水电厂一次调频功能及考核系统改进研究

黄国明，陈庆小，王向伟

（广西桂冠大化水力发电总厂，广西 大化 530800）

水电厂一次调频功能及考核系统改进研究

黄国明，陈庆小，王向伟

（广西桂冠大化水力发电总厂，广西 大化 530800）

摘要：为了提高电力系统的电能质量，规范辅助服务管理，2010年02月，南方区域“两个细则”考核系统在广西区域投入运行。因考核系统投运较早，国内没有成熟的经验借鉴，存在考核费用大及考核准确性不高等问题。本文主要研究水电厂一次调频辅助服务功能如何更好的适应考核系统，以及考核系统如何更好的适应实际情况，达到减少一次调频考核费用，提高考核系统的准确性的目的。

关键词：一次调频；辅助服务；两个细则；考核系统；功能改进；水电厂

0　引言

为了提高电力系统的电能质量，进一步提高电网安全稳定性，规范辅助服务管理，国家电监会要求全国各区域在2010年开始逐步将“两个细则”（辅助服务管理细则和并网运行管理细则）考核系统投入运行。2010年02月，南方区域“两个细则”考核系统在广西区域投入运行。

“两个细则”考核系统在国内属于新的技术平台，特别是南方区域的一次调频辅助服务考核子系统，为全国范围内投运较早的同类型考核系统，没有成熟的经验可借鉴，存在考核费用大及考核准确性不高等问题，一次调频考核费用占整个考核费用的85%以上。而实际情况是各电厂的一次调频功能均经过有资质的试验机构进行检测和试验合格，考核结果仍是正确动作合格率达不到要求，考核费用非常大。如大化电厂每个月平均被考核费用达30～40万元，广西区域（40个直调电厂）月平均被考核费用达到680万元。

为了深入了解一次调频辅助服务功能和考核系统特性，大化电厂提出并实施了水电厂一次调频辅助服务功能和考核系统适应性研究与改进项目。研究水电厂一次调频辅助服务功能如何更好的适应考核系统，以及考核系统如何更好的适应实际情况，最终达到减少一次调频考核费用，提高考核系统的准确性的目的。

1　一次调频动作量对考核影响的研究

1.1分析研究情况

考核时段内，进行考核的电网频率偏差均较小，广西电网2010年1～8月一次调频频率偏差最大仅为0.04 Hz，一次调频理论计算的有功变化量偏小，与正常负荷波动、正常变化以及负荷微调的量相近。

按大化电厂一次调频试验报告，0.01 Hz频率对应的最终有功变化量为1MW，已是理论动作值的1.75倍。理论计算对应的变化量为：

根据2010年1～8月份一次调频评价考核期间的电网频率偏差平均值为0.005 Hz，如额定有功功率为100MW左右的机组，实际一次调频动作值负荷最终稳定后的一次调频负荷变化量应为0.5MW，即0.5%e。而正常时负荷变化量就达到2MW（此数值＜有功负荷调整精度2.5%，负荷波动满足要求）。

加上串口通信每4～6 s上送一次数据，就有可能导致计算的实际动作量不足，甚至计算出来的动作方向是相反的。以下以频率峰值为0.02 Hz的一次调频动作过程进行说明。如下页图1。

图1　负荷波动对一次调频考核算法的影响示意图

1.2存在问题

在电网频率偏差较小的情况下，考核系统中一次调频理论动作量和电厂实际动作量均较小，理论和实际动作量与负荷波动量相近，考核系统目前算法无法正确判别，导致各电厂的一次调频正确动作率低，达不到考核标准被考核。

1.3改进措施

1.3.1加大一次调频动作量

为了适应考核系统，电厂应适度加大一次调频频差对应的动作量。主要方法有：

（1）一次调频动作后逐步增加一次调频计算频差。如大化电厂在10s内逐步增加计算频差0.05Hz，增加约5%负荷，同时考虑最大幅值限制确保控制安全。此方案确实有利于调速器一次调频效果的突出体现，有利于电网系统的稳定，是提高一次调频考核结果的有效方法。具体效果图如图2。

图2　增大一次调频频差示意图

1.3.2降低考核系统动作正确判断门槛

实际动作量不小于理论动作量的50%为不合格改为实际动作量与理论动作量相反为不合格。即ACT_ENG/THEORY_ENG＜50%则判为不合格改为“ACT_ENG与THEORY_ENG动作方向相反”判为不合格。

图3　减少调速器转速不等率（p）示意图

1.4改进后的效果

一次调频功能动作效果明显，一次调频合格率大幅提高（图4、图5）。

图4　改进前一次调频实际动作曲线

图5　改进后一次调频实际动作曲线

2　数据通信固有特性对考核系统影响研究

2.1分析研究情况

电厂与调度远动通信目前还均有大量串口通信，串口通信因通信速率低，通信数据量大时，完成一次通信的时间较长，如大化的101远动通信正常数据刷新为4～6 s，总召唤一次完成时间为30 s左右（每3min一次，即出现总召唤时间达到了1/6），总召唤过程中，上送中调的数据在30 s内只变化一次，这样计算的一次调频评价结果正确动作率就有问题，经常出现不合格。

因串口通信速率低，一般遥测数据均设置一定的刷新死区，由于刷新死区设置不合理导致中调侧的数据刷新不满足考核和控制要求。如有功功率刷新死区达到1%～2%e，而一次调频考核大部分动作量也是1%～2%e左右，而其他不重要的遥测刷新死区可能又很小，导致该上送的重要遥测上送不了，经核实中调侧大化电厂的有功功率经常有20～30 s不刷新现象，从而导致一次调频动作不合格。

中调直调电厂与调度远动通信一般均有2～4个通信（至少2个），几个通信之间可以人为切换和故障时自动切换，在切换过程中，会造成数据不刷新，故障切换的时间有时达到20～60 s，目前南方电网和广西中调104通信故障数据切换的时间至少有25 s以上，切换时间的长短决定于通信程序参数设置。如切换一个通信不成功再切换到下一个通信，则需要更长的时间。

电厂作为与中调远动通信的从站，完全是被动的，通信故障和切换，考核系统中数据是否正确，目前无法知道。电厂与调度通信故障数据传输出现问题时，一次调频可能直接被考核，但这可能不是电厂本身的原因造成。

2.2存在问题

（1）目前电厂与调度远动通信采用速率低的串口通信，造成考核不合格。

（2）通信刷新死区设置不当，用于考核和控制的遥测量未能及时刷新，造成考核不合格。

（3）通道故障或通信故障造成考核不合格。

2.3改进措施

（1）考核系统全部采用高速率通信数据作为一次调频考核系统的数据，如采用远动网络（104）通信、PMU网络通信等数据。

表1为101串口通信、104网络通信和PMU网络通信速率对比表。

表1　101串口通信与104网络通信性能对比表

（2）调整刷新死区：减小重要遥测量（用于考核或实时控制）的刷新死区（大化电厂直接改为0，即每个扫描周期均上送重要遥测量），以及适当增加非重要遥测量的刷新死区，确保重要遥测量达到“实时同步刷新”，非重要遥测量少占用宝贵的通信资源。

（3）建议考核系统采用2个以上的网络通信的数据进行并行考核，任一个合格即判定为合格，避免单一数据切换过程中出现不合格。

（4）以电厂现地数据为依据，申请免考。

2.4改进后的效果

上述第（1）项，从广东电网和广西电网考核系统采纳高速率的通信数据后，考核结果得到了明显改善。但目前广西电网仍保留大部分的串口通信方式，各通信之间存在切换和平等权限（即没有明显的主备用关系），考核结果仍有相当部分与实际情况不符。

上述第（2）项实施后，中调侧用于考核和控制的重要遥测量（有功功率）刷新速度除总召唤外，已由原来的有时达到20～30 s变为每4～6 s刷新一次，提高了考核合格率。

3　测频原理不同对考核系统影响的研究

3.1分析研究情况

（1）测频原理不一样，考核系统频率和各电厂相差较大。

调速器测频与调度GPS系统频率测频原理性差别较大，导致一次调频动作和复归时间与调度的动作和复归时间相差较大，加上一次调频频率偏差对应的负荷变化量不大，综合导致了考核不合格。

（2）整个广西电网中，系统频率存在差异，导致一次调频存在测频偏差。

（3）各电厂的测频环节和电网考核的测频均有偏差，测频软件中均有一定的滤波平均处理，频率测量会有一定的偏差。再有调速器中频率偏差只要＜0.01Hz即为合格，本身也允许了一定的误差。

基于以上原因，如一次调频动作早了，一次调频的提前增加量则没有效果。如大化电厂增加的动作量（约5MW）可能在未开始计算前已动作完，而理论的动作时间开始后，频率偏差量近半年来的考核量只0.02～0.03Hz，平均下来一般不到0.02Hz。而0.02Hz对应的动作负荷只有1～1.5MW，而负荷波动值就达到了1～1.5MW，也就是说有可能计算出来的结果可能还未消除负荷波动或正常变化的影响。

3.2存在问题

系统频差不同步、测频存在偏差，导致一次调频考核开始时间和结束时间出现偏差，动作不合格。

3.3改进措施

（1）加大一次调频频差对应的动作量。

（2）改造调速器测频回路，提高测频精度，但不一定能实现，或效果不明显。如部分水电厂采用可靠的高速记数模块进行测频，测频精度取决于模块的运算速率，当时的条件下，已无法再提高精度；有些电厂采用外置的单片机测频板，测频精度会达到更高，但可靠性不一定比PLC测频模块高。

3.4改进后的效果

广西分公司部分水电厂和火电厂采纳后，考核正确性大幅提高。

4　控制模式和考核模式不同对考核系统影响的研究

4.1分析研究情况

（1）考虑到调速器控制的可靠性和与监控控制配合，目前大部分水电厂调速器的调节模式绝大多数采用“开度模式”，频率大于一次调频动作死区时，一次调频动作后导叶按一次调频偏差量进行了调整。而目前一次调频辅助服务考核系统按“功率模式”进行考核，判断的是有功功率负荷变化量。两者模式存在偏差。

（2）对水轮发电机组来说，两种模式之间的变化率并不相等。在水头较低时，或在水轮机固定特性情况下，可能有功功率的变化幅值达不到考核要求。可能有些情况下还会出现有功功率反向变化的现象。以下是一些固有特性的例子：

如大化电厂1～4号机轴流转桨式机组在桨叶未协联情况下，导叶开度变化而有功基本不变；

大化电厂5号机在水头小于额定水头时，由于流道和桨叶协联等原因，在85%～100%导叶开度情况下，导叶开度增加时，机组有功负荷反而减少。

其他不同类型的机组均有一些“开度——负荷”变化量特别少，甚至反调的情况。

4.2存在问题

调速器按“开度模式”控制和考核系统按“功率模式”考核，两者存在不一致性，且水轮发电机组存在“开度-功率”变化率非线性或变化量特别少，甚至反调的情况，导致一次调频动作不合格。

4.3改进措施

（1）建议考核系统由“功率模式”改为增加“功率+开度模式”，只要两种算法有一个合格即算合格。调速器导叶开度为模拟量，从现场直接测量，精度高，不受电磁干扰和系统波动干扰。只要调速器导叶开度变化满足一定的增量，就可判断为合格。要实现这一算法需电厂上送调速器导叶开度。

考核系统算法表达式如下：

（2）考核系统增加人为免考条件，低水头水电厂或轴流转桨式机组在低于额定水头情况下，免考一次调频。

（3）各电厂针对不同条件，在监控系统上实现对特殊情况的判断和提醒，方便提免考申请。

4.4改进后的效果

运行值班员和维护人员均可比较方便的查询一次调频动作相关数据和信息，以及电厂内一次调频动作受限情况，大大方便了一次调频免考申诉。

5　水轮发电机组固有特性对考核系统影响的研究

5.1分析研究情况

水轮发电机组上下游水位变化，调速器水头设定，双调机组桨叶重新协联负荷重新微调也是导致一次调频考核不合格的主要原因之一。如：

（1）轴流转桨式水轮发电机组调速器水头设定时，桨叶进行重新协联，机组功率也跟随进行重新调整，如此时一次调频动作，极有可能不合格。

（2）上下游水位变化，也会导致负荷的变化。如大化水电厂有时达到1min内有功负荷变化1%～2%左右，而正是这1%～2%，按目前一次调频的考核可能就会判断不合格。其他电厂的水头变化对负荷的影响可能比大化水电厂还要大。

（3）部分轴流转桨式水轮发电机组在桨叶未协联情况下，导叶开度-负荷特性较差，导叶开度变化而负荷不发生变化或变化量比其他开度少较多。

（4）部分流道较长的水轮发电机组的负荷响应时间较长，无法满足一次调频负荷响应要求。

5.2存在问题

水轮发电机组的一些固有特性，导致一次调频考核无法满足要求。

5.3改进措施

（1）充分利用一次调频投运率只要求90%的规则，即只要保证投运率达到90%以上的规则。设调速器水头时暂时退出一次调频功能，设完水头后再恢复。确保调速器设水头时，不考核一次调频动作合格率。

（2）根据不同类型的水轮发电机组的固有特性，增设免考条件。如轴流转桨式水轮发电机组水头低于额定水头70%时，一次调频动作正确率免考。

5.4实施后的效果

实施后大化电厂再也没有出现过因为设水头导致一次调频动作不合格被考核现象。

6　二次调频对一次调频影响的研究

6.1分析研究情况

（1）一次调频复归后，AGC或有功负荷马上对负荷进行重新分配和负荷微调，动作方向可能是相反的导致一次调频不合格。

（2）在二次调频未完成调整时，造成的一次调频考核不合格，考核系统已允许免考。

6.2存在问题

一次调频复归后，二次调频的介入和反向调节，造成一次调频动作不合格。

6.3改进措施

（1）AGC没有新的设定值时，闭锁一次调频动作复归后，AGC负荷重新分配功能。

（2）一次调频动作后如没有新的负荷设定值，1min内闭锁有功负荷调节。

6.4实施后的效果

实施后，大化电厂没有因为AGC和有功负荷回调等二次调频影响造成一次调频考核不合格。

7　考核系统算法不周全对考核系统影响的研究

7.1系统频率峰值对考核结果影响的研究

7.1.1分析研究情况

频率偏差保持在0.05 Hz左右较长时间时，频率峰值出现的时间可能不在考核评价的1min内，考核评价的1 min内一次调频的平均频率偏差较少，导致一次调频动作增量少，合格率判断困难。

2011年，整个电网负荷严重不足时，一次调频动作经常有动作10min甚至30min以上的情况出现，此时频率峰值出现的时间大部分都不在考核的1min内，一次调频的平均频率偏差有时只有0.01Hz，相对应的负荷增量平均贡献只有0.5%，比负荷波动值还要小得多。

7.1.2存在问题

一次调频评价计算时间未考核系统频率峰值，导致一次调频动作不合格。

7.1.3改进措施

一次调频考核计算时间增加到频率峰值出现后的30 s，如最长时间限定在5min内。或者最长时间就按5min计算。

7.2相邻较近的两次一次调频对考核结果影响的研究

7.2.1分析研究情况

一次调频两次动作间隔时间较短时（有两次间隔才5 s），串口通信采集数据周期正常为4～6 s左右（总召唤时间则达到30 s），第二次评价可能会受到第一次动作结果的影响，导致一次调频不合格。

7.2.2存在问题

一次调频考核评价未考虑两次动作间隔时间问题。

7.2.3改进措施

（1）调整一次调频考核系统，一次调频动作间隔少于60 s的不作考核。

（2）根据实际动作情况，提免考申请。

7.3开始动作时的负荷取值计算方式对考核结果影响的研究

7.3.1分析研究情况

一次调频开始动作时的原始负荷，目前是取动作时瞬间的负荷作为开始动作时的负荷，此计算不合理，因为负荷波动的原因，如一次调频要增加负荷，动作瞬间的负荷可能正好的负荷波动的最高点，这样可能会抵消一部分动作计算量。

7.3.2存在问题

考核系统中对一次调频开始时原始负荷的取值方式也是一次调频动作不合格的主要原因之一。7.3.3改进措施

动作开始前的负荷，改为取动作前一段时间（如10 s）的平均值或开始时刻的值，如一次调频动作需增负荷，则取两者的最小值；如一次调频动作需减负荷，则取两者的最大值。

8　结语

本研究从电厂、调度、考核系统及通信等中间环节各方面研究并提出水电厂一次调频功能及考核系统存在的问题，通过原理分析、受制约因素分析等，制定解决方案，从而有效的解决了一次调频辅助服务功能和考核系统存在的问题，辅助服务较好的适应考核系统，达到了研究、解决问题的目的。

一次调频辅助服务功能和考核系统适应性改进后，考核费用大幅减少，仅大化电厂每年减少约420万元，广西电网每年减少一次调频考核费用8100万元。同时，项目中研究方法全面、新颖，提出的解决方案获得了大唐广西分公司、电网机构、电监局和电科院的采纳和认可，对其他电厂、电网机构、电监局和电科院处理辅助服务问题具有推广和借鉴作用。

参考文献：

[1]中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 496-2001水轮机电液调节系统及装置调整试验导则[S]，2001.

[2]中华人民共和国标准化管理委员会.GB/T 9652.1-2007水轮机控制系统技术条件[S]，2007.

[3]中华人民共和国标准化管理委员会.GB/T9652.2-2007水轮机控制系统试验[S]，2007.

中图分类号：TM761

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2015）06-0018-06

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.006

收稿日期：2015-01-26

作者简介：黄国明（1975-），男，电气工程师，从事自动化监控工作。