基于電網考核細則框架下的一次調頻功能優化

王洪凱，管慶相，李建軍，姚 遠

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

基于電網考核細則框架下的一次調頻功能優化

王洪凱，管慶相，李建軍，姚 遠

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

介紹了火電機組一次調頻功能，對遼寧電網一次調頻考核細則進行了深刻解讀，提出了基于電網考核細則框架下的一次調頻功能優化方案。此方案既從外部環節查找問題原因，又從內部組態制定控制策略、優化控制邏輯、調整控制參數。針對考核細則要求進行改進與完善，實現了火電機組一次調頻能力的有效提升，為火電機組一次調頻功能優化提供依據。

一次調頻；考核細則；邏輯優化；遼寧電網

電網頻率作為電網安全的重要監控指標［1］，直接影響電網的安全穩定運行及用電設備的使用壽命。當并網機組出現故障跳閘或直流聯絡線存在故障閉鎖時，會對電網頻率產生較大的沖擊，電網調度系統以及AGC功能的滯后性將無法滿足電網穩定運行的要求。而入網機組一次調頻功能的有效投入，彌補了這一不足［2］。因此，為提高電網供電品質，各網、省公司已加大力度推進各發電機組完善自身的一次調頻功能，以提高電網運行的穩定性，減少電網頻率波動，增強電網抗事故能力［3］。

國網遼寧省電力有限公司于2010年發布了《遼寧電網發電機組一次調頻考核管理實施細則》，以切實推進省內機組一次調頻功能的有效投入，積極促進遼寧電網供電品質的穩步提升。

本文通過對火電機組一次調頻功能的介紹以及對遼寧電網一次調頻考核管理實施細則的梳理，從硬件與軟件兩方面入手，總結出一套行之有效的優化方法，實現了一次調頻能力的有效提升。

1 一次調頻原理與特征參數

1.1 一次調頻原理

一次調頻是指當電網頻率改變時，火電機組汽輪機調速系統根據電網頻率的變化自動調節汽門開度，利用鍋爐蓄能改變機組功率以適應網頻的變化。一次調頻是依靠原動機調速系統自動完成，其響應時間約為幾s［4］。

1.2 一次調頻特征參數

1.2.1 調頻死區

調頻死區是指機組轉速在死區范圍內變化時，機組的一次調頻不動作。其目的是在電網頻率變化較小的情況下提高機組運行的穩定性。

1.2.2 轉速不等率

轉速不等率也稱為速度變動率，是指機組調節系統在額定工況下給定值不變，汽輪機由空負荷到滿負荷的轉速變化量與額定轉速之比。

1.2.3 負荷補償曲線

一次調頻作用的負荷增量與頻差（轉差）信號之間的特性曲線即為負荷補償曲線。為保證機組運行的穩定性，除了設置調頻死區外，還設置了負荷變化幅度限值，因此負荷補償曲線是一條非線性曲線。

1.2.4 遲緩率

在汽輪機調節系統中，由于部件摩擦、鉸接間隙、滑閥重疊度等影響存在遲緩現象，使機組靜態特性曲線在轉速上升和下降時不再是一條，而是近于平行的兩條曲線。將上升曲線與下降曲線在同一功率下的轉速差與額定轉速之比的百分數稱為調節系統的遲緩率，用于反映調節系統的靜態特性品質［5］。

2 遼寧電網一次調頻考核細則

遼寧電網對發電機組一次調頻功能的考核可分為投運率與響應特性兩方面。其中響應特性又分為響應速度、負荷調整幅度、調整幅度偏差以及調頻響應指數4個指標。

2.1 投運率

一次調頻月投運率計算公式：

投運率＝（月投運時間／月并網時間）×100%

投運率每低于100%1個百分點，每月考核1分∕萬kW；對未經電力調度機構批準停用調頻功能的機組，每次考核2分∕萬kW。

2.2 響應速度B1

一次調頻動作后，機組出力在起始3 s內的每1 s均對一次調頻負荷調整有正確響應，則B1記為1，指標合格。

2.3 負荷調整幅度B2

一次調頻動作后，在起始的15 s內，實際負荷最大增量與理論負荷最大增量的比值記為B2。如B2≥90%，則指標合格。

2.4 調整幅度偏差B3

從第3 s開始至60 s或至60 s前一次調頻結束為止，所有采樣點的實際出力與理論出力偏差的平均值與此次調頻過程中最大理論增量的比值記為B3。如B3＜0.25，則指標合格。

2.5 調頻響應指數Bu

機組一次調頻產生的實際積分電量與期望積分電量之比記為Bu。

Bu值越高，則表明機組對電網頻率恢復的貢獻越大。如果一次調頻的實際動作與目標值相近，則Bu接近1。如Bu＞0.9，則調頻響應指數指標合格。

2.6 月度指標要求

遼寧電網一次調頻考核采用月考核方式，通過當月各項指標的平均值來判斷機組一次調頻響應特性是否合格。考慮到機組運行中可能存在不確定性干擾因素，月統計指標較單次指標要求有所放寬：B1≥0.5記為合格；B2≥90%記為合格；B3≤0.3記為合格；Bu≥0.8記為合格。

3 基于考核細則框架下的調頻功能優化

近年來，遼寧電網新能源發展迅猛，核電、風電的大規模接入影響了電網頻率的穩定，特別是風電特有的間歇性、隨機性，增加了電網調頻的負擔，提高了電網調峰、調頻的難度［6－7］。自2010年起，遼寧電網逐步加大了對一次調頻功能的考核力度。國網遼寧電科院熱自所經幾年來不斷地探索與實踐，在火電機組一次調頻功能的診斷排查與完善優化上取得了寶貴的經驗。

3.1 一次調頻考核指標制約因素

一次調頻考核系統由3個部分構成：一是單元機組一次調頻控制系統。它通過分散控制系統對機、爐兩側設備的控制實現一次調頻功能；二是廠級信號傳輸系統，它通過相量測量單元（Phasor Measurement Unit，PMU）采集計算一次調頻考核數據，通過調度專網傳入電網廣域檢測系統（Wide Area Measurement System，WAMS）服務器；三是電網公司一次調頻曲線考核系統，它負責對各廠一次調頻投退情況及調節品質進行分析評價。

根據經驗，火電機組一次調頻考核指標合格與否，通常受制于上述3個部分中的如下幾個方面。

3.1.1 協調控制系統

一次調頻回路的組態方式需注意兩點：一是CCS中頻率校正指令不經速率限制；二是頻率校正指令需在最低穩燃負荷與額定負荷之間均能得到有效響應。

此外，當協調控制系統投入效果不佳時，機組負荷與主汽壓力之間的需求矛盾難以平衡，一次調頻功能會受到主汽壓力偏差的影響。

3.1.2 DEH一次調頻控制邏輯

目前絕大多數DEH系統是由汽輪機制造廠設計和制造的專用裝置，而汽輪機廠家對涉網環節控制理念的理解存在不足，對電網考核細則了解并不全面透徹，這就導致其控制邏輯尚不完善，控制參數更是不能匹配機組的實際特性。

3.1.3 DEH調門流量特性曲線

電調控制系統中的調門流量特性曲線是根據汽輪機廠提供的“調門升程與實際流量”曲線計算得到的。它的設置是否與實際相符、根據曲線得到的實際流量是否與流量指令呈線性關系對于一次調頻至關重要［8］。在實際生產過程中，存在著曲線設定與機組特性不符，流量指令與實際流量并非線性的情況。

3.1.4 伺服調閥

當伺服系統或調閥機構出現問題時，會導致調速汽門出現遲滯、卡澀或擺動的現象，這會對機組一次調頻的控制品質造成影響。

圖1所示為某臺機組一次調頻動作時，5號高調門（CV5）指令雖快速響應，但反饋卻存在明顯滯后。這將導致一次調頻負荷調整的快速性無法得到保證。

圖1 調速汽門動作遲滯曲線

3.1.5 數據傳輸

在數據傳輸過程中，信號的正確性、精確性以及滯后性是影響一次調頻控制品質的重要因素。

根據考核細則要求，當一次調頻擾動發生前60 s該機組出力持續上升或下降時，默認機組一次調頻響應特性合格。“負荷指令”可起到協助判斷機組出力是否改變的作用，如信號傳輸錯誤，則會導致部分本應默認合格的取樣點被誤判為不合格。

當發電機電流或電壓受到諧波干擾時，會導致“實際出力”信號產生抖動。如圖2所示，某臺小容量機組，信號干擾導致的功率擺動量甚至超過一次調頻理論增量，這對調整幅度偏差指標造成了極大的影響。

圖2 諧波干擾導致實際出力抖動

3.2 基于考核細則框架下的調頻功能優化

3.2.1 遼寧電網考核細則解析

一次調頻考核結果由B1、B2、B3與Bu指標合格與否決定。結合考核細則具體分析各指標要求可知，考核樣本根據指標要求按照時間區間可劃分為3段。

第1段為初始3 s，用B1指標來表征機組響應一次調頻的快速性。這主要依靠DEH側的前饋作用。

第2段為前15 s，用B2指標來表征機組響應一次調頻的調整幅度。這不單需要依靠DEH側的前饋作用，還需要DCS協調控制系統來彌補前饋作用造成的超調或欠調。

第3段為初始3 s后至60 s或至一次調頻動作結束，用B3指標表征機組響應一次調頻的控制精度。此階段更加倚重DCS協調控制系統的閉環調節作用。

對于Bu指標，在期望積分電量確定的條件下，實際積分電量的多少取決于B1、B2、B3指標的優劣。

綜上所述可得出如下結論。

a.從時間角度分析，B1指標時間范圍相對獨立，B2指標時間范圍涵蓋B1，B3指標時間范圍涵蓋B2。鑒于DEH側采用前饋作用方式，因此在增益調節方式下從時間角度分析控制指標之間相互耦合［9］。

b.從控制角度分析，B1指標側重DEH側，B2指標兼顧DEH側與DCS側，B3指標側重DCS側。鑒于一次調頻的負荷期望與機組主汽壓力的穩定存在矛盾，因此在閉環調節方式下從控制角度分析受控對象之間相互耦合。

因此，在以考核細則指標要求為指導依據的前提下，如何更加合理地完善控制策略、優化控制邏輯、調整控制參數，從時間角度與控制角度實現雙解耦，已成為提高一次調頻控制品質的關鍵。

3.2.2 DEH側一次調頻功能的優化

DEH側一次調頻功能是通過負荷補償曲線增益調節綜合閥位指令，以前饋控制方式直接作用在調速汽門上。其關鍵在于如何合理地設置負荷補償曲線增益值。增益過小，會導致調門開度增量不足，造成負荷欠調，導致B1、B2指標不合格；增益過大，則會導致前饋作用過強，這雖利于B1、B2指標的合格，但會導致B3指標的增大。由此可見，負荷補償曲線增益影響著B1、B2、B3指標的品質，而B1、B2、B3指標在考核時間上具有重疊性，存在耦合。

綜上所述，基于電網考核細則中一次調頻功能對DEH側前饋作用的強弱需求，可從時間角度對負荷補償曲線增益進行變參數設置，即針對B1、B2、B3指標分別以3 s、15 s為特征點，采用變參數方式設置增益。鑒于B2指標的增益值亦適用于B1指標，因此可根據機組特性將B1、B2設置為同一增益值。優化邏輯見圖3中左1部分。

圖3 DEH側一次調頻邏輯優化

圖3中右2部分的閥門流量校正回路是對負荷補償曲線增益作進一步修正，其作用是用于校正綜合閥位指令與主汽流量之間的非線性干擾。其中設定壓力與運行壓力的比值用于減小主汽壓力偏差對調頻效果造成的影響；負荷指令函數則用于削弱流量特性曲線非線性給調頻效果帶來的干擾。

3.2.3 DCS側一次調頻功能的優化

DCS側協調控制系統中的機組負荷指令信號由操作員指令或AGC指令、一次調頻負荷補償曲線輸出及壓力拉回修正指令3部分疊加而成。在一次調頻動作時，壓力拉回修正指令會因壓力偏差造成功率反調，這對一次調頻作用產生了反抑制。為解決這一問題，需要對此部分邏輯進行優化。

圖4為優化后邏輯示意圖，壓力拉回邏輯經優化后增加了調頻動作時輸出自保持功能，在一次調頻動作且主汽壓力偏差不大于安全值的情況下，閉鎖壓力拉回輸出，使得一次調頻期間調節閥不參與主汽壓力調節。當壓力偏差越限時，則自動恢復壓力拉回作用，保護機組的安全穩定運行。

圖4 DCS側一次調頻邏輯優化

4 應用實例

2014年10月，受丹東金山熱電廠委托對其1號機組進行一次調頻功能優化。通過近8個月的一次調頻月度考核統計表了解到（見表1），1號機組B2、B3、Bu指標均不理想。

表1 優化前一次調頻月度考核統計

結合圖5，優化前一次調頻考核曲線樣本分析得知：①負荷指令信號傳送存在問題，無法協助考核系統判斷機組出力是否持續變化；②一次調頻前饋作用不足，無法滿足B2參數要求；③后期調整存在嚴重欠調，導致B3、Bu指標不理想，需對協調系統及壓力拉回回路進行適當調整。

針對以上問題，結合電網考核細則要求與機組特性，通過對機組一次調頻功能相關硬件設備問題的排查與處理，對控制邏輯的優化及控制參數的調整，本臺機組一次調頻功能得到明顯改善，已能夠滿足電網考核細則的要求。優化后的考核曲線及月度考核統計如圖6和表2所示。

圖5 優化前考核曲線

圖6 優化后考核曲線

表2 優化后一次調頻月度考核統計

其中，2015年4月、5月因機組停運未列入統計，2015年1月、7月因協調控制系統退出使B3、Bu指標受到影響，致使月度考核不合格。

5 結束語

本文通過對電網一次調頻考核細則的深刻解讀，以滿足各項考核指標為目的，提出了基于電網考核細則框架下的一次調頻功能優化方案。此方案從外部的硬件設備和內部的邏輯參數入手，查找問題，分析原因，制定控制策略。經工程實例驗證，本套方案科學有效，經優化后機組一次調頻控制指標能夠滿足電網考核要求。

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［6］許睿超，羅衛華.大規模風電并網對電網的影響及抑制措施研究［J］.東北電力技術，2011，32（2）：1－4.

［7］霍志紅，鄭 源.風力發電機組控制［M］.北京：中國水利水電出版社，2014.

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Optimization on Primary Frequency Regulation Function Based on Framework of Grid Assessment Rules

WANG Hong?kai，GUAN Qing?xiang，LI Jian?jun，YAO Yuan
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

Primary frequency regulation function of thermal power unit is introduced in this paper.Deep interpretation of the assess?ment rules for primary frequency regulation in Liaoning power grid，optimization scheme based on the framework of grid assessment rules is put forward.This program is not only from the external links to find the problem，analysis of the root causes，but also from the internal to develop control strategies，optimize the control logic and adjust control parameters.According to the requirements of the as?sessment rules，the improvement of primary frequency regulation ability of thermal power unit is realized，it provides the basis for the optimization of primary frequency regulation function of thermal power unit.

Primary frequency regulation；Assessment rules；Logic optimization；Liaoning power grid

TM73

A

1004－7913（2016）08－0022－05

王洪凱（1982—），男，學士，工程師，主要從事熱工自動控制技術研究。

2016－05－20）