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)
自動(dòng)發(fā)電控制(automatic generation control,AGC)是梯級(jí)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(dòng)化程度不斷提高,水電站自動(dòng)化水平不斷完善,以梯級(jí)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(jí)電站運(yùn)行調(diào)度中。但是由于梯級(jí)水電站之間機(jī)組存在著不同的運(yùn)行情況,各水庫(kù)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(jí)水電站水調(diào)及電調(diào)系統(tǒng)分別獨(dú)立,難免會(huì)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(lái),合理有效地利用水資源,經(jīng)濟(jì)、合理、準(zhǔn)確地對(duì)同一流域梯級(jí)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(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電站AGC聯(lián)合控制,并提出了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方案。
A水電站為寶興河梯級(jí)開(kāi)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(kāi),分別由集控中心實(shí)行獨(dú)立的水庫(kù)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(duì)水庫(kù)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(huì)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(shí)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(duì)兩個(gè)水電站實(shí)行聯(lián)合調(diào)度AGC,提高水能利用率和經(jīng)濟(jì)效益。
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(dòng)區(qū)等上送至聯(lián)合調(diào)度AGC裝置,由聯(lián)合調(diào)度AGC來(lái)計(jì)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(jì)算。總有功功率經(jīng)過(guò)聯(lián)合調(diào)度AGC計(jì)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
A水電站與B水電站進(jìn)行負(fù)荷分配時(shí)遵循上、下兩個(gè)水電站皆不發(fā)生棄水的原則。由于A水電站水庫(kù)為龍頭水庫(kù),具有年調(diào)節(jié)能力,其庫(kù)容較大,而B水電站庫(kù)容較小,水庫(kù)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(shí),則采用實(shí)時(shí)水頭下的單機(jī)引用流量值進(jìn)行計(jì)算,各水頭下單機(jī)引用流量值可參考投產(chǎn)時(shí)水輪機(jī)特性曲線。根據(jù)水能動(dòng)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(cè)報(bào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸給定,因此可由式(4)、式(5)計(jì)算得出分配至A水電站、B水電站總有功負(fù)荷PA、PB。
梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度AGC功能是通過(guò)省調(diào)電網(wǎng)向梯級(jí)調(diào)度集控中心下發(fā)總負(fù)荷指令,梯級(jí)調(diào)度集控中心經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算,通過(guò)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(shí)現(xiàn)分級(jí)管控,逐級(jí)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(kāi)環(huán)/閉環(huán)功能切換。
當(dāng)聯(lián)合調(diào)度AGC控制模式為“開(kāi)環(huán)模式”時(shí),聯(lián)合控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將只計(jì)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(shí),聯(lián)合控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將計(jì)算值分別下發(fā)至A和B兩水電站。各廠站站級(jí)AGC控制模式為“開(kāi)環(huán)模式”時(shí),站級(jí)AGC控制計(jì)算機(jī)將只接收分配值;各廠站站級(jí)AGC控制模式為“閉環(huán)模式”時(shí),站級(jí)AGC控制計(jì)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(dòng)作邏輯如表1所示。
由于梯級(jí)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(guò)通訊接收和發(fā)送聯(lián)合調(diào)度AGC相關(guān)的遙測(cè)、遙信、遙調(diào)信號(hào),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(shí),聯(lián)調(diào)AGC動(dòng)作邏輯如表2所示。
當(dāng)然,在計(jì)算聯(lián)合調(diào)度AGC有功負(fù)荷值時(shí),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(dòng)區(qū)間等,此外還需要考慮到系統(tǒng)對(duì)水電站要求的備用容量及對(duì)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(shí),聯(lián)合調(diào)度AGC總設(shè)定值的上下限將會(huì)發(fā)生改變。若設(shè)定值越限或設(shè)定值位于振動(dòng)區(qū)間時(shí),聯(lián)合調(diào)度AGC系統(tǒng)將會(huì)發(fā)出報(bào)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(cuò)誤3次報(bào)警,AGC聯(lián)控設(shè)置權(quán)在“主調(diào)”“備調(diào)”情況下,自動(dòng)切換至“梯調(diào)”設(shè)置權(quán)。省調(diào)設(shè)定連續(xù)錯(cuò)誤未達(dá)到3次,若下次設(shè)定值正確,重置計(jì)數(shù)。
機(jī)組LCU接受到分配值后,根據(jù)單機(jī)步長(zhǎng)調(diào)節(jié)靈敏度判斷做出判斷,若實(shí)際值與分配目標(biāo)值差距小于靈敏度或超過(guò)步長(zhǎng)設(shè)定值,將不進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整。
梯級(jí)聯(lián)合調(diào)度AGC功能的實(shí)施,需要通過(guò)三級(jí)聯(lián)合測(cè)試,分別為廠站級(jí)、集控級(jí)、省調(diào)級(jí)。通過(guò)在集控增加梯級(jí)調(diào)度聯(lián)合控制AGC計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),建立廠站級(jí)AGC控制系統(tǒng),測(cè)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(yàn)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(jí)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(guò)梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度AGC控制自動(dòng)分配有功負(fù)荷。梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度AGC控制自動(dòng)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(yàn)測(cè)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(shí),聯(lián)調(diào)允許設(shè)定值上下限會(huì)發(fā)生相應(yīng)改變,并且處于上游的A水電站計(jì)算分配值將會(huì)隨著區(qū)間流量增加而減少。相關(guān)試驗(yàn)測(cè)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(dòng)作邏輯
表2 通訊功能故障聯(lián)調(diào)AGC動(dòng)作邏輯
圖2 梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度AGC控制自動(dòng)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(cè)試結(jié)果 單位:MW
表5 區(qū)間流量固定越限設(shè)定測(cè)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(cè)試結(jié)果 單位:MW
表8 區(qū)間流量改變?cè)较拊O(shè)定測(cè)試結(jié)果 單位:MW
通過(guò)廠控、集控、省調(diào)三方聯(lián)調(diào)試驗(yàn),檢驗(yàn)聯(lián)調(diào)三方之間的AGC功能相關(guān)的遙測(cè)數(shù)據(jù)、遙信信號(hào)與遙調(diào)指令正確無(wú)誤,機(jī)組均能準(zhǔn)確規(guī)避運(yùn)行振動(dòng)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(guò)模擬異常信號(hào)及錯(cuò)誤設(shè)定值,查驗(yàn)了聯(lián)合調(diào)度AGC各項(xiàng)閉鎖功能正確無(wú)誤,符合安全運(yùn)行的實(shí)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)。
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(píng)估兩水電站生態(tài)流量、區(qū)間流量對(duì)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(shí)現(xiàn)梯級(jí)水電站聯(lián)合調(diào)度AGC,并給出了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)方案及詳細(xì)計(jì)算公式。將水調(diào)水情測(cè)報(bào)系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)加入至電調(diào)聯(lián)合調(diào)度AGC負(fù)荷分配計(jì)算中,并通過(guò)三方聯(lián)合調(diào)試試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了水調(diào)與電調(diào)有機(jī)結(jié)合,為梯級(jí)流域水電站增產(chǎn)增效,發(fā)揮梯級(jí)水電站整體運(yùn)營(yíng)優(yōu)勢(shì)提供幫助。