技术摘要：
本发明公开了一种单建议运行区水电机组有功功率控制方法，属于水力发电控制技术领域。将自动发电控制功能划分为电站级AGC模块、机组级PLC模块和机组级调速器模块后分配任务，确定参数和赋值关系以及依赖关系；建立包含AGC控制机组所有可能分布方式及其对应的组合运行区  全部
背景技术：
水电站对于有功出力的控制普遍采用先将全站总有功设定值通过自动发 电量控 制功能(Automatic  Generation  Control，简称AGC)分配至各台水轮发 电机组(以下简称 机组)，然后由各台机组功率调节机构根据单机AGC有功分  配值分别进行闭环调节的方式。 长期以来在各水电站的实际应用中，自动发电  控制功能普遍存在算法粗糙、完整性缺乏、 各功能块衔接性差、策略之间逻辑  不匹配甚或冲突、分配延时高、分配结果不够理想等缺 点，导致电站在面对较  为复杂的工况(如：一二次调频冲突、穿越振动区等)时容易出现各 种异常情 况。 基于以上原因，文献1《一种水电站自动发电有功出力控制方法》(申请公  布号 CN105914795A)、文献2《一种水电站自动发电有功出力控制参数预处 理方法》(申请公布号 CN105811473A)、文献3《一种基于机组组合出力模型 的水电站AGC有功分配方法》(申请公 布号CN105870979A)、文献4《一种  面向具有多运行区水电机组的多机组合建模方法》(申请 公布号  CN106056236A)、文献5《考虑复杂约束的水电站AGC控制策略》(电机工程  学报第37 卷第19期)、文献6《南方电网水电厂AGC算法设计及调节性能  评估》(水电与抽水蓄能第3卷 第5期)共同提出了一种水电站自动发电有功  出力控制方法，能根据水电站的全站总有功 设定值计算各台机组的单机有功设  定值，并对各台机组分别进行闭环反馈调节，同时满足 机组规避振动区和电网 一次调频的运行要求。 但文献1-6为了保证所提出方法的通用性，采用了由联合建模、单机分布  方式计 算、有功分配计算三个步骤组成的AGC分配方法。其算法设计较为繁  琐，AGC程序复杂性高， 从而带来AGC程序编写、调试、维护、修改、优化  等环节的繁琐性，以及由此而来的客观上的 安全风险。 于是有文献7《一种基于穷举的水电站AG C有功分配方法》(申请公布号  CN110661302A)对文献1-6的方法进行了简化，采用一种基于穷举、量化、 比较的计算量较 大的AGC分配方法。同时由于文献7采用了更加简洁的算法，  相比文献1-6反而降低了AGC分 配程序的运算时间。同时文献7考虑了二次  调频动作期间，如果采用文献1-6方法可能导致 机组频繁改变分布方式并反复  穿越振动区的问题，在防止机组进入限制运行区分配策略 的基础上，增加了防  止机组穿越振动区的策略，以供在不同的运行工况下选择不同的分配 策略。 通过文献1-7的工作，虽然极大提升了水电站有功控制策略上的统一性，  基本消 除了策略间冲突带来的异常问题，但有一些问题尚待解决：1)依然存  在部分不合理的策略 和逻辑，并在运行过程中或多少带来了一些问题，例如：  单机有功闭环调节功能未投入的 机组的单机有功实发值参与AGC分配运算，  但由于机组有功功率始终处于小幅变化状态， 7 CN 111740452 A 说　明　书 2/17 页 因此会导致AGC功能进行频繁 的重新分配；以及目前全厂AGC功能的投入，均以有机组投入 AGC控制为前  提条件，考虑到可能出现某机组投入AGC而全厂AGC功能并未投入的情况，  该 逻辑在实际应用中存在着较大的缺陷。2)文献7虽然在文献1-6的基础上，  对二次调频频繁 动作情况下机组反复穿越振动区的问题进行了考虑，但是在两  种分配策略的选择上，即优 先防止机组进入限制运行区，还是优先防止机组穿  越振动区两种策略的选择上稍显极端 和机械，导致部分工况下，尤其是在优先  规避机组穿越振动区策略支配下时，对机组分布 方式的选择结果不甚理想。3)  对于AGC分配计算而言，在目前计算机硬件运算速度的支持 下，相比通过复  杂的逻辑来降低计算量而言，提升AGC分配算法的逻辑简洁性，对于程序运  行效率的提升具有远为重要的意义，在这一问题的处理上，文献7相比文献1-6  有很大进 步，但仍存在一定的优化空间；4)从多年的水电发展经验来看，按  照水电机组在额定容量 范围内区间从低到高的划分排列，所有水电机组基本可 以分为3类，包括最常见的振动区 →建议运行区机组，以糯扎渡、小湾等电站  为代表的振动区1→限制运行区→振动区2→建 议运行区机组(单建议运行区  机组)，以苗尾电站为代表的较为少见的振动区→建议运行 区1→限制运行区→  建议运行区2机组(双建议运行区机组)，同时由于水力环境相同，水电 站绝  大部分情况下所有水电机组均属于同一种类型，从而使完全定制性的针对不同  类型 机组设计完全不同的AGC分配策略成为了可能，由于第一类机组类型的  运行工况非常简 单，实际上需要解决的也只是后两类机组的AGC分配问题。 从这个角度看，文献1-7，尤其是 文献1-6的问题之一在于，其方法完全针对  运行区到运行区需要经过振动区过渡(即第二 类机组)的机组类型进行设计，  难以适用于第三类水电机组，但同时又没有针对第二类水 电机组的特征进行完  全定制化的方法设计。 此外为了进一步提高电网的运行稳定性，激励发电企业提供更优质的调频  辅助 服务，充分发挥市场在资源配置中的决定性作用，近两年来各电网广泛建  立调频辅助服务 市场，以南方各电网为例，目前广东电网调频市场已正式投入  运行，云南等省份电网的调 频市场也将在2020年投入运行。调频市场机制的  引入给水电站有功功率调节带来的变化 包括：1)采用了预先中标机制，从而  使是否参与二次调频、二次调频可能达到的调节幅度， 对水电站由不确定因素  变为了确定因素，从而使电站有可能通过将二次调频中标容量引 入AGC功能  块，来进一步优化AGC分配策略；2)二次调频由考核机制转为竞争机制，相 比考 核机制的过门槛要求，竞争机制无疑对水电站有功功率调节的各项性能，  包括调节延时、 调节速率、调节精度提出了更高的要求，其中前两项指标，尤  其是调节延时指标受AGC分配 性能的强烈影响，因此在调频市场的竞争机制  下，有必要针对水电站有功功率调节性能以 及AGC计算性能进一步大幅优化，  例如在以往的考核机制下，水电站AGC功能往往与监控系 统核心数据服务器  部署于同一硬件节点，以节省数十万人民币的成本投入，但今后为了在 调频市  场中取得更大的竞争力，单独部署AGC运算硬件节点以提高运算性能，无疑  将成为 更加主流的做法。在此背景下，以在一定程度上牺牲算法的兼容性和普  遍性为代价，根据 不同类型的水电站机组类型特征，分别针对水电站有功功率 自动化控制或AGC算法进行优 化设计，以适应未来的市场环境，无疑是十分  必要的。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种单建议运行区水电机组有  功功 8 CN 111740452 A 说　明　书 3/17 页 率控制方法，适用于区间划分从低到高依次为振动区1→限制运行区→振  动区2→建议运 行区机组类型的水电站，能根据水电站的全站总有功设定值快  速计算各台机组的单机AGC 有功分配值和单机有功设定值，同时满足机组规  避振动区和限制运行区的运行要求。 本发明是通过以下技术方案来实现： 一种单建议运行区水电机组有功功率控制方法，包括以下步骤：包括以下 步骤： 步骤1：将自动发电控制功能模块划分为电站级AGC功能模块、机组级  PLC功能模 块和机组级调速器功能模块，并分配各功能模块的任务； 步骤2：确定步骤1所划分各功能模块的参数和赋值关系，以及各项功能  模块投入 的依赖关系； 步骤3：建立包含AGC控制机组所有可能分布方式及其对应的组合运行  区间的中 间表； 步骤4：根据全站总有功设定值和步骤3建立的中间表，确定投入AGC  控制的机组 最优的机组分布方式； 步骤5：计算各投入AGC控制机组的单机AGC有功分配值； 步骤6：将步骤5得到的单机AGC有功分配值发送至各机组，进行单建  议运行区水 电机组的有功功率控制。 优选地，步骤1中，分配各功能模块的任务，具体为： 电站级AGC功能模块，负责根据AGC总有功分配值计算投入AGC控制 的各水电机组 的单机AGC有功分配值； 机组级PLC功能模块，负责根据运行人员的操作指令，将单机有功设定  值发送至 调速器；负责在自动开机流程结尾阶段控制调速器将机组有功增加至  基荷；负责在自动停 机流程开始阶段控制调速器将机组有功降低至基荷； 机组级调速器功能模块，当所属机组投入单机有功闭环控制但未投入AGC  控制 时，负责根据机组级PLC功能模块发送的单机有功设定值进行单机有功  功率闭环调节；当 所属机组投入单机有功闭环控制且投入AGC控制时，负责  根据电站级AGC功能模块发送的 单机AGC有功分配值进行单机有功功率闭环  调节；无论所属机组是否投入单机有功功率闭 环控制，均根据电网频率变化进  行一次调频调节，一次调频调节与单机有功功率闭环调节 同时作用时，采用叠  加调节机制。 优选地，步骤2中，参数包括实时参数和预设参数； 实时参数：包括全站总有功设定值、水头、各机组单机有功设定值、各机  组单机有 功实发值和各机组单机AGC有功分配值； 预设参数：包括各机组不同水头下的建议运行区上下限、限制运行区上下 限、中 标二次调频容量、二次调频预留容量、进入限制运行区运行优先级和各  机组单机有功调节 死区； 赋值关系包括： 2.1当机组投入单机有功功率闭环控制且投入AGC控制时，单机AGC有  功分配值赋 值给单机有功设定值，调速器根据单机有功设定值对各机组单机有  功实发值进行闭环调 节； 2.2当机组投入单机有功功率闭环控制但未投入AGC控制时，单机有功设  定值赋 9 CN 111740452 A 说　明　书 4/17 页 值给单机AGC有功分配值，调速器根据单机有功设定值对单机有功实 发值进行闭环调节； 2.3当机组未投入单机有功功率闭环控制且未投入AGC控制时，单机有功  设定值 赋值给单机AGC有功分配值，调速器不再根据单机有功设定值对单机  有功实发值进行闭环 调节，同时如果单机有功实发值与单机有功设定值的差值  绝对值大于单机有功调节死区， 则单机有功实发值赋值给单机有功设定值； 2.4AGC总有功分配值等于全站总有功设定值减去所有未投入AGC控制  机组的单 机有功设定值，单机有功设定值满足2.1、2.2和2.3所述的赋值关系； 各项功能模块投入的依赖关系包括： 机组处于开机状态是机组投入单机有功功率闭环控制的前提条件，当机组  不在 开机状态时，单机有功功率闭环控制自动退出； 机组投入单机有功功率闭环控制，且水电站AGC功能投入，是机组投入  AGC控制的 前提条件，当机组退出单机有功功率闭环控制，或水电站AGC功  能退出时，机组退出AGC控 制； 水电站AGC功能投入不依赖于是否有机组投入AGC控制。 优选地，步骤3的具体步骤为： 步骤3.1：根据各机组当前运行区间，建立代表各机组当前分布方式的n  维行向量 Z＝[z1,z2,……zi……zn]，其中n为水电站机组数量或可能参与AGC运  算的最大机组数量， zi为i号机组当前运行区变量，当该机组投入AGC控制且  处于建议运行区时zi为-1，当该机 组投入AGC控制且处于限制运行区时zi为1， 当该机组投入AGC控制且处于振动区1时zi为1， 当该机组投入AGC控制且 处于振动区2时为-1，当该机组未投入AGC控制时zi为0； 步骤3.2：建立2n个n维行向量，其中每个n维行向量均由1或-1组成，  根据n个元素 取值为1或-1的不同，共有2n种不同的取值方式； 步骤3.3：将步骤3.1建立的n维行向量Z与步骤3.2建立的2n个n维行  向量分别进 行矩阵点乘，得到2n个表示所有AGC控制机组可能的分布方式的  n维行向量，分别为Z1、Z2、 Z3……Zm……Z2^n，当AGC控制机组数量少于n 时，行向量Z中的元素可能为0，表示AGC控制机 组可能的分布方式的2n个  n维行向量中可能有重复的行向量； 步骤3.4：根据当前水头，建立各机组限制运行区上下限矩阵A，建议运  行区上下 限矩阵B，A、B均为n行2列矩阵，矩阵中的元素A(i,1)、B(i,1)  分别为当前水头下i号机组限 制运行区下限、建议运行区下限，矩阵中的元素  A(i,2)、B(i,2)分别为当前水头下i号机组 限制运行区上限、建议运行区上限； 步骤3.5：根据当前水头下各机组的限制运行区、建议运行区，建立不同  分布方式 下，投入AGC机组的组合运行区间，共有2n个2维行向量，分别为  C1、C2、C3……Cm……C2^n，其 中 其中Cm中 的第一个元素是机组分布方式Zm对应组 合运行区间的下限，Cm中的第二个元 素是机组分布方式Zm对应组合运行区间的上限； 步骤3.6：根据步骤3.1建立的n维行向量Z对AGC控制机组各种可能分  布方式Zm的 优劣性参数f m1 进行计算； 步骤3.7：将步骤3.3得到的表示所有AGC控制机组可能的分布方式的n  维行向量 Zm，步骤3.5得到的组合运行区间Cm和步骤3.6得到的优劣性参数f m1 按照对应关系进行组 10 CN 111740452 A 说　明　书 5/17 页 表，得到包含AGC控制机组所有可能分布方式及其对应 的组合运行区间的中间表； 每当有机组投入AGC、有机组退出AGC、水头变化导致机组限制运行区  范围变化、 水头变化导致机组建议运行区范围变化或AGC分配完成且有投入  AGC控制机组的运行区间 发生变化时，重新建立中间表。 进一步优选地，步骤3.6的具体步骤为： 步骤3.6.1：计算AGC控制机组分布方式由Z转变为Zm所增加限制运行 区机组数量 的权重参数 其中 是行向量Zm的第i个元素； 步骤3.6.2：计算AGC控制机组分布方式由Z转变为Zm需要穿越振动区 的机组数量 的权重参数 步骤3.6.3：计算AGC控制机组分布方式由Z转变为Zm所增加限制运行 区机组的优 先级权重参数 其中ηi为机组i进入限制运行区  运行的优先级参数， 按照各机组预设优先级不同，从高到低依次为1至n，式 中100和101为常量因子； 步骤3.6.4：计算AGC控制机组各种可能分布方式Zm的优劣性参数  f m＝αm βm γm1 。 进一步优选地，步骤4的具体步骤为： 步骤4.1：周期性对AGC总有功分配值进行计算 其中Pagc 为AGC总有功分配值，P为全站总有功设定值， 为机组i的单机  有功设定值且满足步骤2 中的赋值关系； 步骤4.2：根据步骤4.1计算所得AGC总有功分配值，对AGC控制机组  各种可能分布 方式Zm与AGC总有功分配值的匹配度参数 进行计算； 步骤4.3：将步骤3.6得到的优劣性参数f m1 与步骤4.2得到的匹配度参数 相加， 得到排序参数 步骤4.4：对AGC控制机组所有可能的分布方式Zm对应的排序参数fm进  行排序，从 中选择最小的参数f’，若有多个排序参数同为最小，则随机选择一  个；若f’大于100，则发 出“全站总有功设定值无法分配到位”的报警； 步骤4.5：选择步骤4.4得到的最小参数f’所对应的AGC控制机组的分布  方式Z’＝ [z1’,z2’,……zi’……zn’]作为最优的机组分布方式，zi’为AGC重新分配  后i号机组所处的 运行区，当zi’为-1时该机组处于建议运行区，当zi’为1时该  机组处于限制运行区，当zi’为 0时表示该机组不受AGC控制； 步骤4.6：对步骤4 .5得到的最优的机组分布方式Z’的有效性进行判断，  如果 则继续执行后续步骤，否则终止本次  单机AGC有 功分配；其中c1’、c2’分别为AGC控制机组的分布方式Z’对应的 组合运行区间的上下限； 每当有AGC控制的机组落入振动区、AGC总有功分配值发生变化或有机  组投入或 11 CN 111740452 A 说　明　书 6/17 页 退出AGC控制时，重新对投入AGC机组的最优分布方式进行计算。 进一步优选地，步骤4.2的具体步骤为： 步骤4.2.1：计算判断AGC总有功分配值是否包含在组合运行区间Cm内  的权重参 数 其中 是行向量Cm的第i个元素， sgn是符号函数，常量50为权重因子，可随机组数量多少自行  调整； 步骤4.2.2：计算由于二次调频导致机组短时间内再次下穿振动区可能性的  权重 参数 其中Pf为人为设定的二次调频预留容量，设定原  则是：0≤Pf≤ 中标二次调频容量； 步骤4.2.3：计算AGC控制机组各种可能分布方式Zm与AGC总有功分配  值的匹配度 参数 进一步优选地，步骤5的具体步骤为： 每当对投入AGC控制的机组最优的机组分布方式进行计算后，即接着进  行各机组 单机AGC有功分配值的计算； 步骤5 .1 ：建立各机组分配有功后所处运行区范围的 n行 2列矩阵 K ，  步骤5.2：建立各机组分配有功过程中的单机有功设定值的n维行向量  J＝[p1’, p2’,……pi’……pn’]，其中 median为取中间 值函数； 步骤5.3：计算待分配的AGC总有功分配值 步骤5.4：计算各机组可分配空间的n维行向量L＝[l1 ,l2 ,……li……ln]，其  中 步骤5.5：计算参与分配的机组数量x， 其中INT  为取整 函数，pmin为预设小负荷门槛参数； 步骤5.6：对步骤5.4得到的各机组可分配空间的n维行向量L进行修正，  按从大到 小的顺序，将除前x个之外的向量元素清0，得到行向量L’＝[l1’,  l2’,……li’……ln’]； 步骤5.7：求步骤5.6得到的行向量L’的各元素之和，并与待分配的AGC  总有功分 配值|ΔPagc|进行比较，如果小于|ΔPagc|且x小于n，则将x加1后，重复  步骤5.6、步骤5.7； 如果大于等于|ΔPagc|或者x等于n则跳过此步骤； 步骤5.8：建立各机组重新分配有功后的单机AGC有功分配值的n维行向  量G＝ [g1,g2,……gi……gn]，其中 进一步优选地，步骤6的具体步骤为： 12 CN 111740452 A 说　明　书 7/17 页 步骤6.1：建立各机组重新分配有功前的n维行向量G’＝[g1’,g2’,……  gi’…… gn’]，其中 步骤6.2：计算n维行向量ΔG＝[Δg1 ,Δg2 ,……Δgi……Δgn]，其中  Δgi＝gi- gi'； 步骤6.3：分别计算变量u、v、w，其中u是ΔG所有元素的累加值，v是  ΔG所有大于0 的元素的累加值，w是ΔG所有小于0的元素的累加值； 步骤6.4：如果u>0，则v＝min(s u,v)，w＝max(-s,w)，否则v＝min(s,v)，  w＝max (-s u,w)，其中s是单机有功设定值变化门槛值； 步骤6.5：根据步骤6.4得到的v、w，对各机组单机有功设定值 进行更 新； 步骤6.6：对各机组单机有功实发值与单机有功设定值进行循环对比，直  到单机 有功实发值进入单机有功设定值调节死区； 步骤6.7：重复以上步骤，直到各机组单机有功设定值等于单机AGC有功 分配值。 进一步优选地，步骤6.5的具体步骤为： 步骤6.5.1：将v与n维行向量ΔG中第一个大于0的元素进行比较，将该  第一个大 于0的元素赋值为min(该元素值,v)，且v＝v－赋值后的该元素值； 步骤6.5.2：参照步骤6.5.1，对ΔG中所有大于0的元素，按顺序执行赋 值操作； 步骤6.5.3：将w与n维行向量ΔG中第一个小于0的元素进行比较，将  该第一个小 于0的元素赋值为max(该元素值,w)，且w＝w－赋值后的该元素值； 步骤6.5.4：参照步骤6.5.3，对ΔG中所有小于0的元素，按顺序执行赋 值操作； 步骤6.5.5：各机组单机有功设定值 进行更新： 与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果： 本发明公开的单建议运行区水电机组有功功率控制方法，为适应调频市场  带来 的新形势和新要求，进一步提升各水电站二次调频在常规电网、异步送端 电网、水电富集 电网等不同类型电网电力系统稳定性中的重要作用，在文献1-7  工作的基础上，针对工况 较为复杂的振动区1→限制运行区→振动区2→建议  运行区机组(单建议运行区机组)，延 用文献7所采用的穷举或罗列的方法，  并通过数学解析式的方法在文献7的基础上进一步 提升方法的简洁性，同时文  献1-7在AGC总有功分配值无法得到有效分配时，均采用退出 AGC功能或忽 略该分配值的方法，目前看来这种应对过于消极了，出于进一步提升电网稳 定  性的考虑，本发明纠正了这一点，在客观条件最大允许程度内对调度调节指令  进行响 应。 本发明的优点主要包括以下几个方面： 1 .本发明根据机组所处运行区间以及是否投入AGC控制，将电站所有机  组使用- 1、1、0三个常量表示，得益于此能够在不排除非发电机组和未投入  AGC控制机组的前提下， 将列举各机组所有可能的分布方式、计算对应组合  运行区、单机AGC有功分配等步骤在较 为统一的形势下进行公式化，从而大 幅提高了方法的精简性和逻辑的清晰性； 2.本发明通过将二次调频预留容量纳入匹配度参数进而参与排序的做法， 同时 兼顾了较少机组处于限制运行区以及防止机组频繁穿越振动区两个需求  之间的矛盾性， 从而解决了文献7面临的两难问题； 13 CN 111740452 A 说　明　书 8/17 页 3.本发明通过将AGC总有功分配值是否包含在组合运行区间内纳入匹配  度参数 进而参与排序的方式，改变了以往所有方法AGC功能或者完全响应调  节指令、或者完全不 响应调节指令的做法，当AGC无法完全响应调节指令时，  采用最接近于调节指令的AGC分配 方式，来提高对电网指令的响应度，进而  实现电力系统稳定性的提升。同时在本策略支配 下，可以避免很多极端工况下  AGC功能退出的可能性，有助于缓解水电站事故情况下对电 网造成的不良影 响，并且大幅提高水电站AGC功能的鲁棒性； 4.本发明在计算AGC有功分配值时，不再采用文献1-6提出的迭代分配方  法，而是 采用了先确定参与AGC分配的机组，然后一次性按可调空间的比例  分配到位的方式，相比 文献1-6提出的方法，不但提高了分配速度，而且在兼  顾所有机组尽量远离运行区间边界 的前提下，尽可能保证有适当数量的机组参  与有功功率调节，从而变相提高了水电站参与 二次调频的整体调节速率； 5.本发明在AGC有功分配值下发至各机组时，采用了对反向平衡的机组  单机有功 设定值变动部分分步下发的方式，从而避免了机组间功率平衡过程中  全站有功功率可能 产生的波动。 附图说明 图1为本发明的单建议运行区水电机组有功功率控制方法的主流程图； 图2为本发明的电站级AGC功能模块、机组级PLC功能模块和机组级调  速器功能模 块间的网络拓扑连接及数据流示意图。