姚 澤，李 璽，徐廣文，肖志懷，孟歲利

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，廣東 廣州 510080； 2.武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院水力機(jī)械過渡過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430072

0 引 言

電力系統(tǒng)的頻率是衡量電能質(zhì)量的基本指標(biāo)之一，基于頻率判斷電能質(zhì)量的本質(zhì)在于，頻率反映機(jī)組有功與系統(tǒng)負(fù)荷之間的平衡關(guān)系，頻率發(fā)生變化則說明系統(tǒng)內(nèi)有功不平衡，因此，系統(tǒng)常常以頻率作為穩(wěn)定正常運(yùn)行的關(guān)鍵參考指標(biāo)[1]，電力系統(tǒng)頻率控制與負(fù)荷有功功率、發(fā)電機(jī)間的負(fù)荷分配和發(fā)電機(jī)頻率的控制三方面因素密切相關(guān)。電力系統(tǒng)的調(diào)頻是在發(fā)電機(jī)組調(diào)速器調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，依據(jù)相應(yīng)的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則自動完成頻率調(diào)整?？刂齐娏ο到y(tǒng)頻率的措施有：一次調(diào)頻、二次調(diào)頻、高頻切機(jī)、低頻減載、低頻自啟動等[2]。對電力系統(tǒng)控制而言，頻率的一次調(diào)節(jié)主要指由發(fā)電機(jī)組實(shí)現(xiàn)的一次調(diào)頻。由于一次調(diào)頻屬于有差調(diào)節(jié)，電力系統(tǒng)頻率需要進(jìn)行二次調(diào)節(jié)。二次調(diào)頻是在符合變動引起的頻率變化范圍內(nèi)，自動改變發(fā)電機(jī)的有功功率參值，用移動機(jī)組功率頻率特性的方法，實(shí)現(xiàn)頻率的無差調(diào)節(jié)。電力系統(tǒng)發(fā)生大的負(fù)荷變化時，需要一次調(diào)頻來提供快速的功率支援，對于小負(fù)荷波動，一次調(diào)頻也可以進(jìn)行有效調(diào)節(jié)，從而減少機(jī)組二次調(diào)頻的動作[3]。

調(diào)節(jié)能力良好的水電機(jī)組是擔(dān)任電力系統(tǒng)調(diào)頻任務(wù)的最佳選擇，水電機(jī)組的一次調(diào)頻性能的好壞對維護(hù)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用，尤其是快速調(diào)節(jié)能力機(jī)組比較缺乏的電網(wǎng)[4]。為實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組安全運(yùn)行，確保機(jī)組一次調(diào)頻功能投入且投入效果良好，相關(guān)試驗(yàn)人員通常會在新建水電機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行前或已投運(yùn)機(jī)組的規(guī)定時間段內(nèi)進(jìn)行一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)，另外為了研究水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能，給水電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行提供科學(xué)指導(dǎo)，各研究單位通常建立詳細(xì)地水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行一次調(diào)頻實(shí)時仿真，而且為評估機(jī)組一次調(diào)頻性能的好壞，需要對一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)過程或一次調(diào)頻仿真過程采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計算一次調(diào)頻相關(guān)性能評價參數(shù)。這一過程往往涉及的計算量比較大，因此有必要開發(fā)水電機(jī)組一次調(diào)頻考核分析軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)批量化處理。

不同水電站或同一電站的不同機(jī)組有多種工況且相互獨(dú)立，水電機(jī)組一次調(diào)頻考核分析軟件需要仿真不同機(jī)組、工況、參數(shù)和擾動下的一次調(diào)頻過程，而以Matlab/Simulink工具箱所建立的一次調(diào)頻仿真模型，仿真過程中存在很多參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或者界面顯示不直觀等缺點(diǎn)，而Matlab/GUI最大特點(diǎn)在于充分發(fā)揮圖形可視化的特性，不僅充分發(fā)揮Matlab高性能地數(shù)值計算能力，而且能夠開發(fā)出界面友好、使用方便的圖形界面[1]。因此，本文綜合研究人員建模仿真與數(shù)據(jù)分析的需求和GUI友好的人機(jī)交互性能，以GUI作為平臺開發(fā)工具，設(shè)計開發(fā)了水電機(jī)組一次調(diào)頻考核分析平臺。軟件分析平臺主要實(shí)現(xiàn)水電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和仿真分析功能。

1 水電機(jī)組一次調(diào)頻考核分析平臺功能設(shè)計

水電機(jī)組一次調(diào)頻考核平臺作為一個功能性軟件，應(yīng)具有友好、集成、一體化的界面，能方便地設(shè)置參數(shù)，直觀地顯示仿真數(shù)據(jù)或試驗(yàn)數(shù)據(jù)，快捷地分析數(shù)據(jù)并考核機(jī)組一次調(diào)頻性能，為方便后續(xù)查閱保存相關(guān)數(shù)據(jù)等。作為平臺性軟件，最主要的是具有功能集成性和開放性兩個特點(diǎn)。集成性主要體現(xiàn)在：

(1)水電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析功能，方便現(xiàn)場試驗(yàn)人員及時評價機(jī)組一次調(diào)頻性能。

(2)水電機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)時仿真與數(shù)據(jù)分析功能：一次調(diào)頻仿真時，以Simulink作為后臺仿真工具，可以通過GUI仿真前配置初始參數(shù)、調(diào)節(jié)參數(shù)和擾動信號等，動態(tài)采集仿真數(shù)據(jù)并顯示，仿真結(jié)束后依據(jù)南方電網(wǎng)的兩個“考核細(xì)則”分析機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)性能并考核。開放性主要體現(xiàn)在：基于Matlab/Simulink平臺搭建的任意常規(guī)水電機(jī)組一次調(diào)頻仿真模型均可在本臺仿真并考核；仿真分析時可以根據(jù)實(shí)際情況修改電站初始參數(shù)、調(diào)節(jié)參數(shù)、擾動信號等；即通過一次調(diào)頻仿真功能，可以模擬不同模型、不同工況、初始參數(shù)、調(diào)節(jié)參數(shù)下機(jī)組的動態(tài)過程。

本文綜合建模仿真與數(shù)據(jù)分析的需求和GUI友好的人機(jī)交互性能，以GUI作為平臺開發(fā)工具，設(shè)計開發(fā)了水電機(jī)組一次調(diào)頻考核分析平臺。分析平臺主要包括3個功能：①水電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析功能；②水電機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)時仿真與數(shù)據(jù)分析功能；③附加功能：相關(guān)行業(yè)規(guī)范和軟件使用說明。水電機(jī)組一次調(diào)頻考核分析平臺功能圖如圖1所示。

圖1 水電機(jī)組一次調(diào)頻考核分析平臺功能圖Fig.1 The functional diagram of hydro-power unit frequency tuning evaluation and analysis platform

2 水電機(jī)組一次調(diào)頻仿真

2.1 一次調(diào)頻仿真模型

水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)由調(diào)速器和被控對象組成，如圖2所示，調(diào)速器包括調(diào)節(jié)器和隨動系統(tǒng)，被控對象由引水系統(tǒng)、水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)負(fù)載組成，針對并網(wǎng)水電機(jī)組，機(jī)組優(yōu)先采用功率控制模式，調(diào)速器采用PI控制規(guī)律。

圖2 水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制框圖Fig.2 The control block Figure of hydraulic turbine regulating system

本文選擇南方電網(wǎng)S電站第K臺機(jī)組，建立水輪機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)Simulink仿真模型。如圖3所示，水輪機(jī)引水系統(tǒng)采用特征線法建立壓力引水管道出口處(對應(yīng)水輪機(jī)入口處)的流量Q與水擊壓力H之間關(guān)系；水輪機(jī)特性采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模擬水輪機(jī)流量Q、輸出力矩M與機(jī)組轉(zhuǎn)速N、導(dǎo)葉開度a和水頭H之間的關(guān)系；隨動系統(tǒng)采用考慮非線性因素的傳遞函數(shù)模型，發(fā)電機(jī)-負(fù)載采用僅考慮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量的一階慣性環(huán)節(jié)模型，PI調(diào)速器采用并聯(lián)型調(diào)節(jié)器。該控制模式下，頻率差經(jīng)人工失靈區(qū)之后取1/eP倍轉(zhuǎn)化為功率差，給定功率和機(jī)組有功經(jīng)主控制環(huán)的比較環(huán)節(jié)運(yùn)算之后與頻率差的轉(zhuǎn)化值疊加，PI調(diào)機(jī)器依據(jù)此偏差改變調(diào)節(jié)參數(shù)產(chǎn)生需要的接力器開度信號，通過操作電液隨動系統(tǒng)開啟或者關(guān)閉導(dǎo)葉開度，控制水輪機(jī)進(jìn)口流量，進(jìn)而達(dá)到控制機(jī)組輸出功率的目的。

圖3 水電機(jī)組一次調(diào)頻仿真模型Fig.3 The simulation model of one timefrequency modulation of hydropower station

2.2 一次調(diào)頻考核方法

一次調(diào)頻的性能用于描述電力系統(tǒng)頻率偏離額定值時，機(jī)組有功與系統(tǒng)頻率之間的相關(guān)性[6]。對于水電機(jī)組，包括兩方面：機(jī)組的固有特性和調(diào)節(jié)性能，固有特性主要與調(diào)差率和頻率死區(qū)兩個指標(biāo)相關(guān)，調(diào)節(jié)性能主要包括：一次調(diào)頻投入率，一次調(diào)頻實(shí)際積分電量(貢獻(xiàn)電量)，一次調(diào)頻合格率[7]。一次調(diào)頻是并網(wǎng)發(fā)電機(jī)廠提供的輔助服務(wù)中的一個基本項(xiàng)目，與有償服務(wù)不同，如若電力系統(tǒng)需要該功能參與，卻被考核為不合格，則扣除相應(yīng)的考核電量，即一次調(diào)頻性能評價結(jié)果直接影響并網(wǎng)發(fā)電廠的經(jīng)濟(jì)效益[7]。P各區(qū)域電網(wǎng)根據(jù)本區(qū)域?qū)嶋H情況選擇相應(yīng)的一次調(diào)頻性能評價指標(biāo)進(jìn)行一次調(diào)頻功能考核并計算考核電量。機(jī)組一次調(diào)頻投入運(yùn)行情況考核主要涉及三方面內(nèi)容：具備一次調(diào)頻功能且投入，參數(shù)設(shè)置滿足要求，調(diào)節(jié)性能符合規(guī)定。綜合不同性能指標(biāo)，國內(nèi)現(xiàn)行考核辦法主要包括：一次調(diào)頻投入率和實(shí)際積分電量相互結(jié)合，考慮機(jī)組有功最大調(diào)節(jié)量或平均調(diào)節(jié)量，綜合投入率與一次調(diào)頻效果。對于仿真實(shí)例所在的南方電網(wǎng)區(qū)域，考核方法綜合了一次調(diào)頻投入率與積分電量。因此，與此相對應(yīng)，考核電量的計算包括兩方面：①并網(wǎng)時間段內(nèi)，一次調(diào)頻功能投入時間短造成投入率低；②一次調(diào)頻動作效果不佳造成合格率低。

投入率Y=T投入/T并網(wǎng)

(1)

(2)

(3)

2.3 一次調(diào)頻仿真

利用圖3仿真模型，模擬電網(wǎng)頻率過一次調(diào)頻死區(qū)后水電機(jī)組的出力響應(yīng)變化過程。仿真過程中，讀取仿真計算出的電網(wǎng)頻率與機(jī)組有功功率，根據(jù)電網(wǎng)頻率判斷是否評價記錄，對符合應(yīng)該動作條件的仿真實(shí)例，進(jìn)行動作評價?；谀戏诫娋W(wǎng)水電機(jī)組一次調(diào)頻評價辦法，制定如圖4所示水電機(jī)組一次調(diào)頻應(yīng)該動作與動作評價流程圖，包括：電網(wǎng)頻率是否過動作死區(qū)，持續(xù)時間超規(guī)定動作延時，中間電網(wǎng)頻率峰值是否超過評價門檻，合格率(實(shí)際動作積分電量與理論積分電量)是否滿足要求等。水電機(jī)組一次調(diào)頻功能的考核主要是：當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生變化時，機(jī)組所表現(xiàn)出來的負(fù)荷調(diào)整能力。在一次調(diào)頻的參數(shù)符合要求之外，機(jī)組一次調(diào)頻響應(yīng)行為性能要求滿足：①滯后時間：不同額定水頭下，負(fù)荷響應(yīng)滯后時間應(yīng)該小于對應(yīng)規(guī)定值；②負(fù)荷調(diào)整幅度：15 s內(nèi)達(dá)到一次調(diào)頻的最大負(fù)荷調(diào)整幅度的90%；③調(diào)節(jié)時間：系統(tǒng)頻率超過死區(qū)的45 s內(nèi)，機(jī)組實(shí)際出力與機(jī)組響應(yīng)目標(biāo)偏差的平均值應(yīng)在機(jī)組額定有功出力的5%(±)誤差帶內(nèi)；④穩(wěn)定時間：應(yīng)小于60 s。

圖4 水電機(jī)組一次調(diào)頻應(yīng)該動作與動作評價流程圖Fig.4 One time frequency modulation of hydropower station should be used to evaluate the flow of action and motion

3 水電機(jī)組一次調(diào)頻考核分析平臺的實(shí)現(xiàn)

本文在水電機(jī)組一次調(diào)頻Simulink仿真模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用MATLAB/GUI設(shè)計圖形用戶界面，設(shè)計水電機(jī)組一次調(diào)頻考核分析平臺，主要包括水電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析模塊和水電機(jī)組一次調(diào)頻仿真分析模塊，圖5為水電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析模塊，應(yīng)用本功能模塊可協(xié)助現(xiàn)場試驗(yàn)人員處理一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其主要步驟如下：①設(shè)置基值及讀取現(xiàn)場試驗(yàn)文件；②選取本次一次調(diào)頻待分析時間段；③設(shè)置一次調(diào)頻特性計算參數(shù)；④計算擾動前頻率、導(dǎo)葉開度及機(jī)組功率均值；⑤計算穩(wěn)態(tài)后頻率、導(dǎo)葉開度及機(jī)組功率均值；⑥計算機(jī)組導(dǎo)葉開度與有功相關(guān)性能參數(shù)；⑦計算一次調(diào)頻應(yīng)該動作記錄與動作評價相關(guān)數(shù)據(jù)；⑧保存結(jié)果到指定文件，完成一次調(diào)頻試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析。

圖5 水電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析模塊Fig.5 The data analysis module of one time frequency modulation field test of hydropower station

圖6為某并網(wǎng)水電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)采集記錄的導(dǎo)葉開度、機(jī)組功率，機(jī)組頻率等試驗(yàn)數(shù)據(jù)圖。應(yīng)用圖5所示的水電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析模塊，處理當(dāng)頻率擾動為-0.15 Hz時，頻率過頻率死區(qū)，機(jī)組有功相對值從0.794 2變?yōu)?.857 5，功率反調(diào)最大深度為0.764 0，ΔP=4.620 6 MW，一次調(diào)頻特性分析結(jié)果如表1所示。當(dāng)頻率擾動為+0.15 Hz時，頻率回到頻率死區(qū)帶內(nèi)，機(jī)組有功相對值從0.857 5變?yōu)?.797 9，功率反調(diào)最大深度為0.912 5，ΔP=8.415 MW。

通過對現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行一次調(diào)頻特性分析，可知，當(dāng)機(jī)組受到頻率擾動時，機(jī)組能夠?qū)β市枨笤诙虝r間內(nèi)做出響應(yīng)，但存在功率調(diào)節(jié)時間過長，有功反調(diào)過大的特點(diǎn)，一次調(diào)頻考核評價判定為不合格。計算結(jié)果和實(shí)際相符。

圖6 S電站水電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)原始波形Fig.6 The original waveform of the test data of the primary frequency modulation field of hydropower unit of S hydropower station

Tab.1 Analysis of the original waveform response characteristics of the field test data of a hydroelectric generating unit.

圖7為水電機(jī)組一次調(diào)頻仿真分析模塊，它主要包括圖形顯示窗口和數(shù)值設(shè)置與計算模塊，數(shù)值設(shè)置與計算模塊包括：待分析時間段選取，一次調(diào)頻考核時間設(shè)置，擾動前均值計算，擾動后穩(wěn)態(tài)值計算，一次調(diào)頻相關(guān)性能指標(biāo)計算和動作記錄與評價。仿真分析實(shí)現(xiàn)步驟為：①選擇仿真模型；②線性或非線性模型參數(shù)設(shè)置；③設(shè)置頻率擾動和機(jī)組有功信號；④設(shè)定仿真總時間，并啟動Simulink一次調(diào)頻仿真模型仿真；⑤選擇一次調(diào)頻相關(guān)性能指標(biāo)分析功能，自動實(shí)現(xiàn)仿真數(shù)據(jù)分析；⑥對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并保存結(jié)果至指定文件，完成一次調(diào)頻仿真數(shù)據(jù)的分析。

圖7 水電機(jī)組一次調(diào)頻仿真分析模塊Fig.7 The simulation analysis module for frequency modulation of hydropower station

4 結(jié) 語

為了方便水電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)或仿真模擬分析機(jī)組的調(diào)節(jié)性能，本文應(yīng)用MATLAB/GUI開發(fā)了水電機(jī)組一次調(diào)頻考核平臺，作為功能性軟件，具有集成性和開放性特點(diǎn)，同時，考核依據(jù)為南方電監(jiān)局“兩個細(xì)則”考核標(biāo)準(zhǔn)。主要實(shí)現(xiàn)了兩個功能：①水電機(jī)組一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析功能；②應(yīng)用水電機(jī)組一次調(diào)頻實(shí)時仿真與數(shù)據(jù)分析功能，實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證了本軟件平臺的先進(jìn)性和可行性。

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