張江豐 王飛躍 蘇 燁 陳 波 汪自翔 孫堅(jiān)棟 尹 峰

電網(wǎng)頻率是電力系統(tǒng)運(yùn)行中最重要的關(guān)鍵參數(shù)之一,系統(tǒng)頻率的異常波動(dòng)不僅影響電網(wǎng)的電能質(zhì)量,制約電力設(shè)備的正常使用,嚴(yán)重的頻率失衡甚至將導(dǎo)致并網(wǎng)設(shè)備脫網(wǎng)及系統(tǒng)崩潰,對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重危害[1-2].因此,系統(tǒng)頻率的穩(wěn)定控制是電力系統(tǒng)穩(wěn)定不可或缺的重要組成.電力系統(tǒng)頻率的異常波動(dòng)是由并網(wǎng)機(jī)組發(fā)電功率和用電負(fù)荷功率不平衡引起的,因而,電力系統(tǒng)能夠根據(jù)系統(tǒng)頻率的變化主動(dòng)快速進(jìn)行發(fā)用電控制以維持頻率穩(wěn)定就顯得尤為重要[3].電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻就是當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生異常波動(dòng)時(shí),自動(dòng)迅速地作出響應(yīng),改變并網(wǎng)機(jī)組的實(shí)時(shí)出力,將系統(tǒng)頻率穩(wěn)定在一個(gè)合理安全的水平線上.這對(duì)提高電能質(zhì)量及電網(wǎng)頻率控制水平,迅速平息電網(wǎng)頻率波動(dòng)起到了重要作用[4-5].

電力系統(tǒng)是一個(gè)非線性時(shí)變強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng),其一次調(diào)頻特性與每臺(tái)并網(wǎng)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)調(diào)速器特性息息相關(guān),是每臺(tái)并網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組調(diào)速器特性在當(dāng)前電網(wǎng)工況下的綜合特性[6].對(duì)于單臺(tái)發(fā)電機(jī)組而言,其一次調(diào)頻特性與調(diào)速器自身的特性顯著相關(guān)[7].而當(dāng)機(jī)組并入電力系統(tǒng)時(shí),電力系統(tǒng)的一次調(diào)頻特性不僅與機(jī)組自身的調(diào)速器特性有關(guān),也和所有并列運(yùn)行的其他發(fā)電機(jī)組特性相關(guān),甚至還與機(jī)組所處的實(shí)時(shí)工況和機(jī)組間的相互作用有關(guān)[8].另一方面,電網(wǎng)中各機(jī)組的發(fā)電類型、容量、設(shè)備結(jié)構(gòu)(例如,凝汽式機(jī)組的負(fù)荷響應(yīng)速度明顯高于背壓式機(jī)組),以及機(jī)組運(yùn)行工況(例如,滑壓或定壓、不同季節(jié)乃至一天內(nèi)不同時(shí)間段的負(fù)荷率高低)等各類因素共同作用影響著電網(wǎng)的一次調(diào)頻性能[9].所以,在不同的電網(wǎng)運(yùn)行工況下,非常有必要對(duì)電網(wǎng)的一次調(diào)頻性能進(jìn)行在線估計(jì),使電網(wǎng)面對(duì)不斷變化的負(fù)荷調(diào)節(jié)需求均能夠具備足夠的一次調(diào)頻性能.

目前,國(guó)內(nèi)外對(duì)一次調(diào)頻能力的研究偏向單臺(tái)機(jī)組側(cè)較多,對(duì)電網(wǎng)一次調(diào)頻性能的研究和計(jì)算比較分散,整體性考慮電網(wǎng)一次調(diào)性能各個(gè)因素的綜合性研究較少,也未見(jiàn)實(shí)際的工程化應(yīng)用.此外,由于很難、甚至無(wú)法對(duì)電網(wǎng)一次調(diào)頻特性進(jìn)行精確建模,以至于無(wú)法有效估計(jì)電網(wǎng)真實(shí)的一次調(diào)頻性能.

本文基于平行控制理論框架下由人工社會(huì)(Artificial societies,A)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)(Computational experiments,C)和平行執(zhí)行 (Parallel execution,P) 構(gòu)成的ACP 理論體系,構(gòu)建了多源數(shù)據(jù)的電網(wǎng)一次調(diào)頻性能平行計(jì)算平臺(tái).本文提出的計(jì)算方法能夠有效兼顧機(jī)組類型的靜態(tài)特性和運(yùn)行工況的動(dòng)態(tài)特性,并以平行執(zhí)行方式完成人工估算系統(tǒng)與實(shí)際電力系統(tǒng)的滾動(dòng)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)一次調(diào)頻性能的在線全面估計(jì),從而有效彌補(bǔ)其無(wú)法進(jìn)行精確建模的不足,有助于提高電網(wǎng)主動(dòng)應(yīng)對(duì)負(fù)荷突變的能力,也是對(duì)電網(wǎng)一次調(diào)頻性能管控的一種全新的可行性方式.

1 平臺(tái)整體框架設(shè)計(jì)

所謂平行系統(tǒng),是指由某一個(gè)自然的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)虛擬或理想的人工系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng)[10].平行系統(tǒng)主要包括實(shí)際系統(tǒng)和人工系統(tǒng),其基本框架如圖1 所示[10].

圖1 平行系統(tǒng)運(yùn)行的基本框架Fig.1 Basic framework of parallel systems

設(shè)計(jì)平行系統(tǒng)的最主要目的是通過(guò)人工系統(tǒng)與實(shí)際系統(tǒng)的相互連接,對(duì)二者之間的行為進(jìn)行比對(duì)和分析,完成對(duì)各自未來(lái)狀況的 “借鑒”和 “預(yù)估”,相應(yīng)地調(diào)節(jié)各自的管理與控制方式,達(dá)到實(shí)施有效解決方案以及學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的目的[10-11].

人工系統(tǒng)試圖盡可能地模擬實(shí)際系統(tǒng),對(duì)其行為進(jìn)行預(yù)估,從而為尋找對(duì)實(shí)際系統(tǒng)有效的解決方案或?qū)Ξ?dāng)前方案進(jìn)行改進(jìn)提供依據(jù)[12].進(jìn)一步,通過(guò)觀察實(shí)際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)評(píng)估的狀態(tài)之間的不同,生成誤差反饋信號(hào),對(duì)人工系統(tǒng)的評(píng)估方式或參數(shù)進(jìn)行修正,并重復(fù)進(jìn)行新一輪的優(yōu)化和評(píng)估[12].

目前,平行系統(tǒng)理論已經(jīng)在自動(dòng)化碼頭[13]、智能交通[14]等領(lǐng)域中開(kāi)展了應(yīng)用研究,但尚未用于現(xiàn)代電力系統(tǒng).現(xiàn)代電力系統(tǒng)是一個(gè)巨大的參數(shù)海量、廣域分布、模型復(fù)雜的非線性復(fù)雜系統(tǒng).現(xiàn)階段,絕大多數(shù)電力仿真系統(tǒng)是基于物理模型進(jìn)行的,并沒(méi)有深入地考慮人的行為、自然因素以及社會(huì)環(huán)境的影響,這些因素限制了對(duì)復(fù)雜現(xiàn)代電力系統(tǒng)運(yùn)行影響的評(píng)估,尤其是無(wú)法定性、定量地對(duì)電力系統(tǒng)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力問(wèn)題進(jìn)行分析評(píng)估[15].

為了克服采用傳統(tǒng)仿真方法導(dǎo)致的上述局限,本文將平行系統(tǒng)理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)的實(shí)際工程中,改變傳統(tǒng)的被動(dòng)、離線的電力系統(tǒng)仿真方法,建立人工電力平行計(jì)算平臺(tái),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管理與控制、實(shí)驗(yàn)與評(píng)估、學(xué)習(xí)與優(yōu)化及故障診斷等功能.以現(xiàn)代電網(wǎng)的海量數(shù)據(jù)為驅(qū)動(dòng),電力平行計(jì)算平臺(tái)為載體,該平臺(tái)可對(duì)正在運(yùn)行的電力系統(tǒng)進(jìn)行滾動(dòng)式在線改進(jìn)與不間斷優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)一次調(diào)頻性能估算達(dá)到最優(yōu)解,為電力系統(tǒng)和復(fù)雜電網(wǎng)的能力優(yōu)化與管理開(kāi)辟一條新的途徑[16].

基于上述平行系統(tǒng)理念,本文設(shè)計(jì)了電網(wǎng)調(diào)頻能力計(jì)算平臺(tái),其整體框架如圖2 所示,主要包括實(shí)際系統(tǒng)和人工平行系統(tǒng)兩部分.實(shí)際電力系統(tǒng)的頻率控制本質(zhì)上是一個(gè)以電力調(diào)控中心為中樞,實(shí)現(xiàn)電源與負(fù)荷的電力供需平衡的閉環(huán)控制系統(tǒng).電力調(diào)控中心不僅需要滿足區(qū)域內(nèi)機(jī)組發(fā)電及負(fù)荷消納的控制要求,也肩負(fù)著電力系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)信息采集的重?fù)?dān).人工平行系統(tǒng)中,基于D5000 電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)的一次調(diào)頻在線測(cè)試系統(tǒng)不僅能夠在正常運(yùn)行工況下測(cè)試控制區(qū)內(nèi)的機(jī)組調(diào)頻性能,保證機(jī)組一次調(diào)頻性能的測(cè)試結(jié)果更具真實(shí)性,同時(shí)將歷次測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析及評(píng)價(jià),實(shí)現(xiàn)機(jī)組一次調(diào)頻的靜態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)性能的數(shù)據(jù)積累和量化管理.將電力調(diào)控中心的海量數(shù)據(jù)和一次調(diào)頻測(cè)試系統(tǒng)的特性數(shù)據(jù)應(yīng)用于電網(wǎng)一次調(diào)頻能力在線估計(jì)模型中,通過(guò)實(shí)際電力系統(tǒng)和人工平行系統(tǒng)的彼此作用、相互修正,既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際電力系統(tǒng)的管理與控制,也能夠完成對(duì)電網(wǎng)能力、行為與決策的評(píng)估與實(shí)驗(yàn).

圖2 基于平行系統(tǒng)的計(jì)算平臺(tái)整體框架Fig.2 Overall framework of computing platform based on parallel systems

2 發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻數(shù)據(jù)采集體系

當(dāng)前,電力系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)具有多源信息融合的綜合性電力控制系統(tǒng).根據(jù)現(xiàn)有的SCADA(Supervisory control and data acquisition)、WAMS(Wide area measurement system)、OMS (Operations management system)等系統(tǒng),建立機(jī)組一次調(diào)頻數(shù)據(jù)采集體系,如圖3 所示.SCADA 的一次調(diào)頻在線測(cè)試系統(tǒng)能夠在一次調(diào)頻在線測(cè)試期間自動(dòng)記錄測(cè)試機(jī)組的有功PMU (Phasor measurement unit)數(shù)據(jù),整編錄入歷史庫(kù)存儲(chǔ)[17].WAMS 的機(jī)組性能考核系統(tǒng)能夠不間斷采集機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的一次調(diào)頻動(dòng)作、響應(yīng)等廣域量測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率、積分電量、響應(yīng)時(shí)間等一次調(diào)頻性能指標(biāo)的在線計(jì)算[18].基于OMS 的網(wǎng)源協(xié)調(diào)信息管理系統(tǒng),通過(guò)設(shè)置統(tǒng)一的一次調(diào)頻試驗(yàn)臺(tái)賬,維護(hù)和存儲(chǔ)機(jī)組的歷次原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)和參數(shù),統(tǒng)一存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中.

圖3 發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻數(shù)據(jù)采集體系Fig.3 Primary frequency control data acquisition system of generator sets

2.1 機(jī)組一次調(diào)頻在線測(cè)試系統(tǒng)

如圖4 所示,在D5000 系統(tǒng)中部署試驗(yàn)觸發(fā)、結(jié)果展示、參數(shù)維護(hù)及統(tǒng)計(jì)分析功能.試驗(yàn)觸發(fā)功能可實(shí)現(xiàn)選定機(jī)組進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)將測(cè)試機(jī)組投入一次調(diào)頻擾動(dòng)測(cè)試模式,調(diào)控中心向電廠側(cè)下發(fā)調(diào)頻測(cè)試開(kāi)始信號(hào)和頻率偏差信號(hào),機(jī)組根據(jù)接收的信號(hào)進(jìn)行一次調(diào)頻動(dòng)作響應(yīng),具體控制信息流程見(jiàn)圖5 所示.

圖4 機(jī)組一次調(diào)頻在線測(cè)試與評(píng)價(jià)功能結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Functional structure diagram of unit primary frequency control online test and evaluation

圖5 機(jī)組一次調(diào)頻在線測(cè)試系統(tǒng)圖Fig.5 System diagram of unit primary frequency control online test

在一次調(diào)頻在線測(cè)試期間,系統(tǒng)自動(dòng)記錄測(cè)試機(jī)組的有功PMU 數(shù)據(jù),整編錄入D5000 歷史庫(kù),永久保存,供后期調(diào)頻指標(biāo)分析與數(shù)據(jù)展示使用[17].在結(jié)果展示功能中,將頻率擾動(dòng)信號(hào)及電廠側(cè)PMU裝置上傳的有功出力信號(hào)進(jìn)行展示,并根據(jù)有功出力曲線自動(dòng)計(jì)算一次調(diào)頻動(dòng)作性能指標(biāo).在浙江某廠#2 機(jī)組進(jìn)行一次調(diào)頻在線測(cè)試系統(tǒng)聯(lián)調(diào)試驗(yàn)時(shí),調(diào)控中心主站側(cè)的操作及結(jié)果展示如圖6所示,發(fā)電廠機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作響應(yīng)曲線如圖7 所示.

圖6 機(jī)組一次調(diào)頻在線測(cè)試主站側(cè)界面圖Fig.6 Interface diagram of main station side of unit primary frequency control online test

圖7 浙江某廠#2 機(jī)組一次調(diào)頻在線測(cè)試動(dòng)作曲線(75%負(fù)荷點(diǎn)+11 r/min 轉(zhuǎn)速偏差)Fig.7 Action curves of primary frequency control online test of unit 2 of a power plant in Zhejiang(+11 r/min speed deviation at 75% load point)

通過(guò)PMU 實(shí)時(shí)采集高頻度的功率、相位、相角等機(jī)組數(shù)據(jù),并利用PMU 的GPS 對(duì)時(shí)優(yōu)勢(shì),計(jì)算機(jī)組在一次調(diào)頻在線測(cè)試中不同時(shí)刻、不同工況下的性能指標(biāo),反向推算出機(jī)組實(shí)際的調(diào)頻特性參數(shù),以此形成海量的機(jī)組一次調(diào)頻特征數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)機(jī)組一次調(diào)頻靜態(tài)參數(shù)、動(dòng)態(tài)性能等特征數(shù)據(jù)的分析及管理[19].

2.2 網(wǎng)源協(xié)調(diào)信息管理系統(tǒng)

基于OMS 的網(wǎng)源協(xié)調(diào)信息管理系統(tǒng)(如圖8所示)能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備臺(tái)賬、電氣參數(shù)、涉網(wǎng)試驗(yàn)報(bào)告等技術(shù)資料的及時(shí)更新及有效管理,打通廠網(wǎng)之間的涉網(wǎng)信息共享交互渠道,更加科學(xué)、系統(tǒng)、高效地開(kāi)展網(wǎng)源協(xié)調(diào)管理工作.以各機(jī)組臺(tái)賬信息為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)內(nèi)各并網(wǎng)機(jī)組數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)匯總;以并網(wǎng)機(jī)組各類信息關(guān)鍵字為基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)對(duì)特定類型、特定機(jī)組相關(guān)信息的快速查詢和準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì),該系統(tǒng)所部署的功能模塊如圖9 所示.同時(shí),建立網(wǎng)源協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)中心,這是網(wǎng)源協(xié)調(diào)信息管理平臺(tái)的核心內(nèi)容,可實(shí)現(xiàn)參數(shù)模型庫(kù)、文檔資料庫(kù)、督辦信息庫(kù)及信息變更庫(kù)的數(shù)據(jù)獲取與整合、數(shù)據(jù)質(zhì)量校核、合格率督辦和數(shù)據(jù)查詢等服務(wù).

圖8 基于OMS 的網(wǎng)源協(xié)調(diào)信息管理系統(tǒng)主界面Fig.8 Main interface of grid power coordination information management system based on OMS

圖9 網(wǎng)源協(xié)調(diào)信息管理系統(tǒng)的功能模塊Fig.9 Functional modules of grid power coordination information management system

在網(wǎng)源協(xié)調(diào)信息管理系統(tǒng)中,通過(guò)設(shè)置統(tǒng)一的一次調(diào)頻試驗(yàn)臺(tái)賬模板,采集機(jī)組的歷次試驗(yàn)數(shù)據(jù),以維護(hù)和存儲(chǔ)機(jī)組的原始試驗(yàn)數(shù)據(jù).圖10 為浙江某百萬(wàn)千瓦機(jī)組A 修后一次調(diào)頻試驗(yàn)的數(shù)據(jù)臺(tái)賬.

圖10 浙江某廠#1 機(jī)組A 修后一次調(diào)頻試驗(yàn)臺(tái)賬Fig.10 Ledger of primary frequency control test after class a maintenance of unit 1 of a power plant in Zhejiang

根據(jù)設(shè)置統(tǒng)一的數(shù)據(jù)臺(tái)賬,可以追溯機(jī)組每一次試驗(yàn)工況,分析不同工況下機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)時(shí)的真實(shí)性能.

2.3 發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻性能考核系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻性能考核系統(tǒng)是基于WAMS部署于D5000 上的一次調(diào)頻數(shù)據(jù)量化及評(píng)價(jià)系統(tǒng)[18].該系統(tǒng)通過(guò)PMU 將現(xiàn)場(chǎng)采集的機(jī)組出力數(shù)據(jù)送至電網(wǎng)調(diào)控中心EMS (Energy management system)系統(tǒng)中,并由EMS 采集電網(wǎng)中的頻率值及時(shí)間,打包形成一個(gè)數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)于該系統(tǒng),以便進(jìn)行量化處理.

機(jī)組一次調(diào)頻貢獻(xiàn)電量是機(jī)組一次調(diào)頻多項(xiàng)指標(biāo)的綜合,它反映機(jī)組對(duì)電網(wǎng)頻率的實(shí)際貢獻(xiàn)大小.這一參數(shù)的引入使量化機(jī)組一次調(diào)頻功能的動(dòng)作力度和快速性成為可能.

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,機(jī)組對(duì)象被抽象封裝成一個(gè)類,每個(gè)機(jī)組都是該類的實(shí)例化.類中數(shù)據(jù)為機(jī)組的實(shí)時(shí)信息,包括機(jī)組基本參數(shù)(代號(hào)、裝機(jī)容量、積分間隔、頻率超前時(shí)間等)和積分電量以及其他計(jì)算輔助變量;類中對(duì)數(shù)據(jù)的操作包含積分電量的計(jì)算和對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的讀寫操作等.其中最為核心的函數(shù)為貢獻(xiàn)電量積分函數(shù),用來(lái)計(jì)算和累積貢獻(xiàn)電量,以反映機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行時(shí)的一次調(diào)頻動(dòng)作性能.

一次調(diào)頻性能考核系統(tǒng)通過(guò)采集各機(jī)組一次調(diào)頻投退信號(hào)、有功功率和頻率信息等廣域量測(cè)信息,實(shí)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率、積分電量、響應(yīng)時(shí)間等一次調(diào)頻性能指標(biāo)的在線計(jì)算,使系統(tǒng)能夠考核機(jī)組是否貢獻(xiàn)了滿足要求的一次調(diào)頻服務(wù).

該系統(tǒng)依托于調(diào)度D5000 系統(tǒng),能夠不間斷實(shí)時(shí)獲取所有并網(wǎng)機(jī)組的一次調(diào)頻動(dòng)作性能.據(jù)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì),每個(gè)月一臺(tái)機(jī)組的一次調(diào)頻動(dòng)作次數(shù)可達(dá)到近5 000 次(如表1 所示),大量原始數(shù)據(jù)的累積奠定了電網(wǎng)一次調(diào)頻性能計(jì)算的數(shù)據(jù)基礎(chǔ).

表1 機(jī)組一次調(diào)頻月動(dòng)作統(tǒng)計(jì)Table 1 Monthly action statistics of unit primary frequency control

3 電網(wǎng)一次調(diào)頻能力數(shù)據(jù)建模

目前,國(guó)內(nèi)外各類指標(biāo)都是針對(duì)機(jī)組調(diào)頻能力,比如控制性能標(biāo)準(zhǔn)(Control performance standard,CPS)、投運(yùn)率、貢獻(xiàn)電量、調(diào)頻效果等[20].現(xiàn)有的評(píng)價(jià)指標(biāo)本質(zhì)為事后評(píng)價(jià),不能預(yù)測(cè)電網(wǎng)總的調(diào)頻裕度.本文構(gòu)建的數(shù)據(jù)平行驅(qū)動(dòng)體系(如圖11 所示),依靠電網(wǎng)運(yùn)行的大數(shù)據(jù),通過(guò)不斷演算、迭代優(yōu)化,形成調(diào)頻能力的概率區(qū)間來(lái)衡量電網(wǎng)調(diào)頻性能,解決了電網(wǎng)一次調(diào)頻能力的在線估計(jì)問(wèn)題,從而使電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)具有更高的可控性及透明度,提高大電網(wǎng)應(yīng)對(duì)負(fù)荷突變的能力.

圖11 電網(wǎng)一次調(diào)頻能力估算技術(shù)路線圖Fig.11 Technical roadmap of grid primary frequency control capacity estimation

3.1 同步電網(wǎng)一次調(diào)頻能力建模

定義 1.PFCA (Primary frequency control ability)表示僅在一次調(diào)頻作用情況下(即沒(méi)有二次調(diào)頻作用時(shí)),某時(shí)間段內(nèi)負(fù)荷變化與電網(wǎng)頻率變化的比值[8],可表示為

同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的電網(wǎng)調(diào)頻能力模型如圖12 所示.在圖12 中,Ri為二次調(diào)頻的給定值;δi為電網(wǎng)中第i臺(tái)機(jī)組的不等率;αi為電網(wǎng)中第i臺(tái)機(jī)組裝機(jī)容量/電力系統(tǒng)裝機(jī)容量;Gi(s) 為第i臺(tái)汽輪機(jī)的傳遞函數(shù);PNL(s)為負(fù)載的標(biāo)幺值;φs(s)為電網(wǎng)轉(zhuǎn)速變化的標(biāo)幺值.為電網(wǎng)的慣性時(shí)間常數(shù);Tαi為第i臺(tái)汽輪機(jī)的轉(zhuǎn)子時(shí)間常數(shù);βΣ為電網(wǎng)負(fù)載頻率特性系數(shù).

由圖12 可推出電網(wǎng)的周波變化為[8]

圖12 M 臺(tái)同步發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的電網(wǎng)調(diào)頻能力模型圖Fig.12 Model diagram of power grid frequency regulation capacity of M synchronous generators operating in parallel

各變量前加 Δ 作為靜態(tài)標(biāo)記,靜態(tài)下電網(wǎng)周波變化可表示為

由于汽輪機(jī)傳遞函數(shù)可以表示為

由此得到,在靜態(tài)情況下電網(wǎng)的一次調(diào)頻能力可表示為

對(duì)于某臺(tái)額定功率Pei,不等率δi的機(jī)組而言,其在Δf頻率擾動(dòng)下的一次調(diào)頻能力的實(shí)際貢獻(xiàn)為

顯然,在Δf頻率擾動(dòng)下的同步電網(wǎng)中所有掛網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組的一次調(diào)頻實(shí)際出力總和為

3.2 機(jī)組一次調(diào)頻能力數(shù)據(jù)模型

從式(11)中可以發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)一次調(diào)頻能力主要取決于各掛網(wǎng)運(yùn)行機(jī)組的轉(zhuǎn)速不等率.

機(jī)組在不同功頻下的轉(zhuǎn)速不等率不盡相同,將每臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)速不等率設(shè)定為常數(shù)勢(shì)必難以準(zhǔn)確描述機(jī)組的一次調(diào)頻能力.調(diào)度D5000 系統(tǒng)具有各類豐富的一次調(diào)頻數(shù)據(jù)(如圖13 所示),其中,機(jī)組性能考核系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集的機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作數(shù)據(jù)量最大,每月達(dá)幾千次.而網(wǎng)源協(xié)調(diào)信息管理系統(tǒng)中存儲(chǔ)的一次調(diào)頻參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù),則表征機(jī)組一次調(diào)頻性能的理論出力和實(shí)際能力上下限值.一次調(diào)頻在線測(cè)試系統(tǒng)可以探測(cè)機(jī)組在不同工況下的大頻差真實(shí)能力,完善整個(gè)機(jī)組的一次調(diào)頻數(shù)據(jù)集.本文將采用極大似然估計(jì)及數(shù)值擬合等算法對(duì)調(diào)度D5000 系統(tǒng)中的多源一次調(diào)頻數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合,以獲取機(jī)組真實(shí)的一次調(diào)頻性能功頻特性圖譜.

圖13 發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻動(dòng)作歷史數(shù)據(jù)庫(kù)Fig.13 Historical database of primary frequency control actions of generator sets

可以從D5000 系統(tǒng)中獲取不同時(shí)刻機(jī)組一次調(diào)頻能力的數(shù)據(jù),從而構(gòu)造出機(jī)組轉(zhuǎn)速不等率的樣本空間.我們用隨機(jī)變量δi表示單臺(tái)機(jī)組在第i個(gè)時(shí)間段內(nèi)的轉(zhuǎn)速不等率.利用D5000 系統(tǒng)中不同時(shí)間的轉(zhuǎn)速不等率數(shù)據(jù),可以構(gòu)造用于描述轉(zhuǎn)速不等率的隨機(jī)變量δ1,···,δn.由于機(jī)組的短期特性通常不會(huì)發(fā)生變化,可以認(rèn)為δ1,···,δn獨(dú)立同分布.按照中心極限定理,隨機(jī)變量δ1,···,δn獨(dú)立同分布,當(dāng)n很大時(shí),近似服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布 N(0,1).設(shè)則X服從正態(tài)分布 N(nμ,nσ2).

本文通過(guò)極大似然估計(jì)來(lái)估計(jì)μ和σ2,似然函數(shù)可以表示為

那么,μ和σ2的最大似然估計(jì)為

表2 發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻性能網(wǎng)格表Table 2 Grid table of primary frequency control performance of generator sets

圖14 發(fā)電機(jī)組一次調(diào)頻性能功頻圖譜Fig.14 Power frequency spectrum of primary frequency control performance of generator sets

4 電網(wǎng)一次調(diào)頻性能數(shù)據(jù)分析及估計(jì)

4.1 浙江電網(wǎng)一次調(diào)頻性能分析

2018年10 月22 日10 :36 時(shí),浙江省全社會(huì)口徑用電負(fù)荷39 753.02 MW,受電17 849.91 MW (占全省用電負(fù)荷的52.9%),發(fā)電21 903.11 MW (占全省用電負(fù)荷的47.1%).其中,浙江省調(diào)統(tǒng)調(diào)機(jī)組共并網(wǎng)45 臺(tái)(不含新能源),其中純凝汽燃煤機(jī)組39臺(tái),背壓供熱燃煤機(jī)組2 臺(tái),燃?xì)鈾C(jī)組4 臺(tái),并網(wǎng)機(jī)組平均負(fù)荷率約為58.25%,總發(fā)電負(fù)荷16 221.59 MW,占當(dāng)時(shí)全省用電負(fù)荷的40.8%.

據(jù)此,按照式(11)進(jìn)行計(jì)算,得到浙江2018 年10 月22 日10 :36 時(shí)省調(diào)統(tǒng)調(diào)并網(wǎng)機(jī)組的實(shí)際調(diào)頻能力為12.2327,根據(jù)當(dāng)時(shí)的用電負(fù)荷進(jìn)行折算后約為6 762.23 MW/Hz,略高于浙江電網(wǎng)ACE 系統(tǒng)中自然頻率特性系數(shù)5 979 MW/Hz[21].推此及彼,采用本文的方法可以得到浙江統(tǒng)調(diào)機(jī)組每天任意時(shí)刻的實(shí)際調(diào)頻能力值,如圖15 所示.

顯然,由圖15 可以明顯得知,電網(wǎng)的實(shí)際調(diào)頻性能與并網(wǎng)機(jī)組臺(tái)數(shù)、并網(wǎng)機(jī)組類型、機(jī)組平均負(fù)荷率等因素息息相關(guān),是一項(xiàng)電網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的綜合表征.

圖15 2018 年10 月22 日浙江統(tǒng)調(diào)機(jī)組實(shí)際調(diào)頻能力時(shí)刻圖Fig.15 Time map of actual primary frequency control performance of Zhejiang dispatching unit on October 22,2018

4.2 大頻差時(shí)浙江電網(wǎng)一次調(diào)頻容量分析

電網(wǎng)頻率是描述電力系統(tǒng)發(fā)電與用電平衡關(guān)系的一個(gè)重要變量.電網(wǎng)中用電負(fù)荷的隨機(jī)特性使電網(wǎng)頻率也成為隨機(jī)變量.電力負(fù)荷的隨機(jī)變化部分是相互獨(dú)立、不相關(guān)的[22].由中心極限定理可知,連續(xù)的獨(dú)立隨機(jī)變量疊加后是正態(tài)分布的,因此,電力系統(tǒng)中負(fù)荷的隨機(jī)性分量也是正態(tài)分布的.在通常情況下,電網(wǎng)頻率的概率分布也就可近似認(rèn)為是正態(tài)分布[23],因此,假設(shè)發(fā)生直流閉鎖時(shí)的浙江電網(wǎng)系統(tǒng)最低頻率近似正態(tài)分布,并結(jié)合近三年的歷次直流閉鎖數(shù)據(jù)分析,可得表3 數(shù)據(jù).

根據(jù)表3,可知電網(wǎng)頻率的最大變化差值為

表3 大頻差時(shí)浙江電網(wǎng)一次調(diào)頻數(shù)據(jù)分析Table 3 Data analysis of primary frequency control data of Zhejiang power grid in large frequency difference situations

按浙江歷次直流閉鎖數(shù)據(jù),可知在不少于63 臺(tái)同步發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)不低于34 658.58 MW 的條件下,浙江統(tǒng)調(diào)機(jī)組一次調(diào)頻能力為9.5856 (95%以上),折算后為6 644.46 MW/Hz,在最大概率頻差0.159 Hz 下,浙江電網(wǎng)可提供一次調(diào)頻最大能力至少約為1 056.47 MW (3.1% MCR (Maximum continuous rating)),能夠滿足功率缺額950.66 MW 的要求,也就是說(shuō),浙江統(tǒng)調(diào)機(jī)組一次調(diào)頻能力可以保證電網(wǎng)在直流閉鎖等大頻差工況下系統(tǒng)頻率不低于49.841 Hz.

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)組的轉(zhuǎn)速不等率與電網(wǎng)頻率往往呈非線性關(guān)系,采用固定的轉(zhuǎn)速不等率來(lái)計(jì)算機(jī)組的一次調(diào)頻能力誤差較大.本文基于數(shù)據(jù)平行驅(qū)動(dòng)體系,依靠電網(wǎng)運(yùn)行的大數(shù)據(jù),建立了更為準(zhǔn)確的電網(wǎng)一次調(diào)頻模型,對(duì)提升電網(wǎng)頻率控制水平具有非常重要的意義.