基于多源數據的電網一次調頻能力平行計算研究

張江豐 王飛躍 蘇 燁 陳 波 汪自翔 孫堅棟 尹 峰

電網頻率是電力系統運行中最重要的關鍵參數之一,系統頻率的異常波動不僅影響電網的電能質量,制約電力設備的正常使用,嚴重的頻率失衡甚至將導致并網設備脫網及系統崩潰,對電力系統的穩定運行帶來嚴重危害[1-2].因此,系統頻率的穩定控制是電力系統穩定不可或缺的重要組成.電力系統頻率的異常波動是由并網機組發電功率和用電負荷功率不平衡引起的,因而,電力系統能夠根據系統頻率的變化主動快速進行發用電控制以維持頻率穩定就顯得尤為重要[3].電力系統的一次調頻就是當系統頻率發生異常波動時,自動迅速地作出響應,改變并網機組的實時出力,將系統頻率穩定在一個合理安全的水平線上.這對提高電能質量及電網頻率控制水平,迅速平息電網頻率波動起到了重要作用[4-5].

電力系統是一個非線性時變強耦合的復雜系統,其一次調頻特性與每臺并網運行的發電機調速器特性息息相關,是每臺并網運行機組調速器特性在當前電網工況下的綜合特性[6].對于單臺發電機組而言,其一次調頻特性與調速器自身的特性顯著相關[7].而當機組并入電力系統時,電力系統的一次調頻特性不僅與機組自身的調速器特性有關,也和所有并列運行的其他發電機組特性相關,甚至還與機組所處的實時工況和機組間的相互作用有關[8].另一方面,電網中各機組的發電類型、容量、設備結構(例如,凝汽式機組的負荷響應速度明顯高于背壓式機組),以及機組運行工況(例如,滑壓或定壓、不同季節乃至一天內不同時間段的負荷率高低)等各類因素共同作用影響著電網的一次調頻性能[9].所以,在不同的電網運行工況下,非常有必要對電網的一次調頻性能進行在線估計,使電網面對不斷變化的負荷調節需求均能夠具備足夠的一次調頻性能.

目前,國內外對一次調頻能力的研究偏向單臺機組側較多,對電網一次調頻性能的研究和計算比較分散,整體性考慮電網一次調性能各個因素的綜合性研究較少,也未見實際的工程化應用.此外,由于很難、甚至無法對電網一次調頻特性進行精確建模,以至于無法有效估計電網真實的一次調頻性能.

本文基于平行控制理論框架下由人工社會(Artificial societies,A)、計算實驗(Computational experiments,C)和平行執行 (Parallel execution,P) 構成的ACP 理論體系,構建了多源數據的電網一次調頻性能平行計算平臺.本文提出的計算方法能夠有效兼顧機組類型的靜態特性和運行工況的動態特性,并以平行執行方式完成人工估算系統與實際電力系統的滾動優化,實現了電網一次調頻性能的在線全面估計,從而有效彌補其無法進行精確建模的不足,有助于提高電網主動應對負荷突變的能力,也是對電網一次調頻性能管控的一種全新的可行性方式.

1 平臺整體框架設計

所謂平行系統,是指由某一個自然的現實系統和對應的一個或多個虛擬或理想的人工系統所組成的共同系統[10].平行系統主要包括實際系統和人工系統,其基本框架如圖1 所示[10].

圖1 平行系統運行的基本框架Fig.1 Basic framework of parallel systems

設計平行系統的最主要目的是通過人工系統與實際系統的相互連接,對二者之間的行為進行比對和分析,完成對各自未來狀況的 “借鑒”和 “預估”,相應地調節各自的管理與控制方式,達到實施有效解決方案以及學習和培訓的目的[10-11].

人工系統試圖盡可能地模擬實際系統,對其行為進行預估,從而為尋找對實際系統有效的解決方案或對當前方案進行改進提供依據[12].進一步,通過觀察實際系統與人工系統評估的狀態之間的不同,生成誤差反饋信號,對人工系統的評估方式或參數進行修正,并重復進行新一輪的優化和評估[12].

目前,平行系統理論已經在自動化碼頭[13]、智能交通[14]等領域中開展了應用研究,但尚未用于現代電力系統.現代電力系統是一個巨大的參數海量、廣域分布、模型復雜的非線性復雜系統.現階段,絕大多數電力仿真系統是基于物理模型進行的,并沒有深入地考慮人的行為、自然因素以及社會環境的影響,這些因素限制了對復雜現代電力系統運行影響的評估,尤其是無法定性、定量地對電力系統應對突發事件的能力問題進行分析評估[15].

為了克服采用傳統仿真方法導致的上述局限,本文將平行系統理論應用到電力系統的實際工程中,改變傳統的被動、離線的電力系統仿真方法,建立人工電力平行計算平臺,進而實現管理與控制、實驗與評估、學習與優化及故障診斷等功能.以現代電網的海量數據為驅動,電力平行計算平臺為載體,該平臺可對正在運行的電力系統進行滾動式在線改進與不間斷優化,實現電網一次調頻性能估算達到最優解,為電力系統和復雜電網的能力優化與管理開辟一條新的途徑[16].

基于上述平行系統理念,本文設計了電網調頻能力計算平臺,其整體框架如圖2 所示,主要包括實際系統和人工平行系統兩部分.實際電力系統的頻率控制本質上是一個以電力調控中心為中樞,實現電源與負荷的電力供需平衡的閉環控制系統.電力調控中心不僅需要滿足區域內機組發電及負荷消納的控制要求,也肩負著電力系統實際運行產生的海量數據信息采集的重擔.人工平行系統中,基于D5000 電網調度系統的一次調頻在線測試系統不僅能夠在正常運行工況下測試控制區內的機組調頻性能,保證機組一次調頻性能的測試結果更具真實性,同時將歷次測試數據存儲、分析及評價,實現機組一次調頻的靜態參數、動態性能的數據積累和量化管理.將電力調控中心的海量數據和一次調頻測試系統的特性數據應用于電網一次調頻能力在線估計模型中,通過實際電力系統和人工平行系統的彼此作用、相互修正,既可以實現對實際電力系統的管理與控制,也能夠完成對電網能力、行為與決策的評估與實驗.

圖2 基于平行系統的計算平臺整體框架Fig.2 Overall framework of computing platform based on parallel systems

2 發電機組一次調頻數據采集體系

當前,電力系統已經發展成一個具有多源信息融合的綜合性電力控制系統.根據現有的SCADA(Supervisory control and data acquisition)、WAMS(Wide area measurement system)、OMS (Operations management system)等系統,建立機組一次調頻數據采集體系,如圖3 所示.SCADA 的一次調頻在線測試系統能夠在一次調頻在線測試期間自動記錄測試機組的有功PMU (Phasor measurement unit)數據,整編錄入歷史庫存儲[17].WAMS 的機組性能考核系統能夠不間斷采集機組實際運行的一次調頻動作、響應等廣域量測數據,實現機組轉速不等率、積分電量、響應時間等一次調頻性能指標的在線計算[18].基于OMS 的網源協調信息管理系統,通過設置統一的一次調頻試驗臺賬,維護和存儲機組的歷次原始試驗數據和參數,統一存儲于數據庫中.

圖3 發電機組一次調頻數據采集體系Fig.3 Primary frequency control data acquisition system of generator sets

2.1 機組一次調頻在線測試系統

如圖4 所示,在D5000 系統中部署試驗觸發、結果展示、參數維護及統計分析功能.試驗觸發功能可實現選定機組進行試驗,試驗開始時將測試機組投入一次調頻擾動測試模式,調控中心向電廠側下發調頻測試開始信號和頻率偏差信號,機組根據接收的信號進行一次調頻動作響應,具體控制信息流程見圖5 所示.

圖4 機組一次調頻在線測試與評價功能結構圖Fig.4 Functional structure diagram of unit primary frequency control online test and evaluation

圖5 機組一次調頻在線測試系統圖Fig.5 System diagram of unit primary frequency control online test

在一次調頻在線測試期間,系統自動記錄測試機組的有功PMU 數據,整編錄入D5000 歷史庫,永久保存,供后期調頻指標分析與數據展示使用[17].在結果展示功能中,將頻率擾動信號及電廠側PMU裝置上傳的有功出力信號進行展示,并根據有功出力曲線自動計算一次調頻動作性能指標.在浙江某廠#2 機組進行一次調頻在線測試系統聯調試驗時,調控中心主站側的操作及結果展示如圖6所示,發電廠機組一次調頻動作響應曲線如圖7 所示.

圖6 機組一次調頻在線測試主站側界面圖Fig.6 Interface diagram of main station side of unit primary frequency control online test

圖7 浙江某廠#2 機組一次調頻在線測試動作曲線(75%負荷點+11 r/min 轉速偏差)Fig.7 Action curves of primary frequency control online test of unit 2 of a power plant in Zhejiang(+11 r/min speed deviation at 75% load point)

通過PMU 實時采集高頻度的功率、相位、相角等機組數據,并利用PMU 的GPS 對時優勢,計算機組在一次調頻在線測試中不同時刻、不同工況下的性能指標,反向推算出機組實際的調頻特性參數,以此形成海量的機組一次調頻特征數據,實現機組一次調頻靜態參數、動態性能等特征數據的分析及管理[19].

2.2 網源協調信息管理系統

基于OMS 的網源協調信息管理系統(如圖8所示)能夠實現設備臺賬、電氣參數、涉網試驗報告等技術資料的及時更新及有效管理,打通廠網之間的涉網信息共享交互渠道,更加科學、系統、高效地開展網源協調管理工作.以各機組臺賬信息為基礎,實現對網內各并網機組數據信息的實時統計匯總;以并網機組各類信息關鍵字為基礎,實現對特定類型、特定機組相關信息的快速查詢和準確統計,該系統所部署的功能模塊如圖9 所示.同時,建立網源協調數據中心,這是網源協調信息管理平臺的核心內容,可實現參數模型庫、文檔資料庫、督辦信息庫及信息變更庫的數據獲取與整合、數據質量校核、合格率督辦和數據查詢等服務.

圖8 基于OMS 的網源協調信息管理系統主界面Fig.8 Main interface of grid power coordination information management system based on OMS

圖9 網源協調信息管理系統的功能模塊Fig.9 Functional modules of grid power coordination information management system

在網源協調信息管理系統中,通過設置統一的一次調頻試驗臺賬模板,采集機組的歷次試驗數據,以維護和存儲機組的原始試驗數據.圖10 為浙江某百萬千瓦機組A 修后一次調頻試驗的數據臺賬.

圖10 浙江某廠#1 機組A 修后一次調頻試驗臺賬Fig.10 Ledger of primary frequency control test after class a maintenance of unit 1 of a power plant in Zhejiang

根據設置統一的數據臺賬,可以追溯機組每一次試驗工況,分析不同工況下機組一次調頻試驗時的真實性能.

2.3 發電機組一次調頻性能考核系統

發電機組一次調頻性能考核系統是基于WAMS部署于D5000 上的一次調頻數據量化及評價系統[18].該系統通過PMU 將現場采集的機組出力數據送至電網調控中心EMS (Energy management system)系統中,并由EMS 采集電網中的頻率值及時間,打包形成一個數據包存儲于該系統,以便進行量化處理.

機組一次調頻貢獻電量是機組一次調頻多項指標的綜合,它反映機組對電網頻率的實際貢獻大小.這一參數的引入使量化機組一次調頻功能的動作力度和快速性成為可能.

在系統設計中,機組對象被抽象封裝成一個類,每個機組都是該類的實例化.類中數據為機組的實時信息,包括機組基本參數(代號、裝機容量、積分間隔、頻率超前時間等)和積分電量以及其他計算輔助變量;類中對數據的操作包含積分電量的計算和對數據庫的讀寫操作等.其中最為核心的函數為貢獻電量積分函數,用來計算和累積貢獻電量,以反映機組在實際運行時的一次調頻動作性能.

一次調頻性能考核系統通過采集各機組一次調頻投退信號、有功功率和頻率信息等廣域量測信息,實現機組轉速不等率、積分電量、響應時間等一次調頻性能指標的在線計算,使系統能夠考核機組是否貢獻了滿足要求的一次調頻服務.

該系統依托于調度D5000 系統,能夠不間斷實時獲取所有并網機組的一次調頻動作性能.據系統統計,每個月一臺機組的一次調頻動作次數可達到近5 000 次(如表1 所示),大量原始數據的累積奠定了電網一次調頻性能計算的數據基礎.

表1 機組一次調頻月動作統計Table 1 Monthly action statistics of unit primary frequency control

3 電網一次調頻能力數據建模

目前,國內外各類指標都是針對機組調頻能力,比如控制性能標準(Control performance standard,CPS)、投運率、貢獻電量、調頻效果等[20].現有的評價指標本質為事后評價,不能預測電網總的調頻裕度.本文構建的數據平行驅動體系(如圖11 所示),依靠電網運行的大數據,通過不斷演算、迭代優化,形成調頻能力的概率區間來衡量電網調頻性能,解決了電網一次調頻能力的在線估計問題,從而使電網的運行狀態具有更高的可控性及透明度,提高大電網應對負荷突變的能力.

圖11 電網一次調頻能力估算技術路線圖Fig.11 Technical roadmap of grid primary frequency control capacity estimation

3.1 同步電網一次調頻能力建模

定義 1.PFCA (Primary frequency control ability)表示僅在一次調頻作用情況下(即沒有二次調頻作用時),某時間段內負荷變化與電網頻率變化的比值[8],可表示為

同步發電機并列運行的電網調頻能力模型如圖12 所示.在圖12 中,Ri為二次調頻的給定值;δi為電網中第i臺機組的不等率;αi為電網中第i臺機組裝機容量/電力系統裝機容量;Gi(s) 為第i臺汽輪機的傳遞函數;PNL(s)為負載的標幺值;φs(s)為電網轉速變化的標幺值.為電網的慣性時間常數;Tαi為第i臺汽輪機的轉子時間常數;βΣ為電網負載頻率特性系數.

由圖12 可推出電網的周波變化為[8]

圖12 M 臺同步發電機并列運行的電網調頻能力模型圖Fig.12 Model diagram of power grid frequency regulation capacity of M synchronous generators operating in parallel

各變量前加 Δ 作為靜態標記,靜態下電網周波變化可表示為

由于汽輪機傳遞函數可以表示為

由此得到,在靜態情況下電網的一次調頻能力可表示為

對于某臺額定功率Pei,不等率δi的機組而言,其在Δf頻率擾動下的一次調頻能力的實際貢獻為

顯然,在Δf頻率擾動下的同步電網中所有掛網運行機組的一次調頻實際出力總和為

3.2 機組一次調頻能力數據模型

從式(11)中可以發現電網一次調頻能力主要取決于各掛網運行機組的轉速不等率.

機組在不同功頻下的轉速不等率不盡相同,將每臺機組的轉速不等率設定為常數勢必難以準確描述機組的一次調頻能力.調度D5000 系統具有各類豐富的一次調頻數據(如圖13 所示),其中,機組性能考核系統實時采集的機組一次調頻動作數據量最大,每月達幾千次.而網源協調信息管理系統中存儲的一次調頻參數及試驗數據,則表征機組一次調頻性能的理論出力和實際能力上下限值.一次調頻在線測試系統可以探測機組在不同工況下的大頻差真實能力,完善整個機組的一次調頻數據集.本文將采用極大似然估計及數值擬合等算法對調度D5000 系統中的多源一次調頻數據進行有效整合,以獲取機組真實的一次調頻性能功頻特性圖譜.

圖13 發電機組一次調頻動作歷史數據庫Fig.13 Historical database of primary frequency control actions of generator sets

可以從D5000 系統中獲取不同時刻機組一次調頻能力的數據,從而構造出機組轉速不等率的樣本空間.我們用隨機變量δi表示單臺機組在第i個時間段內的轉速不等率.利用D5000 系統中不同時間的轉速不等率數據,可以構造用于描述轉速不等率的隨機變量δ1,···,δn.由于機組的短期特性通常不會發生變化,可以認為δ1,···,δn獨立同分布.按照中心極限定理,隨機變量δ1,···,δn獨立同分布,當n很大時,近似服從標準正態分布 N(0,1).設則X服從正態分布 N(nμ,nσ2).

本文通過極大似然估計來估計μ和σ2,似然函數可以表示為

那么,μ和σ2的最大似然估計為

表2 發電機組一次調頻性能網格表Table 2 Grid table of primary frequency control performance of generator sets

圖14 發電機組一次調頻性能功頻圖譜Fig.14 Power frequency spectrum of primary frequency control performance of generator sets

4 電網一次調頻性能數據分析及估計

4.1 浙江電網一次調頻性能分析

2018年10 月22 日10 :36 時,浙江省全社會口徑用電負荷39 753.02 MW,受電17 849.91 MW (占全省用電負荷的52.9%),發電21 903.11 MW (占全省用電負荷的47.1%).其中,浙江省調統調機組共并網45 臺(不含新能源),其中純凝汽燃煤機組39臺,背壓供熱燃煤機組2 臺,燃氣機組4 臺,并網機組平均負荷率約為58.25%,總發電負荷16 221.59 MW,占當時全省用電負荷的40.8%.

據此,按照式(11)進行計算,得到浙江2018 年10 月22 日10 :36 時省調統調并網機組的實際調頻能力為12.2327,根據當時的用電負荷進行折算后約為6 762.23 MW/Hz,略高于浙江電網ACE 系統中自然頻率特性系數5 979 MW/Hz[21].推此及彼,采用本文的方法可以得到浙江統調機組每天任意時刻的實際調頻能力值,如圖15 所示.

顯然,由圖15 可以明顯得知,電網的實際調頻性能與并網機組臺數、并網機組類型、機組平均負荷率等因素息息相關,是一項電網拓撲結構的綜合表征.

圖15 2018 年10 月22 日浙江統調機組實際調頻能力時刻圖Fig.15 Time map of actual primary frequency control performance of Zhejiang dispatching unit on October 22,2018

4.2 大頻差時浙江電網一次調頻容量分析

電網頻率是描述電力系統發電與用電平衡關系的一個重要變量.電網中用電負荷的隨機特性使電網頻率也成為隨機變量.電力負荷的隨機變化部分是相互獨立、不相關的[22].由中心極限定理可知,連續的獨立隨機變量疊加后是正態分布的,因此,電力系統中負荷的隨機性分量也是正態分布的.在通常情況下,電網頻率的概率分布也就可近似認為是正態分布[23],因此,假設發生直流閉鎖時的浙江電網系統最低頻率近似正態分布,并結合近三年的歷次直流閉鎖數據分析,可得表3 數據.

根據表3,可知電網頻率的最大變化差值為

表3 大頻差時浙江電網一次調頻數據分析Table 3 Data analysis of primary frequency control data of Zhejiang power grid in large frequency difference situations

按浙江歷次直流閉鎖數據,可知在不少于63 臺同步發電機組,總裝機不低于34 658.58 MW 的條件下,浙江統調機組一次調頻能力為9.5856 (95%以上),折算后為6 644.46 MW/Hz,在最大概率頻差0.159 Hz 下,浙江電網可提供一次調頻最大能力至少約為1 056.47 MW (3.1% MCR (Maximum continuous rating)),能夠滿足功率缺額950.66 MW 的要求,也就是說,浙江統調機組一次調頻能力可以保證電網在直流閉鎖等大頻差工況下系統頻率不低于49.841 Hz.

5 結束語

機組的轉速不等率與電網頻率往往呈非線性關系,采用固定的轉速不等率來計算機組的一次調頻能力誤差較大.本文基于數據平行驅動體系,依靠電網運行的大數據,建立了更為準確的電網一次調頻模型,對提升電網頻率控制水平具有非常重要的意義.