发电机组一次调频试验方法及试验用测试仿真仪

技术领域

本发明涉及一种发电机组一次调频试验方法及试验用测试仿真仪，主要用于发电机组的一次调频性能的测试、发电机组一次调频运行模式和调节参数的优化。

背景技术

电力系统运行的主要任务之一，就是对频率进行监视和控制，而发电机组的一次调频功能对维持电网频率的稳定至关重要，特别是对于那些快速调节机组比重少的电网尤为关键。一次调频对提高整个系统频率的质量至关重要，可以明显地提高系统抗干扰的能力。对系统中相对较大的功率突变，由于一次调频的快速响应，可以为系统的二次调频提供有利的缓冲作用。

通过发电机组调速系统的负荷频率特性对电网的功率频率的控制称为机组一次调频，它主要由发电机组调速系统的静态特性及其PID动态调节特性来实现的。当系统频率偏差超过一定范围时，调速系统根据频率给定值与其比较的偏差进行调节。其中，一次调频是指机组在并网运行的状态下，当电网频率越过某一规定值(50±EHz，E为死区)时，机组调节系统在没有接到上级调度命令的情况下自动根据频率—负荷曲线自动调整负荷，直到电网频率回到正常范围内。

在国家电力体制改革后，为保证电网安全与供电稳定，建立规范的电力市场，国家电力监管委员会下发了《关于发电厂并网运行管理的意见》[2006]42号和《并网发电厂辅助服务管理暂行办法》[2006]43号中规定：机组调节系统的频率偏差死区、转速不等率和一次调频投入相应速度等应满足所在电网的规定要求。

为进一步提高电网的运行稳定性，提高供电质量，应对突发事故的发生，加强电网频率的控制水平，改善电网动态品质，增强电网的抗事故能力，一般要求网调直调的机组都应该具备投入一次调频功能，当电网频率波动时，机组在所有运行方式下都应自动参与一次调频，并对并网机组的提出了具体的一次调频技术要求和相应得奖惩办法。

由于发电机组一次调频试验没有现成的试验规程和试验导则，所以对一次调频试验方法上还处于多种方法并存，主要有以下几种试验方法：

一、实际电网频率扰动：由电网调度部门配合，通过并网发电机组出力或线路负荷扰动，形成一定的电网频率扰动过程。测试记录机组在此过程中的实际一次调频调节过程。如“西北电网一次调频联调试验”项目，参与一次调频试验的机组水电15台，火电7台。试验中将一台出力为200MW并网发电的机组甩负荷，电网频率由50.0Hz降低到49.89Hz，然后逐渐恢复至49.95Hz以上。通过对参与试验的并网发电机组实际一次调频调节过程的测试分析，实测机组的一次调频性能和一次调频对电网扰动的抑制作用。但是试验的代价较大，具有一定的风险性，因为需要对多个电厂进行统一协调，需要多个单位的配合，加大了实施难度。而且，试验可重复性差，无法进行同一机组不同调节参数下的一次调频性能对比测试。一般不宜采用这种方法。

二、静态一次调频开环阶跃试验：在静态一次调频开环试验中，即机组处于静止状态，切除调速系统中的机组频率或电网频率测量端，将高精度的频率发生器的频率信号接入调速系统频率测量端，形成开环控制系统，如图1所示。试验中变频信号源发频率阶跃信号，频率给定设定为额定频率，记录调速系统静态一次调频开环调节过程，可以对一次调频参数初步优化与选择。

三、动态一次调频开环阶跃试验：在动态一次调频开环试验中，机组并网带负荷运行于大电网，将高精度的频率发生器的频率信号接入调速系统频率测量端，形成开环控制系统，如图2所示。试验中变频信号源发频率阶跃信号，考察试验中调速系统及机组功率的调节过程。

上述两种方法下，所测机组一次调频过程与机组实际运行中的一次调频过程相差较大。而且，试验时频率阶跃量的选取、一次调频阶跃响应过程评价指标的确定还很不成熟，造成对机组一次调频性能优化时，数据分析复杂而繁琐。

发电机组一次调频试验和性能测试还处于初级阶段，尚不够深入，缺乏相应专业、成熟的一次调频试验设备。常规的但都存在试验项目较少，测量精度不够，特别是频率测量模块的精度不够，远远不能满足一次调频试验动态测试的需要。目前单一频率测量的产品很多，有的精度也较高，但是没有能够实时测量与数据录波的功能，有的发电机组综合测试系统可以实时录波，但一般是模拟测频，测试精度较低，也满足不了一次调频实时动态过程的要求。

发明内容

本发明提出了一种发电机组一次调频试验方法及试验用测试仿真仪，其解决现有实际电网频率扰动一次调频试验方法测试难度及电网稳定风险大，影响面广，配合单位多，试验可重复性差，很难用此方法进行调速器调节参数的优化以及阶跃扰动试验方法所测机组一次调频过程与机组实际运行中的一次调频过程相差较大，数据分析工作量大的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种发电机组一次调频试验方法，包括以下步骤：

1]选取一个电网频率扰动过程录波数据文件；

2]对上述数据文件进行处理，使其满足测试仿真仪对信号重构的要求，并将处理后的数据文件保存或送入测试仿真仪指定的位置，以便测试仿真仪通过信号重构输出符合相应调速系统频率或转速信号测试要求的扰动信号；

3]发电机组静态或并网带负荷后，将输入调速系统的实际机组频率或转速信号断开，将测试仿真仪输出的扰动信号接入，测试仿真仪通过信号重构输出反映电网频率扰动过程的试验用扰动信号，进行发电机组的一次调频试验，记录整个调节过程。

上述进行一次调频试验并记录发电机组一次调频的调节过程还包括：根据试验结果调整调速系统调节参数，重复进行调频试验至少一次。

上述试验方法还包括优化机组调节参数的步骤：

根据发电机组一次调频的积分电量计算方法，计算模拟电网频率扰动过程机组的一次调频积分电量，根据计算结果进行一次调频调节性能的量化和机组调节参数的优化。

上述扰动过程录波数据文件是一个典型的电网频率实际扰动录波数据文件或者人为模拟的电网频率扰动过程数据文件；所述的数据文件的处理包括对数据文件的整理过程、数据格式的转换过程、数据插值过程的一种或多种。

上述记录整个调节过程包括采集位移信号、机组功率信号、机组频率或转速信号和网频信号；所述位移信号包括转浆式水轮机的轮叶转角和主接力器位移或其他水电机组的主接力器位移或者火电机组的调门位移。

上述记录整个调节过程包括采集调速系统控制输出信号、压力信号或发电机出口断路器辅助节点信号；所述压力信号包括水电机组的蜗壳压力和尾水压力信号或火电机组的汽压信号。

一种发电机组一次调频试验用测试仿真仪，其特殊之处是：所述测试仿真仪包括可同时采集至少4个模拟量信号的模拟量数据采集电路1、可对采集的模拟量数据进行滤波和模数转换处理的预处理及A/D转换电路2、可测量电网或机组的频率或转速的测频测速单元3、可读取扰动过程录波数据文件并同时发出扰动信号所需数字量的中央处理单元4、可将数字量扰动信号转换成符合相应调速系统频率或转速信号测试要求的扰动信号的扰动信号生成单元5。

上述测试仿真仪还包括可保存各种不同的数据录波文件的数据库6。

上述模拟量数据采集电路1采集的模拟量信号包括位移信号、机组功率信号；所述发电机组的位移信号包括转浆式水轮机的轮叶转角和主接力器位移或其他水电机组的主接力器位移或者火电机组的高压调门位移。

上述模拟量数据采集电路1采集的模拟量信号包括调速系统控制输出信号、压力信号或发电机出口断路器节点信号；所述压力信号包括水电机组的蜗壳压力和尾水压力信号或火电机组的汽压信号。

本发明方法的优点是：

1、可精确模拟电网频率扰动过程，实现对机组实际一次调频过程的测试。在实际运行中，由于机组一般都是并入大电网运行，电网频率不可能是标准的阶跃扰动，而是一个逐渐变化的动态过程。常规方法采用频率阶跃扰动测试机组一次调频动态过程，很难真实反映机组的实际一次调频性能。采用信号重构技术将实际电网扰动过程段的频率信号再现，用于机组的一次调频测试和性能试验，可通过试验手段更真实、全面地测试机组得一次调频性能。由于试验方法的改进，试验所得到的机组一次调频调节过程，还可用于对机组调速系统数学模型及模型参数的辨识和校验。本发明的试验原理示意图如图4所示。

2、测试过程简单、方便，可重复性强。利用本发明试验方法，可以在不进行电网频率扰动的情况下，实现对机组实际一次调频过程的测试，简化了试验过程，并且可以重复测试机组在不同工况、不同调节参数下的机组实际一次调频过程。

3、安全性高。在本发明试验方法下，一方面由于不需要实际电网频率扰动，避免了电网扰动产生的对整个电网稳定运行带来的风险，安全性高；另一方面对发电机组而言，在常规的阶跃扰动信号下机组的调节过程是一个突然的扰动，对发电机组的运行稳定性是不利的，而试验用的扰动信号是一个典型的或人为模拟的电网频率扰动信号，是一个渐变的过程，避免了利用阶跃扰动进行一次调频试验时，机组可能产生过调或出现急剧负荷扰动的可能性，保证机组调节过程的安全。

4、可通过机组实际一次调频过程积分电量的计算，准确的量化对比不同调节参数下的机组一次调频能力。利用仿真计算工具建立的一次调频积分电量模块，迅速对机组一次调频过程的积分电量进行计算，统计一次调频过程积分电量，迅速、准确的量化机组一次调频能力，以便优化一次调频调节参数，对一次调频试验具有较高的实用意义。

5、测试仿真仪模拟量数据采集通道多。测试仿真仪具有16个模拟量数据采集通道，测量精度高，完全能够满足一次调频试验的要求。

6、测试仿真仪的测频、发频精度高。测试仿真仪的测频、发频精度均达到0.001Hz。发频信号灵活多样，可满足不同调速系统对测频、测速信号的不同要求，也可方便实现频率阶跃、斜坡以及数据文件定制等各种变化过程的试验信号输出。

附图说明

图1是现有的静态一次调频开环阶跃试验示意图；

图2是现有的动态一次调频开环阶跃试验示意图；

图3是本发明的静态一次调频试验原理示意图；

图4是本发明的动态一次调频试验原理示意图；

图5是本发明测试仿真仪原理图，1-模拟量数据采集电路，2-预处理及A/D转换电路，3-频率或转速的测频测速单元，4-中央处理单元，5-扰动信号生成单元，6-数据库；

图6是某典型电网频率扰动过程；

图7是不同调节参数下机组一次调频积分电量对比示意图，其中：PID3-电厂实际运行参数，PID2-优化参数，PID1-推荐公式计算参数。

具体实施方式

本发明的一种发电机组一次调频试验方法，具体包括以下步骤：

1]选取一个电网频率扰动过程录波数据文件；扰动过程录波数据文件可以是一个典型的电网频率实际扰动录波数据文件或者人为模拟的电网频率扰动过程数据文件；

2]对上述数据文件进行处理，使其满足测试仿真仪对信号重构的要求，并将处理后的数据文件保存或送入测试仿真仪指定的位置，以便测试仿真仪生成符合相应调速系统频率或转速信号测试要求的扰动信号；数据文件的处理可以是对数据文件的整理过程，也可以是对数据格式的转换过程，还可以是对数据文件的整理和对数据格式的转换过程，必要时还可以对数据进行插值的过程。

3]发电机组静态或并网(动态)带负荷后，将输入调速系统的实际机组频率或转速信号断开，将测试仿真仪输出的扰动信号接入。注意信号断开或接入时，将调速器切换为手动运行或进行主备用双机切换，确保信号断开或试验接线时，调速系统调节无扰动、机组无负荷扰动。测试仿真仪和相关试验信号安装调试、连接完毕后，调速器切换为自动运行或再次进行主备用双机切换，测试仿真仪通过信号重构输出反映电网频率扰动过程的试验信号，进行发电机组的一次调频试验，记录整个调节过程；该记录过程至少要采集位移信号、机组功率信号、机组频率信号和网频信号；该位移信号可以是转浆式水轮机的轮叶转角和主接力器位移或其他水电机组的主接力器位移或者火电机组的调门位移；为了使试验和分析更加全面，还可采集调速系统控制输出信号、压力信号或发电机出口断路器节点信号；该压力信号可包括水电机组的蜗壳压力和尾水压力信号或火电机组的汽压信号。

4]根据试验结果调整调速系统调节参数，重复进行步骤3]至少一次。

5]根据发电机组一次调频的积分电量计算方法，计算模拟电网频率扰动过程机组的一次调频积分电量，根据计算结果进行一次调频调节性能的量化和机组调节参数的优化。

本发明的发电机组一次调频试验方法所需试验仪器如下：

1]试验用测试仿真仪，参见图5，包括可同时采集至少4个模拟量信号的模拟量数据采集电路、可对采集的模拟量数据进行滤波和模数转换处理的预处理及A/D转换电路、可测量电网或机组的频率或转速的测频测速单元、可读取扰动过程录波数据文件并同时发出扰动信号所需数字量的中央处理单元、可将数字量扰动信号转换成符合相应调速系统频率或转速信号测试要求的扰动信号的扰动信号生成单元、可保存各种不同的数据录波文件的数据库；测试仿真仪的测频、发频精度为0.001Hz；测试仿真仪生成扰动信号的过程就是将相应的数据文件转化成物理信号(随时间变化的频率或转速信号)的过程。

2]位移变送器，精度0.15％；

3]功率变送器，精度为0.2％；

4]压力传感器，精度为0.2％。

为了初步考核机组一次调频性能和优化参数，本发明的发电机组一次调频试验方法可进行静态试验，首先在机组静止、调速系统正常工作时，将各测点变送器安装调试完毕，将测点信号引入测试仿真仪，调试测试仿真仪确保测试值正确，发频信号稳定、准确。将输入调速系统的实际机组频率或转速信号断开，将测试仿真仪输出的扰动信号接入(步骤1)；再将如图6所示的某典型实际电网频率扰动的录波文件进行处理，使其满足测试仿真仪对信号重构的要求，并将处理后的数据文件保存或送入测试仿真仪指定的位置，以便测试仿真仪生成符合相应调速系统频率或转速信号测试要求的扰动信号(步骤2)；运行程序后测试仿真仪就可以按扰动过程录波数据文件中的数据输出扰动信号，模拟实际电网频率扰动试验(步骤3)；根据试验结果调整调速系统调节参数，重复进行步骤3至少一次，直至机组一次调频技术指标例如调节稳定时间符合要求(步骤4)。

本发明的发电机组一次调频试验方法还可进行动态试验，要求机组具备变负荷条件，带一定负荷并网运行，调速器切换成手动，将输入调速系统的实际机组频率或转速信号断开，将测试仿真仪输出的扰动信号接入(步骤5)；再将如图6所示的某典型实际电网频率扰动的录波文件进行处理，使其满足测试仿真仪对信号重构的要求，并将处理后的数据文件保存或送入测试仿真仪指定的位置，以便测试仿真仪生成符合相应调速系统频率或转速信号测试要求的扰动信号(步骤6)；运行程序后测试仿真仪就可以按扰动过程录波数据文件中的数据输出扰动信号，模拟实际电网频率扰动试验(步骤7)；根据试验结果调整调速系统调节参数，重复进行步骤7至少一次，直至机组一次调频技术指标符合要求，或通过对不同调节参数下，机组一次调频积分电量的对比，优化调节参数，获得更好的一次调频调节效能(步骤8)。

本发明的发电机组一次调频试验方法还可依次进行静态试验和动态试验，只需依照上述静态试验和动态试验的步骤1至步骤8即可。

在试验中通过对实际电网频率扰动过程中机组出力的变化来考察机组的一次调频性能。在机组自动稳定运行于某一负荷工况下，在几组不同PID调节参数下在机频测量端输入相同扰动信号所示的的频率扰动信号，计算当频率扰动开始后机组出力相对于稳定工况的变化值，并对出力变化值进行积分，得到整个扰动过程中机组输出电量的变化，进而分析不同调节参数下机组的一次调频能力。

图7是在某实际电网频率扰动下机组在不同调节参数下的积分电量变化曲线，很明显第二组调节参数下机组的出力变化最大，发电量变化最多。而电厂实际运行的参数为第三组调节参数，在电网频率扰动的160秒内，第二组调节参数时的积分电量是第三组的4.5倍，是第一组参数的2.3倍，优势明显。因此，说明此方法对考核发电机组一次调频性能、优化机组一次调频调节参数是非常有效的。

本发明原理：本发明方法主要是对机组的一次调频测试试验方法的改进，通过采用常用的信号重构技术将实际电网扰动过程段的频率信号再现，用于机组的一次调频测试和性能试验。本发明可更真实、全面地测试机组的一次调频性能。本发明的核心是采用了再现的扰动信号来测试机组一次调频性能，至于信号的来源或处理方法不是本发明的重点，只要该信号能模拟电网的扰动过程即可。