基于電網(wǎng)頻率波動特性的一次調(diào)頻考核算法分析

王文營，王生彬，藺躍生，趙麗華

(1.河北省電力研究院，石家莊 050021；2.河北省電力公司，石家莊 050021；3.河北興泰發(fā)電有限責任公司,河北 邢臺 054000)

近年來，我國電力工業(yè)快速發(fā)展，大容量、高參數(shù)發(fā)電機組規(guī)模投產(chǎn)，電網(wǎng)通過(特)高壓輸電線路互聯(lián)成為常態(tài)運行方式，而且《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法》的出臺使得風能、太陽能、光伏發(fā)電等各類可再生能源的大型基地加快建設(shè)，這些都對電網(wǎng)的安全性、適應性等提出了更高的要求。此外，隨著電力體制改革的不斷深入，尤其在目前廠網(wǎng)分開的形勢下，機廠協(xié)調(diào)的監(jiān)管能力減弱。在此形勢下，為保證電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，必須加強輔助服務(wù)管理和并網(wǎng)發(fā)電廠考核工作，為此國家電力監(jiān)管委員會華北監(jiān)管局發(fā)布了《華北區(qū)域發(fā)電廠并網(wǎng)運行管理實施細則》和《華北區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實施細則》(簡稱“《兩個細則》”), 其中，一次調(diào)頻是基本輔助服務(wù)的重要內(nèi)容之一。為確?！秲蓚€細則》的順利實施，為廠網(wǎng)協(xié)調(diào)提供技術(shù)依據(jù)，切實提高電能質(zhì)量和電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行水平，有必要基于電網(wǎng)頻率波動特性對一次調(diào)頻性能考核的算法進行研究分析。

1 一次調(diào)頻考核指標

《兩個細則》全面概括了并網(wǎng)機組一次調(diào)頻運行管理技術(shù)要求，量化了一次調(diào)頻性能考核指標，對一次調(diào)頻的運行管理必將起到極大的促進作用。根據(jù)《兩個細則》要求及目前管理現(xiàn)狀，河北省南部電網(wǎng)(簡稱“河北南網(wǎng)”)主要考核指標包括：一次調(diào)頻月投運率、正確動作率及性能綜合指標，由于所有機組均按照電網(wǎng)要求投入一次調(diào)頻，因此投入情況的考核在文中不在贅述。

正確動作率按機組考核，對于一次調(diào)頻月正確動作率小于80%的機組，每月考核電量為：

E1=(80%-λ動作)×PN×2 h×α

(1)

式中：PN為機組額定負荷，MW；α為一次調(diào)頻考核系數(shù)，數(shù)值為3；λ動作為月正確動作率。

性能綜合指標按次考核，當電網(wǎng)頻率發(fā)生較大波動時，對于性能綜合指標大于零的機組，每次考核電量為：

E2=K0×PN×2 h×α

(2)

式中：K0為性能綜合指標，K0=1-5%/L，其中L為動態(tài)速度變動率。

以1臺600 MW機組為例，設(shè)月正確動作率為40%，則對正確動作率月考核的電量為(80%-40%)×600 MW×2 h×3=1 440 MWh；設(shè)速度變動率為10%，如果動作一次則對性能綜合指標考核的電量為(1-5%/10%)×600 MW×2 h×3=1 800 MWh，如果本月動作多次則以每次考核電量的累加值作為性能綜合指標的月考核電量。

2 電網(wǎng)頻率波動特性

電網(wǎng)頻率是電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定運行的重要指標，反映了電力系統(tǒng)供需能量的平衡狀態(tài)，當系統(tǒng)內(nèi)供電與用電失衡時，電網(wǎng)頻率就會波動，波動的速度及幅度與負荷擾動大小、電網(wǎng)總運行容量、電網(wǎng)內(nèi)負載特性以及調(diào)頻性能等因素有關(guān)。電網(wǎng)正常運行時，頻率存在慢速小幅波動，而且經(jīng)常會超過死區(qū)，但持續(xù)時間短、機組功率變化小，而出現(xiàn)大的供用電失衡時，頻率快速大幅波動，變化趨勢呈“V”形，即頻率快速變化到極值后又快速回調(diào)，并逐步相對穩(wěn)定在與基準頻率有一定偏差的值，是一個持續(xù)時間長、變化幅度大的時變動態(tài)過程。

圖1為某次互聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線跳開后河北南網(wǎng)頻率的變化過程，頻率由事故前的49.99 Hz(a點)經(jīng)過約5 s達到極值49.91 Hz(d點)，之后經(jīng)過3 s快速回升至49.94 Hz(e點)后基本趨于穩(wěn)定，但仍然存在小幅振蕩。

圖1 互聯(lián)電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線跳開后電網(wǎng)頻率波動過程示意

3 一次調(diào)頻考核算法

一次調(diào)頻性能指標采用電網(wǎng)頻率波動前后的歷史數(shù)據(jù)進行后期離線計算分析，存在數(shù)據(jù)來源不同、讀取不便、格式不統(tǒng)一、時鐘不同步、采樣周期長、人為誤差大等缺點，難以實現(xiàn)一次調(diào)頻性能的客觀評判。自河北南網(wǎng)實行調(diào)節(jié)系統(tǒng)技術(shù)監(jiān)督以來，廠網(wǎng)雙方在健全組織、落實制度、技術(shù)管理、系統(tǒng)建設(shè)等方面做了大量扎實有效的工作，使機組一次調(diào)頻設(shè)置滿足電網(wǎng)要求、參數(shù)測量系統(tǒng)裝設(shè)全面鋪開、遠程性能統(tǒng)計分析平臺建設(shè)初具規(guī)模，具備了基于同步相量測量裝置(PMU)采集動態(tài)數(shù)據(jù)并在廣域測量系統(tǒng)(WAMS)中實施一次調(diào)頻性能考核的條件。但該項工作專業(yè)性強、涉及面廣、工作量大，而且開發(fā)的一次調(diào)頻監(jiān)測計算分析平臺接入?yún)⒘枯^少，一般只有頻率和負荷，因此，為滿足一次調(diào)頻性能公正、公平、客觀考核的要求，必須科學、系統(tǒng)、全面地研究其計算算法。

3.1 有效頻率擾動分析

機組正常運行時，頻率存在波動，而且頻率信號有時會存在毛刺，反映到機組轉(zhuǎn)速上表現(xiàn)為鋸齒狀的頻繁波動，機組轉(zhuǎn)速超出死區(qū)的次數(shù)每月達上千甚至上萬次，因此為避開正常小幅頻繁波動，必須判斷是否發(fā)生長時間、大幅度的波動即有效頻率擾動。根據(jù)電網(wǎng)頻率波動時域和幅域特性，用時間、頻率雙變量以及多判據(jù)條件來判定，并根據(jù)擾動程度分為大擾動和小擾動。實際運行中小擾動發(fā)生的頻次要遠遠大于大擾動。

3.1.1 小擾動

小擾動是指小容量甩負荷、調(diào)度用電計劃的偏差等引起的電網(wǎng)供用電小的失衡時頻率的波動，具有一定的隨機性，用波動偏離基準值的幅度即頻差及持續(xù)時間來判定，即滿足

(3)

式中：ft為t時刻頻率；fN為基準頻率50 Hz；fdead為頻率死區(qū)；ft+Δt為t時刻開始至ΔT內(nèi)任一點的頻率；ΔT為持續(xù)時間；ΔFs為頻率門檻值。

如圖1所示超出頻率死區(qū)b點為起始點，d點為頻率極值點，e點為持續(xù)時間結(jié)束點，如果b-e區(qū)間頻率曲線上任一點都超過fdead、且d點頻差超過ΔFs則判為小擾動。河北南網(wǎng)判定小擾動的參數(shù)設(shè)定為：fdead為0.033 Hz、ΔT為3 s、ΔFs為0.04 Hz，即頻率超出死區(qū)后持續(xù)3 s且期間最大頻差超過0.04 Hz，則判定為小擾動。

3.1.2 大擾動

大擾動是指大容量甩負荷、聯(lián)絡(luò)線跳開等引起的電網(wǎng)供用電大的失衡時頻率的波動。通過掃描定長時間窗口內(nèi)電網(wǎng)頻率的變化量來判定，如果掃描開始時刻與定長時間Δt內(nèi)任一點的頻差超過設(shè)定門檻值ΔFL則判定為大擾動，即如圖1所示由a、c為頂點的方框圖中頻率曲線上極值點滿足

max|ft+Δt-ft|>ΔFLΔt∈(0，ΔT)

(4)

河北南網(wǎng)判定大擾動的參數(shù)設(shè)定為：ΔT為5 s，ΔFL為0.045 Hz，即在5 s內(nèi)如果頻率最大偏差超過0.045 Hz則判定為大擾動?？紤]到電網(wǎng)頻率變化初始值經(jīng)常不是由基準頻率開始，而機組一次調(diào)頻頻差均是以基準頻率計算，經(jīng)常出現(xiàn)電網(wǎng)頻率判為大擾動，但機組判為小擾動甚至無擾動的情況，例如，5 s內(nèi)頻率由50.033 Hz變化到49.967 Hz時電網(wǎng)應為大擾動，但對機組而言還在死區(qū)內(nèi)一次調(diào)頻根本不動作，因此，在河北南網(wǎng)要求必須同時滿足式(3)、式(4)才可判定為大擾動。

3.1.3 有效頻率擾動時間

電網(wǎng)發(fā)生有效頻率擾動時的計算時間區(qū)間，以頻率超出死區(qū)為開始時刻，以頻率回復到死區(qū)時刻、頻率達到穩(wěn)定時刻、設(shè)定最大穩(wěn)定時間三者中的小值作為結(jié)束時刻，河北南網(wǎng)設(shè)定最大穩(wěn)定時間為60 s，即頻率回復到死區(qū)的時間、達到穩(wěn)定的時間以及60 s，三者中最小值為有效頻率擾動時間。

3.2 考核指標計算

一次調(diào)頻性能指標的分析、計算會受到諸多不確定因素的影響，因此，機組一次調(diào)頻性能考核需要對機網(wǎng)協(xié)調(diào)關(guān)系、客觀約束條件、外部影響因素等綜合考慮。

3.2.1 觸發(fā)條件

機組一次調(diào)頻考核指標計算必須在機組功率大于最低穩(wěn)燃負荷，而且屬于有效頻率擾動才觸發(fā)。頻率擾動時保證機組安全運行是一次調(diào)頻真正發(fā)揮作用的前提，否則可能造成機組停運，甚至造成事故擴大，因此需要考慮機組與電網(wǎng)間的相互配合和制約關(guān)系。在機組啟動階段存在鍋爐燃燒不穩(wěn)、汽輪機缸體膨脹不暢、系統(tǒng)投運不正常等不穩(wěn)定因素，一次調(diào)頻的大幅動作可能造成鍋爐滅火、逆功率保護動作等事故，因此，一次調(diào)頻宜在最低穩(wěn)燃負荷以上投入，保證正常運行范圍內(nèi)動作正確。機組一次調(diào)頻考核指標計算時，首先應保證機組功率大于最低穩(wěn)燃負荷，其次機組必須為有效頻率擾動，而且電網(wǎng)頻率與機組頻率需要同時達到有效頻率擾動條件。

3.2.2 正確動作率

一次調(diào)頻是否正確動作以機組有效頻率擾動時間內(nèi)的積分電量為依據(jù)，即發(fā)生大擾動、小擾動時均進行計算。積分電量計算公式如下：

(5)

式中：Pt為有效頻率擾動時間內(nèi)任一時刻的機組功率；P0為頻率超出死區(qū)時刻機組功率，計算時取之前數(shù)s內(nèi)機組功率的平均值。

機組頻率下降時積分電量為正，或頻率上升時積分電量為負，判定為一次調(diào)頻動作正確，否則判定為錯誤。每月統(tǒng)計正確動作次數(shù)和錯誤動作次數(shù)，二者之和為月總動作次數(shù)，則每月的正確動作率為正確動作次數(shù)占總動作次數(shù)的百分比。

3.2.3 速度變動率

頻率波動的時變性造成一次調(diào)頻動作負荷的延遲隨動變化，因此速度變動率計算需要動態(tài)取值，計算公式如下：

(6)

式中：Δf=fN+fdead-ft；ΔP=Pt-P0；PN為機組額定功率。河北南網(wǎng)規(guī)定只在發(fā)生大擾動時才計算速度變動率，其中ft取穩(wěn)定時頻率，如圖1中e點頻率，Pt計算取值時考慮到擾動初期經(jīng)常出現(xiàn)功率振蕩，故取2 s后的功率極值，如圖1中g(shù)點功率。

3.3 AGC影響的修正

機組功率給定值一般由兩部分生成： AGC指令或操作員設(shè)定指令經(jīng)高低限制、速率限定給出；頻差經(jīng)死區(qū)及速度變動率函數(shù)轉(zhuǎn)換后給出。如果AGC指令升降功率過程中一次調(diào)頻動作，則功率變化必然會受到二者的共同影響，方向一致則表現(xiàn)出一次調(diào)頻貢獻負荷大，反之則貢獻小，此時一次調(diào)頻響應行為實質(zhì)不受影響，但是會影響到一次調(diào)頻性能的計算，因此進行一次調(diào)頻性能考核時需要對AGC的影響進行修正。

河北南網(wǎng)AGC修正算法為，取動作前數(shù)秒機組功率數(shù)據(jù)擬合趨勢曲線，并以曲線斜率作為計算變負荷率，如果其值超過門檻值(機組AGC設(shè)定變負荷率的一半)則判斷有AGC影響，并按照計算變負荷率，對一次調(diào)頻動作負荷曲線進行修正后再進行指標計算。

4 結(jié)束語

機組一次調(diào)頻是提高電能質(zhì)量、保證電網(wǎng)穩(wěn)定運行的有效手段，而將其作為基本輔助服務(wù)納入考核管理也將直接涉及到并網(wǎng)發(fā)電廠的經(jīng)營效益，因此一次調(diào)頻考核算法引起了廠網(wǎng)雙方高度重視。根據(jù)上述算法在WAMS系統(tǒng)中開發(fā)了一次調(diào)頻性能分析平臺，并根據(jù)試運行期間暴露出的問題不斷進行優(yōu)化完善，使得平臺基本能真實反映機組一次調(diào)頻性能，目前已投入正式運行。但由于客觀條件限制仍存在廠網(wǎng)時鐘不同步、數(shù)據(jù)存在偏差、AGC影響修正不夠精確等問題，因此廠網(wǎng)雙方應深化研究技術(shù)難題、繼續(xù)完善分析平臺、認真落實考核要求，力爭一次調(diào)頻性能得到充分發(fā)揮、并網(wǎng)機組電量做到零考核，大力促進廠網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展。

參考文獻：

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[2] 楊建華．華中電網(wǎng)一次調(diào)頻考核系統(tǒng)的研究與開發(fā)[J]．電力系統(tǒng)自動化,2008，32(9):96-99.