一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測的研究與應(yīng)用

李元元，李克雷，李 軍，高 嵩

（國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003）

0 引言

隨著特高壓、新能源的快速發(fā)展，山東電網(wǎng)格局發(fā)生了重大變化，外電入魯和新能源發(fā)電比逐步提高，將與火力發(fā)電形成“三個三分之一”的格局，由于“入魯外電”與新能源的調(diào)節(jié)能力較弱，火電機(jī)組占比大幅度降低，核電、特高壓輸入電量、風(fēng)電［1-2］等調(diào)頻能力有限，火電機(jī)組成為調(diào)頻的主力，調(diào)節(jié)性能日益受到重視。其中機(jī)組一次調(diào)頻功能對確保電網(wǎng)頻率穩(wěn)定性具有重要的作用。

目前在一次調(diào)頻研究方面，較多的集中在一次調(diào)頻的在線監(jiān)測［3-5］、性能評估［6-9］、特性分析［10-11］、穩(wěn)定性影響及策略［12-17］，但機(jī)組一次調(diào)頻補(bǔ)償能力與機(jī)組參數(shù)設(shè)置和運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)，電網(wǎng)并不具備實(shí)時控制能力，如何對電網(wǎng)的一次調(diào)頻補(bǔ)償能力進(jìn)行預(yù)測，為調(diào)度提供運(yùn)行參考，成為值得研究的問題。文獻(xiàn)［18］基于相量測量裝置（Phasor Measurement Unit，PMU）記錄的一次調(diào)頻歷史數(shù)據(jù)，綜合時間維度和最大頻差維度，對歷史數(shù)據(jù)賦予不同的權(quán)值，對發(fā)電機(jī)組的實(shí)時調(diào)頻能力進(jìn)行預(yù)測。文獻(xiàn)［19-20］使用深度學(xué)習(xí)算法，構(gòu)建基于深度信念網(wǎng)絡(luò)的一次調(diào)頻預(yù)測模型，預(yù)測60 s 的系統(tǒng)功率補(bǔ)償量變化曲線。這3 篇文獻(xiàn)分別從兩個角度闡述了一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測的方法，但文獻(xiàn)［18］的歷史數(shù)據(jù)使用了頻差極值，實(shí)際擾動過程中頻差并不是保持不變的，即使是兩次頻差極值相等，頻差變化過程、機(jī)組對擾動的響應(yīng)過程也不盡一致，會造成預(yù)測的偏差。文獻(xiàn)［19-20］在參數(shù)的選取上較為復(fù)雜，備用容量的采集實(shí)時性欠佳。

研究選取典型參數(shù)計算機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行歷史工況，根據(jù)“機(jī)組工況最接近則響應(yīng)最接近”的原則，選取與實(shí)時工況最近的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，計算單臺發(fā)電機(jī)組1 min的一次調(diào)頻補(bǔ)償能力，進(jìn)而計算全網(wǎng)1 min的一次調(diào)頻補(bǔ)償能力，為電網(wǎng)調(diào)度安全運(yùn)行提供支撐。

1 山東省網(wǎng)源監(jiān)督服務(wù)技術(shù)平臺

山東省網(wǎng)源監(jiān)督服務(wù)技術(shù)平臺（簡稱網(wǎng)源平臺）自2015 年開始建設(shè)，至今已將180 余臺火電機(jī)組數(shù)據(jù)接入平臺，接入測點(diǎn)包含調(diào)頻、調(diào)峰等的200 多個測點(diǎn)，采集到的數(shù)據(jù)為調(diào)頻調(diào)峰各個功能的模型提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。平臺在各電廠設(shè)置子站，子站采集電廠機(jī)組數(shù)據(jù)，通過電力專網(wǎng)上傳到主站側(cè)，數(shù)據(jù)采集頻率為1 s。

山東省調(diào)定期進(jìn)行一次調(diào)頻遠(yuǎn)程試驗(yàn)，網(wǎng)源平臺會實(shí)時抓取到這些試驗(yàn)。試驗(yàn)開始時，遙控信號置位，15 s 后擾動信號下發(fā)，一般下發(fā)0.1 Hz 頻差的擾動信號，電廠接收信號，開始一次調(diào)頻響應(yīng)。期間擾動信號不變，持續(xù)75 s，試驗(yàn)結(jié)束，遙控信號復(fù)位。一次調(diào)頻遠(yuǎn)程試驗(yàn)覆蓋了各個機(jī)組的多個負(fù)荷段，機(jī)組的響應(yīng)情況如實(shí)反映了機(jī)組在該負(fù)荷、調(diào)門開度、壓力狀態(tài)下的調(diào)頻能力。借助這些數(shù)據(jù)能很好分析和預(yù)測機(jī)組在不同的狀態(tài)下不同頻差下的調(diào)頻能力。

2 一次調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)

一次調(diào)頻參數(shù)設(shè)置參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)以及山東省的相關(guān)規(guī)定，調(diào)頻死區(qū)為±2 r/min，轉(zhuǎn)速不等率為δ=5%，機(jī)組參與一次調(diào)頻的有功功率最大變化幅度設(shè)定值按照機(jī)組額定功率劃分為

式中：PN為機(jī)組額定功率；Pmax為有功功率最大變化幅度。

機(jī)組一次調(diào)頻補(bǔ)償曲線設(shè)置如圖1 所示。理論補(bǔ)償量計算公式為

圖1 一次調(diào)頻補(bǔ)償曲線

式中：ΔP為機(jī)組理論補(bǔ)償量；s為轉(zhuǎn)速差；Δf為頻差。

當(dāng)電網(wǎng)頻率變化超過機(jī)組一次調(diào)頻死區(qū)時，機(jī)組響應(yīng)滯后時間應(yīng)小于3 s，燃煤機(jī)組達(dá)到75%目標(biāo)負(fù)荷時間應(yīng)不大于15 s，達(dá)到90%目標(biāo)負(fù)荷的時間應(yīng)不大于30 s，穩(wěn)定時間應(yīng)小于1 min。

3 一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測方法

一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測需要先采集歷史數(shù)據(jù)，取遠(yuǎn)程試驗(yàn)開始0～60 s 的曲線作為歷史數(shù)據(jù)存儲，0 s 的值反映機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，1～60 s 的值反映機(jī)組響應(yīng)能力。由于每次試驗(yàn)的擾動頻差有所不同，需要將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行折算處理。折算完成后，計算實(shí)時數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)的距離，距離的遠(yuǎn)近代表一次調(diào)頻發(fā)生時工況的相似度，距離越近，工況相似度越高，取相似度高的歷史曲線擬合作為當(dāng)前電網(wǎng)60 s 內(nèi)一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測曲線。本文所述方法采集有功功率、主控指令和主汽壓力3 個參數(shù)的數(shù)據(jù)來表征機(jī)組一次調(diào)頻運(yùn)行工況。

3.1 數(shù)據(jù)的采集

將頻差定義為機(jī)組實(shí)際頻率減額定頻率。一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測所用到的歷史數(shù)據(jù)有有功功率、主控指令、主汽壓力、試驗(yàn)頻差及試驗(yàn)開始后機(jī)組的60 s 一次調(diào)頻補(bǔ)償曲線。機(jī)組一次調(diào)頻歷史數(shù)據(jù)集合為

式中：H為單臺機(jī)組所有歷史數(shù)據(jù)集合；Hi為第i次一次調(diào)頻歷史數(shù)據(jù)集合；n為一次調(diào)頻的總次數(shù)；為第i次一次調(diào)頻第j秒的補(bǔ)償量值；Pi為第i次一次調(diào)頻第0 s 有功功率；Ti為第i次一次調(diào)頻第0 s 主汽壓力；Ki是第i次一次調(diào)頻第0 s 主控指令；Δfi為第i次一次調(diào)頻擾動頻率。

3.2 數(shù)據(jù)的處理

相同工況下不同頻差的一次調(diào)頻補(bǔ)償量之間是非線性關(guān)系，本文將其通過按比折算的方式線性化處理，得到該工況目標(biāo)頻差下的一次調(diào)頻補(bǔ)償量預(yù)測值。雖然線性化處理得到的一次調(diào)頻補(bǔ)償量預(yù)測值是近似值，但是只要?dú)v史數(shù)據(jù)足夠大，就可以直接計算而不用折算，或者即使需要折算，由于頻差之間的差距變小而使得線性化誤差變小，折算結(jié)果精度提高。

一次調(diào)頻遠(yuǎn)程試驗(yàn)擾動頻率大多為0.1 Hz 左右，少數(shù)有些許的偏離，需要對這些頻差偏離數(shù)據(jù)進(jìn)行線性化處理，將其加入0.1 Hz 歷史數(shù)據(jù)中。將頻差折算到0.1 Hz，而相應(yīng)產(chǎn)生的補(bǔ)償量曲線也折算到對應(yīng)0.1 Hz 的補(bǔ)償量曲線。補(bǔ)償量折算方法為

經(jīng)過上述折算，所有歷史數(shù)據(jù)都是試驗(yàn)頻差為0.1 Hz的數(shù)據(jù)，即可對0.1 Hz頻差下的出力能以進(jìn)行統(tǒng)計分析。

利用有功功率、主汽壓力、主控指令進(jìn)行出力計算時，考慮單位不同數(shù)據(jù)差異較大，會造成對距離影響權(quán)重不同，因此需要將各變量進(jìn)行標(biāo)幺，來平衡各變量對距離的影響。標(biāo)幺對第0 s 數(shù)據(jù)進(jìn)行，標(biāo)幺過程為

3.3 一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測

歷史數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后，需要計算其與當(dāng)前數(shù)據(jù)的距離，來確定各歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時數(shù)據(jù)工況的相似程度，以篩選用來擬合補(bǔ)償曲線的歷史數(shù)據(jù)。計算時，取當(dāng)前數(shù)據(jù)并進(jìn)行標(biāo)幺，過程如下。

計算歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時數(shù)據(jù)的距離為

式中：D為歷史數(shù)據(jù)與實(shí)時數(shù)據(jù)的距離集合；Di第i次一次調(diào)頻與實(shí)時點(diǎn)的距離。

通過式（8）得到距離集合D距離越小，說明該點(diǎn)發(fā)生一次調(diào)頻時的工況與當(dāng)前工況越接近，那么一次調(diào)頻動作的過程也會越一致。選取距離最近的3次試驗(yàn)，取其補(bǔ)償量折算值，然后取均值，作為0.1 Hz 頻差下該機(jī)組的一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測曲線。

所有開機(jī)的機(jī)組一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測曲線相加，得到電網(wǎng)0.1 Hz 頻差下實(shí)時的一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測曲線。如果要計算其他頻差下的電網(wǎng)一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測曲線，需要線性化處理，將電網(wǎng)0.1 Hz 下的一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測曲線相應(yīng)的折算到目標(biāo)頻差Δf下，得到補(bǔ)償能力預(yù)測曲線上各個點(diǎn)的近似值，即為

折算后0～60 s 的補(bǔ)償值組成目標(biāo)頻差下電網(wǎng)一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測曲線。

4 算例分析

4.1 機(jī)組一次調(diào)頻能力預(yù)測

網(wǎng)源平臺采集了2019 年7 月至2020 年11 月各機(jī)組的一次調(diào)頻遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以這些數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對文中的一次調(diào)頻能力預(yù)測進(jìn)行驗(yàn)證。為了更好地對驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行評價，選取某660 MW 機(jī)組2020 年11 月25 日一次調(diào)頻遠(yuǎn)程試驗(yàn)，第0 s 作為起點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測，這樣既能得到調(diào)頻能力預(yù)測曲線，又有實(shí)際調(diào)頻動作曲線，兩者比較可得到實(shí)際動作與預(yù)測值的偏差。

表1 是 某660 MW 機(jī) 組2020 年11 月25 日 前 的19 次一次調(diào)頻試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)及11 月25 日一次調(diào)頻遠(yuǎn)程試驗(yàn)工況表。

表1 某660 MW機(jī)組一次調(diào)頻試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)

表1（續(xù)）

基于表1 數(shù)據(jù)，經(jīng)式（5）—式（6）處理后得標(biāo)幺后數(shù)據(jù)，經(jīng)式（7）—式（8）得到距離值，見表2。從表2中可見，與11 月25 日一次調(diào)頻遠(yuǎn)程試驗(yàn)第0 s 的工況相比，距離最近的3 次試驗(yàn)日期為2019 年11 月2日、2020年8月8日、2020年9月8日。

表2 某660 MW機(jī)組0.1 Hz頻差下標(biāo)幺數(shù)據(jù)及距離

取表2 中距離最近的3 個歷史數(shù)據(jù)對應(yīng)的折算后的補(bǔ)償曲線，并對曲線取均值，得到補(bǔ)償能力預(yù)測曲線，如圖2所示。

表3 給出了預(yù)測值和實(shí)際值之間的差距，對照一次調(diào)頻技術(shù)指標(biāo)，可判斷一次調(diào)頻預(yù)測動作情況滿足3 s、15 s、45 s 的相應(yīng)要求。結(jié)合圖2 和表3 分析，補(bǔ)償量第3 s 偏差較大，之后偏差迅速減小，到15 s 后偏差減小到2 MW，45 s 后偏差減小到1 MW內(nèi)。第3 s 偏差大，原因在于DEH 響應(yīng)速度較快，補(bǔ)償量1～2 s 時間內(nèi)可增加8 MW 左右，因此造成第3 s 偏差大。由此可見，該方案預(yù)測值與實(shí)際值整體偏差非常小，能比較準(zhǔn)確的預(yù)測機(jī)組一次調(diào)頻的出力情況。

圖2 某660 MW機(jī)組0.1 Hz頻差下一次調(diào)頻補(bǔ)償曲線

表3 某660 MW機(jī)組0.1 Hz頻差下實(shí)際值和預(yù)測值比較

4.2 電網(wǎng)一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測

綜合開機(jī)機(jī)組0.1 Hz 頻差下的預(yù)測出力情況，可得出0.1 Hz 頻差下電網(wǎng)的一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測，進(jìn)而根據(jù)式（9）近似得到不同頻差下電網(wǎng)的一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測。圖3 為網(wǎng)源平臺展示的電網(wǎng)一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測結(jié)果，左側(cè)為0.1 Hz 頻差下電網(wǎng)一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測曲線，與理論值比，預(yù)測曲線響應(yīng)更快速，在30 s 已達(dá)穩(wěn)定，滿足出力需求。右側(cè)分別為在0.1 Hz 基礎(chǔ)上計算得到的0.05 Hz 及0.15 Hz頻差下一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測曲線。

圖3 電網(wǎng)不同頻差下一次調(diào)頻補(bǔ)償曲線在網(wǎng)源平臺的展示界面

5 結(jié)語

一次調(diào)頻補(bǔ)償能力預(yù)測基于一次調(diào)頻遠(yuǎn)程試驗(yàn)歷史信息，通過數(shù)據(jù)折算消除頻差差異影響，通過距離計算尋找工況最相近信息，然后預(yù)測調(diào)頻出力情況。依據(jù)網(wǎng)源平臺信息，對機(jī)組和全網(wǎng)一次調(diào)頻進(jìn)行了預(yù)測，并與實(shí)際發(fā)生的調(diào)頻動作曲線進(jìn)行對比。對比結(jié)果顯示，提供的預(yù)測方法與實(shí)際偏差較小，證明該方案有效。

鑒于山東電網(wǎng)為受端電網(wǎng)，若電網(wǎng)發(fā)生頻率波動時，多為頻率下降，需要機(jī)組漲出力進(jìn)行補(bǔ)償，因此該算法的歷史數(shù)據(jù)庫中目前暫缺少降出力的歷史數(shù)據(jù)的驗(yàn)證支撐。該方案已經(jīng)在網(wǎng)源平臺部署運(yùn)行，便于調(diào)度人員掌握發(fā)電機(jī)組的調(diào)頻能力，為調(diào)度運(yùn)行提供輔助決策，支撐電網(wǎng)調(diào)度安全運(yùn)行。