及停机时，出现了机组间负荷来回倒来倒去 的现象：AGC首先将

19、预停机组加负荷，其他机组减负荷，然后再将这台机组负 荷降为0MW，停机，其他机组再作负荷调整，这个过程使全厂有功发生了比较 大的波动。针对这种情况的分析结论是：AGC负荷调整模块和停机模块之间的 逻辑关系与电站生产实际流程不相适应，同时，AGC在负荷分配的过程中实际 处于一种相对开环的控制状态。现场实际运行时完全可以直接将预停机组的负荷 减到0MW,然后在其他成组调节机组间分配负荷，待负荷分配稳定后再将预停 机组停机；（3）AGC 进行正常负荷分配时，个别情况下全厂总有功出现较大幅度的波动 （最高达到68 MW）。以增加全厂出力为例，理想的负荷曲线应为一向上递增的曲线，见图2。但是实际调试过程

20、中却出现了不同于图 2所示的负荷调整曲线，见图 3。出现这种情况的原因为：AGC将参加成组调节机组的负荷按优化原则分配计 算出后，通过“通讯”下达给调速器，此后AGC对机组出力处于“相对开环” 的控制状态下。下面举一典型过程予以说明：4台机组均参加成组调节，当前全厂有功给定为525 MW，其中11 F： 0、12 F： 175 MW、13 F： 175 MW、14 F： 175 MW。当改变全厂总有功给定为560 MW，AGC按优化分配及避开振动区原则计算 出 4台机组的负荷分配为 11 F： 125 MW、 12 F： 145 MW、 13 F： 145 MW、 14 F： 145 MW。当

21、以上目标值下达给4台机组的调速器，便出现1台机加负荷， 3台机同时减 负荷的局面。这种情况下，即便不考虑调速器性能差异也会出现一段时间内负荷 不升反降的情况，如果刚好11 F导叶全开动作时间较其他3台机组长，则矛盾 会变得更突出。这一问题的关键在于“AGC处于相对开环”状态下所致，在此可引入“AGC 分步控制”概念，即AGC不是将负荷分配的目标值一次性地下达给各台机组， 而是将目标值（P。）分解成几次（最多3次）不同的目标值（Pi、PO2、PO3）下达给机 组，并根据单机负荷增量QP）的不同，下达不同的负荷调整幅度（ POn），以此 实现成组调节的所有机组的负荷调整速率：二*- 该方法必然会导

22、致全 厂负荷调整的速度变慢，同时可能使机组延长运行在振动区或其它约束区间的时 间(Tr)。实际应用中Tr的限制并不是非常苛刻的，而电站在负荷调整过程中出现 大于100 MW 以上的负荷波动却是不能接受的，所以，在这种情况下，只能牺牲 时间来满足负荷的出力的稳定性要求。基于以上分析，在实际调试中采取了以下 具体措施：(1)减少调整步幅。即负荷转移时，分配值小于实发值的机组，每台 机组只减少20 MW；分配值大于实发值的机组，每次的增加量为各台机组减少 量之和；(2)增加了对每一步调节过程中的全厂总有功稳定性的判定。即在每执 行一步后，检测实发总有功值是否 大于允许负荷波动范围，以此保证负荷转移 过程中全厂总有功的平衡。4结语自动发电控制(AGC)对水电站全面提高自动化水平，实现“无人值班”(少人 值守)有着极为现实的意义。AGC是一项与电站运行实践关系极为密切的高级应 用软件，为充分发挥它在电站和系统中的作用，开发单位和运行单位的技术人员 必须根据各自对AGC的理解进行深入沟通，共同阐明AGC各项功能的含义。 最后还必须重视现场调试这一环节。只有将以上各个环节的工作做好了， AGC 的开发和投运工作才会变得事半功倍。参考文献1杨冠城电力系统自动装置原理M 北京：中国电力出版社，1985.