基于广域相量测量系统的电网一次调频能力预测

基于广域相量测量系统的电网一次调频能力预测

11222

张琦兵，徐春雷，刘栋，王波，闪鑫

（1．国网江苏省电力有限公司，江苏南京210024；2．南瑞集团有限公司，江苏南京211003）

摘

要：机组的一次调频能力对电网频率波动后快速恢复具有重要作用，文中关注电网实时的一次调频能力，提出

了一种基于广域相量测试系统（WAMS）同步相量测量装置（PMU）数据的电网一次调频能力预测方法。该方法基从时间维度和频差维度两方面统一考虑，在单机贡献电量预于WAMS的各发电机组一次调频性能历史统计信息，

计算得到电网在1min内能快速调出的机组出力。该功能已在江苏电网WAMS中投入实际运行，可测的基础上，

为电网的调度控制提供辅助决策。

关键词：广域相量测量系统；同步相量测量装置；一次调频；预测中图分类号：TM734

文献标志码：A

文章编号：2096-3203（2019）02-00-05

DOI:10.194/j.cnki.cn32-1541/tm.2019.02.010

0引言

随着特高压交、直流电网的不断建设，华东电

文中提出一种电网一次调频能力预测的方法，

该方法基于广域相量测量系统（WAMS）中机组历史综合时间维度和最大频差维的一次调频性能信息，

对历史信息赋予不同的权值，对发电机组的实度，

形成了不同最大频差时电网时调频能力进行预测，

有助于电网的调度控制。秒级下能调出的出力，

直流大功率混合馈入的大型受网已形成特高压交、

端电网。当发生直流双极闭锁等大功率输电断面受端电网频率会快速跌落，因此，如何快速失去时，

稳定和恢复频率是受端电网面临的一大挑战。机是应对电网频率跌落的重组一次调频响应速度快，

对电网的频率稳定和恢复具有重要作用。要防线，

在一次调频研究方面，前期主要集中在一次调频的在线监测

［1—2］

［3—7］［8—10］

、、、性能评估特性分析稳定［11—15］

1江苏电网WAMS系统和一次调频

同步相量测量装置（PMU）具备相量采集功能，

上送的数据带有时标且频率高，基于PMU数据采集

的WAMS对于电网的动态分析具有较大意义。江苏电网WAMS系统建于2005年，截止2016年6月底，共有155套PMU，采集点覆盖所有的500kV变电站和220kV及以上的发电厂及其机组。基WAMS系统主要部署了一次于PMU的采集数据，

电网扰动分析、机组励磁监视、低频调频实时监测、

江苏电振荡分析等应用功能。自2015年7月开始，

网机组一次调频辅助服务的性能考核以PMU数据在PMU数据缺失或异常时，以数据采集与源为准，

监视控制系统（SCADA）数据源作为补充。电网频若频率变化值越过发电机组的设置死率波动时，

机组的一次调频将动作，储存的能量会在短时区，

吸收，起到稳定和恢复电网频率的作用。内释放、

由于发电机一次调频的动作时间较短，机组出力在相对于SCADA的秒级数据，短时内会快速变化，

PMU数据的采集频率能达到25Hz，所以利用PMU数据进行发电机组一次调频性能评价将更加精准。江苏电网对发电机组一次调频参数设置有明

死区为0．0333Hz，限幅为机组额定出力的确要求，

±6%，转速不等率为5%，根据机组的参数设置，可以绘制机组的一次调频特性曲线如图1所示。

性影响及策略。但机组一次调频能力与机组

电网并不具备实时控的参数设置和运行状态有关，

如何对电网的一次调频能力进行预测，辅制能力，

助调度员的紧急控制是值得研究的问题。针对该

16］利用方差分析，文献［提出了用于衡量电问题，

系统电网的一次调频力系统一次调频能力的指标，

由于电网在不同时刻的情况与实时开机方式有关，

所以用电网的历史调频性能这单一机组出力不同，

指标不能准确反映电网一次调频实时能力。近年来，随着特高压的建设和风光储等新能源

对于新型电网的一次调电站在电网中的不断接入，频也有不少研究

［17—19］

。文献［17］针对特高压线路

分4个时段赋以适当闭锁对电网造成的频率扰动，

18—19］对机组的一次调频进行评价。文献［权重，

分别对于新能源接入后机组一次调频能力和新能目前对于电源电站本身的一次调频能力进行研究，电力工作者关注较少。网本身的调频能力，

11-07；修回日期：2018-12-11收稿日期：2018-“适应电网主动基金项目：国家电网有限公司总部科技项目调度需求的全局分析和防控关键技术研究与应用”

张琦兵等：基于广域相量测量系统的电网一次调频能力预测65

图1江苏电网机组一次调频特性曲线

Fig．1

Characteristiccurveofprimaryfrequency

regulationinJiangsupowergrid

当电网发生频率波动时，

WAMS对机组的出力变化进行逐点积分，

并按照图1的机组调频特性曲线计算出机组的理论贡献电量，

分15s，30s，45s和60s4个时间段计算实际积分电量与理论贡献电量的比值，

然后对机组的性能进行统计评价和运行考核。目前，

对常规燃煤机组、供热燃气机组一次调频响应指数要求为：0～15s，0～30s，0～45s必须达到0．4，

0．6，0．7。2一次调频能力预测方法

对于每次电网的频率波动，

WAMS一次调频实时监测模块会基于PMU数据对并网机组进行调频性能分析，

积累了大量机组历史调频性能统计信息。该统计信息包含频率波动的时间、最大频差（以下简称频差）大小、15s，30s，45s，60s时间内

机组的实际积分电量，将第n台机组的调频性能记为：

{Gn={Gn

1，…，Gni，…，Gnk}

Gni=（Ti，Δfi，w15i，w30i，w45i，w60i）i=1，2，…，k

（1）

式中：Gn

为第n台机组，下角标i表示第i次的调频

性能；Ti为频率发生波动的时间，

为国际标准时间；Δf15

i，w30i，w45i为最大频差大小；wi，w60i分别为机组在频率波动后15s，

30s，45s，60s后的实际积分电量。

根据上述信息，文中从时间维度和频差维度两

个方面对历史数据进行权值分配，

综合历史性能，预测各发电机组在不同频差下1min内的电量贡献

与出力变化，从而得到当前电网在1min内各时间点一次调频性能。

2．1权值分配原则

历史调频事件权值分配基于的主要原则如下：原则一，时间越近，即Ti越大，权值越大；原则二，实

际最大频差与预测频差越接近，

权值越大。原则一主要是考虑随着运行考核对机组的影响，

机组的调频性能不断的变化，越接近预测时刻的调频数据越能反映机组的实际情况。原则二是

因为各机组在不同频差时的性能表现各有差异，历史频差越接近预测频差，

权值理应更大。2．2数据归一化处理

式（1）中的Ti和Δfi构成了在复平面上的点，根

据2．1中的原则说明，

设当前时间和所预测的频差为坐标的原点，

则至原点越近的相量权值越大。由于Ti和Δfi单位不同，

数据大小存在较大差异，需要进行归一化处理。

日期本身不是数字，所以首先需要将日期以数

字形式表示。以当前时间为基准点，

将Ti转换为频率波动时刻到当前时间的月数，

近似计算方法为：T'i=

「

（Tnow

－Ti）/30

?

（2）

式（2）中分母30是近似取每个月为30d，向上

取整保证了T'i大于等于1，然后可以利用对数的归一化处理方法：

T*i=

lnT'iln（maxT'3）

i）

（频差的归一化处理方法，首先求出历史频差与

预测频差的差值：

Δf'i=－Δfi+Δfe（4）式中：Δfe为当前所预测的频差。

频差的数值本身较小，一般在0．0333～0．2Hz，作差后数值会更小，在归一化处理时适当放大。

Δf*

i=arctan（10Δf'i）×2/π（5）2．3

权值计算方法

经过归一化处理后，T*i，

Δf*

i在复平面上离原点的距离记为：

D**i=槡TiTi+Δf**iΔfi

（6）根据离原点越近，权值越大的反比例关系，可

以采用反比例方式计算各历史信息点的权值为：

Ｒ1

i=sum（1/D（7）

i）Di2．4

一次调频预测

历史统计的贡献电量是基于不同频率波动的，在进行预测之前，需要对贡献电量按照图1所示的频率特性曲线进行调整。然后根据式（7）计算出每

次历史调频的权值向量，

可以计算预测机组Gn

在Δfe频差时15s内的贡献电量：

w15=［w15…，w15…，w15T

e1，

i，k］［Ｒ1，…，Ｒi，…，Ｒk］（8）

根据式（8）也可以计算出30s，

45s，60s机组66

的贡献电量，从而可以计算机组在各时刻能增加的

出力。机组一次调频能力预测出来后，

根据机组运行状态（是否开机）、

一次调频投入的状态及机组的功率状态（温控模式或满功率下不具备一次调频能力或一次调频能力弱）对全网进行总加，

即可获得全网在各频率和时间内能调出的出力。

3算例分析

为了对预测方案进行计算分析，文中获取了

2015年6月～2016年6月江苏电网WAMS历史实际频率扰动的数据，

分别对单机的调频能力和电网调频能力进行分析。3．1

机组一次调频能力预测

文中选择了1台1000MW的机组进行单机算

例分析，

如表1所示为该机组1年内21次一次调频动作时WAMS系统记录的性能统计信息。表1中2016-06-01和2015-09-29的频差极值分别为－0．076Hz，－0．072Hz，可见同一台机组在不同时间的调频性能是不一致的。

表1

单机历史调频信息

Table1

Historydataofprimaryfrequencyregulation

响应频差极值

实际贡献电量/（kW·h）时间/Hz15s30s45s60s2016-06-17－0．14166．65130．83196．16263．462016-06-01－0．07617．0734．33．68103．212016-06-17－0．08535．3586．28153．17225．152016-04-27－0．07231．5365．8298．78127．422016-03-19－0．06717．6126．6922．027．292015-12-13－0．06916．6835．561．0783．2015-10-21－0．07236．2278．88132．54194．582015-10-20－0．236106．56237．79374．32513．772015-09-29－0．07218．9938．0252．560．062015-09-24－0．06918．9549．9988．6123．512015-09-19－0．439154．68341．86540．11743．262015-07-13－0．199119．67269．52421．05567．612015-07-11－0．07117．5331．1545．1460．562015-06-24－0．06114．5730．2655．7287．552015-06-18－0．05816．7924．3827．2227．222015-06-16－0．07425．8453．7480．480．42015-06-12－0．05113．1728．2844．4344．432015-06-10－0．06528．1551．2177．91112．012015-06-07－0．0510．85－9．56－19．73－25．152015-06-07－0．06218．1335．4263．48107．032015-06-02

－0．058

4．84

－11．48

－51．75

－93．66

按0．02Hz的频率步长，预测了机组在－0．04～

－0．2Hz时的调频性能。基于表1中的历史信息，根据文中第2节的方法，对数据进行归一化处理，得

到了各次调频动作的权值，对于－0．1Hz频差的计

算结果如表2所示，从表2可知，计算得到的结果完全遵循2．1中的原则二。

表2

－0．1Hz时数据处理结果

Table2

Dataprocessingresultsof－0．1Hz

T*iΔf*iDiＲi0．2559580．2477070．3561930．0947930．255958－0．149950．29680．113820．255958－0．094790．2729450．1237050．511916－0．17380．5406160．0624560．594316－0．202920．6280040．0537650．767874－0．191370．7913620．0426660．850274－0．17380．8678560．03060．8502740．5963691．0385670．0325110．885469－0．17380．9023650．0374180．885469－0．191370．9059130．0372710．8854690．8173861．2050620．0280190．9471570．4968011．0695410．0315690．947157－0．179690．90520．0350240．974523－0．236731．00280．0336680．974523－0．253141．0068630．0335340．974523－0．161940．9878860．0341790．974523－0．290051．0167730．0332080．974523

－0．214330．9978150．0338380．974523－0．290051．0167730．0332080．974523

－0．231191．001570．0337121

－0．25314

1．031542

0．032732

在表2权值的基础上，可以计算得到不同频差

下各个时刻的贡献电量和功率增量，计算结果如图2和图3所示。

图2

不同频差下贡献电量计算结果

Fig．2

Energycontributionwithdifferentfrequency

图4所示为该机组在2016年8月某次频率波

动后一次调频响应情况，

该次频率波动的极值为－0．114Hz，由图4可以看出，该机组的功率波动在起始阶段较为准确，

15s，30s的误差分别为3%，张琦兵等：基于广域相量测量系统的电网一次调频能力预测67

图3不同频差下功率增量计算结果

Fig．3

Powerincrementofdifferentfrequency

1．8%。到后期（45s），由于每次系统频率的变化都

不一样，

按固定频差进行预测的功率增量误差加大，

45s预测的误差为25%。图4机组的实际频率响应比较

Fig．4

Comparisonoftheactualresponse

frequencyofgenerator

3．2

电网一次调频能力预测根据机组的预测结果，综合开停机方式、一次

调频投入等信号，

可以得出不同频差下短时能调出的出力和贡献电量，－0．1Hz和－0．2Hz下的计算结果如表3所示。

表3江苏电网一次调频能力评估计算结果

Table3Abilityofprimaryfrequencyregulation

estimateofJiangsuPowerGrid

项目预估值

15s30s45s60s贡献电量0．1/（kW·h）5087．411503．918325．726345．6Hz

出力变化/MW12211380．51466．11580．7贡献电量0．2/（kW·h）7296．116381．025841．536584．1Hz

出力变化/MW

1751．1

1965．7

2067．3

2195．0

4结语

基于WAMS大量的机组一次调频性能统计历

史信息，

文中提出一种预测机组调频能力和电网调频能力的方案，

该方案设定2个权值分配基本原则，实现时间维度和频差维度的归一化处理。文中根

据实际历史数据，

对江苏电网中的机组和电网本身的调频性能进行了计算预测，

通过机组实际频率波动变化的分析，

结果表明与实际情况符合度较高，说明该方案的有效性。该方案已在江苏电网WAMS

中部署运行，能为电网的调度控制提供辅助决策。

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张琦兵作者简介：

张琦兵（1985），男，硕士，高级工程师，从事电力系统自动化相关的生产和研究工作（E-mail：zqb_312@163．com）；

徐春雷（1976），男，硕士，高级工程师，从事电力系统自动化相关的生产和研究工作；

刘栋（1983），男，学士，工程师，从事电网调度自动化分析与控制技术研究。

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Abilityofprimaryfrequencyregulationestimatebasedon

wideareameasurementsystem

ZHANGQibing1，XUChunlei1，LIUDong2，WANGBo2，SHANXin2（1．StateGridJiangsuElectricPowerCompany，Nanjing210024，China；

2．NＲGroupCorporation，Nanjing211000，China）

Abstract：Theprimaryfrequencyregulationofgeneratorisimporttofrequencyrapidrecoveryofpowergrid，thispaperfocusesontheabilityofprimaryfrequencyregulation，anestimateschemebasedonWAMSdataisproposed．BasedonenormousWAMShistorystatisticdata，dateandfrequencydifferencetwofactorsareconsidered．theabilityofprimaryfrequencyregulationofsinglegeneratorandpowergridisestimated，theprogramisrunninginJiangsuWAMSandprovidingdecisionsupportforpowergriddispatchingcontrol．

Keywords：WAMS；PMU；primaryfrequencyregulation；estimate

（编辑杨卫星）