电厂一次调频与回路性能在线评估研究

刘前宏 王亚刚

摘 要：一次调频辅助服务与回路性能评估是维持电网频率稳定的重要保证。根据国家电监会对一次调频参数的要求与浙江某电厂具体特点，设计了满足电厂一次调频考核及回路性能评估系统。根据电厂系统需求分析，对电厂设备一次调频参数进行集中采集、监视与分析。对电厂一次调频合格率、投运率、考核电量进行统计，再对回路性能进行评估，最终以Web界面的方式进行展示。系统可对一次调频与回路性能不合格的情况进行报警、作出不合格评价。实践测试表明，该监测管理系统可提高发电厂一次调频服务质量，提高电厂涉网设备运行可靠性。

关键词：一次调频：回路评估;在线监测

DOI： 10. 11907/rjdk.192236

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

中图分类号：TP319

文献标识码：A

文章编号：1672-7800（2020）001-0140-04

0 引言

一次调频的作用是使电网频率自动维持稳定，这是电力市场最重要的调频辅助服务之一。为规范各并网发电厂辅助服务的考核管理、保证发电机组供电质量，国家电监会发布的《发电厂并网运行管理规定》与《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》（简称为“两个细则”）严格规定了一次调频投入率、调节指标考核标准。各电网公司针对“两个细则”制定了本区域考核技术支持系统，但这些考核系统大都仅是对“两个细则”的软件实现[1-7]，内容局限于考核与补偿，评价方法不够全面，没有直观反映被考核机组调节品质及调节指导意见。因此设计一套操作简单、评价客观的考核评估系统十分重要。

电厂回路对整个生产过程至关重要，它关系到产品产量、产品合格率、操作成本等问题。一般电厂机组采用的控制回路在工业运行初期具有良好性能，但若无定期评估与及时维护，其性能将逐渐下降。因此，电厂工程技术人员需经常利用工业仪表监测生产过程并进行相应维护。但检测与维护需暂停生产，这会大幅降低生产效率，阻碍企业发展。因此本文设计一套基于PMU装置的一次调频与回路性能在线监测评估系统。与现有大多数假设输入为阶跃响应的PID控制回路评估技术不同的是，该系统可有效防止突变型信号对机器设备造成的负面影响。本文根据电厂网络拓补结构与实际工作需要，采取B/S架构，通过数据侦听的方式获取有关参数信息，以Web界面形式进行计算展示[8-11];最后以浙江某电厂机组历史数据为模型样本，结合省调WAMS实际工程实施情况，对一次调频合格率回路性能进行评估。

1 系统硬件设计

在进行硬件设计时综合考量浙江某电厂现有设备与电厂实际状况，最终选取如图1所示的系统架构作为系统硬件设计结构。从硬件结构可以看出，一次调频考核所需参数从两处采集而来，一处是从电厂生产信息I区的DCS、AGC等系统采集的数据通过电厂OPC服务器，穿过防火墙后存放到生产信息Ⅱ区的实时数据库（PI）;第二部分的一次调频考核所需参数需从PMU装置获取，获取数据的方法是将接口机与PMU子站发到主站的数据，通过光纤收发器和交换机进行镜像传输，然后利用防火墙控制策略将解包后的数据送到Ⅱ区的PI实时数据库，最后同样通过镜像将Ⅱ区PI数据库里的数据存贮到安防等级较低的Ⅲ区。电厂一次调频在线监测系统平台部署在Ⅲ区的应用服务器与Web服务器中。外部访问与电厂维护均通过访问Ⅲ区的两台服务器进行。

2 一次调频考核与评估

发电机组调速系统静态特性是决定一次调频的主要因素。汽机调节系统速度变动率（调节系数）与不灵敏度（频差死区）是决定机组参与电网一次调频程度的两个重要因素。机组一次调频能力大小取决于速度变动率，而系统一次调频作用的起始点则由频差死区反映。电网频率是电网运行的一个重要监视参数，但该参数频繁发生变化[12-13]。由“两个细则”规定可知，一次调频考核主要包括3部分：一次调频考核电量、投运率和合格率。

2.1 一次调频考核电量

将系统频率（以1分钟为一个时段）超出一次调频死区期间且实际出力变化量与系统频率偏差数值的正负号相同（高频增出力或低频减出力）、实际出力变化量为零的情况统计为不合格时段[14-15]。其中，将相邻1分钟实际出力之差作为实际出力变化量。当月一次调频考核电量不能高于当月机组发电量的0.5%。

2.2 一次调频投入率

一次调频投入率等于一次调频功能投入时间与并网运行时间的百分比;机组一次调频月投入率下限值为90%，当每低于一个百分点（含不足一个百分点），将当月机组发电量的0.1%计为考核电量。

2.3 一次调频合格率

一次调频合格率是一次调频合格时段（时间点）时间总和与一次调频功能投入时间的百分比;将100%作为一次调频合格率基准，每降低当月合格率0. 1%个百分点，按当月机组发电量的0.1%作为考核电量[17-18]。

具体考核流程如下：

（1）记录一次调频动作。记录电网频率偏差>0.033且持续时间超过15s的开始时间、时长以及期间电网极限频率、结束频率、前30秒平均功率。

（2） 一次调频评价。计算电网频率偏差>0.033且持续时间超过15s、期间频率偏差>0.05的理论动作积分量、实际动作积分量，并根据两者之比判断是否合格并进行记录。

3 系统考核结果

系统可根据评估结果建议发电厂人员及时检查、处理，同时还可形成相关分析报告。机组1的一次调频考核结果如图2所示。

4 回路评估

由于电厂控制系统复雜且有时滞性，单回路控制系统无法有效进行电厂控制回路评估。本文基于单回路控制系统与串级控制系统设计系统回路评估方法，该方法针对电厂不同类型的控制回路，采用适合的方法进行评估。本部分介绍单回路控制系统与串级控制系统评估方法。

4.1 单回路控制系统回路评估

若发电厂子系统数学模型未知，则系统脉冲响应系数fi未知，通常采用FCOR算法，即一个稳定的闭环过程输出可用一个无限阶滑动平均模型（ARMAX）进行模拟，最终计算控制器性能评估指标，其抽样计算如式（7）所示。

最终进行评价时，仅需考察η（d）的值，η（d）的值在0-1内，越接近1，说明控制系统性能越好。基于MV准则的控制品质评价方法基本原理如图4所示。

4.2 串级控制系统评估

火电机组系统存在复杂性和时滞性，单回路控制系统有时无法满足生产工艺要求，由此串级过程控制系统被提出，例如过热汽温串级控制系统采用的二级喷水减温控制，其主副回路均存在噪声干扰。在针对该类系统进行控制品质评估时，具体方法与单回路有所不同。串级系统最终目标是控制主回路输出达到期望水平。因此计算串级系统η（d）时，δ2为主回路输出值与设定值偏差的方差，可直接从数据序列中得到。δ2计算如式（14）所示。

其中Ni是包含估计闭环脉冲响应系数的系数矩阵，通过时间序列模型的简单辨识可得到，∑a是白噪声向量的估计方差协方差矩阵。由此将计算得到的δmy代人性能基准式中可获得性能指标值。

针对电厂不同类型的控制回路，采用上述两种方法进行控制品质评估，整个计算过程不涉及复杂的数学计算和大量模型辨识工作，计算机处理速度较快，可实现实时在线评估方式。最终选取机组1的除氧气水位控制回路进行测试，其测试结果如图5所示。

控制系统性能评估是研究工业控制回路控制器性能的方法，根据评估性能指标结果分析控制回路是否需要维护或重新整定，判断控制性能有无改进空间。一般将性能指标（0-1取值范围）分为3个等级，即0-0.1区间为差，0.1-0.3区间为中等，0.3～1区间为好，当数据错误时无结果，需要重新评估。

5 结语

本文根据浙江某电厂特点，结合一次调频理论算法与相关软件设计了满足“两条规则”频率要求的在线实时考核系统。电厂利用该系统可实时检测一次调频是否合格。而后基于回路评估算法，在系统中对电厂回路性能进行实时评估并给出回路整改意见，可降低员工定期检查成本，避免由于检修带来的生产停滞。本文在线评估算法在浙江某电厂付诸实践，根据电厂操作人员反馈，该系统保证了生产安全性和可靠性，满足电厂对一次调频与回路评估的考核要求，且数据采集使用PMU数据侦听方，极大保证了系统安全问题。由于电厂数据不断增加，系统数据存贮方式面临巨大挑战，下一步将在系统中加入大数据技术以解决数据量持续增加的问题。

参考文献：

[1]

CHEN J， LIF. FAN L， et al. Review of PMU based online applicationsfor dynamic simulation. fault detection. and cascading failure preven—tion [C]. Proceedings of the 8th WSEAS International Conference onElectric Power Systems， High Voltages， Electric Machiness， 2008：212-216。

[2] 吴凡，饶士立.基于两个细则的水电机组ACC与一次调频优化设计[J].电工技术，2018（ 17）：38-43.

[3] 吴超峰.“两个细则”考核条件下火电机组关键控制技术研究与应用[D].济南：山东大学，2017.

[4] 严小明.“两个细则”试运行考核管理及设备功能完善[J].小水电，2011（4）：108-109.

[5] 马覃峰.发电机组一次调节性能评价指标的研究[D].大连：大连理工大学，2007.

[6] 罗从凯，隋远韬，张道丽.大型发电汽轮机组一次调频控制策略及实现[J].四川工程职业技术学院学报，2013，27（2）：18-24.

[7] AMINIFAR F，KHODAEI A. FOTUHI - FIRUZABAD M， et alContingency-constrained PMU placement in power networks [J].IEEE Transactions on Power Systems， 2010， 25（1）：516-523.

[8] 王蒞滨.电厂一次调频考核系统的设计与实现[D].郑州：郑州大学，2014.

[9] 杨建华.华中电网一次调频考核系统的研究与开发[J].电力系统自动化，2008，32（9）：96-99.

[10]赵敏，陈志平，张巨勇.一种网络抓包软件的实现[C].六省（区）自动化学会第二十九届学术年会，2011：230-232.

[11]杨清，杨艳，郑世钰.数据库技术及应用基础教程[M].北京：清华大学出版社，2013.

[12]徐微波.电厂一次调频考核系统的研究与开发[D].武汉：华中科技大学，2008.

[13] 龚雪丽.电厂一次调频控制策略的分析及优化[J].电力建设，2010，26（9）：6-8.

[14] 万丽丽.PMU应用于区域电网保护与电压稳定监测的研究[D].上海：上海交通大学，2010.

[15]王蕊.火电机组一次调频特性的分析及仿真研究[D].北京：北京交通大学，2009.

[16] 蒋正威.相量测量装置优化配置的研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[17] 李建.600MW超临界直流机组的一次调频性能优化[J].自动化博览，2012（4）：72-74.

[18] 罗常中.云冈热点一次调频控制策略优化[D]北京：华北电力大学，2011.

[19] 高林，戴义平，王江峰，等.机组一次调频参数指标在线估计方法[J].中国电机工程学报，2012，32（16）：62-69.

[20]

DESBOROUCH D，HARRIS T J.Performance assessment measuresfor univariate feedback control[J].The Canadian Journal of Chemi-cal Engineering， 1992（ 70）： 1186-1197.

[21]林振锋，张伟.控制回路性能评估在火电厂中的应用[J].电子科技，2018.31（11）： 24-26，79.

（责任编辑：江艳）

基金项目：国家自然科学基金项目（ 11502145，61074087）

作者简介：刘前宏（1994-），男，上海理工大学光电信息与计算机工程学院硕士研究生，研究方向为过程控制、系统辨识等;王亚刚（1967-），男，博士，上海理工大学光电信息与计算机工程学院教授、硕士生导师，研究方向为系统辨识、先进过程控制等。本文通讯作者：王亚刚。