朱 華，李 麗

(江蘇蘇美達集團有限公司，江蘇 南京 210018)

0 概 述

天生橋二級(壩索)水電站位于廣西隆林縣與貴州安龍縣交界處的南盤江上，為一長隧洞引水式電站。設(shè)計水頭為176 m，總裝機容量132萬kW。3條引水隧洞分別下接3個各自獨立的調(diào)壓井，每個調(diào)壓井分岔各下接兩條高壓管道[1]，分別連接至2臺機組。調(diào)壓井為帶上室的差動式圓形調(diào)壓井，明挖后邊坡高120 m。調(diào)壓井內(nèi)徑為21 m，井頂?shù)母叱虨?80 m，井深88 m，頂部669 m高程設(shè)溢流堰。高壓管道管徑為5.7 m，采用“L”形布置，每條平均長590 m，末端從5.7 m漸變?yōu)? m、最后漸變?yōu)?.2 m的錐管與廠房蝴蝶閥相連[2]。

在水電站運行過程中，為保護調(diào)壓井安全，防止坍塌，會對處于同一調(diào)壓井的機組作相應(yīng)限制，如不能同時增有功功率等[3]。

1 考慮調(diào)壓井閉鎖的自動發(fā)電控制

水電站引水發(fā)電系統(tǒng)是由管道、明渠和上游水庫、下游水庫、機組、調(diào)壓井、串點、岔點、閘門等組成的一個復(fù)雜的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。調(diào)壓井中會產(chǎn)生涌浪水位和水波反射，涌浪水位和水波反射的衰減程度決定了調(diào)壓井允許有多少可調(diào)節(jié)余量[4-5]，而涌浪水位和水波反射不容易測量。從安全考慮，對幅度不同的功率調(diào)節(jié)，自動發(fā)電控制一般固定等待不同長度的平壓時間后，才允許下一次調(diào)節(jié)指令。這樣雖然解決了機組的安全性問題，但卻使水電站的有功功率調(diào)節(jié)不能連續(xù)地響應(yīng)上級調(diào)度指令，不能滿足電網(wǎng)對水電站自動發(fā)電控制的要求。

現(xiàn)有自動發(fā)電控制技術(shù)未能考慮調(diào)壓井的影響，尤其是一個調(diào)壓井帶多臺機組造成的影響，因此長時間運行會對機組和調(diào)壓井的安全運行造成影響。

基于以上問題，提出一種策略，即在保證安全的前提下，實時計算調(diào)壓井內(nèi)機組可以開放的調(diào)節(jié)容量，從而可以連續(xù)地響應(yīng)上級調(diào)度指令。該算法充分利用設(shè)計院和相關(guān)資料給出的預(yù)估平壓時間[6]，將固定的平壓時間轉(zhuǎn)換成調(diào)壓井閉鎖容量，實時計算每一次有功調(diào)節(jié)在一定時間后調(diào)壓井閉鎖容量的累加和，然后基于各調(diào)壓井閉鎖容量累加和進行水電站可運行區(qū)間(避開振動區(qū)和汽蝕區(qū))計算，然后依據(jù)可運行區(qū)間進行負荷分配。調(diào)壓井閉鎖容量是隨時間連續(xù)變化的衰減量，可使水電站連續(xù)地響應(yīng)上級調(diào)度指令，從而滿足電網(wǎng)對水電站自動發(fā)電控制連續(xù)調(diào)節(jié)的要求。

考慮到水電機組還存在振動區(qū)[7]，需盡量避免機組在此區(qū)間運行，因此還要將調(diào)壓井的閉鎖容量策略與機組跨越振動區(qū)、避開振動區(qū)負荷分配[8]進行綜合考慮。即對于有調(diào)壓井閉鎖容量限制的機組來說，不僅僅要考慮常規(guī)水電機組的避開振動區(qū)控制策略，還要將閉鎖容量與調(diào)壓井內(nèi)機組振動區(qū)結(jié)合，計算出全廠不可運行區(qū)，反饋給調(diào)度EMS系統(tǒng)，讓調(diào)度指令直接落在全廠可運行區(qū)間。另外，考慮到調(diào)度調(diào)節(jié)指令的連續(xù)性，每一次執(zhí)行調(diào)度指令均會導(dǎo)致機組閉鎖容量發(fā)生變化，緊接著全廠不可運行區(qū)間隨之變化，反饋給調(diào)度的全廠可運行區(qū)間也會發(fā)生變化[9]?？偠灾@是一個動態(tài)交互的過程。常規(guī)水電機組的振動區(qū)范圍僅僅是隨水頭變化，這樣全廠可運行區(qū)間不會跟隨調(diào)度指令變化，而水頭短時間內(nèi)不會有太大變化，所以常規(guī)水電機組的AGC控制是一個靜態(tài)的模式切換和負荷分配[8]；而考慮調(diào)壓井閉鎖容量的水電機組，其全廠可運行區(qū)是隨著調(diào)度功率調(diào)節(jié)指令的頻繁度和幅值逐漸變化，調(diào)度功率調(diào)節(jié)指令越頻繁，幅值越大，則全廠可運行區(qū)間越窄。

本文設(shè)計的基于調(diào)壓井容量閉鎖的自動發(fā)電控制，可在保護調(diào)壓井的前提下，不采用固定平壓時間的方式，即一次調(diào)節(jié)后固定等待一段時間(比如20 min)才能響應(yīng)下一次調(diào)節(jié)指令，這樣能連續(xù)有效地響應(yīng)上級調(diào)度機構(gòu)的有功負荷要求。圖1為算法邏輯示意。

圖1 算法邏輯

2 控制策略及實現(xiàn)

2.1 幾個概念

(1)平壓等待時間。水電站機組運行會受很多因素的限制，故必須對機組的運行加以限制，為保護調(diào)壓井運行安全，采用保守策略，在某一次功率調(diào)節(jié)后，固定等待一定時間后才允許下一次功率調(diào)節(jié)，這個等待時間就是平壓等待時間。

(2)調(diào)壓井閉鎖容量。將調(diào)壓井內(nèi)機組某一次功率調(diào)節(jié)對調(diào)壓井的影響估算成機組可調(diào)節(jié)容量的縮減，是一個隨時間逐步衰減到0的應(yīng)變量。

(3)能耗比。在某一次功率調(diào)節(jié)過程中，全廠各機組功率變化值絕對值的累加和與全廠功率變化絕對值的比值，表示本次功率調(diào)節(jié)的代價。

2.2 計算模塊

本文提出的基于調(diào)壓井容量閉鎖的自動發(fā)電控制連續(xù)控制所采用的控制策略如下：

首先計算某一時刻前面最大固定平壓時間T內(nèi)調(diào)壓井所有有功功率調(diào)節(jié)指令產(chǎn)生的閉鎖容量累加和。許可調(diào)節(jié)容量為當前實發(fā)考慮調(diào)壓井安全的可調(diào)區(qū)間和機組實際可運行區(qū)組合產(chǎn)生的可調(diào)節(jié)區(qū)間兩者間取“保守”可調(diào)區(qū)間。t1時刻的調(diào)節(jié)指令到t2時刻開放的井內(nèi)可調(diào)容量Pktdl(當量值)具體計算方法為

(1)

井內(nèi)可調(diào)容量Pktdl轉(zhuǎn)換成保守實際可調(diào)容量Pkt，公式為

Pkt=Pktdl/Kn

(2)

對當前時刻的可調(diào)容量計算，是按照前面所有指令算出的閉鎖容量(當量)進行線性疊加，得出總的閉鎖容量(當量)和可調(diào)容量(當量)，而后再依據(jù)式(2)得出保守可調(diào)容量∑Pkt。

任何一次調(diào)節(jié)，均從調(diào)速器真正收到調(diào)節(jié)指令并成功反饋給AGC軟件時才開始計算，且每一次調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的閉鎖容量均在固定平壓時間T時間內(nèi)完全開放，過程中是時間的線性函數(shù)。多次調(diào)節(jié)的閉鎖容量變化采用線性疊加的方式累計，即某時刻調(diào)壓井的閉鎖容量為前面過去T時間內(nèi)所有調(diào)節(jié)指令累加和。算出閉鎖容量累加和后，又得出當前調(diào)壓井的可調(diào)容量當量，再用當前機組實發(fā)算出可能達到的最大井內(nèi)功率，進而得出當量系數(shù)，用此當量系數(shù)得到調(diào)壓井實際可調(diào)容量。如果調(diào)壓井內(nèi)無機組參加AGC，則調(diào)壓井可調(diào)容量顯示值強制賦值為0，但程序內(nèi)部同時仍在進行計算，只是不顯示。當調(diào)速器實際給定功率發(fā)生變化時，計算此次指令造成的閉鎖容量。給出確認執(zhí)行令(維持一個AGC控制周期4 s，在此4 s內(nèi)不執(zhí)行新設(shè)定值)，使調(diào)速器有充足時間執(zhí)行設(shè)定值。

由單個調(diào)壓井可調(diào)容量，以及屬于此調(diào)壓井機組的振動區(qū)，采用區(qū)間合并得出此調(diào)壓井有功功率可運行區(qū)間。為便于程序?qū)崿F(xiàn)，全廠可運行區(qū)間按照分層計算，首先按照井內(nèi)機組的振動區(qū)和AGC投入狀態(tài)，算出井內(nèi)“聯(lián)合振動區(qū)”和可調(diào)區(qū)間，然后按式(1)、(2)的算法用閉鎖容量進行修正，得出井內(nèi)可調(diào)區(qū)間和不可運行區(qū)，再對各調(diào)壓井進行組合計算得出全廠可調(diào)容量和不可運行區(qū)。先計算出單機的可運行區(qū)間，再計算調(diào)壓井機組組合的可運行區(qū)間，最后組合計算出全廠的可運行區(qū)間。

基于調(diào)壓井可運行區(qū)間采用區(qū)間合并方法得出初步的全廠有功功率可運行區(qū)間。對全廠有功功率可運行區(qū)間每一個功率設(shè)值點均進行反校驗，剔除會造成負荷波動過大的“不良”功率設(shè)值點，得到最終分配結(jié)果優(yōu)良的全廠有功功率可運行區(qū)間并上送給上級調(diào)度機構(gòu)。

在采用區(qū)間合并方法計算出的全廠可運行區(qū)間，為保證每個負荷設(shè)定點均能合法運行，對每個設(shè)定值均下發(fā)測試一次，不會使機組運行在振動區(qū)，也不會造成機組間、調(diào)壓井間負荷大幅度波動的分配方案才保留為合法運行設(shè)定點，然后依據(jù)校核結(jié)果再對全廠可運行區(qū)間進行修正。

2.3 分配模塊

電廠自動發(fā)電控制系統(tǒng)接收(來源于電站中控室或調(diào)度機構(gòu))到功率設(shè)定值，判斷此設(shè)定值是否處于優(yōu)良的全廠有功功率可運行區(qū)間，如果不屬于則直接判斷為非法指令，不執(zhí)行；如屬于則為有效指令，進入下一步。得到有效功率設(shè)定值指令后，首先以調(diào)壓井為單位進行負荷分配。再在調(diào)壓井內(nèi)的機組間按照穿越振動區(qū)最少、造成負荷波動最小的原則進行負荷分配，并以動態(tài)優(yōu)化方法進行尋優(yōu)，得到多個負荷分配方案。

設(shè)全廠機組總臺數(shù)為Gen_Num，發(fā)電機組臺數(shù)Run_No，投入AGC機組臺數(shù)Agc_No，全廠設(shè)定值Pset，單機當前實發(fā)值Gen_P[Gen_Num]，單機優(yōu)化設(shè)定值Gset[Gen_Num]，本次優(yōu)化方案的代價(能耗、負荷波動)J_wave[Gen_Num][Pmax]，列出狀態(tài)方程。投入n臺機組，設(shè)定值為Pset時的狀態(tài)方程為

J_wave[n][Pset]=
(Gset[n]-GenP[n])×(Gset[n]-GenP[n])+
J_wave[n-1][Pset-Gset[n]]

(3)

對Gset[n]作一次循環(huán)找到J_wave取最小值，即可得到n臺機組的最優(yōu)設(shè)定值Gset[n]。

這里要提到AGC調(diào)節(jié)能耗比的概念，由于尋優(yōu)過程中只能按照負荷波動過小的找到最優(yōu)解，但不能保證這樣找到的解是否真正合理，于是引入能耗比ξ的概念。

(4)

式中，Pi為i號機組的調(diào)整前功率值；Piagc為i號機組本次AGC設(shè)定值；P為全廠的調(diào)整前功率值；Pagc為全廠本次AGC設(shè)定值。

在尋優(yōu)過程中，設(shè)定ξmax的定值，一旦尋優(yōu)方案的能耗比超過ξmax則判定此方案不合理，不采用，轉(zhuǎn)而采用下一個分配方案。針對所有負荷分配方案，按照負荷波動最小(能耗比最小)的原則進行甑選，得出唯一的負荷分配方案。

此設(shè)定值按照可調(diào)容量分配到各調(diào)壓井，形成N個分配方案，剔除負荷波動過大的方案后剩下M(M≤N)個方案，再在調(diào)壓井內(nèi)按照井內(nèi)AGC投入/退出狀態(tài)按造成負荷波動最小的原則分配到各臺機組，同時也剔除造成負荷波動過大或會造成井內(nèi)兩臺機組同時跨越振動區(qū)的方案，最后得到L種機組間負荷分配方案，最后在這L種方案中，再按照全廠機組間負荷波動最小的原則找到最優(yōu)解下發(fā)給PLC執(zhí)行。

得到最終分配方案后，發(fā)送功率設(shè)值消息至各臺機組，驅(qū)動調(diào)速器導(dǎo)葉動作，機組有功功率產(chǎn)生變化。

2.4 分配校核

實現(xiàn)基于調(diào)壓井容量閉鎖的自動發(fā)電控制策略包括：按照式(1)調(diào)壓井閉鎖容量的計算方法；調(diào)壓井閉鎖容量和機組振動區(qū)計算屬于同一個調(diào)壓井的機組聯(lián)合可運行區(qū)間；基于調(diào)壓井可運行區(qū)間計算全廠聯(lián)合可運行區(qū)間；對全廠聯(lián)合可運行區(qū)間內(nèi)所有可分配設(shè)定功率進行校驗，引入能耗比概念，剔除會造成負荷波動較大或多臺機組同時跨越振動區(qū)的不良方案；機組、調(diào)壓井內(nèi)、全廠分層計算、分層分配的分配方案。

根據(jù)式(1)調(diào)壓井閉鎖容量的計算方法，具體為分別計算調(diào)壓井內(nèi)每次功率調(diào)整所造成的閉鎖容量當量，累加之后再按照當量系數(shù)轉(zhuǎn)化為實際的調(diào)壓井內(nèi)閉鎖容量。

基于調(diào)壓井閉鎖容量與機組振動區(qū)計算調(diào)壓井內(nèi)機組聯(lián)合可運行區(qū)算法，是以調(diào)壓井為單位，分別計算閉鎖容量和組合振動區(qū)，區(qū)間合并得出調(diào)壓井內(nèi)機組聯(lián)合可運行區(qū)。

基于能耗比的校驗和負荷分配算法，根據(jù)能耗比概念的定義，即以本次全廠功率調(diào)整造成的機組負荷波動絕對值累加和與本次全廠功率調(diào)整量的比值進行分配校核。

3 天生橋二級水電站AGC真機連續(xù)調(diào)節(jié)試驗

實際機組連續(xù)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)表明，單機閉環(huán)AGC定值方式控制性能平均響應(yīng)時間為12.25 s，平均調(diào)節(jié)速度為160.05 MW/min，平均動態(tài)偏差為2.55 MW，平均靜態(tài)偏差為2.1 MW，均優(yōu)于技術(shù)規(guī)范要求。表1為全廠AGC調(diào)度閉環(huán)控制功能測試結(jié)果，表明機組優(yōu)異的快速反應(yīng)能力和連續(xù)響應(yīng)調(diào)度指令的能力。因此，本AGC算法在保證調(diào)壓井安全的前提下，將每次負荷調(diào)節(jié)后的固定等待時間折算成閉鎖容量變化，從而實現(xiàn)對全廠機組負荷連續(xù)可靠的控制。機組反向延時測試過程，第一次下發(fā)機組額定容量15%的變化，調(diào)節(jié)到80%后，再回復(fù)原先設(shè)定值，實測數(shù)據(jù)顯示反向延時為7 s，表明了優(yōu)異的快速反應(yīng)能力。

表1 全廠機組AGC調(diào)度閉環(huán)控制功能測試

4 結(jié) 論

本文通過分析水電站調(diào)壓井的構(gòu)成機理，列舉水電站調(diào)壓井可能引起負荷調(diào)整不連續(xù)響應(yīng)的問題，將調(diào)壓井水力平衡過程轉(zhuǎn)化為閉鎖容量，基于此設(shè)計自動發(fā)電控制策略，可以有效解決保護調(diào)壓井安全、避開振動區(qū)，并且選取穿越振動區(qū)最少、全長及井內(nèi)負荷波動最小的分配方案，來連續(xù)地響應(yīng)調(diào)度設(shè)定。最后以天生橋二級水電站為例，實際驗證算法的適用性和可靠性，為今后類似電站的自動發(fā)電控制指明了方向。實際上，本文對每次負荷調(diào)作簡單化處理，即假定某一次負荷調(diào)節(jié)過程固定時間T后即可以完全消除影響。而實際上負荷調(diào)節(jié)過程是與時間、調(diào)節(jié)量相關(guān)的復(fù)雜函數(shù)，今后可以在本文基礎(chǔ)上進一步研究調(diào)壓井內(nèi)水波力學(xué)特性，將固定平壓時間衍變成時間的函數(shù)，使整個模型更加精確，這樣更能發(fā)掘全廠調(diào)節(jié)的潛力。