基于UCPS標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)組新型調(diào)節(jié)性能指標(biāo)與應(yīng)用

吳繼平 ，李俊恩 ，孫其振 ，雷 鳴 ，馬 強(qiáng)

（1.南瑞集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 211106；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司，山東 濟(jì)南 250001）

0 引言

機(jī)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(guó)在機(jī)組AGC調(diào)節(jié)性能評(píng)價(jià)方面，多采用響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速率、調(diào)節(jié)精度、調(diào)節(jié)范圍等單個(gè)或組合性能指標(biāo)[1-2]。在機(jī)組實(shí)際調(diào)節(jié)效果方面，有學(xué)者提出將AGC機(jī)組的調(diào)節(jié)效能劃分為3個(gè)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(jī)組對(duì)電網(wǎng)的實(shí)際貢獻(xiàn)。與我國(guó)關(guān)注機(jī)組單個(gè)控制性能指標(biāo)相比，北美各大獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商 （independent system operator，ISO）在機(jī)組性能評(píng)價(jià)方面更加關(guān)注與市場(chǎng)滾動(dòng)銜接，計(jì)算機(jī)組目標(biāo)出力與實(shí)際出力之間的統(tǒng)計(jì)關(guān)系。Pennsylvania—New Jersey—Maryland電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商以5 min為一個(gè)周期，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)機(jī)組目標(biāo)出力與實(shí)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(gè)實(shí)時(shí)調(diào)度時(shí)段 （一般是5 min）計(jì)算出機(jī)組控制目標(biāo)與實(shí)際出力在實(shí)際控制過(guò)程中的最大正偏差、最大負(fù)偏差以及機(jī)組提供的調(diào)節(jié)空間，表征機(jī)組的調(diào)節(jié)性能指標(biāo)[6]。

基于速率、精度和響應(yīng)時(shí)間的機(jī)組調(diào)節(jié)性能指標(biāo)非常貼近機(jī)組跟蹤AGC指令的運(yùn)行過(guò)程，計(jì)算結(jié)果物理意義明確，便于設(shè)計(jì)考核補(bǔ)償方案。但目前基于常規(guī)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)方法一方面無(wú)法有效分辨機(jī)組不跟蹤或跟蹤效果較差等運(yùn)行工況[6-7]，電廠(chǎng)有可能對(duì)控制指令采取選擇性執(zhí)行策略，在指標(biāo)計(jì)算整體結(jié)果上并沒(méi)有太大影響；另一方面不能量化分析AGC機(jī)組調(diào)節(jié)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)頻率及聯(lián)絡(luò)線(xiàn)功率控制的實(shí)際貢獻(xiàn)，尤其是部分響應(yīng)時(shí)間較差的機(jī)組，若不能及時(shí)響應(yīng)AGC控制，其實(shí)際跟蹤效果可能與電網(wǎng)實(shí)際需求相反，其控制過(guò)程不僅對(duì)電網(wǎng)沒(méi)有貢獻(xiàn)，反而不利于電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行。隨著調(diào)頻市場(chǎng)的逐步建立，在準(zhǔn)確評(píng)價(jià)機(jī)組調(diào)節(jié)性能的基礎(chǔ)上，更迫切需要進(jìn)一步完善表征機(jī)組對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)指標(biāo)，同時(shí)能夠在長(zhǎng)周期時(shí)間尺度上對(duì)機(jī)組調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)上的評(píng)價(jià)。

針對(duì)當(dāng)前機(jī)組調(diào)節(jié)性能指標(biāo)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題以及調(diào)頻市場(chǎng)建立后對(duì)機(jī)組調(diào)頻效能的評(píng)價(jià)要求，通過(guò)分析UCPS標(biāo)準(zhǔn)的適用性，提出基于UCPS標(biāo)準(zhǔn)的UCPS1改進(jìn)算法，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析機(jī)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(jì)關(guān)系，得出表征機(jī)組調(diào)節(jié)效能的新指標(biāo)，能夠更加準(zhǔn)確評(píng)價(jià)機(jī)組調(diào)節(jié)過(guò)程對(duì)電網(wǎng)的實(shí)際貢獻(xiàn)。

1 UCPS控制性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

北美電力可靠性委員會(huì)（North American Electric Reliability Council，NERC）于 1997年提出對(duì)發(fā)電廠(chǎng)提供輔助服務(wù)的性能設(shè)立評(píng)價(jià)體系。在此基礎(chǔ)上結(jié)合多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，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(jìn)機(jī)組改變其控制策略，對(duì)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(duì)控制區(qū)內(nèi)機(jī)組的性能評(píng)價(jià)具有較好的延續(xù)性[8]。

1.1 機(jī)組控制偏差

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

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

1.2 機(jī)組I類(lèi)性能評(píng)價(jià)

1.2.1 機(jī)組I類(lèi)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于聯(lián)絡(luò)線(xiàn)偏差控制模式，UCPS1要求機(jī)組（或機(jī)組組合）的控制性能滿(mǎn)足以下條件：

1）長(zhǎng)期（時(shí)長(zhǎng)大于一個(gè)月）控制性能應(yīng)滿(mǎn)足機(jī)組控制偏差平均值接近0；

2）機(jī)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(mǎn)足

式中：Uce-1-min為機(jī)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(duì)該機(jī)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(jī)組控制偏差Uce是否影響控制區(qū)的ACE，當(dāng)Uce與ACE符號(hào)相反時(shí)，該Uce對(duì)減小控制區(qū)的ACE是有利的；當(dāng)Uce與ACE符號(hào)相同時(shí)，則該Uce對(duì)減小控制區(qū)ACE是不利的，但如果 Uce的數(shù)值較小，仍滿(mǎn)足式（2），則表示該Uce對(duì)控制區(qū)ACE的影響未超出規(guī)定范圍。

1.2.2 機(jī)組I類(lèi)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

式中：UCPS1為機(jī)組I類(lèi)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；n為每個(gè)計(jì)算時(shí)段的分鐘數(shù)；

當(dāng)UCPS1≥200%，表示Uce對(duì)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(duì)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(duì)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(jī)組Ⅱ類(lèi)性能評(píng)價(jià)

1.3.1 機(jī)組Ⅱ類(lèi)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

機(jī)組Ⅱ類(lèi)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求機(jī)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(duì)值；L10為控制區(qū)的CPSⅡ類(lèi)控制性能限值；Pi為機(jī)組i的分配因子；M為根據(jù)機(jī)組類(lèi)型設(shè)定的機(jī)組最大控制偏差值；Ki為機(jī)組i的參與因子。

1.3.2 機(jī)組Ⅱ類(lèi)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算

II類(lèi)性能評(píng)價(jià)指用于計(jì)算是機(jī)組控制偏差的總體合格率，用于從長(zhǎng)時(shí)間尺度評(píng)價(jià)機(jī)組實(shí)際出力偏離控制目標(biāo)的程度，每10 min作為一個(gè)計(jì)算點(diǎn)。

式中：UCPS2為機(jī)組Ⅱ類(lèi)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；Tq為機(jī)組UCPS2合格時(shí)間，min；T為機(jī)組運(yùn)行的時(shí)間，min。

2 機(jī)組I類(lèi)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)改進(jìn)

2.1 UCPS標(biāo)準(zhǔn)分析

UCPS標(biāo)準(zhǔn)將機(jī)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(jī)組對(duì)于系統(tǒng)頻率控制的貢獻(xiàn)度。從式（1）和式（2）可以得出，UCPS標(biāo)準(zhǔn)中利用了機(jī)組目標(biāo)出力與實(shí)際出力的偏差及電網(wǎng)ACE進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，但在AGC控制過(guò)程中，AGC機(jī)組的目標(biāo)出力實(shí)際上由AGC應(yīng)用實(shí)時(shí)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(jī)組，AGC機(jī)組的控制目標(biāo)就等于機(jī)組實(shí)際出力加上調(diào)節(jié)量，而且考慮到機(jī)組實(shí)際跟蹤能力，在分配調(diào)節(jié)量時(shí)會(huì)受到機(jī)組最小、最大調(diào)節(jié)量的限制，同時(shí)，機(jī)組跟蹤AGC控制指令時(shí)，受到機(jī)組調(diào)節(jié)速率限制，其實(shí)際過(guò)程需要一定時(shí)間才能完成，因此，在計(jì)算機(jī)組目標(biāo)出力時(shí)不宜直接用AGC目標(biāo)出力，需要對(duì)機(jī)組的目標(biāo)出力進(jìn)行處理后再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析計(jì)算，對(duì)UCPS1指標(biāo)的計(jì)算方法進(jìn)行改進(jìn)，UCPS2指標(biāo)的計(jì)算方法可以沿用標(biāo)準(zhǔn)算法進(jìn)行計(jì)算。

2.2 機(jī)組I類(lèi)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)改進(jìn)

機(jī)組控制偏差反映的是機(jī)組實(shí)際出力與目標(biāo)出力的偏差。在修正機(jī)組目標(biāo)出力時(shí)，首先根據(jù)機(jī)組額定調(diào)節(jié)速率，得到機(jī)組期望的調(diào)節(jié)目標(biāo)，該目標(biāo)應(yīng)該根據(jù)機(jī)組實(shí)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(gè)虛擬實(shí)時(shí)控制目標(biāo)。從AGC下發(fā)實(shí)際控制目標(biāo)開(kāi)始，機(jī)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(xiàn)，將這條虛擬斜線(xiàn)作為機(jī)組期望目標(biāo)出力，如圖1所示。

圖1 虛擬目標(biāo)計(jì)算

機(jī)組參與ACE調(diào)整后實(shí)際調(diào)節(jié)偏差為

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

對(duì)機(jī)組I類(lèi)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)，改進(jìn)后的機(jī)組I類(lèi)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算公式為

式中：U′CPS1為改進(jìn)機(jī)組 I類(lèi)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)；U′ce-min為U′ce的1min平均值；n為每個(gè)計(jì)算時(shí)段的分鐘數(shù)。

3 應(yīng)用效果分析

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

圖2 1號(hào)機(jī)組跟蹤AGC控制指令曲線(xiàn)

圖3 2號(hào)機(jī)組跟蹤AGC控制指令曲線(xiàn)

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

從機(jī)組統(tǒng)計(jì)得出的機(jī)組調(diào)節(jié)性能數(shù)據(jù)分析，考慮機(jī)組裝機(jī)容量的情況下，1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組的調(diào)節(jié)性能均滿(mǎn)足考核指標(biāo)要求。

表1 機(jī)組調(diào)節(jié)性能數(shù)據(jù)

1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組在采樣時(shí)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(hào)機(jī)組UCPS1與UCPS1指標(biāo)對(duì)比

圖5 2號(hào)機(jī)組UCPS1與U′CPS1指標(biāo)對(duì)比

從圖4和圖5的U′CPS1可以很直觀得出1號(hào)機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)要明顯好于2號(hào)機(jī)組。通過(guò)將UCPS指標(biāo)結(jié)合常規(guī)機(jī)組性能各項(xiàng)指標(biāo)的對(duì)比和印證，能夠更加全面地反映機(jī)組跟蹤AGC控制指令效果及其對(duì)電網(wǎng)頻率的貢獻(xiàn)。同時(shí)通過(guò)1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)組的U′CPS1和UCPS1對(duì)比可以得出：傳統(tǒng)UCPS指標(biāo)計(jì)算結(jié)果跳躍性較大，并且存在機(jī)組跟蹤效果良好但指標(biāo)仍不合格現(xiàn)象，說(shuō)明傳統(tǒng)UCPS指標(biāo)不適應(yīng)調(diào)頻機(jī)組的考核評(píng)價(jià)。

圖6和圖7分別為1號(hào)機(jī)組和2號(hào)機(jī)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(shí)平均指標(biāo)對(duì)比，采樣間隔為.1 h，增加UCPS考核后，1號(hào)機(jī)組的 U′CPS1日平均指標(biāo)由 194提高到 223，2號(hào)機(jī)組U′CPS1日平均指標(biāo)由178提高到202，由此可以得出通過(guò)增加UCPS指標(biāo)考核，全面評(píng)價(jià)機(jī)組性能和貢獻(xiàn)能夠促進(jìn)電廠(chǎng)進(jìn)一步改進(jìn)機(jī)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(hào)機(jī)組U′CPS1指標(biāo)對(duì)比

圖7 2號(hào)機(jī)組U′CPS1指標(biāo)對(duì)比

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析當(dāng)前機(jī)組調(diào)節(jié)性能指標(biāo)及其計(jì)算方法中存在的具體問(wèn)題，從UCPS標(biāo)準(zhǔn)的適應(yīng)性出發(fā)，根據(jù)AGC機(jī)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(jìn)機(jī)組UCPS指標(biāo)計(jì)算方法，結(jié)合傳統(tǒng)性能指標(biāo)能夠全面反映機(jī)組在任意固定時(shí)段內(nèi)的實(shí)際調(diào)節(jié)性能和調(diào)節(jié)貢獻(xiàn)，實(shí)際算例表明新提出的UCPS指標(biāo)能夠準(zhǔn)確反映機(jī)組調(diào)節(jié)對(duì)電網(wǎng)實(shí)際運(yùn)行產(chǎn)生的具體貢獻(xiàn)，實(shí)施考核后能夠有效促進(jìn)電廠(chǎng)提高機(jī)組調(diào)節(jié)性能，提高電網(wǎng)頻率控制效果。