南方電網抽水蓄能電站自動發電控制功能研究與應用

（南方電網調峰調頻發電公司，廣東省廣州市 510650）

0 引言

抽水蓄能電站作為目前世界上最重要的機械儲能和調峰調頻電源，主要承擔調峰、調頻、調相和事故備用等任務，是保障電網安全不可或缺的重要組成部分。近年來，隨著新能源的大規模接入電網，電網調峰調頻壓力的逐漸增大，中國兩大電網公司國家電網和南方電網都加大了抽水蓄能電站的建設力度。國家電網目前已投運抽水蓄能機組共19070MW，共20座電站；南方電網所轄的廣東、廣西、云南、貴州、海南五省區，已建成投運廣州抽水蓄能電站（8×300MW）、惠州抽水蓄能電站（8×300MW）、清遠抽水蓄能電站（4×320MW）、深圳抽水蓄能電站（4×300MW）、海南抽水蓄能電站（3×200MW）等五座電站，總裝機容量7880MW，在建抽水蓄能電站兩座，分別為梅州抽水蓄能電站（4×300MW）和陽江抽水蓄能電站（3×400MW），到2020年，南方電網投運的抽水蓄能機組總容量將超過10000MW[1-3]。

電站的自動發電控制功能（以下簡稱AGC）將直接影響電站的運行效率，對于抽水蓄能電站，由于我國起步較晚，最初缺乏電站運維經驗，在自動發電控制功能的設計上最初都是借鑒常規水電站控制的經驗，但抽水蓄能電站的自動發電控制功能和日常運行維護較常規水電站復雜得多，借鑒的意義有限。且各個電站的控制功能均獨自開發，功能設計上差別很大，走了不少彎路。經過多年的積累，南方電網公司已經積累了一定的抽水蓄能電站運維經驗，對各個電站的自動發電控制功能進行了不斷的改進和完善，形成了一套典型的抽水蓄能電站自動發電控制功能設計方法，可為在建或改造的各個電站提供參考。

本文將結合南方電網所轄的抽水蓄能電站自動發電控制功能，同時結合電站日常運維經驗，對抽水蓄能電站自動發電控制功能進行詳細論述。

1 AGC功能的組成

抽水蓄能電站AGC功能至少應具備以下功能：

1.1 設定值處理

根據預設的要求，對設定值進行處理，得出可執行的設定值發送至AGC模塊執行。

1.2 機組成組發電控制

全站機組成組統一控制，根據設定值和預設的規則選擇機組的發電啟動和停機，并根據調度的負荷指令，對全廠投入AGC功能的發電工況并網機組進行自動負荷調節。

1.3 機組成組抽水控制

全站機組成組統一控制，根據設定值和預設的規則選擇機組的抽水啟動和停機，并自動選擇機組的啟動方式，如靜止變頻器（SFC）啟動或背靠背啟動（BTB）。

1.4 自動調頻模式

自動跟蹤電網的頻率變化，自動調節機組的有功出力，穩定電網頻率。

1.5 輔助控制功能

結合運維經驗開發的功能，如機組工況控制、多調度負荷轉移、機組流程故障診斷等。

2 設定值處理

該模塊為AGC運行的前置模塊，根據控制權的不同接收不同渠道下發的設定值，分為遠方控制和本地控制，選擇遠方控制接收調度側下發的設定值，選擇本地控制則接收電站值班員的設定值，任何時刻只有一個渠道的設定值有效。南方電網各抽水蓄能電站AGC接收的設定值主要有兩個：

（1）全站容量設定值：該設定值用于計算全站需要啟停的機組臺數，該值為正時啟動發電工況，該值為負時啟動水泵工況。

（2）全站負荷設定值：該設定值用于計算全站需要承擔的有功負荷，并根據該值計算各臺運行于發電工況的機組所需要承擔的有功負荷。

容量和負荷設定值下達有兩種方式，容量/負荷曲線模式和實時設定值模式，由電站值班人員根據調度的命令進行選擇。選擇容量/負荷曲線模式時，AGC模塊會根據預先設定的全天各個時段的全站容量/負荷曲線讀取相應的容量/負荷設定值作為全站容量/負荷設定；選擇實時設定值模式時，AGC模塊將根據控制權所在方實時下發的容量/負荷設定值計算全站容量/負荷設定。

南方電網各個電站的選擇方式不一，廣蓄電站受廣東省中調和香港中華電力控制，負荷調節頻繁，提前計劃性不高，采用實時設定值模式，而惠蓄電站和清蓄電站受南方電網總調控制，負荷調節相對平穩，提前計劃性較高，多采用負荷曲線模式。設定值處理模塊同時具備數值有效性校驗功能，對無效數據給出報警[5-7]。

3 機組成組發電控制

成組發電控制功能主要負責全站投入AGC功能的機組發電工況啟停，并接收全站負荷設定值，根據預設的規則對全站并網機組進行負荷調節。南方電網抽水蓄能電站機組成組發電控制主要流程如圖1所示。

3.1 成組發電機組啟停流程

機組發電工況啟停控制流程分為以下幾步：

3.1.1 計算全站最多能夠啟動的機組臺數

實時監測電站出線情況，對電站的出線網絡結構進行計算，根據采集的各開關狀態計算當前電站出線的網絡結構，結合電站出線設計最大載流量和安全穩定策略實時計算電站最大允許同時啟動的機組臺數。如廣蓄A廠共有4臺額定容量300MW的蓄能機組，但由于出線載流量的限制，如果兩回出線有一回退出進行檢修，那么AGC模塊就會啟動限制運行模式，最多只會啟動3臺機組發電。

圖1 成組發電控制流程簡圖Figure 1 Figure of generation joint control process

3.1.2 檢測滿足發電工況啟動條件的機組

實時監測各臺機組的狀況，根據預設的機組啟動條件判斷機組是否能夠發電啟動，將不滿足條件的機組退出AGC模式，并根據預設的條件，如水位或設備缺陷等，計算機組能夠承擔的最大、最小負荷。

3.1.3 根據容量設定值計算全站需要發電并網的機組臺數

全站容量設定值用于計算需要啟動的機組臺數，以廣蓄A廠為例，表1為廣蓄A廠接收到不同容量設定值后啟動機組的臺數，具體啟動的機組將會根據預設的機組啟停優先權進行確定，優先權最高的機組最先啟動，最后停機。南方電網各個電廠由于機組單機容量略有不同，具體的容量啟動機組數量也略有不同，但控制邏輯一致。

表1 廣蓄A廠容量設定值啟動機組臺數Table 1 Starting numbers of generation working mode

3.2 成組發電機組負荷調節流程

至少一臺機組并網后，AGC根據全站負荷設定值計算各臺并網機組需要承擔的負荷。全站負荷設定值用于計算各臺發電工況并網的機組需要承擔的有功負荷。全站負荷設定值經過有效性校驗后（如判斷該值是否超過全站最大負荷或最小負荷，是否為通信異常數據等），經過負荷分配計算得出各臺發電并網機組需要承擔的有功負荷。南方電網各電站的負荷分配模式分為平均分配模式和特殊分配模式。

（1）平均分配模式：選擇平均分配模式，AGC模塊將全站負荷設定值平均分配給各臺并網的機組。

（2）特殊分配模式：選擇特使分配模式，AGC模塊將全站負荷設定值根據預設的特殊算法分配給并網的機組，如廣蓄電站和惠蓄電站的經濟分配模式，AGC模塊根據各臺機組當前已帶負荷進行評估，按照各臺機組導葉調節總幅度最小的方案進行機組間的負荷分配；清蓄電站采用全站負荷變化幅度不大時由單機進行負荷調節的策略。

目前南方電網各電站一般情況下都采用平均分配模式，單機負荷設定計算完成后仍需經過單機負荷設定值校驗，如南方電網各電站機組為了避免在振動區長期運行，均設置了單機最小負荷限制，如單機負荷設定值小于最小負荷限制，則以最小負荷限制值為單機負荷目標值。

4 機組成組抽水控制

成組抽水控制為抽水蓄能電站AGC獨特的控制方式，用于控制蓄能機組水泵工況運行。目前南方電網無水泵工況負荷可調節的蓄能機組，機組水泵工況并網后負荷設定值自動設為滿負荷運行。南方電網抽水蓄能電站機組成組抽水工況控制主要流程如圖2所示。

圖2 抽水工況控制流程圖Figure 2 Figure of pump joint control process

4.1 成組抽水工況設定值處理

機組成組抽水工況啟停主要控制流程分為以下幾步：

4.1.1 計算全站最多能夠啟動的機組臺數

與發電工況類似，水泵工況同樣需要結合電站出線設計最大載流量和安全穩定策略實時計算電站最大允許同時啟動的機組臺數。如廣蓄A廠由于出線載流量的限制，如果兩回出線有一回退出進行檢修，那么AGC模塊就會啟動限制運行模式，最多只會2臺機組抽水工況運行。同時實時監測各臺機組的狀況，根據預設的機組啟動條件判斷機組是否能夠水泵工況啟動，將不滿足條件的機組退出AGC模式。

4.1.2 根據容量設定值計算全站需要啟動水泵工況的機組臺數

全站容量設定值為負值時，電站啟動水泵工況模式，以廣蓄A廠為例，表2為廣蓄A廠接收到不同容量設定值后啟動機組水泵工況的臺數。

表2 廣蓄A廠容量設定值啟動機組 水泵工況臺數Table 2 Starting numbers of pump working mode

4.2 成組抽水工況啟停控制邏輯

南方電網各抽水蓄能電站水泵啟動均配備兩種模式：靜止變頻器（以下簡稱SFC）啟動和背靠背啟動模式。各電站的控制邏輯略有不同，但基本設計原則一致，下面以廣蓄A廠為例說明電站AGC功能的泵工況控制邏輯，圖3為廣蓄A廠接線簡圖。

泵工況啟動分為以下幾種情況：

4.2.1 啟動一臺機組泵工況

根據容量設定值計算需要啟動一臺機組泵工況，AGC根據以下邏輯啟動機組。

第一步：判斷SFC是否在可用狀態，優先使用SFC啟動優先權第一且投入AGC功能的機組泵工況；

第二步：若SFC不可用（故障或正在啟動某臺機組時），則使用背靠背模式啟動機組，背靠背模式啟動按照以下步驟：

（1）以母聯開關為界，將四臺機組分為不跨母聯開關的兩組，SFC側的1、2號機組為第一組，3、4號機組為第二組。首先判斷第一組的1、2號機組是否均在停機可用狀態，如果是，則選擇兩臺機組優先權低的機組為拖動機拖動優先權高的機組啟動泵工況；若1、2號機組有任何一臺不可用或已在運行，則按照以上邏輯選擇第二組的機組啟動泵工況。

圖3 廣蓄A廠接線簡圖Figure 3 Figure of GPSPS A single line diagram

（2）若第一組、第二組機組均不滿足背靠背啟動條件，如均有一臺機組退出AGC或已在泵工況運行，則選擇跨母聯開關背靠背啟動，選擇可用機組中優先權低的機組為拖動機拖動優先權高的機組啟動泵工況。

4.2.2 啟動兩臺機組泵工況

根據容量設定值計算需要同時啟動兩臺機組泵工況，AGC根據以下邏輯啟動機組。

第一步：判斷SFC是否在可用狀態，優先使用SFC啟動第一組的優先權高且投入AGC的機組啟動泵工況；同時選擇第二組的兩臺機組優先權低的拖動優先權高的機組啟動泵工況。這樣設計可使SFC啟動第一組機組時，不閉合母聯開關從而占用電氣軸導致另一組的機組無法背靠背啟動。

第二步：若SFC不可用，則按照背靠背啟動邏輯，同時對第一組、第二組的四臺機組發送背靠背啟動命令，如優先權為1234，則同時啟動2號拖1號和4號拖3號進行泵工況。

4.2.3 啟動三臺或四臺機組泵工況

根據容量設定值計算需要同時啟動二臺機組泵工況，AGC根據以下邏輯啟動機組。

第一步：按照兩臺機組啟動的方式同時啟動兩臺機組。

第二步：待兩臺機組啟動完畢后，SFC可用時，由SFC根據剩余兩臺機組的優先權逐臺啟動；若SFC不可用，則由剩下的兩臺機組優先權低的拖動優先權高的機組跨母聯開關啟動泵工況，當SFC不可用時，全站最多只能啟動三臺機組泵工況。

5 自動調頻模式

南方電網部分抽水蓄能電站設置了自動調頻模式，如廣蓄電站和惠蓄電站[8]，由電站值班人員根據調度命令進行選擇，當選擇此種模式后，電站監控系統將停止接收外部功率設定值命令，而會根據電網側頻率測量值與50Hz的偏差，采用自適應PI控制規律計算出當前全廠應承擔的有功出力。以廣蓄電站為例，自動調頻模式計算過程如下：

（1）計算電網頻率偏差。

其中，Δf(t)為當前計算周期的頻率偏差，Gf為頻率偏差增益系數，廣蓄電站設定為20；fs為頻率設定值50Hz，fm(t)為當前計算周期電網頻率測量值。

（2）計算出Δf(t)后，根據Δf(t)的絕對值確定自適應系數a、b的值：

其余情況a=0，b=0，頻率偏差越大，自適應系數越大。

（3）比例項計算。

其中K(t)為當前計算周期比例項的值，Gg為全局調節增益系數，廣蓄設定為5。

（4）積分項計算。

其中dcycle為程序計算周期5s，C為積分常數，廣蓄設定為50。

（5）計算周期全廠有功目標值。

計算出有功目標值后，根據機組負荷分配模式進行負荷分配。

6 輔助控制功能

南方電網各抽水蓄能電站結合實際運行維護的需要，在各電站AGC功能中開發了一些有用的輔助控制功能模塊，本文對其中一些重要的模塊進行介紹。

6.1 蓄能機組工況管理模塊

由于蓄能機組工況繁多，邏輯復雜，某些機組由于機械缺陷或檢修要求，某些工況運行會受到限制，但不是所有工況都無法運行，如某臺機組因為設備缺陷無法運行于水泵工況，但可以運行于發電工況，以往遇到這種情況，必須由值長現地進行繁瑣的隔離操作，并且該機組需要退出AGC，由電站值班人員手動選擇工況進行控制，操作繁瑣且有誤操作的風險。

工況管理模塊很好地解決了這個問題，該模塊由值班員在上位機人機界面上操作，可對特定機組的特定工況進行閉鎖或解鎖，操作完成后，該機組即可投入AGC控制模式，AGC模塊在各種工況控制時會根據每臺機組工況閉鎖情況對機組進行控制。如某臺機組水泵工況被選擇閉鎖，AGC在全站發電工況時，該機組無限制根據發電控制邏輯受控，而在全站水泵工況時，AGC則判斷該機組不可用，無須人工干預。

6.2 多調度間負荷轉移模塊

由于南方電網部分電站同時受多調度控制，如廣蓄A廠四臺機組同時由廣東省電力調度中心（以下簡稱廣電）和香港中華電力調度中心（以下簡稱中電）控制，雙調度控制時經常會遇到負荷在兩調度間轉移的問題，以往的轉移操作通常由電站值班人員進行，以廣電轉移150MW負荷給中電為例，操作流程如下：

（1）電站值班員收回全廠處于停機狀態機組的控制權，避免轉移過程由于程序臨界值計算漏洞導致機組誤啟動；

（2）將中電負荷總設定值上調30MW，待機組運行穩定后，再將廣電負荷下調30MW；

（3）待機組運行穩定后，繼續第2步操作，直至150MW負荷全部轉移完畢；

（4）將收回控制權的機組交回調度中心。

以上操作每一步均是對運行中的機組進行，增加了機組的調節頻率和損耗，而且由于操作復雜，時常導致在操作過程中出現誤開機和誤停機的情況，對電網穩定運行帶來不利影響。針對這些情況，電站AGC模塊開發了多調度間負荷轉移功能，很好地解決了這個問題。在需要進行負荷轉移時，值班人員只需要激活該功能，在彈出的專有操作畫面中輸入兩調度進行負荷轉移后的負荷/容量值即可，控制程序會根據值班員的輸入值進行計算，若輸入值不等于轉移前兩調度的負荷/容量的總和，則不予執行；反之，則按照新的負荷/容量設定值對機組進行控制，全過程無需對機組控制方式及負荷情況進行任何調節，安全、簡單、可靠。該功能投入運行后再也沒有出現過因為負荷轉移問題導致的機組誤開、誤停、負荷波動等現象，提高了機組的運行穩定性。

6.3 AGC故障分析功能

由于蓄能機組投入AGC的判斷條件眾多，且許多條件為組合變量，若因某條件不滿足機組自動退出AGC，從報警信號上較難快速定位故障原因，需要技術人員深入分析控制程序，查找故障原因，延長了機組退備時間。為解決這個問題，南方電網部分抽水蓄能電站配備了AGC故障分析功能，能夠實時檢測機組投入AGC的所有條件狀態，包括構成組合變量的相關變量的狀態，并在專門的人機界面顯示，技術人員可在該界面迅速定位某臺導致機組退出AGC的原因，從而減少機組退備時間。

7 結束語

南方電網自第一座抽水蓄能電站廣蓄電站投產以來，經過二十多年的運行、維護，積累了不少抽水蓄能電站的運行維護經驗。各抽水蓄能電站自動發電控制功能經過不斷的優化和完善，更好地適應電網日益嚴格的調峰調頻要求，電站運行智能化不斷提高[9，10]。特別是全國投運時間最長的廣蓄電站，在長時間的運維過程中曾經出現了不少的問題，如機組啟停邏輯紊亂導致機組啟停失敗；抽水工況邏輯設置錯誤導致機組無法啟動；機組負荷控制調節性能不佳，向電網多送或少送負荷等。南方電網公司技術人員不斷解決這些問題，同時也不斷的進行技術創新，蓄能電站自動發電控制功能不斷地優化和完善，形成了一套完善的蓄能電站自動發電控制的標準功能配置和控制邏輯，后續在建電站可在此基礎上進行應用和本地優化，大大減少了后續電站控制功能的開發量，減少了設計風險，更好地履行蓄能電站在電網中調峰填谷、快速響應的職責，為電網安全穩定運行提供有力支持。