基于Matlab的水电机组一次调频考核分析 平台设计与实现

姚 泽，李 玺，徐广文，肖志怀，孟岁利

(1.广东电网有限责任公司电力科学研究院，广东 广州 510080； 2.武汉大学动力与机械学院水力机械过渡过程教育部重点实验室，湖北 武汉 430072

0 引 言

电力系统的频率是衡量电能质量的基本指标之一，基于频率判断电能质量的本质在于，频率反映机组有功与系统负荷之间的平衡关系，频率发生变化则说明系统内有功不平衡，因此，系统常常以频率作为稳定正常运行的关键参考指标[1]，电力系统频率控制与负荷有功功率、发电机间的负荷分配和发电机频率的控制三方面因素密切相关。电力系统的调频是在发电机组调速器调节的基础上，依据相应的调节准则自动完成频率调整。控制电力系统频率的措施有：一次调频、二次调频、高频切机、低频减载、低频自启动等[2]。对电力系统控制而言，频率的一次调节主要指由发电机组实现的一次调频。由于一次调频属于有差调节，电力系统频率需要进行二次调节。二次调频是在符合变动引起的频率变化范围内，自动改变发电机的有功功率参值，用移动机组功率频率特性的方法，实现频率的无差调节。电力系统发生大的负荷变化时，需要一次调频来提供快速的功率支援，对于小负荷波动，一次调频也可以进行有效调节，从而减少机组二次调频的动作[3]。

调节能力良好的水电机组是担任电力系统调频任务的最佳选择，水电机组的一次调频性能的好坏对维护系统频率稳定具有至关重要的作用，尤其是快速调节能力机组比较缺乏的电网[4]。为实现水电机组安全运行，确保机组一次调频功能投入且投入效果良好，相关试验人员通常会在新建水电机组满负荷运行前或已投运机组的规定时间段内进行一次调频现场试验，另外为了研究水轮机调节系统的调节性能，给水电机组安全稳定运行提供科学指导，各研究单位通常建立详细地水轮机调节系统数学模型进行一次调频实时仿真，而且为评估机组一次调频性能的好坏，需要对一次调频现场试验过程或一次调频仿真过程采集的数据进行处理，计算一次调频相关性能评价参数。这一过程往往涉及的计算量比较大，因此有必要开发水电机组一次调频考核分析软件实现数据批量化处理。

不同水电站或同一电站的不同机组有多种工况且相互独立，水电机组一次调频考核分析软件需要仿真不同机组、工况、参数和扰动下的一次调频过程，而以Matlab/Simulink工具箱所建立的一次调频仿真模型，仿真过程中存在很多参数设置不当或者界面显示不直观等缺点，而Matlab/GUI最大特点在于充分发挥图形可视化的特性，不仅充分发挥Matlab高性能地数值计算能力，而且能够开发出界面友好、使用方便的图形界面[1]。因此，本文综合研究人员建模仿真与数据分析的需求和GUI友好的人机交互性能，以GUI作为平台开发工具，设计开发了水电机组一次调频考核分析平台。软件分析平台主要实现水电机组一次调频现场试验数据分析和仿真分析功能。

1 水电机组一次调频考核分析平台功能设计

水电机组一次调频考核平台作为一个功能性软件，应具有友好、集成、一体化的界面，能方便地设置参数，直观地显示仿真数据或试验数据，快捷地分析数据并考核机组一次调频性能，为方便后续查阅保存相关数据等。作为平台性软件，最主要的是具有功能集成性和开放性两个特点。集成性主要体现在：

(1)水电机组一次调频现场试验数据分析功能，方便现场试验人员及时评价机组一次调频性能。

(2)水电机组一次调频实时仿真与数据分析功能：一次调频仿真时，以Simulink作为后台仿真工具，可以通过GUI仿真前配置初始参数、调节参数和扰动信号等，动态采集仿真数据并显示，仿真结束后依据南方电网的两个“考核细则”分析机组一次调频响应性能并考核。开放性主要体现在：基于Matlab/Simulink平台搭建的任意常规水电机组一次调频仿真模型均可在本台仿真并考核；仿真分析时可以根据实际情况修改电站初始参数、调节参数、扰动信号等；即通过一次调频仿真功能，可以模拟不同模型、不同工况、初始参数、调节参数下机组的动态过程。

本文综合建模仿真与数据分析的需求和GUI友好的人机交互性能，以GUI作为平台开发工具，设计开发了水电机组一次调频考核分析平台。分析平台主要包括3个功能：①水电机组一次调频现场试验数据分析功能；②水电机组一次调频实时仿真与数据分析功能；③附加功能：相关行业规范和软件使用说明。水电机组一次调频考核分析平台功能图如图1所示。

图1 水电机组一次调频考核分析平台功能图Fig.1 The functional diagram of hydro-power unit frequency tuning evaluation and analysis platform

2 水电机组一次调频仿真

2.1 一次调频仿真模型

水轮机调节系统由调速器和被控对象组成，如图2所示，调速器包括调节器和随动系统，被控对象由引水系统、水轮机、发电机和发电机负载组成，针对并网水电机组，机组优先采用功率控制模式，调速器采用PI控制规律。

图2 水轮机调节系统控制框图Fig.2 The control block Figure of hydraulic turbine regulating system

本文选择南方电网S电站第K台机组，建立水轮机调节系统Simulink仿真模型。如图3所示，水轮机引水系统采用特征线法建立压力引水管道出口处(对应水轮机入口处)的流量Q与水击压力H之间关系；水轮机特性采用BP神经网络模拟水轮机流量Q、输出力矩M与机组转速N、导叶开度a和水头H之间的关系；随动系统采用考虑非线性因素的传递函数模型，发电机-负载采用仅考虑发电机转动惯量的一阶惯性环节模型，PI调速器采用并联型调节器。该控制模式下，频率差经人工失灵区之后取1/eP倍转化为功率差，给定功率和机组有功经主控制环的比较环节运算之后与频率差的转化值叠加，PI调机器依据此偏差改变调节参数产生需要的接力器开度信号，通过操作电液随动系统开启或者关闭导叶开度，控制水轮机进口流量，进而达到控制机组输出功率的目的。

图3 水电机组一次调频仿真模型Fig.3 The simulation model of one timefrequency modulation of hydropower station

2.2 一次调频考核方法

一次调频的性能用于描述电力系统频率偏离额定值时，机组有功与系统频率之间的相关性[6]。对于水电机组，包括两方面：机组的固有特性和调节性能，固有特性主要与调差率和频率死区两个指标相关，调节性能主要包括：一次调频投入率，一次调频实际积分电量(贡献电量)，一次调频合格率[7]。一次调频是并网发电机厂提供的辅助服务中的一个基本项目，与有偿服务不同，如若电力系统需要该功能参与，却被考核为不合格，则扣除相应的考核电量，即一次调频性能评价结果直接影响并网发电厂的经济效益[7]。P各区域电网根据本区域实际情况选择相应的一次调频性能评价指标进行一次调频功能考核并计算考核电量。机组一次调频投入运行情况考核主要涉及三方面内容：具备一次调频功能且投入，参数设置满足要求，调节性能符合规定。综合不同性能指标，国内现行考核办法主要包括：一次调频投入率和实际积分电量相互结合，考虑机组有功最大调节量或平均调节量，综合投入率与一次调频效果。对于仿真实例所在的南方电网区域，考核方法综合了一次调频投入率与积分电量。因此，与此相对应，考核电量的计算包括两方面：①并网时间段内，一次调频功能投入时间短造成投入率低；②一次调频动作效果不佳造成合格率低。

投入率Y=T投入/T并网

(1)

(2)

(3)

2.3 一次调频仿真

利用图3仿真模型，模拟电网频率过一次调频死区后水电机组的出力响应变化过程。仿真过程中，读取仿真计算出的电网频率与机组有功功率，根据电网频率判断是否评价记录，对符合应该动作条件的仿真实例，进行动作评价。基于南方电网水电机组一次调频评价办法，制定如图4所示水电机组一次调频应该动作与动作评价流程图，包括：电网频率是否过动作死区，持续时间超规定动作延时，中间电网频率峰值是否超过评价门槛，合格率(实际动作积分电量与理论积分电量)是否满足要求等。水电机组一次调频功能的考核主要是：当系统频率发生变化时，机组所表现出来的负荷调整能力。在一次调频的参数符合要求之外，机组一次调频响应行为性能要求满足：①滞后时间：不同额定水头下，负荷响应滞后时间应该小于对应规定值；②负荷调整幅度：15 s内达到一次调频的最大负荷调整幅度的90%；③调节时间：系统频率超过死区的45 s内，机组实际出力与机组响应目标偏差的平均值应在机组额定有功出力的5%(±)误差带内；④稳定时间：应小于60 s。

图4 水电机组一次调频应该动作与动作评价流程图Fig.4 One time frequency modulation of hydropower station should be used to evaluate the flow of action and motion

3 水电机组一次调频考核分析平台的实现

本文在水电机组一次调频Simulink仿真模型的基础上，应用MATLAB/GUI设计图形用户界面，设计水电机组一次调频考核分析平台，主要包括水电机组一次调频现场试验数据分析模块和水电机组一次调频仿真分析模块，图5为水电机组一次调频现场试验数据分析模块，应用本功能模块可协助现场试验人员处理一次调频现场试验数据，其主要步骤如下：①设置基值及读取现场试验文件；②选取本次一次调频待分析时间段；③设置一次调频特性计算参数；④计算扰动前频率、导叶开度及机组功率均值；⑤计算稳态后频率、导叶开度及机组功率均值；⑥计算机组导叶开度与有功相关性能参数；⑦计算一次调频应该动作记录与动作评价相关数据；⑧保存结果到指定文件，完成一次调频试验数据的分析。

图5 水电机组一次调频现场试验数据分析模块Fig.5 The data analysis module of one time frequency modulation field test of hydropower station

图6为某并网水电机组一次调频现场试验采集记录的导叶开度、机组功率，机组频率等试验数据图。应用图5所示的水电机组一次调频现场试验数据分析模块，处理当频率扰动为-0.15 Hz时，频率过频率死区，机组有功相对值从0.794 2变为0.857 5，功率反调最大深度为0.764 0，ΔP=4.620 6 MW，一次调频特性分析结果如表1所示。当频率扰动为+0.15 Hz时，频率回到频率死区带内，机组有功相对值从0.857 5变为0.797 9，功率反调最大深度为0.912 5，ΔP=8.415 MW。

通过对现场试验数据进行一次调频特性分析，可知，当机组受到频率扰动时，机组能够对功率需求在短时间内做出响应，但存在功率调节时间过长，有功反调过大的特点，一次调频考核评价判定为不合格。计算结果和实际相符。

图6 S电站水电机组一次调频现场试验数据原始波形Fig.6 The original waveform of the test data of the primary frequency modulation field of hydropower unit of S hydropower station

Tab.1 Analysis of the original waveform response characteristics of the field test data of a hydroelectric generating unit.

图7为水电机组一次调频仿真分析模块，它主要包括图形显示窗口和数值设置与计算模块，数值设置与计算模块包括：待分析时间段选取，一次调频考核时间设置，扰动前均值计算，扰动后稳态值计算，一次调频相关性能指标计算和动作记录与评价。仿真分析实现步骤为：①选择仿真模型；②线性或非线性模型参数设置；③设置频率扰动和机组有功信号；④设定仿真总时间，并启动Simulink一次调频仿真模型仿真；⑤选择一次调频相关性能指标分析功能，自动实现仿真数据分析；⑥对仿真数据进行分析并保存结果至指定文件，完成一次调频仿真数据的分析。

图7 水电机组一次调频仿真分析模块Fig.7 The simulation analysis module for frequency modulation of hydropower station

4 结 语

为了方便水电机组一次调频现场试验或仿真模拟分析机组的调节性能，本文应用MATLAB/GUI开发了水电机组一次调频考核平台，作为功能性软件，具有集成性和开放性特点，同时，考核依据为南方电监局“两个细则”考核标准。主要实现了两个功能：①水电机组一次调频现场试验数据分析功能；②应用水电机组一次调频实时仿真与数据分析功能，实际应用验证了本软件平台的先进性和可行性。

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