CPS指標(biāo)及對上海電網(wǎng)的影響

王笑天，嚴(yán) 正

(1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240;2.上海電力公司調(diào)度控制中心，上海 200122)

上海電網(wǎng)是典型的受端型電網(wǎng)，目前已形成“三交四直”的受電通道，今后還將連同華東電網(wǎng)一起納入國網(wǎng)公司“三華聯(lián)網(wǎng)”的大框架之中.自2001年開始，華東電網(wǎng)開始采用控制性能標(biāo)準(zhǔn)(Control Performance Standard，CPS)評價(jià)指標(biāo)和考核體系［1］.上海電網(wǎng)CPS指標(biāo)在華東電網(wǎng)四省一市的排名中一直處于比較落后的位置，較低的CPS指標(biāo)不利于上海地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量的提高和電網(wǎng)的穩(wěn)定.

本文從CPS體系參數(shù)出發(fā)，通過對上海電網(wǎng)外來受電計(jì)劃、網(wǎng)內(nèi)大型鋼鐵企業(yè)沖擊負(fù)荷、網(wǎng)內(nèi)機(jī)組調(diào)節(jié)性能、系統(tǒng)頻率等客觀因素的深入分析，指出引起上海CPS指標(biāo)較低的根本原因，并在此基礎(chǔ)上提出了一套適合上海電網(wǎng)的CPS管理系統(tǒng)和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對提高CPS工作指標(biāo)、確保上海電網(wǎng)聯(lián)絡(luò)線安全和穩(wěn)定運(yùn)行有積極的現(xiàn)實(shí)意義.

1 CPS指標(biāo)考核體系簡介

CPS包括CPS1和CPS2，是北美電網(wǎng)在1998年推行用于對聯(lián)絡(luò)線電力、電量進(jìn)行管理考核的新標(biāo)準(zhǔn)［2］.CPS1標(biāo)準(zhǔn)要求:

式中:e——區(qū)域控制誤差，e=KΔf－ΔP;

K——控制區(qū)設(shè)定的頻率偏差系數(shù)，MW/Hz;

Δf——頻率偏差，Δf=f－50;

ΔP——實(shí)際與計(jì)劃受電差值;

eAVE-min——1 min內(nèi)誤差平均值;

ε1——互聯(lián)電網(wǎng)內(nèi)全年1 min頻率平均偏差均方根的控制目標(biāo)值.

定義依從因子為:

則CPS1指標(biāo)定義為:

CPS2要求e每10 min的平均值必須控制在規(guī)定的范圍L10以內(nèi)，即:

式中:K網(wǎng)——整個(gè)互聯(lián)電網(wǎng)的頻率偏差系數(shù);

ε10——互聯(lián)電網(wǎng)對全年10 min頻率平均偏差的均方根的控制目標(biāo)值.

可以看出，CPS 指標(biāo)的高低和 ε1，ε10，K，ΔP，Δf的數(shù)值有直接的關(guān)系.這些參數(shù)中，ε1，ε10，K的數(shù)值由華東網(wǎng)調(diào)根據(jù)系統(tǒng)情況每年進(jìn)行調(diào)整，可以看作固有參數(shù).ΔP和Δf是時(shí)刻變化的值，可以看作可變參數(shù).在 ε1，ε10，K 給定的條件下，ΔP和Δf的變化就成為決定CPS指標(biāo)的關(guān)鍵因素.本文通過對上述參數(shù)逐一分析，力求得出上海CPS指標(biāo)偏低的原因，并提出了相應(yīng)的解決方案.

2 CPS參數(shù)對其上海指標(biāo)的影響

2.1 平均偏差均方根的控制目標(biāo)值ε1和ε10對CPS指標(biāo)的影響

ε1的物理意義為系統(tǒng)全年1 min頻率平均偏差的均方根的目標(biāo)值，ε10的物理意義為系統(tǒng)全年頻率平均偏差的均方根的目標(biāo)值.通常情況下，電網(wǎng)可以通過減小ε1和ε10的設(shè)定值，加強(qiáng)對系統(tǒng)頻率的調(diào)節(jié)作用，以獲得較好的頻率質(zhì)量.從式(2)和式(3)可以看出:

(1)當(dāng)CPS1＞200%時(shí)，減小ε1將提高CPS1值，提高幅度與ε1成平方關(guān)系;

(2)當(dāng)CPS1=200%時(shí)，改變 ε1將不影響CPS1值;

(3)當(dāng)CPS1＜200%時(shí)，減小ε1將減小CPS1值，減小幅度與ε1成平方關(guān)系.

通常情況下，各區(qū)域的 CPS1的值均小于200%，因此減小ε1將降低各區(qū)域的CPS1水平.

由于影響幅度與ε1成平方關(guān)系，因此原來CPS1值較差的控制區(qū)域受到的影響更大.近年來，隨著系統(tǒng)頻率的不斷穩(wěn)定及華東電網(wǎng)對頻率控制的不斷加強(qiáng)，ε1呈逐年下調(diào)趨勢.這也造成了上海CPS1指標(biāo)在每次參數(shù)調(diào)整之后會有較大幅度的下降.但ε1和ε10兩個(gè)指標(biāo)并不是設(shè)得越小越好，需要有一個(gè)合理的取值，以在頻率調(diào)節(jié)與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行之間取得平衡.

2.2 頻率偏差系數(shù)K對CPS指標(biāo)的影響

頻率偏差系數(shù)K反映電力系統(tǒng)固有的頻率響應(yīng)特性，即系統(tǒng)中功率與頻率的靜態(tài)變化關(guān)系［3］.從式(2)和式(3)可以看出，在其他參數(shù)確定的情況下，K值越大，CPS1指標(biāo)越接近于200%.目前，華東電網(wǎng)全網(wǎng) CPS1指標(biāo)低于200%，所以增大K值，有利于CPS1指標(biāo)的提高.華東電網(wǎng)全網(wǎng)K值每年調(diào)整一次，由當(dāng)年預(yù)計(jì)高峰全網(wǎng)最大可供負(fù)荷的1%來確定，系統(tǒng)負(fù)荷水平越高，K值越大.例如，上海電網(wǎng)某年最高可供負(fù)荷為23 000 MW，則上海當(dāng)年的K值即為230 MW/0.1 Hz.近幾年，江蘇、浙江、安徽、福建4 省的負(fù)荷增加幅度均高于上海，因此其K值增長幅度也相應(yīng)高于上海.上海電網(wǎng)在K值變化方面的劣勢一定程度上影響了上海CPS1指標(biāo)在華東地區(qū)的排名.

2.3 頻率偏差Δf對CPS指標(biāo)的影響

從CPS公式可以看出，頻率偏差Δf的變化對由CPS指標(biāo)影響最大［4］.這是由CPS標(biāo)準(zhǔn)所追求的目標(biāo)決定的，即要求Δf數(shù)值盡量小，頻率盡量向50 Hz的標(biāo)準(zhǔn)頻率靠近.實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)頻率不可能保持在50 Hz的恒定值.

系統(tǒng)頻率f能夠反映系統(tǒng)總負(fù)荷L與系統(tǒng)總有功出力G之間的大小關(guān)系.系統(tǒng)總負(fù)荷和總出力差值的變化，將引起系統(tǒng)頻率的變化.當(dāng)系統(tǒng)總負(fù)荷L大于系統(tǒng)總出力時(shí)，系統(tǒng)頻率f將高于標(biāo)準(zhǔn)頻率，反之則低于標(biāo)準(zhǔn)頻率.隨著華東電力系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)裝機(jī)容量和系統(tǒng)總負(fù)荷都在逐年增加，系統(tǒng)總負(fù)荷與總出力之間差值的變化對于系統(tǒng)頻率的影響正在逐漸減小.由于整個(gè)華東電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率是一致的，如果從橫向?qū)Ρ鹊慕嵌葋砜?，系統(tǒng)頻率差值的變化對華東4省1市CPS指標(biāo)的影響比例是相同的.

2.4 實(shí)際與計(jì)劃受電差值ΔP對CPS指標(biāo)的影響

ΔP是區(qū)域電網(wǎng)實(shí)際受電與計(jì)劃受電的差值.

式中:P——實(shí)際受電;

P0——計(jì)劃受電;

M——系統(tǒng)總負(fù)荷;

G——系統(tǒng)內(nèi)發(fā)電機(jī)總出力.

由于計(jì)劃受電值P0的值及變化趨勢一般是確定的，所以實(shí)際受電P的值將很大程度上影響CPS指標(biāo)的高低.而系統(tǒng)負(fù)荷M的變動(dòng)及系統(tǒng)內(nèi)各機(jī)組出力的變動(dòng)，將影響系統(tǒng)實(shí)際受電值P，進(jìn)而影響CPS的指標(biāo).CPS控制的目標(biāo)是使ΔP頻率向著有利于接近標(biāo)準(zhǔn)頻率的方向發(fā)展.

在CPS標(biāo)準(zhǔn)中，ΔP是各省級調(diào)度在工作中需要實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)的部分.調(diào)度員能夠通過調(diào)節(jié)AGC機(jī)組有功出力來控制系統(tǒng)總出力G.AGC機(jī)組調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，調(diào)度員對系統(tǒng)總出力的控制力就越強(qiáng)，相應(yīng)地對ΔP的控制力也就越強(qiáng).

2.4.1 系統(tǒng)總負(fù)荷及裝機(jī)容量對CPS指標(biāo)的影響

在區(qū)域電網(wǎng)中，由于各省級電網(wǎng)的裝機(jī)容量各不相同，為了滿足供用電平衡，勢必需要進(jìn)行電力電量交易，即產(chǎn)生ΔP.假設(shè)每個(gè)省級電網(wǎng)的負(fù)荷都相同，則送出電力的省級電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量較大，受進(jìn)電力的省級電網(wǎng)機(jī)組容量較小.一般來說，裝機(jī)容量越大，AGC調(diào)節(jié)手段越豐富，調(diào)節(jié)能力也相對較強(qiáng)［5］.若送出電力的省級電網(wǎng)內(nèi)負(fù)荷增加，則需要配置更多的發(fā)電機(jī)組來保證其電力送出，無形之中就更加增強(qiáng)了其AGC調(diào)節(jié)能力和CPS控制能力.也就是說，送出電力的省級電網(wǎng)，CPS控制能力相對較強(qiáng).因此，在CPS標(biāo)準(zhǔn)下，從AGC總體調(diào)節(jié)能力方面考慮，送端電網(wǎng)相對有利，受端電網(wǎng)相對不利.

上海電網(wǎng)是典型的受端電網(wǎng)，從2011年度用電、發(fā)電、受電總量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來看，上海用電量的23.65%來自區(qū)外受電.部分輕負(fù)荷時(shí)段，上海電網(wǎng)受進(jìn)電力占總負(fù)荷的比重甚至接近50%.以2011年9月某非工作日15∶00～16∶00時(shí)段的負(fù)荷情況為例，該時(shí)段上海電網(wǎng)總負(fù)荷為15 200 MW，其中從外部受進(jìn)電力7 550 MW，占上海電網(wǎng)總負(fù)荷的49.67%.從華東電網(wǎng)內(nèi)5個(gè)省級電網(wǎng)的負(fù)荷水平來看，江蘇、浙江電網(wǎng)總負(fù)荷遠(yuǎn)高于上海電網(wǎng)，安徽、福建電網(wǎng)總負(fù)荷水平與上海相差不大.這些客觀情況導(dǎo)致了上海電網(wǎng)AGC總體調(diào)節(jié)能力相對較弱，在CPS控制方面的手段相對欠缺.近年來，上海提出提高清潔能源比例、增加綠色能源輸入的目標(biāo)，本地發(fā)電機(jī)組的建設(shè)腳步逐漸放緩，用電負(fù)荷的增長更加依賴區(qū)外受電的增長，區(qū)外受電比例有不斷增加的趨勢.這將使上海AGC調(diào)節(jié)能力相對其他省級電網(wǎng)的劣勢更加明顯.

2.4.2 沖擊負(fù)荷對CPS指標(biāo)的影響

在發(fā)電、受電能力不變的條件下，系統(tǒng)沖擊負(fù)荷將對CPS指標(biāo)產(chǎn)生嚴(yán)重影響.假設(shè)初始狀態(tài)系統(tǒng)頻率為50 Hz，若系統(tǒng)負(fù)荷瞬間增加ΔM，則需要發(fā)電機(jī)出力增加響應(yīng)ΔG=ΔM，才能使系統(tǒng)頻率保持50 Hz不變.而發(fā)電機(jī)的出力增加是一個(gè)漸進(jìn)的過程，滯后于系統(tǒng)負(fù)荷的變化，在系統(tǒng)負(fù)荷增加的瞬間，系統(tǒng)頻率必將降低.在負(fù)荷增加的省級電網(wǎng)內(nèi)將出現(xiàn)“低周超用”的現(xiàn)象，從而拉低CPS指標(biāo)，而且沖擊負(fù)荷幅度越大，對CPS指標(biāo)影響也就越大［6］.

寶鋼、上鋼的鋼鐵負(fù)荷是上海電網(wǎng)內(nèi)最大的沖擊負(fù)荷來源，也是華東電網(wǎng)內(nèi)主要的沖擊負(fù)荷來源.這兩家鋼鐵企業(yè)的沖擊負(fù)荷幅度一般都在200～300 MW 左右，嚴(yán)重影響CPS指標(biāo)，這從寶鋼某日負(fù)荷曲線中可以看出，見圖1.

由圖1可知，在6∶40～7∶05時(shí)段內(nèi)，寶鋼負(fù)荷由1 180 MW增加至1 555 MW，增加量ΔM=375 MW.在電網(wǎng)受電值保持不變的情況下，要應(yīng)對該負(fù)荷變化，需要上海電網(wǎng)內(nèi)發(fā)電機(jī)組增加出力ΔG=ΔM=375 MW.此時(shí)尚處夜負(fù)荷低谷時(shí)段，上海電網(wǎng)發(fā)電機(jī)組中僅能有1臺600 MW級機(jī)組投入AGC運(yùn)行，該機(jī)組在25 min內(nèi)最高可自動(dòng)增加有功出力約為180 MW，無法滿足375 MW的實(shí)際需求.實(shí)際情況是6∶40以前該機(jī)組為應(yīng)對系統(tǒng)負(fù)荷的下降，一直處于減出力狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)對該機(jī)組提出加出力要求時(shí)，由于機(jī)組存在慣性，無法瞬間增加有功出力，而是有一段時(shí)間的延時(shí)，實(shí)際上在6∶40～7∶05時(shí)段內(nèi)，該機(jī)組僅增加有功出力130 MW左右.造成該時(shí)段上海CPS1指標(biāo)低于100%，進(jìn)而拉低了上?？傮wCPS指標(biāo)值.而當(dāng)兩家鋼鐵公司的沖擊負(fù)荷同時(shí)發(fā)生且方向相同時(shí)，瞬間最大沖擊負(fù)荷可達(dá)500 MW以上，這對于上海電網(wǎng)的CPS指標(biāo)影響更大.

圖1 寶鋼某日負(fù)荷曲線

要消除沖擊負(fù)荷對CPS指標(biāo)的影響，需要發(fā)電機(jī)組能夠快速響應(yīng)，最大限度地抵消沖擊負(fù)荷的影響.目前主要依靠發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻能力和二次調(diào)頻能力進(jìn)行調(diào)節(jié).一般來說，參與快速調(diào)節(jié)的機(jī)組越多，整體調(diào)節(jié)能力越強(qiáng).大機(jī)組在效率方面占有很大優(yōu)勢，單向調(diào)節(jié)速率比小機(jī)組快.但是也正是因?yàn)槠淙萘看?，大機(jī)組在負(fù)荷由增到減或由減到增的轉(zhuǎn)換過程中，一般受慣性限制，反應(yīng)較慢.這也就決定了大機(jī)組在調(diào)節(jié)大的負(fù)荷趨勢時(shí)效果較好，但應(yīng)對來回快速變化的沖擊負(fù)荷時(shí)，效果不佳.小機(jī)組容量小，調(diào)節(jié)范圍相對較小，調(diào)節(jié)的絕對速率相對較慢，但是有變向快速的優(yōu)勢，在AGC調(diào)節(jié)靈活度方面更勝一籌，更加適合應(yīng)對沖擊負(fù)荷.

由于裝機(jī)容量的限制，上海電網(wǎng)在參與AGC調(diào)節(jié)的機(jī)組數(shù)量上處于劣勢.由于環(huán)保要求的不斷提升，節(jié)能減排工作不斷推進(jìn)，“上大壓小”成為電網(wǎng)發(fā)展趨勢.125 MW及以下的煤電小機(jī)組已基本全部退役.這就使得上海電網(wǎng)應(yīng)對沖擊負(fù)荷的能力進(jìn)一步下降，這在一定程度上進(jìn)一步惡化了CPS的調(diào)節(jié)環(huán)境.

3 提高上海CPS指標(biāo)的策略

結(jié)合上海電網(wǎng)實(shí)際情況，要提高上海CPS指標(biāo)，可采取以下5項(xiàng)措施將CPS體系參數(shù)向有利于上海電網(wǎng)的方向變動(dòng).

(1)目前華東電網(wǎng)總負(fù)荷已超1.5×108kW，總體頻率水平已相當(dāng)穩(wěn)定，隨著系統(tǒng)的進(jìn)一步增容，頻率穩(wěn)定水平還將不斷提升.此時(shí)再降低ε1和ε10數(shù)值，網(wǎng)內(nèi)機(jī)組的調(diào)節(jié)頻度和幅度均會大幅上升，但機(jī)組損耗也會加大，這對頻率質(zhì)量的提升意義不大.因此，華東電網(wǎng)在調(diào)整年度CPS固有參數(shù)ε1和ε10時(shí)，應(yīng)根據(jù)電網(wǎng)規(guī)模增大對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定的積極效應(yīng)，盡量減低ε1和ε10數(shù)值減小的幅度，以利于上海CPS指標(biāo)的提高.

(2)上海電網(wǎng)作為典型的受端電網(wǎng)，CPS調(diào)節(jié)手段先天相對缺乏，華東電網(wǎng)若能加大提升上海電網(wǎng)K值的力度，在目前上海CPS1平均值低于200%的情況下，將上海 CPS1值盡量靠近200%.

(3)AGC機(jī)組的自動(dòng)響應(yīng)能力對上海電網(wǎng)CPS調(diào)節(jié)控制工作非常重要，應(yīng)深挖現(xiàn)有機(jī)組的AGC調(diào)節(jié)能力，加強(qiáng)對響應(yīng)速率不合格及無故退出AGC運(yùn)行的機(jī)組的考核力度.此外，應(yīng)開始著手對AGC機(jī)組反向指令響應(yīng)時(shí)間考核標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)研究，加強(qiáng)電網(wǎng)整體應(yīng)對沖擊負(fù)荷的能力.

(4)超短期負(fù)荷預(yù)測可以根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷情況較為準(zhǔn)確地預(yù)測出下一時(shí)段的系統(tǒng)負(fù)荷趨勢，為CPS調(diào)節(jié)工作提供前瞻性的參考.因此，加強(qiáng)超短期負(fù)荷預(yù)測能力，研究將超短期負(fù)荷預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)有AGC機(jī)組調(diào)控系統(tǒng)的融合策略，可以進(jìn)一步提升AGC機(jī)組對系統(tǒng)負(fù)荷變動(dòng)的響應(yīng)能力.

(5)上海電網(wǎng)是典型的受端電網(wǎng)，用電負(fù)荷由本地發(fā)電及區(qū)外受電共同承擔(dān)，且區(qū)外受電比重較大.受電曲線對上海CPS指標(biāo)的影響也較為突出.優(yōu)化計(jì)劃受電曲線，使之與系統(tǒng)負(fù)荷變化趨勢保持一致，可以在一定程度上減輕AGC機(jī)組調(diào)節(jié)壓力，有利于進(jìn)一步提高CPS指標(biāo).

4 結(jié)論

(1)平均偏差均方根的控制目標(biāo)值ε1，ε10，頻率偏差系數(shù)K，系統(tǒng)總負(fù)荷，系統(tǒng)總裝機(jī)容量，以及鋼鐵企業(yè)的沖擊負(fù)荷是影響上海CPS指標(biāo)最主要的因素.

(2)從華東電網(wǎng)層面考慮，華東電網(wǎng)調(diào)整年度CPS固有參數(shù)ε1和ε10，K時(shí)，可根據(jù)電網(wǎng)規(guī)模增大對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定形成的積極效應(yīng)，盡量降低ε1和ε10數(shù)值減小的幅度，同時(shí)考慮上海作為受端電網(wǎng)調(diào)節(jié)手段相對缺乏的不利因素，加大力度提升上海電網(wǎng)的K值，將CPS固有參數(shù)向著有利于提高CPS指標(biāo)的方向調(diào)整.

(3)從上海本地電網(wǎng)層面考慮，在CPS可變參數(shù)調(diào)節(jié)工作中，一方面要深挖AGC機(jī)組的調(diào)節(jié)能力，尤其是對系統(tǒng)沖擊負(fù)荷的響應(yīng)能力;另一方面要加強(qiáng)超短期負(fù)荷的預(yù)測能力，并探索將超短期負(fù)荷預(yù)測結(jié)果與AGC機(jī)組調(diào)控系統(tǒng)相結(jié)合的方法，使AGC機(jī)組對于系統(tǒng)負(fù)荷變動(dòng)的響應(yīng)能力進(jìn)一步提升.同時(shí)，優(yōu)化計(jì)劃受電曲線，使之與系統(tǒng)負(fù)荷變化趨勢保持一致，可以在一定程度上減輕AGC機(jī)組調(diào)節(jié)壓力，利于CPS指標(biāo)的提高.

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