一次调频补偿能力预测的研究与应用

2022-01-12李元元李克雷

山东电力技术 2021年12期

李元元，李克雷，李军，高嵩

（国网山东省电力公司电力科学研究院，山东济南 250003）

0 引言

随着特高压、新能源的快速发展，山东电网格局发生了重大变化，外电入鲁和新能源发电比逐步提高，将与火力发电形成“三个三分之一”的格局，由于“入鲁外电”与新能源的调节能力较弱，火电机组占比大幅度降低，核电、特高压输入电量、风电［1-2］等调频能力有限，火电机组成为调频的主力，调节性能日益受到重视。其中机组一次调频功能对确保电网频率稳定性具有重要的作用。

目前在一次调频研究方面，较多的集中在一次调频的在线监测［3-5］、性能评估［6-9］、特性分析［10-11］、稳定性影响及策略［12-17］，但机组一次调频补偿能力与机组参数设置和运行状态有关，电网并不具备实时控制能力，如何对电网的一次调频补偿能力进行预测，为调度提供运行参考，成为值得研究的问题。文献［18］基于相量测量装置（Phasor Measurement Unit，PMU）记录的一次调频历史数据，综合时间维度和最大频差维度，对历史数据赋予不同的权值，对发电机组的实时调频能力进行预测。文献［19-20］使用深度学习算法，构建基于深度信念网络的一次调频预测模型，预测60 s 的系统功率补偿量变化曲线。这3 篇文献分别从两个角度阐述了一次调频补偿能力预测的方法，但文献［18］的历史数据使用了频差极值，实际扰动过程中频差并不是保持不变的，即使是两次频差极值相等，频差变化过程、机组对扰动的响应过程也不尽一致，会造成预测的偏差。文献［19-20］在参数的选取上较为复杂，备用容量的采集实时性欠佳。

研究选取典型参数计算机组一次调频运行历史工况，根据“机组工况最接近则响应最接近”的原则，选取与实时工况最近的历史数据进行拟合，计算单台发电机组1 min的一次调频补偿能力，进而计算全网1 min的一次调频补偿能力，为电网调度安全运行提供支撑。

1 山东省网源监督服务技术平台

山东省网源监督服务技术平台（简称网源平台）自2015 年开始建设，至今已将180 余台火电机组数据接入平台，接入测点包含调频、调峰等的200 多个测点，采集到的数据为调频调峰各个功能的模型提供数据基础。平台在各电厂设置子站，子站采集电厂机组数据，通过电力专网上传到主站侧，数据采集频率为1 s。

山东省调定期进行一次调频远程试验，网源平台会实时抓取到这些试验。试验开始时，遥控信号置位，15 s 后扰动信号下发，一般下发0.1 Hz 频差的扰动信号，电厂接收信号，开始一次调频响应。期间扰动信号不变，持续75 s，试验结束，遥控信号复位。一次调频远程试验覆盖了各个机组的多个负荷段，机组的响应情况如实反映了机组在该负荷、调门开度、压力状态下的调频能力。借助这些数据能很好分析和预测机组在不同的状态下不同频差下的调频能力。

2 一次调频技术指标

一次调频参数设置参照行业标准以及山东省的相关规定，调频死区为±2 r/min，转速不等率为δ=5%，机组参与一次调频的有功功率最大变化幅度设定值按照机组额定功率划分为

式中：PN为机组额定功率；Pmax为有功功率最大变化幅度。

机组一次调频补偿曲线设置如图1 所示。理论补偿量计算公式为

图1 一次调频补偿曲线

式中：ΔP为机组理论补偿量；s为转速差；Δf为频差。

当电网频率变化超过机组一次调频死区时，机组响应滞后时间应小于3 s，燃煤机组达到75%目标负荷时间应不大于15 s，达到90%目标负荷的时间应不大于30 s，稳定时间应小于1 min。

3 一次调频补偿能力预测方法

一次调频补偿能力预测需要先采集历史数据，取远程试验开始0～60 s 的曲线作为历史数据存储，0 s 的值反映机组运行状态，1～60 s 的值反映机组响应能力。由于每次试验的扰动频差有所不同，需要将试验数据进行折算处理。折算完成后，计算实时数据与历史数据的距离，距离的远近代表一次调频发生时工况的相似度，距离越近，工况相似度越高，取相似度高的历史曲线拟合作为当前电网60 s 内一次调频补偿能力预测曲线。本文所述方法采集有功功率、主控指令和主汽压力3 个参数的数据来表征机组一次调频运行工况。

3.1 数据的采集

将频差定义为机组实际频率减额定频率。一次调频补偿能力预测所用到的历史数据有有功功率、主控指令、主汽压力、试验频差及试验开始后机组的60 s 一次调频补偿曲线。机组一次调频历史数据集合为

式中：H为单台机组所有历史数据集合；Hi为第i次一次调频历史数据集合；n为一次调频的总次数；为第i次一次调频第j秒的补偿量值；Pi为第i次一次调频第0 s 有功功率；Ti为第i次一次调频第0 s 主汽压力；Ki是第i次一次调频第0 s 主控指令；Δfi为第i次一次调频扰动频率。

3.2 数据的处理

相同工况下不同频差的一次调频补偿量之间是非线性关系，本文将其通过按比折算的方式线性化处理，得到该工况目标频差下的一次调频补偿量预测值。虽然线性化处理得到的一次调频补偿量预测值是近似值，但是只要历史数据足够大，就可以直接计算而不用折算，或者即使需要折算，由于频差之间的差距变小而使得线性化误差变小，折算结果精度提高。

一次调频远程试验扰动频率大多为0.1 Hz 左右，少数有些许的偏离，需要对这些频差偏离数据进行线性化处理，将其加入0.1 Hz 历史数据中。将频差折算到0.1 Hz，而相应产生的补偿量曲线也折算到对应0.1 Hz 的补偿量曲线。补偿量折算方法为

经过上述折算，所有历史数据都是试验频差为0.1 Hz的数据，即可对0.1 Hz频差下的出力能以进行统计分析。

利用有功功率、主汽压力、主控指令进行出力计算时，考虑单位不同数据差异较大，会造成对距离影响权重不同，因此需要将各变量进行标幺，来平衡各变量对距离的影响。标幺对第0 s 数据进行，标幺过程为

3.3 一次调频补偿能力预测

历史数据经过处理后，需要计算其与当前数据的距离，来确定各历史数据与实时数据工况的相似程度，以筛选用来拟合补偿曲线的历史数据。计算时，取当前数据并进行标幺，过程如下。

计算历史数据与实时数据的距离为

式中：D为历史数据与实时数据的距离集合；Di第i次一次调频与实时点的距离。

通过式（8）得到距离集合D距离越小，说明该点发生一次调频时的工况与当前工况越接近，那么一次调频动作的过程也会越一致。选取距离最近的3次试验，取其补偿量折算值，然后取均值，作为0.1 Hz 频差下该机组的一次调频补偿能力预测曲线。

所有开机的机组一次调频补偿能力预测曲线相加，得到电网0.1 Hz 频差下实时的一次调频补偿能力预测曲线。如果要计算其他频差下的电网一次调频补偿能力预测曲线，需要线性化处理，将电网0.1 Hz 下的一次调频补偿能力预测曲线相应的折算到目标频差Δf下，得到补偿能力预测曲线上各个点的近似值，即为

折算后0～60 s 的补偿值组成目标频差下电网一次调频补偿能力预测曲线。

4 算例分析

4.1 机组一次调频能力预测

网源平台采集了2019 年7 月至2020 年11 月各机组的一次调频远程实验数据，以这些数据为基础，对文中的一次调频能力预测进行验证。为了更好地对验证结果进行评价，选取某660 MW 机组2020 年11 月25 日一次调频远程试验，第0 s 作为起点进行预测，这样既能得到调频能力预测曲线，又有实际调频动作曲线，两者比较可得到实际动作与预测值的偏差。

表1 是某660 MW 机组2020 年11 月25 日前的19 次一次调频试验原始数据及11 月25 日一次调频远程试验工况表。

表1 某660 MW机组一次调频试验历史数据

表1（续）

基于表1 数据，经式（5）—式（6）处理后得标幺后数据，经式（7）—式（8）得到距离值，见表2。从表2中可见，与11 月25 日一次调频远程试验第0 s 的工况相比，距离最近的3 次试验日期为2019 年11 月2日、2020年8月8日、2020年9月8日。

表2 某660 MW机组0.1 Hz频差下标幺数据及距离

取表2 中距离最近的3 个历史数据对应的折算后的补偿曲线，并对曲线取均值，得到补偿能力预测曲线，如图2所示。

表3 给出了预测值和实际值之间的差距，对照一次调频技术指标，可判断一次调频预测动作情况满足3 s、15 s、45 s 的相应要求。结合图2 和表3 分析，补偿量第3 s 偏差较大，之后偏差迅速减小，到15 s 后偏差减小到2 MW，45 s 后偏差减小到1 MW内。第3 s 偏差大，原因在于DEH 响应速度较快，补偿量1～2 s 时间内可增加8 MW 左右，因此造成第3 s 偏差大。由此可见，该方案预测值与实际值整体偏差非常小，能比较准确的预测机组一次调频的出力情况。

图2 某660 MW机组0.1 Hz频差下一次调频补偿曲线

表3 某660 MW机组0.1 Hz频差下实际值和预测值比较

4.2 电网一次调频补偿能力预测

综合开机机组0.1 Hz 频差下的预测出力情况，可得出0.1 Hz 频差下电网的一次调频补偿能力预测，进而根据式（9）近似得到不同频差下电网的一次调频补偿能力预测。图3 为网源平台展示的电网一次调频补偿能力预测结果，左侧为0.1 Hz 频差下电网一次调频补偿能力预测曲线，与理论值比，预测曲线响应更快速，在30 s 已达稳定，满足出力需求。右侧分别为在0.1 Hz 基础上计算得到的0.05 Hz 及0.15 Hz频差下一次调频补偿能力预测曲线。