基于电网频率波动特性的一次调频考核算法分析

王文营，王生彬，蔺跃生，赵丽华

(1.河北省电力研究院，石家庄 050021；2.河北省电力公司，石家庄 050021；3.河北兴泰发电有限责任公司,河北 邢台 054000)

近年来，我国电力工业快速发展，大容量、高参数发电机组规模投产，电网通过(特)高压输电线路互联成为常态运行方式，而且《节能发电调度办法》的出台使得风能、太阳能、光伏发电等各类可再生能源的大型基地加快建设，这些都对电网的安全性、适应性等提出了更高的要求。此外，随着电力体制改革的不断深入，尤其在目前厂网分开的形势下，机厂协调的监管能力减弱。在此形势下，为保证电网的安全稳定运行，必须加强辅助服务管理和并网发电厂考核工作，为此国家电力监管委员会华北监管局发布了《华北区域发电厂并网运行管理实施细则》和《华北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》(简称“《两个细则》”), 其中，一次调频是基本辅助服务的重要内容之一。为确保《两个细则》的顺利实施，为厂网协调提供技术依据，切实提高电能质量和电网安全稳定运行水平，有必要基于电网频率波动特性对一次调频性能考核的算法进行研究分析。

1 一次调频考核指标

《两个细则》全面概括了并网机组一次调频运行管理技术要求，量化了一次调频性能考核指标，对一次调频的运行管理必将起到极大的促进作用。根据《两个细则》要求及目前管理现状，河北省南部电网(简称“河北南网”)主要考核指标包括：一次调频月投运率、正确动作率及性能综合指标，由于所有机组均按照电网要求投入一次调频，因此投入情况的考核在文中不在赘述。

正确动作率按机组考核，对于一次调频月正确动作率小于80%的机组，每月考核电量为：

E1=(80%-λ动作)×PN×2 h×α

(1)

式中：PN为机组额定负荷，MW；α为一次调频考核系数，数值为3；λ动作为月正确动作率。

性能综合指标按次考核，当电网频率发生较大波动时，对于性能综合指标大于零的机组，每次考核电量为：

E2=K0×PN×2 h×α

(2)

式中：K0为性能综合指标，K0=1-5%/L，其中L为动态速度变动率。

以1台600 MW机组为例，设月正确动作率为40%，则对正确动作率月考核的电量为(80%-40%)×600 MW×2 h×3=1 440 MWh；设速度变动率为10%，如果动作一次则对性能综合指标考核的电量为(1-5%/10%)×600 MW×2 h×3=1 800 MWh，如果本月动作多次则以每次考核电量的累加值作为性能综合指标的月考核电量。

2 电网频率波动特性

电网频率是电能质量和电网稳定运行的重要指标，反映了电力系统供需能量的平衡状态，当系统内供电与用电失衡时，电网频率就会波动，波动的速度及幅度与负荷扰动大小、电网总运行容量、电网内负载特性以及调频性能等因素有关。电网正常运行时，频率存在慢速小幅波动，而且经常会超过死区，但持续时间短、机组功率变化小，而出现大的供用电失衡时，频率快速大幅波动，变化趋势呈“V”形，即频率快速变化到极值后又快速回调，并逐步相对稳定在与基准频率有一定偏差的值，是一个持续时间长、变化幅度大的时变动态过程。

图1为某次互联电网联络线跳开后河北南网频率的变化过程，频率由事故前的49.99 Hz(a点)经过约5 s达到极值49.91 Hz(d点)，之后经过3 s快速回升至49.94 Hz(e点)后基本趋于稳定，但仍然存在小幅振荡。

图1 互联电网联络线跳开后电网频率波动过程示意

3 一次调频考核算法

一次调频性能指标采用电网频率波动前后的历史数据进行后期离线计算分析，存在数据来源不同、读取不便、格式不统一、时钟不同步、采样周期长、人为误差大等缺点，难以实现一次调频性能的客观评判。自河北南网实行调节系统技术监督以来，厂网双方在健全组织、落实制度、技术管理、系统建设等方面做了大量扎实有效的工作，使机组一次调频设置满足电网要求、参数测量系统装设全面铺开、远程性能统计分析平台建设初具规模，具备了基于同步相量测量装置(PMU)采集动态数据并在广域测量系统(WAMS)中实施一次调频性能考核的条件。但该项工作专业性强、涉及面广、工作量大，而且开发的一次调频监测计算分析平台接入参量较少，一般只有频率和负荷，因此，为满足一次调频性能公正、公平、客观考核的要求，必须科学、系统、全面地研究其计算算法。

3.1 有效频率扰动分析

机组正常运行时，频率存在波动，而且频率信号有时会存在毛刺，反映到机组转速上表现为锯齿状的频繁波动，机组转速超出死区的次数每月达上千甚至上万次，因此为避开正常小幅频繁波动，必须判断是否发生长时间、大幅度的波动即有效频率扰动。根据电网频率波动时域和幅域特性，用时间、频率双变量以及多判据条件来判定，并根据扰动程度分为大扰动和小扰动。实际运行中小扰动发生的频次要远远大于大扰动。

3.1.1 小扰动

小扰动是指小容量甩负荷、调度用电计划的偏差等引起的电网供用电小的失衡时频率的波动，具有一定的随机性，用波动偏离基准值的幅度即频差及持续时间来判定，即满足

(3)

式中：ft为t时刻频率；fN为基准频率50 Hz；fdead为频率死区；ft+Δt为t时刻开始至ΔT内任一点的频率；ΔT为持续时间；ΔFs为频率门槛值。

如图1所示超出频率死区b点为起始点，d点为频率极值点，e点为持续时间结束点，如果b-e区间频率曲线上任一点都超过fdead、且d点频差超过ΔFs则判为小扰动。河北南网判定小扰动的参数设定为：fdead为0.033 Hz、ΔT为3 s、ΔFs为0.04 Hz，即频率超出死区后持续3 s且期间最大频差超过0.04 Hz，则判定为小扰动。

3.1.2 大扰动

大扰动是指大容量甩负荷、联络线跳开等引起的电网供用电大的失衡时频率的波动。通过扫描定长时间窗口内电网频率的变化量来判定，如果扫描开始时刻与定长时间Δt内任一点的频差超过设定门槛值ΔFL则判定为大扰动，即如图1所示由a、c为顶点的方框图中频率曲线上极值点满足

max|ft+Δt-ft|>ΔFLΔt∈(0，ΔT)

(4)

河北南网判定大扰动的参数设定为：ΔT为5 s，ΔFL为0.045 Hz，即在5 s内如果频率最大偏差超过0.045 Hz则判定为大扰动。考虑到电网频率变化初始值经常不是由基准频率开始，而机组一次调频频差均是以基准频率计算，经常出现电网频率判为大扰动，但机组判为小扰动甚至无扰动的情况，例如，5 s内频率由50.033 Hz变化到49.967 Hz时电网应为大扰动，但对机组而言还在死区内一次调频根本不动作，因此，在河北南网要求必须同时满足式(3)、式(4)才可判定为大扰动。

3.1.3 有效频率扰动时间

电网发生有效频率扰动时的计算时间区间，以频率超出死区为开始时刻，以频率回复到死区时刻、频率达到稳定时刻、设定最大稳定时间三者中的小值作为结束时刻，河北南网设定最大稳定时间为60 s，即频率回复到死区的时间、达到稳定的时间以及60 s，三者中最小值为有效频率扰动时间。

3.2 考核指标计算

一次调频性能指标的分析、计算会受到诸多不确定因素的影响，因此，机组一次调频性能考核需要对机网协调关系、客观约束条件、外部影响因素等综合考虑。

3.2.1 触发条件

机组一次调频考核指标计算必须在机组功率大于最低稳燃负荷，而且属于有效频率扰动才触发。频率扰动时保证机组安全运行是一次调频真正发挥作用的前提，否则可能造成机组停运，甚至造成事故扩大，因此需要考虑机组与电网间的相互配合和制约关系。在机组启动阶段存在锅炉燃烧不稳、汽轮机缸体膨胀不畅、系统投运不正常等不稳定因素，一次调频的大幅动作可能造成锅炉灭火、逆功率保护动作等事故，因此，一次调频宜在最低稳燃负荷以上投入，保证正常运行范围内动作正确。机组一次调频考核指标计算时，首先应保证机组功率大于最低稳燃负荷，其次机组必须为有效频率扰动，而且电网频率与机组频率需要同时达到有效频率扰动条件。

3.2.2 正确动作率

一次调频是否正确动作以机组有效频率扰动时间内的积分电量为依据，即发生大扰动、小扰动时均进行计算。积分电量计算公式如下：

(5)

式中：Pt为有效频率扰动时间内任一时刻的机组功率；P0为频率超出死区时刻机组功率，计算时取之前数s内机组功率的平均值。

机组频率下降时积分电量为正，或频率上升时积分电量为负，判定为一次调频动作正确，否则判定为错误。每月统计正确动作次数和错误动作次数，二者之和为月总动作次数，则每月的正确动作率为正确动作次数占总动作次数的百分比。

3.2.3 速度变动率

频率波动的时变性造成一次调频动作负荷的延迟随动变化，因此速度变动率计算需要动态取值，计算公式如下：

(6)

式中：Δf=fN+fdead-ft；ΔP=Pt-P0；PN为机组额定功率。河北南网规定只在发生大扰动时才计算速度变动率，其中ft取稳定时频率，如图1中e点频率，Pt计算取值时考虑到扰动初期经常出现功率振荡，故取2 s后的功率极值，如图1中g点功率。

3.3 AGC影响的修正

机组功率给定值一般由两部分生成： AGC指令或操作员设定指令经高低限制、速率限定给出；频差经死区及速度变动率函数转换后给出。如果AGC指令升降功率过程中一次调频动作，则功率变化必然会受到二者的共同影响，方向一致则表现出一次调频贡献负荷大，反之则贡献小，此时一次调频响应行为实质不受影响，但是会影响到一次调频性能的计算，因此进行一次调频性能考核时需要对AGC的影响进行修正。

河北南网AGC修正算法为，取动作前数秒机组功率数据拟合趋势曲线，并以曲线斜率作为计算变负荷率，如果其值超过门槛值(机组AGC设定变负荷率的一半)则判断有AGC影响，并按照计算变负荷率，对一次调频动作负荷曲线进行修正后再进行指标计算。

4 结束语

机组一次调频是提高电能质量、保证电网稳定运行的有效手段，而将其作为基本辅助服务纳入考核管理也将直接涉及到并网发电厂的经营效益，因此一次调频考核算法引起了厂网双方高度重视。根据上述算法在WAMS系统中开发了一次调频性能分析平台，并根据试运行期间暴露出的问题不断进行优化完善，使得平台基本能真实反映机组一次调频性能，目前已投入正式运行。但由于客观条件限制仍存在厂网时钟不同步、数据存在偏差、AGC影响修正不够精确等问题，因此厂网双方应深化研究技术难题、继续完善分析平台、认真落实考核要求，力争一次调频性能得到充分发挥、并网机组电量做到零考核，大力促进厂网协调发展。

参考文献：

[1] 郑 涛,高伏英.基于PMU的机组一次调频特性参数在线监测[J].电力系统自动化,2009,33(11):57-61.

[2] 杨建华．华中电网一次调频考核系统的研究与开发[J]．电力系统自动化,2008，32(9):96-99.