关于自动发电控制（AGC）的简述
摘要：现代电网已发展成为在电力市场机制的基础上多控制区域的互联系统，自动发电控制(AGC)作为互联电网实现功率和频率控制的主要手段，其控制效果直接影响着电网品质。因此，跨大区互联电网通过什么样的标准对其控制质量进行评价，电网AGC采用什么样的控制方法是近年来调度自动化关注的一个热点问题。本论文紧紧围绕这一具有重要现实意义的课题展开了研究和讨论，首先介绍了自动发电控制的背景、基本原理与控制过程，然后介绍了评价AGC控制性能的标准以及电力市场背景下的AGC模型，并对其涉及的理论与模型进行了比较研究。
关键词：自动发电控制，性能标准，电力市场，负荷频率控制，互联电网
第一章 绪论
当前，电能早成为日常生活中不可或缺的能源，国民经济的各个部门、人民的物质和文化生活都离不开电。电能生产的最大特点在于电能不能大量储存，电能的生产、输送、分配和使用可以说是在同一时刻完成的。在任何时刻，电力系统中电源发出的功率都等于该时刻电力系统负荷和电能输送、分配过程中所消耗的功率之和。同时电力系统中的过渡过程非常迅速，由于电力系统中的电和磁是相互联系在一起的，任何一处发生的电磁变化过程，都会以光速传播而影响整个电力系统，因此电力系统故障的发生和发展以及运行方式改变所用的时间都是十分短暂的，这就要求系统具有进行快速控制和快速排除故障的能力，否则将危及整个电力系统的安全稳定运行。
电力系统的上述特点以及电力工业在国民经济中的地位和作用，对电力系统控制提出了很高的要求。电力系统运行的根本目的是在保证电能质量符合标准的条件下，持续不断地供给用户所需要的功率负荷，维持电力系统的功率平衡，保证系统运行的经济性。
电力系统频率是电能的两大重要质量指标之一。电力系统频率偏离额定值过多，对电能用户和电力系统的设备运行都将带来不利的影响。我国规定，正常运行时电力系统的频率应当保持在50?0．2Hz范围之内。当采用现代自动装置时，频率的偏差可不超过0．05~0．15Hz。 维持电力系统频率在额定值，是靠控制系统内所有发电机组输入的功率总和等于系统内所有用电设备在额定频率时所消耗的有功功率总和实现的，其中包括机组和电网损耗。这种平衡一旦遭到破坏，电力系统的频率就会偏离额定值。为了维持频率稳定在额定值，首先必须对未来一段时间内的系统负荷需求进行预测，并在此基础上安排发电计划。随着负荷预测模型和算法的不断改进，以及负荷预测的体系的完善(超短期--短期--中期--长期)，制定的日发电计划准确率可以达到90％以上。但是由于电力系统的负荷功率是随机变化的，提前制定的发电计划和实际用电负荷之间总会存在一定的偏差，这种偏差反应在电网上，将会使频率偏离额定值。为了弥补这种偏差，需要实时控制发电机组跟踪负荷变化，因此电力系统运行中引入了自动发电控制，即通过频率偏差和(或)交换功率偏差
自动调节机组出力，使系统负荷重新达到平衡。
自动发电控(Automatic Generation Control)简称AGC，作为现代电网控制的一项基本功能，它是通过控制发电机有功出力来跟踪电力系统的负荷变化，从而维持频率等于额定值，同时满足互联电力系统间按计划要求交换功率的一种控制技术。它的投入将提高电网频率质量，提高经济效益和管理水平。自动发电控制技术在“当今世界已是普遍应用的成熟技术，是一项综合技术”。自动发电控制在我国的研究和开发虽然起步较早，但真正在电网运行中发挥效能，还是在最近几年。60年代初，我国几个主要电力系统都曾试验过自动频率调整(AFC)，而直到90年代，自动发电控制却还未能全部正常运行。近些年来，随着我国经济的高速发展，对安全、可靠、优质和经济运行，各大区电网都对频率的调整非常重视，并实行了严格的考核。用了AGC电网自动化运行水平的不断提高，有很长的路要走。1．1 电力市场解除管制前的 电网功能。其目的是使系统出力和系统负荷相适应，换功率等于计划值，并尽可能实现电厂机组间负荷的经济分配AGC是电网方式控制整个电站的有功功率来满足系统需要。基本目标：（1）使全系统的发电出力和负荷功率相匹配；（2）将电力系统的频率偏差调节到零，保持系统频率为额定值；（3）控制区域问联络线交换功率与计划值相等，（4）在区域内各发电厂间进行负荷的经济分配。 上述第一个目标与所有发电机的调速器有关，二和第三个目标与频率的二次调整有关，也称为负荷频率控制Frequency Control)往称为AGCEDC功能包括在 负荷频率控制通过对区域控制偏差率和网间的联络线交换功率的调整。 试中：PA间和标准时间；KT表示电钟偏差系数。 联络线频率偏差控制方式，定频控制方式，换功率控制方式随着计算机技术、
系统是互联电力系统运行中一个基本的和重要的计算机实时控制AGC的一个子系统。它是在满足各项约束的前提下，以迅速、经济的
。通常所说的DC(经济调度控制，即AGC功能之中的。ACEPS分别表示实际、预定联络线线功率；fA、fS分别表示实际、
。CFC(Constant CNIC(Constant 为实现这一目标，自动控制理论、自动发电控制逐步得到广泛的应用，AGC
AGC是指前三项目标，包括第四项目标时，往Economic Dispatching Control)
(ACE)调整到正常区域或零来实现系统频ACE表达式如下：PA?PS??10B??fA预定系统频率；TBC(Tie Line FrequencyControl)Net Interchange 全国各大电网均不同程度地采网络通讯等技术的发展，保持额定频率和通过联络线的交(电厂具体地说，自动发电控制有四个
实现各区域内有功功率的平衡；
即与频率的一次调整有关。LFC(Load
fS??KT?TA?TS?? (1TA、TS分别表示实际电钟时B表示系统频率偏差系数；
Control)，ACE，ACE不含(PAControl)，ACE不含电厂、但仍然还AGC)。电厂 第，但也有把．1) 按上式形成；PS)；定净交(fA?fS)。
技术。AGC 但??? ,Bias ? ACE体现的是电网中电力供需不平衡的程度，即在电网实际运行中，由于系统总的发电水平和负荷水平的不一致，导致系统的频率或(和)联络线交换功率与其额定值(计划值)的偏差。负荷频率控制将ACE分配给AGC受控机组，通过调整机组的出力来改变系统总的发电水平，以达到将ACE减到零的目的。
1．2 电力市场解除管制后的AGC 当前，我国电力工业正从传统的行政垄断管理体制向着电力市场化改革的方向发展。电力工业这种变革的基本目标在于，促进电力工业自身的持续、稳定、健康发展，提高电力市场效率，向全社会提供优质、低廉、安全可靠的电力产品和保障，从而取得更大的经济效益和社会效益。
电力市场建立后，电厂、电网逐步分离，电厂通过报竞价参与市场竞争，争取以最高的成交价格和最低的运行成本多发电，获取最大的经济效益，代表网省公司向电厂购电的电网监控中心，其任务在确保电网运行安全的前提下使全网运行成本最小转变为确保电网运行安全的前提下使网省公司向电厂支付的电费最少。
AGC作为一种辅助服务，已成为电力市场的重要组成部分。电网为了消除区域控制偏差，将ACE分配给各AGC电厂，由电厂再将发电任务在全厂各机组间经济分配，这一点和传统意义的AGC是一致的。电网中必须有足够的机组参与AGC，承担调频、调峰任务，保证系统频率质量。在我国传统运行机制下，调度员理所当然地“命令’’电厂无偿提供AGC辅助服务；而在电力市场环境下，发电从输配电中分离出来，电厂是独立的经济实体，和电网分属于不同的利益团体，只存在经济上的买卖关系，没有无偿提供该项服务的义务。对于整个电力系统来说，在保证电网安全、优质的前提下应尽可能的降低电费成本。采用何种方
式来获取AGC的辅助服务以及AGC机组最优调节容量的选取将是电力市场下电网AGC面临的新课题。
1．3 互联电网AGC控制性能考核
自2001年5月东北一华北电网首次实现了以500kV交流线路进行联网以后，全国联网工作进度进一步加快，先后又实现了华东一福建联网、华中一川渝联网。三峡电站首批机组的相继投运和华中一华北联网的即将投运，将在我国形成一个由东北、华北、华中、川渝电网组成的超大规模的跨大区交流互联电网。因此，跨大区互联电网AGC采用什么样的控制方式，通过什么样的标准对其控制质量进行评价是近年来业界所关注的一个热点问题。对此，国内的电网有关调度以及相关的科研机构进行了许多有益的研究和探索，特别是针对A1、A2标准和CPSl、CPS2标准的控制机理及其对电网控制质量的作用进行了较为细致的研究和分析，华东电网三省一市和福建电网还率先在国内采用CPSl、CPS2标准对其联络线控制质量进行评价，取得了较好的效果，为该标准在我国的普遍应用积累了经验。从我国一些大区电网AGC控制实际情况的分析，正常情况下，互联电网之间按照TBC方式控制较为适宜；但是按照A1、A2标准对AGC控制性能进行评价已经难于适应当今电网控制的要求，因此，加强对新的CPSl、CPS2评价标准的研究与应用有着重要的现实意义。
第二章 国内外研究概况
通常一个大区域互联电力系统，都由其联络线相互联结着的几个区域电网组成。每个区域电网都有其特定的电厂发电机组供电，因此每个区域电网都要负责其所在区域的功率负荷和预先制定的与相邻区域电网问所交换的功率负荷。各区域电网联络线上所要交换的功率都会提前依据合同来制定好。然而系统的小负荷扰动会带来系统频率和联络线上功率的不稳定，从而产生了AGC或负荷频率控制(LFC)的问题。当出现电网的区域负荷扰动或系统处于某些变化不定的参数下运行时，为了仍能够保持电力系统的安全和稳定运行，此时应该尽快地让系统频率和联络线上的功率偏离减至最小。现在普遍应用的方法都是对于区域控制偏差(AcE)的调节，通过包含频率和联络线上功率的ACE的反馈来使频率和交换功率 维持在设定值，从而来控制特定电厂主机组功率的输出。
在过去几十年旱，陆续形成了各种不同的AGC控制策略，目的都是为了使系统有更好的动态响应。这些控制策略比如：经典PI控制、最优控制、自适应控制和变结构系统控制都已经应用于AGC问题。这些控制器的目标是都希望以一种柔和的方式使频率和联络线上的功率能在最短的时间内恢复到它们的初始值。在特定的运行条件下，这些控制策略都能得到较好的控制结果。同时随着智能控制技术，比如：神经网络控制、模糊控制和遗传算法的发展，由于它们对非线性、不确定性、时变性等系统的控制所显示出来的优越性，因此也逐渐被引入到AGC的应用中去，从而解决了一些传统控制技术所不能解决的问题。
2．1 传统控制策略
由于传统的比例积分控制不但应用简单，而且在大量的工业应用中都能成功地将系统稳态误差调整为零，所以其应用非常广泛。但是它在动态性能控制方面表现出相对的不足，如过大的超调量或过长的动态调节时间，以及伴随着的暂态频率的震荡。控制实践表明积分增益的增大会导致超调量的增大，但是当积分增益减至零时，系统又将呈现稳态误差。为了静态和动态系统的精确性，一个可行的办法就是根据误差与标准值之间的比较值，将控制输出在比例和积分之间进行转变。然而，这种技术可能会导致系统输出的震荡响应，并且系统在适应新条件时，积分和比例增益的选择以及偏差值的得到都是相当困难的。 由于电力系统负荷的改变引起的不稳定特性，系统运行点将会在一个周期内改变很大。固定增益控制器都是在正常运行条件下而设计的，所以可能会在一个大范围扰动运行条件下并不能达到良好的控制效果。所以为了在大幅度扰动的运行条件下仍然能保持一个良好的控制效果，控制策略里就要求加入一些自适应的功能。自适应控制的任务是使系统在参数变化时能及时改变相应的参数，从而减小其敏感度。现在已经出现了带有自身调节的自适应控制器。虽然自适应控制器能够改善控制效果，但其设计过程复杂，并且需要在线模型识别系统。 线性优化控制理论的应用能提高系统的暂态响应。但是这些控制器的实现却是很困难的，并且代价也是昂贵的。因为最优控制器需要得到现实系统中所有的状态，所以在实际运用中并不是很实用。并且要实现它的话，那些不可观测的状态还需要进行估测，这些都限制了它的实际应用。基于线性反馈控制技术和基于里卡提方程的鲁棒控制器也已经被应用于AGC问题。基于里卡提优化矩阵的控制器包含了需要计算的大量的负荷和时间。即使状态估测技术是用来估测那些不可观测的状态变量的，但是数据却往往需要通过一定时间长距离的传输才能得到。
将所有信息经过一段时间进行长距离的传输是很不经济的，也很不实用。并且优化控制理论必须要依赖于权值矩阵，但这些矩阵并不是唯一。
在负荷频率控制问题方面，一些研究者已经应用变结构控制做了大量的工作。变结构控制VSC(Variable Structure Controllers)已经被应用到各种工程问题中，包括电力系统、航空、机器人。近20年来，变结构控制理论发展很快，与VSC控制设计的一个主要问题是选择反馈增益，通常情况下，增益选择通过实验校J下来确定满足系统的增益。变结构控制增益选择的问题是一个值得研究的问题。
变结构控制理论是一种综合方法，它的突出特点是对内部参数的变动和外部扰动作用具有鲁棒性，或称不灵敏性，自适应性。因此变结构控制受到世界范围的重视，发展非常迅速。
电力系统是一个典型的大维数动态系统，它具有强非线性、时变性且参数不确切可知，并含有大量未建模动态部分。而变结构控制器具有响应速度快，对被控系统的参数变化不敏感，鲁棒性好等优点，成为电力系统研究者关注的一个焦点。随着非线性系统线性化理论的突破性进展。产生了非线性系统变结构控制器的设计方法，这种方法设计的控制器将非线性系统的线性化理论和线性系统的变结构理论有机地结合起来，具有很强的鲁棒性。应用变结构控制的目的在于当系统参数变化需要一个在实际中没有精确的状态空间描述时，却能够提供一个敏感的控制。但是变结构控制器在控制点切换时存在颤振现象，且它需要复杂的结构和设计，所以其实现是很困难与昂贵的。Sivaramakrishnan等人应用极点替换技术为LFC提供了一个变结构控制系统，这个系统为LFC应用了极点配置技术，从而在没有指定满足的滑模条件下，得到了期望的滑动模态，这个模态需要并行变换与增益的改变。
上述所有的方法都需要在一定的现实条件下才能得到良好的性能。由于电力系统的非线性，要在广域范围内无条件的情况下得到如此的理想的性能是相当困难的。虽然上述这些方法某些方面确实在进步，但是他们全部比经典的PID控制策略要复杂。随着人工智能技术的出现，比如模糊逻辑、神经网络以及神经一模糊系统等等，以及基于启发式算法的出现，比如遗传算法(GA)、模拟仿真(SA)与粒子群优化(PSO)，这些方法也逐渐被应用到AGC控制的研究中。
2．2 基于人工智能的控制方法
人们对神经网络的研究是从1943年Mcculloch和Pitts提出第一个神经模型(MP)开始的。1982年美国物理学家Hopfield提出I-INN模型，使神经网络的研究有了突破性进展。他通过引入能量函数的概念，给出了网络的稳定性判据，之后Rumelhart和Mcelelland以及他们领导的PDP小组致力于认知微观结构的探索提出了PDP理论。同时发展了多层网络的BP学习算法，不仅为解决多层网络的学习问题开辟了成功之路，而且客观上将神经网络的研究推向了高潮。进入90年代以来，神经网络的研究进入了一个空前高涨的时期，多数研究集中在网络结构，学习算法和实际应用三个方面。例如对静态网络，提出了许多网络模型：如BP网络，正交函数网络，径向基函数RBF网络，样条函数网络，小波函数网络等模型。从应用角度看BP网络有很强的生物背景，虽与函数逼近理论略有差异，但是其卓越的输入输出映射特性在多变量函数逼近方面具有很强的优势。BP网络是目前应用最为广泛的一种网络模型。
由于人工神经网络具有大规模并行、分布式存储和处理、自组织、自适应和