徐春雷, 徐 瑞， 仇晨光, 張小白， 錢玉妹， 劉俊偉

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司, 江蘇 南京 210024； 2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

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·專論與綜述·

發(fā)電機組一次調(diào)頻在線測試與AGC性能考核系統(tǒng)設(shè)計

徐春雷1, 徐 瑞2， 仇晨光1, 張小白2， 錢玉妹1， 劉俊偉2

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司, 江蘇 南京 210024； 2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

電力市場環(huán)境下，需要合理評價發(fā)電機組提供的調(diào)頻輔助服務(wù)，以保證市場公正公平。本文通過分析當(dāng)前調(diào)頻輔助服務(wù)考核中一次調(diào)頻與自動發(fā)電控制(AGC)考核所面臨的問題，提出了一次調(diào)頻在線測試與AGC控制性能考核系統(tǒng)架構(gòu)和設(shè)計思路；針對一次調(diào)頻考核對過程數(shù)據(jù)的精度和時效性要求，提出了基于電廠遠控終端(RTU)和同步相量測量裝置(PMU)多源數(shù)據(jù)的一次調(diào)頻在線測試方法，利用多源數(shù)據(jù)的時標(biāo)校對、統(tǒng)計信息篩選完善考核結(jié)果的計算方式，更加準(zhǔn)確評估機組的一次調(diào)頻性能；提出了基于調(diào)節(jié)速率分布的調(diào)節(jié)精度計算方法，通過調(diào)節(jié)精度修正因子建立速率與精度的聯(lián)動機制，以約束機組控制行為并引導(dǎo)其行為優(yōu)化；最后通過應(yīng)用案例分析，證明了所述方法的有效性。

一次調(diào)頻測試; 機組控制性能; 考核評價; 調(diào)節(jié)精度

0 引言

隨著特高壓交直流電網(wǎng)的建設(shè)和電力市場化改革的逐步推進，電網(wǎng)對發(fā)電機組一次調(diào)頻和自動發(fā)電控制(AGC)提出了更高要求，與之相應(yīng)的調(diào)頻輔助服務(wù)考核與評價需求也更加迫切[1]。電網(wǎng)通過建立和完善輔助服務(wù)考核評價系統(tǒng)，引導(dǎo)電廠對發(fā)電機組調(diào)頻控制行為優(yōu)化，對于提升電網(wǎng)運行控制性能、保證電網(wǎng)運行安全意義重大[2]。

電力市場調(diào)頻輔助服務(wù)是維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定、實時有功供需平衡的重要手段，涵蓋了一次調(diào)頻和AGC兩個重要環(huán)節(jié)。目前機組一次調(diào)頻性能的測定采用基于電網(wǎng)頻率擾動事件的在線監(jiān)測和模擬頻率擾動的在線測試兩種方法。其中一次調(diào)頻在線監(jiān)測利用實時量測數(shù)據(jù)或高采樣頻度的同步相量測量裝置(PMU)數(shù)據(jù)分析頻率擾動中機組的一次調(diào)頻動作功率，計算和評估機組一次調(diào)頻性能[3-7]。模擬頻率擾動的一次調(diào)頻在線測試由調(diào)度下發(fā)一次調(diào)頻測試指令，電廠一次調(diào)頻功能自動接入模擬頻差信號，測試和統(tǒng)計機組一次調(diào)頻性能[7,8]。然而，一次調(diào)頻在線監(jiān)測對擾動事件的頻率變化和頻偏時間有較高要求[3]，同時受到機組并網(wǎng)和一次調(diào)頻投入狀態(tài)、AGC指令的影響，該方法過多地依賴于大功率擾動事件，具有一定隨機性和不確定性，無法作為常態(tài)化的考核手段；一次調(diào)頻在線測試則受調(diào)度與廠站間通信延時的影響，難以準(zhǔn)確識別一次調(diào)頻動作時刻，由于各廠站延時存在差異，其統(tǒng)計指標(biāo)的優(yōu)劣將直接影響考核的準(zhǔn)確性和公正性。因此，有必要完善一次調(diào)頻考核功能，形成對電網(wǎng)一次調(diào)頻的有效監(jiān)管，切實發(fā)揮一次調(diào)頻在突發(fā)性事故中的應(yīng)急作用[9]。

AGC機組調(diào)節(jié)效能評估已初步形成了包含調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、調(diào)節(jié)貢獻量等指標(biāo)的評價體系[10-12]，并根據(jù)CPS標(biāo)準(zhǔn)對機組調(diào)節(jié)任務(wù)分解提出了機組性能評價標(biāo)準(zhǔn)[13-15]。調(diào)節(jié)精度采取均值考核方式，實際運行中，部分機組對上調(diào)指令響應(yīng)積極、下調(diào)指令響應(yīng)不積極，考核結(jié)果卻滿足要求，這種調(diào)節(jié)行為嚴(yán)重影響了電網(wǎng)控制性能和電量進度安排，失去了考核的公正性。調(diào)節(jié)精度考核無法體現(xiàn)機組調(diào)節(jié)速率的貢獻，亦無益于系統(tǒng)調(diào)節(jié)品質(zhì)的提升?？紤]到調(diào)節(jié)速率快的機組指令刷新間隔短，承擔(dān)了更多的擾動調(diào)整容量，有必要建立速率與精度的聯(lián)動機制，使對電網(wǎng)有益的機組在精度考核中得以補償。

本文針對當(dāng)前機組調(diào)頻輔助服務(wù)考核面臨的問題，提出了一次調(diào)頻和AGC性能考核系統(tǒng)的建設(shè)方案，通過對一次調(diào)頻在線測試和AGC性能統(tǒng)計方法的改進和完善，以提高考核準(zhǔn)確性和控制性能評估的合理性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

發(fā)電機組一次調(diào)頻在線測試與AGC性能考核系統(tǒng)(簡稱考核系統(tǒng))與AGC應(yīng)用共享機組模型、網(wǎng)絡(luò)通信和人機界面，由調(diào)度側(cè)和廠站側(cè)兩層級主體構(gòu)成，通過調(diào)度側(cè)與廠站側(cè)的數(shù)據(jù)交互、電廠遠控終端(RTU)和PMU數(shù)據(jù)并行處理，完成數(shù)據(jù)處理和考核統(tǒng)計功能。由于一次調(diào)頻性能統(tǒng)計對量測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時效性要求較高，考慮到PMU每秒25幀以上高頻度量測以及GPS對時的優(yōu)勢，可彌補RTU量測的通道延時和采樣頻度低的缺點，而RTU量測接入數(shù)據(jù)更全面，可覆蓋全部并網(wǎng)機組，因此充分利用兩類數(shù)據(jù)優(yōu)勢進行計算分析。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 考核系統(tǒng)架構(gòu)Fig.1 Framework of assessment system

廠站側(cè)RTU執(zhí)行調(diào)度側(cè)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視(SCADA)下發(fā)的遙調(diào)和遙控指令，并上送機組遙測、遙信量至調(diào)度側(cè)；PMU實時采集廠站功率、相位、相角等信息并上送至調(diào)度側(cè)廣域監(jiān)測系統(tǒng)(WAMS)。調(diào)度側(cè)接收和處理廠站側(cè)RTU上送遙測、遙信量以及PMU數(shù)據(jù)，計算一次調(diào)頻、AGC性能指標(biāo)并將統(tǒng)計結(jié)果存入歷史庫。歷史數(shù)據(jù)庫用于存儲RTU量測數(shù)據(jù)、測試記錄和統(tǒng)計結(jié)果；時間序列數(shù)據(jù)庫用于存儲PMU數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)功能

2.1 軟件數(shù)據(jù)流程

考核系統(tǒng)根據(jù)機組控制模式確定機組運行狀態(tài)，當(dāng)機組一次調(diào)頻測試允許和遠方控制開啟時，可分別投入一次調(diào)頻測試或AGC，執(zhí)行一次調(diào)頻在線測試和AGC性能考核數(shù)據(jù)流程，如圖2所示。

圖2 考核系統(tǒng)軟件數(shù)據(jù)流程Fig.2 Data flow of assessment system software

一次調(diào)頻測試采取人工觸發(fā)方式，當(dāng)機組控制模式修改為增負荷(PFRUP)、減負荷(PFRDN)或特性參數(shù)后，首先執(zhí)行一次調(diào)頻遙控測點和點號的安全性校驗，校驗通過后依次下發(fā)一次調(diào)頻投入、增負荷/減負荷/特性參數(shù)測試信號并開始測試；測試開始后，監(jiān)視機組有功功率和負荷指令、記錄并存儲測試數(shù)據(jù)；測試時間定時結(jié)束后，下發(fā)一次調(diào)頻測試退出信號使機組退出測試，待測試屏蔽定時結(jié)束后恢復(fù)機組測試前控制模式。其中，測試屏蔽定時的目的是給機組緩沖恢復(fù)的時間，避免火電機組鍋爐主蒸汽壓力尚未恢復(fù)而再次投入測試。

一次調(diào)頻考核進程在測試結(jié)束后，通過訪問歷史庫獲取日志、測試過程機組RTU有功功率、負荷指令和頻差等數(shù)據(jù)，以及時間序列數(shù)據(jù)庫機組PMU量測數(shù)據(jù)，分別計算調(diào)頻測試結(jié)果；綜合兩測試結(jié)果數(shù)據(jù)計算本次測試的考核結(jié)果，用于月度考核。

AGC機組控制性能考核分為投運率統(tǒng)計、調(diào)節(jié)速率精度統(tǒng)計和可調(diào)范圍測試3個模塊。其中，調(diào)節(jié)速率精度統(tǒng)計實時監(jiān)視自動模式(AUTO)、計劃模式(SCHE)機組的控制指令和出力變化，并判斷指令響應(yīng)過程中系統(tǒng)或機組有無異常(如頻率跳變或機組退出AGC)，若異常則對本次控制指令實施免考，調(diào)節(jié)過程結(jié)束后計算調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度，該結(jié)果將用于調(diào)節(jié)速率和精度的季度均值、方差的計算。可調(diào)范圍測試根據(jù)機組出力所處區(qū)間給出可上測或可下測狀態(tài)，控制模式修改為調(diào)節(jié)范圍測試后，則自動下發(fā)控制指令將出力帶到調(diào)節(jié)上限或調(diào)節(jié)下限，以檢查機組的最大可調(diào)區(qū)間是否滿足要求。

2.2 一次調(diào)頻在線測試與考核

2.2.1 一次調(diào)頻在線測試原理

以火電機組為例，一次調(diào)頻測試通過對機組數(shù)字電液(DEH)和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)(CCS)控制回路改造[8,16,17]，使其在開始一次調(diào)頻增、減負荷測試后斷開機端頻率量測(或汽輪機轉(zhuǎn)速信號)，在50 Hz額定頻率基礎(chǔ)上自動疊加±0.1083 Hz頻差，根據(jù)DEH和CCS側(cè)一次調(diào)頻特性函數(shù)的負荷指令，調(diào)節(jié)汽門開度自動增加或減少機組出力，以模擬頻率擾動時一次調(diào)頻動作情況。一次調(diào)頻測試原理如圖3所示。

圖3 一次調(diào)頻測試原理Fig.3 Diagram of primary frequency regulation test principle

測試開始后機組自動上送49.8～50.2 Hz頻率和與之對應(yīng)的負荷指令，以獲取DEH或CCS側(cè)一次調(diào)頻特性函數(shù)。

2.2.2 一次調(diào)頻在線測試性能統(tǒng)計分析

一次調(diào)頻在線測試對機組一次調(diào)頻最大調(diào)節(jié)量、平均調(diào)節(jié)量、調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)進行統(tǒng)計，主要考核機組的一次調(diào)頻響應(yīng)效果，考核指標(biāo)為機組一次調(diào)頻響應(yīng)時間、15 s、30 s和45 s一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)。其中一次調(diào)頻響應(yīng)時間的計算公式為：

tRT=tMT-tST

(1)

式中：tRT為一次調(diào)頻響應(yīng)時間(s)；tMT為一次調(diào)頻動作時間，取機組有功出力變化時刻；tST為一次調(diào)頻起始時間，取機組負荷指令變化時刻。

一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)計算公式為：

(2)

式中:Idpa_T為一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)；T為計算周期(s)；t1為測試起始時刻；Pdes為期望調(diào)節(jié)功率；P0為測試起點功率；P為測試過程中實際出力。

(1) 雙數(shù)據(jù)源時標(biāo)校對。分析測試過程中RTU數(shù)據(jù)與PMU數(shù)據(jù)的匹配關(guān)系，以確定各數(shù)據(jù)源一次調(diào)頻起始時間和起點功率。首先查找PMU負荷指令變化時刻，該時刻PMU量測的時標(biāo)即為一次調(diào)頻測試起始時間，相同時標(biāo)的PMU有功功率即為起點功率。考慮到同一物理時間、同一測點的RTU和PMU量測偏差最小，選取相同采樣間隔的N個連續(xù)量測數(shù)據(jù)，兩者累計絕對誤差最小時，可確定RTU量測t1與PMU量測t2為同一時刻，公式為：

(3)

式中：N為統(tǒng)計數(shù)組維數(shù)；PRTU,t1+i為RTU在t1+i時刻的量測值；avg(PPMU,t2+i)為PMU在t2+i時刻的量測均值。由PMU量測的起始時間利用式(3)計算RTU量測起始時間，并確定RTU量測的起點功率。

(2) 雙數(shù)據(jù)源考核結(jié)果統(tǒng)計。確定各數(shù)據(jù)源的一次調(diào)測試起始時間和起點功率后，按照式(2)分別計算一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)。根據(jù)各機組特性確定一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)考核要求，以燃煤機組為例，其一次調(diào)頻考核要求如表1所示。

表1 一次調(diào)頻響應(yīng)指數(shù)考核指數(shù) Table 1 Requirements of primary frequency control response index

數(shù)據(jù)源優(yōu)先選擇滿足考核指數(shù)要求，且與考核指數(shù)偏差最小的數(shù)據(jù)源，該數(shù)據(jù)源的測試結(jié)果作為本次測試考核結(jié)果。考核指數(shù)偏差公式為：

Idev=Ichk_T-Idpa_T(RTU/PMU) (T=15,30,45)

(4)

式中:Ichk_T為一次調(diào)頻考核指數(shù)；Idpa_T(RTU/PMU)為RTU或PMU數(shù)據(jù)的一次調(diào)頻測試響應(yīng)指數(shù)。

電網(wǎng)對機組一次調(diào)頻的月度考核優(yōu)先采用本月基于頻率擾動事件的在線監(jiān)測結(jié)果，若本月無有效監(jiān)測結(jié)果，則采用一次調(diào)頻在線測試的方法，將測試結(jié)果作為機組本月的一次調(diào)頻考核結(jié)果。若本月進行多次一次調(diào)頻在線測試，則利用式(4)在多個測試結(jié)果中篩選出一次調(diào)頻考核結(jié)果。

2.3 AGC機組控制性能考核評估

2.3.1 機組調(diào)節(jié)速率與調(diào)節(jié)精度分布特性

調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度通常采取指令響應(yīng)跟蹤的計算方式[11]，而電網(wǎng)工況瞬息萬變，指令更新頻繁，機組調(diào)節(jié)速率受鍋爐蓄熱、燃燒率等因素的影響[16,18]。某省網(wǎng)燃煤機組調(diào)節(jié)速率與調(diào)節(jié)精度的分布呈現(xiàn)近似冪函數(shù)的分布特性，1.5%調(diào)節(jié)速率處存在拐點，如圖4所示，調(diào)節(jié)速率高于爬坡速率時調(diào)節(jié)精度反而下降，原因大致如下。

圖4 機組調(diào)節(jié)速率與調(diào)節(jié)精度的分布關(guān)系Fig.4 Relationship of regulation rate and control precision

(1) 統(tǒng)計死區(qū)的設(shè)置問題。機組出力進入精度統(tǒng)計死區(qū)時觸發(fā)計算，若該值小于機組的控制死區(qū)，出力調(diào)整至目標(biāo)出力控制死區(qū)后無法觸發(fā)計算，調(diào)整時間延長，調(diào)節(jié)速率會變差；若該值大于機組控制死區(qū)時，將過早觸發(fā)計算，調(diào)節(jié)精度會變差；

(2) 指令定時的設(shè)置問題。機組在指令定時結(jié)束后觸發(fā)計算，即便不響應(yīng)控制指令，其控制偏差仍為調(diào)節(jié)步長，此時調(diào)節(jié)精度計算結(jié)果不可信。

2.3.2 基于速率分布的調(diào)節(jié)精度計算

建立調(diào)節(jié)速率與調(diào)節(jié)精度的聯(lián)動機制，通過調(diào)節(jié)速率識別不響應(yīng)和響應(yīng)慢的機組并對調(diào)節(jié)精度修正。某省網(wǎng)的燃煤機組的調(diào)節(jié)速率概率分布呈現(xiàn)截尾正態(tài)分布特性，如圖5所示。

圖5 機組調(diào)節(jié)速率概率分布Fig.5 Distribution probability of regulation rate

根據(jù)截尾正態(tài)分布與原正態(tài)分布函數(shù)關(guān)系,得出：

(5)

調(diào)節(jié)精度參考省網(wǎng)內(nèi)調(diào)節(jié)速率的分布特性對其數(shù)值修正,修正的結(jié)果作為考核精度，計算公式為：

(6)

利用式(6)對機組的升降控制指令分類計算調(diào)節(jié)速率和修正調(diào)節(jié)精度，根據(jù)調(diào)節(jié)速率對調(diào)節(jié)精度獎優(yōu)罰劣,長期低于標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間要求機組，則需要總結(jié)提升機組自身性能和優(yōu)化控制行為。

表2 調(diào)節(jié)精度修正因子 Table 2 Modifying factor of control precision

2.4 應(yīng)用情況

考核系統(tǒng)已在某省調(diào)投入實際運行，投運以來運行情況良好，一次調(diào)頻考核綜合在線監(jiān)測與在線測試結(jié)果為一次調(diào)頻月度考核提供了有效的數(shù)據(jù)支持，AGC調(diào)節(jié)精度考核的細化有效約束了電廠的控制行為，發(fā)揮了考核結(jié)果的約束和指導(dǎo)作用。

某機組一次調(diào)頻測試曲線如圖6所示，調(diào)度投入一次調(diào)頻增出力測試模式后模擬低頻擾動，機組一次調(diào)頻動作,有功出力上調(diào)，在恢復(fù)額定頻率后出力恢復(fù)。從現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析來看，RTU比PMU數(shù)據(jù)存在約4～10 s的數(shù)據(jù)延時。

圖6 機組一次調(diào)頻增出力測試曲線Fig.6 Primary frequency control up test of unit

兩套數(shù)據(jù)計算一次調(diào)頻考核結(jié)果如表3所示。RTU數(shù)據(jù)量測的考核結(jié)果指標(biāo)計算偏高，與考核指數(shù)比較后取PMU量測統(tǒng)計結(jié)果。

表3 一次調(diào)頻測試結(jié)果對比Table 3 Primary frequency regulation response result

某日省內(nèi)部分機組調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、調(diào)節(jié)速率因子和修正后的考核精度平均值如表4所示。調(diào)節(jié)速率快的精度得以提升，調(diào)節(jié)速率慢的精度下降，調(diào)節(jié)精度指標(biāo)更加直觀展示機組的調(diào)節(jié)性能。

表4 機組考核精度計算結(jié)果Table 4 Calculation results of unit assessment accuracy

修正后的調(diào)節(jié)速率與調(diào)節(jié)精度分布關(guān)系如圖7所示，一定程度上消除了1.5%調(diào)節(jié)速率拐點的影響，調(diào)節(jié)速率高于爬坡速率時調(diào)節(jié)精度提升，不響應(yīng)控制指令或調(diào)節(jié)速率慢的機組精度下降明顯。

圖7 修正后的機組調(diào)節(jié)速率與調(diào)節(jié)精度的分布關(guān)系Fig.7 Relationship of modified regulation rate and control precison

3 結(jié)語

電力市場輔助服務(wù)是涉及電力系統(tǒng)可靠運行、市場模式、輔助服務(wù)定價與結(jié)算的復(fù)雜課題，本文從一次調(diào)頻在線測試、AGC控制性能評估優(yōu)化方面展開研究，建立了考核系統(tǒng)的軟件架構(gòu)，對機組一次調(diào)頻考核和AGC性能統(tǒng)計方法進行了完善，為調(diào)頻輔助服務(wù)考核與評價提供了可參考的技術(shù)解決方案。該系統(tǒng)與一次調(diào)頻在線監(jiān)測、AGC應(yīng)用相輔相成，共同為輔助服務(wù)考核提供技術(shù)支持，由于一次調(diào)頻在線測試采用階躍頻差信號，對于電網(wǎng)實際頻率擾動的模擬和一次調(diào)頻動態(tài)特性分析仍略顯不足。隨著未來電力交易現(xiàn)貨市場的建成，電力調(diào)度向?qū)崟r電能量交易、調(diào)頻服務(wù)交易過渡，有待進一步拓展和豐富調(diào)頻性能測試和統(tǒng)計、調(diào)頻效能動態(tài)核算等相關(guān)內(nèi)容的研究。

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徐春雷

徐春雷(1976 —)，男，江蘇南通人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)度自動化工作；

徐 瑞(1986 —)，男，山東寧陽人，工程師，從事電力系統(tǒng)運行與控制研究工作；

仇晨光(1977 —)，男，江蘇鹽城人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)運行和控制工作；

張小白(1979 —)，女，安徽懷寧人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)運行與控制工作；

錢玉妹(1963 —)，女，江蘇吳江人，高級工程師，從事電力系統(tǒng)調(diào)度自動化工作；

劉俊偉(1983 —)，男，河南商水人，工程師，從事電力系統(tǒng)運行與控制研究工作。

(編輯 劉曉燕)

Evaluation System Design of Online Test of Primary Frequency Regulationand AGC Performance for Generator Unit

XU Chunlei1, XU Rui2, QIU Chenguang1, ZHANG Xiaobai2, QIAN Yumei1, LIU Junwei2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210024, China;2. NARI Technology Development Co. Ltd., Nanjing 211106, China)

Under electricity market environment, frequency regulation auxiliary service provided by the generator set needs to be evaluated reasonably, to ensure fair and equitable market. By analyzing the problems faced by assessment of primary frequency regulation and automatic generation control (AGC), an assessment system architecture and design ideas of online test of primary frequency regulation and AGC control performance are put forward. According to requirements of process data precision and timeliness, a PFR online test method based on remote terminal unit (RTU) and phasor measurement unit (PMU) data is proposed. In order to assess the unit's frequency regulation performance more accurately; this method improves the calculation of assessment results using multi-source data time scale calibration and statistical information screening. Meanwhile a regulation method of adjusting precision based on the regulation rate distribution is proposed, through adjusting the precision correction factor to establish the linkage mechanism of rate and precision to control the behavior of the unit and guide its behavior optimization. Finally, the effectiveness of the method is proved by case analysis.

primary frequency regulation test; unit’s control performance; assessment; regulation accuracy

2017-01-02；

2017-03-04

國家自然科學(xué)基金資助項目(51577031)

TM734

A

2096-3203(2017)03-0001-06