基于趨勢提取的火電機(jī)組負(fù)荷響應(yīng)能力評價

崔世君，王建東，趙澤寧，高 嵩，孟祥榮

(1.山東科技大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，山東 青島 266590；2.國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003)

電力系統(tǒng)調(diào)度自動控制系統(tǒng)中，自動發(fā)電控制(automatic power generation control，AGC)是保證電網(wǎng)頻率質(zhì)量和安全運(yùn)行、維持電力系統(tǒng)發(fā)電與負(fù)荷實(shí)時平衡的重要技術(shù)手段[1]。隨著我國電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，裝設(shè)有AGC功能的機(jī)組越來越多，但由于調(diào)節(jié)速率與調(diào)節(jié)精度參差不齊評價困難。需要一個行之有效的方法對AGC性能指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確、快速地評價，當(dāng)火電機(jī)組AGC性能差時，分析導(dǎo)致性能差的原因；當(dāng)電網(wǎng)調(diào)度中心發(fā)出新的AGC指令時，可以對機(jī)組出力曲線進(jìn)行預(yù)測。還可以根據(jù)AGC性能評價結(jié)果制定合理的火電機(jī)組獎懲措施，保證市場公平性并提高參與輔助服務(wù)電廠的積極性。

國內(nèi)學(xué)者對于火電機(jī)組AGC性能評價進(jìn)行了廣泛研究。吳繼平等[2]針對現(xiàn)有評價方法中存在受參數(shù)設(shè)置影響、機(jī)組實(shí)際調(diào)節(jié)性能準(zhǔn)確性不足以及對新型調(diào)節(jié)資源的適應(yīng)性等問題，提出了表征機(jī)組調(diào)節(jié)性能的四個指標(biāo)；徐英等[3]根據(jù)AGC機(jī)組的響應(yīng)特性和華北電網(wǎng)AGC策略，提出了基于相位測量單元數(shù)據(jù)的AGC調(diào)節(jié)性能評價方法；宋新立等[4]采用混雜系統(tǒng)的建模方法，提出了一種適于機(jī)電暫態(tài)及中長期動態(tài)全過程仿真的自動發(fā)電控制模型；李云等[5]提出了試驗(yàn)容量品質(zhì)評價AGC試驗(yàn)指標(biāo)；高愛國等[6]采用分項(xiàng)動態(tài)自適應(yīng)前饋技術(shù)和基于一次調(diào)頻功能的AGC控制方案對機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化；趙嵩等[7]參照現(xiàn)有評價標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了考慮電池壽命的電池儲能AGC控制性能評價標(biāo)準(zhǔn)。國外關(guān)于電網(wǎng)AGC性能評價與火電機(jī)組AGC的研究較多，但對于火電機(jī)組AGC性能評價的相關(guān)研究較少。北美電力可靠委員會[8]通過計(jì)算機(jī)組實(shí)發(fā)功率與AGC指令之間的偏差值來評價AGC性能；Pathak等[9]糾正了使用發(fā)電率約束機(jī)組速率的錯誤，并改進(jìn)了火電機(jī)組自動發(fā)電控制模型；Wang等[10]通過計(jì)算實(shí)發(fā)功率幅值變化評價AGC性能；Lobato等[11]設(shè)計(jì)了一個確保機(jī)組有功功率和AGC指令之間偏差在一定范圍內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)。

當(dāng)前電網(wǎng)調(diào)度中心大多使用《網(wǎng)源協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)制度匯編》[12]與《華北地區(qū)發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》[13]中的AGC性能評價方法，從歷史數(shù)據(jù)中查找關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)(如指令動作時刻、調(diào)節(jié)結(jié)束時刻等)，再通過關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)計(jì)算性能指標(biāo)。此方法的缺陷是容易受到噪聲影響，并且當(dāng)此次AGC對應(yīng)的機(jī)組出力未達(dá)到目標(biāo)值90%或者超過目標(biāo)值110%時，無法找到關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而無法計(jì)算AGC性能指標(biāo)。

國內(nèi)研究大多通過直接讀取歷史數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵點(diǎn)來評價AGC性能[2-7]，此類方法難以避免噪聲與死區(qū)影響。國外研究可以在一定程度上避免噪聲與死區(qū)的影響，但仍存在其他缺陷。文獻(xiàn)[8]通過計(jì)算實(shí)發(fā)功率與AGC指令的偏差值評價AGC性能，文獻(xiàn)[10]通過計(jì)算實(shí)發(fā)功率幅值變化評價AGC性能，當(dāng)偏差值或幅值變化大于一定閾值時，認(rèn)為此次AGC不合格。兩種方法都是通過挖掘數(shù)據(jù)段中的信息來評價性能，而不是直接讀取數(shù)據(jù)中的關(guān)鍵點(diǎn)，所以可以避免因噪聲與機(jī)組死區(qū)導(dǎo)致的錯誤結(jié)論。但僅用偏差值或幅值等單一指標(biāo)無法全面表征機(jī)組AGC性能。

為解決上述問題，在文獻(xiàn)[12-13]的基礎(chǔ)上，提出一種新的AGC性能評價方法。首先將AGC指令與實(shí)發(fā)功率分成多個數(shù)據(jù)段，找到AGC指標(biāo)動作時段與實(shí)發(fā)功率動作時段，根據(jù)找到的趨勢段查找關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)從而計(jì)算性能指標(biāo)。由于趨勢提取可以平滑實(shí)發(fā)功率曲線，基于趨勢提取的AGC性能評價方法受噪聲與死區(qū)的影響較小。此外，本研究方法保留了文獻(xiàn)[12-13]中所提出的三個性能指標(biāo)，來全面地表征機(jī)組AGC性能，避免使用單一指標(biāo)評價導(dǎo)致的結(jié)論錯誤。

1 問題描述

火電機(jī)組AGC運(yùn)行模式分為R模式與O模式。R模式機(jī)組的AGC指令為階躍形式，O模式機(jī)組的AGC指令為非階躍的形式。目前關(guān)于AGC評價的研究針對的運(yùn)行模式為R模式。圖1為R模式火電機(jī)組AGC負(fù)荷響應(yīng)模擬曲線[12]。T0時刻AGC指令開始動作，TS時刻負(fù)荷跟隨指令開始變化，機(jī)組開始漲出力，TS時刻機(jī)組出力達(dá)到目標(biāo)值的10%。T2為負(fù)荷變化至AGC負(fù)荷指令目標(biāo)值90%的時刻，此后機(jī)組出力在目標(biāo)值附近波動，直到TE時刻此次AGC結(jié)束。負(fù)荷響應(yīng)時間T指自AGC指令開始變化的時刻T0起至機(jī)組實(shí)際負(fù)荷開始變化的時刻TS之間的時間差，即

圖1 火電機(jī)組AGC負(fù)荷響應(yīng)模擬曲線

T=TS-T0。

(1)

負(fù)荷平均變化速率v是指選取負(fù)荷變化至AGC負(fù)荷指令目標(biāo)變化幅度10%和90%的兩個負(fù)荷點(diǎn)之間連線的斜率：

(2)

負(fù)荷穩(wěn)態(tài)偏差ΔP是指AGC指令不變的工況下，在考核時間段內(nèi)(T2至TE時刻)，負(fù)荷偏離AGC指令的值

(3)

式中,y(t)為機(jī)組在該段時間內(nèi)的實(shí)際出力，P1為該時段內(nèi)的指令設(shè)定值。一般來說，一次階躍的持續(xù)時間為30～1 205，幅值約為3 MW，火電機(jī)組一次AGC由多次階躍組成。然而，該性能評價方法存在兩個問題：①由于《網(wǎng)源協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)制度匯編》中的性能指標(biāo)計(jì)算方法是從數(shù)據(jù)中得到關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算性能指標(biāo)，所以受噪聲的影響較大;②《網(wǎng)源協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)制度匯編》中規(guī)定將機(jī)組出力達(dá)到目標(biāo)功率90%的時刻作為此次AGC調(diào)節(jié)結(jié)束的時刻,但由于機(jī)組存在調(diào)節(jié)死區(qū)，因此機(jī)組出力有時無法達(dá)到目標(biāo)值的90%或超出目標(biāo)值的110%。

2 具體方法

本研究所提出的AGC性能評價方法主要思路如下：首先找到適合評價的數(shù)據(jù)段，包括從歷史數(shù)據(jù)中找到AGC動作時段與此AGC對應(yīng)的機(jī)組出力動作段，再讀取關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)從而計(jì)算性能指標(biāo)。

2.1 數(shù)據(jù)段查找

首先從歷史數(shù)據(jù)中找到適合進(jìn)行AGC評價的數(shù)據(jù)段，具體分為兩步。第一步對AGC指令進(jìn)行趨勢提取，計(jì)算每段趨勢的幅值變化值，找到幅值變化小于一定閾值的趨勢段，將此趨勢段對應(yīng)的AGC數(shù)據(jù)段視作AGC穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)段，將相鄰兩穩(wěn)態(tài)段及其中間的動態(tài)部分視作一次階躍指令;第二步對實(shí)發(fā)功率使用同樣的方法進(jìn)行趨勢提取，找到AGC動態(tài)部分對應(yīng)的實(shí)發(fā)功率動作趨勢段。將相鄰兩穩(wěn)態(tài)段及其對應(yīng)的動態(tài)段視為適合評價的數(shù)據(jù)段。

2.1.1 AGC穩(wěn)態(tài)段查找

y=ak+bkn，

(4)

其中ak與bk使用最小二乘估計(jì)[14]得到：

(5)

式中：

(6)

實(shí)際出力與其擬合直線的擬合誤差的損失函數(shù)為：

(7)

(8)

|Mm+1-Mm|≥2，

(9)

(10)

Mm+1為此次AGC目標(biāo)穩(wěn)態(tài)段均值。

性能評價前，要判斷此段AGC是否滿足公式(8)。若滿足，則認(rèn)為此數(shù)據(jù)段為穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)段，相鄰兩個穩(wěn)態(tài)段與其動態(tài)段時間的時段被認(rèn)為一次階躍指令；若不滿足，跳過此段AGC，對下一段AGC進(jìn)行性能評價。

2.1.2 實(shí)發(fā)功率動態(tài)段查找

t0,m

(11)

其中，Pm為此次AGC調(diào)節(jié)幅值，TN為文獻(xiàn)[12]中規(guī)定的響應(yīng)時間最大值，vN為文獻(xiàn)[12]中規(guī)定的調(diào)節(jié)速率最小值，TN+60×Pm/vN為機(jī)組調(diào)節(jié)所需的理論時間。t0,m為第m次穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)段最后一個點(diǎn)，將其視為第m次AGC指令開始動作時刻，則有

t0,m=nm+Nm-1，

(12)

此約束條件為時間約束。即在此時間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)段都有可能為此部分AGC對應(yīng)的調(diào)節(jié)段。在滿足式(11)的情況下，滿足式(13)的數(shù)據(jù)段認(rèn)為是此段AGC對應(yīng)的調(diào)節(jié)段：

(13)

其中

(14)

式中Km為滿足式(11)的趨勢數(shù)。趨勢提出結(jié)束后，下一步是找到關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，為性能評價做準(zhǔn)備。

將每次AGC對應(yīng)的實(shí)發(fā)功率趨勢第一個點(diǎn)視為機(jī)組開始漲/降出力的點(diǎn)ts,m，

ts,m=tm。

(15)

將每次AGC對應(yīng)的實(shí)發(fā)功率趨勢最后一個點(diǎn)視為機(jī)組結(jié)束漲/降出力的點(diǎn)te,m，

te,m=tm+Tm-1。

(16)

將每次調(diào)節(jié)結(jié)束的點(diǎn)te,m至下一次AGC開始動作的點(diǎn)t0,m+1之間的部分視為AGC調(diào)節(jié)穩(wěn)態(tài)時段：

(17)

2.2 AGC性能指標(biāo)評價

將機(jī)組當(dāng)前轉(zhuǎn)速r(t)與標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)速(3 000 r/min)r之差超出死區(qū)(2 r/min)且最大頻率偏差達(dá)到0.04 Hz(汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為2.4 r/min)的時刻作為一次調(diào)頻動作時刻，即：

(18)

式中TS,PFC為一次調(diào)頻動作時刻?！毒W(wǎng)源協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)制度匯編》中規(guī)定一次調(diào)頻30 s內(nèi)需要達(dá)到目標(biāo)值的90%，所以將開始后30 s作為一次調(diào)頻結(jié)束的時刻TE,PFC，有

TE,PFC=TS,PFC+30。

(19)

最后判斷一次調(diào)頻動作時刻與AGC動作時刻是否發(fā)生沖突。若滿足

|t0,m-te,m|+|TE,PFC-TS,PFC|=max{TE,PFC,te,m}-max{TS,PFC,t0,m},

(20)

則認(rèn)為一次調(diào)頻與AGC沒有發(fā)生沖突；若不滿足，則認(rèn)為一次調(diào)頻與AGC相互影響，跳過此次AGC，對下次AGC進(jìn)行評價。剔除受一次調(diào)頻影響的AGC后，接下來便可以根據(jù)找到的關(guān)鍵點(diǎn)計(jì)算調(diào)節(jié)時間、調(diào)節(jié)精度與負(fù)荷平均變化速率指標(biāo)。響應(yīng)時間指AGC指令發(fā)出的時刻(調(diào)節(jié)前穩(wěn)態(tài)段最后一點(diǎn))與機(jī)組出力開始動作時刻(趨勢段第一個點(diǎn))之間的時間差:

tm=ts,m-t0,m。

(21)

負(fù)荷平均變化速率v指的是機(jī)組開始漲/降出力(趨勢段第一點(diǎn))至機(jī)組結(jié)束漲/降出力(趨勢段最后一點(diǎn))的斜率，即：

(22)

調(diào)節(jié)精度指在機(jī)組結(jié)束漲/降出力(趨勢最后一點(diǎn))至下次AGC開始動作(下次穩(wěn)態(tài)段最后一點(diǎn))時段內(nèi)的機(jī)組出力偏離目標(biāo)值的量，即：

(23)

式中Pset,m為第m次AGC指令的設(shè)定值。

3 工業(yè)案例

結(jié)合三個工業(yè)案例說明算法的正確性。使用的工業(yè)案例為300 MW燃煤機(jī)組，機(jī)組運(yùn)行模式為R模式。對文獻(xiàn)[12]中的AGC性能指標(biāo)計(jì)算方法與基于趨勢提取找到關(guān)鍵點(diǎn)的性能評價方法進(jìn)行對比，體現(xiàn)基于趨勢提取方法的優(yōu)勢與不足。

3.1 案例一

萊城4號機(jī)組某次AGC調(diào)節(jié)指令及其分段如圖2所示。若使用趨勢提取方法對此段AGC進(jìn)行性能指標(biāo)評價，即分別對AGC指令與實(shí)發(fā)功率進(jìn)行趨勢提取，可以得到AGC動作時刻t0,m=24 s，機(jī)組出力動作時刻ts,m=31 s。按照式(21)計(jì)算負(fù)荷響應(yīng)時間為7 s。

機(jī)組出力動作時刻ts,m=31 s，結(jié)束動作時刻te,m=46 s，對應(yīng)的功率分別為y(ts,m)=200.4 MW與y(te,m)=198.1 MW。按照式(22)計(jì)算負(fù)荷平均變化速率為9.4 MW/min。

機(jī)組下次AGC動作時刻t0,m+1=68 s，設(shè)定Pset,m=198.2 MW，按公式(23)計(jì)算負(fù)荷調(diào)節(jié)精度為0.2 MW。

若按文獻(xiàn)[12]中的性能指標(biāo)計(jì)算方法，關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)如圖3所示。根據(jù)公式(1)、(2)和(3)，計(jì)算得出響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速率及調(diào)節(jié)精度分別為7 s、8 MW/min與0.2 MW。兩種方法得出的結(jié)果基本相同。從圖2可以看出，此次AGC受噪聲影響較小，這是兩個方法計(jì)算結(jié)果差距較小的關(guān)鍵原因。

圖2 案例一AGC指令與實(shí)發(fā)功率趨勢

圖3 案例一讀取關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)與機(jī)組轉(zhuǎn)速

3.2 案例二

圖4為萊城4號機(jī)組某次AGC調(diào)節(jié)指令。首先使用趨勢提取方法計(jì)算性能指標(biāo)，此部分實(shí)發(fā)功率趨勢分為三部分。

圖4 案例二AGC指令與實(shí)發(fā)功率趨勢

①調(diào)節(jié)幅值P=3 MW，AGC動作時刻t0,m=16 s，機(jī)組出力動作時刻ts,m=19 s。按照公式(21)計(jì)算負(fù)荷平均變化速率為3 s。

圖5 案例二讀取關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)與機(jī)組轉(zhuǎn)速

②機(jī)組出力動作時刻ts,m=19 s，結(jié)束動作時刻為te,m=46 s，對應(yīng)功率分別為y(ts,m)=223.5 MW與y(te,m)=225.3 MW。按照公式(22)計(jì)算的負(fù)荷平均變化速率指標(biāo)為3.9 MW/min。

③使用文獻(xiàn)[12]中方法進(jìn)行性能評價時，由于噪聲的影響，機(jī)組出力達(dá)到目標(biāo)值90%的時刻，即機(jī)組調(diào)節(jié)結(jié)束的時刻為T2,m=35 s，對應(yīng)功率y(T2,m)=225.3 MW。由于此次AGC機(jī)組出力動作時刻的功率y(ts,m)已經(jīng)高于機(jī)組目標(biāo)變化幅度10%，所以機(jī)組達(dá)到目標(biāo)變化幅度10%的時刻T2,m=35 s，對應(yīng)功率y(T1,m)=223.1 MW。根據(jù)公式(2)計(jì)算負(fù)荷平均變化速率指標(biāo)為7.8 MW/min。

可以看出，由于噪聲的影響，《網(wǎng)源協(xié)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)制度匯編》中性能評價方法可能導(dǎo)致讀數(shù)不準(zhǔn)確，進(jìn)而產(chǎn)生較大誤差。而本研究所提出的性能評價方法基本不受噪聲影響。由于此次AGC調(diào)節(jié)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的同時下一次AGC指令已經(jīng)發(fā)出，所以此次AGC無法計(jì)算調(diào)節(jié)精度。

3.3 案例三

萊城電廠4號機(jī)組某次AGC如圖6所示。由于發(fā)電機(jī)出力未達(dá)到目標(biāo)值的90%，若使用文獻(xiàn)[12]中性能評價方法，無法得到負(fù)荷平均變化速率與調(diào)節(jié)精度性能指標(biāo)。這是由于火電廠供能不足或機(jī)組自身存在死區(qū)導(dǎo)致的。使用趨勢提取的方法可以得到性能評價指標(biāo)。如圖6所示，調(diào)節(jié)幅值P=3 MW，AGC動作時刻t0,m=24 s，機(jī)組出力動作時刻ts,m=25 s，按照公式(21)計(jì)算的機(jī)組響應(yīng)時間1 s。

圖6 案例三AGC指令與實(shí)發(fā)功率趨勢

機(jī)組出力動作時刻ts,m=25 s，結(jié)束動作時刻te,m=52 s，對應(yīng)的功率分別為y(ts,m)=229.7 MW與y(te,m)=231.7 MW。按照公式(22)計(jì)算負(fù)荷平均變化速率為4.4 MW/min。

機(jī)組下次AGC動作時刻t0,m+1=76 s，設(shè)定Pset,m=232.8 MW，按照公式(23)計(jì)算負(fù)荷調(diào)節(jié)精度為1.1 MW。

通過案例三可以得出，實(shí)發(fā)功率未達(dá)到目標(biāo)值附近時，文獻(xiàn)[12]規(guī)定的性能評價方法無法計(jì)算負(fù)荷平均變化速率與調(diào)節(jié)精度性能指標(biāo)。但本研究所提出的AGC性能評價方法可以計(jì)算負(fù)荷平均變化速率與調(diào)節(jié)精度指標(biāo)。

4 結(jié)論

提出一種基于趨勢提取的AGC性能評價方法，同時，給出一套基于歷史數(shù)據(jù)自動評價AGC性能指標(biāo)的方法。首先，通過趨勢提取找到適合評價的數(shù)據(jù)段，在剔除一次調(diào)頻影響的基礎(chǔ)上查找關(guān)鍵數(shù)據(jù)點(diǎn)，計(jì)算AGC性能指標(biāo)。三個工業(yè)案例表明，所提出的方法受噪聲影響較小，評價結(jié)果更加準(zhǔn)確。