李繼平

（廣東能源集團有限公司天生橋一級水電開發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400）

0 前言

隨著大型水力發(fā)電機組的發(fā)電負荷在電網(wǎng)總負荷中的占比不斷提高，電網(wǎng)對大型水電機組的安全性、穩(wěn)定性、以及負荷調(diào)節(jié)性能的要求越來越高。大型水電機組應(yīng)能快速響應(yīng)電網(wǎng)負荷指令變化，與此同時還要保證機組自身的安全、穩(wěn)定、高效運行。

在調(diào)頻輔助服務(wù)市場中，機組在廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)運行模式下調(diào)節(jié)性能[1]指標(biāo)（響應(yīng)時間、調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度）不高,而調(diào)頻市場實際收入遠比測算收入低，需要通過對整個調(diào)節(jié)過程進行分析,找到引起調(diào)節(jié)性能指標(biāo)不高的原因，并進行優(yōu)化處理[2]。如何將全廠總負荷合理的分配給廠內(nèi)的各機組承擔(dān)，在負荷調(diào)節(jié)過程中各機組如何分配負荷[3]增量或負荷減量，是一個復(fù)雜的決策過程，對機組的安全、穩(wěn)定、高效運行至關(guān)重要[4]。負荷分配和調(diào)節(jié)方式不合理，會導(dǎo)致機組發(fā)電效率低下、機組振動加劇、檢修頻率增加、設(shè)備使用壽命縮短、甚至出現(xiàn)重大安全事故。

1 水電廠廠級自動控制系統(tǒng)負荷分配原則

大型水電廠通常采用廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)[4]，將調(diào)度主站下發(fā)的全廠總負荷分配給廠內(nèi)各個機組承擔(dān)。在進行負荷調(diào)節(jié)時，也是通過廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)確定由廠內(nèi)的某個或某幾個機組承擔(dān)調(diào)節(jié)過程中的負荷增量或負荷減量。

現(xiàn)有的水電廠廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)的負荷分配策略[5]，一般是按以下幾個原則[6]進行分配的：

（1）平均分配準則：全廠總負荷平均分配給廠內(nèi)各機組承擔(dān)；負荷調(diào)節(jié)過程中，全廠負荷的增量或減量也平均分配給各機組承擔(dān)。這種方法的優(yōu)點是分配負荷和執(zhí)行操作簡單快速。缺點是：①沒有考慮不同機組之間性能優(yōu)劣的差異性；②每次負荷調(diào)節(jié)過程所有機組都共同參與，機組的累計調(diào)節(jié)次數(shù)多，影響設(shè)備使用壽命。

（2）等微增率準則：按機組效率從高到低依次往下分配全廠總負荷，負荷優(yōu)先分配給微增率小(即效率高)的機組承擔(dān)；負荷調(diào)節(jié)過程中，電廠增加負荷時，先讓微增率小的機組增加負荷；電廠減少負荷時，先讓微增率大的機組減少負荷[7]。即總體上讓效率高的機組保持更高的負荷率和更長的運行時間。

（3）小負荷分配策略：負荷調(diào)節(jié)過程中，電廠增加負荷時，優(yōu)先讓負荷率小的機組增加負荷；電廠減少負荷時，優(yōu)先讓負荷率大的機組減少負荷。這樣做的好處是可有效減少機組的調(diào)節(jié)頻次以及避開機組的調(diào)節(jié)死區(qū)。

2 水電廠廠級自動控制系統(tǒng)負荷分配算法

現(xiàn)有的水電廠廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)進行負荷分配時，主要考慮的因素是機組的功率和效率，而沒有把機組的工作水頭、振動擺度、穿越振動區(qū)次數(shù)、累計調(diào)節(jié)次數(shù)等因素綜合考慮到負荷分配和調(diào)節(jié)過程之中。實際運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)顧此失彼的情況，如廠內(nèi)各機組的效率值都不錯，但機組振動問題嚴重，且調(diào)節(jié)過程中頻繁穿越振動區(qū)；或多臺機組中有一臺綜合性能好的機組的調(diào)節(jié)次數(shù)遠遠大于其他機組，導(dǎo)致其檢修周期明顯短于其他機組。

現(xiàn)有的水電廠廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)[8]的計算程序主要采用兩種算法：窮舉法和解方程法。

窮舉法是對機組的所有負荷分配情況進行排列組合，形成一個數(shù)億條記錄的數(shù)據(jù)列表；要進行負荷調(diào)節(jié)時，根據(jù)調(diào)節(jié)目標(biāo)在數(shù)據(jù)列表中檢索出能滿足要求的數(shù)十萬條記錄，再根據(jù)一定的規(guī)則對每條記錄打分，根據(jù)分數(shù)排序后選擇其中得分最高的一條作為負荷分配方案。

解方程法是根據(jù)負荷分配時所要考慮的因素，整理出一組帶約束條件的方程組，然后通過矩陣計算和迭代收斂，求出最優(yōu)解。

這兩種算法計算量都很大，計算時間長，導(dǎo)致機組對電網(wǎng)負荷調(diào)節(jié)指令的響應(yīng)速度慢。

3 水電廠廠級自動控制系統(tǒng)負荷分配影響因素

制定負荷分配[8]方案的過程中要考慮的因素很多，各個考慮因素背后的目標(biāo)也不盡相同，有時甚至是相互沖突而無法統(tǒng)一的。負荷分配方案的確定，經(jīng)常需要在不同考慮因素之間進行權(quán)衡，抓大放小，優(yōu)先解決主要矛盾。在全廠負荷分配和負荷調(diào)節(jié)過程中，不僅要盡量保證機組的穩(wěn)定運行[9]，還要盡可能減小機組的振動擺度，減少機組穿越振動區(qū)的次數(shù)，減少機組在振動區(qū)運行的總持續(xù)時間；此外，各機組的累計調(diào)節(jié)次數(shù)應(yīng)盡量保持相當(dāng)，而不能簡單的讓性能[10]好的機組承擔(dān)大部分調(diào)節(jié)任務(wù)；在不同的負荷率條件下，應(yīng)能靈活的選擇最適合的負荷分配策略，如負荷率高的豐水期采用效率高優(yōu)先的分配策略，負荷率低的枯水期則采用安全穩(wěn)定優(yōu)先的負荷分配策略。

4 水電廠廠級自動控制系統(tǒng)負荷分配設(shè)計

通過研究一種新的水電廠廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)負荷分配方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的負荷分配策略不完善，導(dǎo)致機組的振動和效率經(jīng)常顧此失彼的問題；以及程序計算量大、耗時長，導(dǎo)致負荷調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的問題。

在水電廠廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)中引入一個模型預(yù)測控制單元，該模型預(yù)測控制單元把線性規(guī)劃和控制問題結(jié)合起來，將機組的工作水頭、振動擺度、有功負荷、效率指標(biāo)、穿越振動區(qū)次數(shù)、累計調(diào)節(jié)次數(shù)綜合考慮到水電廠廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)負荷分配方案的制定和優(yōu)選過程中（圖1）。

圖1 大型水電廠廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)的負荷分配框圖

上述模型預(yù)測控制單元接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)回傳的機組實時運行參數(shù)作為負荷調(diào)節(jié)的初始條件，機組實時運行參數(shù)包括機組工作水頭（H）y、振動擺度（S）、有功負荷（P）、效率指標(biāo)（η）、閘門開度（γ）。機組各個運行參數(shù)之間的關(guān)系可整理為一組帶約束條件的方程γ=f（Hy，P，η，S），約束條件包括工作水頭范圍，有功功率范圍，振動擺度范圍。依據(jù)各約束條件可在各機組的運行區(qū)域圖上劃分出不同的運行性能[11]區(qū)域，包括小負荷振動區(qū)、不推薦運行區(qū)、禁止運行區(qū)、高負荷運行穩(wěn)定區(qū)[12]。

上述模型預(yù)測控制單元制定負荷分配策略[13]的步驟包括：

（1）接收總調(diào)下發(fā)的負荷指令和機組實時運行參數(shù)，確定負荷調(diào)節(jié)量；

（2）求解包含機組工作水頭Hy、振動擺度S、有功負荷P、效率指標(biāo)η、閘門開度（γ）這5 個變量的機組運行狀態(tài)方程γ=f（Hy，P，η，S），得到所有可能的負荷分配方案；

（3）在所有可能的負荷分配方案中優(yōu)選出最終執(zhí)行的負荷分配方案；

（4）校驗機組的調(diào)后形態(tài)，確認無誤后，將優(yōu)選出來的負荷分配方案下發(fā)到執(zhí)行機構(gòu)執(zhí)行。

上述模型[14]預(yù)測控制單元優(yōu)選負荷分配方案的步驟包括：

（1）綜合考慮機組工作水頭、振動擺度、有功負荷和效率指標(biāo)的約束條件，在各機組的運行區(qū)域圖上劃分出不同的運行區(qū)域，包括禁止運行區(qū)、小負荷振動區(qū)、不推薦運行區(qū)、高負荷穩(wěn)定運行區(qū)；

（2）優(yōu)選負荷分配方案時，首先排除落入禁止運行區(qū)的數(shù)據(jù)，然后按效率高優(yōu)先的原則或振動擺度小優(yōu)先的原則，依次從高負荷穩(wěn)定運行區(qū)、不推薦運行區(qū)、小負荷振動區(qū)查找可用的負荷分配方案；效率高優(yōu)先的原則和振動擺度小優(yōu)先的原則是可以切換的，機組運行的高負荷時段采用效率高優(yōu)先的原則，機組運行的低負荷時段采用振動擺度小優(yōu)先的原則；

（3）在優(yōu)選負荷分配方案時，保證各機組穿越振動區(qū)次數(shù)和累計調(diào)節(jié)次數(shù)基本相當(dāng)，防止效率高和振動擺度小的高性能機組過多承擔(dān)調(diào)節(jié)任務(wù)而縮短其檢修周期。

上述模型預(yù)測控制單元可采集機組實時運行參數(shù)，并從效率和振動擺度兩個維度對機組的性能表現(xiàn)打分，可根據(jù)得分高低在各機組的運行區(qū)域圖上重新劃分運行區(qū)域；在優(yōu)選負荷分配方案時，首先排除性能表現(xiàn)得分低的區(qū)域，優(yōu)先選擇性能表現(xiàn)得分高的區(qū)域，這樣可以縮小數(shù)據(jù)篩選的范圍，大大減小計算量，提高對負荷調(diào)節(jié)指令的響應(yīng)速度。隨著機組運行時間的累積，機組本身的性能會發(fā)生變化，各機組運行區(qū)域的劃分也要跟著變化；比如原來的不推薦運行區(qū)可能會因為振動加劇而被劃入禁止運行區(qū)，原來的高負荷穩(wěn)定運行區(qū)可能會有一部分被劃入不推薦運行區(qū)。

上述模型預(yù)測控制單元設(shè)有投/退切換按鈕，可以將模型預(yù)測控制單元退出運行，模型預(yù)測控制單元退出運行后不影響水電廠廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)的正常運行。

5 具體實施方式及效果

某水電站總裝機容量為1 200 MW，有4 臺同型號單機容量300 MW 機組，圖2 為該電站4 臺機組的典型運行區(qū)域圖。原有廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)的負荷分配方法是通過求解機組運行狀態(tài)方程γ=f（P，η），確定各機組承擔(dān)的負荷以及在調(diào)節(jié)過程中承擔(dān)的負荷增/減量。實際運行中有如下問題：①各機組長時間在振動區(qū)運行，振動使得1 號、4 號機組轉(zhuǎn)輪葉片頻繁出現(xiàn)裂紋，甚至出現(xiàn)局部掉塊現(xiàn)象；②各機組的負荷調(diào)節(jié)過于頻繁，累計調(diào)節(jié)次數(shù)多，尤其是2 號機組因為工作狀態(tài)好，調(diào)節(jié)次數(shù)明顯多于其他機組；③調(diào)節(jié)過程中頻繁穿越振動區(qū)；④機組對負荷指令的響應(yīng)速度較慢。

在該水電站中采用圖1 所示控制框，在廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)中引入一個模型預(yù)測控制單元，圖中的模型預(yù)測控制單元接收機組實時運行狀態(tài)參數(shù)工作水頭Hy、振動擺度S、有功負荷P、效率指標(biāo)η、閘門開度（γ）作為負荷調(diào)節(jié)的初始條件，模型預(yù)測控制單元通過求解機組運行狀態(tài)方程γ=f（Hy，P，η，S）確定負荷分配方案，相比原有的負荷分配方法，在機組運行狀態(tài)方程中增加了工作水頭和振動擺度兩個約束條件。在優(yōu)選負荷分配方案時，同時考慮效率和振動情況兩個因素，在盡量追求高效率的同時避免機組的運行狀態(tài)落入振動區(qū)。實際使用中，將振動擺度超過0.3 mm 時的工況設(shè)定為禁止運行工況，將振動擺度0.15～0.3 mm 時的工況設(shè)定為不推薦運行工況。

隨著機組使用時間的累積，機組的工作特性也會發(fā)生變化。模型預(yù)測控制單元采集機組實時運行參數(shù)，進行相關(guān)的試驗[15,16]后，從效率指標(biāo)和振動擺度兩個維度對機組的性能表現(xiàn)打分，根據(jù)得分高低在各機組的運行區(qū)域圖上重新劃分運行區(qū)域。

圖3 為根據(jù)機組實際狀況重新劃分的2 號、3 號機組運行區(qū)域圖，圖4 為根據(jù)機組實際狀況重新劃分的1 號、4 號機組運行區(qū)域圖。

與圖2 機組的典型運行區(qū)域圖相比，新的運行區(qū)域圖的劃分有明顯的不同。2 號、3 號機組的運行區(qū)域圖增加了不推薦運行區(qū)，小負荷振動區(qū)的范圍有所擴大，可選運行區(qū)劃分為最優(yōu)區(qū)和次優(yōu)區(qū)；1 號、4 號機組的運行區(qū)域圖增加了禁止運行區(qū)和不推薦運行區(qū)，可選運行區(qū)劃分為最優(yōu)區(qū)和次優(yōu)區(qū)。

對比圖2 和圖3、圖4 的運行區(qū)域圖可知，圖2中有相當(dāng)一部分原先認為是高負荷穩(wěn)定運行區(qū)的區(qū)域，實際運行狀態(tài)非常不好，可以被劃入到不推薦運行區(qū)甚至禁止運行區(qū)。這也是采用原先的負荷分配方法時，機組經(jīng)常出現(xiàn)劇烈振動的重要原因。

圖2 機組的典型運行區(qū)域圖

圖3 新策略2 號、3 號機組運行區(qū)域圖

圖4 新策略1 號、4 號機組運行區(qū)域圖

模型預(yù)測控制單元優(yōu)選負荷分配方案時，首先避開禁止運行區(qū)和不推薦運行區(qū)，同時減少穿越禁止運行區(qū)和不推薦運行區(qū)的次數(shù)，優(yōu)選考慮在最優(yōu)區(qū)內(nèi)選擇機組的運行參數(shù)。

6 結(jié)論

通過在廠級自動發(fā)電控制系統(tǒng)中引入一個模型預(yù)測控制單元，劃分禁止運行區(qū)和不推薦運行區(qū)，負荷分配避開了機組振動劇烈的運行區(qū)域，機組的平均最大振動速度從50 cm/s 減小到不大于10 cm/s，大大提高了機組的運行穩(wěn)定性。同時由于縮小了分配方案篩選的范圍，大大減少了計算量，對負荷調(diào)節(jié)指令的平均響應(yīng)速度也從10～15 ms 縮短到6～8 ms，速度提升幅度接近50%。