梯級水電站聯(lián)合調(diào)度AGC的研究

劉江濤， 周 政

(四川華能寶興河水電有限責(zé)任公司，四川 雅安 625000)

0 引 言

自動發(fā)電控制(automatic generation control，AGC)是梯級水電站聯(lián)合運(yùn)行和優(yōu)化調(diào)度的重要工具[1]。隨著電力系統(tǒng)自動化程度不斷提高，水電站自動化水平不斷完善，以梯級水電站為基礎(chǔ)的聯(lián)合調(diào)度AGC功能已經(jīng)廣泛應(yīng)用于流域梯級電站運(yùn)行調(diào)度中。但是由于梯級水電站之間機(jī)組存在著不同的運(yùn)行情況，各水庫間存在著不同的區(qū)間流量及生態(tài)放水要求，且大多數(shù)梯級水電站水調(diào)及電調(diào)系統(tǒng)分別獨(dú)立，難免會發(fā)生水電站間負(fù)荷分配不合理，水能利用效率降低導(dǎo)致水資源浪費(fèi)等情況。

為改變這一現(xiàn)狀，將電調(diào)與水調(diào)有機(jī)地結(jié)合起來，合理有效地利用水資源，經(jīng)濟(jì)、合理、準(zhǔn)確地對同一流域梯級水電站進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度AGC。下面以A水電站及B水電站為例子，分析如何根據(jù)機(jī)組水頭、區(qū)間流量、生態(tài)流量變化，實現(xiàn)梯級水電站AGC聯(lián)合控制，并提出了相應(yīng)的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的程序設(shè)計方案。

1 項目背景

A水電站為寶興河梯級開發(fā)的龍頭水電站，裝機(jī)容量3×80 MW，混流式水輪發(fā)電機(jī)組。下游B水電站距離A水電站35 km，裝機(jī)容量3×35 MW，混流式水輪發(fā)電機(jī)組。A水電站出線在B水電站π接后統(tǒng)一送出。目前A水電站和B水電站分開，分別由集控中心實行獨(dú)立的水庫調(diào)度和電站負(fù)荷調(diào)度。由于A水電站與B水電站均有生態(tài)放水要求，區(qū)間流量對水庫影響較大，且省調(diào)負(fù)荷下達(dá)可能存在不匹配現(xiàn)象，不可避免地會發(fā)生水電站負(fù)荷分配不合理，導(dǎo)致水資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。為實現(xiàn)水調(diào)與電調(diào)的有機(jī)結(jié)合，更為經(jīng)濟(jì)、合理并提高效益，擬對兩個水電站實行聯(lián)合調(diào)度AGC，提高水能利用率和經(jīng)濟(jì)效益。

2 梯級水電站AGC聯(lián)合控制功能

2.1 AGC功能方案

A水電站與B水電站的負(fù)荷統(tǒng)一由集控中心的聯(lián)合調(diào)度AGC進(jìn)行控制，由A、B水電站聯(lián)合調(diào)度AGC上送至省調(diào)。A、B水電站將電站可帶有功功率上下限、振動區(qū)等上送至聯(lián)合調(diào)度AGC裝置，由聯(lián)合調(diào)度AGC來計算分配兩站總有功功率。此方案需要在集控中心增設(shè)一套設(shè)備，用于負(fù)荷分配計算?？傆泄β式?jīng)過聯(lián)合調(diào)度AGC計算后，得到A水電站總有功功率P1總、B水電站總有功功率P2總，分別送至A水電站AGC和B水電站AGC，然后由各自水電站AGC進(jìn)行有功功率分配、調(diào)節(jié)。

數(shù)據(jù)流向示意如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)流向

2.2 梯級水電站間負(fù)荷分配

A水電站與B水電站進(jìn)行負(fù)荷分配時遵循上、下兩個水電站皆不發(fā)生棄水的原則。由于A水電站水庫為龍頭水庫，具有年調(diào)節(jié)能力，其庫容較大，而B水電站庫容較小，水庫調(diào)度根本原則采用以A水電站總下泄流量QA下泄等于B水電站總下泄流量QB下泄的方案，可表示為：

QA下泄=QB下泄

(1)

QA下泄=QA+QA生

(2)

QB下泄=QB+QB生+Q區(qū)

(3)

式中：AA生為A水電站生態(tài)流量；QB生為B水電站生態(tài)流量；QA為A水電站單機(jī)每兆瓦引用流量；QB為B水電站單機(jī)每兆瓦引用流量；Q生為A水電站與B水電站生態(tài)流量差值；Q區(qū)為A水電站與B水電站區(qū)間流量。

PA為分配給A水電站出力總負(fù)荷；PB為分配給B電站出力總負(fù)荷；P總為省調(diào)下令的A、B水電站聯(lián)合調(diào)度AGC總設(shè)定值。則：

(4)

當(dāng)水輪機(jī)組凈工作水頭H發(fā)生變化時，則采用實時水頭下的單機(jī)引用流量值進(jìn)行計算，各水頭下單機(jī)引用流量值可參考投產(chǎn)時水輪機(jī)特性曲線。根據(jù)水能動力學(xué)原理可得出，水輪發(fā)電機(jī)組出力P與機(jī)組發(fā)電耗水量Q有如式(5)關(guān)系：

P=9.81QHη

(5)

在式(4)、式(5)中，在P總由省調(diào)給定的情況下，機(jī)組效率系數(shù)η根據(jù)各自水輪機(jī)特性曲線算出，各水電站生態(tài)流量值按照當(dāng)?shù)卣嚓P(guān)政策制定，A水電站與B水電站區(qū)間流量Q區(qū)可由水調(diào)水情測報系統(tǒng)實時傳輸給定，因此可由式(4)、式(5)計算得出分配至A水電站、B水電站總有功負(fù)荷PA、PB。

3 AGC功能完善

3.1 聯(lián)合調(diào)度AGC控制權(quán)限

梯級水電站聯(lián)合調(diào)度AGC功能是通過省調(diào)電網(wǎng)向梯級調(diào)度集控中心下發(fā)總負(fù)荷指令，梯級調(diào)度集控中心經(jīng)過優(yōu)化計算，通過約束及閉鎖條件后，向廠站下發(fā)相應(yīng)負(fù)荷并調(diào)節(jié)。該聯(lián)合調(diào)度AGC控制權(quán)分為3種，實現(xiàn)分級管控，逐級投入：

1)廠站的控制權(quán)：投入/退出參加聯(lián)調(diào)功能。

2)省調(diào)的控制權(quán)：聯(lián)調(diào)總值設(shè)定。

3)集控的控制權(quán)：投入/退出聯(lián)調(diào)功能；開環(huán)/閉環(huán)功能切換。

當(dāng)聯(lián)合調(diào)度AGC控制模式為“開環(huán)模式”時，聯(lián)合控制計算機(jī)系統(tǒng)將只計算分配值不下發(fā)分配值；當(dāng)聯(lián)合調(diào)度AGC控制模式為“閉環(huán)模式”時，聯(lián)合控制計算機(jī)系統(tǒng)將計算值分別下發(fā)至A和B兩水電站。各廠站站級AGC控制模式為“開環(huán)模式”時，站級AGC控制計算機(jī)將只接收分配值；各廠站站級AGC控制模式為“閉環(huán)模式”時，站級AGC控制計算機(jī)將接收分配值，并將分配值減去未參與AGC聯(lián)調(diào)機(jī)組的負(fù)荷后，平均分配給加入聯(lián)合調(diào)度AGC的機(jī)組LCU，下發(fā)指令控制調(diào)速器系統(tǒng)調(diào)整負(fù)荷。

控制權(quán)切換后，聯(lián)合調(diào)度AGC動作邏輯如表1所示。

3.2 聯(lián)合調(diào)度AGC通訊功能

由于梯級水電站聯(lián)合調(diào)度AGC由廠站、集控及省調(diào)三方協(xié)調(diào)控制，需要三方之間通過通訊接收和發(fā)送聯(lián)合調(diào)度AGC相關(guān)的遙測、遙信、遙調(diào)信號，則聯(lián)合調(diào)度AGC通訊功能分為3部分：1)電站與集控聯(lián)調(diào)通訊機(jī)通訊；2)省調(diào)主調(diào)與集控網(wǎng)關(guān)機(jī)通訊；3)省調(diào)備調(diào)與集控網(wǎng)關(guān)機(jī)通訊。

當(dāng)通訊功能發(fā)生故障時，聯(lián)調(diào)AGC動作邏輯如表2所示。

3.3 聯(lián)合調(diào)度AGC約束及閉鎖

當(dāng)然，在計算聯(lián)合調(diào)度AGC有功負(fù)荷值時，還應(yīng)考慮到各機(jī)組的不可運(yùn)行區(qū)間，包括機(jī)組的有功負(fù)荷出力上下限、機(jī)組振動區(qū)間等，此外還需要考慮到系統(tǒng)對水電站要求的備用容量及對水電站上、下游水位限制等因素[2]。

當(dāng)區(qū)間流量、生態(tài)流量及機(jī)組運(yùn)行水頭發(fā)生變化時，聯(lián)合調(diào)度AGC總設(shè)定值的上下限將會發(fā)生改變。若設(shè)定值越限或設(shè)定值位于振動區(qū)間時，聯(lián)合調(diào)度AGC系統(tǒng)將會發(fā)出報警，設(shè)定值失效，保持上次分配值。當(dāng)省調(diào)設(shè)定值連續(xù)錯誤3次報警，AGC聯(lián)控設(shè)置權(quán)在“主調(diào)”“備調(diào)”情況下，自動切換至“梯調(diào)”設(shè)置權(quán)。省調(diào)設(shè)定連續(xù)錯誤未達(dá)到3次，若下次設(shè)定值正確，重置計數(shù)。

機(jī)組LCU接受到分配值后，根據(jù)單機(jī)步長調(diào)節(jié)靈敏度判斷做出判斷，若實際值與分配目標(biāo)值差距小于靈敏度或超過步長設(shè)定值，將不進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整。

4 聯(lián)合試驗結(jié)果及分析

梯級聯(lián)合調(diào)度AGC功能的實施，需要通過三級聯(lián)合測試，分別為廠站級、集控級、省調(diào)級。通過在集控增加梯級調(diào)度聯(lián)合控制AGC計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，建立廠站級AGC控制系統(tǒng)，測試廠控、集控、省調(diào)控制3種模式下的AGC指令分配功能以及驗證各種模式下的閉鎖功能[3]。

現(xiàn)以A和B水電站某天機(jī)組運(yùn)行情況為基礎(chǔ)，加入梯級水電站聯(lián)合調(diào)度AGC，采取廠控、集控、省調(diào)三方聯(lián)調(diào)的方式，由省調(diào)下發(fā)聯(lián)合調(diào)度AGC總負(fù)荷值，通過梯級水電站聯(lián)合調(diào)度AGC控制自動分配有功負(fù)荷。梯級水電站聯(lián)合調(diào)度AGC控制自動分配有功負(fù)荷邏輯如圖2所示。

當(dāng)區(qū)間流量固定為10 m3/s，試驗測試結(jié)果如表3—表5。

當(dāng)設(shè)定值不變，區(qū)間流量發(fā)生改變時，聯(lián)調(diào)允許設(shè)定值上下限會發(fā)生相應(yīng)改變，并且處于上游的A水電站計算分配值將會隨著區(qū)間流量增加而減少。相關(guān)試驗測試結(jié)果如表6—表8所示。

表1 控制權(quán)切換聯(lián)合調(diào)度AGC動作邏輯

表2 通訊功能故障聯(lián)調(diào)AGC動作邏輯

圖2 梯級水電站聯(lián)合調(diào)度AGC控制自動分配有功負(fù)荷邏輯

表3 區(qū)間流量固定聯(lián)調(diào)機(jī)組情況

表4 區(qū)間流量固定正常設(shè)定測試結(jié)果 單位：MW

表5 區(qū)間流量固定越限設(shè)定測試結(jié)果 單位：MW

表6 區(qū)間流量改變聯(lián)調(diào)機(jī)組情況 單位：MW

表7 區(qū)間流量改變正常設(shè)定測試結(jié)果 單位：MW

表8 區(qū)間流量改變越限設(shè)定測試結(jié)果 單位：MW

通過廠控、集控、省調(diào)三方聯(lián)調(diào)試驗，檢驗聯(lián)調(diào)三方之間的AGC功能相關(guān)的遙測數(shù)據(jù)、遙信信號與遙調(diào)指令正確無誤，機(jī)組均能準(zhǔn)確規(guī)避運(yùn)行振動區(qū)且均在機(jī)組運(yùn)行上下限范圍內(nèi)。聯(lián)合調(diào)度AGC響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)幅度均在規(guī)定范圍內(nèi)。經(jīng)過模擬異常信號及錯誤設(shè)定值，查驗了聯(lián)合調(diào)度AGC各項閉鎖功能正確無誤，符合安全運(yùn)行的實際需求，能夠保障機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行，且在不同區(qū)間流量的情況下，聯(lián)合調(diào)度AGC均能正確響應(yīng)。

5 結(jié) 語

為了優(yōu)化A水電站與B水電站聯(lián)合調(diào)度AGC運(yùn)行，評估兩水電站生態(tài)流量、區(qū)間流量對聯(lián)合調(diào)度AGC的影響，闡述了如何根據(jù)機(jī)組水頭、區(qū)間流量、生態(tài)流量變化實現(xiàn)梯級水電站聯(lián)合調(diào)度AGC，并給出了相應(yīng)的計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的程序設(shè)計方案及詳細(xì)計算公式。將水調(diào)水情測報系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)加入至電調(diào)聯(lián)合調(diào)度AGC負(fù)荷分配計算中，并通過三方聯(lián)合調(diào)試試驗，實現(xiàn)了水調(diào)與電調(diào)有機(jī)結(jié)合，為梯級流域水電站增產(chǎn)增效，發(fā)揮梯級水電站整體運(yùn)營優(yōu)勢提供幫助。