劉前宏 王亞剛

摘 要：一次調(diào)頻輔助服務(wù)與回路性能評估是維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要保證。根據(jù)國家電監(jiān)會對一次調(diào)頻參數(shù)的要求與浙江某電廠具體特點，設(shè)計了滿足電廠一次調(diào)頻考核及回路性能評估系統(tǒng)。根據(jù)電廠系統(tǒng)需求分析，對電廠設(shè)備一次調(diào)頻參數(shù)進行集中采集、監(jiān)視與分析。對電廠一次調(diào)頻合格率、投運率、考核電量進行統(tǒng)計，再對回路性能進行評估，最終以Web界面的方式進行展示。系統(tǒng)可對一次調(diào)頻與回路性能不合格的情況進行報警、作出不合格評價。實踐測試表明，該監(jiān)測管理系統(tǒng)可提高發(fā)電廠一次調(diào)頻服務(wù)質(zhì)量，提高電廠涉網(wǎng)設(shè)備運行可靠性。

關(guān)鍵詞：一次調(diào)頻：回路評估;在線監(jiān)測

DOI： 10. 11907/rjdk.192236

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7800（2020）001-0140-04

0 引言

一次調(diào)頻的作用是使電網(wǎng)頻率自動維持穩(wěn)定，這是電力市場最重要的調(diào)頻輔助服務(wù)之一。為規(guī)范各并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)的考核管理、保證發(fā)電機組供電質(zhì)量，國家電監(jiān)會發(fā)布的《發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理規(guī)定》與《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》（簡稱為“兩個細則”）嚴格規(guī)定了一次調(diào)頻投入率、調(diào)節(jié)指標考核標準。各電網(wǎng)公司針對“兩個細則”制定了本區(qū)域考核技術(shù)支持系統(tǒng)，但這些考核系統(tǒng)大都僅是對“兩個細則”的軟件實現(xiàn)[1-7]，內(nèi)容局限于考核與補償，評價方法不夠全面，沒有直觀反映被考核機組調(diào)節(jié)品質(zhì)及調(diào)節(jié)指導(dǎo)意見。因此設(shè)計一套操作簡單、評價客觀的考核評估系統(tǒng)十分重要。

電廠回路對整個生產(chǎn)過程至關(guān)重要，它關(guān)系到產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)品合格率、操作成本等問題。一般電廠機組采用的控制回路在工業(yè)運行初期具有良好性能，但若無定期評估與及時維護，其性能將逐漸下降。因此，電廠工程技術(shù)人員需經(jīng)常利用工業(yè)儀表監(jiān)測生產(chǎn)過程并進行相應(yīng)維護。但檢測與維護需暫停生產(chǎn)，這會大幅降低生產(chǎn)效率，阻礙企業(yè)發(fā)展。因此本文設(shè)計一套基于PMU裝置的一次調(diào)頻與回路性能在線監(jiān)測評估系統(tǒng)。與現(xiàn)有大多數(shù)假設(shè)輸入為階躍響應(yīng)的PID控制回路評估技術(shù)不同的是，該系統(tǒng)可有效防止突變型信號對機器設(shè)備造成的負面影響。本文根據(jù)電廠網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu)與實際工作需要，采取B/S架構(gòu)，通過數(shù)據(jù)偵聽的方式獲取有關(guān)參數(shù)信息，以Web界面形式進行計算展示[8-11];最后以浙江某電廠機組歷史數(shù)據(jù)為模型樣本，結(jié)合省調(diào)WAMS實際工程實施情況，對一次調(diào)頻合格率回路性能進行評估。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

在進行硬件設(shè)計時綜合考量浙江某電廠現(xiàn)有設(shè)備與電廠實際狀況，最終選取如圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)作為系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)。從硬件結(jié)構(gòu)可以看出，一次調(diào)頻考核所需參數(shù)從兩處采集而來，一處是從電廠生產(chǎn)信息I區(qū)的DCS、AGC等系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過電廠OPC服務(wù)器，穿過防火墻后存放到生產(chǎn)信息Ⅱ區(qū)的實時數(shù)據(jù)庫（PI）;第二部分的一次調(diào)頻考核所需參數(shù)需從PMU裝置獲取，獲取數(shù)據(jù)的方法是將接口機與PMU子站發(fā)到主站的數(shù)據(jù)，通過光纖收發(fā)器和交換機進行鏡像傳輸，然后利用防火墻控制策略將解包后的數(shù)據(jù)送到Ⅱ區(qū)的PI實時數(shù)據(jù)庫，最后同樣通過鏡像將Ⅱ區(qū)PI數(shù)據(jù)庫里的數(shù)據(jù)存貯到安防等級較低的Ⅲ區(qū)。電廠一次調(diào)頻在線監(jiān)測系統(tǒng)平臺部署在Ⅲ區(qū)的應(yīng)用服務(wù)器與Web服務(wù)器中。外部訪問與電廠維護均通過訪問Ⅲ區(qū)的兩臺服務(wù)器進行。

2 一次調(diào)頻考核與評估

發(fā)電機組調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性是決定一次調(diào)頻的主要因素。汽機調(diào)節(jié)系統(tǒng)速度變動率（調(diào)節(jié)系數(shù)）與不靈敏度（頻差死區(qū)）是決定機組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻程度的兩個重要因素。機組一次調(diào)頻能力大小取決于速度變動率，而系統(tǒng)一次調(diào)頻作用的起始點則由頻差死區(qū)反映。電網(wǎng)頻率是電網(wǎng)運行的一個重要監(jiān)視參數(shù)，但該參數(shù)頻繁發(fā)生變化[12-13]。由“兩個細則”規(guī)定可知，一次調(diào)頻考核主要包括3部分：一次調(diào)頻考核電量、投運率和合格率。

2.1 一次調(diào)頻考核電量

將系統(tǒng)頻率（以1分鐘為一個時段）超出一次調(diào)頻死區(qū)期間且實際出力變化量與系統(tǒng)頻率偏差數(shù)值的正負號相同（高頻增出力或低頻減出力）、實際出力變化量為零的情況統(tǒng)計為不合格時段[14-15]。其中，將相鄰1分鐘實際出力之差作為實際出力變化量。當月一次調(diào)頻考核電量不能高于當月機組發(fā)電量的0.5%。

2.2 一次調(diào)頻投入率

一次調(diào)頻投入率等于一次調(diào)頻功能投入時間與并網(wǎng)運行時間的百分比;機組一次調(diào)頻月投入率下限值為90%，當每低于一個百分點（含不足一個百分點），將當月機組發(fā)電量的0.1%計為考核電量。

2.3 一次調(diào)頻合格率

一次調(diào)頻合格率是一次調(diào)頻合格時段（時間點）時間總和與一次調(diào)頻功能投入時間的百分比;將100%作為一次調(diào)頻合格率基準，每降低當月合格率0. 1%個百分點，按當月機組發(fā)電量的0.1%作為考核電量[17-18]。

具體考核流程如下：

（1）記錄一次調(diào)頻動作。記錄電網(wǎng)頻率偏差>0.033且持續(xù)時間超過15s的開始時間、時長以及期間電網(wǎng)極限頻率、結(jié)束頻率、前30秒平均功率。

（2） 一次調(diào)頻評價。計算電網(wǎng)頻率偏差>0.033且持續(xù)時間超過15s、期間頻率偏差>0.05的理論動作積分量、實際動作積分量，并根據(jù)兩者之比判斷是否合格并進行記錄。

3 系統(tǒng)考核結(jié)果

系統(tǒng)可根據(jù)評估結(jié)果建議發(fā)電廠人員及時檢查、處理，同時還可形成相關(guān)分析報告。機組1的一次調(diào)頻考核結(jié)果如圖2所示。

4 回路評估

由于電廠控制系統(tǒng)復(fù)雜且有時滯性，單回路控制系統(tǒng)無法有效進行電廠控制回路評估。本文基于單回路控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)回路評估方法，該方法針對電廠不同類型的控制回路，采用適合的方法進行評估。本部分介紹單回路控制系統(tǒng)與串級控制系統(tǒng)評估方法。

4.1 單回路控制系統(tǒng)回路評估

若發(fā)電廠子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型未知，則系統(tǒng)脈沖響應(yīng)系數(shù)fi未知，通常采用FCOR算法，即一個穩(wěn)定的閉環(huán)過程輸出可用一個無限階滑動平均模型（ARMAX）進行模擬，最終計算控制器性能評估指標，其抽樣計算如式（7）所示。

最終進行評價時，僅需考察η（d）的值，η（d）的值在0-1內(nèi)，越接近1，說明控制系統(tǒng)性能越好?；贛V準則的控制品質(zhì)評價方法基本原理如圖4所示。

4.2 串級控制系統(tǒng)評估

火電機組系統(tǒng)存在復(fù)雜性和時滯性，單回路控制系統(tǒng)有時無法滿足生產(chǎn)工藝要求，由此串級過程控制系統(tǒng)被提出，例如過熱汽溫串級控制系統(tǒng)采用的二級噴水減溫控制，其主副回路均存在噪聲干擾。在針對該類系統(tǒng)進行控制品質(zhì)評估時，具體方法與單回路有所不同。串級系統(tǒng)最終目標是控制主回路輸出達到期望水平。因此計算串級系統(tǒng)η（d）時，δ2為主回路輸出值與設(shè)定值偏差的方差，可直接從數(shù)據(jù)序列中得到。δ2計算如式（14）所示。

其中Ni是包含估計閉環(huán)脈沖響應(yīng)系數(shù)的系數(shù)矩陣，通過時間序列模型的簡單辨識可得到，∑a是白噪聲向量的估計方差協(xié)方差矩陣。由此將計算得到的δmy代人性能基準式中可獲得性能指標值。

針對電廠不同類型的控制回路，采用上述兩種方法進行控制品質(zhì)評估，整個計算過程不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計算和大量模型辨識工作，計算機處理速度較快，可實現(xiàn)實時在線評估方式。最終選取機組1的除氧氣水位控制回路進行測試，其測試結(jié)果如圖5所示。

控制系統(tǒng)性能評估是研究工業(yè)控制回路控制器性能的方法，根據(jù)評估性能指標結(jié)果分析控制回路是否需要維護或重新整定，判斷控制性能有無改進空間。一般將性能指標（0-1取值范圍）分為3個等級，即0-0.1區(qū)間為差，0.1-0.3區(qū)間為中等，0.3～1區(qū)間為好，當數(shù)據(jù)錯誤時無結(jié)果，需要重新評估。

5 結(jié)語

本文根據(jù)浙江某電廠特點，結(jié)合一次調(diào)頻理論算法與相關(guān)軟件設(shè)計了滿足“兩條規(guī)則”頻率要求的在線實時考核系統(tǒng)。電廠利用該系統(tǒng)可實時檢測一次調(diào)頻是否合格。而后基于回路評估算法，在系統(tǒng)中對電廠回路性能進行實時評估并給出回路整改意見，可降低員工定期檢查成本，避免由于檢修帶來的生產(chǎn)停滯。本文在線評估算法在浙江某電廠付諸實踐，根據(jù)電廠操作人員反饋，該系統(tǒng)保證了生產(chǎn)安全性和可靠性，滿足電廠對一次調(diào)頻與回路評估的考核要求，且數(shù)據(jù)采集使用PMU數(shù)據(jù)偵聽方，極大保證了系統(tǒng)安全問題。由于電廠數(shù)據(jù)不斷增加，系統(tǒng)數(shù)據(jù)存貯方式面臨巨大挑戰(zhàn)，下一步將在系統(tǒng)中加入大數(shù)據(jù)技術(shù)以解決數(shù)據(jù)量持續(xù)增加的問題。

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（責(zé)任編輯：江艷）

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（ 11502145，61074087）

作者簡介：劉前宏（1994-），男，上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院碩士研究生，研究方向為過程控制、系統(tǒng)辨識等;王亞剛（1967-），男，博士，上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向為系統(tǒng)辨識、先進過程控制等。本文通訊作者：王亞剛。