發電機組一次調頻在線測試與AGC性能考核系統設計

徐春雷, 徐 瑞， 仇晨光, 張小白， 錢玉妹， 劉俊偉

(1. 國網江蘇省電力公司, 江蘇 南京 210024； 2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

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·專論與綜述·

發電機組一次調頻在線測試與AGC性能考核系統設計

徐春雷1, 徐 瑞2， 仇晨光1, 張小白2， 錢玉妹1， 劉俊偉2

(1. 國網江蘇省電力公司, 江蘇 南京 210024； 2. 國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

電力市場環境下，需要合理評價發電機組提供的調頻輔助服務，以保證市場公正公平。本文通過分析當前調頻輔助服務考核中一次調頻與自動發電控制(AGC)考核所面臨的問題，提出了一次調頻在線測試與AGC控制性能考核系統架構和設計思路；針對一次調頻考核對過程數據的精度和時效性要求，提出了基于電廠遠控終端(RTU)和同步相量測量裝置(PMU)多源數據的一次調頻在線測試方法，利用多源數據的時標校對、統計信息篩選完善考核結果的計算方式，更加準確評估機組的一次調頻性能；提出了基于調節速率分布的調節精度計算方法，通過調節精度修正因子建立速率與精度的聯動機制，以約束機組控制行為并引導其行為優化；最后通過應用案例分析，證明了所述方法的有效性。

一次調頻測試; 機組控制性能; 考核評價; 調節精度

0 引言

隨著特高壓交直流電網的建設和電力市場化改革的逐步推進，電網對發電機組一次調頻和自動發電控制(AGC)提出了更高要求，與之相應的調頻輔助服務考核與評價需求也更加迫切[1]。電網通過建立和完善輔助服務考核評價系統，引導電廠對發電機組調頻控制行為優化，對于提升電網運行控制性能、保證電網運行安全意義重大[2]。

電力市場調頻輔助服務是維持電網頻率穩定、實時有功供需平衡的重要手段，涵蓋了一次調頻和AGC兩個重要環節。目前機組一次調頻性能的測定采用基于電網頻率擾動事件的在線監測和模擬頻率擾動的在線測試兩種方法。其中一次調頻在線監測利用實時量測數據或高采樣頻度的同步相量測量裝置(PMU)數據分析頻率擾動中機組的一次調頻動作功率，計算和評估機組一次調頻性能[3-7]。模擬頻率擾動的一次調頻在線測試由調度下發一次調頻測試指令，電廠一次調頻功能自動接入模擬頻差信號，測試和統計機組一次調頻性能[7,8]。然而，一次調頻在線監測對擾動事件的頻率變化和頻偏時間有較高要求[3]，同時受到機組并網和一次調頻投入狀態、AGC指令的影響，該方法過多地依賴于大功率擾動事件，具有一定隨機性和不確定性，無法作為常態化的考核手段；一次調頻在線測試則受調度與廠站間通信延時的影響，難以準確識別一次調頻動作時刻，由于各廠站延時存在差異，其統計指標的優劣將直接影響考核的準確性和公正性。因此，有必要完善一次調頻考核功能，形成對電網一次調頻的有效監管，切實發揮一次調頻在突發性事故中的應急作用[9]。

AGC機組調節效能評估已初步形成了包含調節速率、調節精度、調節貢獻量等指標的評價體系[10-12]，并根據CPS標準對機組調節任務分解提出了機組性能評價標準[13-15]。調節精度采取均值考核方式，實際運行中，部分機組對上調指令響應積極、下調指令響應不積極，考核結果卻滿足要求，這種調節行為嚴重影響了電網控制性能和電量進度安排，失去了考核的公正性。調節精度考核無法體現機組調節速率的貢獻，亦無益于系統調節品質的提升。考慮到調節速率快的機組指令刷新間隔短，承擔了更多的擾動調整容量，有必要建立速率與精度的聯動機制，使對電網有益的機組在精度考核中得以補償。

本文針對當前機組調頻輔助服務考核面臨的問題，提出了一次調頻和AGC性能考核系統的建設方案，通過對一次調頻在線測試和AGC性能統計方法的改進和完善，以提高考核準確性和控制性能評估的合理性。

1 系統架構

發電機組一次調頻在線測試與AGC性能考核系統(簡稱考核系統)與AGC應用共享機組模型、網絡通信和人機界面，由調度側和廠站側兩層級主體構成，通過調度側與廠站側的數據交互、電廠遠控終端(RTU)和PMU數據并行處理，完成數據處理和考核統計功能。由于一次調頻性能統計對量測數據的準確性和時效性要求較高，考慮到PMU每秒25幀以上高頻度量測以及GPS對時的優勢，可彌補RTU量測的通道延時和采樣頻度低的缺點，而RTU量測接入數據更全面，可覆蓋全部并網機組，因此充分利用兩類數據優勢進行計算分析。其系統架構如圖1所示。

圖1 考核系統架構Fig.1 Framework of assessment system

廠站側RTU執行調度側數據采集與監視(SCADA)下發的遙調和遙控指令，并上送機組遙測、遙信量至調度側；PMU實時采集廠站功率、相位、相角等信息并上送至調度側廣域監測系統(WAMS)。調度側接收和處理廠站側RTU上送遙測、遙信量以及PMU數據，計算一次調頻、AGC性能指標并將統計結果存入歷史庫。歷史數據庫用于存儲RTU量測數據、測試記錄和統計結果；時間序列數據庫用于存儲PMU數據。

2 系統功能

2.1 軟件數據流程

考核系統根據機組控制模式確定機組運行狀態，當機組一次調頻測試允許和遠方控制開啟時，可分別投入一次調頻測試或AGC，執行一次調頻在線測試和AGC性能考核數據流程，如圖2所示。

圖2 考核系統軟件數據流程Fig.2 Data flow of assessment system software

一次調頻測試采取人工觸發方式，當機組控制模式修改為增負荷(PFRUP)、減負荷(PFRDN)或特性參數后，首先執行一次調頻遙控測點和點號的安全性校驗，校驗通過后依次下發一次調頻投入、增負荷/減負荷/特性參數測試信號并開始測試；測試開始后，監視機組有功功率和負荷指令、記錄并存儲測試數據；測試時間定時結束后，下發一次調頻測試退出信號使機組退出測試，待測試屏蔽定時結束后恢復機組測試前控制模式。其中，測試屏蔽定時的目的是給機組緩沖恢復的時間，避免火電機組鍋爐主蒸汽壓力尚未恢復而再次投入測試。

一次調頻考核進程在測試結束后，通過訪問歷史庫獲取日志、測試過程機組RTU有功功率、負荷指令和頻差等數據，以及時間序列數據庫機組PMU量測數據，分別計算調頻測試結果；綜合兩測試結果數據計算本次測試的考核結果，用于月度考核。

AGC機組控制性能考核分為投運率統計、調節速率精度統計和可調范圍測試3個模塊。其中，調節速率精度統計實時監視自動模式(AUTO)、計劃模式(SCHE)機組的控制指令和出力變化，并判斷指令響應過程中系統或機組有無異常(如頻率跳變或機組退出AGC)，若異常則對本次控制指令實施免考，調節過程結束后計算調節速率和調節精度，該結果將用于調節速率和精度的季度均值、方差的計算。可調范圍測試根據機組出力所處區間給出可上測或可下測狀態，控制模式修改為調節范圍測試后，則自動下發控制指令將出力帶到調節上限或調節下限，以檢查機組的最大可調區間是否滿足要求。

2.2 一次調頻在線測試與考核

2.2.1 一次調頻在線測試原理

以火電機組為例，一次調頻測試通過對機組數字電液(DEH)和協調控制系統(CCS)控制回路改造[8,16,17]，使其在開始一次調頻增、減負荷測試后斷開機端頻率量測(或汽輪機轉速信號)，在50 Hz額定頻率基礎上自動疊加±0.1083 Hz頻差，根據DEH和CCS側一次調頻特性函數的負荷指令，調節汽門開度自動增加或減少機組出力，以模擬頻率擾動時一次調頻動作情況。一次調頻測試原理如圖3所示。

圖3 一次調頻測試原理Fig.3 Diagram of primary frequency regulation test principle

測試開始后機組自動上送49.8～50.2 Hz頻率和與之對應的負荷指令，以獲取DEH或CCS側一次調頻特性函數。

2.2.2 一次調頻在線測試性能統計分析

一次調頻在線測試對機組一次調頻最大調節量、平均調節量、調頻響應指數進行統計，主要考核機組的一次調頻響應效果，考核指標為機組一次調頻響應時間、15 s、30 s和45 s一次調頻響應指數。其中一次調頻響應時間的計算公式為：

tRT=tMT-tST

(1)

式中：tRT為一次調頻響應時間(s)；tMT為一次調頻動作時間，取機組有功出力變化時刻；tST為一次調頻起始時間，取機組負荷指令變化時刻。

一次調頻響應指數計算公式為：

(2)

式中:Idpa_T為一次調頻響應指數；T為計算周期(s)；t1為測試起始時刻；Pdes為期望調節功率；P0為測試起點功率；P為測試過程中實際出力。

(1) 雙數據源時標校對。分析測試過程中RTU數據與PMU數據的匹配關系，以確定各數據源一次調頻起始時間和起點功率。首先查找PMU負荷指令變化時刻，該時刻PMU量測的時標即為一次調頻測試起始時間，相同時標的PMU有功功率即為起點功率。考慮到同一物理時間、同一測點的RTU和PMU量測偏差最小，選取相同采樣間隔的N個連續量測數據，兩者累計絕對誤差最小時，可確定RTU量測t1與PMU量測t2為同一時刻，公式為：

(3)

式中：N為統計數組維數；PRTU,t1+i為RTU在t1+i時刻的量測值；avg(PPMU,t2+i)為PMU在t2+i時刻的量測均值。由PMU量測的起始時間利用式(3)計算RTU量測起始時間，并確定RTU量測的起點功率。

(2) 雙數據源考核結果統計。確定各數據源的一次調測試起始時間和起點功率后，按照式(2)分別計算一次調頻響應指數。根據各機組特性確定一次調頻響應指數考核要求，以燃煤機組為例，其一次調頻考核要求如表1所示。

表1 一次調頻響應指數考核指數 Table 1 Requirements of primary frequency control response index

數據源優先選擇滿足考核指數要求，且與考核指數偏差最小的數據源，該數據源的測試結果作為本次測試考核結果。考核指數偏差公式為：

Idev=Ichk_T-Idpa_T(RTU/PMU) (T=15,30,45)

(4)

式中:Ichk_T為一次調頻考核指數；Idpa_T(RTU/PMU)為RTU或PMU數據的一次調頻測試響應指數。

電網對機組一次調頻的月度考核優先采用本月基于頻率擾動事件的在線監測結果，若本月無有效監測結果，則采用一次調頻在線測試的方法，將測試結果作為機組本月的一次調頻考核結果。若本月進行多次一次調頻在線測試，則利用式(4)在多個測試結果中篩選出一次調頻考核結果。

2.3 AGC機組控制性能考核評估

2.3.1 機組調節速率與調節精度分布特性

調節速率和調節精度通常采取指令響應跟蹤的計算方式[11]，而電網工況瞬息萬變，指令更新頻繁，機組調節速率受鍋爐蓄熱、燃燒率等因素的影響[16,18]。某省網燃煤機組調節速率與調節精度的分布呈現近似冪函數的分布特性，1.5%調節速率處存在拐點，如圖4所示，調節速率高于爬坡速率時調節精度反而下降，原因大致如下。

圖4 機組調節速率與調節精度的分布關系Fig.4 Relationship of regulation rate and control precision

(1) 統計死區的設置問題。機組出力進入精度統計死區時觸發計算，若該值小于機組的控制死區，出力調整至目標出力控制死區后無法觸發計算，調整時間延長，調節速率會變差；若該值大于機組控制死區時，將過早觸發計算，調節精度會變差；

(2) 指令定時的設置問題。機組在指令定時結束后觸發計算，即便不響應控制指令，其控制偏差仍為調節步長，此時調節精度計算結果不可信。

2.3.2 基于速率分布的調節精度計算

建立調節速率與調節精度的聯動機制，通過調節速率識別不響應和響應慢的機組并對調節精度修正。某省網的燃煤機組的調節速率概率分布呈現截尾正態分布特性，如圖5所示。

圖5 機組調節速率概率分布Fig.5 Distribution probability of regulation rate

根據截尾正態分布與原正態分布函數關系,得出：

(5)

調節精度參考省網內調節速率的分布特性對其數值修正,修正的結果作為考核精度，計算公式為：

(6)

利用式(6)對機組的升降控制指令分類計算調節速率和修正調節精度，根據調節速率對調節精度獎優罰劣,長期低于標準區間要求機組，則需要總結提升機組自身性能和優化控制行為。

表2 調節精度修正因子 Table 2 Modifying factor of control precision

2.4 應用情況

考核系統已在某省調投入實際運行，投運以來運行情況良好，一次調頻考核綜合在線監測與在線測試結果為一次調頻月度考核提供了有效的數據支持，AGC調節精度考核的細化有效約束了電廠的控制行為，發揮了考核結果的約束和指導作用。

某機組一次調頻測試曲線如圖6所示，調度投入一次調頻增出力測試模式后模擬低頻擾動，機組一次調頻動作,有功出力上調，在恢復額定頻率后出力恢復。從現場數據分析來看，RTU比PMU數據存在約4～10 s的數據延時。

圖6 機組一次調頻增出力測試曲線Fig.6 Primary frequency control up test of unit

兩套數據計算一次調頻考核結果如表3所示。RTU數據量測的考核結果指標計算偏高，與考核指數比較后取PMU量測統計結果。

表3 一次調頻測試結果對比Table 3 Primary frequency regulation response result

某日省內部分機組調節速率、調節精度、調節速率因子和修正后的考核精度平均值如表4所示。調節速率快的精度得以提升，調節速率慢的精度下降，調節精度指標更加直觀展示機組的調節性能。

表4 機組考核精度計算結果Table 4 Calculation results of unit assessment accuracy

修正后的調節速率與調節精度分布關系如圖7所示，一定程度上消除了1.5%調節速率拐點的影響，調節速率高于爬坡速率時調節精度提升，不響應控制指令或調節速率慢的機組精度下降明顯。

圖7 修正后的機組調節速率與調節精度的分布關系Fig.7 Relationship of modified regulation rate and control precison

3 結語

電力市場輔助服務是涉及電力系統可靠運行、市場模式、輔助服務定價與結算的復雜課題，本文從一次調頻在線測試、AGC控制性能評估優化方面展開研究，建立了考核系統的軟件架構，對機組一次調頻考核和AGC性能統計方法進行了完善，為調頻輔助服務考核與評價提供了可參考的技術解決方案。該系統與一次調頻在線監測、AGC應用相輔相成，共同為輔助服務考核提供技術支持，由于一次調頻在線測試采用階躍頻差信號，對于電網實際頻率擾動的模擬和一次調頻動態特性分析仍略顯不足。隨著未來電力交易現貨市場的建成，電力調度向實時電能量交易、調頻服務交易過渡，有待進一步拓展和豐富調頻性能測試和統計、調頻效能動態核算等相關內容的研究。

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徐春雷

徐春雷(1976 —)，男，江蘇南通人，高級工程師，從事電力系統調度自動化工作；

徐 瑞(1986 —)，男，山東寧陽人，工程師，從事電力系統運行與控制研究工作；

仇晨光(1977 —)，男，江蘇鹽城人，高級工程師，從事電力系統運行和控制工作；

張小白(1979 —)，女，安徽懷寧人，高級工程師，從事電力系統運行與控制工作；

錢玉妹(1963 —)，女，江蘇吳江人，高級工程師，從事電力系統調度自動化工作；

劉俊偉(1983 —)，男，河南商水人，工程師，從事電力系統運行與控制研究工作。

(編輯 劉曉燕)

Evaluation System Design of Online Test of Primary Frequency Regulationand AGC Performance for Generator Unit

XU Chunlei1, XU Rui2, QIU Chenguang1, ZHANG Xiaobai2, QIAN Yumei1, LIU Junwei2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210024, China;2. NARI Technology Development Co. Ltd., Nanjing 211106, China)

Under electricity market environment, frequency regulation auxiliary service provided by the generator set needs to be evaluated reasonably, to ensure fair and equitable market. By analyzing the problems faced by assessment of primary frequency regulation and automatic generation control (AGC), an assessment system architecture and design ideas of online test of primary frequency regulation and AGC control performance are put forward. According to requirements of process data precision and timeliness, a PFR online test method based on remote terminal unit (RTU) and phasor measurement unit (PMU) data is proposed. In order to assess the unit's frequency regulation performance more accurately; this method improves the calculation of assessment results using multi-source data time scale calibration and statistical information screening. Meanwhile a regulation method of adjusting precision based on the regulation rate distribution is proposed, through adjusting the precision correction factor to establish the linkage mechanism of rate and precision to control the behavior of the unit and guide its behavior optimization. Finally, the effectiveness of the method is proved by case analysis.

primary frequency regulation test; unit’s control performance; assessment; regulation accuracy

2017-01-02；

2017-03-04

國家自然科學基金資助項目(51577031)

TM734

A

2096-3203(2017)03-0001-06