一次調頻功能在監控系統的實現

黃麗琴，汪 瑋，孫 杰

（富春江水力發電廠，浙江省桐廬縣 311504）

一次調頻功能在監控系統的實現

黃麗琴，汪 瑋，孫 杰

（富春江水力發電廠，浙江省桐廬縣 311504）

為滿足華東地區電網“二個細則”對一次調頻的要求，針對某水電廠無法實現一次調頻功能的老調速設備，通過對監控系統現地LCU進行優化設計，實現了機組的一次調頻功能。文中介紹了在監控系統中如何實現一次調頻功能的思路和方法，以供其他水電廠參考和借鑒。

考核細則；監控系統；一次調頻；功能優化設計；二次調頻

0 引言

某水力發電廠共裝設六臺60MW軸流轉槳式水輪發電機組，通過3個主變單元接入220kV變電站，4回220kV出線接入電網。電廠主要承擔華東電網的調峰、調頻任務。

為保障華東電力系統安全、優質、經濟運行，根據《發電廠并網運行管理規定》（電監市場〔2006〕42號），華東電監會制定了《華東區域發電廠并網運行管理實施細則（試行）》和《華東區域并網發電廠輔助服務管理實施細則（試行）》（以下簡稱“二個細則”）。

該電廠作為華東地區電網的主力調頻電站，同樣需要響應“二個細則”的要求，但因多臺機組調速器年份已久，調速器廠家不建議修改調速器程序，為滿足“二個細則”的考核要求，首先在3號機組監控系統現地控制單元進行一次調頻功能優化設計，2010年11月實現了3號機組一次調頻功能，并于2010年12月完成了3號機組一次調頻功能的優化和調整試驗。試驗結果表明不同的水頭、不同的功率、不同的頻差、不同的控制模式下，3號機組一次調頻能力滿足華東電網調度考核要求。

1 主要設備規范

1.1 監控系統

該電廠監控系統設備現地控制單元LCU采用雙機熱備冗余機構，具有數據采集、數據處理、控制與調節、通信、時鐘同步、自診斷與自恢復、人機接口等功能。

1.2 調速器

該電廠3號機組調速器采用WST-PLC環噴式雙可編程微機調速器，結構為電子調節器+液壓隨動系統，其調節框圖如圖1所示。

1.3 水輪機及有壓過水系統

水輪機引水管：一管一機；尾水管：一管一機；無調壓井；水輪機設計參數如表1所示。

名 稱參 數最大水頭17.7m安裝高程+4.1m導葉最大轉角630mm額定功率61550kW最小水頭6.2m吸出高度-2.9m槳葉最大轉角3°～34.5°

圖1 機組調速器調節框圖

1.4 發電機

發電機設計參數如表2所示。

表2 發電機設計參數

2 一次調頻功能優化

因該電廠3號機組調速器年份太久，調速器廠家不建議修改調速器程序，因此一次調頻功能的優化設計需要在監控系統完成，調速器程序不作任何改動。

2.1 分析調速器廠家提供的調速器調節框圖（如圖1所示）

（1）正常運行并網后人工頻率死區為0.5Hz，調速器工作于功率模式，此時調速器的頻率調節回路在0.5Hz內不起作用，調速器接受LCU下發的功率值進行調節；此0.5Hz調速器廠家建議不能修改為0.05Hz，否則頻率超過0.05Hz后調速器將進入孤網調節模式，不利于機組的穩定運行。

（2）調速器功率調節模式下設有±1MW的功率死區，在實際運行時機組實發與LCU下發的功率給定值有±1MW的偏差。

1）在電網頻超過±0.5Hz后調速器進入孤網調節模式，進入孤網模式后人工頻率死區設置為0，機組根據頻率變化進行調節；

2）若功率反饋故障，則機組由功率調節模式自動切換為開度調節模式；若此后功率反饋正常，機組由開度調節模式自動切換至功率調節模式。

（3）為滿足一次調頻的需要，優化設計一次調頻時的監控框圖如圖2所示。優化功能設計時主要考慮：

圖2 某機組調速器一次調頻優化設計框圖

1）監控系統控制邏輯：不影響機組的正常控制功能；

2）因為機組為軸流轉槳式機組，當機組處于非協聯工況時機組功率調節將非常緩慢，設計時需考慮一次調頻功能投用范圍；

3）一次調頻時需要考慮二次調頻的影響，設計一次調頻時對來自全廠AGC或上位機或LCU現地觸摸屏發出的功率指令信號實行同向疊加和反向閉鎖功能；修改程序時所有參數均設計為可修改參數，不采用固定值。根據以上設計要求，最終在電廠3號機組監控系統修改邏輯實現如下。

2.2 監控硬件修改

（1）機組監控系統現地控制單元增加頻率變送器，以測量電網頻率；

（2）機組監控系統增加投退一次調頻功能繼電器，可人工控制一次調頻功能的投退。

2.3 監控邏輯修改

2.3.1 監控系統一次調頻工作條件

（1）一次調頻功能投退條件。

一次調頻硬壓板投入；

一次調頻軟件開關投入；

頻差小于0.5Hz；

機組在發電態；

以上任意一條件不滿足即退出一次調頻功能；

圖3 一次調頻控制程序

運行人員可通過操作一次調頻軟硬件開關實現投退一次調頻功能。

（2）一次調頻真正動作條件。

一次調頻功能投入；

頻差大于人工頻率死區；

當前實發功率大于10MW且小于70MW。

以上任意一條件不滿足即一次調頻不動作。

2.3.2 監控系統人工頻率死區設定（如圖3所示）

人工頻率死區整定值設為±0.05Hz。

為防止一次調頻在頻率死區附近頻繁動作將一次調頻動作后返回的頻率偏差設置為±0.04Hz。即一次調頻超過±0.05Hz時動作，小于±0.04Hz時復歸一次調頻。

2.3.3 功率調節反向閉鎖（如圖4所示）

修改現地控制單元LCU邏輯程序，當一次調頻發生時，在調頻期間實現：

（1）若LCU收到功率給定發生變化且變化方向與一次調頻要求的變化方向相同時，LCU下發至調速器的功率給定值為：原功率給定值加一次調頻功率變化值；

圖4 功率調節反向閉鎖

（2）若LCU收到功率給定發生變化但是變化方向與一次調頻要求的變化方向相反時，LCU下發至調速器的功率給定值為：不接受新下發的LCU功率給定值，以一次調頻發生時記錄的功率為基礎進行一次調頻。

2.3.4 一次調頻變化功率限幅

修改現地控制單元LCU邏輯，設計并實現若一次調頻一旦動作，則功率變化量最少為±4MW，一次調頻動作引起的功率變化值等于4MW加上頻差變化所產生的功率變化（限幅±3MW）值，即一次調頻功率變化值范圍為±4～±7MW，且一次調頻功率變化值疊加在LCU原功率給定值上（原功率給定值來自于：①AGC自動計算；②上位機人工設定；③現地觸摸屏人工設定）。

2.3.5 一次調頻機組功率限幅

一次調頻時機組功率給定值的限幅為20～60MW，與機組AGC的功率范圍一樣。

2.4 一次調頻和二次調頻配合設計分析

該電廠目前的運行方式設計為：并網后調速器運行于功率模式，機組的功率閉環在調速器中實現，AGC只是將全廠AGC功率分配后的功率給定值送至調速器。

該電廠一次調頻功能優化設計后和監控系統AGC功能的配合設計為：

（1）調速器一次調頻功能投入和退出。

在一次調頻功能硬壓板投入的條件下，開機并網后監控系統發出一次調頻功能投入信號（如圖5所示），監控系統判斷功率處于10～70MW區間范圍內且滿足2.3所列條件后，監控系統的一次調頻功能才真正投入。當監控系統走停機流程時，監控系統首先發出退一次調頻功能命令（如圖6所示），在退出一次調頻功能后監控系統才執行減負荷指令，進入正常停機流程。

圖5 開機并網后監控系統發出一次調頻功能投入信號

圖6 機組收到停機令后首先發出一次調頻退出令

（2）當頻差超過人工頻率死區后，監控系統一次調頻動作，發出“3號機組一次調頻動作” 信號。

（3）當電網頻率恢復正常，監控系統檢測到頻率回歸正常，發“3號機組一次調頻動作退出”信號。

3 一次調頻功能試驗及結果

依據《華東區域發電廠并網運行管理實施細則（試行）》《華東區域并網發電廠輔助服務管理實施細則（試行）》《華東電網抽水蓄能電廠運行管理及評價辦法（試行）》和電廠的具體情況，制訂了《某水力發電廠機組一次調頻調整試驗方案》，電廠和相關單位于2010年12月11日和12月30日進行了3號機組兩個水頭下的一次調頻調整試驗、一次調頻和二次調頻配合試驗。

3.1 一次調頻試驗結論

在試驗毛水頭17.5～18.2m和14.9～15.0m，不同的功率、不同的頻差、不同的控制模式下，3號機組一次調頻能力基本滿足考核要求，即：

機組小頻差±0.06Hz動作正確；

機組一次調頻電量占理論積分電量比例60%以上；

45s內機組功率變化值滿足要求。

（1）統計分析試驗數據一次調頻發生后機組功率發生明顯變化的延時時間大約在4～13s，典型延時6～10s。軸流轉槳式機組響應一次調頻延時較混流式機組大（混流式機組典型時間小于4s）。

（2）機組一次調頻功能與LCU二次調頻功能設計滿足要求。在試驗水頭下當更改功率期間發生一次調頻，功率給定變化方向與一次調頻要求的功率變化方向相同或者相反，積分電量均滿足要求。

（3）經比較，PMU表計和調速器測量數據相比，頻率和功率基本一致。

4 結束語

某電廠的一次調頻功能在監控系統實現投運已近三年，動作正確可靠，為華東地區電網提供安全可靠的電能打下堅實的基礎。

[1] 單鵬珠.某水電廠計算機監控系統改造[J].水電廠自動化，2007，113（3）：1-4.

黃麗琴（1968—），女，助理工程師，二次專業，主要研究方向：自動化。E_mail：hlqsjsxy@163.com

汪 瑋（1962—），男，工程師，二次專業，主要研究方向：自動化。

孫 杰（1970—），男，工程師，二次專業，主要研究方向：繼電保護。

The Realization of Primary Frequency Modulation Function in the Computer Supervisio and Control System

HUANG Liqin，WANG Wei，SUN Jie
（The Fu Chun Jiang hydroelectric power plant，Tonglu 311504，China）

To meet the“two rules”of east china power grid to the requirements of primary frequency control，unable to realize the function of primary frequency in a hydropower station of the old governor equipment，through the study of the optimization design of the computer supervision and cotrol systems in local control unit LCU，realize a frequency modulation function of the unit.this paper introduces the computer supervision and control systems of train of thought and method how to realize the fuction of primary frequency，for reference of other hydropower.

Assessment rules；computer supervisio and control system；Primary frequency modulation；Function optimization design；secod frequecy regulation