电力系统保护与控制-AGC

05二月2023

有功功率平衡和频率调整1为什么要保证有功功率平衡？为什么要进行频率调整？（两个问题实质是一个问题）05二月2023正常情况下，电力系统中发电机发出的有功功率(PG)=负载消耗的有功功率(PL)，称之为有功平衡，这时系统频率可以保持在额定值。当PG>PL,f升高当PG<PL,f下降2电力系统的f变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不利的影响，所以必须保持频率在额定值50hz左右，且偏移不超过一定范围。50Hz±(0.2~0.5)Hz所以电网调度人员要不停地向发电厂下达调频命令（汽机的调速系统有一定的调节功能，但还是需要人为调节），以保证频率在合格范围。在极端情况下，频率过高可以减负荷停机，频率过低出力加足时只能拉路停电。05二月20233如何进行频率调整呢？

电力系统频率调整的主要方法是调整发电功率和进行负荷管理。按照调整范围和调节能力的不同，频率调整可分为一次调频、二次调频和三次调频。一次调频（补救1）（比例控制、有差调节）二次调频（补救2）（比例积分控制、无差调节）三次调频（预防）（优化分配）05二月20234一次调频是指当电力系统频率偏离目标频率时，发电机组通过调速系统的自动反应，调整有功出力以维持电力系统频率稳定。一次调频的特点是响应速度快，但是只能做到有差控制。经过一次调频不能维持电网频率在额定值，只能缓和电网频率的改变程度。

05二月20235二次调频也称为自动发电控制（AGC），是指发电机组提供足够的可调整容量及一定的调节速率，在允许的调节偏差下实时跟踪频率，以满足系统频率稳定的要求。二次调频可以做到频率的无差调节，且能够对联络线功率进行监视和调整。

经过二次调频后，电网频率才能精确地保持恒定值。二次调频目前有两种方法：

1、由调总下令各厂调整负荷。2、机组采用AGC方式，实现机组负荷自动调度

05二月20236机组调速系统均有设计好的静态特性曲线，机组在运行中参与自动调节均是按照静态特性曲线调节，控制机组负荷和转速，并网运行是功频调节。自动调节就是一次调频；超出自动调节范围，须人为平移静态特性曲线参与调节，此种调节就是二次调频！一次调频是非条件反射，二次调频是执行外部命令。05二月20237三次调频就是协调各发电厂之间的负荷经济分配，从而达到电网的经济、稳定运行！其实质是完成在线经济调度，其目的是在满足电力系统频率稳定和系统安全的前提下合理利用能源和设备，以最低的发电成本或费用获得更多的、优质的电能。05二月2023805二月2023内容提要有功功率的平衡有功功率的最优分配电力系统的频率调整905二月2023一、

电力系统有功功率的平衡

运行中：

规划、设计：备用容量:

1.按作用形式分

负荷备用(2-5%Plmax)检修备用(可能不安排)事故备用(5-10%Plmax或系统中最大一台单机容量）国民经济发展备用(3-5%Plmax）1005二月20232、按存在形式分为两者差一个网损两者差一个厂用电

热备用:运转中发电设备可能发的最大功率与发电负荷之差(旋转备用)冷备用:未运转的、但能随时启动的发发电设备可以发的最大功率

(不含检修中的设备)负荷的分类:

1.用电负荷

2.供电负荷

3.发电负荷1105二月2023有功功率负荷变动曲线1205二月2023有功功率负荷变动曲线

据此图,负荷可以分为三种:

第一种变动幅度很小，周期又很短。

变动有很大的偶然性

属于这一种的主要有电炉、压延机械、电气机车等带有冲击性的负荷

这一种是由于生产、生活、气象等变化引起的负荷变动

第二种变动幅度较大，周期也较长.

第三种变动幅度最大，周期也最长.该种负荷基本可以预计。1305二月2023据此,频率调整一次调整:由发电机组的调速器进行的对第一种负荷变动引起的频率偏移的调整

二次调整:由发电机的调频器进行的、对第二种负荷变动引起的频率偏移的调整

三次调整:按最优化准则分配第三种有规律变动的负荷，即责成各发电厂按事先给定的发电荷曲线发电。1405二月2023二、

电力系统中有功功率的最优分配有功功率的最优分配:有功功率电源的最优组合

即指系统中发电设备或发电厂的合理组合,也就是所谓的机组合理开停.有功功率负荷的最优分配

即指系统的有功功率负荷在各个正在运行的发电设备或发电厂之间的合理分配.最常用的是按等耗量微增率准则分配.1505二月2023火电厂外景1605二月2023各类发电厂的运行特点和合理组合(1)火电厂特点：

需燃料及运输费用，但不受自然条件影响效率与蒸汽参数有关受锅炉、汽轮机最小技术负荷限制，有功出力调整范围较窄，增减速度慢，参数越高范围越窄(高温高压30%，中温中压75%)机组投入退出，承担急剧负荷响应时间长，多耗能量，易损坏设备热电厂抽汽供热，效率高，但技术最小负荷取决于热负荷，为强迫功率1705二月2023丰满水电厂外景1805二月2023(2)水电厂特点：不要燃料费，水力可梯级开发，连续使用，但受自然条件影响。出力调节范围大，50%以上,增减负荷速度快，操作容易，可承担急剧变化的负荷决定发电量的除水量外还有水位差保证出力抽水蓄能机组（天荒坪6×30万千瓦）必须与火电配合维持航运、灌溉、需一定水量1905二月2023秦山核电站外景2005二月2023(3)核电厂特点：可调容量大，退、投、增、减负荷消耗能量、时间，易损坏设备一次投资大，运行费低，尽量利用承担基本负荷应指出:

枯水季节往往由系统中的大型水电厂承担调频任务;洪水季节这任务就转移给中温中压火电厂.抽水蓄能电厂在其发电期间也可参加调频.但低温低压火电厂则因容量不足,设备陈旧,不能担负调频任务.2105二月2023有功功率电源的最优组合各类发电厂组合顺序示意图枯水季节:2205二月2023洪水季节:2305二月2023最优分配负荷的目标函数和约束条件1.

耗量特性:

发电设备单位时间内消耗的能源与发出的有功功率的关系。如图所示:

比耗量:

单位时间内输入能量与输出功率之间的比值.耗量微增率:

耗量特性曲线上某点切线的斜率

2405二月20232.目标函数和约束条件目标函数

有功负荷最优分配的目的：在供应同样大小负荷用功功率的前提下，单位时间内的能源消耗最少。这里的目标函数就应该是总耗量最少。即为为网络总损耗以表示某发电设备发出有功功率时单位时间内所需消耗的能源。

等式约束条件2505二月2023不计网络损耗时，上式可改写为:

2605二月2023用拉格郎日乘数法求解可建立如下拉格朗日函数:

式中为拉格朗日乘数2705二月2023等耗量微增率准则

所以可得:它表示为使总耗量最小，应按相等的耗量微增率在发电设备或发电厂之间分配负荷。2805二月20232905二月20233005二月20233105二月2023不等式条件各节点发电设备有功功率、无功功率和电压大小不得逾越的限额:有功功率越限,则按限额发电,剩余功率在其他机组间重新按等耗量微增率原则分配.3205二月20233305二月20233405二月2023能源消耗受限制怎么办？3505二月2023等耗量微增率准则的推广应用实践中:由于能源消耗受限制

有功功率负荷的最优分配

其在火力发电厂与

水力发电厂之间的最优分配问题

消耗的水量受水库调度的约束3605二月2023

上式中用小的时间段这和来表示积分效果，表示火电厂的燃料，表示水电厂消耗的水量。

水电的约束条件为了简化分析，将负荷的分配局限于一个火电一个水力发电设备之间，并略去网损。同理由:新的拉格朗日函数:3705二月2023

得:

若时间段取的很短,则可将式中的下标“k”可略去，可改写为：

由上可知，只要将水力发电厂的水耗量乘以某一个待定的拉格朗日乘数，就可将等耗量微增率准则应用到火力发电厂与水力发电厂之间负荷的最优分配。

即水煤转换系数3805二月2023考虑网损怎么处理？（自学）3905二月2023网损的修正等式约束条件修正为：

4005二月2023式中为网损微增率(灵敏度)

4105二月20234205二月20234305二月20234405二月202345杨过出了一会神，再伸手去会第二柄剑，只提起数尺，呛啷一声，竟然脱手掉下，在石上一碰，火花四溅，不禁吓了一跳。原来那剑黑黝黝的毫无异状，却是沉重之极，三尺多长的一把剑，重量竟自不下七八十斤，比之战阵上最沉重的金刀大戟尤重数倍。杨过提起时如何想得到，出乎不意的手上一沉，便拿捏不住。于是再俯身会起，这次有了防备，会起七八十斤的重物自是不当一回事。看剑下的石刻时，见两行小字道：“重剑无锋，大巧不工。四十岁前恃之横行天下。”4605二月2023过了良久，才放下重剑，去取第三柄剑，这一次又上了个当。他只道这剑定然犹重前剑，因此提剑时力运左臂。那知拿在手□却轻飘飘的浑似无物，凝神一看，原来是柄木剑，年深日久，剑身剑柄均已腐朽，但见剑下的石刻道：“四十岁后，不滞于物，草木竹石均可为剑。自此精修，渐进于无剑胜有剑之境。”金庸笔下的一代大侠杨过，为什么会发生连续两次发生拿剑失误呢？原因很简单，因为他没有学过自动调节系统啊！可见自动调节系统存在于生活的方方面面，何其平常，又何其重要！4705二月2023自动调节系统说复杂其实也很简单。其实每个人从生下来以后，就逐渐地从感性上掌握了自动调节系统。比方说桌子上放个物体，样子像块金属，巴掌大小。你心里会觉得这个物体比较重，就用较大力量去拿，可是这个东西其实是海绵做的，外观被加工成了金属的样子。手一下子“拿空了”，打住了鼻子。这是怎么回事？比例作用太强了。导致你的大脑发出指令，让你的手输出较大的力矩，导致“过调”。还是那个桌子，还放着一块相同样子的东西，这一次你会用较小的力量去拿。可是东西纹丝不动。怎么回事？原来这个东西确确实实是钢铁做的。刚才你调整小了比例作用，导致比例作用过弱。导致你的大脑发出指令，命令你的手输出较小的力矩，导致“欠调”。4805二月2023还是那个桌子，第三块东西样子跟前两块相同，这一次你一定会小心点了，开始力量比较小，感觉物体比较沉重了，再逐渐增加力量，最终顺利拿起这个东西。为什么顺利了呢？因为这时候你不仅使用了比例作用，还使用了积分作用，根据你使用的力量和物体重量之间的偏差，逐渐增加手的输出力量，直到拿起物品以后，你增加力量的趋势才得以停止。这三个物品被拿起来的过程，就是一个很好的整定自动调节系统参数的过程。4905二月2023PID控制(最经典的控制)P（proportion）：比例控制

I（integration）：积分控制D（derivation）：微分控制5005二月2023凡是具备控制思想和调节方法的系统都叫自动调节系统。而放置最核心的调节方法的东西叫做调节器（控制器）。基本的调节器具有两个输入量：被调量和设定值。被调量就是反映被调节对象的实际波动的量值。比如水位温度压力等等；设定值顾名思义，是人们设定的值，也就是人们期望被调量需要达到的值。被调量肯定是经常变化的。而设定值可以是固定的，也可以是经常变化的，比如电厂的AGC系统，机组负荷的设定值就是个经常变化的量。基本的调节器至少有一个模拟量输出。大脑根据情况运算之后要发布命令了，它发布一个精确的命令让执行机构去按照它的要求动作。5105二月2023输入输出三个量是调节器最重要的量，其它还有许多辅助量。比如为了实现手自动切换，需要自动指令；为了安全，需要偏差报警等等。这些可以暂不考虑。为了思考的方便，咱们只要记住这三个量：设定值、被调量、输出指令。事实上，为了描述方便，大家习惯上更精简为两个量：输入偏差和输出指令。输入偏差是被调量和设定值之间的差值。5205二月20235305二月2023P就是比例，就是输入偏差乘以一个系数；所谓的P，就是比例作用，就是把调节器的输入偏差乘以一个系数，作为调节器的输出。I就是积分，就是对输入偏差进行积分运算；使系统在稳态时无稳态误差，也就是说它能起到“无差”作用。积分项对误差取关于时间的积分，随着时间的增加，积分项输出会增大。即使误差很小，也会随着时间的增加而积分项输出增大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。

D就是微分，对输入偏差进行微分运算。在克服无差的调节过程中，会出现振荡（“毛刺”）,原因是被控对象和元件惯性存在以及参数间的不配合，使力图克服误差的控制作用的变化总是落后于误差的变化。解决办法：超前。也就是说在控制规律中增加“微分项”预测误差变化的趋势。5405二月2023一次调频（调速控制）比例控制其中“1/R”是每台机组的速率-斜率特性，决定了构成每台机组分担负荷的比例。5505二月2023二次调频（辅助控制、AGC）比例积分控制（无差闭环控制）5605二月2023以两区域互联介绍一下AGC5705二月202305二月202358AGC控制模式互联电网控制区的AGC系统，其最终控制目标是维持各控制区的区域控制偏差（ACE）在允许的范围之内。各控制区互相协调，在正常情况下维持各区域的负荷、发电与功率交换之间始终保持平衡，确保互联电网的安全稳定运行。控制区AGC的控制模式可分为定频率控制（FFC）定交换功率控制（FTC）和联络线频率偏差控制（TBC）三种。控制主体应根据电网的实际运行情况和上级电力调度机构的要求，选择合适的控制模式5905二月20236005二月20236105二月2023CPS标准T标准6205二月202305二月2023三、电力系统的频率调整1、频率调整的必要性所有用电设备都是按系统额定频率设计的，电力系统的频率变动对用户、发电厂和电力系统本身都会产生不利影响;频率过低时，甚至会使整个系统瓦解，造成大面积停电;因此必须保持频率在额定值上下，且偏移不超过一定范围。6305二月2023调速系统的基本原理2、自动调速系统6405二月2023调速系统的基本原理2、自动调速系统6505二月20233、电源有功功率静态频率特性原动机未配置自动调速系统时，其机械功率与频率的关系：原动机配置自动调速系统后：

原动机的机械功率静态频率特性6605二月2023

简化之：4、发电机的频率特性如上图，发电机频率特性的斜率为

6705二月2023发电机的单位调节功率（单位MW/HZ）该单位调节功率和机组的调差系数有互为倒数的关系。机组的调差系数：

6805二月2023单位调节功率的标么值为:调差系数％或与之对应的发电机的单位调节功率是可以整定.所以电力系统频率的一次调整问题主要就与调差系数或与之对应的发电机的单位调节功率有关。6905二月20235、负荷的频率特性

负荷从电网中取用有功功率与电网频率的关系如图:

其标么值为：负荷的静态频率特性

负荷的单位调节功率(单位)不能整定7005二月2023电力系统的一次调频（调速器作用）初始运行点O，当负荷增加则:

系统的单位调节功率系数7105二月2023

一次调频为有差调频。

n台发电机：n台都参加一次调整：

只有m台参加一次调整：

当发电机满载时，负荷功率增大，则相当于为0,

但当负荷功率减小时，，所以仍可以参加调频。7205二月2023电力系统的二次调频:

手动或自动调节调频器使发电机