一种发电机组一次调频性能异常在线统计分析方法与流程

本发明属于发电机安全运行领域，特别涉及一种对发电机一次调频性能异常的在线分析和告警方法。

背景技术：

发电机的一次调频指发电机组调速系统所固有的频率响应能力，当机端频率变化时，其通过对汽缸中高温高压蒸汽储能压力的自动控制以及转子动能的变化，阻止机端频率的变化，实现频率的有差调节。发电机一次调频虽然是有差调节，但是由于其相对于实现频率无差调节的二次调频具有快得多响应速度(至少10倍以上)，因此其是减少电力系统频率波动，快速恢复电力系统频率稳定的重要措施。通常要求并网机组具有符合一定要求的一次调频能力。然而实际运行的发电机组很可能由于各种客观或主观原因达不到规定的一次调频性能，因而不能帮助抑制电网的频率波动，给其他符合运行要求的机组，造成过多负担，并进一步不利于电网整体的频率稳定。因此即时发现机组的一次调频问题，对于保障电力系统安全稳定运行，维护发电厂的公平运行具有重要的意义。

目前电力系统中对于机组一次调频的在线评价方法还缺少非常有效的手段。由于一次调频的响应速度是秒级，传统几秒一次测量的数据采集与监视控制系统(以下简称SCADA)不能对机组一次调频性能进行准确评估。近年来，随着具有10毫秒级量测能力的同步相量测量装置(以下简称PMU)/广域监测系统(以下简称WAMS)在省调以上电网的广泛应用，一次调频的在线评估已经在各省调及以上电力调度中心得到应用。然而，由于表征一次调频特性的最重要参数速度变动率是随着运行点有较大变化范围的，在实际运行中难以据此对机组的一次调频进行评估。目前普遍采用的方法是计算一次调频贡献率，即根据机组实际贡献电量与期望贡献电量的比值，来粗略地判断机组对频率恢复所起的作用。由于实际系统中有功功率和频率中存在扰动，并且二次调频的作用不能与一次调频的作用清晰分开，因此目前的一次调频贡献率指标、速度变动率等指标往往变动范围较大，还不能明确地指示出机组一次调频是否存在问题。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，实现对发电机组一次调频性能精确有效地在线评价，本发明公开了一种发电机一次调频性能异常在线统计分析方法。该方法通过在线获取的发电机组有功功率和频率的PMU量测数据，选取有利于提高计算精度的典型一次调频事件，计算相应的一次调频贡献率，并采用积分算法计算实测平均速度变动率，利用合理的数据范围和正态分布方差筛选出合理的一次调频性能评价结果，屏蔽扰动和二次调频对一次调频性能评价的影响；然后根据这两个指标与合理值、预设值的差别以及相对于历史值的变化，对机组的一次调频性能异常给出告警。

本发明具体采用以下技术方案。

一种发电机组一次调频性能异常在线统计分析方法，其特征在于：

该方法通过在线获取的发电机机端有功功率和频率的PMU量测数据，选取典型一次调频事件，计算相应的一次调频贡献率，并采用积分算法计算实测平均速度变动率，利用合理的数据范围和正态分布方差筛选出合理的一次调频性能评价结果，然后根据一次调频贡献率和实测平均速度变动率与合理值、预设值的差别以及相对历史值的变化，对发电机组的一次调频性能异常给出告警。

所述发电机组一次调频性能异常在线统计分析方法，通过同步相量测量装置PMU获得发电机的PMU数据，其特征在于，所述在线统计分析方法包括以下步骤：

步骤1：利用安装在发电机端的同步相量测量装置PMU实时监视发电机组出口有功功率和频率，捕捉典型一次调频事件，并保存和记录该一次调频事件过程的曲线；

步骤2：针对步骤1得到的每个典型一次调频事件，计算一次调频贡献率；

步骤3：针对步骤1得到的每个一次调频事件，采用积分算法计算发电机组的实测平均速度变动率：

步骤4：筛选发电机组在设定统计时间内有效的一次调频贡献率；

步骤5：根据步骤4筛选出的各有效的一次调频贡献率，计算发电机组在设定统计时段内的一次调频贡献率平均值

步骤6：筛选发电机组在设定统计时段内有效的实测平均速度变动率；

步骤7：根据步骤6筛选出的有效的实测平均速度变动率，计算发电机组在设定统计时段内的速度变动率的平均值

步骤8：根据步骤5得到的一次调频贡献率平均值步骤7获得的速度变动率的平均值与相应的预设阈值或历史值的比较，判断一次调频性能存在问题的发电机组并告警。

本发明还进一步包括以下优选方案：

在步骤1中，典型一次调频事件需要满足如下条件：

1.1)发电机组频率超过一次调频死区后的持续时间即T₄-T₁不小于15s，但最多不超过60s，若超过60秒，则T₄取为60s所对应时刻，称T₄-T₁这段时间为发电机组的在该次扰动中的一次调频时间T_f；

其中，T₁为发电机组频率超过一次调频死区的时刻，也称为一次调频的起始时刻；

T₄为发电机组频率恢复到一次调频死区内的时刻；

1.2)发电机组在该次扰动的一次调频时间T_f内，T₂-T₁≤14s时间，并且T₄-T₂≥1s；

其中，T₂为发电机组频率超过预设的典型一次调频频率变化阈值的时刻；

1.3)发电机组在该次扰动的一次调频时间T_f内，发电机组最大频率偏差超过设定的典型一次调频频率变化阈值，发电机组最大频率偏差出现的时刻为T₃；

1.4)一次调频发生时刻T₁前5s内，发电机组频率的波动偏差不超过预设的典型一次调频频率变化阈值；

1.5)一次调频发生时刻T₁前2s内，发电机组的平均有功功率P₀满足

0.6Pn<P₀<0.9Pn；

其中，P_n是发电机组的额定有功功率。

其中，所述一次调频死区是指频率偏移50H_Z额定频率0.033Hz；

所述预设的典型一次调频频率变化阈值为0.035Hz。

在步骤2中，针对步骤1得到的每个典型一次调频事件，计算一次调频贡献率的方法如下：

2.1)计算发电机组的起始有功功率P₀，即电网频率越过一次调频死区时刻T₁前2秒内发电机组有功功率的平均值；

2.2)计算发电机组一次调频实际贡献电量，以发电机组一次调频起始时刻T₁的前两秒内有功功率平均值P₀为基点，向后积分发电变化量到发电机组一次频率恢复到一次调频死区内的时刻T₄，得到发电机组的一次调频实际贡献电量Q_r：

式中：

Q_r：发电机组在该次频率扰动中的一次调频实际贡献电量；

P_t：t时刻发电机组的实际发电有功功率；

P₀：机组频率超过一次调频死区的时刻T₁前2秒内的有功功率平均值；

2.3)计算发电机组一次调频理论贡献电量

发电机组的一次调频理论贡献电量Q_e表示为：

ΔP(Δf,t)＝-Δf(t)×P_N/(f_n×K_e)

其中：

P_N：发电机组额定有功出力；

f_n：电网额定频率50Hz；

f_t：t时刻的发电机组频率(Hz)；

Ke：发电机组名义速度变动率；

2.4)计算发电机组在该次调频事件中的一次调频贡献率

一次调频贡献率K＝(一次调频实际贡献电量/一次调频理论贡献电量)×100％，即

在步骤3中，针对每个典型一次调频事件，采用积分算法计算发电机组的实测平均速度变动率的方法如下：

3.1)按下式计算该发电机组的实测平均功率变化，

其中，T₁为发电机组频率超过一次调频死区的时刻，也称为一次调频的起始时刻；

T₄为发电机组频率恢复到一次调频死区内的时刻；

P_t：t时刻发电机组的实际发电有功功率；

P₀：发电机组频率超过一次调频死区的时刻T₁前2秒内的有功功率平均值；

3.2)按下式计算该机组的实测平均频率偏移Δf_r：

其中

3.3)按下式计算该机组的实测平均速度变动率：

式中P_N为该机组的额定出力。

在步骤4中，筛选有效的一次调频贡献率方法如下：

4.1)删除设定统计时间内计算得到的一次调频贡献率中绝对值大于5的数值；

4.2)对剩余的一次调频贡献率按照下式求其平均值μ_K和标准偏差σ_K

其中，N为在设定统计时间内删除一次调频贡献率绝对值大于5以后剩下的一次调频事件次数，K_i为发电机组在第i次一次调频事件中的一次调频贡献率；

4.3)删除在区间[μ_K-3σ_K,μ_K+3σ_K]之外的一次调频贡献率，剩余的各一次调频贡献率作为评价该机组性能的有效一次调频贡献率。

在步骤6中，筛选发电机组有效的实测平均速度变动率方法如下：

5.1)删除设定统计时间内计算得到的实测平均速度变动率中绝对值大于20％的数值；

5.2)对剩余的实测平均速度变动率，求其平均值μ_δ和标准偏差σ_δ

5.3)删除在区间[μ_δ-3σ_δ,μ_δ+3σ_δ]之外的速度变动率，剩余的各一次调频速度变动率作为评价该发电机组一次调频性能的有效的实测平均速度变动率。

在步骤8中，判断一次调频性能存在问题的发电机组并告警的方法如下：

8.1)当发电机组在设定统计时段内的一次调频贡献率平均值时，则判断该发电机组一次调频不满足预设要求；

8.2)对于发电机组在设定统计时段内的一次调频贡献率平均值若在设定统计时段内的速度变动率平均值或并且在前两个预设统计时段内，也保持这种情况即一次调频贡献率平均值且速度变动率平均值或则判断发电机组一次调频性能不稳定；

8.3)对于发电机组在设定统计时段内的一次调频贡献率平均值时，并且在当前设定统计时段内的速度变动率平均值但是比上一个统计时段即问题参考时段的速度变动率平均值大20％，并且在接下来的下一个统计时段速度变动率平均值仍然比问题参考时段的速度变动率平均值大20％，则提醒运行人员该发电机组一次调频性能可能恶化。

在步骤4-8中，所述设定统计时间为1日或1星期。

本发明提出的方法通过在线获取的发电机PMU量测数据，选取典型一次调频事件，计算相应的一次调频贡献率，并采用积分法计算实测平均速度变动率，利用合理的数据范围和正态分布方差筛选出合理的一次调频性能评价结果，可以有效屏蔽扰动和二次调频对一次调频性能评价的影响；然后根据这两个指标与合理值、预设值的差别以及相对于历史值的变化，对机组的一次调频性能异常给出告警。根据上述计算结果和告警信息，运行人员可以及时发现一次调频存在问题的发电机组，也有利于促使发电机组维持良好的一次调频性能，共同维护电网频率的安全稳定运行。

附图说明

图1孤立电网中发电机三相有功不对称负荷平衡控制系统流程图；

图2一次调频在线监测有效扰动各变量定义(以频率高于50Hz为例)。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步详细介绍。

本发明申请公开了一种对发电机一次调频性能异常进行在线统计分析和告警的方法。根据所述方法开发的应用程序将布置于各级电网调度控制中心中的WAMS即广域测量系统的高级应用服务器中，所需的发电机有功功率和频率动态量测数据，由发电机端的PMU采集计算并实时上送到调度控制中心主站的WAMS。在国内目前的调度系统中，通常PMU上送数据的速率为50帧/秒或25帧/秒。本发明所提出的方法根据在线获取的发电机PMU量测数据，选取典型的一次调频事件，计算相应的一次调频贡献率，并采用所提出的积分法计算实测平均速度变动率，利用合理的数据范围和正态分布方差筛选出合理的一次调频性能评价结果，屏蔽扰动和二次调频对一次调频性能评价的影响；然后根据这两个指标与合理值、预设值的差别以及相对于历史值的变化，对机组的一次调频性能异常给出告警。

所述发明方法包括以下具体步骤(流程图见图1)：

步骤1：利用安装在发电机端的同步相量测量装置PMU实时监视发电机组出口有功功率和频率，捕捉满足以下条件的典型一次调频事件，并保存和记录一次调频事件过程的曲线。在下面的描述中定义频率超过一次调频死区0.033Hz的时刻为T₁，即一次调频的起始时刻；频率超过典型一次调频频率变化阈值0.035Hz的时刻为T₂；频率恢复到一次调频死区内的时刻为T₄；在这期间频率达到最大或最小值的时刻为T₃。相关符号在图2中给出了示例。

1.1)频率超过一次调频死区后的持续时间，即T₄-T₁不小于15s，但最多不超过60s，若超过60秒，则T₄取为60s所对应时刻，称该段时间为发电机组的在该次扰动中的一次调频时间T_f；

1.2)发电机组在该次扰动的一次调频时间T_f内，T₂-T₁≤14s时间，并且T₄-T₂≥1s；

1.3)发电机组在该次扰动的一次调频时间T_f内，发电机组最大频率偏差超过设定的典型一次调频频率变化阈值，发电机组最大频率偏差出现的时刻为T₃；

1.4)一次调频起始时刻T₁前5s内，发电机组频率的波动偏差不超过预设的典型一次调频频率变化阈值0.035Hz；

1.5)一次调频起始时刻T₁前2s内，机组的平均有功功率P₀满足

0.6Pn<P₀<0.9Pn；

其中P_n是指发电机组的额定有功

步骤2：针对步骤1得到的每个典型一次调频事件，计算一次调频贡献率：

2.1)计算发电机组的起始有功功率P₀，即电网频率越过一次调频死区时刻T₁前2秒发电机组有功功率的平均值；

2.2)计算发电机组一次调频实际贡献电量，以发电机组一次调频起始时刻T₁的前两秒内有功功率平均值P₀为基点，向后积分发电变化量到发电机组一次频率恢复到一次调频死区内的时刻T4，即发电机组的一次调频实际贡献电量Q_r表示为：

式中：

Q_r：机组在该次频率扰动中的一次调频实际贡献电量；

P_t：t时刻机组的实际发电有功功率；

P₀：发电机组频率超过一次调频死区的时刻T₁前2秒内的有功功率平均值；

2.3)计算发电机组一次调频理论贡献电量

发电机组的理论一次调频积分电量Q_e表示为：

ΔP(Δf,t)＝-Δf(t)×P_N/(f_n×K_e)

其中：

P_N：机组额定有功出力；

f_n：电网额定频率50Hz；

f_t：t时刻的机端频率(Hz)；

Ke：发电机组名义速度变动率；

2.4)计算发电机组该次调频事件中的一次调频贡献率

一次调频贡献率K＝(一次调频实际贡献电量/一次调频理论贡献电量)×100％，即

步骤3：针对步骤1得到的每个一次调频事件，采用积分算法计算发电机组的实测平均速度变动率：

3.1)按下式计算该机组的实测平均功率变化

3.2)按下式计算该机组的实测平均频率偏移

其中

3.3)按下式计算该机组的实测平均速度变动率：

式中P_N为该机组的额定出力。

步骤4：筛选发电机组在设定统计时间内有效的一次调频贡献率；

4.1)删除1日或1星期内计算得到的一次调频贡献率中绝对值大于5的数值；

4.2)对剩余的一次调频贡献率按照下式求其平均值μ_K和标准偏差σ_K

其中，N为在1日或1星期内删除一次调频贡献率绝对值大于5以后剩下的一次调频事件次数，x_i为发电机组在第i次一次调频事件中的一次调频贡献率；

4.3)删除在区间[μ_K-3σ_K,μ_K+3σ_K]之外的一次调频贡献率，剩余的各一次调频贡献率作为评价该机组性能的有效一次调频贡献率。

步骤5：根据步骤4筛选出的各有效的一次调频贡献率，计算发电机组在设定统计时段内的一次调频贡献率平均值

步骤6：筛选发电机组在设定统计时间内有效的实测平均速度变动率；

5.1)删除1日或1星期内计算得到的速度变动率中绝对值大于20％的数值；

5.2)对剩余的速度变动率求其平均值μ_δ和标准偏差σ_δ

5.3)删除在区间[μ_δ-3σ_δ,μ_δ+3σ_δ]之外的速度变动率，剩余的各一次调频速度变动率作为评价该发电机组一次调频性能的有效速度变动率。

步骤7：根据步骤6筛选出的有效的实测平均速度变动率，计算发电机组在设定统计时段内的速度变动率的平均值

步骤8：根据步骤5得到的一次调频贡献率平均值步骤7获得的速度变动率的平均值与相应的预设阈值或历史值的比较，判断一次调频性能存在问题的发电机组并告警：

8.1)当发电机组在设定统计时段内的一次调频贡献率平均值时，则判断该发电机组一次调频不满足预设要求；

8.2)对于发电机组设定统计时段内的一次调频贡献率若在设定统计时段内的速度变动率平均值或并且在前两个预设统计时段内，也保持这种情况，则判断发电机组一次调频性能不稳定；

8.3)对于发电机组在设定统计时段内的一次调频贡献率平均值时，若在设定统计时段内的速度变动率平均值但是比上一个统计时段即问题参考时段的速度变动率平均值大20％，并且在接下来的下1个统计时段速度变动率平均值仍然比问题参考时段的速度变动率平均值大20％，则提醒运行人员该机组一次调频性能可能恶化。

本发明提出的方法利用PMU在发电机端测得的频率和有功信息，选择有利于提高一次调频性能参数计算精度的典型一次调频事件，计算相应机组的一次调频贡献率，并采用积分算法计算速度变动率，利用合理的数据范围和正态分布方差筛选出合理的一次调频性能评价结果，屏蔽扰动和二次调频对一次调频性能评价的影响；然后根据这两个指标与合理值、预设值的差别以及相对于历史值的变化，对机组的一次调频性能异常给出告警。根据上述计算结果和告警信息，运行人员可以及时发现一次调频存在问题的发电机组，也有利于促使发电机组维持良好的一次调频性能，共同维护电网频率的安全稳定运行。

申请人结合说明书附图对本发明的实施例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。