云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测系统及方法与流程

1.本发明涉及大规模新能源发电并网与运行控制技术领域，尤其涉及一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测系统及方法。


背景技术：

2.随着特高压工程逐步投运和新能源装机容量的快速增长，风能、太阳能等新能源具有的随机性波动性特点，会直接影响到电网的安全稳定运行。
3.一方面，电网需要利用火电机组来进行调峰、调频以实现新能源消纳、维持电力系统的供需平衡，对火电机组agc、一次调频的考核力度不断加强。
4.另一方面，要求新能源参与系统的日常调节控制成为了发展的必然趋势。
5.申请公布号为cn 112366727 a，名称为火电机组一次调频控制方法、装置、设备及存储介质，以下简称对比文件1。对比文件1的技术方案，先建立火电机组的电力系统调频模型，计算火电机组的电力系统的频率响应传递函数，基于所述频率响应传递函数确定分频滤波器，根据所述分频滤波器对采样得频率信号进行分频得到分频信号，根据预设转差率范围、预设调速器死区范围及所述分频信号对火电机组进行调频控制。其对采样的频率信号进行分类，得到不同类别的分频信号，再根据相应的预设转差率范围、预设调速器死区范围对火电机组进行调频控制，改善了火电机组一次调频能力并提高火电机组的灵活性，有效地降低新能源负荷对火电系统频率波动的影响，从而一定程度上提高了调控稳定性及效率。但是，存在管控不及时的问题以及效率差的问题。
6.申请公布号为cn 112994043 a，名称为自同步双馈风电机组惯量与一次调频的控制方法及系统，以下简称对比文件2。对比文件2的技术方案，基于电网频率变化量计算自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量；基于自同步双馈风电机组的实际出力计算自同步双馈风电机组参与一次调频的能力；比较所述自同步双馈风电机组参与一次调频时的有功增量和自同步双馈风电机组参与一次调频的能力，并根据比较结果确定所述自同步双馈风电机组的附加功率控制指令值；其中，所述自同步双馈风电机组的实际出力中包含了惯量响应。其协调自同步双馈风电机组惯量响应能力与一次调频能力，有效提高了自同步双馈风电机组的有功频率支撑能力同时保证机组动态过程的稳定性，还提高了双馈风电并网系统的抗扰能力。但是，存在管控不及时的问题以及效率差的问题。
7.发明人注意到，接入35kv及以上电压等级电力系统的风力发电、光伏发电及储能电站等均应具备一次调频能力，且应提供必要的惯量支撑。各类发电机组的涉网调节性能与实时运行状态密切相关，要解决以上问题，急需利用多源信息采集技术，实现数据融合分析，建设一个云边协同的网源协调在线监测分析系统的需求显得尤为迫切。
8.现有技术问题及思考：
9.如何解决实时计算评估一次调频及惯量支撑能力。


技术实现要素：

10.本发明所要解决的技术问题是提供一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测系统及方法，解决实时计算评估一次调频及惯量支撑能力的技术问题。
11.为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测系统包括电源侧子站、通信服务器和调度侧主站以及边端子站数据采集模块、边端子站数据预处理模块、边端子站数据库更新模块、数据及录波文件上送模块、调度主站解析录波文件模块、云端数据存储模块和一次调频并惯量支撑评估模块，所述电源侧子站通过通信服务器与调度侧主站连接并通信；边端子站数据采集模块，用于电源侧子站采集火电机组及新能源场站的运行数据并获得采样数据；电源侧子站采集dcs、pmu、agc的实时运行数据并获取站控级指令信息，对一次调频投入状态、动作指令和热工过程的数据进行录波并形成录波文件。
12.进一步的技术方案在于：边端子站数据预处理模块，用于电源侧子站对dcs、pmu、agc的采集数据进行计算，得到电网频率和有功功率的指标并形成预处理结果；边端子站数据库更新模块，用于电源侧子站将运行数据和录波文件存储于数据库；数据库包括机组基础信息数据库和机组调频、惯量的特性数据库共两个子库，其中机组基础信息数据库用于存储机组的基础信息，基础信息的关键字包括发电机组名、录属公司、容量和机组类型，特性数据库用于存储历史、实时运行数据和录波文件；数据及录波文件上送模块，用于电源侧子站将采样数据、预处理结果和录波文件经调度环网的通信服务器发送至调度侧主站的调度端。
13.进一步的技术方案在于：调度主站解析录波文件模块，用于调度侧主站接收采样数据、预处理结果和录波文件，解析录波文件，提取并还原机组运行数据、单机暂稳态数据和动作信息；云端数据存储模块，用于调度侧主站将接收的采样数据、预处理结果和录波文件存储于与调度侧主站连接的云端服务器并形成调度侧数据库；一次调频并惯量支撑评估模块，用于调度侧主站依据实时的采样数据，计算每一项性能指标，将计算结果与标准考核指标进行对比，筛选出不合格动作过程；建立新能源一次调频特性数学模型，结合理论功率和当前出力计算新能源场站的一次调频支撑能力。
14.一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测方法包括s1边端子站数据预处理、s2数据及录波文件上送和s3调度主站检测分析的步骤，所述步骤s1边端子站数据预处理包括s101边端子站数据采集、s102边端子站数据预处理和s103边端子站数据库更新的步骤，所述步骤s3调度主站检测分析包括s301调度主站解析录波文件、s302云端数据存储和s303一次调频并惯量支撑评估的步骤，在s101边端子站数据采集的步骤中，电源侧子站采集火电机组及新能源场站的运行数据并获得采样数据；电源侧子站采集dcs、pmu、agc的实时运行数据并获取站控级指令信息，对一次调频投入状态、动作指令和热工过程的数据进行录波并形成录波文件。
15.进一步的技术方案在于：在s102边端子站数据预处理的步骤中，电源侧子站对dcs、pmu、agc的采集数据进行计算，得到电网频率和有功功率的指标并形成预处理结果；在s103边端子站数据库更新的步骤中，电源侧子站将运行数据和录波文件存储于数据库；数据库包括机组基础信息数据库和机组调频、惯量的特性数据库共两个子库，其中机组基础信息数据库用于存储机组的基础信息，基础信息的关键字包括发电机组名、录属公司、容量
和机组类型，特性数据库用于存储历史、实时运行数据和录波文件。
16.进一步的技术方案在于：在s2数据及录波文件上送的步骤中，电源侧子站将采样数据、预处理结果和录波文件经调度环网的通信服务器发送至调度侧主站的调度端；在s301调度主站解析录波文件的步骤中，调度侧主站接收采样数据、预处理结果和录波文件，解析录波文件，提取并还原机组运行数据、单机暂稳态数据和动作信息。
17.进一步的技术方案在于：在s302云端数据存储的步骤中，调度侧主站将接收的采样数据、预处理结果和录波文件存储于与调度侧主站连接的云端服务器并形成调度侧数据库。
18.进一步的技术方案在于：在s303一次调频并惯量支撑评估的步骤中，调度侧主站依据实时的采样数据，计算每一项性能指标，将计算结果与标准考核指标进行对比，筛选出不合格动作过程；建立新能源一次调频特性数学模型，结合理论功率和当前出力计算新能源场站的一次调频支撑能力。
19.一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测系统包括存储器、处理器以及存储在存储器中并可在处理器上运行的计算机程序，计算机程序包括边端子站数据采集模块、边端子站数据预处理模块、边端子站数据库更新模块、数据及录波文件上送模块、调度主站解析录波文件模块、云端数据存储模块和一次调频并惯量支撑评估模块共七个程序模块，所述处理器执行计算机程序时实现上述步骤。
20.一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测系统为计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，计算机程序包括边端子站数据采集模块、边端子站数据预处理模块、边端子站数据库更新模块、数据及录波文件上送模块、调度主站解析录波文件模块、云端数据存储模块和一次调频并惯量支撑评估模块共七个程序模块，所述计算机程序被处理器执行时实现上述步骤。
21.采用上述技术方案所产生的有益效果在于：
22.一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测系统包括电源侧子站、通信服务器和调度侧主站以及边端子站数据采集模块、边端子站数据预处理模块、边端子站数据库更新模块、数据及录波文件上送模块、调度主站解析录波文件模块、云端数据存储模块和一次调频并惯量支撑评估模块，所述电源侧子站通过通信服务器与调度侧主站连接并通信；边端子站数据采集模块，用于电源侧子站采集火电机组及新能源场站的运行数据并获得采样数据；电源侧子站采集dcs、pmu、agc的实时运行数据并获取站控级指令信息，对一次调频投入状态、动作指令和热工过程的数据进行录波并形成录波文件。其通过电源侧子站、通信服务器和调度侧主站以及边端子站数据采集模块、边端子站数据预处理模块、边端子站数据库更新模块、数据及录波文件上送模块、调度主站解析录波文件模块、云端数据存储模块和一次调频并惯量支撑评估模块等，实现了实时计算评估一次调频及惯量支撑能力。
23.一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测方法包括s1边端子站数据预处理、s2数据及录波文件上送和s3调度主站检测分析的步骤，所述步骤s1边端子站数据预处理包括s101边端子站数据采集、s102边端子站数据预处理和s103边端子站数据库更新的步骤，所述步骤s3调度主站检测分析包括s301调度主站解析录波文件、s302云端数据存储和s303一次调频并惯量支撑评估的步骤，在s101边端子站数据采集的步骤中，电源侧子站采集火电机组及新能源场站的运行数据并获得采样数据；电源侧子站采集dcs、pmu、agc的实
时运行数据并获取站控级指令信息，对一次调频投入状态、动作指令和热工过程的数据进行录波并形成录波文件。其通过s1边端子站数据预处理、s2数据及录波文件上送和s3调度主站检测分析的步骤等，实现了实时计算评估一次调频及惯量支撑能力。
24.详见具体实施方式部分描述。
附图说明
25.图1是本发明实施例1的原理框图；
26.图2是本发明实施例1的架构图；
27.图3是本发明实施例2的流程图；
28.图4是本发明实施例3的原理框图；
29.图5是本发明实施例4的原理框图。
具体实施方式
30.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本技术，但是本技术还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本技术内涵的情况下做类似推广，因此本技术不受下面公开的具体实施例的限制。
32.实施例1：
33.如图1和图2所示，本发明公开了一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测系统包括电源侧子站、通信服务器和调度侧主站以及边端子站数据采集模块、边端子站数据预处理模块、边端子站数据库更新模块、数据及录波文件上送模块、调度主站解析录波文件模块、云端数据存储模块和一次调频并惯量支撑评估模块共七个程序模块，所述电源侧子站通过通信服务器与调度侧主站连接并单向通信。
34.边端子站数据采集模块，用于电源侧子站采集火电机组及新能源场站的运行数据并获得采样数据；电源侧子站采集dcs、pmu、agc的实时运行数据并获取站控级指令信息，对一次调频投入状态、动作指令和热工过程的数据进行录波并形成录波文件。
35.边端子站数据预处理模块，用于电源侧子站对dcs、pmu、agc的采集数据进行计算，得到电网频率和有功功率的指标并形成预处理结果。
36.边端子站数据库更新模块，用于电源侧子站将运行数据和录波文件存储于数据库；数据库包括机组基础信息数据库和机组调频、惯量的特性数据库共两个子库，其中机组基础信息数据库用于存储机组的基础信息，基础信息的关键字包括发电机组名、录属公司、容量和机组类型，特性数据库用于存储历史、实时运行数据和录波文件。
37.数据及录波文件上送模块，用于电源侧子站将采样数据、预处理结果和录波文件经调度环网的通信服务器发送至调度侧主站的调度端。
38.调度主站解析录波文件模块，用于调度侧主站接收采样数据、预处理结果和录波
文件，解析录波文件，提取并还原机组运行数据、单机暂稳态数据和动作信息。
39.云端数据存储模块，用于调度侧主站将接收的采样数据、预处理结果和录波文件存储于与调度侧主站连接的云端服务器并形成调度侧数据库。
40.一次调频并惯量支撑评估模块，用于调度侧主站依据实时的采样数据，计算每一项性能指标，将计算结果与标准考核指标进行对比，筛选出不合格动作过程；建立新能源一次调频特性数学模型，结合理论功率和当前出力计算新能源场站的一次调频支撑能力。
41.其中，电源侧子站、通信服务器和调度侧主站本身以及相应的通信连接技术为现有技术在此不再赘述。
42.实施例2：
43.如图3所示，本发明公开了一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测方法包括s1边端子站数据预处理、s2数据及录波文件上送和s3调度主站检测分析的步骤，所述步骤s1边端子站数据预处理包括s101边端子站数据采集、s102边端子站数据预处理和s103边端子站数据库更新的步骤，所述步骤s3调度主站检测分析包括s301调度主站解析录波文件、s302云端数据存储和s303一次调频并惯量支撑评估的步骤。
44.s101边端子站数据采集
45.电源侧子站采集火电机组及新能源场站的运行数据并获得采样数据。电源侧子站采集dcs、pmu、agc的实时运行数据并获取站控级指令信息，对一次调频投入状态、动作指令和热工过程的数据进行录波并形成录波文件。
46.s102边端子站数据预处理
47.电源侧子站对dcs、pmu、agc的采集数据进行计算，得到电网频率和有功功率的指标并形成预处理结果。
48.s103边端子站数据库更新
49.电源侧子站将运行数据和录波文件存储于数据库。数据库包括机组基础信息数据库和机组调频、惯量的特性数据库共两个子库，其中机组基础信息数据库用于存储机组的基础信息，基础信息的关键字包括发电机组名、录属公司、容量和机组类型，特性数据库用于存储历史、实时运行数据和录波文件。
50.s2数据及录波文件上送
51.电源侧子站将采样数据、预处理结果和录波文件经调度环网的通信服务器发送至调度侧主站的调度端。
52.s301调度主站解析录波文件
53.调度侧主站接收采样数据、预处理结果和录波文件，解析录波文件，提取并还原机组运行数据、单机暂稳态数据和动作信息。
54.s302云端数据存储
55.调度侧主站将接收的采样数据、预处理结果和录波文件存储于与调度侧主站连接的云端服务器并形成调度侧数据库。
56.s303一次调频并惯量支撑评估
57.调度侧主站依据实时的采样数据，计算每一项性能指标，将计算结果与标准考核指标进行对比，筛选出不合格动作过程；建立新能源一次调频特性数学模型，结合理论功率和当前出力计算新能源场站的一次调频支撑能力。
control，下称agc，的实时运行数据，并将数据以拟定规约通过通信服务器发送至调度侧主站。
74.通信服务器作为发电机组的数据出口，它具有包括iec 61850、iec 103、iec 104在内的多协议通信能力。通信服务器主要功能是将子站中的点进行数据建模，根据主站需求通过104 录波方式上传至调度侧主站。
75.调度侧主站的主要功能是接收电源侧子站发来的机组运行数据并将数据储存在配置好的大容量数据库之中。主站中的各个模块，即一次调频能力评估、惯量支撑能力评估等，根据实际需求调用数据库中的数据进行系统分析评价。
76.电源侧子站与dcs之间的数据传输根据发电机组dcs的实际协议支持情况使用modbus或者opc协议，与pmu之间的数据传输使用pmu协议，与agc之间的数据传输使用iec104协议；通信服务器与电源侧子站之间数据传输使用ice 61850通信协议；调度侧主站与通信服务器之间数据传输使用ice 104 录波方式。
77.技术方案说明：
78.如图3所示，一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测方法包括边端数据预处理、数据文件上传、调度主站分析检测等几部分。
79.s101边端子站数据采集
80.火电机组及新能源场站数据采集。采集发dcs、pmu、agc的实时运行数据，并获取站控级指令信息。同时，对一次调频投入状态、动作指令、热工过程等重要数据进行录波。
81.s102边端子站数据预处理
82.对dcs、pmu、agc的采集数据进行处理，计算得到电网频率、有功功率等指标。
83.s103边端子站数据库更新
84.数据库包含两个子库：机组基础信息数据库和机组调频、惯量特性数据库。其中机组基础信息数据库主要存储机组的基础信息，关键字包括：发电机组名、录属公司、容量、机组类型等。特性数据库可以存储历史、实时运行参数和部分录波文件。
85.s2数据及录波文件上送
86.边端子站将采样数据、预处理结果及录波文件经调度环网上送调度端。
87.s301调度主站解析录波文件
88.调度主站通过接受采样数据和解析录波文件，提取还原机组运行数据、单机暂稳态数据和动作信息等。
89.s302云端数据存储
90.云端服务器可以长期存储大量数据，形成调度侧数据库。
91.s303一次调频并惯量支撑评估
92.调度主站依据实时数据，计算各项性能指标，计算结果与标准考核指标进行对比分析，筛选出不合格动作过程。
93.其中，单台火电机组一次调频能力计算公式为：
[0094][0095]
电网中火电机组一次调频总能力计算公式为：
[0096][0097]
其中：δpc为单台火电机组的一次调频能力，单位mw。
[0098]
δp
c区域电网
为区域电网火电机组一次调频总能力，单位mw。
[0099]
ne为机组额定负荷，单位mw。
[0100]
δ％为机组速度变动率。
[0101]
δf为假设频率扰动量，单位hz。
[0102]
n为所有并网机组总数。
[0103]
建立新能源一次调频特性数学模型，结合理论功率和当前出力计算新能源场站的一次调频支撑能力。
[0104]
新能源场站利用相应的有功控制系统、逆变器单机或加装独立控制装置的方法，实现有功-频率下垂特性控制，使其在并网点的频率快速调整能力按照下式计算：
[0105][0106]
其中：fd为快速频率响应死区，单位hz。
[0107]fn
为系统额定频率，单位hz。
[0108]
pn为额定功率，单位mw。
[0109]
δ％为新能源快速频率响应调差率。
[0110]
p0为有功功率初值，单位mw。
[0111]
常规火电机组根据系统频率变化中的转子动能变化，计算可以释放或吸收的电磁功率裕度,即常规火电机组转动惯量。
[0112]
设零时刻转子转速为额定转速ω0，而在时刻t，转子动能的变化量，即输出电磁功率在0～t时刻上累计的能量变化量为：
[0113][0114]
而t时刻输出的电磁功率即为该能量的微分:
[0115][0116]
其中:δe(t)为0～t时刻转子的累计能量变化，单位为mw
·
h。
[0117]
pe(t)为t时刻输出的电磁功率，单位为mw。
[0118]
ω0为转子的额定转速，单位为rad/s。
[0119]
ω(t)为转子的瞬时转速，单位为rad/s。
[0120]
j为转子转动惯量，单位为kg
·
m2。
[0121]
f(t)为系统的瞬时频率，单位hz。
[0122]
新能源场站应用虚拟同步机技术，提出一种自适应控制算法，控制虚拟转子惯量根据不同工况自适应变化。
[0123]
控制方案中采用的虚拟转子惯量j取值原则如式(6)，记c为虚拟转子角速度变化率的阈值，当时，j取为惯性时间常数的稳态值j0；而当时，则由自适应的控制算法确定j的值。
[0124][0125]
其中：k为常数。
[0126]
ωg为电网角速度，单位为rad/s。
[0127]
ω为新能源场站的虚拟角速度，单位为rad/s。
[0128]
j为新能源场站的虚拟转动惯量，单位为kg
·
m2。
[0129]
j0为设定的虚拟转动惯量稳态值，单位为kg
·
m2。
[0130]
如图1和图2所示，一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测系统包括电源侧子站、通信服务器、调度侧主站及相关通信协议规约等几部分。
[0131]
电源侧子站为一台具有多网口的工业服务器。最低配置要求为6核心6线程cpu，16g内存，2*2t企业级硬盘。子站分别通过网络连接线与发电机组dcs通信接口、通信服务器连接。子站内有完整dcs映射数据库及相关应用功能。
[0132]
通信服务器为一台具有多网口的工业服务器。最低配置要求为4核心8线程cpu，16g内存，1t企业级硬盘。通信服务器分别通过网络连接线和电力调度网与电源侧子站和调度侧主站连接。通信服务器具有数据问询及数据转发功能。
[0133]
调度侧主站为一台前置服务器，配置在电力调控中心d5000机房。最低配置要求为8核心8线程cpu，16g内存，2*2t企业级硬盘。主站中有涵盖所有发电机组运行数据的数据库，具有一次调频预测诊断、agc评价维护、机组调峰能力在线评价等高级应用功能。
[0134]
本技术保密运行一段时间后，现场技术人员反馈的有益之处在于：
[0135]
一种云边协同的火电及新能源调频、惯量在线监测系统是为了解决新能源大规模入网后，部分并网机组一次调频能力不足，系统惯量持续减小，调度机构存在监督盲区等问题而开发。
[0136]
火电机组的转动惯量计算方法根据系统频率，可以实时计算火电机组的电磁功率裕度，该计算结果实现了火电机组转动惯量的定量评估。
[0137]
自适应的虚拟转子惯量控制方法中，新能源机组虚拟惯量j的选取不受到物理条件的限制，可根据实际需求选择不同的值。能够充分发挥新能源虚拟惯量调节快速灵活的优势，有效解决新能源大规模并网后，电网惯量减小造成的稳定问题。
[0138]
火电机组及新能源场站调频、惯量支撑能力在线监测分析系统，采用云边协同的计算方式，有效实现了边端子站和调度主站的数据采集与融合，信息交互通用性强，弥补了调度主站对单机信息、场站暂态过程信息的监督盲区。
[0139]
电源侧子站从发电机组dcs的数据采集频率为每秒1次、pmu的数据采集频率为每秒10次、agc的数据采集频率为每秒1次，数据传输精度高，可满足数据精度要求高的应用的
数据需求。
[0140]
子站中做了发电机组dcs、pmu、agc全部数据镜像，因此可以实现电源侧数据在子站端实现边缘计算分析。
[0141]
通信服务器与子站数据通信使用的iec 61850协议是一种面向对象的模型化通信协议。它采用对象建模技术，面向设备建模，采用配置语言，在信息源定数据和数据的属性，传输采样测量值等技术，在组态、配置、维护上可以节省大量时间与精力。
[0142]
目前，本发明的技术方案已经进行了中试，即产品在大规模量产前的较小规模试验；中试完成后，在小范围内开展了用户使用调研，调研结果表明用户满意度较高；现在已开始着手准备产品正式投产进行产业化(包括知识产权风险预警调研)。