CN110021942B - 一种基于dcs的调频控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于DCS的调频控制方法，涉及发电机组调频控制技术领域，包括步骤：进行机组实际转速、实际功率的数据采集并更新；用机组额定转速减去实际转速，得到转速差，送至一次调频函数；经低限制组和高限制组计算输出负荷设定叠加值；叠加到负荷设定值上；送至比例积分调节器输入端；比例积分调节器处于跟踪状态，将所述叠加后的负荷设定值输出至流量指令。本发明的基于DCS的调频控制方法，满足了一次调频精度控制要求；同时对一次调频控制策略进行了优化，小扰动信号切除逻辑大大减少了一次调频无效动作次数，降低了高调门波动频率，提高了调节系统稳定性，保护了高调门设备，也减少了对AGC调节过程的影响。

Description

一种基于DCS的调频控制方法

技术领域

本发明涉及发电机组调频控制技术领域，尤其涉及一种基于DCS的调频控制方法。

背景技术

随着特高压线路的逐步投产和光伏、风电等新能源容量的逐渐提高，火力发电机组所占比重大幅降低。特高压线路的直流闭锁和新能源的不确定性，都会对电网频率带来较大冲击，因此“友好型能源”火电发电机组的一次调频能力逾显重要。

大部分机组均采用汽轮机转速作为一次调频控制信号。但是机组转速参数精度差，在电网频率发生扰动时难以及时反映电网频率的真实波动情况，导致机组一次调频动作效果不佳，不能满足一次调频动作的快速性和准确性。

部分机组曾试用发电机母线频率作为一次调频控制信号，该频率信号是由发电机出口母线PT信号(100VAC)通过频率变送器输出4-20mA信号至分散控制系统(DistributedControl System，简称DCS)，DCS采集到的频率信号仅能达到0.1Hz，DCS AI通道精度为0.2％，因此采集到的频率信号远远无法满足一次调频的控制精度要求。

少部分机组采用一种独立于DCS之外的外挂式一次调频智能控制系统，分别与机组汽轮机数字电液控制系统(Digital Electric Hydraulic Control System，简称DEH)、DCS、PMU、RTU进行信号交换，直接输出控制指令至机组DCS和DEH系统，实现一次调频功能。

但独立于DCS之外的外挂系统普遍存在开放性不足，与DCS契合度不够，无法进行及时分析优化，不能保证长期优良的控制效果；同时增加了控制系统设备复杂性，加大了故障发生率和设备投资；需厂家后续不停的维护优化服务，不断投入技术服务费用、硬件更新费用，提高了运营成本。

同时在使用中也发现外挂式一次调频智能控制系统由于小扰动动作频繁，动作量不足，即无效动作较多，导致一次调频动作影响到自动发电厂控制系统(AutomaticGeneration Control，简称AGC)调节过程的不稳定。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于DCS的调频控制方法，既能实现DCS对机端频率信号的高速率、高精度采集，又采用基于频率变化调整的DCS控制策略，直接由DCS和DEH系统实现一次调频功能。既利用了DCS开放性较高的优势，又可减少中间传输环节，使系统简化。同时提供优化控制逻辑，解决一次调频小扰动信号动作频繁，动作量不足的问题，即降低一次调频无效动作数量。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提高对机组实际转速信号高速率、高精度采集，降低因小扰动信号造成的一次调频无效动作数量，提高调节系统稳定性。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于DCS的调频控制方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1、进行机组实际转速、实际功率的数据采集并更新；

步骤2、用机组额定转速减去实际转速，得到转速差，送至一次调频函数；

步骤3、通过所述一次调频函数计算输出第一负荷设定叠加值；

步骤4、所述第一负荷设定叠加值经低限制组和高限制组计算输出第二负荷设定叠加值；

步骤5、如果“DCS投入一次调频”为投入情况下，将所述第二负荷设定叠加值叠加到负荷设定值上，否则，将“0”叠加到第二负荷设定叠加值叠加到负荷设定值上；

步骤6、用叠加后的负荷设定值减去实际功率值，送至比例积分调节器输入端；

步骤7、如果“DCS切除功率回路”为投入情况下，比例积分调节器处于跟踪状态，将所述叠加后的负荷设定值输出至流量指令，否则，将所述叠加后的负荷设定值经过比例积分调节器偏差运算后输出至流量指令。

进一步的，所述步骤1中所述机组实际转速的数据采集包括以下步骤：

步骤1.1、将发电机出口母线电压互感器信号送至DCS频率采集模件；

步骤1.2、将所述频率采集模件采集到的机组实际频率送至DCS；

步骤1.3、根据机组额定转速和机组实际频率计算得到机组实际转速。

进一步的，所述步骤1中所述数据采集并更新的时间周期小于等于10毫秒。

进一步的，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、如果机组转速差绝对值小于等于调频动作死区，设定所述第一负荷设定叠加值为0，跳至步骤4；

步骤3.2、根据机组额定功率、额定转速、转速不等率、转速差计算得出一次调频量；

步骤3.3、如果所述一次调频量大于等于一次调频补偿幅度上限，设定所述第一负荷设定叠加值为所述一次调频补偿幅度上限，否则，设定所述第一负荷设定叠加值为所述一次调频量。

进一步的，所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、如果所述第一负荷设定叠加值为0，跳至步骤4.3；

步骤4.2、设定低限制组的低限制值为投运范围下限减去所述第一负荷设定叠加值不为0时前一刻所述第一负荷设定叠加值为0时瞬间记忆实际功率，设定高限制组的高限制值为投运范围上限减去所述第一负荷设定叠加值不为0时前一刻所述第一负荷设定叠加值为0时瞬间记忆实际功率，跳至步骤4.4；

步骤4.3、设定低限制组的低限制值为投运范围下限减去实时实际功率，设定高限制组的高限制值为投运范围上限减去实时实际功率；

步骤4.4、将所述第一负荷设定叠加值作为所述低限制组的输入值，与所述低限制值进行比较，取数值大的作为所述低限制组的输出值送至所述高限制组的输入端，与所述高限制值进行比较，取数值小的作为所述高限制组的输出值，即第二负荷设定叠加值。

进一步的，所述步骤3.1中的所述调频动作死区为2转每分钟。

进一步的，所述步骤3.2中的所述一次调频量ΔP_f的计算公式为：

其中，k为调频系数，Δf为转速差，P₀为额定功率，n₀为额定转速，δ为转速不等率。

进一步的，所述步骤3.2中的所述转速不等率为3％至6％。

进一步的，所述步骤3.3中的所述一次调频补偿幅度上限的确定方法为：

对于250MW＞P₀的火力发电机组，所述一次调频补偿幅度上限≥10％P₀；

对于350MW≥P₀≥250MW的火力发电机组，所述一次调频补偿幅度上限≥8％P₀；

对于500MW≥P₀＞350MW的火力发电机组，所述一次调频补偿幅度上限≥7％P₀；

对于P₀＞500MW的火力发电机组，所述一次调频补偿幅度上限≥6％P₀。

进一步的，所述步骤4.2和步骤4.3中的所述投运范围下限为小于等于50％额定功率，所述投运范围上限大于所述投运范围下限，且小于等于105％额定功率。

本发明的基于DCS的调频控制方法，解决了DCS采集频率精度低的问题，满足了一次调频精度控制要求；同时对一次调频控制策略进行了优化，小扰动信号切除逻辑大大减少了一次调频无效动作次数，降低了高调门波动频率，提高了调节系统稳定性，保护了高调门设备，也减少了对AGC调节过程的影响。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的调频控制方法原理逻辑框图；

图2是本发明的一个较佳实施例的调频控制方法的转速与频率对比曲线图；

图3是本发明的一个较佳实施例的小扰动信号切除策略的一次调频函数曲线图；

图4是本发明的一个较佳实施例的小扰动信号切除前后试验结果对比图。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

首先解决发电机母线频率的高精度采集问题，考虑由DCS高精度频率采集模件直接采集发电机出口母线PT信号(100VAC)，用于一次调频控制条件。取消了频率变送器环节，提高了测量精度，满足了一次调频控制条件准确性的需要。

本发明提供了一种高精度频率采集卡，工厂测试精度完全达到了0.01Hz的要求。经过与汽轮机转速信号及一次调频考核系统统计数据对比，得出结论：高精度频率采集卡测量准确，完全达到了一次调频控制精度要求，转速1与频率2对比曲线如图2所示。

同时，对一次调频控制逻辑回路进行了优化，采用了线性函数模块实现了小扰动信号切除功能，通过对切除限值进行调整优化，大大提高了机组一次调频动作有效性，降低了一次调频无效动作次数。经分析一次调频动作过程，发现主要问题是一次调频小扰动信号动作频繁，动作量不足。一次调频动作量不足可适当减小调频动作死区，但又引起无效动作的增多。经过多次试验研究，提出了小扰动信号切除策略，采用线性函数模块实现小信号切除功能，一次调频函数曲线如图3所示，在对调频动作死区适当减小后，通过函数对一次调频动作量低限进行限制，将小幅动作值切除，达到减少无效动作的目的。通过对切除限值进行多次调整优化，完全达到了要求的效果，小扰动信号切除前3和小扰动信号切除后4试验结果对比如图4所示。既较好的解决了一次调频动作量不足问题，提高了动作有效性，又大大减少了一次调频动作次数，降低了高调门波动频率，提高了调节系统稳定性，保护了高调门设备。

本实施例中，系统每10毫秒采集一次数据并进行数据更新。

如图1所示，一次调频在AGC控制模式下的逻辑实现过程及说明如下：

DCS侧实际转速与额定转速差值，经过一函数转换为负荷动作值，经高低动作负荷限制；当实际功率超出动作区间(50％-105％额定负荷)，将输出动作值限制为0，当实际功率在动作区间内，输出动作值，在DCS一次调频投入情况下，动作值直接叠加到DCS功率回路负荷设定值上，对功率回路进行校准后形成流量指令，送至DEH动作高压调门，对负荷进行校正调整。

在一次调频投入的情况下，由转速差(即与额定3000的转速偏差)经过转速不等率函数转换后得出一个转速差对应负荷设定叠加值。在一次调频未投入的情况下，不产生负荷设定叠加值。转速不等率函数即一次调频函数，转速不等率(3％～6％)可调整，一般火电机组采用5％的转速不等率。比如说额定300MW机组(设一次调频补偿幅度为300MW)，选取5％的转速不等率，则转速差与负荷设定叠加值的关系如下表。

转速不等率函数通常设置有调频动作死区，在转速微小变动范围内(±2rpm，可调)，负荷设定叠加值一直为“0”，不参与一次调频，超出调频动作死区范围则按照转速不等率曲线改变负荷设定值，进而改变阀门开度和进汽量。通常情况下，一次调频函数的负荷设定值会被限制在一个固定区间内变化，区间的大小依据电网要求而定。最后，一次调频回路给出的负荷给定值叠加到协调控制系统(Coordination Control System，简称CCS)指令上送至DEH系统进行开环阀位控制，改变阀门开度和蒸汽流量。

实际转速与额定转速(3000rpm)进行加减运算后，形成转速差(3000-实际转速)，送至一次调频函数F(x)。函数F(x)的输入为转速差信号，输出值为转速差对应的负荷设定值。F(x)计算输出的负荷设定值经过高限制组、低限制组后，如果在“DCS投入一次调频”投入情况下(T＝YES)，叠加到“负荷设定”值上；如果在“DCS投入一次调频”未投入情况下(T＝NO)，则叠加到“负荷设定”值为“0”。叠加后的“负荷设定”值与“实际功率”进行加减运算，送至PI调节器输入端。当“DCS切除功率回路”成立时，PI调节器处于跟踪状态，输出的“流量指令(去DEH)”即为被叠加后的“负荷设定”；如当“DCS切除功率回路”未成立时，则PI调节器经过偏差运算后直接输出到“流量指令(去DEH)”。

上述，F(x)输出后的高限制组、低限制组分别按照如下条件自动生成：

(1)当F(x)≠0时，则

高限制值＝“105％额定负荷”减去F(x)≠0时前一刻F(x)＝0时的瞬间记忆“实际功率”；

低限制值＝“50％额定负荷”减去F(x)≠0时前一刻F(x)＝0时的瞬间记忆“实际功率”；

(2)当F(x)＝0时，则

高限制值＝“105％额定负荷”减去实时“实际功率”；

低限制值＝“50％额定负荷”减去实时“实际功率”。

一次调频量ΔP_f的计算公式为：

其中，k为调频系数，Δf为转速差，P₀为额定功率，n₀为额定转速，δ为转速不等率。

举例说明：

转速不等率5％，汽机从额定负荷100％到0％变化时，所对应的转速升高值为150rpm，

也叫速度变动率。一次调频量的计算：以机组额定容量660MW为例，

即每对应变化1rpm的转速差的一次调频量为4.4MW。

机组参与一次调频的补偿幅度不应设置下限；一次调频的补偿幅度上限可以加以限制，但限制幅度不应过小，规定如下：

a)对于250MW＞P₀的火力发电机组，所述一次调频补偿幅度上限≥10％P₀；

b)对于350MW≥P₀≥250MW的火力发电机组，所述一次调频补偿幅度上限≥8％P₀；

c)对于500MW≥P₀＞350MW的火力发电机组，所述一次调频补偿幅度上限≥7％P₀；

d)对于P₀＞500MW的火力发电机组，所述一次调频补偿幅度上限≥6％P₀。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于DCS的调频控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1、进行机组实际转速、实际功率的数据采集并更新；

步骤2、用机组额定转速减去实际转速，得到转速差，送至一次调频函数；

步骤3、通过所述一次调频函数计算输出第一负荷设定叠加值；

步骤4、所述第一负荷设定叠加值经低限制判断单元和高限制判断单元计算输出第二负荷设定叠加值；所述步骤4包括以下步骤：

步骤4.1、如果所述第一负荷设定叠加值为0，跳至步骤4.3；

步骤4.2、设定低限制判断单元的低限制值为投运范围下限减去所述第一负荷设定叠加值不为0时前一刻所述第一负荷设定叠加值为0时瞬间记忆实际功率，设定高限制判断单元的高限制值为投运范围上限减去所述第一负荷设定叠加值不为0时前一刻所述第一负荷设定叠加值为0时瞬间记忆实际功率，跳至步骤4.4；

步骤4.3、设定低限制判断单元的低限制值为投运范围下限减去实时实际功率，设定高限制判断单元的高限制值为投运范围上限减去实时实际功率；

步骤4.4、将所述第一负荷设定叠加值作为所述低限制判断单元的输入值，与所述低限制值进行比较，取数值大的作为所述低限制判断单元的输出值送至所述高限制判断单元的输入端，与所述高限制值进行比较，取数值小的作为所述高限制判断单元的输出值，即第二负荷设定叠加值；

步骤5、如果“DCS投入一次调频”为投入情况下，将所述第二负荷设定叠加值叠加到负荷设定值上，否则，将“0”叠加到第二负荷设定叠加值叠加到负荷设定值上；

步骤6、用叠加后的负荷设定值减去实际功率值，送至比例积分调节器输入端；

步骤7、如果“DCS切除功率回路”为投入情况下，比例积分调节器处于跟踪状态，将所述叠加后的负荷设定值输出至流量指令，否则，将所述叠加后的负荷设定值经过比例积分调节器偏差运算后输出至流量指令。

2.如权利要求1所述的基于DCS的调频控制方法，其特征在于，所述步骤1中所述机组实际转速的数据采集包括以下步骤：

步骤1.1、将发电机出口母线电压互感器信号送至DCS频率采集模件；

步骤1.2、将所述频率采集模件采集到的机组实际频率送至DCS；

步骤1.3、根据机组额定转速和机组实际频率计算得到机组实际转速。

3.如权利要求1所述的基于DCS的调频控制方法，其特征在于，所述步骤1中所述数据采集并更新的时间周期小于等于10毫秒。

4.如权利要求1所述的基于DCS的调频控制方法，其特征在于，所述步骤3包括以下步骤：

步骤3.1、如果机组转速差绝对值小于等于调频动作死区，设定所述第一负荷设定叠加值为0，跳至步骤4；

步骤3.2、根据机组额定功率、额定转速、转速不等率、转速差计算得出一次调频量；

步骤3.3、如果所述一次调频量大于等于一次调频补偿幅度上限，设定所述第一负荷设定叠加值为所述一次调频补偿幅度上限，否则，设定所述第一负荷设定叠加值为所述一次调频量。

5.如权利要求4所述的基于DCS的调频控制方法，其特征在于，所述步骤3.1中的所述调频动作死区为2转每分钟。

6.如权利要求4所述的基于DCS的调频控制方法，其特征在于，所述步骤3.2中的所述一次调频量ΔP_f的计算公式为：

其中，k为调频系数，Δf为转速差，P₀为额定功率，n₀为额定转速，δ为转速不等率。

7.如权利要求4所述的基于DCS的调频控制方法，其特征在于，所述步骤3.2中的所述转速不等率为3％至6％。

8.如权利要求4所述的基于DCS的调频控制方法，其特征在于，所述步骤3.3中的所述一次调频补偿幅度上限的确定方法为：

对于250MW＞P₀的火力发电机组，所述一次调频补偿幅度上限≥10％P₀；

对于350MW≥P₀≥250MW的火力发电机组，所述一次调频补偿幅度上限≥8％P₀；

对于500MW≥P₀＞350MW的火力发电机组，所述一次调频补偿幅度上限≥7％P₀；

对于P₀＞500MW的火力发电机组，所述一次调频补偿幅度上限≥6％P₀。

9.如权利要求1所述的基于DCS的调频控制方法，其特征在于，所述步骤4.2和步骤4.3中的所述投运范围下限为小于等于50％额定功率，所述投运范围上限大于所述投运范围下限，且小于等于105％额定功率。

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