電廠一次調(diào)頻與回路性能在線評(píng)估研究

劉前宏 王亞剛

摘 要：一次調(diào)頻輔助服務(wù)與回路性能評(píng)估是維持電網(wǎng)頻率穩(wěn)定的重要保證。根據(jù)國(guó)家電監(jiān)會(huì)對(duì)一次調(diào)頻參數(shù)的要求與浙江某電廠具體特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了滿足電廠一次調(diào)頻考核及回路性能評(píng)估系統(tǒng)。根據(jù)電廠系統(tǒng)需求分析，對(duì)電廠設(shè)備一次調(diào)頻參數(shù)進(jìn)行集中采集、監(jiān)視與分析。對(duì)電廠一次調(diào)頻合格率、投運(yùn)率、考核電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，再對(duì)回路性能進(jìn)行評(píng)估，最終以Web界面的方式進(jìn)行展示。系統(tǒng)可對(duì)一次調(diào)頻與回路性能不合格的情況進(jìn)行報(bào)警、作出不合格評(píng)價(jià)。實(shí)踐測(cè)試表明，該監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)可提高發(fā)電廠一次調(diào)頻服務(wù)質(zhì)量，提高電廠涉網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行可靠性。

關(guān)鍵詞：一次調(diào)頻：回路評(píng)估;在線監(jiān)測(cè)

DOI： 10. 11907/rjdk.192236

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-7800（2020）001-0140-04

0 引言

一次調(diào)頻的作用是使電網(wǎng)頻率自動(dòng)維持穩(wěn)定，這是電力市場(chǎng)最重要的調(diào)頻輔助服務(wù)之一。為規(guī)范各并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)的考核管理、保證發(fā)電機(jī)組供電質(zhì)量，國(guó)家電監(jiān)會(huì)發(fā)布的《發(fā)電廠并網(wǎng)運(yùn)行管理規(guī)定》與《并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理暫行辦法》（簡(jiǎn)稱為“兩個(gè)細(xì)則”）嚴(yán)格規(guī)定了一次調(diào)頻投入率、調(diào)節(jié)指標(biāo)考核標(biāo)準(zhǔn)。各電網(wǎng)公司針對(duì)“兩個(gè)細(xì)則”制定了本區(qū)域考核技術(shù)支持系統(tǒng)，但這些考核系統(tǒng)大都僅是對(duì)“兩個(gè)細(xì)則”的軟件實(shí)現(xiàn)[1-7]，內(nèi)容局限于考核與補(bǔ)償，評(píng)價(jià)方法不夠全面，沒有直觀反映被考核機(jī)組調(diào)節(jié)品質(zhì)及調(diào)節(jié)指導(dǎo)意見。因此設(shè)計(jì)一套操作簡(jiǎn)單、評(píng)價(jià)客觀的考核評(píng)估系統(tǒng)十分重要。

電廠回路對(duì)整個(gè)生產(chǎn)過程至關(guān)重要，它關(guān)系到產(chǎn)品產(chǎn)量、產(chǎn)品合格率、操作成本等問題。一般電廠機(jī)組采用的控制回路在工業(yè)運(yùn)行初期具有良好性能，但若無(wú)定期評(píng)估與及時(shí)維護(hù)，其性能將逐漸下降。因此，電廠工程技術(shù)人員需經(jīng)常利用工業(yè)儀表監(jiān)測(cè)生產(chǎn)過程并進(jìn)行相應(yīng)維護(hù)。但檢測(cè)與維護(hù)需暫停生產(chǎn)，這會(huì)大幅降低生產(chǎn)效率，阻礙企業(yè)發(fā)展。因此本文設(shè)計(jì)一套基于PMU裝置的一次調(diào)頻與回路性能在線監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)。與現(xiàn)有大多數(shù)假設(shè)輸入為階躍響應(yīng)的PID控制回路評(píng)估技術(shù)不同的是，該系統(tǒng)可有效防止突變型信號(hào)對(duì)機(jī)器設(shè)備造成的負(fù)面影響。本文根據(jù)電廠網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)與實(shí)際工作需要，采取B/S架構(gòu)，通過數(shù)據(jù)偵聽的方式獲取有關(guān)參數(shù)信息，以Web界面形式進(jìn)行計(jì)算展示[8-11];最后以浙江某電廠機(jī)組歷史數(shù)據(jù)為模型樣本，結(jié)合省調(diào)WAMS實(shí)際工程實(shí)施情況，對(duì)一次調(diào)頻合格率回路性能進(jìn)行評(píng)估。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)綜合考量浙江某電廠現(xiàn)有設(shè)備與電廠實(shí)際狀況，最終選取如圖1所示的系統(tǒng)架構(gòu)作為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。從硬件結(jié)構(gòu)可以看出，一次調(diào)頻考核所需參數(shù)從兩處采集而來(lái)，一處是從電廠生產(chǎn)信息I區(qū)的DCS、AGC等系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)通過電廠OPC服務(wù)器，穿過防火墻后存放到生產(chǎn)信息Ⅱ區(qū)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)（PI）;第二部分的一次調(diào)頻考核所需參數(shù)需從PMU裝置獲取，獲取數(shù)據(jù)的方法是將接口機(jī)與PMU子站發(fā)到主站的數(shù)據(jù)，通過光纖收發(fā)器和交換機(jī)進(jìn)行鏡像傳輸，然后利用防火墻控制策略將解包后的數(shù)據(jù)送到Ⅱ區(qū)的PI實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，最后同樣通過鏡像將Ⅱ區(qū)PI數(shù)據(jù)庫(kù)里的數(shù)據(jù)存貯到安防等級(jí)較低的Ⅲ區(qū)。電廠一次調(diào)頻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)平臺(tái)部署在Ⅲ區(qū)的應(yīng)用服務(wù)器與Web服務(wù)器中。外部訪問與電廠維護(hù)均通過訪問Ⅲ區(qū)的兩臺(tái)服務(wù)器進(jìn)行。

2 一次調(diào)頻考核與評(píng)估

發(fā)電機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性是決定一次調(diào)頻的主要因素。汽機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)速度變動(dòng)率（調(diào)節(jié)系數(shù)）與不靈敏度（頻差死區(qū)）是決定機(jī)組參與電網(wǎng)一次調(diào)頻程度的兩個(gè)重要因素。機(jī)組一次調(diào)頻能力大小取決于速度變動(dòng)率，而系統(tǒng)一次調(diào)頻作用的起始點(diǎn)則由頻差死區(qū)反映。電網(wǎng)頻率是電網(wǎng)運(yùn)行的一個(gè)重要監(jiān)視參數(shù)，但該參數(shù)頻繁發(fā)生變化[12-13]。由“兩個(gè)細(xì)則”規(guī)定可知，一次調(diào)頻考核主要包括3部分：一次調(diào)頻考核電量、投運(yùn)率和合格率。

2.1 一次調(diào)頻考核電量

將系統(tǒng)頻率（以1分鐘為一個(gè)時(shí)段）超出一次調(diào)頻死區(qū)期間且實(shí)際出力變化量與系統(tǒng)頻率偏差數(shù)值的正負(fù)號(hào)相同（高頻增出力或低頻減出力）、實(shí)際出力變化量為零的情況統(tǒng)計(jì)為不合格時(shí)段[14-15]。其中，將相鄰1分鐘實(shí)際出力之差作為實(shí)際出力變化量。當(dāng)月一次調(diào)頻考核電量不能高于當(dāng)月機(jī)組發(fā)電量的0.5%。

2.2 一次調(diào)頻投入率

一次調(diào)頻投入率等于一次調(diào)頻功能投入時(shí)間與并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)間的百分比;機(jī)組一次調(diào)頻月投入率下限值為90%，當(dāng)每低于一個(gè)百分點(diǎn)（含不足一個(gè)百分點(diǎn)），將當(dāng)月機(jī)組發(fā)電量的0.1%計(jì)為考核電量。

2.3 一次調(diào)頻合格率

一次調(diào)頻合格率是一次調(diào)頻合格時(shí)段（時(shí)間點(diǎn)）時(shí)間總和與一次調(diào)頻功能投入時(shí)間的百分比;將100%作為一次調(diào)頻合格率基準(zhǔn)，每降低當(dāng)月合格率0. 1%個(gè)百分點(diǎn)，按當(dāng)月機(jī)組發(fā)電量的0.1%作為考核電量[17-18]。

具體考核流程如下：

（1）記錄一次調(diào)頻動(dòng)作。記錄電網(wǎng)頻率偏差>0.033且持續(xù)時(shí)間超過15s的開始時(shí)間、時(shí)長(zhǎng)以及期間電網(wǎng)極限頻率、結(jié)束頻率、前30秒平均功率。

（2） 一次調(diào)頻評(píng)價(jià)。計(jì)算電網(wǎng)頻率偏差>0.033且持續(xù)時(shí)間超過15s、期間頻率偏差>0.05的理論動(dòng)作積分量、實(shí)際動(dòng)作積分量，并根據(jù)兩者之比判斷是否合格并進(jìn)行記錄。

3 系統(tǒng)考核結(jié)果

系統(tǒng)可根據(jù)評(píng)估結(jié)果建議發(fā)電廠人員及時(shí)檢查、處理，同時(shí)還可形成相關(guān)分析報(bào)告。機(jī)組1的一次調(diào)頻考核結(jié)果如圖2所示。

4 回路評(píng)估

由于電廠控制系統(tǒng)復(fù)雜且有時(shí)滯性，單回路控制系統(tǒng)無(wú)法有效進(jìn)行電廠控制回路評(píng)估。本文基于單回路控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)回路評(píng)估方法，該方法針對(duì)電廠不同類型的控制回路，采用適合的方法進(jìn)行評(píng)估。本部分介紹單回路控制系統(tǒng)與串級(jí)控制系統(tǒng)評(píng)估方法。

4.1 單回路控制系統(tǒng)回路評(píng)估

若發(fā)電廠子系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型未知，則系統(tǒng)脈沖響應(yīng)系數(shù)fi未知，通常采用FCOR算法，即一個(gè)穩(wěn)定的閉環(huán)過程輸出可用一個(gè)無(wú)限階滑動(dòng)平均模型（ARMAX）進(jìn)行模擬，最終計(jì)算控制器性能評(píng)估指標(biāo)，其抽樣計(jì)算如式（7）所示。

最終進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，僅需考察η（d）的值，η（d）的值在0-1內(nèi)，越接近1，說(shuō)明控制系統(tǒng)性能越好。基于MV準(zhǔn)則的控制品質(zhì)評(píng)價(jià)方法基本原理如圖4所示。

4.2 串級(jí)控制系統(tǒng)評(píng)估

火電機(jī)組系統(tǒng)存在復(fù)雜性和時(shí)滯性，單回路控制系統(tǒng)有時(shí)無(wú)法滿足生產(chǎn)工藝要求，由此串級(jí)過程控制系統(tǒng)被提出，例如過熱汽溫串級(jí)控制系統(tǒng)采用的二級(jí)噴水減溫控制，其主副回路均存在噪聲干擾。在針對(duì)該類系統(tǒng)進(jìn)行控制品質(zhì)評(píng)估時(shí)，具體方法與單回路有所不同。串級(jí)系統(tǒng)最終目標(biāo)是控制主回路輸出達(dá)到期望水平。因此計(jì)算串級(jí)系統(tǒng)η（d）時(shí)，δ2為主回路輸出值與設(shè)定值偏差的方差，可直接從數(shù)據(jù)序列中得到。δ2計(jì)算如式（14）所示。

其中Ni是包含估計(jì)閉環(huán)脈沖響應(yīng)系數(shù)的系數(shù)矩陣，通過時(shí)間序列模型的簡(jiǎn)單辨識(shí)可得到，∑a是白噪聲向量的估計(jì)方差協(xié)方差矩陣。由此將計(jì)算得到的δmy代人性能基準(zhǔn)式中可獲得性能指標(biāo)值。

針對(duì)電廠不同類型的控制回路，采用上述兩種方法進(jìn)行控制品質(zhì)評(píng)估，整個(gè)計(jì)算過程不涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算和大量模型辨識(shí)工作，計(jì)算機(jī)處理速度較快，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線評(píng)估方式。最終選取機(jī)組1的除氧氣水位控制回路進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

控制系統(tǒng)性能評(píng)估是研究工業(yè)控制回路控制器性能的方法，根據(jù)評(píng)估性能指標(biāo)結(jié)果分析控制回路是否需要維護(hù)或重新整定，判斷控制性能有無(wú)改進(jìn)空間。一般將性能指標(biāo)（0-1取值范圍）分為3個(gè)等級(jí)，即0-0.1區(qū)間為差，0.1-0.3區(qū)間為中等，0.3～1區(qū)間為好，當(dāng)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)無(wú)結(jié)果，需要重新評(píng)估。

5 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)浙江某電廠特點(diǎn)，結(jié)合一次調(diào)頻理論算法與相關(guān)軟件設(shè)計(jì)了滿足“兩條規(guī)則”頻率要求的在線實(shí)時(shí)考核系統(tǒng)。電廠利用該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)檢測(cè)一次調(diào)頻是否合格。而后基于回路評(píng)估算法，在系統(tǒng)中對(duì)電廠回路性能進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估并給出回路整改意見，可降低員工定期檢查成本，避免由于檢修帶來(lái)的生產(chǎn)停滯。本文在線評(píng)估算法在浙江某電廠付諸實(shí)踐，根據(jù)電廠操作人員反饋，該系統(tǒng)保證了生產(chǎn)安全性和可靠性，滿足電廠對(duì)一次調(diào)頻與回路評(píng)估的考核要求，且數(shù)據(jù)采集使用PMU數(shù)據(jù)偵聽方，極大保證了系統(tǒng)安全問題。由于電廠數(shù)據(jù)不斷增加，系統(tǒng)數(shù)據(jù)存貯方式面臨巨大挑戰(zhàn)，下一步將在系統(tǒng)中加入大數(shù)據(jù)技術(shù)以解決數(shù)據(jù)量持續(xù)增加的問題。

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（責(zé)任編輯：江艷）

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（ 11502145，61074087）

作者簡(jiǎn)介：劉前宏（1994-），男，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)檫^程控制、系統(tǒng)辨識(shí)等;王亞剛（1967-），男，博士，上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院教授、碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)辨識(shí)、先進(jìn)過程控制等。本文通訊作者：王亞剛。