電力系統(tǒng)保護(hù)與控制-AGC

05二月2023

有功功率平衡和頻率調(diào)整1為什么要保證有功功率平衡？為什么要進(jìn)行頻率調(diào)整？（兩個問題實(shí)質(zhì)是一個問題）05二月2023正常情況下，電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率(PG)=負(fù)載消耗的有功功率(PL)，稱之為有功平衡，這時系統(tǒng)頻率可以保持在額定值。當(dāng)PG>PL,f升高當(dāng)PG<PL,f下降2電力系統(tǒng)的f變動對用戶、發(fā)電廠和電力系統(tǒng)本身都會產(chǎn)生不利的影響，所以必須保持頻率在額定值50hz左右，且偏移不超過一定范圍。50Hz±(0.2~0.5)Hz所以電網(wǎng)調(diào)度人員要不停地向發(fā)電廠下達(dá)調(diào)頻命令（汽機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)有一定的調(diào)節(jié)功能，但還是需要人為調(diào)節(jié)），以保證頻率在合格范圍。在極端情況下，頻率過高可以減負(fù)荷停機(jī)，頻率過低出力加足時只能拉路停電。05二月20233如何進(jìn)行頻率調(diào)整呢？

電力系統(tǒng)頻率調(diào)整的主要方法是調(diào)整發(fā)電功率和進(jìn)行負(fù)荷管理。按照調(diào)整范圍和調(diào)節(jié)能力的不同，頻率調(diào)整可分為一次調(diào)頻、二次調(diào)頻和三次調(diào)頻。一次調(diào)頻（補(bǔ)救1）（比例控制、有差調(diào)節(jié)）二次調(diào)頻（補(bǔ)救2）（比例積分控制、無差調(diào)節(jié)）三次調(diào)頻（預(yù)防）（優(yōu)化分配）05二月20234一次調(diào)頻是指當(dāng)電力系統(tǒng)頻率偏離目標(biāo)頻率時，發(fā)電機(jī)組通過調(diào)速系統(tǒng)的自動反應(yīng)，調(diào)整有功出力以維持電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定。一次調(diào)頻的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快，但是只能做到有差控制。經(jīng)過一次調(diào)頻不能維持電網(wǎng)頻率在額定值，只能緩和電網(wǎng)頻率的改變程度。

05二月20235二次調(diào)頻也稱為自動發(fā)電控制（AGC），是指發(fā)電機(jī)組提供足夠的可調(diào)整容量及一定的調(diào)節(jié)速率，在允許的調(diào)節(jié)偏差下實(shí)時跟蹤頻率，以滿足系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的要求。二次調(diào)頻可以做到頻率的無差調(diào)節(jié)，且能夠?qū)β?lián)絡(luò)線功率進(jìn)行監(jiān)視和調(diào)整。

經(jīng)過二次調(diào)頻后，電網(wǎng)頻率才能精確地保持恒定值。二次調(diào)頻目前有兩種方法：

1、由調(diào)總下令各廠調(diào)整負(fù)荷。2、機(jī)組采用AGC方式，實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷自動調(diào)度

05二月20236機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)均有設(shè)計(jì)好的靜態(tài)特性曲線，機(jī)組在運(yùn)行中參與自動調(diào)節(jié)均是按照靜態(tài)特性曲線調(diào)節(jié)，控制機(jī)組負(fù)荷和轉(zhuǎn)速，并網(wǎng)運(yùn)行是功頻調(diào)節(jié)。自動調(diào)節(jié)就是一次調(diào)頻；超出自動調(diào)節(jié)范圍，須人為平移靜態(tài)特性曲線參與調(diào)節(jié)，此種調(diào)節(jié)就是二次調(diào)頻！一次調(diào)頻是非條件反射，二次調(diào)頻是執(zhí)行外部命令。05二月20237三次調(diào)頻就是協(xié)調(diào)各發(fā)電廠之間的負(fù)荷經(jīng)濟(jì)分配，從而達(dá)到電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定運(yùn)行！其實(shí)質(zhì)是完成在線經(jīng)濟(jì)調(diào)度，其目的是在滿足電力系統(tǒng)頻率穩(wěn)定和系統(tǒng)安全的前提下合理利用能源和設(shè)備，以最低的發(fā)電成本或費(fèi)用獲得更多的、優(yōu)質(zhì)的電能。05二月2023805二月2023內(nèi)容提要有功功率的平衡有功功率的最優(yōu)分配電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整905二月2023一、

電力系統(tǒng)有功功率的平衡

運(yùn)行中：

規(guī)劃、設(shè)計(jì)：備用容量:

1.按作用形式分

負(fù)荷備用(2-5%Plmax)檢修備用(可能不安排)事故備用(5-10%Plmax或系統(tǒng)中最大一臺單機(jī)容量）國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展備用(3-5%Plmax）1005二月20232、按存在形式分為兩者差一個網(wǎng)損兩者差一個廠用電

熱備用:運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)電設(shè)備可能發(fā)的最大功率與發(fā)電負(fù)荷之差(旋轉(zhuǎn)備用)冷備用:未運(yùn)轉(zhuǎn)的、但能隨時啟動的發(fā)發(fā)電設(shè)備可以發(fā)的最大功率

(不含檢修中的設(shè)備)負(fù)荷的分類:

1.用電負(fù)荷

2.供電負(fù)荷

3.發(fā)電負(fù)荷1105二月2023有功功率負(fù)荷變動曲線1205二月2023有功功率負(fù)荷變動曲線

據(jù)此圖,負(fù)荷可以分為三種:

第一種變動幅度很小，周期又很短。

變動有很大的偶然性

屬于這一種的主要有電爐、壓延機(jī)械、電氣機(jī)車等帶有沖擊性的負(fù)荷

這一種是由于生產(chǎn)、生活、氣象等變化引起的負(fù)荷變動

第二種變動幅度較大，周期也較長.

第三種變動幅度最大，周期也最長.該種負(fù)荷基本可以預(yù)計(jì)。1305二月2023據(jù)此,頻率調(diào)整一次調(diào)整:由發(fā)電機(jī)組的調(diào)速器進(jìn)行的對第一種負(fù)荷變動引起的頻率偏移的調(diào)整

二次調(diào)整:由發(fā)電機(jī)的調(diào)頻器進(jìn)行的、對第二種負(fù)荷變動引起的頻率偏移的調(diào)整

三次調(diào)整:按最優(yōu)化準(zhǔn)則分配第三種有規(guī)律變動的負(fù)荷，即責(zé)成各發(fā)電廠按事先給定的發(fā)電荷曲線發(fā)電。1405二月2023二、

電力系統(tǒng)中有功功率的最優(yōu)分配有功功率的最優(yōu)分配:有功功率電源的最優(yōu)組合

即指系統(tǒng)中發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠的合理組合,也就是所謂的機(jī)組合理開停.有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配

即指系統(tǒng)的有功功率負(fù)荷在各個正在運(yùn)行的發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間的合理分配.最常用的是按等耗量微增率準(zhǔn)則分配.1505二月2023火電廠外景1605二月2023各類發(fā)電廠的運(yùn)行特點(diǎn)和合理組合(1)火電廠特點(diǎn)：

需燃料及運(yùn)輸費(fèi)用，但不受自然條件影響效率與蒸汽參數(shù)有關(guān)受鍋爐、汽輪機(jī)最小技術(shù)負(fù)荷限制，有功出力調(diào)整范圍較窄，增減速度慢，參數(shù)越高范圍越窄(高溫高壓30%，中溫中壓75%)機(jī)組投入退出，承擔(dān)急劇負(fù)荷響應(yīng)時間長，多耗能量，易損壞設(shè)備熱電廠抽汽供熱，效率高，但技術(shù)最小負(fù)荷取決于熱負(fù)荷，為強(qiáng)迫功率1705二月2023豐滿水電廠外景1805二月2023(2)水電廠特點(diǎn)：不要燃料費(fèi)，水力可梯級開發(fā)，連續(xù)使用，但受自然條件影響。出力調(diào)節(jié)范圍大，50%以上,增減負(fù)荷速度快，操作容易，可承擔(dān)急劇變化的負(fù)荷決定發(fā)電量的除水量外還有水位差保證出力抽水蓄能機(jī)組（天荒坪6×30萬千瓦）必須與火電配合維持航運(yùn)、灌溉、需一定水量1905二月2023秦山核電站外景2005二月2023(3)核電廠特點(diǎn)：可調(diào)容量大，退、投、增、減負(fù)荷消耗能量、時間，易損壞設(shè)備一次投資大，運(yùn)行費(fèi)低，盡量利用承擔(dān)基本負(fù)荷應(yīng)指出:

枯水季節(jié)往往由系統(tǒng)中的大型水電廠承擔(dān)調(diào)頻任務(wù);洪水季節(jié)這任務(wù)就轉(zhuǎn)移給中溫中壓火電廠.抽水蓄能電廠在其發(fā)電期間也可參加調(diào)頻.但低溫低壓火電廠則因容量不足,設(shè)備陳舊,不能擔(dān)負(fù)調(diào)頻任務(wù).2105二月2023有功功率電源的最優(yōu)組合各類發(fā)電廠組合順序示意圖枯水季節(jié):2205二月2023洪水季節(jié):2305二月2023最優(yōu)分配負(fù)荷的目標(biāo)函數(shù)和約束條件1.

耗量特性:

發(fā)電設(shè)備單位時間內(nèi)消耗的能源與發(fā)出的有功功率的關(guān)系。如圖所示:

比耗量:

單位時間內(nèi)輸入能量與輸出功率之間的比值.耗量微增率:

耗量特性曲線上某點(diǎn)切線的斜率

2405二月20232.目標(biāo)函數(shù)和約束條件目標(biāo)函數(shù)

有功負(fù)荷最優(yōu)分配的目的：在供應(yīng)同樣大小負(fù)荷用功功率的前提下，單位時間內(nèi)的能源消耗最少。這里的目標(biāo)函數(shù)就應(yīng)該是總耗量最少。即為為網(wǎng)絡(luò)總損耗以表示某發(fā)電設(shè)備發(fā)出有功功率時單位時間內(nèi)所需消耗的能源。

等式約束條件2505二月2023不計(jì)網(wǎng)絡(luò)損耗時，上式可改寫為:

2605二月2023用拉格郎日乘數(shù)法求解可建立如下拉格朗日函數(shù):

式中為拉格朗日乘數(shù)2705二月2023等耗量微增率準(zhǔn)則

所以可得:它表示為使總耗量最小，應(yīng)按相等的耗量微增率在發(fā)電設(shè)備或發(fā)電廠之間分配負(fù)荷。2805二月20232905二月20233005二月20233105二月2023不等式條件各節(jié)點(diǎn)發(fā)電設(shè)備有功功率、無功功率和電壓大小不得逾越的限額:有功功率越限,則按限額發(fā)電,剩余功率在其他機(jī)組間重新按等耗量微增率原則分配.3205二月20233305二月20233405二月2023能源消耗受限制怎么辦？3505二月2023等耗量微增率準(zhǔn)則的推廣應(yīng)用實(shí)踐中:由于能源消耗受限制

有功功率負(fù)荷的最優(yōu)分配

其在火力發(fā)電廠與

水力發(fā)電廠之間的最優(yōu)分配問題

消耗的水量受水庫調(diào)度的約束3605二月2023

上式中用小的時間段這和來表示積分效果，表示火電廠的燃料，表示水電廠消耗的水量。

水電的約束條件為了簡化分析，將負(fù)荷的分配局限于一個火電一個水力發(fā)電設(shè)備之間，并略去網(wǎng)損。同理由:新的拉格朗日函數(shù):3705二月2023

得:

若時間段取的很短,則可將式中的下標(biāo)“k”可略去，可改寫為：

由上可知，只要將水力發(fā)電廠的水耗量乘以某一個待定的拉格朗日乘數(shù)，就可將等耗量微增率準(zhǔn)則應(yīng)用到火力發(fā)電廠與水力發(fā)電廠之間負(fù)荷的最優(yōu)分配。

即水煤轉(zhuǎn)換系數(shù)3805二月2023考慮網(wǎng)損怎么處理？（自學(xué)）3905二月2023網(wǎng)損的修正等式約束條件修正為：

4005二月2023式中為網(wǎng)損微增率(靈敏度)

4105二月20234205二月20234305二月20234405二月202345楊過出了一會神，再伸手去會第二柄劍，只提起數(shù)尺，嗆啷一聲，竟然脫手掉下，在石上一碰，火花四濺，不禁嚇了一跳。原來那劍黑黝黝的毫無異狀，卻是沉重之極，三尺多長的一把劍，重量竟自不下七八十斤，比之戰(zhàn)陣上最沉重的金刀大戟尤重數(shù)倍。楊過提起時如何想得到，出乎不意的手上一沉，便拿捏不住。于是再俯身會起，這次有了防備，會起七八十斤的重物自是不當(dāng)一回事。看劍下的石刻時，見兩行小字道：“重劍無鋒，大巧不工。四十歲前恃之橫行天下?！?605二月2023過了良久，才放下重劍，去取第三柄劍，這一次又上了個當(dāng)。他只道這劍定然猶重前劍，因此提劍時力運(yùn)左臂。那知拿在手□卻輕飄飄的渾似無物，凝神一看，原來是柄木劍，年深日久，劍身劍柄均已腐朽，但見劍下的石刻道：“四十歲后，不滯于物，草木竹石均可為劍。自此精修，漸進(jìn)于無劍勝有劍之境。”金庸筆下的一代大俠楊過，為什么會發(fā)生連續(xù)兩次發(fā)生拿劍失誤呢？原因很簡單，因?yàn)樗麤]有學(xué)過自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)??！可見自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)存在于生活的方方面面，何其平常，又何其重要！4705二月2023自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)說復(fù)雜其實(shí)也很簡單。其實(shí)每個人從生下來以后，就逐漸地從感性上掌握了自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。比方說桌子上放個物體，樣子像塊金屬，巴掌大小。你心里會覺得這個物體比較重，就用較大力量去拿，可是這個東西其實(shí)是海綿做的，外觀被加工成了金屬的樣子。手一下子“拿空了”，打住了鼻子。這是怎么回事？比例作用太強(qiáng)了。導(dǎo)致你的大腦發(fā)出指令，讓你的手輸出較大的力矩，導(dǎo)致“過調(diào)”。還是那個桌子，還放著一塊相同樣子的東西，這一次你會用較小的力量去拿?？墒菛|西紋絲不動。怎么回事？原來這個東西確確實(shí)實(shí)是鋼鐵做的。剛才你調(diào)整小了比例作用，導(dǎo)致比例作用過弱。導(dǎo)致你的大腦發(fā)出指令，命令你的手輸出較小的力矩，導(dǎo)致“欠調(diào)”。4805二月2023還是那個桌子，第三塊東西樣子跟前兩塊相同，這一次你一定會小心點(diǎn)了，開始力量比較小，感覺物體比較沉重了，再逐漸增加力量，最終順利拿起這個東西。為什么順利了呢？因?yàn)檫@時候你不僅使用了比例作用，還使用了積分作用，根據(jù)你使用的力量和物體重量之間的偏差，逐漸增加手的輸出力量，直到拿起物品以后，你增加力量的趨勢才得以停止。這三個物品被拿起來的過程，就是一個很好的整定自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)參數(shù)的過程。4905二月2023PID控制(最經(jīng)典的控制)P（proportion）：比例控制

I（integration）：積分控制D（derivation）：微分控制5005二月2023凡是具備控制思想和調(diào)節(jié)方法的系統(tǒng)都叫自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。而放置最核心的調(diào)節(jié)方法的東西叫做調(diào)節(jié)器（控制器）。基本的調(diào)節(jié)器具有兩個輸入量：被調(diào)量和設(shè)定值。被調(diào)量就是反映被調(diào)節(jié)對象的實(shí)際波動的量值。比如水位溫度壓力等等；設(shè)定值顧名思義，是人們設(shè)定的值，也就是人們期望被調(diào)量需要達(dá)到的值。被調(diào)量肯定是經(jīng)常變化的。而設(shè)定值可以是固定的，也可以是經(jīng)常變化的，比如電廠的AGC系統(tǒng)，機(jī)組負(fù)荷的設(shè)定值就是個經(jīng)常變化的量?；镜恼{(diào)節(jié)器至少有一個模擬量輸出。大腦根據(jù)情況運(yùn)算之后要發(fā)布命令了，它發(fā)布一個精確的命令讓執(zhí)行機(jī)構(gòu)去按照它的要求動作。5105二月2023輸入輸出三個量是調(diào)節(jié)器最重要的量，其它還有許多輔助量。比如為了實(shí)現(xiàn)手自動切換，需要自動指令；為了安全，需要偏差報警等等。這些可以暫不考慮。為了思考的方便，咱們只要記住這三個量：設(shè)定值、被調(diào)量、輸出指令。事實(shí)上，為了描述方便，大家習(xí)慣上更精簡為兩個量：輸入偏差和輸出指令。輸入偏差是被調(diào)量和設(shè)定值之間的差值。5205二月20235305二月2023P就是比例，就是輸入偏差乘以一個系數(shù)；所謂的P，就是比例作用，就是把調(diào)節(jié)器的輸入偏差乘以一個系數(shù)，作為調(diào)節(jié)器的輸出。I就是積分，就是對輸入偏差進(jìn)行積分運(yùn)算；使系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時無穩(wěn)態(tài)誤差，也就是說它能起到“無差”作用。積分項(xiàng)對誤差取關(guān)于時間的積分，隨著時間的增加，積分項(xiàng)輸出會增大。即使誤差很小，也會隨著時間的增加而積分項(xiàng)輸出增大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。

D就是微分，對輸入偏差進(jìn)行微分運(yùn)算。在克服無差的調(diào)節(jié)過程中，會出現(xiàn)振蕩（“毛刺”）,原因是被控對象和元件慣性存在以及參數(shù)間的不配合，使力圖克服誤差的控制作用的變化總是落后于誤差的變化。解決辦法：超前。也就是說在控制規(guī)律中增加“微分項(xiàng)”預(yù)測誤差變化的趨勢。5405二月2023一次調(diào)頻（調(diào)速控制）比例控制其中“1/R”是每臺機(jī)組的速率-斜率特性，決定了構(gòu)成每臺機(jī)組分擔(dān)負(fù)荷的比例。5505二月2023二次調(diào)頻（輔助控制、AGC）比例積分控制（無差閉環(huán)控制）5605二月2023以兩區(qū)域互聯(lián)介紹一下AGC5705二月202305二月202358AGC控制模式互聯(lián)電網(wǎng)控制區(qū)的AGC系統(tǒng)，其最終控制目標(biāo)是維持各控制區(qū)的區(qū)域控制偏差（ACE）在允許的范圍之內(nèi)。各控制區(qū)互相協(xié)調(diào)，在正常情況下維持各區(qū)域的負(fù)荷、發(fā)電與功率交換之間始終保持平衡，確?；ヂ?lián)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。控制區(qū)AGC的控制模式可分為定頻率控制（FFC）定交換功率控制（FTC）和聯(lián)絡(luò)線頻率偏差控制（TBC）三種。控制主體應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)的實(shí)際運(yùn)行情況和上級電力調(diào)度機(jī)構(gòu)的要求，選擇合適的控制模式5905二月20236005二月20236105二月2023CPS標(biāo)準(zhǔn)T標(biāo)準(zhǔn)6205二月202305二月2023三、電力系統(tǒng)的頻率調(diào)整1、頻率調(diào)整的必要性所有用電設(shè)備都是按系統(tǒng)額定頻率設(shè)計(jì)的，電力系統(tǒng)的頻率變動對用戶、發(fā)電廠和電力系統(tǒng)本身都會產(chǎn)生不利影響;頻率過低時，甚至?xí)拐麄€系統(tǒng)瓦解，造成大面積停電;因此必須保持頻率在額定值上下，且偏移不超過一定范圍。6305二月2023調(diào)速系統(tǒng)的基本原理2、自動調(diào)速系統(tǒng)6405二月2023調(diào)速系統(tǒng)的基本原理2、自動調(diào)速系統(tǒng)6505二月20233、電源有功功率靜態(tài)頻率特性原動機(jī)未配置自動調(diào)速系統(tǒng)時，其機(jī)械功率與頻率的關(guān)系：原動機(jī)配置自動調(diào)速系統(tǒng)后：

原動機(jī)的機(jī)械功率靜態(tài)頻率特性6605二月2023

簡化之：4、發(fā)電機(jī)的頻率特性如上圖，發(fā)電機(jī)頻率特性的斜率為

6705二月2023發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率（單位MW/HZ）該單位調(diào)節(jié)功率和機(jī)組的調(diào)差系數(shù)有互為倒數(shù)的關(guān)系。機(jī)組的調(diào)差系數(shù)：

6805二月2023單位調(diào)節(jié)功率的標(biāo)么值為:調(diào)差系數(shù)％或與之對應(yīng)的發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率是可以整定.所以電力系統(tǒng)頻率的一次調(diào)整問題主要就與調(diào)差系數(shù)或與之對應(yīng)的發(fā)電機(jī)的單位調(diào)節(jié)功率有關(guān)。6905二月20235、負(fù)荷的頻率特性

負(fù)荷從電網(wǎng)中取用有功功率與電網(wǎng)頻率的關(guān)系如圖:

其標(biāo)么值為：負(fù)荷的靜態(tài)頻率特性

負(fù)荷的單位調(diào)節(jié)功率(單位)不能整定7005二月2023電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻（調(diào)速器作用）初始運(yùn)行點(diǎn)O，當(dāng)負(fù)荷增加則:

系統(tǒng)的單位調(diào)節(jié)功率系數(shù)7105二月2023

一次調(diào)頻為有差調(diào)頻。

n臺發(fā)電機(jī)：n臺都參加一次調(diào)整：

只有m臺參加一次調(diào)整：

當(dāng)發(fā)電機(jī)滿載時，負(fù)荷功率增大，則相當(dāng)于為0,

但當(dāng)負(fù)荷功率減小時，，所以仍可以參加調(diào)頻。7205二月2023電力系統(tǒng)的二次調(diào)頻:

手動或自動調(diào)節(jié)調(diào)頻器使發(fā)電機(jī)