何 鈞, 劉育辰, 徐教鋒, 王丹豪, 戚爾江, 劉世彬
(1.國(guó)網(wǎng)江西省電力公司電力科學(xué)研究院, 江西 南昌 330000;2.上海電力大學(xué), 上海 200090; 3.上海厚尚電力科技有限公司, 上海 200082)
電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著重要作用[1]。隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大,以及智能電網(wǎng)的逐步形成,機(jī)組與電網(wǎng)(以下簡(jiǎn)稱“機(jī)網(wǎng)”)之間的相互聯(lián)系、相互作用越來越緊密。電網(wǎng)對(duì)并網(wǎng)機(jī)組提供的輔助服務(wù)提出了更嚴(yán)格的要求,對(duì)并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻、自動(dòng)發(fā)電控制(Automatic Generation Control,AGC)的考核與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)也更明確、嚴(yán)格。開發(fā)發(fā)電廠側(cè)調(diào)頻調(diào)峰參數(shù)在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng),可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)并網(wǎng)機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰過程中存在的問題,對(duì)提升發(fā)電機(jī)組支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的能力意義重大。
華中能源監(jiān)管局根據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)一部署,結(jié)合華中區(qū)域電力系統(tǒng)的特點(diǎn)與實(shí)際情況,于2020年9月印發(fā)了最新的《華中區(qū)域并網(wǎng)發(fā)電廠輔助服務(wù)管理實(shí)施細(xì)則》[2]和《華中區(qū)域并網(wǎng)運(yùn)行管理實(shí)施細(xì)則》[3](以下簡(jiǎn)稱兩個(gè)細(xì)則)。修訂后的兩個(gè)細(xì)則,全面提高了輔助服務(wù)補(bǔ)償和并網(wǎng)運(yùn)行考核標(biāo)準(zhǔn),重點(diǎn)對(duì)一次調(diào)頻和AGC服務(wù)補(bǔ)償規(guī)則進(jìn)行了修訂,新增一次調(diào)頻補(bǔ)償內(nèi)容。面對(duì)更嚴(yán)格的輔助服務(wù)考核標(biāo)準(zhǔn),如何提高并網(wǎng)機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰能力,同時(shí)兼顧機(jī)組穩(wěn)定性,是當(dāng)下各大發(fā)電企業(yè)需要解決的問題。在電力生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng),指標(biāo)的偏差往往都是由運(yùn)行統(tǒng)計(jì)人員發(fā)現(xiàn)的,針對(duì)機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)運(yùn)行過程的改進(jìn)與調(diào)整也都是通過運(yùn)行和檢修人員來實(shí)施,因此抓好發(fā)電側(cè)機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)性能監(jiān)測(cè)、考核及分析管理,可以提升并網(wǎng)機(jī)組支撐電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的能力。
針對(duì)以上問題,本文提出一種發(fā)電側(cè)并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻和AGC性能考核在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過WebService協(xié)議監(jiān)聽采集機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰相關(guān)參數(shù),截取機(jī)組一次調(diào)頻和AGC試驗(yàn)數(shù)據(jù)信息,結(jié)合機(jī)組熱力特性數(shù)據(jù)分析匯總,構(gòu)建機(jī)組一次調(diào)頻和AGC動(dòng)態(tài)特性評(píng)估體系,實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組一次調(diào)頻和AGC性能在線監(jiān)測(cè)和能力分析評(píng)估。
本文中,用以驗(yàn)證系統(tǒng)效果的機(jī)組系北重阿爾斯通公司制造的超臨界600 MW等級(jí)帶過載補(bǔ)汽節(jié)流配汽汽輪機(jī),采用節(jié)流調(diào)節(jié)全周進(jìn)汽方式,無調(diào)節(jié)級(jí),設(shè)有兩個(gè)主調(diào)節(jié)汽閥,以及兩個(gè)補(bǔ)汽閥[4]。自江西電網(wǎng)嚴(yán)格兩個(gè)細(xì)則監(jiān)管以來,該機(jī)組的一次調(diào)頻及AGC性能均難以滿足電網(wǎng)調(diào)頻調(diào)峰需求,調(diào)度考核連續(xù)不合格,電力輔助服務(wù)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力薄弱,機(jī)組運(yùn)行狀況與當(dāng)前不斷增長(zhǎng)的電力安全生產(chǎn)需求差距較大。
通過綜合考慮實(shí)際應(yīng)用需要,本文采用前后臺(tái)分離的B/S架構(gòu)模式,即后端代碼用于數(shù)據(jù)的計(jì)算與統(tǒng)計(jì),前端代碼用于數(shù)據(jù)和圖表的展示,前端與后端通過約定的數(shù)據(jù)格式代碼進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸。從用戶的實(shí)際需求出發(fā),系統(tǒng)必須提供機(jī)組頻率、機(jī)組有功功率、AGC負(fù)荷指令等機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)性能考核指標(biāo)的真實(shí)信息,并對(duì)機(jī)組一次調(diào)頻、AGC能力進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估??紤]到方便電廠工作人員進(jìn)行增加、刪除和編輯等操作,系統(tǒng)允許操作人員在界面上對(duì)機(jī)組額定有功功率、調(diào)頻人工死區(qū)、涉網(wǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)等配置信息進(jìn)行編輯。此外,軟件還需要提供機(jī)組一次調(diào)頻和AGC性能的考核與評(píng)估計(jì)算結(jié)果,如設(shè)計(jì)采用趨勢(shì)圖、統(tǒng)計(jì)曲線、表格等形式進(jìn)行實(shí)時(shí)展示,用戶也可通過查看或打印日?qǐng)?bào)表、月報(bào)表的形式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。本文設(shè)計(jì)的一次調(diào)頻和AGC性能考核在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)分為3個(gè)模塊,分別為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、后臺(tái)處理模塊、前端展示模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 一次調(diào)頻和AGC性能考核在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
綜合分析電廠的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖2所示。系統(tǒng)計(jì)算所需的參數(shù)包括直接參數(shù)與間接參數(shù),其中直接參數(shù)通過編寫數(shù)據(jù)采集軟件從電廠生產(chǎn)控制1區(qū)的廠級(jí)監(jiān)控信息系統(tǒng)(Supervisory Information System,SIS)、分散控制系統(tǒng)(Distributed Control System,DCS)直接獲取,間接參數(shù)不能通過SIS系統(tǒng)或DCS系統(tǒng)直接獲取數(shù)據(jù),而是通過對(duì)采集的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算間接獲取。本文將軟件平臺(tái)部署在位于3區(qū)的Web服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器中,用戶在同一網(wǎng)絡(luò)下訪問服務(wù)器地址即可,后期維護(hù)也只需針對(duì)服務(wù)器進(jìn)行,便于客戶使用與軟件維護(hù)。
圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)來源機(jī)組的DCS和SIS系統(tǒng)實(shí)際情況,通過WebService接口構(gòu)建并網(wǎng)機(jī)組生產(chǎn)過程中主要I/O測(cè)點(diǎn)信息的數(shù)據(jù)采集與參數(shù)處理系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換,需要建立數(shù)據(jù)庫(kù),將直接采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。本文選用Microsoft公司推出的SQL Server軟件,具有操作簡(jiǎn)潔、可擴(kuò)展性強(qiáng)、與相關(guān)軟件集成程度高等優(yōu)點(diǎn)。
華中電網(wǎng)兩個(gè)細(xì)則要求區(qū)域內(nèi)所有并網(wǎng)機(jī)組必須提供一次調(diào)頻服務(wù),向并網(wǎng)機(jī)組提出了明確的考核要求,其中要求燃機(jī)、電液型汽輪機(jī)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的火電機(jī)組一次調(diào)頻人工死區(qū)應(yīng)在±0.033 Hz(±2 r/min)內(nèi)[2-3]。一次調(diào)頻性能考核內(nèi)容包括:一次調(diào)頻貢獻(xiàn)率K、一次調(diào)頻理論貢獻(xiàn)電量、一次調(diào)頻實(shí)際貢獻(xiàn)電量、一次調(diào)頻合格率等。調(diào)度中心根據(jù)性能計(jì)算結(jié)果,對(duì)滿足大擾動(dòng)性能要求的并網(wǎng)機(jī)組給予補(bǔ)償[2-3]。一次調(diào)頻綜合性能指標(biāo)用貢獻(xiàn)率K來表示,公式為
(1)
式中:Hi——機(jī)組實(shí)際貢獻(xiàn)電量;
He——機(jī)組理論貢獻(xiàn)電量。
當(dāng)機(jī)組頻率超出調(diào)頻人工死區(qū)范圍后,開始計(jì)算機(jī)組一次調(diào)頻性能指標(biāo)。He的計(jì)算公式為
(2)
(3)
式中:t0——機(jī)組頻率超出調(diào)頻人工死區(qū)的時(shí)刻;
t1——機(jī)組頻率回到調(diào)頻人工死區(qū)的時(shí)刻;
Δf(t) ——t時(shí)刻機(jī)組頻率與50±Δfsq(調(diào)頻人工死區(qū))的差值;
fn——電網(wǎng)額定頻率,取50 Hz;
Kc——機(jī)組的速度變動(dòng)率,經(jīng)試驗(yàn)計(jì)算取5%;
PMCR——機(jī)組額定有功功率,取640 MW。
Hi計(jì)算公式為
(4)
式中:Pt——t時(shí)刻機(jī)組的實(shí)際有功功率;
P0——t0時(shí)刻機(jī)組的實(shí)際有功功率(取該時(shí)刻前5 s的平均值)。
積分時(shí)長(zhǎng)Δt=t1-t0,其取值如下
(5)
兩個(gè)細(xì)則規(guī)定若K<0.5,則計(jì)為一次不合格;反之,則合格。最終將一次調(diào)頻性能考核計(jì)算結(jié)果存入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。
AGC是由并網(wǎng)機(jī)組提供,使機(jī)組在既定的有功功率調(diào)節(jié)范圍內(nèi),跟蹤電力調(diào)度中心的負(fù)荷指令,實(shí)時(shí)調(diào)整機(jī)組有功功率的輔助服務(wù)[2]。根據(jù)兩個(gè)細(xì)則要求,對(duì)并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組AGC性能考核內(nèi)容包括AGC投運(yùn)率、綜合性能和服務(wù)補(bǔ)償?shù)萚3]。AGC綜合性能指標(biāo)k表示為
k=βk1k2
(6)
式中:β——評(píng)價(jià)系數(shù),用以驗(yàn)證機(jī)組為火電機(jī)組,取1.4;
k1——指令響應(yīng)速度性能指標(biāo);
k2——調(diào)節(jié)精度性能指標(biāo)。
指令響應(yīng)速度性能指標(biāo)的計(jì)算公式為
(7)
式中:ΔP——機(jī)組實(shí)際調(diào)節(jié)過程中的調(diào)節(jié)幅度,MW;
T0——調(diào)節(jié)過程計(jì)算參數(shù);
PZ——調(diào)節(jié)過程中任意時(shí)刻的負(fù)荷指令,MW;
P——調(diào)節(jié)過程中機(jī)組實(shí)際有功功率,MW;
ΔPZ——調(diào)節(jié)過程最終指令,即機(jī)組初始有功功率,MW;
ΔT——實(shí)際調(diào)節(jié)過程中的調(diào)節(jié)時(shí)間,s。
若ΔP(PZ-P)/abs(PZ-P)小于零,則該調(diào)節(jié)過程為反調(diào)節(jié);反之,則為正調(diào)節(jié)。T0計(jì)算公式為
(8)
式中:T1——調(diào)節(jié)補(bǔ)償時(shí)間,取20 s;
V0——機(jī)組升降速率,取7.68 MW/min。
調(diào)節(jié)精度性能指標(biāo)的計(jì)算公式為
(9)
式中:e——調(diào)節(jié)過程調(diào)節(jié)精度。
計(jì)算調(diào)節(jié)精度時(shí),記錄機(jī)組實(shí)際有功功率首次進(jìn)入死區(qū)范圍的時(shí)刻與有功功率值,并以該時(shí)刻為起點(diǎn),記錄第5 s,10 s的機(jī)組有功功率值。若因新的AGC負(fù)荷指令導(dǎo)致本次調(diào)節(jié)過程結(jié)束,則相應(yīng)取2個(gè)有功功率值,若仍取不到,則只取首次進(jìn)入死區(qū)時(shí)的有功功率值。計(jì)算方法如下
(10)
式中:Pi——調(diào)節(jié)過程中機(jī)組實(shí)際有功功率首次進(jìn)入死區(qū)后的第i個(gè)有功功率值;
PN——機(jī)組額定容量,當(dāng)控制模式為單機(jī)模式時(shí),其值為該單機(jī)的額定容量;當(dāng)控制模式為全廠模式時(shí),其值為全廠機(jī)組的額定容量總和。
在D5000數(shù)據(jù)庫(kù)中,AGC負(fù)荷指令和機(jī)組實(shí)際有功功率每隔5 s進(jìn)行存儲(chǔ)。
(11)
式中:YAGC——補(bǔ)償費(fèi)用,元;
m——補(bǔ)償單價(jià),取6元/MW。
研究發(fā)電機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰指標(biāo)數(shù)據(jù)的內(nèi)在聯(lián)系,根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度層面的調(diào)頻調(diào)峰考核數(shù)據(jù)和發(fā)電機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰試驗(yàn)信息數(shù)據(jù),應(yīng)用大數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),實(shí)時(shí)評(píng)估并網(wǎng)發(fā)電機(jī)組的一次調(diào)頻補(bǔ)償能力和二次調(diào)頻調(diào)節(jié)能力,實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組調(diào)頻調(diào)峰性能在線評(píng)估。
2.4.1 一次調(diào)頻能力在線評(píng)估計(jì)算方法
根據(jù)試驗(yàn)工況下的配汽方式和閥門開啟順序,分析機(jī)組功率、鍋爐蓄熱余量、機(jī)組變負(fù)荷情況以及主蒸汽壓力變化等對(duì)一次調(diào)頻過程效果的影響,計(jì)算并網(wǎng)機(jī)組實(shí)際工況偏離試驗(yàn)工況的綜合修正系數(shù),公式為
Kn=k1k2k3k4
(12)
式中:k1,k2,k3,k4——描述機(jī)組協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)投入情況、機(jī)組變負(fù)荷情況、主蒸汽壓力、鍋爐蓄熱余量對(duì)一次調(diào)頻能力影響的修正系數(shù)[5]。
(13)
當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷方向與一次調(diào)頻方向相反且變負(fù)荷幅度大于10 MW時(shí),k2=0.8;當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷方向與一次調(diào)頻方向相反且變負(fù)荷幅度大于8.8 MW、小于10 MW時(shí),k2=0.83;當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷方向與一次調(diào)頻方向相反且變負(fù)荷幅度大于5 MW、小于8.8 MW時(shí),k2=0.9;當(dāng)機(jī)組穩(wěn)態(tài)或機(jī)組變負(fù)荷方向與一次調(diào)頻方向相反且變負(fù)荷幅度小于5 MW時(shí),k2=1;當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷方向與一次調(diào)頻方向相同且變負(fù)荷幅度小于5 MW時(shí),k2=1.1;當(dāng)機(jī)組變負(fù)荷方向與一次調(diào)頻方向相同且變負(fù)荷幅度大于5 MW時(shí),k2=1.2。
(14)
式中:Δp——試驗(yàn)工況合格壓力與當(dāng)前壓力差。
所送檢標(biāo)本有痰、血液、尿液、胸腔引流液、腹腔引流液、手術(shù)切口分泌液等。按照《臨床檢驗(yàn)操作規(guī)程》中的操作方法進(jìn)行菌株測(cè)定和藥敏試驗(yàn)。
當(dāng)主蒸汽壓力變化方向與一次調(diào)頻方向相反且變化速度大于|0.2| MPa/min時(shí),k4=0.7;當(dāng)主蒸汽壓力變化方向與一次調(diào)頻方向相反且變化速度大于|0.05~0.2| MPa/min時(shí),k4=0.8;當(dāng)主蒸汽壓力變化速度在|0.05| MPa/min以內(nèi)時(shí),k4=1;當(dāng)主蒸汽壓力變化方向與一次調(diào)頻方向相同且變化速度大于|0.05~0.2| MPa/min時(shí),k4=1.2;當(dāng)主蒸汽壓力變化方向與一次調(diào)頻方向相同且變化速度大于|0.2| MPa/min時(shí),k4=1.3。
通過計(jì)算一次調(diào)頻初期的各項(xiàng)修正系數(shù),比較k1,k2,k3,k4的大小,分析得出在該次調(diào)節(jié)過程中對(duì)性能影響較大的因素。
2.4.2 AGC性能在線評(píng)估計(jì)算方法
根據(jù)試驗(yàn)工況下的配汽方式和閥門開啟順序,分析機(jī)組主要參數(shù)運(yùn)行情況、機(jī)組煤電比以及調(diào)門開度值對(duì)AGC變負(fù)荷性能的影響。計(jì)算并網(wǎng)機(jī)組實(shí)際工況偏離試驗(yàn)合格工況的綜合修正系數(shù),即
K′n=k′1k′2k′3
(15)
式中:k′1,k′2,k′3——機(jī)組關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)、煤質(zhì)、調(diào)門總指令對(duì)AGC性能影響的修正系數(shù)[5]。
機(jī)組關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)修正系數(shù)k′1主要描述主蒸汽壓力、主蒸汽溫度和一次風(fēng)壓力等參數(shù)對(duì)AGC性能的影響情況。其計(jì)算公式為
(16)
式中:C1,C2——關(guān)鍵參數(shù)運(yùn)行實(shí)時(shí)值和限值;
C3——關(guān)鍵參數(shù)正常運(yùn)行時(shí)的平均值。
煤質(zhì)修正系數(shù)k′2反映當(dāng)運(yùn)行工況下煤種與試驗(yàn)工況下煤種有較大差別時(shí),同樣的發(fā)電量需要的燃煤量不同,對(duì)機(jī)組AGC變負(fù)荷性能的影響。其計(jì)算公式為
(17)
式中:S1——設(shè)計(jì)煤種下煤電比;
S2——穩(wěn)態(tài)情況下運(yùn)行煤電比。
調(diào)門總指令修正系數(shù)k′3反映在相同穩(wěn)態(tài)工況下,機(jī)組的調(diào)門總指令不同對(duì)機(jī)組AGC持續(xù)變負(fù)荷能力和變負(fù)荷速率的影響。其計(jì)算公式為
(18)
式中:D1——AGC負(fù)荷變化初期的高調(diào)門開度反饋。
通過計(jì)算AGC變負(fù)荷初期的綜合修正系數(shù),比較k′1,k′2,k′3的大小,分析得出在該次調(diào)節(jié)過程中對(duì)性能影響較大的因素。
用戶界面采用JavaScript框架下的網(wǎng)頁形式進(jìn)行一次調(diào)頻、AGC性能考核與評(píng)估結(jié)果的展示和查看。主要展示界面包括機(jī)組一次調(diào)頻和AGC性能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與評(píng)估、考核指標(biāo)統(tǒng)計(jì)展示和日/月報(bào)表等。詳情界面如圖3~圖6所示。
圖3 一次調(diào)頻考核統(tǒng)計(jì)界面
圖4 一次調(diào)頻性能監(jiān)測(cè)與評(píng)估界面
圖5 AGC考核統(tǒng)計(jì)界面
圖6 AGC性能監(jiān)測(cè)界面
在統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi),該機(jī)組一共發(fā)生了42次頻率擾動(dòng)事件,均為小擾動(dòng)事件,其中一次調(diào)頻合格21次,不合格21次,根據(jù)兩個(gè)細(xì)則對(duì)調(diào)節(jié)不合格過程進(jìn)行考核。該機(jī)組當(dāng)日考核電量共計(jì)1 854.72 kWh。圖4中對(duì)單次一次調(diào)頻過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析,評(píng)估指標(biāo)顯示,該工況下向上一次與向下一次調(diào)頻能力均達(dá)到合格水平,影響一次調(diào)頻能力的主要原因?yàn)橹髡羝麎毫ζ?不能滿足機(jī)組調(diào)頻所需的機(jī)組蓄熱。
機(jī)組AGC跟蹤電網(wǎng)負(fù)荷指令合格率為64%,根據(jù)兩個(gè)細(xì)則,對(duì)合格的變負(fù)荷過程予以補(bǔ)償,共計(jì)22 272元。根據(jù)能力評(píng)估統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果,變負(fù)荷調(diào)節(jié)不合格153次,其中,調(diào)門總指令系數(shù)最小的次數(shù)為105次,該時(shí)段內(nèi)對(duì)AGC性能影響的主要原因?yàn)闄C(jī)組調(diào)門開度過大,不能滿足機(jī)組AGC變負(fù)荷需要的機(jī)組蓄熱。
本文設(shè)計(jì)的基于火力發(fā)電廠SIS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)并網(wǎng)機(jī)組一次調(diào)頻和AGC性能考核的在線監(jiān)測(cè)與評(píng)估系統(tǒng),根據(jù)電廠實(shí)際網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求,采用B/S架構(gòu),通過WebService協(xié)議采集有關(guān)參數(shù)信息,以網(wǎng)頁界面的形式進(jìn)行性能計(jì)算與評(píng)估分析結(jié)果展示。系統(tǒng)使用電廠歷史數(shù)據(jù)完成了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo),為電廠提供了監(jiān)測(cè)機(jī)組調(diào)頻情況的平臺(tái)。發(fā)電機(jī)組機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)性能計(jì)算與能力評(píng)估為電廠運(yùn)行人員提供了操作依據(jù)。