王文營，王生彬，藺躍生，趙麗華

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.河北省電力公司，石家莊 050021；3.河北興泰發(fā)電有限責(zé)任公司,河北 邢臺 054000)

近年來，我國電力工業(yè)快速發(fā)展，大容量、高參數(shù)發(fā)電機(jī)組規(guī)模投產(chǎn)，電網(wǎng)通過(特)高壓輸電線路互聯(lián)成為常態(tài)運(yùn)行方式，而且《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法》的出臺使得風(fēng)能、太陽能、光伏發(fā)電等各類可再生能源的大型基地加快建設(shè)，這些都對電網(wǎng)的安全性、適應(yīng)性等提出了更高的要求。此外，隨著電力體制改革的不斷深入，尤其在目前廠網(wǎng)分開的形勢下，機(jī)廠協(xié)調(diào)的監(jiān)管能力減弱。在此形勢下，為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，必須加強(qiáng)輔助服務(wù)管理和并網(wǎng)發(fā)電廠考核工作，為此國家電力監(jiān)管委員會華北監(jiān)管局發(fā)布了《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》和《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》(簡稱“《兩個細(xì)則》”), 其中，一次調(diào)頻是基本輔助服務(wù)的重要內(nèi)容之一。為確保《兩個細(xì)則》的順利實(shí)施，為廠網(wǎng)協(xié)調(diào)提供技術(shù)依據(jù)，切實(shí)提高電能質(zhì)量和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，有必要基于電網(wǎng)頻率波動特性對一次調(diào)頻性能考核的算法進(jìn)行研究分析。

1 一次調(diào)頻考核指標(biāo)

《兩個細(xì)則》全面概括了并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行管理技術(shù)要求，量化了一次調(diào)頻性能考核指標(biāo)，對一次調(diào)頻的運(yùn)行管理必將起到極大的促進(jìn)作用。根據(jù)《兩個細(xì)則》要求及目前管理現(xiàn)狀，河北省南部電網(wǎng)(簡稱“河北南網(wǎng)”)主要考核指標(biāo)包括：一次調(diào)頻月投運(yùn)率、正確動作率及性能綜合指標(biāo)，由于所有機(jī)組均按照電網(wǎng)要求投入一次調(diào)頻，因此投入情況的考核在文中不在贅述。

正確動作率按機(jī)組考核，對于一次調(diào)頻月正確動作率小于80%的機(jī)組，每月考核電量為：

E1=(80%-λ動作)×PN×2 h×α

(1)

式中：PN為機(jī)組額定負(fù)荷，MW；α為一次調(diào)頻考核系數(shù)，數(shù)值為3；λ動作為月正確動作率。

性能綜合指標(biāo)按次考核，當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生較大波動時(shí)，對于性能綜合指標(biāo)大于零的機(jī)組，每次考核電量為：

E2=K0×PN×2 h×α

(2)

式中：K0為性能綜合指標(biāo)，K0=1-5%/L，其中L為動態(tài)速度變動率。

以1臺600 MW機(jī)組為例，設(shè)月正確動作率為40%，則對正確動作率月考核的電量為(80%-40%)×600 MW×2 h×3=1 440 MWh；設(shè)速度變動率為10%，如果動作一次則對性能綜合指標(biāo)考核的電量為(1-5%/10%)×600 MW×2 h×3=1 800 MWh，如果本月動作多次則以每次考核電量的累加值作為性能綜合指標(biāo)的月考核電量。

2 電網(wǎng)頻率波動特性

電網(wǎng)頻率是電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要指標(biāo)，反映了電力系統(tǒng)供需能量的平衡狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)供電與用電失衡時(shí)，電網(wǎng)頻率就會波動，波動的速度及幅度與負(fù)荷擾動大小、電網(wǎng)總運(yùn)行容量、電網(wǎng)內(nèi)負(fù)載特性以及調(diào)頻性能等因素有關(guān)。電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，頻率存在慢速小幅波動，而且經(jīng)常會超過死區(qū)，但持續(xù)時(shí)間短、機(jī)組功率變化小，而出現(xiàn)大的供用電失衡時(shí)，頻率快速大幅波動，變化趨勢呈“V”形，即頻率快速變化到極值后又快速回調(diào)，并逐步相對穩(wěn)定在與基準(zhǔn)頻率有一定偏差的值，是一個持續(xù)時(shí)間長、變化幅度大的時(shí)變動態(tài)過程。

圖1為某次互聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線跳開后河北南網(wǎng)頻率的變化過程，頻率由事故前的49.99 Hz(a點(diǎn))經(jīng)過約5 s達(dá)到極值49.91 Hz(d點(diǎn))，之后經(jīng)過3 s快速回升至49.94 Hz(e點(diǎn))后基本趨于穩(wěn)定，但仍然存在小幅振蕩。

圖1 互聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線跳開后電網(wǎng)頻率波動過程示意

3 一次調(diào)頻考核算法

一次調(diào)頻性能指標(biāo)采用電網(wǎng)頻率波動前后的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行后期離線計(jì)算分析，存在數(shù)據(jù)來源不同、讀取不便、格式不統(tǒng)一、時(shí)鐘不同步、采樣周期長、人為誤差大等缺點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)一次調(diào)頻性能的客觀評判。自河北南網(wǎng)實(shí)行調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)監(jiān)督以來，廠網(wǎng)雙方在健全組織、落實(shí)制度、技術(shù)管理、系統(tǒng)建設(shè)等方面做了大量扎實(shí)有效的工作，使機(jī)組一次調(diào)頻設(shè)置滿足電網(wǎng)要求、參數(shù)測量系統(tǒng)裝設(shè)全面鋪開、遠(yuǎn)程性能統(tǒng)計(jì)分析平臺建設(shè)初具規(guī)模，具備了基于同步相量測量裝置(PMU)采集動態(tài)數(shù)據(jù)并在廣域測量系統(tǒng)(WAMS)中實(shí)施一次調(diào)頻性能考核的條件。但該項(xiàng)工作專業(yè)性強(qiáng)、涉及面廣、工作量大，而且開發(fā)的一次調(diào)頻監(jiān)測計(jì)算分析平臺接入?yún)⒘枯^少，一般只有頻率和負(fù)荷，因此，為滿足一次調(diào)頻性能公正、公平、客觀考核的要求，必須科學(xué)、系統(tǒng)、全面地研究其計(jì)算算法。

3.1 有效頻率擾動分析

機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)，頻率存在波動，而且頻率信號有時(shí)會存在毛刺，反映到機(jī)組轉(zhuǎn)速上表現(xiàn)為鋸齒狀的頻繁波動，機(jī)組轉(zhuǎn)速超出死區(qū)的次數(shù)每月達(dá)上千甚至上萬次，因此為避開正常小幅頻繁波動，必須判斷是否發(fā)生長時(shí)間、大幅度的波動即有效頻率擾動。根據(jù)電網(wǎng)頻率波動時(shí)域和幅域特性，用時(shí)間、頻率雙變量以及多判據(jù)條件來判定，并根據(jù)擾動程度分為大擾動和小擾動。實(shí)際運(yùn)行中小擾動發(fā)生的頻次要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于大擾動。

3.1.1 小擾動

小擾動是指小容量甩負(fù)荷、調(diào)度用電計(jì)劃的偏差等引起的電網(wǎng)供用電小的失衡時(shí)頻率的波動，具有一定的隨機(jī)性，用波動偏離基準(zhǔn)值的幅度即頻差及持續(xù)時(shí)間來判定，即滿足

(3)

式中：ft為t時(shí)刻頻率；fN為基準(zhǔn)頻率50 Hz；fdead為頻率死區(qū)；ft+Δt為t時(shí)刻開始至ΔT內(nèi)任一點(diǎn)的頻率；ΔT為持續(xù)時(shí)間；ΔFs為頻率門檻值。

如圖1所示超出頻率死區(qū)b點(diǎn)為起始點(diǎn)，d點(diǎn)為頻率極值點(diǎn)，e點(diǎn)為持續(xù)時(shí)間結(jié)束點(diǎn)，如果b-e區(qū)間頻率曲線上任一點(diǎn)都超過fdead、且d點(diǎn)頻差超過ΔFs則判為小擾動。河北南網(wǎng)判定小擾動的參數(shù)設(shè)定為：fdead為0.033 Hz、ΔT為3 s、ΔFs為0.04 Hz，即頻率超出死區(qū)后持續(xù)3 s且期間最大頻差超過0.04 Hz，則判定為小擾動。

3.1.2 大擾動

大擾動是指大容量甩負(fù)荷、聯(lián)絡(luò)線跳開等引起的電網(wǎng)供用電大的失衡時(shí)頻率的波動。通過掃描定長時(shí)間窗口內(nèi)電網(wǎng)頻率的變化量來判定，如果掃描開始時(shí)刻與定長時(shí)間Δt內(nèi)任一點(diǎn)的頻差超過設(shè)定門檻值ΔFL則判定為大擾動，即如圖1所示由a、c為頂點(diǎn)的方框圖中頻率曲線上極值點(diǎn)滿足

max|ft+Δt-ft|>ΔFLΔt∈(0，ΔT)

(4)

河北南網(wǎng)判定大擾動的參數(shù)設(shè)定為：ΔT為5 s，ΔFL為0.045 Hz，即在5 s內(nèi)如果頻率最大偏差超過0.045 Hz則判定為大擾動?？紤]到電網(wǎng)頻率變化初始值經(jīng)常不是由基準(zhǔn)頻率開始，而機(jī)組一次調(diào)頻頻差均是以基準(zhǔn)頻率計(jì)算，經(jīng)常出現(xiàn)電網(wǎng)頻率判為大擾動，但機(jī)組判為小擾動甚至無擾動的情況，例如，5 s內(nèi)頻率由50.033 Hz變化到49.967 Hz時(shí)電網(wǎng)應(yīng)為大擾動，但對機(jī)組而言還在死區(qū)內(nèi)一次調(diào)頻根本不動作，因此，在河北南網(wǎng)要求必須同時(shí)滿足式(3)、式(4)才可判定為大擾動。

3.1.3 有效頻率擾動時(shí)間

電網(wǎng)發(fā)生有效頻率擾動時(shí)的計(jì)算時(shí)間區(qū)間，以頻率超出死區(qū)為開始時(shí)刻，以頻率回復(fù)到死區(qū)時(shí)刻、頻率達(dá)到穩(wěn)定時(shí)刻、設(shè)定最大穩(wěn)定時(shí)間三者中的小值作為結(jié)束時(shí)刻，河北南網(wǎng)設(shè)定最大穩(wěn)定時(shí)間為60 s，即頻率回復(fù)到死區(qū)的時(shí)間、達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間以及60 s，三者中最小值為有效頻率擾動時(shí)間。

3.2 考核指標(biāo)計(jì)算

一次調(diào)頻性能指標(biāo)的分析、計(jì)算會受到諸多不確定因素的影響，因此，機(jī)組一次調(diào)頻性能考核需要對機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)關(guān)系、客觀約束條件、外部影響因素等綜合考慮。

3.2.1 觸發(fā)條件

機(jī)組一次調(diào)頻考核指標(biāo)計(jì)算必須在機(jī)組功率大于最低穩(wěn)燃負(fù)荷，而且屬于有效頻率擾動才觸發(fā)。頻率擾動時(shí)保證機(jī)組安全運(yùn)行是一次調(diào)頻真正發(fā)揮作用的前提，否則可能造成機(jī)組停運(yùn)，甚至造成事故擴(kuò)大，因此需要考慮機(jī)組與電網(wǎng)間的相互配合和制約關(guān)系。在機(jī)組啟動階段存在鍋爐燃燒不穩(wěn)、汽輪機(jī)缸體膨脹不暢、系統(tǒng)投運(yùn)不正常等不穩(wěn)定因素，一次調(diào)頻的大幅動作可能造成鍋爐滅火、逆功率保護(hù)動作等事故，因此，一次調(diào)頻宜在最低穩(wěn)燃負(fù)荷以上投入，保證正常運(yùn)行范圍內(nèi)動作正確。機(jī)組一次調(diào)頻考核指標(biāo)計(jì)算時(shí)，首先應(yīng)保證機(jī)組功率大于最低穩(wěn)燃負(fù)荷，其次機(jī)組必須為有效頻率擾動，而且電網(wǎng)頻率與機(jī)組頻率需要同時(shí)達(dá)到有效頻率擾動條件。

3.2.2 正確動作率

一次調(diào)頻是否正確動作以機(jī)組有效頻率擾動時(shí)間內(nèi)的積分電量為依據(jù)，即發(fā)生大擾動、小擾動時(shí)均進(jìn)行計(jì)算。積分電量計(jì)算公式如下：

(5)

式中：Pt為有效頻率擾動時(shí)間內(nèi)任一時(shí)刻的機(jī)組功率；P0為頻率超出死區(qū)時(shí)刻機(jī)組功率，計(jì)算時(shí)取之前數(shù)s內(nèi)機(jī)組功率的平均值。

機(jī)組頻率下降時(shí)積分電量為正，或頻率上升時(shí)積分電量為負(fù)，判定為一次調(diào)頻動作正確，否則判定為錯誤。每月統(tǒng)計(jì)正確動作次數(shù)和錯誤動作次數(shù)，二者之和為月總動作次數(shù)，則每月的正確動作率為正確動作次數(shù)占總動作次數(shù)的百分比。

3.2.3 速度變動率

頻率波動的時(shí)變性造成一次調(diào)頻動作負(fù)荷的延遲隨動變化，因此速度變動率計(jì)算需要動態(tài)取值，計(jì)算公式如下：

(6)

式中：Δf=fN+fdead-ft；ΔP=Pt-P0；PN為機(jī)組額定功率。河北南網(wǎng)規(guī)定只在發(fā)生大擾動時(shí)才計(jì)算速度變動率，其中ft取穩(wěn)定時(shí)頻率，如圖1中e點(diǎn)頻率，Pt計(jì)算取值時(shí)考慮到擾動初期經(jīng)常出現(xiàn)功率振蕩，故取2 s后的功率極值，如圖1中g(shù)點(diǎn)功率。

3.3 AGC影響的修正

機(jī)組功率給定值一般由兩部分生成： AGC指令或操作員設(shè)定指令經(jīng)高低限制、速率限定給出；頻差經(jīng)死區(qū)及速度變動率函數(shù)轉(zhuǎn)換后給出。如果AGC指令升降功率過程中一次調(diào)頻動作，則功率變化必然會受到二者的共同影響，方向一致則表現(xiàn)出一次調(diào)頻貢獻(xiàn)負(fù)荷大，反之則貢獻(xiàn)小，此時(shí)一次調(diào)頻響應(yīng)行為實(shí)質(zhì)不受影響，但是會影響到一次調(diào)頻性能的計(jì)算，因此進(jìn)行一次調(diào)頻性能考核時(shí)需要對AGC的影響進(jìn)行修正。

河北南網(wǎng)AGC修正算法為，取動作前數(shù)秒機(jī)組功率數(shù)據(jù)擬合趨勢曲線，并以曲線斜率作為計(jì)算變負(fù)荷率，如果其值超過門檻值(機(jī)組AGC設(shè)定變負(fù)荷率的一半)則判斷有AGC影響，并按照計(jì)算變負(fù)荷率，對一次調(diào)頻動作負(fù)荷曲線進(jìn)行修正后再進(jìn)行指標(biāo)計(jì)算。

4 結(jié)束語

機(jī)組一次調(diào)頻是提高電能質(zhì)量、保證電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的有效手段，而將其作為基本輔助服務(wù)納入考核管理也將直接涉及到并網(wǎng)發(fā)電廠的經(jīng)營效益，因此一次調(diào)頻考核算法引起了廠網(wǎng)雙方高度重視。根據(jù)上述算法在WAMS系統(tǒng)中開發(fā)了一次調(diào)頻性能分析平臺，并根據(jù)試運(yùn)行期間暴露出的問題不斷進(jìn)行優(yōu)化完善，使得平臺基本能真實(shí)反映機(jī)組一次調(diào)頻性能，目前已投入正式運(yùn)行。但由于客觀條件限制仍存在廠網(wǎng)時(shí)鐘不同步、數(shù)據(jù)存在偏差、AGC影響修正不夠精確等問題，因此廠網(wǎng)雙方應(yīng)深化研究技術(shù)難題、繼續(xù)完善分析平臺、認(rèn)真落實(shí)考核要求，力爭一次調(diào)頻性能得到充分發(fā)揮、并網(wǎng)機(jī)組電量做到零考核，大力促進(jìn)廠網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭 濤,高伏英.基于PMU的機(jī)組一次調(diào)頻特性參數(shù)在線監(jiān)測[J].電力系統(tǒng)自動化,2009,33(11):57-61.

[2] 楊建華．華中電網(wǎng)一次調(diào)頻考核系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J]．電力系統(tǒng)自動化,2008，32(9):96-99.