海南瓊中抽水蓄能電站一管三機甩負荷預測分析

黃笑同，陳 源，黃 梅

(中國電建集團中南勘測設計研究院有限公司，湖南長沙410014)

1 工程概況

瓊中抽水蓄能電站位于海南省瓊中縣境內，工程建成后其主要任務是承擔海南電力系統的調峰、填谷、調頻、調相、緊急事故備用和黑啟動等任務。電站設計安裝3臺200 MW可逆式水泵水輪發電機組，總裝機容量600 MW。引水系統采用一洞三機布置形式，尾水系統采用三機一洞，設尾水調壓室。電站于2017年12月首臺機投入商運，2018年7月全廠3臺機組全面投入商業運行。2018年7月，在南方電網調峰調頻公司以及瓊中抽水蓄能有限公司的主導和各方的密切配合下進行了機組甩負荷試驗。

2 機組甩負荷預測的理論基礎和基本思路

2.1 概述

對三機甩負荷預測的基本思路是通過對雙機甩負荷試驗的實測數據進行分析，提取試驗工況下的計算誤差及壓力脈動，以此作為對三機同時甩負荷的數值模擬的均值壓力的修正量。從整體來看，是一個將雙機甩負荷信號分解，提取計算誤差以及壓力脈動信息，再重構三機甩負荷信號的過程。

機組甩負荷是一個包含復雜、劇烈水力變化的過渡過程，對于機組甩負荷時蝸殼、尾水管均值壓力的預測可通過數值模擬軟件進行計算；目前各大設計院、高校以及機組制造廠家均有較成熟的計算軟件和手段對機組甩負荷過程進行模擬，計算結果廣泛應用于電站調節保證設計、機組參數選擇以及試驗分析等。但隨著抽水蓄能發電技術的進一步發展，尤其是對于壓力脈動的認識和研究的深入，采用傳統的、基于特征線法開發的軟件、程序的計算結果與機組甩負荷實測數據存在一定偏差，對于工況更嚴苛的機組甩負荷試驗的參考、指導意義存在一定局限性。為更準確地預測機組甩負荷時的壓力脈動以及特征線法的數值計算誤差，引入經驗模態分析法。

經驗模態分解法(Empirical Mode Decomposition，簡稱EMD)由美國國家宇航局美籍華人黃鍔(NordenE.Huang)[1]等人于1998年創造性地提出的，之后廣泛應用于濾波、故障檢測、醫學分析等領域[2-3]。該方法優點在于在對信號進行處理時無須預先設定任何基函數，可依據數據自身時間尺度特征來進行信號分解，是一種自適應信號時頻處理方法。而EMD 方法在理論上可以應用于任何類型的信號的分解，在處理非平穩及非線性數據上，具有非常明顯的優勢，適合于分析非線性、非平穩信號序列，具有很高的信噪比。機組甩負荷過程中，壓力振蕩較大，頻率成分多樣，是典型的非線性、非平穩信號，采用EMD方法是較為合適的。目前國內已有專家、學者率先將EMD方法應用于具體抽水蓄能工程實際中[4-5]。

2.2 經驗模態分解基本理論

經驗模態分解時，假定任何信號都是由若干本征模函數組成，在任何時候，一個信號都可以包含若干個本征模函數(Intrinsic Mode Function，以下簡稱“IMF”)，如果本征模函數之間相互重疊，便形成復合信號。其過程時間序列s(t)可以表示為

式中，N為分量函數(imf)的個數；r(t)為余量。

信號的處理、分解主要包含以下過程：首先，通過三次樣條插值方法對s(t)中所有的極大值點進行擬合，繪制包絡線e+(t)。其次，以同樣的方法擬合出極小值包絡線e-(t)，將上下包絡線均值定義為m(t)=(e+(t)+e-(t))/2。則原始信號s(t)去除均值后的一階imf為：h(t)=s(t)-m(t)；細節分量h(t)在迭代轉換過程中得到細化，當到達到停止標準時，細節分量h(t)被提取出來作為imf1(t)；剩下的余量作為r(t)被用來計算定義下一個imf2(t)。后續迭代過程一直持續到余量r(t)變得很小或者余量為一單調函數。此時EMD分解過程結束。其中，r(t)為信號變化趨勢或均值。實測壓力信號s(t)經N次分解后，將得到的余量rn(t)作為均值壓力，脈動壓力MD(t)=s(t)-rn(t)。

2.3 基本思路

2.3.1 分解雙機甩負荷壓力波形信號

對機組雙機甩負荷的數據進行經驗模態分解，將采集到的數據信號分解為多個單一頻率的波和殘波的形式，此時單一頻率的波頻率相對較大，主要由于水力、電磁等因素引起的壓力脈動成分所導致；殘波的周期較長，與機組甩負荷均值壓力變化規律一致，因此，可將EMD的分解表達式相應地表示為

機組甩負荷實測信號=∑壓力脈動信號+均值壓力信號相應的數值表達式為

rn(t)蝸=P(t)蝸-ΔH(t)蝸

rn(t)尾=P(t)尾-ΔH(t)尾

式中，ci(t)蝸、ci(t)尾為采用EMD方法提取的第i階IMF分量；ΔH(t)蝸、ΔH(t)尾為蝸殼、尾水管脈動壓力；P(t)蝸、P(t)尾為雙機甩負荷實測的、包含脈動壓力的蝸殼、尾水管壓力波動信號；rn(t)蝸、rn(t)尾為蝸殼、尾水管的均值壓力。

定義計算誤差為

壓力值計算誤差=實測均值壓力-相應時刻計算均值壓力

2.3.2 重構三機甩負荷壓力波形信號

在對三機同時甩負荷信號重構前，需要對三機同時甩負荷的均值壓力進行計算。如上文所述，采用基于特征線法的數值模擬軟件進行計算，可獲得較為準確的均值壓力。由于目前暫未進行三機同時甩負荷試驗，計算暫采用與雙機同時甩負荷相同的邊界條件，包括機組特性曲線、導葉開度、機組出力、調壓室或閘門井初始水位、機組轉動慣量GD2、接力器行程與導葉開度關系、100%接力器行程對應的導葉開度等，進行恒定流和非恒定流計算分析，獲得計算均值壓力。

每一時刻預測均值壓力=相應時刻計算均值壓力+相應時刻計算誤差

每一時刻預測瞬時總壓力=相應時刻預測均值壓力+相應時刻脈動壓力

3 雙機甩負荷驗證計算與分析

3.1 雙機甩75%負荷壓力波信號分解

根據瓊中抽水蓄能電站一管雙機甩75%額定負荷實測數據，對實測壓力波信號采用經驗模態法分解，提取雙機甩75%額定負荷的壓力脈動值以及均值壓力。試驗主要條件：上庫水位565.2 m，下庫水位243.7 m，②、③號機以150.00 MW負荷正常運行時同時突甩全負荷，導葉正常關閉，球閥關閉(不參與調節)。以②號機為例，對雙機同時甩75%額定負荷試驗實測結果(數據采集頻率1 000 Hz)進行經驗模態分析，經由9次EMD分解之后，得到各階IMF以及實測均值壓力，并根據實測總壓力相應計算各時刻的脈動壓力。蝸殼進口實測總壓力、均值壓力以及脈動壓力見圖1；尾水管實測總壓力、均值壓力以及脈動壓力見圖2。

圖1 蝸殼進口實測總壓力、均值壓力對比以及脈動壓力

圖2 尾水管進口實測總壓力、均值壓力對比以及脈動壓力

由圖1、2可知，蝸殼脈動壓力在5～10 s之間達到最大值，脈動壓力幅值范圍為-32.3～30.97 m；尾水管脈動壓力在5 s左右達到最大值，脈動壓力幅值范圍為-26.17～32.94 m，脈動壓力均呈現先增大后減小的趨勢。

3.2 雙機甩100%負荷預測計算與分析

采用現場試驗實際的導葉關閉規律以及邊界條件，按照雙機甩100%額定負荷試驗工況進行一維水力過渡過程計算，得到雙機甩負荷的均值壓力；根據雙機甩75%額定負荷試驗反演分析結果，在過渡過程計算得到的均值壓力基礎上進行計算誤差修正和壓力脈動疊加，得到雙機甩100%額定負荷試驗工況包含壓力脈動的瞬時壓力波形信號。按照上述方法由雙機甩75%額定負荷波形信號預測的雙機甩100%額定負荷波形信號見圖3。

圖3 由雙機甩75%額定負荷預測雙機甩100%額定負荷波形信號

由圖3可以看出，預測總壓力與實測總壓力的總體變化趨勢有較好的重合性，部分時間區域(如甩負荷后的第15 s后蝸殼壓力)存在一定偏差。但對于甩負荷過程中的蝸殼、尾水管的極值壓力的預測較可觀，基本與實測值吻合，蝸殼、尾水管的極值見表1。

表1 雙機甩100%額定負荷預測與實測極值對比

4 三機同時甩負荷預測計算與分析

同樣地，采用現場試驗的實際導葉關閉規律，按照待預測的三機甩100 %額定負荷試驗工況進行一維水力過渡過程計算，得到三機甩負荷的均值壓力；根據已經完成的雙機甩100%額定負荷試驗反演分析結果，在計算得到的均值壓力基礎上進行計算誤差修正和壓力脈動疊加，對三機甩100%額定負荷進行預測，預測的蝸殼、尾水管波形信號以及極值壓力見圖4。對比結果見表2。

圖4 三機甩100%額定負荷預測壓力信號

類別蝸殼進口最大壓力總壓力/m時間/s尾水管進口最小壓力總壓力/m時間/s預測值481.37.273.705.88調節保證設計值≤497.25—≥2—

5 結 語

抽水蓄能電站一般具有較長的引水及尾水系統，因此在機組甩負荷過程中由于水擊現象導致的轉速上升、蝸殼壓力上升以及尾水管壓力下降較常規電站更為突出。隨著國內抽水蓄能發電技術的發展，機組甩負荷試驗被視作一項檢驗機組性能和工程質量的重要手段。但鑒于甩負荷試驗存在一定風險，機組在進行甩負荷試驗前，需要借助可靠的數值計算和分析手段進行逐級甩負荷的驗證與預測，以保證風險可控。

本文通過經驗模態分析法對瓊中抽水蓄能電站②、③號機組的甩負荷試驗進行反演分析，借助雙機甩75%額定負荷試驗，驗證了雙機甩100%額定負荷的蝸殼、尾水管壓力預測波形信號與實測波形信號具有較好的吻合度；并通過提取相應的壓力脈動成分對三機甩100%額定負荷進行預測。通過反演分析表明，三機同時100%額定負荷的蝸殼、尾水管壓力的預測值均滿足原有調節保證設計值的要求。由于本文的反演計算結論基于雙機甩100%額定負荷的計算誤差和脈動壓力修正，存在一定的偏差。若進行三機甩額定100%負荷試驗，建議應分別進行三機甩50%、75%額定的試驗，并根據實測數據進行逐級甩負荷的反演計算，得到更為精準的預測結果。