★南京科远智慧科技集团股份有限公司门冉，方正，章禔，丁阳刚

★江阴苏龙热电有限公司沈麟

关键词：供热调度；AGC；一次调频；网源协同

1　前言

大多数热电厂在信息系统综合供热机组（下称，热源）数据和热网数据，电厂热网操作员通过信息系统监视热网负荷和用热参数变化情况，并电话通知机组运行人员调整供热量^[1]。在这种调度方式下，热网操作员与机组操作员信息不能实时互通，这就导致热网负荷调整与热源一次调频和自动发电控制（Automatic Generation Control，AGC）相互干扰，供热量调整与热源一次调频和AGC过程不协调，影响在网机组运行性能，甚至受到电网考核^[2]。

2　热网与热源分析

2.1　热网分析

典型热网系统为多参数（不同用热温度和用热压力）、多热源、多管线、多热用户、强耦合、大滞后的复杂热力系统^[2]。我们对多个热网运行情况进行分析，发现热网系统具有以下特性：

（1）热网总用热量与热用户特性和时间有关；

（2）热网参数波动与热用户和规模构成有关；

（3）同一供热参数的不同管线之间存在耦合；

（4）大型热网具有较大惯性，参数调整缓慢；

（5）具备蓄热能力，具有短时间段平衡能力；

（6）管线末端热用户用热参数调整比较缓慢；

（7）热网动态特性的变化与热用户变化相关。

热网运行控制的主要目标是保证总供热量和总用热量相匹配，尽量保证热用户用热参数并尽可能减少热网管损。

2.2　热源分析

通常热源供热参数需与热网用热参数匹配。供热方式一般较复杂，主要包括：汽机抽汽减温减压后经蒸汽匹配器或分汽缸供热、采用背压机组排汽供热以及采用供热锅炉直接供热等。为提高供热可靠性以及灵活性，多采用多热源并行或冗余供热。当热网用热量变化后，热源供热量、燃料量或发电负荷等也相应做出调整，实现热源供热与热网用热相对平衡。电网对大型热源（机组超过135MW）有明确的AGC和一次调频考核，对小型热源（机组小于135MW），一般没有考核要求。

3  网源协同控制研究及应用

网源协同控制依托供热实时调度系统（下称，调度系统）实现，重点在于根据热网、热源机组的不同特性，利用热网蓄热优化提高热源机组ACG和一次调频性能。

3.1　供热调度系统

3.1.1整体功能设计

调度系统旨在综合协调调度热源机组供热，实现热源供热和热网用热平衡及控制热用户用热参数，是实现网源协同控制的基础。调度系统主要包括以下功能：

（1）实时采集和分析各热源机组实际运行数据；

（2）实时采集和分析热网管线热用户用热数据；

（3）安全高效使用调度系统整体数据；

（4）根据热网情况对热源机组供热量进行预测；

（5）根据热源机组整体情况实时发出供热指令；

（6）目标总供热量在各热源之间进行平衡分配；

（7）热源系统、调度系统和网源协同控制功能整体实现。

3.1.2　整体网络架构

根据供热调度和网源协同控制功能要求设计整体网络架构，如图1所示。

图1 基于调度系统的网源协同控制网络架构

说明：①和②为供热调度操作站，③为供热调度工程师站，④为热网服务器，⑤和⑥为供热调度系统交换机，⑦和⑧为双向隔离装置，⑨和⑩为供热调度控制机柜，⑪、⑫、⑬和⑭为热源系统控制机柜，⑮为热网系统交换机。

调度系统与网源协同控制整体网络架构设计符合控制系统设计规范及标准。调度系统、热源系统和热网系统边界明确并在网络边界设计网络安全防护装置，以满足等保要求，还接入全厂时钟信号，调度系统时间与全厂时间一致。

3.1.3　数据通讯

（1）热网数据通讯

热力公司或供热公司配置热网信息管理系统，用以实现热网数据采集分析、热网设备管理以及付费管理等。

调度系统可从热网信息管理系统采集热网数据。调度系统数据采集周期应小于热网信息管理系统数据采集周期，必要时还可缩小热网信息管理系统数据采集周期。为提高数据应用效率，重要热网数据，如管线供热压力、供热温度、供热流量以及仪表状态等，可通讯至调度系统下位机。

若热网规模不大，热网用户与热源机组距离较近，可从热网仪表系统采集热网数据。无论采用何种数据采集方式，均需采用安全可靠的通讯协议并保证通讯实时性和效率。主要采集数据包括管线总表数据，如压力、温度、流量及仪表状态等，以及每条管线上热用户用热压力、用热温度、用热流量及仪表状态等。

（2）热源数据通讯

调度系统与热源系统采用安全可靠的通讯方式实现数据交互，具体可采用485通讯方式或硬接线。采用485通讯协议能够保证通讯安全和实时性，在通讯异常时会保持前一时刻正常数值，能满足调度系统各项功能实现。

调度系统从热源系统采集表征热源运行状况的数据，包括锅炉主蒸汽流量、给煤量、供热流量、主蒸汽压力、数字电液控制系统（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）阀位指令、负荷限值、供热限值、AGC以及供热设备（压力调节阀、温度调节阀以及流量调节阀等）运行状态等。调度系统向热源发送的数据主要包括供热量目标值（供热流量目标值或供热压力目标值）和供热温度目标值等。

（3）双向通讯检测

调度系统与热网系统设计通讯检测功能，在热网系统与调度系统通讯发生异常后，调度系统应当能够及时切除调度功能并在热源和调度系统发出报警，避免数据通讯异常对热源运行带来不利影响。

在热源控制系统和调度系统分别设计通讯检测功能，热源控制系统或调度系统任一检测出通讯异常后，调度系统能够及时切除自动调度功能并在热源控制系统和调度系统发出报警，避免通讯异常对热源运行带来不利影响。

3.1.4　调度系统功能

调度系统功能主要包括热源机组供热总量实时计算以及热源机组供热调度指令分配等。

（1）热源供热总量目标值计算

在调度系统中对热网用热量数据和热源供热量数据进行分析，采用机器学习技术和数字孪生技术，建立热网用热量-热源供热量机理与数据模型。为解决热网特性变化导致的模型劣化问题，采用数字孪生技术，在调度系统运行过程中对模型运行情况进行实时评估。当评估模型偏差过大时，使用已有数据对模型进行修正或更新。

为保证末端和重要用户用热，使用末端和重要热用户用热参数实时值对模型计算的热源供热总量初值进行修正，得出热源供热总量目标值。热源供热总量目标值实时计算过程如图2所示。

图2 热源供热总量目标值实时计算

（2）热源供热总量目标值分配

在调度系统中，采用合理的分配机制并综合考虑热源供热的能力和调节热网的能力，将热源供热总量目标值分配至各热源，并采用经济性最优分配机制，以保证供热经济性。热源供热总量目标值分配如图3所示。

图3 热源供热总量目标值分配

在实际应用中，还应对热源供热目标初值进行处理，综合考虑热源供热限制（如供热上限、安全限值等）。当热源供热受限时（异常退出运行或供热量达限值），为保证各热源供热目标值总和与热源供热总量目标值的平衡，调度系统设计供热总量平衡功能。

3.2　网源协同控制

3.2.1　热网系统动态特性分析

针对具体热网动态特性分析是实现网源协同控制功能的基础。典型供热系统如图4所示。

图4 某热电厂热网系统示意图

对某电厂大型热网分析，其末端热用户与热源距离超过10km，热源供热参数发生变化后，末端用户处蒸汽参数经30min左右才变化；单个或多个热用户的用热量（总计5%以内）变化后，短时间内对整个热网参数干扰较小，不影响其他热用户用热。热网操作员监视到热网用热量变化后，进行热源供热量调整后，整个热网热用户用热情况几乎不受影响。综合热网运行工况分析，热网动态响应时间在5~30min，具体动态响应时间与热网用热规模和运行状况相关^[1-4]。

3.2.2　热源系统动态特性分析

热源系统最终能量来源为蒸汽锅炉，热源响应外部能量（供热量变化、一次调频动作和AGC负荷变化）变化，短时间可依靠锅炉蓄热量，最终需要锅炉热量输入改变来实现。供热汽轮机、供热流量/压力调节阀、供热温度调节阀的响应速度较快（与具体设备有关），大多在5~30s左右^[5,6]。

蒸汽锅炉主要包括循环流化床锅炉、煤粉锅炉、燃气（煤气或天然气）锅炉和余热锅炉（联合循环发电机组）等。其中，燃气锅炉或余热锅炉动态响应时间在1~2min左右；循环流化床锅炉动态响应时间在51~5min左右。蒸汽锅炉具体动态响应时间与其实际状况和承担功能有关^[7,8]。

3.2.3　控制原理

在建立供热调度系统的基础上，搭建网源协同控制功能，以减小供热量变化对热源一次调频和AGC调节的影响。

大型热源接入区域电网，受电网“两个细则”的技术考核，本文主要研究一次调频和AGC。根据“两个细则”，一次调频考核过程在1分钟内结束，AGC考核过程在数分钟内结束^[9]。

在调度系统分配至热源的供热目标值改变时，若判断供热目标值变化方向与AGC调节方向相同时，闭锁供热目标值变化，避免供热量变化影响AGC调节。若判断供热目标值变化方向与AGC调节方向相反，不闭锁供热目标值变化，供热调度在一定程度上可提升AGC调节品质。进一步地，根据热网动态响应时间、热源设备动态响应时间和“两个细则”技术考核时间的不同，可在一定时间内利用热网蓄热优化热源一次调频和AGC性能^[7-9]。

3.2.4　一次调频优化

网源协同一次调频优化是在传统一次调频基础上增加供热参与一次调频功能。根据供热和负荷数据分析建立一次调频转速偏差-供热模型，一次调频转速偏差通过硬接线接入到调度系统。一次调频动作后，直接改变供热设备操作指令（如流量调节阀开度）来提高一次调频响应速度。网源协同一次调频优化整体调节过程如图5所述。

图5 网源协同一次调频优化原理

在实际应用中，供热调节参与一次调频优化的调节量要与DEH调门修正值和CCS（Coordination Control System）修正值相配合。供热参与一次调频优化的状态不同，DEH调门修正值和CCS修正值也不同。一次调频动作后，供热参与一次调频的速度应当尽可能快。一次调频结束后，热源正常接收供热量目标值，供热量调整速度应当放慢。

3.2.5　AGC控制优化

在网源系统整体特性分析的基础上，根据热源额定功率，设计网源协同AGC控制优化功能。通过数据分析建立机组功率-供热量函数关系，通过改变供热设备供热目标（如供热流量目标值）来提高热源AGC性能。网源协同AGC控制优化整体调节过程如图6所述。

图6 网源协同AGC控制优化

在实际应用中，供热调节参与AGC优化调节量应与CCS调节相配合，供热参与AGC优化受供热限值限制，且在AGC目标负荷变化后的前一段负荷（达到AGC变负荷量的50%）内起作用，并逐步减弱作用。热源负荷达到AGC目标值后，正常接收供热量目标值，供热量调整速度应当放慢。机组供热参与AGC优化与参与一次调频优化同时投入时，应当优先参与一次调频优化。

3.3　系统应用分析

根据以上研究和设计，在某热电厂设计实现了供热调度系统和网源协同功能。在实际应用中，使用热网用热量-热源供热量模型计算得出的热源供热量目标初值与热源实际供热量偏差在1.5%～5.0%，热网用热量变化不大时，偏差在1.5%以内，可满足工程实际应用的要求。投入网源协同机组的一次调频和AGC性能优于未投入功能的机组。

4　总结

随着电网机组性能的提升和智能技术发展，热源和热源系统协同控制将会在实际电力生产过程中得到越来越广泛的应用。基于供热实时调度的网源协同优化控制综合信息技术、数字孪生技术和数据建模技术并与控制系统进行深度融合，在提高热网系统运行的自动化水平和智能化运行水平的同时，还能够提升热电机组一次调频和AGC调节性能。

作者简介：

门　冉（1989-），男，河南南阳人，中级工程师，硕士，现就职于南京科远智慧科技集团股份有限公司，主要从事电厂优化控制、热网智能化及燃机智能化技术方面的研究。

方　正（1973-），男，江苏南京人，中级工程师，学士，现就职于南京科远智慧科技集团股份有限公司，主要从事控制系统及智能化产品管理方面的工作。

章　禔（1989-），男，江苏常州人，高级工程师，学士，现就职于南京科远智慧科技集团股份有限公司，主要从事热网智能化及燃机智能化产品管理方面的工作。

沈　麟（1980-），男，江苏江阴人，工程师，硕士，现就职于江阴苏龙热电有限公司，主要从事火电厂热控方面的工作。

参考文献：

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[9] 国家能源局西北监管局. 关于公开征求《西北区域电力并网运行管理实施细则(征求意见稿)》《西北区域电力辅助服务管理实施细则(征求意见稿)》意见建议的通知[EB/OL].2022-11-29.

摘自《自动化博览》2024年9月刊