何 鈞, 劉育辰, 徐教鋒, 王丹豪, 戚爾江, 劉世彬

(1.國網(wǎng)江西省電力公司電力科學研究院, 江西 南昌 330000;2.上海電力大學, 上海 200090; 3.上海厚尚電力科技有限公司, 上海 200082)

電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行對國家工業(yè)生產與經濟發(fā)展起著重要作用[1]。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴大,以及智能電網(wǎng)的逐步形成,機組與電網(wǎng)(以下簡稱“機網(wǎng)”)之間的相互聯(lián)系、相互作用越來越緊密。電網(wǎng)對并網(wǎng)機組提供的輔助服務提出了更嚴格的要求,對并網(wǎng)機組一次調頻、自動發(fā)電控制(Automatic Generation Control,AGC)的考核與評價標準也更明確、嚴格。開發(fā)發(fā)電廠側調頻調峰參數(shù)在線監(jiān)測與評估系統(tǒng),可以及時發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)機組調頻調峰過程中存在的問題,對提升發(fā)電機組支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的能力意義重大。

華中能源監(jiān)管局根據(jù)國家能源局統(tǒng)一部署,結合華中區(qū)域電力系統(tǒng)的特點與實際情況,于2020年9月印發(fā)了最新的《華中區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務管理實施細則》[2]和《華中區(qū)域并網(wǎng)運行管理實施細則》[3](以下簡稱兩個細則)。修訂后的兩個細則,全面提高了輔助服務補償和并網(wǎng)運行考核標準,重點對一次調頻和AGC服務補償規(guī)則進行了修訂,新增一次調頻補償內容。面對更嚴格的輔助服務考核標準,如何提高并網(wǎng)機組調頻調峰能力,同時兼顧機組穩(wěn)定性,是當下各大發(fā)電企業(yè)需要解決的問題。在電力生產現(xiàn)場,指標的偏差往往都是由運行統(tǒng)計人員發(fā)現(xiàn)的,針對機網(wǎng)協(xié)調運行過程的改進與調整也都是通過運行和檢修人員來實施,因此抓好發(fā)電側機網(wǎng)協(xié)調性能監(jiān)測、考核及分析管理,可以提升并網(wǎng)機組支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行的能力。

針對以上問題,本文提出一種發(fā)電側并網(wǎng)機組一次調頻和AGC性能考核在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過WebService協(xié)議監(jiān)聽采集機組調頻調峰相關參數(shù),截取機組一次調頻和AGC試驗數(shù)據(jù)信息,結合機組熱力特性數(shù)據(jù)分析匯總,構建機組一次調頻和AGC動態(tài)特性評估體系,實現(xiàn)火電機組一次調頻和AGC性能在線監(jiān)測和能力分析評估。

1 調頻調峰參數(shù)在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)設計

本文中,用以驗證系統(tǒng)效果的機組系北重阿爾斯通公司制造的超臨界600 MW等級帶過載補汽節(jié)流配汽汽輪機,采用節(jié)流調節(jié)全周進汽方式,無調節(jié)級,設有兩個主調節(jié)汽閥,以及兩個補汽閥[4]。自江西電網(wǎng)嚴格兩個細則監(jiān)管以來,該機組的一次調頻及AGC性能均難以滿足電網(wǎng)調頻調峰需求,調度考核連續(xù)不合格,電力輔助服務市場競爭力薄弱,機組運行狀況與當前不斷增長的電力安全生產需求差距較大。

1.1 系統(tǒng)架構分析

通過綜合考慮實際應用需要,本文采用前后臺分離的B/S架構模式,即后端代碼用于數(shù)據(jù)的計算與統(tǒng)計,前端代碼用于數(shù)據(jù)和圖表的展示,前端與后端通過約定的數(shù)據(jù)格式代碼進行數(shù)據(jù)信息傳輸。從用戶的實際需求出發(fā),系統(tǒng)必須提供機組頻率、機組有功功率、AGC負荷指令等機網(wǎng)協(xié)調性能考核指標的真實信息,并對機組一次調頻、AGC能力進行實時評估。考慮到方便電廠工作人員進行增加、刪除和編輯等操作,系統(tǒng)允許操作人員在界面上對機組額定有功功率、調頻人工死區(qū)、涉網(wǎng)試驗數(shù)據(jù)等配置信息進行編輯。此外,軟件還需要提供機組一次調頻和AGC性能的考核與評估計算結果,如設計采用趨勢圖、統(tǒng)計曲線、表格等形式進行實時展示,用戶也可通過查看或打印日報表、月報表的形式進行數(shù)據(jù)分析。本文設計的一次調頻和AGC性能考核在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)分為3個模塊,分別為實時數(shù)據(jù)存儲模塊、后臺處理模塊、前端展示模塊。系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 一次調頻和AGC性能考核在線監(jiān)測與評估系統(tǒng)結構

1.2 系統(tǒng)硬件結構設計

綜合分析電廠的實際情況,設計的硬件結構系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)計算所需的參數(shù)包括直接參數(shù)與間接參數(shù),其中直接參數(shù)通過編寫數(shù)據(jù)采集軟件從電廠生產控制1區(qū)的廠級監(jiān)控信息系統(tǒng)(Supervisory Information System,SIS)、分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)直接獲取,間接參數(shù)不能通過SIS系統(tǒng)或DCS系統(tǒng)直接獲取數(shù)據(jù),而是通過對采集的參數(shù)進行計算間接獲取。本文將軟件平臺部署在位于3區(qū)的Web服務器和應用服務器中,用戶在同一網(wǎng)絡下訪問服務器地址即可,后期維護也只需針對服務器進行,便于客戶使用與軟件維護。

圖2 系統(tǒng)硬件結構

2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)采集

根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)來源機組的DCS和SIS系統(tǒng)實際情況,通過WebService接口構建并網(wǎng)機組生產過程中主要I/O測點信息的數(shù)據(jù)采集與參數(shù)處理系統(tǒng)。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,需要建立數(shù)據(jù)庫,將直接采集到的數(shù)據(jù)進行存儲。本文選用Microsoft公司推出的SQL Server軟件,具有操作簡潔、可擴展性強、與相關軟件集成程度高等優(yōu)點。

2.2 一次調頻考核計算分析

華中電網(wǎng)兩個細則要求區(qū)域內所有并網(wǎng)機組必須提供一次調頻服務,向并網(wǎng)機組提出了明確的考核要求,其中要求燃機、電液型汽輪機調節(jié)控制系統(tǒng)的火電機組一次調頻人工死區(qū)應在±0.033 Hz(±2 r/min)內[2-3]。一次調頻性能考核內容包括:一次調頻貢獻率K、一次調頻理論貢獻電量、一次調頻實際貢獻電量、一次調頻合格率等。調度中心根據(jù)性能計算結果,對滿足大擾動性能要求的并網(wǎng)機組給予補償[2-3]。一次調頻綜合性能指標用貢獻率K來表示,公式為

(1)

式中:Hi——機組實際貢獻電量;

He——機組理論貢獻電量。

當機組頻率超出調頻人工死區(qū)范圍后,開始計算機組一次調頻性能指標。He的計算公式為

(2)

(3)

式中:t0——機組頻率超出調頻人工死區(qū)的時刻;

t1——機組頻率回到調頻人工死區(qū)的時刻;

Δf(t) ——t時刻機組頻率與50±Δfsq(調頻人工死區(qū))的差值;

fn——電網(wǎng)額定頻率,取50 Hz;

Kc——機組的速度變動率,經試驗計算取5%;

PMCR——機組額定有功功率,取640 MW。

Hi計算公式為

(4)

式中:Pt——t時刻機組的實際有功功率;

P0——t0時刻機組的實際有功功率(取該時刻前5 s的平均值)。

積分時長Δt=t1-t0,其取值如下

(5)

兩個細則規(guī)定若K<0.5,則計為一次不合格;反之,則合格。最終將一次調頻性能考核計算結果存入本地數(shù)據(jù)庫。

2.3 AGC性能考核計算分析

AGC是由并網(wǎng)機組提供,使機組在既定的有功功率調節(jié)范圍內,跟蹤電力調度中心的負荷指令,實時調整機組有功功率的輔助服務[2]。根據(jù)兩個細則要求,對并網(wǎng)發(fā)電機組AGC性能考核內容包括AGC投運率、綜合性能和服務補償?shù)萚3]。AGC綜合性能指標k表示為

k=βk1k2

(6)

式中:β——評價系數(shù),用以驗證機組為火電機組,取1.4;

k1——指令響應速度性能指標;

k2——調節(jié)精度性能指標。

指令響應速度性能指標的計算公式為

(7)

式中:ΔP——機組實際調節(jié)過程中的調節(jié)幅度,MW;

T0——調節(jié)過程計算參數(shù);

PZ——調節(jié)過程中任意時刻的負荷指令,MW;

P——調節(jié)過程中機組實際有功功率,MW;

ΔPZ——調節(jié)過程最終指令,即機組初始有功功率,MW;

ΔT——實際調節(jié)過程中的調節(jié)時間,s。

若ΔP(PZ-P)/abs(PZ-P)小于零,則該調節(jié)過程為反調節(jié);反之,則為正調節(jié)。T0計算公式為

(8)

式中:T1——調節(jié)補償時間,取20 s;

V0——機組升降速率,取7.68 MW/min。

調節(jié)精度性能指標的計算公式為

(9)

式中:e——調節(jié)過程調節(jié)精度。

計算調節(jié)精度時,記錄機組實際有功功率首次進入死區(qū)范圍的時刻與有功功率值,并以該時刻為起點,記錄第5 s,10 s的機組有功功率值。若因新的AGC負荷指令導致本次調節(jié)過程結束,則相應取2個有功功率值,若仍取不到,則只取首次進入死區(qū)時的有功功率值。計算方法如下

(10)

式中:Pi——調節(jié)過程中機組實際有功功率首次進入死區(qū)后的第i個有功功率值;

PN——機組額定容量,當控制模式為單機模式時,其值為該單機的額定容量;當控制模式為全廠模式時,其值為全廠機組的額定容量總和。

在D5000數(shù)據(jù)庫中,AGC負荷指令和機組實際有功功率每隔5 s進行存儲。

(11)

式中:YAGC——補償費用,元;

m——補償單價,取6元/MW。

2.4 一次調頻能力在線評估計算分析

研究發(fā)電機組調頻調峰指標數(shù)據(jù)的內在聯(lián)系,根據(jù)電網(wǎng)調度層面的調頻調峰考核數(shù)據(jù)和發(fā)電機組調頻調峰試驗信息數(shù)據(jù),應用大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術,實時評估并網(wǎng)發(fā)電機組的一次調頻補償能力和二次調頻調節(jié)能力,實現(xiàn)發(fā)電機組調頻調峰性能在線評估。

2.4.1 一次調頻能力在線評估計算方法

根據(jù)試驗工況下的配汽方式和閥門開啟順序,分析機組功率、鍋爐蓄熱余量、機組變負荷情況以及主蒸汽壓力變化等對一次調頻過程效果的影響,計算并網(wǎng)機組實際工況偏離試驗工況的綜合修正系數(shù),公式為

Kn=k1k2k3k4

(12)

式中:k1,k2,k3,k4——描述機組協(xié)調控制系統(tǒng)投入情況、機組變負荷情況、主蒸汽壓力、鍋爐蓄熱余量對一次調頻能力影響的修正系數(shù)[5]。

(13)

當機組變負荷方向與一次調頻方向相反且變負荷幅度大于10 MW時,k2=0.8;當機組變負荷方向與一次調頻方向相反且變負荷幅度大于8.8 MW、小于10 MW時,k2=0.83;當機組變負荷方向與一次調頻方向相反且變負荷幅度大于5 MW、小于8.8 MW時,k2=0.9;當機組穩(wěn)態(tài)或機組變負荷方向與一次調頻方向相反且變負荷幅度小于5 MW時,k2=1;當機組變負荷方向與一次調頻方向相同且變負荷幅度小于5 MW時,k2=1.1;當機組變負荷方向與一次調頻方向相同且變負荷幅度大于5 MW時,k2=1.2。

(14)

式中:Δp——試驗工況合格壓力與當前壓力差。

所送檢標本有痰、血液、尿液、胸腔引流液、腹腔引流液、手術切口分泌液等。按照《臨床檢驗操作規(guī)程》中的操作方法進行菌株測定和藥敏試驗。

當主蒸汽壓力變化方向與一次調頻方向相反且變化速度大于|0.2| MPa/min時,k4=0.7;當主蒸汽壓力變化方向與一次調頻方向相反且變化速度大于|0.05～0.2| MPa/min時,k4=0.8;當主蒸汽壓力變化速度在|0.05| MPa/min以內時,k4=1;當主蒸汽壓力變化方向與一次調頻方向相同且變化速度大于|0.05～0.2| MPa/min時,k4=1.2;當主蒸汽壓力變化方向與一次調頻方向相同且變化速度大于|0.2| MPa/min時,k4=1.3。

通過計算一次調頻初期的各項修正系數(shù),比較k1,k2,k3,k4的大小,分析得出在該次調節(jié)過程中對性能影響較大的因素。

2.4.2 AGC性能在線評估計算方法

根據(jù)試驗工況下的配汽方式和閥門開啟順序,分析機組主要參數(shù)運行情況、機組煤電比以及調門開度值對AGC變負荷性能的影響。計算并網(wǎng)機組實際工況偏離試驗合格工況的綜合修正系數(shù),即

K′n=k′1k′2k′3

(15)

式中:k′1,k′2,k′3——機組關鍵運行參數(shù)、煤質、調門總指令對AGC性能影響的修正系數(shù)[5]。

機組關鍵運行參數(shù)修正系數(shù)k′1主要描述主蒸汽壓力、主蒸汽溫度和一次風壓力等參數(shù)對AGC性能的影響情況。其計算公式為

(16)

式中:C1,C2——關鍵參數(shù)運行實時值和限值;

C3——關鍵參數(shù)正常運行時的平均值。

煤質修正系數(shù)k′2反映當運行工況下煤種與試驗工況下煤種有較大差別時,同樣的發(fā)電量需要的燃煤量不同,對機組AGC變負荷性能的影響。其計算公式為

(17)

式中:S1——設計煤種下煤電比;

S2——穩(wěn)態(tài)情況下運行煤電比。

調門總指令修正系數(shù)k′3反映在相同穩(wěn)態(tài)工況下,機組的調門總指令不同對機組AGC持續(xù)變負荷能力和變負荷速率的影響。其計算公式為

(18)

式中:D1——AGC負荷變化初期的高調門開度反饋。

通過計算AGC變負荷初期的綜合修正系數(shù),比較k′1,k′2,k′3的大小,分析得出在該次調節(jié)過程中對性能影響較大的因素。

3 系統(tǒng)運行測試

用戶界面采用JavaScript框架下的網(wǎng)頁形式進行一次調頻、AGC性能考核與評估結果的展示和查看。主要展示界面包括機組一次調頻和AGC性能實時監(jiān)測與評估、考核指標統(tǒng)計展示和日/月報表等。詳情界面如圖3～圖6所示。

圖3 一次調頻考核統(tǒng)計界面

圖4 一次調頻性能監(jiān)測與評估界面

圖5 AGC考核統(tǒng)計界面

圖6 AGC性能監(jiān)測界面

在統(tǒng)計時間內,該機組一共發(fā)生了42次頻率擾動事件,均為小擾動事件,其中一次調頻合格21次,不合格21次,根據(jù)兩個細則對調節(jié)不合格過程進行考核。該機組當日考核電量共計1 854.72 kWh。圖4中對單次一次調頻過程進行監(jiān)測分析,評估指標顯示,該工況下向上一次與向下一次調頻能力均達到合格水平,影響一次調頻能力的主要原因為主蒸汽壓力偏低,不能滿足機組調頻所需的機組蓄熱。

機組AGC跟蹤電網(wǎng)負荷指令合格率為64%,根據(jù)兩個細則,對合格的變負荷過程予以補償,共計22 272元。根據(jù)能力評估統(tǒng)計計算結果,變負荷調節(jié)不合格153次,其中,調門總指令系數(shù)最小的次數(shù)為105次,該時段內對AGC性能影響的主要原因為機組調門開度過大,不能滿足機組AGC變負荷需要的機組蓄熱。

4 結 語

本文設計的基于火力發(fā)電廠SIS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)并網(wǎng)機組一次調頻和AGC性能考核的在線監(jiān)測與評估系統(tǒng),根據(jù)電廠實際網(wǎng)絡拓撲結構和現(xiàn)場實際需求,采用B/S架構,通過WebService協(xié)議采集有關參數(shù)信息,以網(wǎng)頁界面的形式進行性能計算與評估分析結果展示。系統(tǒng)使用電廠歷史數(shù)據(jù)完成了測試,測試結果顯示系統(tǒng)實現(xiàn)了設計目標,為電廠提供了監(jiān)測機組調頻情況的平臺。發(fā)電機組機網(wǎng)協(xié)調性能計算與能力評估為電廠運行人員提供了操作依據(jù)。