基于电网考核细则框架下的一次调频功能优化

王洪凯，管庆相，李建军，姚 远

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

基于电网考核细则框架下的一次调频功能优化

王洪凯，管庆相，李建军，姚 远

（国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院，辽宁 沈阳 110006）

介绍了火电机组一次调频功能，对辽宁电网一次调频考核细则进行了深刻解读，提出了基于电网考核细则框架下的一次调频功能优化方案。此方案既从外部环节查找问题原因，又从内部组态制定控制策略、优化控制逻辑、调整控制参数。针对考核细则要求进行改进与完善，实现了火电机组一次调频能力的有效提升，为火电机组一次调频功能优化提供依据。

一次调频；考核细则；逻辑优化；辽宁电网

电网频率作为电网安全的重要监控指标［1］，直接影响电网的安全稳定运行及用电设备的使用寿命。当并网机组出现故障跳闸或直流联络线存在故障闭锁时，会对电网频率产生较大的冲击，电网调度系统以及AGC功能的滞后性将无法满足电网稳定运行的要求。而入网机组一次调频功能的有效投入，弥补了这一不足［2］。因此，为提高电网供电品质，各网、省公司已加大力度推进各发电机组完善自身的一次调频功能，以提高电网运行的稳定性，减少电网频率波动，增强电网抗事故能力［3］。

国网辽宁省电力有限公司于2010年发布了《辽宁电网发电机组一次调频考核管理实施细则》，以切实推进省内机组一次调频功能的有效投入，积极促进辽宁电网供电品质的稳步提升。

本文通过对火电机组一次调频功能的介绍以及对辽宁电网一次调频考核管理实施细则的梳理，从硬件与软件两方面入手，总结出一套行之有效的优化方法，实现了一次调频能力的有效提升。

1 一次调频原理与特征参数

1.1 一次调频原理

一次调频是指当电网频率改变时，火电机组汽轮机调速系统根据电网频率的变化自动调节汽门开度，利用锅炉蓄能改变机组功率以适应网频的变化。一次调频是依靠原动机调速系统自动完成，其响应时间约为几s［4］。

1.2 一次调频特征参数

1.2.1 调频死区

调频死区是指机组转速在死区范围内变化时，机组的一次调频不动作。其目的是在电网频率变化较小的情况下提高机组运行的稳定性。

1.2.2 转速不等率

转速不等率也称为速度变动率，是指机组调节系统在额定工况下给定值不变，汽轮机由空负荷到满负荷的转速变化量与额定转速之比。

1.2.3 负荷补偿曲线

一次调频作用的负荷增量与频差（转差）信号之间的特性曲线即为负荷补偿曲线。为保证机组运行的稳定性，除了设置调频死区外，还设置了负荷变化幅度限值，因此负荷补偿曲线是一条非线性曲线。

1.2.4 迟缓率

在汽轮机调节系统中，由于部件摩擦、铰接间隙、滑阀重叠度等影响存在迟缓现象，使机组静态特性曲线在转速上升和下降时不再是一条，而是近于平行的两条曲线。将上升曲线与下降曲线在同一功率下的转速差与额定转速之比的百分数称为调节系统的迟缓率，用于反映调节系统的静态特性品质［5］。

2 辽宁电网一次调频考核细则

辽宁电网对发电机组一次调频功能的考核可分为投运率与响应特性两方面。其中响应特性又分为响应速度、负荷调整幅度、调整幅度偏差以及调频响应指数4个指标。

2.1 投运率

一次调频月投运率计算公式：

投运率＝（月投运时间／月并网时间）×100%

投运率每低于100%1个百分点，每月考核1分∕万kW；对未经电力调度机构批准停用调频功能的机组，每次考核2分∕万kW。

2.2 响应速度B1

一次调频动作后，机组出力在起始3 s内的每1 s均对一次调频负荷调整有正确响应，则B1记为1，指标合格。

2.3 负荷调整幅度B2

一次调频动作后，在起始的15 s内，实际负荷最大增量与理论负荷最大增量的比值记为B2。如B2≥90%，则指标合格。

2.4 调整幅度偏差B3

从第3 s开始至60 s或至60 s前一次调频结束为止，所有采样点的实际出力与理论出力偏差的平均值与此次调频过程中最大理论增量的比值记为B3。如B3＜0.25，则指标合格。

2.5 调频响应指数Bu

机组一次调频产生的实际积分电量与期望积分电量之比记为Bu。

Bu值越高，则表明机组对电网频率恢复的贡献越大。如果一次调频的实际动作与目标值相近，则Bu接近1。如Bu＞0.9，则调频响应指数指标合格。

2.6 月度指标要求

辽宁电网一次调频考核采用月考核方式，通过当月各项指标的平均值来判断机组一次调频响应特性是否合格。考虑到机组运行中可能存在不确定性干扰因素，月统计指标较单次指标要求有所放宽：B1≥0.5记为合格；B2≥90%记为合格；B3≤0.3记为合格；Bu≥0.8记为合格。

3 基于考核细则框架下的调频功能优化

近年来，辽宁电网新能源发展迅猛，核电、风电的大规模接入影响了电网频率的稳定，特别是风电特有的间歇性、随机性，增加了电网调频的负担，提高了电网调峰、调频的难度［6－7］。自2010年起，辽宁电网逐步加大了对一次调频功能的考核力度。国网辽宁电科院热自所经几年来不断地探索与实践，在火电机组一次调频功能的诊断排查与完善优化上取得了宝贵的经验。

3.1 一次调频考核指标制约因素

一次调频考核系统由3个部分构成：一是单元机组一次调频控制系统。它通过分散控制系统对机、炉两侧设备的控制实现一次调频功能；二是厂级信号传输系统，它通过相量测量单元（Phasor Measurement Unit，PMU）采集计算一次调频考核数据，通过调度专网传入电网广域检测系统（Wide Area Measurement System，WAMS）服务器；三是电网公司一次调频曲线考核系统，它负责对各厂一次调频投退情况及调节品质进行分析评价。

根据经验，火电机组一次调频考核指标合格与否，通常受制于上述3个部分中的如下几个方面。

3.1.1 协调控制系统

一次调频回路的组态方式需注意两点：一是CCS中频率校正指令不经速率限制；二是频率校正指令需在最低稳燃负荷与额定负荷之间均能得到有效响应。

此外，当协调控制系统投入效果不佳时，机组负荷与主汽压力之间的需求矛盾难以平衡，一次调频功能会受到主汽压力偏差的影响。

3.1.2 DEH一次调频控制逻辑

目前绝大多数DEH系统是由汽轮机制造厂设计和制造的专用装置，而汽轮机厂家对涉网环节控制理念的理解存在不足，对电网考核细则了解并不全面透彻，这就导致其控制逻辑尚不完善，控制参数更是不能匹配机组的实际特性。

3.1.3 DEH调门流量特性曲线

电调控制系统中的调门流量特性曲线是根据汽轮机厂提供的“调门升程与实际流量”曲线计算得到的。它的设置是否与实际相符、根据曲线得到的实际流量是否与流量指令呈线性关系对于一次调频至关重要［8］。在实际生产过程中，存在着曲线设定与机组特性不符，流量指令与实际流量并非线性的情况。

3.1.4 伺服调阀

当伺服系统或调阀机构出现问题时，会导致调速汽门出现迟滞、卡涩或摆动的现象，这会对机组一次调频的控制品质造成影响。

图1所示为某台机组一次调频动作时，5号高调门（CV5）指令虽快速响应，但反馈却存在明显滞后。这将导致一次调频负荷调整的快速性无法得到保证。

图1 调速汽门动作迟滞曲线

3.1.5 数据传输

在数据传输过程中，信号的正确性、精确性以及滞后性是影响一次调频控制品质的重要因素。

根据考核细则要求，当一次调频扰动发生前60 s该机组出力持续上升或下降时，默认机组一次调频响应特性合格。“负荷指令”可起到协助判断机组出力是否改变的作用，如信号传输错误，则会导致部分本应默认合格的取样点被误判为不合格。

当发电机电流或电压受到谐波干扰时，会导致“实际出力”信号产生抖动。如图2所示，某台小容量机组，信号干扰导致的功率摆动量甚至超过一次调频理论增量，这对调整幅度偏差指标造成了极大的影响。

图2 谐波干扰导致实际出力抖动

3.2 基于考核细则框架下的调频功能优化

3.2.1 辽宁电网考核细则解析

一次调频考核结果由B1、B2、B3与Bu指标合格与否决定。结合考核细则具体分析各指标要求可知，考核样本根据指标要求按照时间区间可划分为3段。

第1段为初始3 s，用B1指标来表征机组响应一次调频的快速性。这主要依靠DEH侧的前馈作用。

第2段为前15 s，用B2指标来表征机组响应一次调频的调整幅度。这不单需要依靠DEH侧的前馈作用，还需要DCS协调控制系统来弥补前馈作用造成的超调或欠调。

第3段为初始3 s后至60 s或至一次调频动作结束，用B3指标表征机组响应一次调频的控制精度。此阶段更加倚重DCS协调控制系统的闭环调节作用。

对于Bu指标，在期望积分电量确定的条件下，实际积分电量的多少取决于B1、B2、B3指标的优劣。

综上所述可得出如下结论。

a.从时间角度分析，B1指标时间范围相对独立，B2指标时间范围涵盖B1，B3指标时间范围涵盖B2。鉴于DEH侧采用前馈作用方式，因此在增益调节方式下从时间角度分析控制指标之间相互耦合［9］。

b.从控制角度分析，B1指标侧重DEH侧，B2指标兼顾DEH侧与DCS侧，B3指标侧重DCS侧。鉴于一次调频的负荷期望与机组主汽压力的稳定存在矛盾，因此在闭环调节方式下从控制角度分析受控对象之间相互耦合。

因此，在以考核细则指标要求为指导依据的前提下，如何更加合理地完善控制策略、优化控制逻辑、调整控制参数，从时间角度与控制角度实现双解耦，已成为提高一次调频控制品质的关键。

3.2.2 DEH侧一次调频功能的优化

DEH侧一次调频功能是通过负荷补偿曲线增益调节综合阀位指令，以前馈控制方式直接作用在调速汽门上。其关键在于如何合理地设置负荷补偿曲线增益值。增益过小，会导致调门开度增量不足，造成负荷欠调，导致B1、B2指标不合格；增益过大，则会导致前馈作用过强，这虽利于B1、B2指标的合格，但会导致B3指标的增大。由此可见，负荷补偿曲线增益影响着B1、B2、B3指标的品质，而B1、B2、B3指标在考核时间上具有重叠性，存在耦合。

综上所述，基于电网考核细则中一次调频功能对DEH侧前馈作用的强弱需求，可从时间角度对负荷补偿曲线增益进行变参数设置，即针对B1、B2、B3指标分别以3 s、15 s为特征点，采用变参数方式设置增益。鉴于B2指标的增益值亦适用于B1指标，因此可根据机组特性将B1、B2设置为同一增益值。优化逻辑见图3中左1部分。

图3 DEH侧一次调频逻辑优化

图3中右2部分的阀门流量校正回路是对负荷补偿曲线增益作进一步修正，其作用是用于校正综合阀位指令与主汽流量之间的非线性干扰。其中设定压力与运行压力的比值用于减小主汽压力偏差对调频效果造成的影响；负荷指令函数则用于削弱流量特性曲线非线性给调频效果带来的干扰。

3.2.3 DCS侧一次调频功能的优化

DCS侧协调控制系统中的机组负荷指令信号由操作员指令或AGC指令、一次调频负荷补偿曲线输出及压力拉回修正指令3部分叠加而成。在一次调频动作时，压力拉回修正指令会因压力偏差造成功率反调，这对一次调频作用产生了反抑制。为解决这一问题，需要对此部分逻辑进行优化。

图4为优化后逻辑示意图，压力拉回逻辑经优化后增加了调频动作时输出自保持功能，在一次调频动作且主汽压力偏差不大于安全值的情况下，闭锁压力拉回输出，使得一次调频期间调节阀不参与主汽压力调节。当压力偏差越限时，则自动恢复压力拉回作用，保护机组的安全稳定运行。

图4 DCS侧一次调频逻辑优化

4 应用实例

2014年10月，受丹东金山热电厂委托对其1号机组进行一次调频功能优化。通过近8个月的一次调频月度考核统计表了解到（见表1），1号机组B2、B3、Bu指标均不理想。

表1 优化前一次调频月度考核统计

结合图5，优化前一次调频考核曲线样本分析得知：①负荷指令信号传送存在问题，无法协助考核系统判断机组出力是否持续变化；②一次调频前馈作用不足，无法满足B2参数要求；③后期调整存在严重欠调，导致B3、Bu指标不理想，需对协调系统及压力拉回回路进行适当调整。

针对以上问题，结合电网考核细则要求与机组特性，通过对机组一次调频功能相关硬件设备问题的排查与处理，对控制逻辑的优化及控制参数的调整，本台机组一次调频功能得到明显改善，已能够满足电网考核细则的要求。优化后的考核曲线及月度考核统计如图6和表2所示。

图5 优化前考核曲线

图6 优化后考核曲线

表2 优化后一次调频月度考核统计

其中，2015年4月、5月因机组停运未列入统计，2015年1月、7月因协调控制系统退出使B3、Bu指标受到影响，致使月度考核不合格。

5 结束语

本文通过对电网一次调频考核细则的深刻解读，以满足各项考核指标为目的，提出了基于电网考核细则框架下的一次调频功能优化方案。此方案从外部的硬件设备和内部的逻辑参数入手，查找问题，分析原因，制定控制策略。经工程实例验证，本套方案科学有效，经优化后机组一次调频控制指标能够满足电网考核要求。

［1］王 刚，郝 涛，张江南，等.火电机组一次调频合格率的影响因素分析［J］.中国电力，2014，47（2）：23－26.

［2］陈小强，项 谨，魏路平，等.1 000 MW机组一次调频性能优化［J］.中国电力，2010，43（4）：63－66.

［3］金 丰，陈建国.火电机组一次调频和AGC性能优化分析［J］.东北电力技术，2014，35（5）：7－10.

［4］朱北恒.火电厂热工自动化系统试验［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［5］代云修，张灿勇.汽轮机设备及系统［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［6］许睿超，罗卫华.大规模风电并网对电网的影响及抑制措施研究［J］.东北电力技术，2011，32（2）：1－4.

［7］霍志红，郑 源.风力发电机组控制［M］.北京：中国水利水电出版社，2014.

［8］霍红岩，武 斌，张凌琪，等.中调门流量特性曲线对DEH控制系统的影响分析［J］.内蒙古电力技术，2010，41（4）：44－46.

［9］郝 欣，王英荟，于学丽.机组一次调频控制算法设计与实现［J］.热力发电，2013，42（8）：131－134.

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

王洪凯（1982—），男，学士，工程师，主要从事热工自动控制技术研究。

2016－05－20）