電廠機組一次調頻參數在線監測系統設計與實現

摘 要：隨著國家電網對供電質量要求的不斷提高，電力行業采用了多種技術手段保證電網頻率相對穩定，而一次調頻作為核心手段備受關注、應用廣泛。但由于電力調度中心一般通過遠程系統實現杜宇電廠一次調頻性能的監督和考核，考慮到電廠環境的復雜性，其出具的考核結果經常和實際調頻結果不一致， 因此提出一種基于電廠環境的一次調頻考核系統，其是通過Winpcap數據抓包監聽采集PMU裝置的一次調頻相關參數，并針對電廠實際一次調頻機組的性能量化考核參數貢獻電量的計算方法， 通過以龍游電廠的機組實時數據為基礎，給出相應考核結果，實現了對其機組一次調頻情況的考核分析。

關鍵詞：一次調頻;電網頻率;Winpcap;在線監測

DOI：10. 11907/rjdk. 181876

中圖分類號：TP319文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）001-0108-04

Abstract： With the constant improvement of the national power grid for power supply quality requirements， the electric power industry has adopted many technical means to ensure the grid frequency is relatively stable， and primary frequency control， as one of the most important of methods has had wide attention and application. But because the electric power dispatching center employs the remote system to achieve a power plant of the cuckoo primary frequency control performance of the supervision and examination， considering the complexity of the power plant environment， the issue of the assessment results are often inconsistent with the actual frequency modulation. So in order to solve this problem， this paper proposes an assessment system of primary frequency control based on power plant environment，which uses Winpcap data capture and interception to collect the primary frequency-related parameters of the PMU device， and uses the power contribution calculation method for the performance of the power plant's actual primary frequency modulation unit. According to the corresponding assessment results， the assessment and analysis of the primary frequency modulation of the unit was realized based on the real-time data of the unit of Longyou Power Plant.

0 引言

電力系統的穩定運行對國家工業生產和經濟發展有重要影響，其穩定運行由多個因素決定，其中最主要的是電網頻率需保持在[50Hz±f死區]范圍內[1-8]，因此電力系統采取多種技術保證電網頻率穩定，由于一次調頻對電網頻率波動的響應速度較快，且調節范圍較大，所以被廣泛運用于維持電網穩定中。但是由于過去電廠沒有相應的滿足現場環境要求的一次調頻系統，只能完全按照省級調度中心下發的一次調頻指令調整機組負荷，而省調度中心往往沒有考慮到電廠實際經濟利益[9-13]，所以電廠為追求經濟利益不會一直完全響應省調度公司的一次調頻投入投出信號。因電廠一次調頻錯誤響應導致的嚴重后果很多，例如錦蘇直流雙極閉鎖事件[14-16]，事故發生的主要原因是部分機組的一次調頻能力被電廠削弱，嚴重影響到頻率擾動的恢復速度，最終導致華東地區電網頻率波動較大，造成了不必要的經濟和財產損失。因此建設符合電廠需求的一次調頻在線監測考核系統很有必要[17-18]。高林等[19]提出面對電網突發擾動如何判斷機組能否快速響應的算法，能夠有效地給出機組一次調頻評估結果，但是對于如何采集一次調頻數據的方法則有所欠缺。鄭濤等[20]提出一種基于PMU的實時數據采集方法，該方法能較為準確地采集到PMU數據，但是對于PMU裝置的接入可能會引起省調主站故障。

針對以上問題，本文提出一次調頻參數在線監測系統設計方案，其通過Winpcap動態鏈接庫和PMU中的配置幀文件，基于TCP/IP協議對發往主站的數據包進行捕獲和分析解碼，并將解碼后數據送入PI實時數據庫，Web端通過從PI數據庫獲取數據，并根據華東電網兩個細則的計算方法推導得出評估效率較高、滿足電廠需要的計算方法，通過該方法進行一次調頻考核分析，且考慮到二次安防。本文基于偵聽的方式進行PMU數據獲取，不會對PMU裝置產生任何握手連接等操作，極大地避免了安全隱患。

1 一次調頻監測系統設計

1.1 系統需求分析

通過綜合考慮和時間需要，本文采用基于Web的.net框架進行系統界面設計，從用戶實際需要出發，系統必須提供電網頻率、機組有功出力等有關一次調頻考核的實際信息，且考慮到電廠業務擴張和機組等設備的更新維護，要求系統提供能夠及時更新和維護的功能模塊，方便電廠和省調度公司工作人員及時、準確地對相關信息進行添加、刪除和修改等操作，并且可以通過界面進行機組額定功率、電網額定頻率等配置信息的編輯。此外系統還需要提供針對一次調頻的最終考核計算結果，以報表的形式實時顯示。本文設計的一次調頻在線監測系統分為6個部分，分別是數據接口和預處理模塊、一次調頻信息實時監控模塊、一次調頻考核計算模塊、報表模塊及Web界面。系統結構如圖1所示。

1.2 系統硬件設計

綜合考慮電廠的實際情況和已有設備架構，選擇如圖2所示的系統硬件設計結構。從圖中可以看出，一次調頻計算所需的參數由兩部分獲取，一部分從電廠安全I區的DCS系統、AGC系統等采集的數據通過原有OPC服務器，進入防火墻后傳入安全II區PI實時數據庫。剩余的有關電網頻率和一次調頻理論值等參數均需要從PMU裝置中獲取，主要是通過光纖收發器和交換機將接口機與PMU子站發往主站的數據進行鏡像傳輸，經過解包后的數據通過防火墻策略控制后送往II區PI實時數據庫。而II區PI數據庫經過鏡像后可將數據送往安防等級較低的III區數據庫進行存儲。本文將一次調頻在線監測平臺部署于Ⅲ區的Web服務器和應用服務器中。外界的訪問和維護基于III區兩臺服務器進行。

2 系統軟件實現

2.1 數據采集

由于一次調頻計算中幾個重要參數由同步相量測量裝置（Phase Measurement Unit， PMU）進行測量，直接發往各地調度中心，因此在電廠DCS數據庫中并未存放相應的數據，并且考慮到安防因素無法直接接入PMU裝置，所以需要通過對PMU裝置子站到主站的數據鏈路進行偵聽，以捕獲對應的數據包。該操作可保證采集到的數據與省調收到的數據一致，提高考核結果的準確性。

數據偵聽主要借助Winpcap進行，通過Winpcap動態鏈接庫捕獲數據包，由于PMU子站和主站的通信協議采用TCP/IP協議，因此定義數據包格式如下：

按照TCP/IP協議進行分析后，需對數據進行二次分解，按照電力系統實時動態傳輸規約的協議要求，對TCP/IP數據包中的data bolck進行分析，將有關電網頻率和一次調頻理論值等相量、模擬量數據保存在SQL數據庫中，然后將SQL數據發送給II區PI實時數據庫，以通過防火墻控制策略，其中轉發PI實時數據庫的代碼如下所示：

2.2 一次調頻考核計算分析

根據華東電網的兩個細則規定，一次調頻考核是通過計算一次調頻貢獻率[K]實現的，即：

其中[Hi]為機組實際積分電量，[He]為機組理論積分電量，一次調頻的考核是以當電網超出頻率死區范圍后開始計算的。因此，[Hi]可表示為：

其中[P0]為電網頻率超出調頻死區時刻的機組實際出力，[t0]為電網頻率超出調頻死區的時刻，[tt]為電網頻率回到調頻死區范圍的時刻，[Pt]為一次調頻動作內對應時刻機組的實際有功出力。如果調頻時間跨度少于15s，則該次頻率波動過程不予統計，且調頻時間最大長度為60s，Sgn[（x）]為符號函數。

在高頻少發或者低頻多發的情況下，實際積分電量為正值;反之，高頻多發或者低頻少發的情況下實際積分電量為負值。另外理論上機組一次調頻的積分電量[He]可表示為：

[f（t）]為對應電網頻率變化超過死區頻率差的絕對值，即MCR為機組額定有功出力;[f（n）]為電網額定頻率50Hz;[f（t）]為對應[t]時刻的電網頻率（Hz）;[kc]為機組轉速不等率。兩個細則規定若K < 0.5，則計為1次不合格;反之，則合格。最終將考核結果存入本地數據庫。

3 一次調頻在線運行

根據實際需要，本文選擇B/S架構的系統設計，通過JS框架下的網頁形式進行一次調頻相關信息展示和查看。系統主要功能包括電網頻率實時顯示和一次調頻結果顯示等。為與電廠無紙化辦公對接，系統允許將一次調頻結果數據導出為Excel文件。詳細界面如圖3、圖4所示。

4 結語

本文設計的基于PMU裝置的一次調頻在線監測系統，根據電廠實際網絡拓補結構和工作需要，采取B/S架構，通過數據偵聽的方式獲取有關參數信息，以Web界面形式進行計算展示。系統已在浙江龍游電廠進行安裝和調試，經過實際監測發現系統實現了設計目標、滿足了電廠實際需要，并且在安全性和可靠性方面也得到了電廠肯定。同時由于使用數據偵聽的方式實現了PMU數據采集，能夠最大程度避免系統安全問題的產生，可方便電力企業和省調度公司對電廠一次調頻投入情況進行考核，杜絕發電安全事故的發生。

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（責任編輯：江 艷）