水電廠一次調頻功能及考核系統改進研究

黃國明，陳慶小，王向偉

（廣西桂冠大化水力發電總廠，廣西 大化 530800）

水電廠一次調頻功能及考核系統改進研究

黃國明，陳慶小，王向偉

（廣西桂冠大化水力發電總廠，廣西 大化 530800）

摘要：為了提高電力系統的電能質量，規范輔助服務管理，2010年02月，南方區域“兩個細則”考核系統在廣西區域投入運行。因考核系統投運較早，國內沒有成熟的經驗借鑒，存在考核費用大及考核準確性不高等問題。本文主要研究水電廠一次調頻輔助服務功能如何更好的適應考核系統，以及考核系統如何更好的適應實際情況，達到減少一次調頻考核費用，提高考核系統的準確性的目的。

關鍵詞：一次調頻；輔助服務；兩個細則；考核系統；功能改進；水電廠

0　引言

為了提高電力系統的電能質量，進一步提高電網安全穩定性，規范輔助服務管理，國家電監會要求全國各區域在2010年開始逐步將“兩個細則”（輔助服務管理細則和并網運行管理細則）考核系統投入運行。2010年02月，南方區域“兩個細則”考核系統在廣西區域投入運行。

“兩個細則”考核系統在國內屬于新的技術平臺，特別是南方區域的一次調頻輔助服務考核子系統，為全國范圍內投運較早的同類型考核系統，沒有成熟的經驗可借鑒，存在考核費用大及考核準確性不高等問題，一次調頻考核費用占整個考核費用的85%以上。而實際情況是各電廠的一次調頻功能均經過有資質的試驗機構進行檢測和試驗合格，考核結果仍是正確動作合格率達不到要求，考核費用非常大。如大化電廠每個月平均被考核費用達30～40萬元，廣西區域（40個直調電廠）月平均被考核費用達到680萬元。

為了深入了解一次調頻輔助服務功能和考核系統特性，大化電廠提出并實施了水電廠一次調頻輔助服務功能和考核系統適應性研究與改進項目。研究水電廠一次調頻輔助服務功能如何更好的適應考核系統，以及考核系統如何更好的適應實際情況，最終達到減少一次調頻考核費用，提高考核系統的準確性的目的。

1　一次調頻動作量對考核影響的研究

1.1分析研究情況

考核時段內，進行考核的電網頻率偏差均較小，廣西電網2010年1～8月一次調頻頻率偏差最大僅為0.04 Hz，一次調頻理論計算的有功變化量偏小，與正常負荷波動、正常變化以及負荷微調的量相近。

按大化電廠一次調頻試驗報告，0.01 Hz頻率對應的最終有功變化量為1MW，已是理論動作值的1.75倍。理論計算對應的變化量為：

根據2010年1～8月份一次調頻評價考核期間的電網頻率偏差平均值為0.005 Hz，如額定有功功率為100MW左右的機組，實際一次調頻動作值負荷最終穩定后的一次調頻負荷變化量應為0.5MW，即0.5%e。而正常時負荷變化量就達到2MW（此數值＜有功負荷調整精度2.5%，負荷波動滿足要求）。

加上串口通信每4～6 s上送一次數據，就有可能導致計算的實際動作量不足，甚至計算出來的動作方向是相反的。以下以頻率峰值為0.02 Hz的一次調頻動作過程進行說明。如下頁圖1。

圖1　負荷波動對一次調頻考核算法的影響示意圖

1.2存在問題

在電網頻率偏差較小的情況下，考核系統中一次調頻理論動作量和電廠實際動作量均較小，理論和實際動作量與負荷波動量相近，考核系統目前算法無法正確判別，導致各電廠的一次調頻正確動作率低，達不到考核標準被考核。

1.3改進措施

1.3.1加大一次調頻動作量

為了適應考核系統，電廠應適度加大一次調頻頻差對應的動作量。主要方法有：

（1）一次調頻動作后逐步增加一次調頻計算頻差。如大化電廠在10s內逐步增加計算頻差0.05Hz，增加約5%負荷，同時考慮最大幅值限制確保控制安全。此方案確實有利于調速器一次調頻效果的突出體現，有利于電網系統的穩定，是提高一次調頻考核結果的有效方法。具體效果圖如圖2。

圖2　增大一次調頻頻差示意圖

1.3.2降低考核系統動作正確判斷門檻

實際動作量不小于理論動作量的50%為不合格改為實際動作量與理論動作量相反為不合格。即ACT_ENG/THEORY_ENG＜50%則判為不合格改為“ACT_ENG與THEORY_ENG動作方向相反”判為不合格。

圖3　減少調速器轉速不等率（p）示意圖

1.4改進后的效果

一次調頻功能動作效果明顯，一次調頻合格率大幅提高（圖4、圖5）。

圖4　改進前一次調頻實際動作曲線

圖5　改進后一次調頻實際動作曲線

2　數據通信固有特性對考核系統影響研究

2.1分析研究情況

電廠與調度遠動通信目前還均有大量串口通信，串口通信因通信速率低，通信數據量大時，完成一次通信的時間較長，如大化的101遠動通信正常數據刷新為4～6 s，總召喚一次完成時間為30 s左右（每3min一次，即出現總召喚時間達到了1/6），總召喚過程中，上送中調的數據在30 s內只變化一次，這樣計算的一次調頻評價結果正確動作率就有問題，經常出現不合格。

因串口通信速率低，一般遙測數據均設置一定的刷新死區，由于刷新死區設置不合理導致中調側的數據刷新不滿足考核和控制要求。如有功功率刷新死區達到1%～2%e，而一次調頻考核大部分動作量也是1%～2%e左右，而其他不重要的遙測刷新死區可能又很小，導致該上送的重要遙測上送不了，經核實中調側大化電廠的有功功率經常有20～30 s不刷新現象，從而導致一次調頻動作不合格。

中調直調電廠與調度遠動通信一般均有2～4個通信（至少2個），幾個通信之間可以人為切換和故障時自動切換，在切換過程中，會造成數據不刷新，故障切換的時間有時達到20～60 s，目前南方電網和廣西中調104通信故障數據切換的時間至少有25 s以上，切換時間的長短決定于通信程序參數設置。如切換一個通信不成功再切換到下一個通信，則需要更長的時間。

電廠作為與中調遠動通信的從站，完全是被動的，通信故障和切換，考核系統中數據是否正確，目前無法知道。電廠與調度通信故障數據傳輸出現問題時，一次調頻可能直接被考核，但這可能不是電廠本身的原因造成。

2.2存在問題

（1）目前電廠與調度遠動通信采用速率低的串口通信，造成考核不合格。

（2）通信刷新死區設置不當，用于考核和控制的遙測量未能及時刷新，造成考核不合格。

（3）通道故障或通信故障造成考核不合格。

2.3改進措施

（1）考核系統全部采用高速率通信數據作為一次調頻考核系統的數據，如采用遠動網絡（104）通信、PMU網絡通信等數據。

表1為101串口通信、104網絡通信和PMU網絡通信速率對比表。

表1　101串口通信與104網絡通信性能對比表

（2）調整刷新死區：減小重要遙測量（用于考核或實時控制）的刷新死區（大化電廠直接改為0，即每個掃描周期均上送重要遙測量），以及適當增加非重要遙測量的刷新死區，確保重要遙測量達到“實時同步刷新”，非重要遙測量少占用寶貴的通信資源。

（3）建議考核系統采用2個以上的網絡通信的數據進行并行考核，任一個合格即判定為合格，避免單一數據切換過程中出現不合格。

（4）以電廠現地數據為依據，申請免考。

2.4改進后的效果

上述第（1）項，從廣東電網和廣西電網考核系統采納高速率的通信數據后，考核結果得到了明顯改善。但目前廣西電網仍保留大部分的串口通信方式，各通信之間存在切換和平等權限（即沒有明顯的主備用關系），考核結果仍有相當部分與實際情況不符。

上述第（2）項實施后，中調側用于考核和控制的重要遙測量（有功功率）刷新速度除總召喚外，已由原來的有時達到20～30 s變為每4～6 s刷新一次，提高了考核合格率。

3　測頻原理不同對考核系統影響的研究

3.1分析研究情況

（1）測頻原理不一樣，考核系統頻率和各電廠相差較大。

調速器測頻與調度GPS系統頻率測頻原理性差別較大，導致一次調頻動作和復歸時間與調度的動作和復歸時間相差較大，加上一次調頻頻率偏差對應的負荷變化量不大，綜合導致了考核不合格。

（2）整個廣西電網中，系統頻率存在差異，導致一次調頻存在測頻偏差。

（3）各電廠的測頻環節和電網考核的測頻均有偏差，測頻軟件中均有一定的濾波平均處理，頻率測量會有一定的偏差。再有調速器中頻率偏差只要＜0.01Hz即為合格，本身也允許了一定的誤差。

基于以上原因，如一次調頻動作早了，一次調頻的提前增加量則沒有效果。如大化電廠增加的動作量（約5MW）可能在未開始計算前已動作完，而理論的動作時間開始后，頻率偏差量近半年來的考核量只0.02～0.03Hz，平均下來一般不到0.02Hz。而0.02Hz對應的動作負荷只有1～1.5MW，而負荷波動值就達到了1～1.5MW，也就是說有可能計算出來的結果可能還未消除負荷波動或正常變化的影響。

3.2存在問題

系統頻差不同步、測頻存在偏差，導致一次調頻考核開始時間和結束時間出現偏差，動作不合格。

3.3改進措施

（1）加大一次調頻頻差對應的動作量。

（2）改造調速器測頻回路，提高測頻精度，但不一定能實現，或效果不明顯。如部分水電廠采用可靠的高速記數模塊進行測頻，測頻精度取決于模塊的運算速率，當時的條件下，已無法再提高精度；有些電廠采用外置的單片機測頻板，測頻精度會達到更高，但可靠性不一定比PLC測頻模塊高。

3.4改進后的效果

廣西分公司部分水電廠和火電廠采納后，考核正確性大幅提高。

4　控制模式和考核模式不同對考核系統影響的研究

4.1分析研究情況

（1）考慮到調速器控制的可靠性和與監控控制配合，目前大部分水電廠調速器的調節模式絕大多數采用“開度模式”，頻率大于一次調頻動作死區時，一次調頻動作后導葉按一次調頻偏差量進行了調整。而目前一次調頻輔助服務考核系統按“功率模式”進行考核，判斷的是有功功率負荷變化量。兩者模式存在偏差。

（2）對水輪發電機組來說，兩種模式之間的變化率并不相等。在水頭較低時，或在水輪機固定特性情況下，可能有功功率的變化幅值達不到考核要求。可能有些情況下還會出現有功功率反向變化的現象。以下是一些固有特性的例子：

如大化電廠1～4號機軸流轉槳式機組在槳葉未協聯情況下，導葉開度變化而有功基本不變；

大化電廠5號機在水頭小于額定水頭時，由于流道和槳葉協聯等原因，在85%～100%導葉開度情況下，導葉開度增加時，機組有功負荷反而減少。

其他不同類型的機組均有一些“開度——負荷”變化量特別少，甚至反調的情況。

4.2存在問題

調速器按“開度模式”控制和考核系統按“功率模式”考核，兩者存在不一致性，且水輪發電機組存在“開度-功率”變化率非線性或變化量特別少，甚至反調的情況，導致一次調頻動作不合格。

4.3改進措施

（1）建議考核系統由“功率模式”改為增加“功率+開度模式”，只要兩種算法有一個合格即算合格。調速器導葉開度為模擬量，從現場直接測量，精度高，不受電磁干擾和系統波動干擾。只要調速器導葉開度變化滿足一定的增量，就可判斷為合格。要實現這一算法需電廠上送調速器導葉開度。

考核系統算法表達式如下：

（2）考核系統增加人為免考條件，低水頭水電廠或軸流轉槳式機組在低于額定水頭情況下，免考一次調頻。

（3）各電廠針對不同條件，在監控系統上實現對特殊情況的判斷和提醒，方便提免考申請。

4.4改進后的效果

運行值班員和維護人員均可比較方便的查詢一次調頻動作相關數據和信息，以及電廠內一次調頻動作受限情況，大大方便了一次調頻免考申訴。

5　水輪發電機組固有特性對考核系統影響的研究

5.1分析研究情況

水輪發電機組上下游水位變化，調速器水頭設定，雙調機組槳葉重新協聯負荷重新微調也是導致一次調頻考核不合格的主要原因之一。如：

（1）軸流轉槳式水輪發電機組調速器水頭設定時，槳葉進行重新協聯，機組功率也跟隨進行重新調整，如此時一次調頻動作，極有可能不合格。

（2）上下游水位變化，也會導致負荷的變化。如大化水電廠有時達到1min內有功負荷變化1%～2%左右，而正是這1%～2%，按目前一次調頻的考核可能就會判斷不合格。其他電廠的水頭變化對負荷的影響可能比大化水電廠還要大。

（3）部分軸流轉槳式水輪發電機組在槳葉未協聯情況下，導葉開度-負荷特性較差，導葉開度變化而負荷不發生變化或變化量比其他開度少較多。

（4）部分流道較長的水輪發電機組的負荷響應時間較長，無法滿足一次調頻負荷響應要求。

5.2存在問題

水輪發電機組的一些固有特性，導致一次調頻考核無法滿足要求。

5.3改進措施

（1）充分利用一次調頻投運率只要求90%的規則，即只要保證投運率達到90%以上的規則。設調速器水頭時暫時退出一次調頻功能，設完水頭后再恢復。確保調速器設水頭時，不考核一次調頻動作合格率。

（2）根據不同類型的水輪發電機組的固有特性，增設免考條件。如軸流轉槳式水輪發電機組水頭低于額定水頭70%時，一次調頻動作正確率免考。

5.4實施后的效果

實施后大化電廠再也沒有出現過因為設水頭導致一次調頻動作不合格被考核現象。

6　二次調頻對一次調頻影響的研究

6.1分析研究情況

（1）一次調頻復歸后，AGC或有功負荷馬上對負荷進行重新分配和負荷微調，動作方向可能是相反的導致一次調頻不合格。

（2）在二次調頻未完成調整時，造成的一次調頻考核不合格，考核系統已允許免考。

6.2存在問題

一次調頻復歸后，二次調頻的介入和反向調節，造成一次調頻動作不合格。

6.3改進措施

（1）AGC沒有新的設定值時，閉鎖一次調頻動作復歸后，AGC負荷重新分配功能。

（2）一次調頻動作后如沒有新的負荷設定值，1min內閉鎖有功負荷調節。

6.4實施后的效果

實施后，大化電廠沒有因為AGC和有功負荷回調等二次調頻影響造成一次調頻考核不合格。

7　考核系統算法不周全對考核系統影響的研究

7.1系統頻率峰值對考核結果影響的研究

7.1.1分析研究情況

頻率偏差保持在0.05 Hz左右較長時間時，頻率峰值出現的時間可能不在考核評價的1min內，考核評價的1 min內一次調頻的平均頻率偏差較少，導致一次調頻動作增量少，合格率判斷困難。

2011年，整個電網負荷嚴重不足時，一次調頻動作經常有動作10min甚至30min以上的情況出現，此時頻率峰值出現的時間大部分都不在考核的1min內，一次調頻的平均頻率偏差有時只有0.01Hz，相對應的負荷增量平均貢獻只有0.5%，比負荷波動值還要小得多。

7.1.2存在問題

一次調頻評價計算時間未考核系統頻率峰值，導致一次調頻動作不合格。

7.1.3改進措施

一次調頻考核計算時間增加到頻率峰值出現后的30 s，如最長時間限定在5min內。或者最長時間就按5min計算。

7.2相鄰較近的兩次一次調頻對考核結果影響的研究

7.2.1分析研究情況

一次調頻兩次動作間隔時間較短時（有兩次間隔才5 s），串口通信采集數據周期正常為4～6 s左右（總召喚時間則達到30 s），第二次評價可能會受到第一次動作結果的影響，導致一次調頻不合格。

7.2.2存在問題

一次調頻考核評價未考慮兩次動作間隔時間問題。

7.2.3改進措施

（1）調整一次調頻考核系統，一次調頻動作間隔少于60 s的不作考核。

（2）根據實際動作情況，提免考申請。

7.3開始動作時的負荷取值計算方式對考核結果影響的研究

7.3.1分析研究情況

一次調頻開始動作時的原始負荷，目前是取動作時瞬間的負荷作為開始動作時的負荷，此計算不合理，因為負荷波動的原因，如一次調頻要增加負荷，動作瞬間的負荷可能正好的負荷波動的最高點，這樣可能會抵消一部分動作計算量。

7.3.2存在問題

考核系統中對一次調頻開始時原始負荷的取值方式也是一次調頻動作不合格的主要原因之一。7.3.3改進措施

動作開始前的負荷，改為取動作前一段時間（如10 s）的平均值或開始時刻的值，如一次調頻動作需增負荷，則取兩者的最小值；如一次調頻動作需減負荷，則取兩者的最大值。

8　結語

本研究從電廠、調度、考核系統及通信等中間環節各方面研究并提出水電廠一次調頻功能及考核系統存在的問題，通過原理分析、受制約因素分析等，制定解決方案，從而有效的解決了一次調頻輔助服務功能和考核系統存在的問題，輔助服務較好的適應考核系統，達到了研究、解決問題的目的。

一次調頻輔助服務功能和考核系統適應性改進后，考核費用大幅減少，僅大化電廠每年減少約420萬元，廣西電網每年減少一次調頻考核費用8100萬元。同時，項目中研究方法全面、新穎，提出的解決方案獲得了大唐廣西分公司、電網機構、電監局和電科院的采納和認可，對其他電廠、電網機構、電監局和電科院處理輔助服務問題具有推廣和借鑒作用。

參考文獻：

[1]中華人民共和國國家經濟貿易委員會.DL/T 496-2001水輪機電液調節系統及裝置調整試驗導則[S]，2001.

[2]中華人民共和國標準化管理委員會.GB/T 9652.1-2007水輪機控制系統技術條件[S]，2007.

[3]中華人民共和國標準化管理委員會.GB/T9652.2-2007水輪機控制系統試驗[S]，2007.

中圖分類號：TM761

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）06-0018-06

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.006

收稿日期：2015-01-26

作者簡介：黃國明（1975-），男，電氣工程師，從事自動化監控工作。