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★南京科遠智慧科技集團股份有限公司門冉，方正，章禔，丁陽剛

★江陰蘇龍熱電有限公司沈麟

關鍵詞：供熱調度；AGC；一次調頻；網源協同

1　前言

大多數熱電廠在信息系統綜合供熱機組（下稱，熱源）數據和熱網數據，電廠熱網操作員通過信息系統監視熱網負荷和用熱參數變化情況，并電話通知機組運行人員調整供熱量^[1]。在這種調度方式下，熱網操作員與機組操作員信息不能實時互通，這就導致熱網負荷調整與熱源一次調頻和自動發電控制（Automatic Generation Control，AGC）相互干擾，供熱量調整與熱源一次調頻和AGC過程不協調，影響在網機組運行性能，甚至受到電網考核^[2]。

2　熱網與熱源分析

2.1　熱網分析

典型熱網系統為多參數（不同用熱溫度和用熱壓力）、多熱源、多管線、多熱用戶、強耦合、大滯后的復雜熱力系統^[2]。我們對多個熱網運行情況進行分析，發現熱網系統具有以下特性：

（1）熱網總用熱量與熱用戶特性和時間有關；

（2）熱網參數波動與熱用戶和規模構成有關；

（3）同一供熱參數的不同管線之間存在耦合；

（4）大型熱網具有較大慣性，參數調整緩慢；

（5）具備蓄熱能力，具有短時間段平衡能力；

（6）管線末端熱用戶用熱參數調整比較緩慢；

（7）熱網動態特性的變化與熱用戶變化相關。

熱網運行控制的主要目標是保證總供熱量和總用熱量相匹配，盡量保證熱用戶用熱參數并盡可能減少熱網管損。

2.2　熱源分析

通常熱源供熱參數需與熱網用熱參數匹配。供熱方式一般較復雜，主要包括：汽機抽汽減溫減壓后經蒸汽匹配器或分汽缸供熱、采用背壓機組排汽供熱以及采用供熱鍋爐直接供熱等。為提高供熱可靠性以及靈活性，多采用多熱源并行或冗余供熱。當熱網用熱量變化后，熱源供熱量、燃料量或發電負荷等也相應做出調整，實現熱源供熱與熱網用熱相對平衡。電網對大型熱源（機組超過135MW）有明確的AGC和一次調頻考核，對小型熱源（機組小于135MW），一般沒有考核要求。

3  網源協同控制研究及應用

網源協同控制依托供熱實時調度系統（下稱，調度系統）實現，重點在于根據熱網、熱源機組的不同特性，利用熱網蓄熱優化提高熱源機組ACG和一次調頻性能。

3.1　供熱調度系統

3.1.1整體功能設計

調度系統旨在綜合協調調度熱源機組供熱，實現熱源供熱和熱網用熱平衡及控制熱用戶用熱參數，是實現網源協同控制的基礎。調度系統主要包括以下功能：

（1）實時采集和分析各熱源機組實際運行數據；

（2）實時采集和分析熱網管線熱用戶用熱數據；

（3）安全高效使用調度系統整體數據；

（4）根據熱網情況對熱源機組供熱量進行預測；

（5）根據熱源機組整體情況實時發出供熱指令；

（6）目標總供熱量在各熱源之間進行平衡分配；

（7）熱源系統、調度系統和網源協同控制功能整體實現。

3.1.2　整體網絡架構

根據供熱調度和網源協同控制功能要求設計整體網絡架構，如圖1所示。

圖1 基于調度系統的網源協同控制網絡架構

說明：①和②為供熱調度操作站，③為供熱調度工程師站，④為熱網服務器，⑤和⑥為供熱調度系統交換機，⑦和⑧為雙向隔離裝置，⑨和⑩為供熱調度控制機柜，?、?、?和?為熱源系統控制機柜，?為熱網系統交換機。

調度系統與網源協同控制整體網絡架構設計符合控制系統設計規范及標準。調度系統、熱源系統和熱網系統邊界明確并在網絡邊界設計網絡安全防護裝置，以滿足等保要求，還接入全廠時鐘信號，調度系統時間與全廠時間一致。

3.1.3　數據通訊

（1）熱網數據通訊

熱力公司或供熱公司配置熱網信息管理系統，用以實現熱網數據采集分析、熱網設備管理以及付費管理等。

調度系統可從熱網信息管理系統采集熱網數據。調度系統數據采集周期應小于熱網信息管理系統數據采集周期，必要時還可縮小熱網信息管理系統數據采集周期。為提高數據應用效率，重要熱網數據，如管線供熱壓力、供熱溫度、供熱流量以及儀表狀態等，可通訊至調度系統下位機。

若熱網規模不大，熱網用戶與熱源機組距離較近，可從熱網儀表系統采集熱網數據。無論采用何種數據采集方式，均需采用安全可靠的通訊協議并保證通訊實時性和效率。主要采集數據包括管線總表數據，如壓力、溫度、流量及儀表狀態等，以及每條管線上熱用戶用熱壓力、用熱溫度、用熱流量及儀表狀態等。

（2）熱源數據通訊

調度系統與熱源系統采用安全可靠的通訊方式實現數據交互，具體可采用485通訊方式或硬接線。采用485通訊協議能夠保證通訊安全和實時性，在通訊異常時會保持前一時刻正常數值，能滿足調度系統各項功能實現。

調度系統從熱源系統采集表征熱源運行狀況的數據，包括鍋爐主蒸汽流量、給煤量、供熱流量、主蒸汽壓力、數字電液控制系統（Digital Electric Hydraulic Control System，DEH）閥位指令、負荷限值、供熱限值、AGC以及供熱設備（壓力調節閥、溫度調節閥以及流量調節閥等）運行狀態等。調度系統向熱源發送的數據主要包括供熱量目標值（供熱流量目標值或供熱壓力目標值）和供熱溫度目標值等。

（3）雙向通訊檢測

調度系統與熱網系統設計通訊檢測功能，在熱網系統與調度系統通訊發生異常后，調度系統應當能夠及時切除調度功能并在熱源和調度系統發出報警，避免數據通訊異常對熱源運行帶來不利影響。

在熱源控制系統和調度系統分別設計通訊檢測功能，熱源控制系統或調度系統任一檢測出通訊異常后，調度系統能夠及時切除自動調度功能并在熱源控制系統和調度系統發出報警，避免通訊異常對熱源運行帶來不利影響。

3.1.4　調度系統功能

調度系統功能主要包括熱源機組供熱總量實時計算以及熱源機組供熱調度指令分配等。

（1）熱源供熱總量目標值計算

在調度系統中對熱網用熱量數據和熱源供熱量數據進行分析，采用機器學習技術和數字孿生技術，建立熱網用熱量-熱源供熱量機理與數據模型。為解決熱網特性變化導致的模型劣化問題，采用數字孿生技術，在調度系統運行過程中對模型運行情況進行實時評估。當評估模型偏差過大時，使用已有數據對模型進行修正或更新。

為保證末端和重要用戶用熱，使用末端和重要熱用戶用熱參數實時值對模型計算的熱源供熱總量初值進行修正，得出熱源供熱總量目標值。熱源供熱總量目標值實時計算過程如圖2所示。

圖2 熱源供熱總量目標值實時計算

（2）熱源供熱總量目標值分配

在調度系統中，采用合理的分配機制并綜合考慮熱源供熱的能力和調節熱網的能力，將熱源供熱總量目標值分配至各熱源，并采用經濟性最優分配機制，以保證供熱經濟性。熱源供熱總量目標值分配如圖3所示。

圖3 熱源供熱總量目標值分配

在實際應用中，還應對熱源供熱目標初值進行處理，綜合考慮熱源供熱限制（如供熱上限、安全限值等）。當熱源供熱受限時（異常退出運行或供熱量達限值），為保證各熱源供熱目標值總和與熱源供熱總量目標值的平衡，調度系統設計供熱總量平衡功能。

3.2　網源協同控制

3.2.1　熱網系統動態特性分析

針對具體熱網動態特性分析是實現網源協同控制功能的基礎。典型供熱系統如圖4所示。

圖4 某熱電廠熱網系統示意圖

對某電廠大型熱網分析，其末端熱用戶與熱源距離超過10km，熱源供熱參數發生變化后，末端用戶處蒸汽參數經30min左右才變化；單個或多個熱用戶的用熱量（總計5%以內）變化后，短時間內對整個熱網參數干擾較小，不影響其他熱用戶用熱。熱網操作員監視到熱網用熱量變化后，進行熱源供熱量調整后，整個熱網熱用戶用熱情況幾乎不受影響。綜合熱網運行工況分析，熱網動態響應時間在5~30min，具體動態響應時間與熱網用熱規模和運行狀況相關^[1-4]。

3.2.2　熱源系統動態特性分析

熱源系統最終能量來源為蒸汽鍋爐，熱源響應外部能量（供熱量變化、一次調頻動作和AGC負荷變化）變化，短時間可依靠鍋爐蓄熱量，最終需要鍋爐熱量輸入改變來實現。供熱汽輪機、供熱流量/壓力調節閥、供熱溫度調節閥的響應速度較快（與具體設備有關），大多在5~30s左右^[5,6]。

蒸汽鍋爐主要包括循環流化床鍋爐、煤粉鍋爐、燃氣（煤氣或天然氣）鍋爐和余熱鍋爐（聯合循環發電機組）等。其中，燃氣鍋爐或余熱鍋爐動態響應時間在1~2min左右；循環流化床鍋爐動態響應時間在51~5min左右。蒸汽鍋爐具體動態響應時間與其實際狀況和承擔功能有關^[7,8]。

3.2.3　控制原理

在建立供熱調度系統的基礎上，搭建網源協同控制功能，以減小供熱量變化對熱源一次調頻和AGC調節的影響。

大型熱源接入區域電網，受電網“兩個細則”的技術考核，本文主要研究一次調頻和AGC。根據“兩個細則”，一次調頻考核過程在1分鐘內結束，AGC考核過程在數分鐘內結束^[9]。

在調度系統分配至熱源的供熱目標值改變時，若判斷供熱目標值變化方向與AGC調節方向相同時，閉鎖供熱目標值變化，避免供熱量變化影響AGC調節。若判斷供熱目標值變化方向與AGC調節方向相反，不閉鎖供熱目標值變化，供熱調度在一定程度上可提升AGC調節品質。進一步地，根據熱網動態響應時間、熱源設備動態響應時間和“兩個細則”技術考核時間的不同，可在一定時間內利用熱網蓄熱優化熱源一次調頻和AGC性能^[7-9]。

3.2.4　一次調頻優化

網源協同一次調頻優化是在傳統一次調頻基礎上增加供熱參與一次調頻功能。根據供熱和負荷數據分析建立一次調頻轉速偏差-供熱模型，一次調頻轉速偏差通過硬接線接入到調度系統。一次調頻動作后，直接改變供熱設備操作指令（如流量調節閥開度）來提高一次調頻響應速度。網源協同一次調頻優化整體調節過程如圖5所述。

圖5 網源協同一次調頻優化原理

在實際應用中，供熱調節參與一次調頻優化的調節量要與DEH調門修正值和CCS（Coordination Control System）修正值相配合。供熱參與一次調頻優化的狀態不同，DEH調門修正值和CCS修正值也不同。一次調頻動作后，供熱參與一次調頻的速度應當盡可能快。一次調頻結束后，熱源正常接收供熱量目標值，供熱量調整速度應當放慢。

3.2.5　AGC控制優化

在網源系統整體特性分析的基礎上，根據熱源額定功率，設計網源協同AGC控制優化功能。通過數據分析建立機組功率-供熱量函數關系，通過改變供熱設備供熱目標（如供熱流量目標值）來提高熱源AGC性能。網源協同AGC控制優化整體調節過程如圖6所述。

圖6 網源協同AGC控制優化

在實際應用中，供熱調節參與AGC優化調節量應與CCS調節相配合，供熱參與AGC優化受供熱限值限制，且在AGC目標負荷變化后的前一段負荷（達到AGC變負荷量的50%）內起作用，并逐步減弱作用。熱源負荷達到AGC目標值后，正常接收供熱量目標值，供熱量調整速度應當放慢。機組供熱參與AGC優化與參與一次調頻優化同時投入時，應當優先參與一次調頻優化。

3.3　系統應用分析

根據以上研究和設計，在某熱電廠設計實現了供熱調度系統和網源協同功能。在實際應用中，使用熱網用熱量-熱源供熱量模型計算得出的熱源供熱量目標初值與熱源實際供熱量偏差在1.5%～5.0%，熱網用熱量變化不大時，偏差在1.5%以內，可滿足工程實際應用的要求。投入網源協同機組的一次調頻和AGC性能優于未投入功能的機組。

4　總結

隨著電網機組性能的提升和智能技術發展，熱源和熱源系統協同控制將會在實際電力生產過程中得到越來越廣泛的應用。基于供熱實時調度的網源協同優化控制綜合信息技術、數字孿生技術和數據建模技術并與控制系統進行深度融合，在提高熱網系統運行的自動化水平和智能化運行水平的同時，還能夠提升熱電機組一次調頻和AGC調節性能。

作者簡介：

門　冉（1989-），男，河南南陽人，中級工程師，碩士，現就職于南京科遠智慧科技集團股份有限公司，主要從事電廠優化控制、熱網智能化及燃機智能化技術方面的研究。

方　正（1973-），男，江蘇南京人，中級工程師，學士，現就職于南京科遠智慧科技集團股份有限公司，主要從事控制系統及智能化產品管理方面的工作。

章　禔（1989-），男，江蘇常州人，高級工程師，學士，現就職于南京科遠智慧科技集團股份有限公司，主要從事熱網智能化及燃機智能化產品管理方面的工作。

沈　麟（1980-），男，江蘇江陰人，工程師，碩士，現就職于江陰蘇龍熱電有限公司，主要從事火電廠熱控方面的工作。

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[9] 國家能源局西北監管局. 關于公開征求《西北區域電力并網運行管理實施細則(征求意見稿)》《西北區域電力輔助服務管理實施細則(征求意見稿)》意見建議的通知[EB/OL].2022-11-29.

摘自《自動化博覽》2024年9月刊