吳繼平 ，李俊恩 ，孫其振 ，雷 鳴 ，馬 強

（1.南瑞集團有限公司，江蘇 南京 211106；2.國網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟南 250001）

0 引言

機組作為電網(wǎng)二次頻率調(diào)整的控制主體，其跟蹤主站AGC控制指令的能力和質(zhì)量是保證電網(wǎng)頻率安全的基本前提。目前我國在機組AGC調(diào)節(jié)性能評價方面，多采用響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、調(diào)節(jié)范圍等單個或組合性能指標(biāo)[1-2]。在機組實際調(diào)節(jié)效果方面，有學(xué)者提出將AGC機組的調(diào)節(jié)效能劃分為3個效能系數(shù)[3-4]：調(diào)節(jié)容量、調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)偏差，上述指標(biāo)能夠較為客觀地反映AGC機組對電網(wǎng)的實際貢獻。與我國關(guān)注機組單個控制性能指標(biāo)相比，北美各大獨立系統(tǒng)運營商 （independent system operator，ISO）在機組性能評價方面更加關(guān)注與市場滾動銜接，計算機組目標(biāo)出力與實際出力之間的統(tǒng)計關(guān)系。Pennsylvania—New Jersey—Maryland電網(wǎng)運營商以5 min為一個周期，實時統(tǒng)計機組目標(biāo)出力與實際出力的相關(guān)性以及兩者之間的偏差平均值[5]。紐約州ISO則在每個實時調(diào)度時段 （一般是5 min）計算出機組控制目標(biāo)與實際出力在實際控制過程中的最大正偏差、最大負偏差以及機組提供的調(diào)節(jié)空間，表征機組的調(diào)節(jié)性能指標(biāo)[6]。

基于速率、精度和響應(yīng)時間的機組調(diào)節(jié)性能指標(biāo)非常貼近機組跟蹤AGC指令的運行過程，計算結(jié)果物理意義明確，便于設(shè)計考核補償方案。但目前基于常規(guī)性能指標(biāo)設(shè)計的評價方法一方面無法有效分辨機組不跟蹤或跟蹤效果較差等運行工況[6-7]，電廠有可能對控制指令采取選擇性執(zhí)行策略，在指標(biāo)計算整體結(jié)果上并沒有太大影響；另一方面不能量化分析AGC機組調(diào)節(jié)過程對電網(wǎng)頻率及聯(lián)絡(luò)線功率控制的實際貢獻，尤其是部分響應(yīng)時間較差的機組，若不能及時響應(yīng)AGC控制，其實際跟蹤效果可能與電網(wǎng)實際需求相反，其控制過程不僅對電網(wǎng)沒有貢獻，反而不利于電網(wǎng)實際運行。隨著調(diào)頻市場的逐步建立，在準(zhǔn)確評價機組調(diào)節(jié)性能的基礎(chǔ)上，更迫切需要進一步完善表征機組對電網(wǎng)運行調(diào)節(jié)貢獻指標(biāo)，同時能夠在長周期時間尺度上對機組調(diào)節(jié)貢獻進行統(tǒng)計學(xué)上的評價。

針對當(dāng)前機組調(diào)節(jié)性能指標(biāo)在實際運行過程中存在的問題以及調(diào)頻市場建立后對機組調(diào)頻效能的評價要求，通過分析UCPS標(biāo)準(zhǔn)的適用性，提出基于UCPS標(biāo)準(zhǔn)的UCPS1改進算法，通過統(tǒng)計分析機組控制偏差與電網(wǎng)區(qū)域控制偏差 （Area Control Error，ACE）之間的統(tǒng)計關(guān)系，得出表征機組調(diào)節(jié)效能的新指標(biāo)，能夠更加準(zhǔn)確評價機組調(diào)節(jié)過程對電網(wǎng)的實際貢獻。

1 UCPS控制性能評價標(biāo)準(zhǔn)

北美電力可靠性委員會（North American Electric Reliability Council，NERC）于 1997年提出對發(fā)電廠提供輔助服務(wù)的性能設(shè)立評價體系。在此基礎(chǔ)上結(jié)合多年的運行經(jīng)驗，于2002年提出了服務(wù)提供者控制性能標(biāo)準(zhǔn) （Service Control Performance Standard，SCPS），引入SCPS可促進機組改變其控制策略，對改善電網(wǎng)頻率控制性能發(fā)揮很好的作用。SCPS與NERC制定的控制區(qū)控制性能標(biāo)準(zhǔn) （Control Performance Standard，CPS）一脈相承，對控制區(qū)內(nèi)機組的性能評價具有較好的延續(xù)性[8]。

1.1 機組控制偏差

機組控制偏差主要用于表征機組控制目標(biāo)與實際出力之間的偏離程度，反映了機組跟蹤控制目標(biāo)的優(yōu)劣，其計算公式為

式中：Uce為機組控制偏差，MW；Ua為機組實際發(fā)電功率值，MW；Uc為機組控制目標(biāo)值，MW。

1.2 機組I類性能評價

1.2.1 機組I類性能評價標(biāo)準(zhǔn)

對于聯(lián)絡(luò)線偏差控制模式，UCPS1要求機組（或機組組合）的控制性能滿足以下條件：

1）長期（時長大于一個月）控制性能應(yīng)滿足機組控制偏差平均值接近0；

2）機組控制偏差應(yīng)有利于減小控制區(qū)的ACE，或?qū)刂茀^(qū)ACE的影響不超出規(guī)定的范圍，即滿足

式中：Uce-1-min為機組控制偏差1 min的平均值；Vace-1-min為控制區(qū)控制偏差1 min的平均值；P為對該機組的分配因子，ΣP=1；γ1為控制區(qū)控制偏差1 min平均值的目標(biāo)限值，MW。

UCPS1標(biāo)準(zhǔn)注重判斷機組控制偏差Uce是否影響控制區(qū)的ACE，當(dāng)Uce與ACE符號相反時，該Uce對減小控制區(qū)的ACE是有利的；當(dāng)Uce與ACE符號相同時，則該Uce對減小控制區(qū)ACE是不利的，但如果 Uce的數(shù)值較小，仍滿足式（2），則表示該Uce對控制區(qū)ACE的影響未超出規(guī)定范圍。

1.2.2 機組I類性能評價指標(biāo)計算

式中：UCPS1為機組I類性能評價指標(biāo)；n為每個計算時段的分鐘數(shù)；

當(dāng)UCPS1≥200%，表示Uce對減小控制區(qū)的ACE或電力系統(tǒng)的頻率偏差有利；200%＞UCPS1≥100%，表示VCE對控制區(qū)的ACE或電力系統(tǒng)的頻率偏差的影響未超出規(guī)定的范圍；UCPS1＜100%，則表示Uce對控制區(qū)的ACE或電力系統(tǒng)的頻率偏差的影響已超出規(guī)定范圍。

1.3 機組Ⅱ類性能評價

1.3.1 機組Ⅱ類性能評價標(biāo)準(zhǔn)

機組Ⅱ類性能評價標(biāo)準(zhǔn)要求機組每10 min Uce的平均值控制在規(guī)定的范圍內(nèi)。即

式中：｜Uce-10-min｜為 Uce10 min 平均值的絕對值；L10為控制區(qū)的CPSⅡ類控制性能限值；Pi為機組i的分配因子；M為根據(jù)機組類型設(shè)定的機組最大控制偏差值；Ki為機組i的參與因子。

1.3.2 機組Ⅱ類性能評價指標(biāo)計算

II類性能評價指用于計算是機組控制偏差的總體合格率，用于從長時間尺度評價機組實際出力偏離控制目標(biāo)的程度，每10 min作為一個計算點。

式中：UCPS2為機組Ⅱ類性能評價指標(biāo)；Tq為機組UCPS2合格時間，min；T為機組運行的時間，min。

2 機組I類性能評價指標(biāo)改進

2.1 UCPS標(biāo)準(zhǔn)分析

UCPS標(biāo)準(zhǔn)將機組調(diào)節(jié)量與區(qū)域ACE或頻率偏差直接相關(guān)，直觀地量化了機組對于系統(tǒng)頻率控制的貢獻度。從式（1）和式（2）可以得出，UCPS標(biāo)準(zhǔn)中利用了機組目標(biāo)出力與實際出力的偏差及電網(wǎng)ACE進行了統(tǒng)計分析，但在AGC控制過程中，AGC機組的目標(biāo)出力實際上由AGC應(yīng)用實時根據(jù)電網(wǎng)ACE得到總體調(diào)節(jié)需求，再根據(jù)調(diào)節(jié)需求將調(diào)節(jié)量分配給參與AGC控制機組，AGC機組的控制目標(biāo)就等于機組實際出力加上調(diào)節(jié)量，而且考慮到機組實際跟蹤能力，在分配調(diào)節(jié)量時會受到機組最小、最大調(diào)節(jié)量的限制，同時，機組跟蹤AGC控制指令時，受到機組調(diào)節(jié)速率限制，其實際過程需要一定時間才能完成，因此，在計算機組目標(biāo)出力時不宜直接用AGC目標(biāo)出力，需要對機組的目標(biāo)出力進行處理后再進行統(tǒng)計分析計算，對UCPS1指標(biāo)的計算方法進行改進，UCPS2指標(biāo)的計算方法可以沿用標(biāo)準(zhǔn)算法進行計算。

2.2 機組I類性能評價指標(biāo)改進

機組控制偏差反映的是機組實際出力與目標(biāo)出力的偏差。在修正機組目標(biāo)出力時，首先根據(jù)機組額定調(diào)節(jié)速率，得到機組期望的調(diào)節(jié)目標(biāo)，該目標(biāo)應(yīng)該根據(jù)機組實際調(diào)節(jié)能力得到。根據(jù)AGC下發(fā)的控制目標(biāo)，構(gòu)建一個虛擬實時控制目標(biāo)。從AGC下發(fā)實際控制目標(biāo)開始，機組按照額定調(diào)節(jié)速率斜率向最終的控制目標(biāo)得到控制目標(biāo)虛擬斜線，將這條虛擬斜線作為機組期望目標(biāo)出力，如圖1所示。

圖1 虛擬目標(biāo)計算

機組參與ACE調(diào)整后實際調(diào)節(jié)偏差為

式中：U′ce為機組的控制偏差，MW；Ud為機組的虛擬目標(biāo)出力，MW。

對機組I類性能評價指標(biāo)進行改進，改進后的機組I類性能評價指標(biāo)計算公式為

式中：U′CPS1為改進機組 I類性能評價指標(biāo)；U′ce-min為U′ce的1min平均值；n為每個計算時段的分鐘數(shù)。

3 應(yīng)用效果分析

以山東電網(wǎng)2臺機組為例進行分析，其中1號機組為裝機300 MW的火電機組，2號機組為裝機1 000 MW的火電機組，機組的額定調(diào)節(jié)速率為裝機容量的1.5%。圖2和圖3分別為1號、2號機組在某時段的跟蹤情況，機組實際出力和目標(biāo)出力采樣間隔為5 s。

圖2 1號機組跟蹤AGC控制指令曲線

圖3 2號機組跟蹤AGC控制指令曲線

分別利用傳統(tǒng)的調(diào)節(jié)速率、響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)精度計算機組的常規(guī)性能指標(biāo)，如表1所示。

從機組統(tǒng)計得出的機組調(diào)節(jié)性能數(shù)據(jù)分析，考慮機組裝機容量的情況下，1號機組和2號機組的調(diào)節(jié)性能均滿足考核指標(biāo)要求。

表1 機組調(diào)節(jié)性能數(shù)據(jù)

1號機組和2號機組在采樣時段內(nèi)的U′CPS1指標(biāo)和UCPS1指標(biāo)分別如圖4與圖5所示，采樣間隔為5 min。

圖4 1號機組UCPS1與UCPS1指標(biāo)對比

圖5 2號機組UCPS1與U′CPS1指標(biāo)對比

從圖4和圖5的U′CPS1可以很直觀得出1號機組對電網(wǎng)的調(diào)節(jié)貢獻要明顯好于2號機組。通過將UCPS指標(biāo)結(jié)合常規(guī)機組性能各項指標(biāo)的對比和印證，能夠更加全面地反映機組跟蹤AGC控制指令效果及其對電網(wǎng)頻率的貢獻。同時通過1號機組和2號機組的U′CPS1和UCPS1對比可以得出：傳統(tǒng)UCPS指標(biāo)計算結(jié)果跳躍性較大，并且存在機組跟蹤效果良好但指標(biāo)仍不合格現(xiàn)象，說明傳統(tǒng)UCPS指標(biāo)不適應(yīng)調(diào)頻機組的考核評價。

圖6和圖7分別為1號機組和2號機組在增加UCPS標(biāo)準(zhǔn)考核前后不同月份同一日的U′CPS1小時平均指標(biāo)對比，采樣間隔為.1 h，增加UCPS考核后，1號機組的 U′CPS1日平均指標(biāo)由 194提高到 223，2號機組U′CPS1日平均指標(biāo)由178提高到202，由此可以得出通過增加UCPS指標(biāo)考核，全面評價機組性能和貢獻能夠促進電廠進一步改進機組調(diào)節(jié)性能，有利于電網(wǎng)提高電網(wǎng)頻率控制效果。

圖6 1號機組U′CPS1指標(biāo)對比

圖7 2號機組U′CPS1指標(biāo)對比

4 結(jié)語

通過分析當(dāng)前機組調(diào)節(jié)性能指標(biāo)及其計算方法中存在的具體問題，從UCPS標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性出發(fā)，根據(jù)AGC機組控制指令下發(fā)的具體方式和相關(guān)限制因素，提出了改進機組UCPS指標(biāo)計算方法，結(jié)合傳統(tǒng)性能指標(biāo)能夠全面反映機組在任意固定時段內(nèi)的實際調(diào)節(jié)性能和調(diào)節(jié)貢獻，實際算例表明新提出的UCPS指標(biāo)能夠準(zhǔn)確反映機組調(diào)節(jié)對電網(wǎng)實際運行產(chǎn)生的具體貢獻，實施考核后能夠有效促進電廠提高機組調(diào)節(jié)性能，提高電網(wǎng)頻率控制效果。