大型水電廠AGC曲線智能開停機(jī)策略

何偉，趙凱，曹俊濤，張承魁

（華能瀾滄江水電股份有限公司集控中心，云南 昆明 650214）

0 前言

瀾滄江集控中心目前共集控10 座電廠、50臺(tái)機(jī)組、2000 萬千瓦容量，2021 年12 月16 日全部電廠實(shí)現(xiàn)“無人值班”。集控十廠的運(yùn)行監(jiān)盤、開停機(jī)及負(fù)荷調(diào)整、電氣主設(shè)備倒閘操作、檢修試驗(yàn)及消缺、泄洪閘門操作及水位控制、異常及事故處理等工作量劇增。結(jié)合南方電網(wǎng)調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)的推進(jìn)，機(jī)組開停次數(shù)會(huì)進(jìn)一步增加，開停機(jī)，這一日常基本運(yùn)行操作將占據(jù)大量的時(shí)間、精力，且操作頻次過多時(shí)，很容易發(fā)生人因失誤，存在誤操作、誤入間隔、延遲調(diào)節(jié)等風(fēng)險(xiǎn)。因此，本文從選擇性自動(dòng)穿越振動(dòng)區(qū)、曲線智能開停機(jī)功能入手研究，以化解上述風(fēng)險(xiǎn)。

1 必要性分析

1.1 戰(zhàn)略目標(biāo)對(duì)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的要求

2021 年我國提出了“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，力爭(zhēng)在2030 年前二氧化碳排放達(dá)到峰值、在2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和，這就要因地制宜開發(fā)水電等清潔能源。目前云南省內(nèi)火電主要帶基荷運(yùn)行，開機(jī)后基本不參與系統(tǒng)調(diào)節(jié)，而具有較大調(diào)節(jié)能力的水電主要集中在瀾滄江下游和金沙江下游，金沙江流域電廠大部分電量通過直流線路直送廣東，能夠參與省內(nèi)調(diào)節(jié)的量較少，其他中小流域年調(diào)節(jié)、季調(diào)節(jié)水庫由于年際來水不均，也不具備穩(wěn)定的調(diào)節(jié)能力，因此省內(nèi)調(diào)節(jié)主要依靠瀾滄江下游梯級(jí)的多年調(diào)節(jié)水電。瀾滄江干流總調(diào)節(jié)庫容達(dá)232 億立方米，最大蓄能超過250 億kWh，全網(wǎng)蓄能占比超六成，過去十多年一直都在云南省內(nèi)電力電量平衡、電網(wǎng)安全穩(wěn)定中發(fā)揮著重要作用。若實(shí)現(xiàn)AGC 曲線智能開停機(jī)，可對(duì)系統(tǒng)備用容量、頻率穩(wěn)定及構(gòu)建新型電力系統(tǒng)提供有力保障。

1.2 “云南區(qū)域調(diào)頻市場(chǎng)建設(shè)對(duì)集控運(yùn)行的影響

2020 年1 月《云南調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)運(yùn)營規(guī)則（初稿）》發(fā)布，并于2021 年7 月正式結(jié)算。云南調(diào)頻市場(chǎng)補(bǔ)償費(fèi)用為市場(chǎng)主體按月度上網(wǎng)電量比例繳納的資金和其他符合國家有關(guān)法律法規(guī)規(guī)定的資金。位于云南電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)頻控制區(qū)內(nèi)，以“點(diǎn)對(duì)網(wǎng)”方式向其他?。▍^(qū)）送電的市場(chǎng)主體（瀾上五廠），按其月度上網(wǎng)電量的50%在云南繳納調(diào)頻市場(chǎng)補(bǔ)償費(fèi)用，其實(shí)際獲得月度調(diào)頻里程補(bǔ)償費(fèi)用和月度AGC 調(diào)節(jié)容量補(bǔ)償費(fèi)用按50%計(jì)算。結(jié)算費(fèi)用采用收支平衡、月清月結(jié)的方式，以1 小時(shí)為1 個(gè)交易周期，從調(diào)頻里程、調(diào)節(jié)容量兩個(gè)方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。為在保證安全的前提下爭(zhēng)取更多的調(diào)頻收益，推進(jìn)集控十廠AGC 曲線智能開停機(jī)的必要性有：

1）云南電力交易系統(tǒng)提前30 分鐘發(fā)布下一個(gè)小時(shí)調(diào)頻中標(biāo)結(jié)果，集控運(yùn)行臺(tái)需要實(shí)時(shí)掌握下一時(shí)段全廠有功計(jì)劃值+ 調(diào)頻中標(biāo)容量區(qū)間值，時(shí)刻保證有足夠的調(diào)頻帶寬，這將大大提升機(jī)組開停時(shí)間嚴(yán)格性，增加機(jī)組開停次數(shù)。從滿足電網(wǎng)安全需要分析，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)開停勢(shì)在必行。

2）依據(jù)云南調(diào)頻市場(chǎng)規(guī)則，調(diào)頻市場(chǎng)中標(biāo)發(fā)電單元或因電網(wǎng)安全需要被調(diào)用發(fā)電單元某交易周期內(nèi)因自身原因退出AGC 裝置或因自身原因無法繼續(xù)提供調(diào)頻服務(wù)，且累計(jì)時(shí)長超過5分鐘的，將扣除對(duì)應(yīng)交易周期的調(diào)頻里程補(bǔ)償和AGC 調(diào)節(jié)容量補(bǔ)償。但云南電網(wǎng)自從2016年7 月與南網(wǎng)主網(wǎng)異步聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行后，對(duì)頻率要求很高，為避免機(jī)組開停機(jī)、穿越振動(dòng)區(qū)引起的負(fù)荷或頻率波動(dòng)，集控電廠均采用向調(diào)度機(jī)構(gòu)申請(qǐng)退出全廠及單機(jī)AGC 后手動(dòng)調(diào)整負(fù)荷的方式，此操作方式下每次全廠AGC 退出至投入的時(shí)間間隔均超5 分鐘，導(dǎo)致本時(shí)段的調(diào)頻里程補(bǔ)償和調(diào)節(jié)容量補(bǔ)償被扣除。從發(fā)電效益考慮，也必須提升機(jī)組開停及穿越振動(dòng)區(qū)的及時(shí)性、準(zhǔn)確性。

1.3 集控十廠的運(yùn)行需求分析

目前，集控已經(jīng)實(shí)現(xiàn)瀾滄江流域10 座水電廠的遠(yuǎn)程控制，其中總調(diào)直調(diào)電廠7 個(gè)、機(jī)組34 臺(tái)?？傉{(diào)每日21:00 左右通過“發(fā)電計(jì)劃曲線系統(tǒng)”向電廠下發(fā)次日有功計(jì)劃曲線。2014-2020 年集控十廠機(jī)組開停總次數(shù)見表1。

表1 2014-2020年集控十廠機(jī)組開停總次數(shù)統(tǒng)計(jì)

從表1 可知，自2014 年以來，集控電廠年度開停機(jī)次數(shù)均在5500 次以上。自2018 年以來，上游電廠陸續(xù)接入集控，年度機(jī)組開停機(jī)次數(shù)大幅增加，且經(jīng)常存在瀾上五廠機(jī)組同時(shí)開停的情況。開停機(jī)、穿越振動(dòng)區(qū)操作屬于非必須人工執(zhí)行的基礎(chǔ)操作，占用時(shí)間較多，且人工操作沒有監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)精準(zhǔn)、平穩(wěn)。因運(yùn)行值班工作項(xiàng)目多、任務(wù)重，存在延遲開機(jī)影響全廠有功功率的準(zhǔn)確執(zhí)行和延遲停機(jī)影響機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)，因此推出總調(diào)直調(diào)電廠智能開停機(jī)功能是很必要的。

1.4 國內(nèi)幾大流域集控開停機(jī)智能化水平現(xiàn)狀

通過與國內(nèi)幾大流域集控中心對(duì)標(biāo)交流，截至目前，國內(nèi)尚無實(shí)現(xiàn)大型水電機(jī)組智能開停功能的先例，若成功實(shí)現(xiàn)此功能，則在行業(yè)內(nèi)屬于首創(chuàng)，可推動(dòng)國內(nèi)水電集控運(yùn)行智能化操作水平進(jìn)一步提升。

2 制度支持

1）《中國南方電網(wǎng)電力調(diào)度管理規(guī)程》9.11.3 規(guī)定：采用廠級(jí)AGC 控制的水電廠在嚴(yán)格執(zhí)行電力調(diào)度機(jī)構(gòu)下達(dá)的開機(jī)方式和計(jì)劃曲線的前提下，可自行執(zhí)行機(jī)組啟、停操作，無需申請(qǐng)、匯報(bào)。

2）《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)云南異步電網(wǎng)頻率安全管理的通知》（調(diào)調(diào)[2019] 021 號(hào)）要求：通過廠級(jí)AGC 程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中快速穿越振動(dòng)區(qū)功能。南網(wǎng)總調(diào)因機(jī)組手動(dòng)穿振動(dòng)區(qū)申請(qǐng)業(yè)務(wù)量過大，為不影響調(diào)度正常工作，總調(diào)直調(diào)電廠機(jī)組穿越振動(dòng)區(qū)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行上述文件要求，但目前各集控電廠機(jī)組自動(dòng)穿越振動(dòng)區(qū)功能不夠完善，僅能實(shí)現(xiàn)所有機(jī)組調(diào)整至振動(dòng)區(qū)邊緣后再穿越1 臺(tái)，不僅無選擇性，也對(duì)機(jī)組的運(yùn)行工況不利。

3 選擇某電廠的可行性

2021 年全國首臺(tái)（套）700 兆瓦水電機(jī)組國產(chǎn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)——HNICS-H316 在某電廠成功投運(yùn)并運(yùn)行穩(wěn)定，且某電廠監(jiān)控專業(yè)人員技術(shù)水平、管理水平整體較高。將AGC 曲線智能開停機(jī)與國產(chǎn)化監(jiān)控系統(tǒng)配合開發(fā)，不僅技術(shù)上可行，還對(duì)推動(dòng)水電計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)國產(chǎn)化產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展、提升水電監(jiān)控系統(tǒng)安全性、保障我國電力本質(zhì)安全有重要意義。

4 策略研究

正常運(yùn)行時(shí)某電廠全廠AGC 投南網(wǎng)總調(diào)控制，按計(jì)劃曲線執(zhí)行時(shí)投SCHEO 模式。AGC曲線智能開停機(jī)功能以全廠AGC 投閉環(huán)控制時(shí)南網(wǎng)總調(diào)下發(fā)的最新有功計(jì)劃曲線為基準(zhǔn)進(jìn)行研究。

4.1 基本參數(shù)

1）單機(jī)額定容量700 MW、基荷0～20 MW，全廠6 臺(tái)機(jī)組；

2）機(jī)組從發(fā)開機(jī)令至空載約5 分鐘，發(fā)開機(jī)令至并網(wǎng)約8 分鐘，發(fā)停機(jī)令至停機(jī)完成約22 分鐘，開機(jī)加停機(jī)全過程約30 分鐘，實(shí)際要求根據(jù)計(jì)劃曲線提前10 分鐘開機(jī)；

3）機(jī)組運(yùn)行區(qū)間分為禁止運(yùn)行區(qū)（固定為20～120 MW）、限制運(yùn)行區(qū)、振動(dòng)區(qū)、穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，且與水頭相關(guān)：

a．164 m≤水頭h≤193 m， 限制運(yùn)行區(qū)120～210 MW，振動(dòng)區(qū)210～380 MW；

b．193 m ＜水頭h＜202m，振動(dòng)區(qū)上限Pz上、下限Pz下隨水頭呈線性變化，用插值法計(jì)算：

Pz上=380+(460-380)/(202-193)*(h-193)

Pz下=210+(240-210)/(202-193)*(h-193)

c．202 m≤水頭h≤251 m， 限制運(yùn)行區(qū)120～240 MW，振動(dòng)區(qū)240～460 MW。

4）設(shè)定參數(shù)：

a．運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)N；

b．10、15、30 分鐘后全廠有功計(jì)劃值P10、P15、P30（以調(diào)度288 點(diǎn)計(jì)劃曲線中整5分鐘時(shí)刻為準(zhǔn)）；

說明：設(shè)置15 分鐘檢測(cè)是為了在開機(jī)過程因故開機(jī)流程退出時(shí)，可及時(shí)換開其他備用機(jī)組；設(shè)置30 分鐘檢測(cè)是為了避免在沒有備用機(jī)組的情況下短時(shí)停機(jī)后又開機(jī)，造成機(jī)組頻繁開?；虼┰秸駝?dòng)區(qū)。

4.2 功能壓板設(shè)置

4.2.1 優(yōu)先下穿

采用能不下穿就不下穿振動(dòng)區(qū)策略。其它機(jī)組有調(diào)節(jié)余量時(shí)優(yōu)先調(diào)節(jié)其它機(jī)組（被調(diào)節(jié)機(jī)組不能穿振動(dòng)區(qū)），其它機(jī)組無調(diào)節(jié)余量、必須穿越振動(dòng)區(qū)時(shí)，則“優(yōu)先下穿”壓板處于投入狀態(tài)的機(jī)組下穿振動(dòng)區(qū)。

4.2.2 即刻下穿

采用能下穿就下穿振動(dòng)區(qū)策略。投入單臺(tái)機(jī)組“即刻下穿”壓板后，在其他運(yùn)行機(jī)組調(diào)節(jié)容量能夠匹配時(shí)，立即讓該機(jī)組向下穿越振動(dòng)區(qū)至基荷并退出單機(jī)AGC，此壓板功能主要為機(jī)組臨時(shí)停機(jī)消缺、出力置換等情況使用。

4.2.3 自動(dòng)上穿

采用能上穿就上穿振動(dòng)區(qū)策略。投入單臺(tái)機(jī)組“自動(dòng)上穿”壓板后，在其它機(jī)組調(diào)節(jié)容量能夠匹配時(shí)，立即讓該機(jī)組向上穿越至振動(dòng)區(qū)以上。對(duì)于單臺(tái)機(jī)組有兩段振動(dòng)區(qū)的情況，可有效解決機(jī)組長時(shí)間在限制運(yùn)行區(qū)運(yùn)行的問題。

4.3 AGC曲線智能開機(jī)

在全廠有功計(jì)劃增加過程中，根據(jù)當(dāng)前運(yùn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)、運(yùn)行區(qū)間、出力上限及15 分鐘后全廠有功計(jì)劃值，監(jiān)控程序運(yùn)算判定需要開機(jī)來滿足15 分鐘后發(fā)電計(jì)劃要求時(shí)，自動(dòng)發(fā)令開一定臺(tái)數(shù)備用機(jī)組。當(dāng)15 分鐘后全廠計(jì)劃值：

1）處于單機(jī)限制運(yùn)行區(qū)時(shí)，若有不少于1臺(tái)機(jī)運(yùn)行，則保持不變（實(shí)際運(yùn)行中最優(yōu)方式是安排1 臺(tái)機(jī)運(yùn)行）；

2）處于單機(jī)振動(dòng)區(qū)下限至N臺(tái)機(jī)出力上限之間時(shí)，保持不變；若超出N臺(tái)機(jī)出力上限，則根據(jù)超出的差值與單機(jī)出力上限的比值，按進(jìn)一法確定需新開機(jī)組臺(tái)數(shù)，并根據(jù)設(shè)定順序依次發(fā)開機(jī)令。

4.4 AGC曲線智能停機(jī)（“優(yōu)先下穿”壓板投入）

在全廠有功計(jì)劃減少過程中，當(dāng)全廠計(jì)劃值滿足N- 1 臺(tái)機(jī)均能運(yùn)行在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，且小于N臺(tái)機(jī)總振動(dòng)區(qū)上限時(shí)，監(jiān)控程序運(yùn)算判定停1 臺(tái)機(jī)仍滿足發(fā)電計(jì)劃要求，自動(dòng)發(fā)令將“優(yōu)先下穿”壓板投入的機(jī)組停機(jī)。僅2 臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)全廠計(jì)劃值：

1）30 分鐘內(nèi)全廠計(jì)劃值均處于單機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)時(shí)，自動(dòng)發(fā)令將“優(yōu)先下穿”壓板投入的機(jī)組停機(jī)；發(fā)停機(jī)令后，若30 分鐘后全廠計(jì)劃值小于單機(jī)振動(dòng)區(qū)下限，則最后一臺(tái)機(jī)申請(qǐng)調(diào)度退出全廠AGC 后手動(dòng)減負(fù)荷下穿振動(dòng)區(qū)；

2）處于單機(jī)振動(dòng)區(qū)內(nèi)時(shí)，保持不變，待配合下穿振動(dòng)區(qū)完成，且全廠計(jì)劃值小于單機(jī)振動(dòng)區(qū)下限時(shí)，自動(dòng)發(fā)令將“優(yōu)先下穿”壓板投入的機(jī)組停機(jī)。

4.5 AGC曲線智能停機(jī)（“即刻下穿”壓板投入）

在全廠有功計(jì)劃減少過程中，當(dāng)全廠計(jì)劃值小于N- 1 臺(tái)機(jī)總出力上限時(shí)，監(jiān)控程序運(yùn)算判定停1 臺(tái)機(jī)仍滿足發(fā)電計(jì)劃要求，自動(dòng)發(fā)令將“即刻下穿”壓板投入的機(jī)組停機(jī)。僅2臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)策略與“優(yōu)先下穿”壓板投入的情況一致，不再贅述。

4.6 補(bǔ)充說明

智能開、停機(jī)策略均未引入調(diào)頻市場(chǎng)中標(biāo)容量，是因?yàn)檎{(diào)頻中標(biāo)容量為云南電網(wǎng)每小時(shí)調(diào)頻需求（550 MW 左右）的8%～50%，變化范圍較大，引入后會(huì)將全廠劃分出很多的運(yùn)行區(qū)間組合，通過推算在上調(diào)帶寬滿足時(shí)，下調(diào)帶寬通過智能開停機(jī)的方式很難滿足，如果使用公式進(jìn)行計(jì)算，不僅會(huì)導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)算量過大還不準(zhǔn)確。由運(yùn)行值班人員結(jié)合全廠有功計(jì)劃曲線、中標(biāo)容量統(tǒng)籌考慮，通過操作單機(jī)AGC 或“優(yōu)先下穿、即刻下穿、自動(dòng)上穿”壓板的方式進(jìn)行合理調(diào)控最為經(jīng)濟(jì)、高效。

5 結(jié)束語

目前，選擇性自動(dòng)穿越振動(dòng)區(qū)功能已經(jīng)在瀾滄江流域水電廠實(shí)際應(yīng)用，AGC 曲線智能開停機(jī)功能已結(jié)合某電廠監(jiān)控國產(chǎn)化改造完成并試運(yùn)行。以上技術(shù)全面推廣應(yīng)用后，將大大減輕水電運(yùn)行值班工作的日常操作負(fù)擔(dān)，使運(yùn)行人員將更多的時(shí)間、精力投入到設(shè)備運(yùn)行監(jiān)視、趨勢(shì)分析、異常及事故處理等工作中，進(jìn)一步提升設(shè)備安全、穩(wěn)定運(yùn)行水平。