电厂机组一次调频参数在线监测系统设计与实现

摘 要：随着国家电网对供电质量要求的不断提高，电力行业采用了多种技术手段保证电网频率相对稳定，而一次调频作为核心手段备受关注、应用广泛。但由于电力调度中心一般通过远程系统实现杜宇电厂一次调频性能的监督和考核，考虑到电厂环境的复杂性，其出具的考核结果经常和实际调频结果不一致， 因此提出一种基于电厂环境的一次调频考核系统，其是通过Winpcap数据抓包监听采集PMU装置的一次调频相关参数，并针对电厂实际一次调频机组的性能量化考核参数贡献电量的计算方法， 通过以龙游电厂的机组实时数据为基础，给出相应考核结果，实现了对其机组一次调频情况的考核分析。

关键词：一次调频;电网频率;Winpcap;在线监测

DOI：10. 11907/rjdk. 181876

中图分类号：TP319文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）001-0108-04

Abstract： With the constant improvement of the national power grid for power supply quality requirements， the electric power industry has adopted many technical means to ensure the grid frequency is relatively stable， and primary frequency control， as one of the most important of methods has had wide attention and application. But because the electric power dispatching center employs the remote system to achieve a power plant of the cuckoo primary frequency control performance of the supervision and examination， considering the complexity of the power plant environment， the issue of the assessment results are often inconsistent with the actual frequency modulation. So in order to solve this problem， this paper proposes an assessment system of primary frequency control based on power plant environment，which uses Winpcap data capture and interception to collect the primary frequency-related parameters of the PMU device， and uses the power contribution calculation method for the performance of the power plant's actual primary frequency modulation unit. According to the corresponding assessment results， the assessment and analysis of the primary frequency modulation of the unit was realized based on the real-time data of the unit of Longyou Power Plant.

0 引言

电力系统的稳定运行对国家工业生产和经济发展有重要影响，其稳定运行由多个因素决定，其中最主要的是电网频率需保持在[50Hz±f死区]范围内[1-8]，因此电力系统采取多种技术保证电网频率稳定，由于一次调频对电网频率波动的响应速度较快，且调节范围较大，所以被广泛运用于维持电网稳定中。但是由于过去电厂没有相应的满足现场环境要求的一次调频系统，只能完全按照省级调度中心下发的一次调频指令调整机组负荷，而省调度中心往往没有考虑到电厂实际经济利益[9-13]，所以电厂为追求经济利益不会一直完全响应省调度公司的一次调频投入投出信号。因电厂一次调频错误响应导致的严重后果很多，例如锦苏直流双极闭锁事件[14-16]，事故发生的主要原因是部分机组的一次调频能力被电厂削弱，严重影响到频率扰动的恢复速度，最终导致华东地区电网频率波动较大，造成了不必要的经济和财产损失。因此建设符合电厂需求的一次调频在线监测考核系统很有必要[17-18]。高林等[19]提出面对电网突发扰动如何判断机组能否快速响应的算法，能够有效地给出机组一次调频评估结果，但是对于如何采集一次调频数据的方法则有所欠缺。郑涛等[20]提出一种基于PMU的实时数据采集方法，该方法能较为准确地采集到PMU数据，但是对于PMU装置的接入可能會引起省调主站故障。

针对以上问题，本文提出一次调频参数在线监测系统设计方案，其通过Winpcap动态链接库和PMU中的配置帧文件，基于TCP/IP协议对发往主站的数据包进行捕获和分析解码，并将解码后数据送入PI实时数据库，Web端通过从PI数据库获取数据，并根据华东电网两个细则的计算方法推导得出评估效率较高、满足电厂需要的计算方法，通过该方法进行一次调频考核分析，且考虑到二次安防。本文基于侦听的方式进行PMU数据获取，不会对PMU装置产生任何握手连接等操作，极大地避免了安全隐患。

1 一次调频监测系统设计

1.1 系统需求分析

通过综合考虑和时间需要，本文采用基于Web的.net框架进行系统界面设计，从用户实际需要出发，系统必须提供电网频率、机组有功出力等有关一次调频考核的实际信息，且考虑到电厂业务扩张和机组等设备的更新维护，要求系统提供能够及时更新和维护的功能模块，方便电厂和省调度公司工作人员及时、准确地对相关信息进行添加、删除和修改等操作，并且可以通过界面进行机组额定功率、电网额定频率等配置信息的编辑。此外系统还需要提供针对一次调频的最终考核计算结果，以报表的形式实时显示。本文设计的一次调频在线监测系统分为6个部分，分别是数据接口和预处理模块、一次调频信息实时监控模块、一次调频考核计算模块、报表模块及Web界面。系统结构如图1所示。

1.2 系统硬件设计

综合考虑电厂的实际情况和已有设备架构，选择如图2所示的系统硬件设计结构。从图中可以看出，一次调频计算所需的参数由两部分获取，一部分从电厂安全I区的DCS系统、AGC系统等采集的数据通过原有OPC服务器，进入防火墙后传入安全II区PI实时数据库。剩余的有关电网频率和一次调频理论值等参数均需要从PMU装置中获取，主要是通过光纤收发器和交换机将接口机与PMU子站发往主站的数据进行镜像传输，经过解包后的数据通过防火墙策略控制后送往II区PI实时数据库。而II区PI数据库经过镜像后可将数据送往安防等级较低的III区数据库进行存储。本文将一次调频在线监测平台部署于Ⅲ区的Web服务器和应用服务器中。外界的访问和维护基于III区两台服务器进行。

2 系统软件实现

2.1 数据采集

由于一次调频计算中几个重要参数由同步相量测量装置（Phase Measurement Unit， PMU）进行测量，直接发往各地调度中心，因此在电厂DCS数据库中并未存放相应的数据，并且考虑到安防因素无法直接接入PMU装置，所以需要通过对PMU装置子站到主站的数据链路进行侦听，以捕获对应的数据包。该操作可保证采集到的数据与省调收到的数据一致，提高考核结果的准确性。

数据侦听主要借助Winpcap进行，通过Winpcap动态链接库捕获数据包，由于PMU子站和主站的通信协议采用TCP/IP协议，因此定义数据包格式如下：

按照TCP/IP协议进行分析后，需对数据进行二次分解，按照电力系统实时动态传输规约的协议要求，对TCP/IP数据包中的data bolck进行分析，将有关电网频率和一次调频理论值等相量、模拟量数据保存在SQL数据库中，然后将SQL数据发送给II区PI实时数据库，以通过防火墙控制策略，其中转发PI实时数据库的代码如下所示：

2.2 一次调频考核计算分析

根据华东电网的两个细则规定，一次调频考核是通过计算一次调频贡献率[K]实现的，即：

其中[Hi]为机组实际积分电量，[He]为机组理论积分电量，一次调频的考核是以当电网超出频率死区范围后开始计算的。因此，[Hi]可表示为：

其中[P0]为电网频率超出调频死区时刻的机组实际出力，[t0]为电网频率超出调频死区的时刻，[tt]为电网频率回到调频死区范围的时刻，[Pt]为一次调频动作内对应时刻机组的实际有功出力。如果调频时间跨度少于15s，则该次频率波动过程不予统计，且调频时间最大长度为60s，Sgn[（x）]为符号函数。

在高频少发或者低频多发的情况下，实际积分电量为正值;反之，高频多发或者低频少发的情况下实际积分电量为负值。另外理论上机组一次调频的积分电量[He]可表示为：

[f（t）]为对应电网频率变化超过死区频率差的绝对值，即MCR为机组额定有功出力;[f（n）]为电网额定频率50Hz;[f（t）]为对应[t]时刻的电网频率（Hz）;[kc]为机组转速不等率。两个细则规定若K < 0.5，则计为1次不合格;反之，则合格。最终将考核结果存入本地数据库。

3 一次调频在线运行

根据实际需要，本文选择B/S架构的系统设计，通过JS框架下的网页形式进行一次调频相关信息展示和查看。系统主要功能包括电网频率实时显示和一次调频结果显示等。为与电厂无纸化办公对接，系统允许将一次调频结果数据导出为Excel文件。詳细界面如图3、图4所示。

4 结语

本文设计的基于PMU装置的一次调频在线监测系统，根据电厂实际网络拓补结构和工作需要，采取B/S架构，通过数据侦听的方式获取有关参数信息，以Web界面形式进行计算展示。系统已在浙江龙游电厂进行安装和调试，经过实际监测发现系统实现了设计目标、满足了电厂实际需要，并且在安全性和可靠性方面也得到了电厂肯定。同时由于使用数据侦听的方式实现了PMU数据采集，能够最大程度避免系统安全问题的产生，可方便电力企业和省调度公司对电厂一次调频投入情况进行考核，杜绝发电安全事故的发生。

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（责任编辑：江 艳）