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摘要：水电厂机组调速系统的一次调频是一个基本功能，它对改善电网频率品质有一定的积极意思，尤其是小范围的频率波动，其速动性和准确性是别的调频手段无法比拟的。所以，如何充分利用这样一种机组自身具备的调差特性来优化电网系统的频率品质，本文从近期南网电力系统中各大中型水电厂出现的积分电量不合格的现象入手分析，浅谈一下水电厂调速系统调频原理和不合格的因素，并提出一些改进性建议。希望能为当前大型水电机组新型水轮机调速器的研究和设计，为电网系统对电厂一次调频考核计算方法提供一定参考。
关键词：调速器 一次调频 积分电量 调差率 频率死区 水头
一次调频是调速器的一个基本功能，该项功能在设备投产期间，一般由当地有资质的电力试验研究院所结合机组投产发电时的实际工况进行验证，依据一次调频的调节和指標的要求，适当选择和设置PID、Ef、bp五个参数并达到调节性能要求。设备投产后，电网公司会根据一套自身的考核方法、算法，从系统频率波动出发，以单位时间内的有功反馈为重要判断依据对电厂一次调频调节情况给予考核，主要是一次调频的动作正确率和动作后的调节效果。经过近几年从多个水电厂的运行情况了解，部分水电厂出现调频动作后积分电量被考核的问题（主要是动作量不够被考核，过量免考）。下面针对屡次出现电厂积分电量被考核问题，做进一步探讨。
1、调速器一次调频原理及实际调节分析
电网频率是波动的，该波动取决于电力系统内的有功的平衡。电力系统的有功平衡取决于该电力系统内各电厂发出的有功和用电负荷的平衡。如果发出的电多于系统消耗的电，根据能量守恒原理，假设保持发出的电不变，多出的有功会转化成系统的动能（机组的转速），从而抬升了频率。反之亦然。
这时，如果系统频率变大或变小，调速器就应该根据自身的调差特性第一时间相应动作。如果频率高过死区上限，导叶开度就会下调，反之上调。目的是改变输入水轮机的水力能量，改变机组出力，从而改变机组有功输出。目前南瑞主流调速系统调差特性是频率和导叶开度的关系。如图1-1，横坐标是导叶开度（标幺），纵坐标是频率（标幺），该曲线上任一点的导数（斜率）负数，即该点的永态转差系数，一般简化为直线斜率。
调速器在联大网模式下，检测到频率大于设置死区，就会调节。调速器此时只是调节开度，电科院也是根据调速系统传递函数模型对设备调频功能进行验证，开度满足计算要求即认定调频合格。
云南电科院分别于2009年9月、11月、12月完成了小湾电厂1#、2#、3#机组一次调频工作。试验完成后，小湾水电厂1#、2#、3#号机组调速系统当电网频率超过50±0.05Hz时，机组能够正常参与网频的调节，一次调频功能可以正常投入，各项指标满足要求。调速系统测频装置测量精度不超过0.01Hz；永态转差系数bp=4%，由静特性试验得出机组调速器转速死区小于0.02%。
在一次调频死区测试中，频率上升至50.05Hz时，一次调频动作，频率降到50.04Hz时，退出一次调频。频率下降至49.95Hz，一次调频动作，升至49.96 Hz，退出一次调频，一次调频动作正常。机组在单机状态时带负荷接力器响应试验，得到试验结果如下给定频率由50.00 Hz -50.20 Hz，或者50.00 Hz -49.80 Hz变化0.2 Hz时，一次调频动作正常，负荷响应滞后时间为小于3s，调节稳定时间小于45s。
AGC给定指令能够正常下达，AGC投入且AGC给定值与当前机组有功功率无偏差时一次调频动作引起的机组有功功率变化AGC不参与调节。AGC投入且AGC有新的指令，机组有功功率最终调整至AGC的设定值，一次调频功能正常。机组甩25%额定负荷试验得到接力器不动时间小于0.2s。
表1-1数据是三台机组参数汇总，可以看出调频皆是满足要求的。
由此可见，调速器根据频差做出的开度调节对机组有功的影响，以及有功对系统频率的影响，和调速器是没有必然的直接联系。换言之，调速器大网模式下是开度调节模式，即便一次调频动作，调节的也是开度。但在电网侧，关注的是频率和功率。这样在问题处理、认识上存在一定偏差。电厂实际的调节过程不是直接针对系统频率的调节甚至不是机组有功的调节，这样对调频的实际效果不利。
图1-2，图1-3，图1-4分别是小湾水电厂1#、2#机组试验录波，从录波曲线上可以看出，导叶动作趋势、动作量、动作速度都是和理论设想非常吻合的。在大频率扰动时，导叶开度变化显著，功率跟随相对也很直观，易于理解。
2、积分电量的算法和考核标准
南方电网对各水电厂机组一次调频动作评价不合格判断条件如下：
ACT_ENG/THEORY_ENG<50%
其中：ACT_ENG为实际动作积分电量；THEORY_ENG为理论动作积分电量；理论积分时间和实际积分时间保持一致，积分开始时间为频率过死区时间加上延时6秒，积分结束时间为频率回到死区的时间，最长不超过1分钟。电网对积分以上分子分母的计算由以下公式表达：
从公式-1，公式-2可以看出，对积分电量的计算是频差、机组有功在时间轴上的累积关系，没有导叶开度的体现，显然，调速器调频内部程序算法也是没有参照该公式的；换言之，制定这样的考核计算公式并没有考虑目前现场机组实际所用调速系统内部是如果根据频差调功的，也没有考虑不同设备厂家惯用的控制模式，这样必然会存在电厂机组的调节和电网的目标要求不对应的问题。
根据录波和监控报文记录，积分电量被考核多出现在系统频率超过死区临界点的状态下，这样如果本身波动的死区又不大，调速器内部参与PID计算的频差是减过死区后的频差，这样调节下来的开度就比较小，功率也基本没大的变化。加之机组有功本身就有一些波动，所以效果很不明显。
小湾水厂一次调频采用开度控制模式，功率模式作为备用，计算频差=频差-频率死区（调频投入后调用的死区）。目前死区为0.05Hz，南网辅助服务考核系统记录频率为50.07Hz，频差为0.07Hz。由于死区较大，计算频差较小0.07 Hz -0.05 Hz =0.02Hz，bp=4%，对应的导叶调节量仅为1%，对机组有功及频率影响不大，机组频率长时间处于50.05Hz以上，不满足一次调频考核要求，致使考核电量产生。频差较大的情况下，导叶调节量较大，动作效果较为明显，频率短时间内恢复到死区之内的可能性概率加大，易于满足一次调频考核需求。 3、积分电量在一次调频调节中不合格原因分析
电网频率变化超过一次调频死区后，机组接力器动作方向正确，但导致积分电量不合格有其他原因。主要分析如下：
一次调频在调节过程中，若此时正好遇到监控AGC系统有功调节指令增减负荷，结果影响一次调频的调节积分电量，若两者方向相反，就会导致积分电量相反的结果。
由于网频超过一次调频死区后，调节频差要减去死区（是否要减去死区，没有统一标準和要求，目前主要根据各设备厂家的控制习惯而定），因此实际调节频差可能很小，再考虑机组的静特性转速死区，小频差时机组的一次调频的调频功率响应会较小。另经过很多试验和观察，即使导叶接力器不动的情况下，有功功率也会出现波动，也影响了调频功率统计精度。目前网调下达的调差率ep是4%，是个经验数值，该值没有经过严格的计算得出。且目前调速系统只能将永态转差系数bp设置成4%，两者在原始定义是不同的。
电网频率变化超过一次调频死区后，机组接力器动作方向正确，由于水流具有惯性，存在一定的反调现象，但在频差不大的情况下，反调持续时间短、幅度小，不会对一次调频积分电量产生影响。但同一水头下，导叶开度和机组有功不成线性关系；不同水头下，相同的开度对应的机组有功也不相同。所以调速器在开度模式下运行控制，是难于满足积分电量要求的。
4、结论和建议
在调速系统内实现的机组一次调频，设置的4%转差系数对应为导叶开度，因导叶开度和机组有功不是线性关系，对应的机组功率计算的调差系数不一定为4%，致使机组有功有时的调频功率偏小。故在电网允许的范围内，可适当调小转差系数（3%-4%范围内），在加强对一次调频的支撑作用同时提高电网一次调频的积分电量考核合格率。
调速系统优化调频死区设置，设置两个死区，一个是“动作死区”，一个是“计算死区”后者要比前者小。意思是，前者有两个作用，一是系统频率波动如果超过该死区，调速器就会开出一次调频动作继电器上报监控。二是，系统频率波动超过该死区，调速器开始对频差进行调节；如果在调节过程中频率回归到死区之内，调速器导叶会回归到原来给定数值，如果系统频率没有回归到死区以内，一直调节至目标值不再调节。计算死区只有一个作用，就是一次调频动作后，参与计算的频差等于系统频差减去该死区，这样处理的目的在于我们可以把此死区值设小，加大参与计算的频差从而达到更深的调节量要求。
一次调频动作过程中，如果有有功调节指令，对积分电量的影响较大，此时的积分电量是个合成的结果，这种情况应免于考核。
没有调节的时候，电网存在功率波动，而且无规律的，波动加大时，一次调频调节量又小的情况下，会影响一次调频的积分电量。功率波动在连接薄弱的系统末端更为明显。一次调频调节量较小的时候，容易受到电网功率波动的影响。比较合理的考核方式是只考核调速器动作方向。或者网调获得现场每个电站发电态调速器常态的调节的模式，对开度模式的，考核系统引入频率和导叶开度的信息，对开度动作情况进行严格考核。对功率模式的，采用频率和功率关系的考核标准。
因调度对机组的一次调频考核的频率是采用主站系统采集的系统频率，机组的调频功率是从电厂RTU远程通讯来的，功率会滞后于频率几秒以上，两者存在不同步，又因机组的功率控制对一次调频存在近三十秒的响应。故建议在实际调频积分电量的截止统计时间应考虑机组对调频功率的充分响应，应在频率返回死区后再延时30秒以上。
电厂运行人员应该依据工作之便，记录水电厂各机组不同工况下的实际的水头、空载开度、导叶开度、机组有功四者的数据，并进行描点绘图，为自动控制设备的控制策略优化和电网考核方法提供第一手的资料和依据。
（作者单位：南瑞集团有限公司1 国电南瑞科技股份有限公司2 国家电网公司华东分部3 ）
关键词：调速器 一次调频 积分电量 调差率 频率死区 水头
一次调频是调速器的一个基本功能，该项功能在设备投产期间，一般由当地有资质的电力试验研究院所结合机组投产发电时的实际工况进行验证，依据一次调频的调节和指標的要求，适当选择和设置PID、Ef、bp五个参数并达到调节性能要求。设备投产后，电网公司会根据一套自身的考核方法、算法，从系统频率波动出发，以单位时间内的有功反馈为重要判断依据对电厂一次调频调节情况给予考核，主要是一次调频的动作正确率和动作后的调节效果。经过近几年从多个水电厂的运行情况了解，部分水电厂出现调频动作后积分电量被考核的问题（主要是动作量不够被考核，过量免考）。下面针对屡次出现电厂积分电量被考核问题，做进一步探讨。
1、调速器一次调频原理及实际调节分析
电网频率是波动的，该波动取决于电力系统内的有功的平衡。电力系统的有功平衡取决于该电力系统内各电厂发出的有功和用电负荷的平衡。如果发出的电多于系统消耗的电，根据能量守恒原理，假设保持发出的电不变，多出的有功会转化成系统的动能（机组的转速），从而抬升了频率。反之亦然。
这时，如果系统频率变大或变小，调速器就应该根据自身的调差特性第一时间相应动作。如果频率高过死区上限，导叶开度就会下调，反之上调。目的是改变输入水轮机的水力能量，改变机组出力，从而改变机组有功输出。目前南瑞主流调速系统调差特性是频率和导叶开度的关系。如图1-1，横坐标是导叶开度（标幺），纵坐标是频率（标幺），该曲线上任一点的导数（斜率）负数，即该点的永态转差系数，一般简化为直线斜率。
调速器在联大网模式下，检测到频率大于设置死区，就会调节。调速器此时只是调节开度，电科院也是根据调速系统传递函数模型对设备调频功能进行验证，开度满足计算要求即认定调频合格。
云南电科院分别于2009年9月、11月、12月完成了小湾电厂1#、2#、3#机组一次调频工作。试验完成后，小湾水电厂1#、2#、3#号机组调速系统当电网频率超过50±0.05Hz时，机组能够正常参与网频的调节，一次调频功能可以正常投入，各项指标满足要求。调速系统测频装置测量精度不超过0.01Hz；永态转差系数bp=4%，由静特性试验得出机组调速器转速死区小于0.02%。
在一次调频死区测试中，频率上升至50.05Hz时，一次调频动作，频率降到50.04Hz时，退出一次调频。频率下降至49.95Hz，一次调频动作，升至49.96 Hz，退出一次调频，一次调频动作正常。机组在单机状态时带负荷接力器响应试验，得到试验结果如下给定频率由50.00 Hz -50.20 Hz，或者50.00 Hz -49.80 Hz变化0.2 Hz时，一次调频动作正常，负荷响应滞后时间为小于3s，调节稳定时间小于45s。
AGC给定指令能够正常下达，AGC投入且AGC给定值与当前机组有功功率无偏差时一次调频动作引起的机组有功功率变化AGC不参与调节。AGC投入且AGC有新的指令，机组有功功率最终调整至AGC的设定值，一次调频功能正常。机组甩25%额定负荷试验得到接力器不动时间小于0.2s。
表1-1数据是三台机组参数汇总，可以看出调频皆是满足要求的。
由此可见，调速器根据频差做出的开度调节对机组有功的影响，以及有功对系统频率的影响，和调速器是没有必然的直接联系。换言之，调速器大网模式下是开度调节模式，即便一次调频动作，调节的也是开度。但在电网侧，关注的是频率和功率。这样在问题处理、认识上存在一定偏差。电厂实际的调节过程不是直接针对系统频率的调节甚至不是机组有功的调节，这样对调频的实际效果不利。
图1-2，图1-3，图1-4分别是小湾水电厂1#、2#机组试验录波，从录波曲线上可以看出，导叶动作趋势、动作量、动作速度都是和理论设想非常吻合的。在大频率扰动时，导叶开度变化显著，功率跟随相对也很直观，易于理解。
2、积分电量的算法和考核标准
南方电网对各水电厂机组一次调频动作评价不合格判断条件如下：
ACT_ENG/THEORY_ENG<50%
其中：ACT_ENG为实际动作积分电量；THEORY_ENG为理论动作积分电量；理论积分时间和实际积分时间保持一致，积分开始时间为频率过死区时间加上延时6秒，积分结束时间为频率回到死区的时间，最长不超过1分钟。电网对积分以上分子分母的计算由以下公式表达：
从公式-1，公式-2可以看出，对积分电量的计算是频差、机组有功在时间轴上的累积关系，没有导叶开度的体现，显然，调速器调频内部程序算法也是没有参照该公式的；换言之，制定这样的考核计算公式并没有考虑目前现场机组实际所用调速系统内部是如果根据频差调功的，也没有考虑不同设备厂家惯用的控制模式，这样必然会存在电厂机组的调节和电网的目标要求不对应的问题。
根据录波和监控报文记录，积分电量被考核多出现在系统频率超过死区临界点的状态下，这样如果本身波动的死区又不大，调速器内部参与PID计算的频差是减过死区后的频差，这样调节下来的开度就比较小，功率也基本没大的变化。加之机组有功本身就有一些波动，所以效果很不明显。
小湾水厂一次调频采用开度控制模式，功率模式作为备用，计算频差=频差-频率死区（调频投入后调用的死区）。目前死区为0.05Hz，南网辅助服务考核系统记录频率为50.07Hz，频差为0.07Hz。由于死区较大，计算频差较小0.07 Hz -0.05 Hz =0.02Hz，bp=4%，对应的导叶调节量仅为1%，对机组有功及频率影响不大，机组频率长时间处于50.05Hz以上，不满足一次调频考核要求，致使考核电量产生。频差较大的情况下，导叶调节量较大，动作效果较为明显，频率短时间内恢复到死区之内的可能性概率加大，易于满足一次调频考核需求。 3、积分电量在一次调频调节中不合格原因分析
电网频率变化超过一次调频死区后，机组接力器动作方向正确，但导致积分电量不合格有其他原因。主要分析如下：
一次调频在调节过程中，若此时正好遇到监控AGC系统有功调节指令增减负荷，结果影响一次调频的调节积分电量，若两者方向相反，就会导致积分电量相反的结果。
由于网频超过一次调频死区后，调节频差要减去死区（是否要减去死区，没有统一标準和要求，目前主要根据各设备厂家的控制习惯而定），因此实际调节频差可能很小，再考虑机组的静特性转速死区，小频差时机组的一次调频的调频功率响应会较小。另经过很多试验和观察，即使导叶接力器不动的情况下，有功功率也会出现波动，也影响了调频功率统计精度。目前网调下达的调差率ep是4%，是个经验数值，该值没有经过严格的计算得出。且目前调速系统只能将永态转差系数bp设置成4%，两者在原始定义是不同的。
电网频率变化超过一次调频死区后，机组接力器动作方向正确，由于水流具有惯性，存在一定的反调现象，但在频差不大的情况下，反调持续时间短、幅度小，不会对一次调频积分电量产生影响。但同一水头下，导叶开度和机组有功不成线性关系；不同水头下，相同的开度对应的机组有功也不相同。所以调速器在开度模式下运行控制，是难于满足积分电量要求的。
4、结论和建议
在调速系统内实现的机组一次调频，设置的4%转差系数对应为导叶开度，因导叶开度和机组有功不是线性关系，对应的机组功率计算的调差系数不一定为4%，致使机组有功有时的调频功率偏小。故在电网允许的范围内，可适当调小转差系数（3%-4%范围内），在加强对一次调频的支撑作用同时提高电网一次调频的积分电量考核合格率。
调速系统优化调频死区设置，设置两个死区，一个是“动作死区”，一个是“计算死区”后者要比前者小。意思是，前者有两个作用，一是系统频率波动如果超过该死区，调速器就会开出一次调频动作继电器上报监控。二是，系统频率波动超过该死区，调速器开始对频差进行调节；如果在调节过程中频率回归到死区之内，调速器导叶会回归到原来给定数值，如果系统频率没有回归到死区以内，一直调节至目标值不再调节。计算死区只有一个作用，就是一次调频动作后，参与计算的频差等于系统频差减去该死区，这样处理的目的在于我们可以把此死区值设小，加大参与计算的频差从而达到更深的调节量要求。
一次调频动作过程中，如果有有功调节指令，对积分电量的影响较大，此时的积分电量是个合成的结果，这种情况应免于考核。
没有调节的时候，电网存在功率波动，而且无规律的，波动加大时，一次调频调节量又小的情况下，会影响一次调频的积分电量。功率波动在连接薄弱的系统末端更为明显。一次调频调节量较小的时候，容易受到电网功率波动的影响。比较合理的考核方式是只考核调速器动作方向。或者网调获得现场每个电站发电态调速器常态的调节的模式，对开度模式的，考核系统引入频率和导叶开度的信息，对开度动作情况进行严格考核。对功率模式的，采用频率和功率关系的考核标准。
因调度对机组的一次调频考核的频率是采用主站系统采集的系统频率，机组的调频功率是从电厂RTU远程通讯来的，功率会滞后于频率几秒以上，两者存在不同步，又因机组的功率控制对一次调频存在近三十秒的响应。故建议在实际调频积分电量的截止统计时间应考虑机组对调频功率的充分响应，应在频率返回死区后再延时30秒以上。
电厂运行人员应该依据工作之便，记录水电厂各机组不同工况下的实际的水头、空载开度、导叶开度、机组有功四者的数据，并进行描点绘图，为自动控制设备的控制策略优化和电网考核方法提供第一手的资料和依据。
（作者单位：南瑞集团有限公司1 国电南瑞科技股份有限公司2 国家电网公司华东分部3 ）