基于UCPS标准的机组新型调节性能指标与应用

吴继平 ，李俊恩 ，孙其振 ，雷 鸣 ，马 强

（1.南瑞集团有限公司，江苏 南京 211106；2.国网山东省电力公司，山东 济南 250001）

0 引言

机组作为电网二次频率调整的控制主体，其跟踪主站AGC控制指令的能力和质量是保证电网频率安全的基本前提。目前我国在机组AGC调节性能评价方面，多采用响应时间、调节速率、调节精度、调节范围等单个或组合性能指标[1-2]。在机组实际调节效果方面，有学者提出将AGC机组的调节效能划分为3个效能系数[3-4]：调节容量、调节速率和调节偏差，上述指标能够较为客观地反映AGC机组对电网的实际贡献。与我国关注机组单个控制性能指标相比，北美各大独立系统运营商 （independent system operator，ISO）在机组性能评价方面更加关注与市场滚动衔接，计算机组目标出力与实际出力之间的统计关系。Pennsylvania—New Jersey—Maryland电网运营商以5 min为一个周期，实时统计机组目标出力与实际出力的相关性以及两者之间的偏差平均值[5]。纽约州ISO则在每个实时调度时段 （一般是5 min）计算出机组控制目标与实际出力在实际控制过程中的最大正偏差、最大负偏差以及机组提供的调节空间，表征机组的调节性能指标[6]。

基于速率、精度和响应时间的机组调节性能指标非常贴近机组跟踪AGC指令的运行过程，计算结果物理意义明确，便于设计考核补偿方案。但目前基于常规性能指标设计的评价方法一方面无法有效分辨机组不跟踪或跟踪效果较差等运行工况[6-7]，电厂有可能对控制指令采取选择性执行策略，在指标计算整体结果上并没有太大影响；另一方面不能量化分析AGC机组调节过程对电网频率及联络线功率控制的实际贡献，尤其是部分响应时间较差的机组，若不能及时响应AGC控制，其实际跟踪效果可能与电网实际需求相反，其控制过程不仅对电网没有贡献，反而不利于电网实际运行。随着调频市场的逐步建立，在准确评价机组调节性能的基础上，更迫切需要进一步完善表征机组对电网运行调节贡献指标，同时能够在长周期时间尺度上对机组调节贡献进行统计学上的评价。

针对当前机组调节性能指标在实际运行过程中存在的问题以及调频市场建立后对机组调频效能的评价要求，通过分析UCPS标准的适用性，提出基于UCPS标准的UCPS1改进算法，通过统计分析机组控制偏差与电网区域控制偏差 （Area Control Error，ACE）之间的统计关系，得出表征机组调节效能的新指标，能够更加准确评价机组调节过程对电网的实际贡献。

1 UCPS控制性能评价标准

北美电力可靠性委员会（North American Electric Reliability Council，NERC）于 1997年提出对发电厂提供辅助服务的性能设立评价体系。在此基础上结合多年的运行经验，于2002年提出了服务提供者控制性能标准 （Service Control Performance Standard，SCPS），引入SCPS可促进机组改变其控制策略，对改善电网频率控制性能发挥很好的作用。SCPS与NERC制定的控制区控制性能标准 （Control Performance Standard，CPS）一脉相承，对控制区内机组的性能评价具有较好的延续性[8]。

1.1 机组控制偏差

机组控制偏差主要用于表征机组控制目标与实际出力之间的偏离程度，反映了机组跟踪控制目标的优劣，其计算公式为

式中：Uce为机组控制偏差，MW；Ua为机组实际发电功率值，MW；Uc为机组控制目标值，MW。

1.2 机组I类性能评价

1.2.1 机组I类性能评价标准

对于联络线偏差控制模式，UCPS1要求机组（或机组组合）的控制性能满足以下条件：

1）长期（时长大于一个月）控制性能应满足机组控制偏差平均值接近0；

2）机组控制偏差应有利于减小控制区的ACE，或对控制区ACE的影响不超出规定的范围，即满足

式中：Uce-1-min为机组控制偏差1 min的平均值；Vace-1-min为控制区控制偏差1 min的平均值；P为对该机组的分配因子，ΣP=1；γ1为控制区控制偏差1 min平均值的目标限值，MW。

UCPS1标准注重判断机组控制偏差Uce是否影响控制区的ACE，当Uce与ACE符号相反时，该Uce对减小控制区的ACE是有利的；当Uce与ACE符号相同时，则该Uce对减小控制区ACE是不利的，但如果 Uce的数值较小，仍满足式（2），则表示该Uce对控制区ACE的影响未超出规定范围。

1.2.2 机组I类性能评价指标计算

式中：UCPS1为机组I类性能评价指标；n为每个计算时段的分钟数；

当UCPS1≥200%，表示Uce对减小控制区的ACE或电力系统的频率偏差有利；200%＞UCPS1≥100%，表示VCE对控制区的ACE或电力系统的频率偏差的影响未超出规定的范围；UCPS1＜100%，则表示Uce对控制区的ACE或电力系统的频率偏差的影响已超出规定范围。

1.3 机组Ⅱ类性能评价

1.3.1 机组Ⅱ类性能评价标准

机组Ⅱ类性能评价标准要求机组每10 min Uce的平均值控制在规定的范围内。即

式中：｜Uce-10-min｜为 Uce10 min 平均值的绝对值；L10为控制区的CPSⅡ类控制性能限值；Pi为机组i的分配因子；M为根据机组类型设定的机组最大控制偏差值；Ki为机组i的参与因子。

1.3.2 机组Ⅱ类性能评价指标计算

II类性能评价指用于计算是机组控制偏差的总体合格率，用于从长时间尺度评价机组实际出力偏离控制目标的程度，每10 min作为一个计算点。

式中：UCPS2为机组Ⅱ类性能评价指标；Tq为机组UCPS2合格时间，min；T为机组运行的时间，min。

2 机组I类性能评价指标改进

2.1 UCPS标准分析

UCPS标准将机组调节量与区域ACE或频率偏差直接相关，直观地量化了机组对于系统频率控制的贡献度。从式（1）和式（2）可以得出，UCPS标准中利用了机组目标出力与实际出力的偏差及电网ACE进行了统计分析，但在AGC控制过程中，AGC机组的目标出力实际上由AGC应用实时根据电网ACE得到总体调节需求，再根据调节需求将调节量分配给参与AGC控制机组，AGC机组的控制目标就等于机组实际出力加上调节量，而且考虑到机组实际跟踪能力，在分配调节量时会受到机组最小、最大调节量的限制，同时，机组跟踪AGC控制指令时，受到机组调节速率限制，其实际过程需要一定时间才能完成，因此，在计算机组目标出力时不宜直接用AGC目标出力，需要对机组的目标出力进行处理后再进行统计分析计算，对UCPS1指标的计算方法进行改进，UCPS2指标的计算方法可以沿用标准算法进行计算。

2.2 机组I类性能评价指标改进

机组控制偏差反映的是机组实际出力与目标出力的偏差。在修正机组目标出力时，首先根据机组额定调节速率，得到机组期望的调节目标，该目标应该根据机组实际调节能力得到。根据AGC下发的控制目标，构建一个虚拟实时控制目标。从AGC下发实际控制目标开始，机组按照额定调节速率斜率向最终的控制目标得到控制目标虚拟斜线，将这条虚拟斜线作为机组期望目标出力，如图1所示。

图1 虚拟目标计算

机组参与ACE调整后实际调节偏差为

式中：U′ce为机组的控制偏差，MW；Ud为机组的虚拟目标出力，MW。

对机组I类性能评价指标进行改进，改进后的机组I类性能评价指标计算公式为

式中：U′CPS1为改进机组 I类性能评价指标；U′ce-min为U′ce的1min平均值；n为每个计算时段的分钟数。

3 应用效果分析

以山东电网2台机组为例进行分析，其中1号机组为装机300 MW的火电机组，2号机组为装机1 000 MW的火电机组，机组的额定调节速率为装机容量的1.5%。图2和图3分别为1号、2号机组在某时段的跟踪情况，机组实际出力和目标出力采样间隔为5 s。

图2 1号机组跟踪AGC控制指令曲线

图3 2号机组跟踪AGC控制指令曲线

分别利用传统的调节速率、响应时间、调节精度计算机组的常规性能指标，如表1所示。

从机组统计得出的机组调节性能数据分析，考虑机组装机容量的情况下，1号机组和2号机组的调节性能均满足考核指标要求。

表1 机组调节性能数据

1号机组和2号机组在采样时段内的U′CPS1指标和UCPS1指标分别如图4与图5所示，采样间隔为5 min。

图4 1号机组UCPS1与UCPS1指标对比

图5 2号机组UCPS1与U′CPS1指标对比

从图4和图5的U′CPS1可以很直观得出1号机组对电网的调节贡献要明显好于2号机组。通过将UCPS指标结合常规机组性能各项指标的对比和印证，能够更加全面地反映机组跟踪AGC控制指令效果及其对电网频率的贡献。同时通过1号机组和2号机组的U′CPS1和UCPS1对比可以得出：传统UCPS指标计算结果跳跃性较大，并且存在机组跟踪效果良好但指标仍不合格现象，说明传统UCPS指标不适应调频机组的考核评价。

图6和图7分别为1号机组和2号机组在增加UCPS标准考核前后不同月份同一日的U′CPS1小时平均指标对比，采样间隔为.1 h，增加UCPS考核后，1号机组的 U′CPS1日平均指标由 194提高到 223，2号机组U′CPS1日平均指标由178提高到202，由此可以得出通过增加UCPS指标考核，全面评价机组性能和贡献能够促进电厂进一步改进机组调节性能，有利于电网提高电网频率控制效果。

图6 1号机组U′CPS1指标对比

图7 2号机组U′CPS1指标对比

4 结语

通过分析当前机组调节性能指标及其计算方法中存在的具体问题，从UCPS标准的适应性出发，根据AGC机组控制指令下发的具体方式和相关限制因素，提出了改进机组UCPS指标计算方法，结合传统性能指标能够全面反映机组在任意固定时段内的实际调节性能和调节贡献，实际算例表明新提出的UCPS指标能够准确反映机组调节对电网实际运行产生的具体贡献，实施考核后能够有效促进电厂提高机组调节性能，提高电网频率控制效果。