張　輝，廖大鵬，雷　鳴，范榮奇，汪　挺

（山東電力調(diào)度控制中心，濟(jì)南　250001）

火電機(jī)組一次調(diào)頻性能在線評價與考核

張輝，廖大鵬，雷鳴，范榮奇，汪挺

（山東電力調(diào)度控制中心，濟(jì)南250001）

提出了一種基于機(jī)端頻率掃描的火電機(jī)組一次調(diào)頻性能在線評價與考核方法。通過廣域測量系統(tǒng)（WAMS）掃描頻率波動，識別頻率波動中的有效擾動及大擾動，定量計(jì)算機(jī)組的一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量、正確動作率及速度變動率等性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了火電機(jī)組一次調(diào)頻性能的在線考核。工程實(shí)用表明該評價方法可準(zhǔn)確地反映機(jī)組的一次調(diào)頻動作性能，在線考核方式的實(shí)現(xiàn)亦較好地促進(jìn)了電廠側(cè)機(jī)組一次調(diào)頻性能的優(yōu)化和提升。

火電機(jī)組；一次調(diào)頻；WAMS；速度變動率

0　引言

一次調(diào)頻是指當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生一定程度的擾動時，發(fā)電機(jī)組通過控制系統(tǒng)自動增、減發(fā)電機(jī)有功功率以維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的功能。機(jī)組一次調(diào)頻功能是確保電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的第一道防線，對于保證電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性具有重要的作用［1-3］。

在當(dāng)前交直流互聯(lián)電網(wǎng)背景下，直流閉鎖、交流聯(lián)絡(luò)線跳閘、大容量機(jī)組跳閘等引起的較大頻率擾動對機(jī)組一次調(diào)頻調(diào)節(jié)性能提出了更高的要求［4］。同時，廠網(wǎng)分開以來，部分電廠“重設(shè)備、輕電網(wǎng)”，對機(jī)組一次調(diào)頻管理缺乏足夠重視，造成機(jī)組一次調(diào)頻動作效果不佳。因此加強(qiáng)一次調(diào)頻的評價與考核，促進(jìn)機(jī)組一次調(diào)頻動作效果的提升具有重要的意義［5-9］。

《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》及《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》（以下簡稱“兩個細(xì)則”）明確了對機(jī)組一次調(diào)頻的考核辦法，為機(jī)組一次調(diào)頻考核提供了管理層面的依據(jù)。同時在技術(shù)層面上，電網(wǎng)調(diào)控中心的廣域監(jiān)測系統(tǒng)（WAMS）通過同步相量測量裝置（PMU）以25～100幀/s的高精度實(shí)時采樣，解決了傳統(tǒng)的SCADA采樣精度低且無時標(biāo)等問題，能夠精確反映并上傳機(jī)組一次調(diào)頻的動作參數(shù)，為一次調(diào)頻評價與考核提供了有力的技術(shù)支持［10-11］。

根據(jù)機(jī)組一次調(diào)頻管理實(shí)際，選取以機(jī)端頻率、機(jī)組有功出力等參數(shù)作為量測依據(jù)，構(gòu)建一次調(diào)頻性能在線評價與考核系統(tǒng)，系統(tǒng)通過識別頻率中的有效擾動及大擾動，定量計(jì)算機(jī)組一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量、正確動作率及速度變動率等性能指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)組一次調(diào)頻性能的在線評價與考核。

1　系統(tǒng)基本構(gòu)成

1.1量測參數(shù)選擇

電網(wǎng)頻率波動是網(wǎng)內(nèi)發(fā)電出力與負(fù)荷動態(tài)平衡的結(jié)果，網(wǎng)內(nèi)不同地區(qū)的頻率雖然整體上趨向一致，但因受地區(qū)負(fù)荷波動、地區(qū)負(fù)荷性質(zhì)等影響而存在一定的差異。目前多數(shù)基于WAMS系統(tǒng)的一次調(diào)頻在線評價系統(tǒng)以全網(wǎng)統(tǒng)一頻率作為評價參數(shù)來評價全網(wǎng)所有機(jī)組的動作情況，其評價結(jié)果與機(jī)組真實(shí)動作情況存在一定偏差。以發(fā)電機(jī)機(jī)端參數(shù)作為量測依據(jù)是更為準(zhǔn)確的評價方法。因機(jī)端頻率量測精度高于機(jī)組轉(zhuǎn)速量測精度，系統(tǒng)采用機(jī)端頻率作為一次調(diào)頻動作的評價參數(shù)，電廠側(cè)亦統(tǒng)一使用機(jī)端頻率作為一次調(diào)頻動作的輸入?yún)?shù)。

除頻率參數(shù)外，量測參數(shù)還包括機(jī)組有功出力、機(jī)組轉(zhuǎn)速、一次調(diào)頻動作前、動作后負(fù)荷指令。其中，機(jī)組轉(zhuǎn)速作為母線頻率的備用量測數(shù)據(jù)，一次調(diào)頻動作前、動作后負(fù)荷指令作為機(jī)組一次調(diào)頻動作情況的輔助判據(jù)。量測參數(shù)精度要求如表1。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一次調(diào)頻性能在線評價與考核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。一次調(diào)頻性能在線評價與考核系統(tǒng)通過訪問EMS/WAMS系統(tǒng)獲得機(jī)組對應(yīng)的頻率、有功出力等測點(diǎn)信息，通過擾動掃描識別有效頻率擾動并記錄保存。性能指標(biāo)計(jì)算程序根據(jù)有效頻率擾動記錄計(jì)算出機(jī)組一次調(diào)頻性能評價指標(biāo)，并按照 “兩個細(xì)則”考核要求進(jìn)行考核結(jié)果計(jì)算。機(jī)組擾動記錄、性能評價指標(biāo)及考核結(jié)果定期發(fā)布在廠網(wǎng)互動平臺上，便于發(fā)電廠對機(jī)組一次調(diào)頻動作效果的監(jiān)視和優(yōu)化。

圖1　一次調(diào)頻性能在線評價與考核系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2　擾動識別

2.1擾動定義

為保證機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，機(jī)組一次調(diào)頻設(shè)有動作死區(qū)，頻率在（50±0.033）Hz（機(jī)組轉(zhuǎn)速在（3000±2）r/min）之間機(jī)組一次調(diào)頻不動作，超出（50±0.033）Hz（機(jī)組轉(zhuǎn)速（3000±2）r/min）機(jī)組應(yīng)迅速動作，圖2為一次調(diào)頻出力補(bǔ)償曲線。

圖2　機(jī)組一次調(diào)頻出力補(bǔ)償曲線

機(jī)組一次調(diào)頻的動作性能體現(xiàn)在頻率超出死區(qū)的波動中。在實(shí)際電網(wǎng)中頻率是不斷波動的，頻率波動往往偶爾超出頻率死區(qū)后又在較短的時間內(nèi)返回死區(qū)范圍以內(nèi)，頻率僅在直流閉鎖、交流聯(lián)絡(luò)線跳閘、大容量機(jī)組跳閘情況下出現(xiàn)較長時間的超出死區(qū)的情況。

對于在較短的時間內(nèi)返回死區(qū)的頻率波動，因一次調(diào)頻動作持續(xù)時間較短，難以全面反映機(jī)組的性能，系統(tǒng)僅評價機(jī)組是否產(chǎn)生對頻率的正向貢獻(xiàn)。對于頻率出現(xiàn)較長時間的超出死區(qū)的波動，系統(tǒng)啟動計(jì)算機(jī)組的動作性能參數(shù)，即速度變動率。

定義超出頻率死區(qū)一定時長t，且最大頻偏超過fe的頻率波動為有效擾動，有效擾動中頻率超出fk（fk＞fe）且持續(xù)時間tr以上的頻率波動定義為大擾動。上述參數(shù)可根據(jù)實(shí)際系統(tǒng)情況進(jìn)行合理設(shè)置。系統(tǒng)定義頻率超出一次調(diào)頻死區(qū)，即（50±0.033）Hz且持續(xù)在6 s及以上，同時最大頻率偏差達(dá)到 （50± 0.040）Hz為有效擾動；滿足有效擾動條件，且頻率超過（50±0.05）Hz持續(xù)1 s及以上為大擾動。

大擾動最大持續(xù)評價時間取60 s，若60 s內(nèi)頻率回至死區(qū)，以返回死區(qū)時間為大擾動考核計(jì)算結(jié)束點(diǎn)。小擾動最大持續(xù)評價時間取30 s，若30 s內(nèi)頻率回至死區(qū)，以返回死區(qū)時間為小擾動考核計(jì)算結(jié)束點(diǎn)。

2.2擾動掃描

擾動掃描過程如圖3所示。系統(tǒng)從EMS/WAMS系統(tǒng)中讀取所有機(jī)組的機(jī)端頻率并逐點(diǎn)掃描，當(dāng)掃描出頻率越過死區(qū)后，啟動是否為有效擾動的識別，判斷出有效擾動后繼續(xù)進(jìn)行是否為大擾動的判斷。對于識別出的有效擾動和大擾動，再確定擾動開始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)，并進(jìn)行有功變化量和速度變動率的計(jì)算。

圖3　擾動掃描過程

3　性能指標(biāo)計(jì)算與考核

3.1正確動作率

發(fā)生有效擾動后，計(jì)算頻率偏差超過死區(qū)時至一次調(diào)頻計(jì)算結(jié)束點(diǎn)之間的有功功率變化量，即一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量。一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量大于0，則認(rèn)為一次調(diào)頻正確動作，否則認(rèn)為一次調(diào)頻不正確動作。計(jì)算公式為

式中：H為機(jī)組的一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量，MWh；t0為頻率超過一次調(diào)頻動作死區(qū)的時刻；tt為一次調(diào)頻計(jì)算結(jié)束時刻；ft0為t0時刻對應(yīng)的頻率值，Hz；Pt為t時刻機(jī)組實(shí)際有功出力，MW；P0為機(jī)組頻率超出死區(qū)前2 s內(nèi)有功出力的平均值，MW。

每月機(jī)組的正確動作率為

式中：fc為每月正確動作次數(shù)；fw為每月錯誤動作次數(shù)。

一次調(diào)頻正確動作率按機(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

式中：PN為機(jī)組容量，MW；α為一次調(diào)頻考核系數(shù)，數(shù)值為6，h。

3.2速度變動率

大擾動時計(jì)算一次調(diào)頻速度變動率。發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻的速度變動率應(yīng)小于5%，計(jì)算公式為：

式中：Pa為大擾動期間自頻率極值點(diǎn)開始至評價結(jié)束點(diǎn)間的有功出力平均值，MW；P0為頻率超出死區(qū)時刻前2 s機(jī)組有功出力平均值，MW；fa為大擾動期間自頻率極值點(diǎn)開始至評價結(jié)束點(diǎn)間的頻率平均值，Hz；fn為額定頻率，Hz。

發(fā)生大擾動時，計(jì)算各機(jī)組一次調(diào)頻考核性能的綜合指標(biāo)K0，對K0大于零的機(jī)組進(jìn)行考核。計(jì)算方法為

若計(jì)算出某機(jī)組的速度變動率L≥30%，則該機(jī)組視為未投入一次調(diào)頻運(yùn)行，K0=1。

一次調(diào)頻性能考核采用定額考核方式，考核電量為：

4　應(yīng)用情況

以山東電網(wǎng)某機(jī)組為例，某日21∶12網(wǎng)內(nèi)大容量機(jī)組發(fā)生跳閘，電網(wǎng)頻率發(fā)生較大擾動，一次調(diào)頻性能考核自動掃描擾動并計(jì)算一次調(diào)頻動作性能指標(biāo)，動作曲線見圖4，機(jī)組動作性能指標(biāo)見表2。

圖4　某機(jī)組一次調(diào)頻動作曲線

表2　某機(jī)組一次調(diào)頻動作性能指標(biāo)

山東電網(wǎng)于2014年8月正式開展一次調(diào)頻動作性能考核，2014年8月至2015年3月山東電網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻動作性能考核情況見圖5。在考核開始的8月份動作性能考核電量最大，考核機(jī)組臺數(shù)占總臺數(shù)的47.8%；隨著電廠整改力度的加大，9月、10月考核電量逐漸降低，11月、12月至2015年1月隨著電網(wǎng)負(fù)荷的增長，機(jī)組開機(jī)臺數(shù)增加引起考核電量的一定增長；2015年2月、3月考核電量繼續(xù)降低，考核電量穩(wěn)定在2 000 MWH以下，考核機(jī)組占比降至18.8%。

5　結(jié)語

考慮地區(qū)頻率間的差異性，提出以機(jī)端頻率為量測參數(shù)的一次調(diào)頻動作性能在線考核方法，定義頻率波動中的有效擾動及大擾動并給出一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量、速度變動率等機(jī)組動作性能評價指標(biāo)。系統(tǒng)應(yīng)用表明該方法可準(zhǔn)確反映機(jī)組一次調(diào)頻動作性能，同時在線化考核方式的實(shí)現(xiàn)也改變了過去較為被動的管理局面，激發(fā)了發(fā)電廠側(cè)一次調(diào)頻工作主動優(yōu)化的積極性，進(jìn)一步提高了山東電網(wǎng)抵御頻率擾動的能力。

［1］李瑞超，陳實(shí)，陳中元，等.發(fā)電機(jī)一次調(diào)頻調(diào)節(jié)效能實(shí)時測定及補(bǔ)償方法［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28（2）：70-72.

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Online Evaluation and Assessment of the Primary Frequency Control Performance for Thermal Power Units

ZHANG Hui，LIAO Dapeng，LEI Ming，F(xiàn)AN Rongqi，WANG Ting
（Shandong Electric Power Dispatching and Control Center，Jinan 250001，China）

A new method is presented to online evaluate and assess the primary frequency control performance of thermal power units，which is based on the scanning of the terminal frequency of generators.By means of wide area measurement system （WAMS），useful frequency fluctuation as well as large disturbances，primary frequency control performance could be identified and quantified，such as the contributed generation，the correct action rate and the unbalanced rotating speed rate.Online assessment could be implemented.Project applications proved that the proposed method could precisely indicate and therefore greatly improve the performance of the primary frequency control.

thermal power units；primary frequency control；WAMS；unbalanced rotating speed rate

TM743

A

1007-9904（2015）11-0016-04

2015-08-15

張輝（1984），男，工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行與分析工作；

廖大鵬（1974），男，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行與分析工作；

雷鳴（1974），男，高級工程師，從事電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行與分析工作。