AGC運行時一種保生態(tài)下泄流量功能設計與實現

邱 華，郭 亮，王樂寧，解旭柯

(1.國電大渡河猴子巖水電建設有限公司，四川 康定 626000；2.國網四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著水電行業(yè)整體的環(huán)保意識提升，水電行業(yè)對環(huán)保要求落實越來越細致、越來越具體，需要建立生態(tài)流量保障長效機制，其中四川省已要求限期實現生態(tài)流量實時監(jiān)控[1]，迫切需要水電站綜合考慮泄洪、發(fā)電情況，確保電站下泄流量滿足生態(tài)最低流量要求。目前關于水電站生態(tài)流量的有關研究與實踐主要集中在最低生態(tài)流量的影響要素[2]及保障值推求[3-8]、保障生態(tài)流量下的宏觀水庫調度與經濟調度[9-14]、生態(tài)流量監(jiān)測與評估[15-16]，而對于如何通過實際的自動化控制手段，實現生態(tài)流量實時精準自動保證方面的研究甚少。

猴子巖水電站位于四川省甘孜州康定市境內的大渡河干流，裝設4臺單機425 MW的混流機組，全站有功負荷經康定變電站、甘谷地變電站、蜀州變電站送至成都，送出通道嚴重受限[17]。在如此環(huán)境下迫切需要猴子巖水電站更加注重經濟效益，這實質上對水電站落實保生態(tài)下泄的環(huán)保要求構成了一定威脅。目前大渡河流域干流已投電站均已實現遠方集控，猴子巖水電站自動發(fā)電控制(actomatic generation control,AGC)子站的功能操作、運行監(jiān)視均已實現流域生產指揮中心遠程操控，電調水調趨向無人化給生態(tài)流量實時精準保障帶來了新的困難。同時，猴子巖水電站選用的是北京國電智深控制技術有限公司的EDPF NT Plus計算機監(jiān)控系統(tǒng)，在此平臺上開發(fā)了AGC功能，通過接收省調AGC主站下發(fā)的全站有功目標給定指令，實時分配和調節(jié)機組的有功出力，使全站有功出力與省調AGC主站的目標給定一致。猴子巖水電站AGC子站投運后，電站有功出力受電網AGC主站實時控制，這些同時為生態(tài)下泄流量的精準控制提供了很好的基礎，使得本設計具有可行性。

考慮目前稍具規(guī)模的水電站均具備AGC的自動有功負荷控制功能，下面擬利用水電站AGC子站功能，配套相應的輔助設計，實現電站AGC子站在自動運行的同時自動實時保障生態(tài)下泄流量，為解決水電站生態(tài)流量實時精準保障難題提供了一個可行的方案。

1 基本功能設計

電站保障生態(tài)流量主要發(fā)生在平枯水季節(jié)，此季節(jié)水電站下泄流量主要通過機組發(fā)電下泄流量來實現生態(tài)流量保障。所提方案結合猴子巖水電站的實際情況，擬通過擬合機組負荷-水頭-流量(power-head-quantity of flow,PHQ)曲線，通過計算機程序自動查找在不同水頭下水電站全站機組下泄流量不低于生態(tài)保障流量時全站機組最低有功負荷；并通過分析，將全站機組最低有功負荷控制值近似為單機最低有功負荷控制值，此值結合單機禁運區(qū)后形成新的單機禁運區(qū)。計算機監(jiān)控系統(tǒng)以此自動計算得到新的全站等值禁運區(qū)，并將新全站等值禁運區(qū)作為AGC的控制條件。同時將此新的全站等值禁運區(qū)上送調度，確保調度機構下發(fā)的有功負荷調令在此全站等值禁運區(qū)之外，從而實現電站AGC子站正常運行時生態(tài)下泄流量的實時精準保障功能。

1.1 生態(tài)流量計算控制范圍的選擇

對一般水電站(從經濟運行的角度，一般不設置專門的生態(tài)泄流)而言，電站下泄流量主要包括發(fā)電下泄流量(含非并網機組泄水)、電站泄洪棄水和其他泄水(如船閘、魚道、消防及生活用水、電站各部漏排水等)3部分。

猴子巖水電站地處大渡河上游康定市境內，未設置魚道、船閘等特殊泄水設施；電站技術供水雖采用壓力鋼管取水，但其泄水量占機組發(fā)電泄水量比例很小，在此忽略不計。電站汛期雨量充沛，但因送出受康甘斷面制約，多數情況下有功負荷無法全額送出且需要啟用溢流設施泄洪，此時基本無下泄流量不滿足生態(tài)最低下泄流量的情形。來水偏枯時，由于上游來水不足及電網電力調度實時負荷分配的原因，尤其在枯期夜間低負荷時間段，易發(fā)生全站有功出力低導致總下泄流量不滿足生態(tài)最小流量需求的情況。因此，猴子巖水電站保生態(tài)流量功能設計時，僅考慮來水偏枯時通過機組發(fā)電下泄流量保障電站生態(tài)最低下泄流量。

1.2 PHQ控制取值函數的確定

對照機組流量特性曲線，分別建立以下兩個取值函數：

1)水頭-單機流量的近似關系函數

Q=f1(H)

(1)

2)流量-單機有功出力的近似關系函數

P=f2(Q)

(2)

式中：H為機組水頭；Q為流量；P為H水頭需要下泄流量為Q時的有功功率；y=f(x)為線性插值函數(猴子巖計算機監(jiān)控系統(tǒng)上位機控制邏輯可直接調用)。

機組轉速兩路95%Ne(Ne為額定轉速)和機組導葉空載以上開關量信號同時動作，則判定該機組為“運行機組”，并計“運行機組”數量為n(n=1,2,3,4)。經查詢機組流量特性曲線可知，同一水頭下，在機組低負荷段，機組所帶負荷越高，效率越高，即多臺機同時并網運行時的總下泄流量必定大于將負荷全部集中于盡可能少的機組上而其他機組空載或承載盡可能少有功負荷時的全站機組總下泄流量，即

(3)

式中：i、j分別為并網機組順序號；Qi為全站負荷由各并網機組隨機分配時的各機組發(fā)電流量；Qj為將全站負荷集中到少數機組，其他機組空載或承載盡可能少的有功負荷時的各機組發(fā)電流量。

考慮到多數情況下，水電站保生態(tài)最低下泄流量在單臺機組滿負荷時即可實現，由此可將流量-全站多機有功出力的近似關系表達為

P多機≤f2(Q多機-(n-1)Q空載機組)

(4)

在計算全站出力下限時，以最低生態(tài)流量保證值Q最低為基礎扣減(n-1)Q空載機組，即

P最低=f2(Q最低-(n-1)Q空載機組)

(5)

結合式(1),知

P最低=f2[f1最低(H)-(n-1)f1空載機組(H)]

(6)

1.3 基于AGC實現生態(tài)流量控制的可行性

目前四川省調AGC主站采集了猴子巖水電站AGC子站的單機禁運區(qū)、單機可調上限、全站等值禁運區(qū)；在當前省調AGC主站向電站AGC子站下發(fā)總有功負荷指令時，只考慮躲過電站AGC子站全站等值禁運區(qū)，并不超過全站最大出力上限(由各機組單機可調上限累加而得)。因此，本設計將計算得到的全站保生態(tài)流量的實發(fā)有功最低出力P最低用于全站等值禁運區(qū)二次計算，以達到避免省調AGC主站在投入自動運行時向猴子巖水電站AGC子站下達不滿足最低生態(tài)下泄流量下的全站有功負荷調節(jié)目標值。目前猴子巖上送省調AGC主站的全站等值禁運區(qū)有3段，分別記為[P1低，P1高]、[P2低，P2高]、[P3低，P3高]，則新的等值禁運區(qū)上送策略詳見表1。

表1 等值禁運區(qū)上送策略

此種設計下，無需修改省調AGC主站下令控制邏輯，無需修改電站AGC子站分配和閉鎖策略，具有修改內容相對較小、程序實施安全風險較小、調試簡單安全等優(yōu)點。此外，若水電站所在上級調度同意，可將保生態(tài)流量最低電站出力與全站可調范圍相結合，這樣更便于AGC程序設計。

2 適應性功能優(yōu)化

2.1 近似單機負荷控制

在多臺機組并網運行(滿足電網旋轉備用要求)時，為降低機組耗水率、提高電站運行經濟性，一般應盡量少的機組并網參與運行。

相關機構要求猴子巖全站下泄流量的生態(tài)保證值為160～180 m3/s，猴子巖單機空載流量最大約42.3 m3/s，單機滿負荷時最大流量可高達360 m3/s(最高水頭時單機最大下泄流量也高達310 m3/s)，為滿足全站下泄流量不低于最低下泄流量生態(tài)保證值要求，理論上只需1臺機組并網運行即可。同時，猴子巖水電站實際運行中，若全站出力較低時，即使保持旋轉備用，最多也只有2臺機組并網投入AGC運行，即：

P多機≈P雙機≈P負載機組+P空載機組

(7)

Q多機≈Q雙機≈Q負載機組+Q空載機組≥Q最低

(8)

由于雙機或多機運行情況下進行停機操作，需考慮不同機組數量下機組空載流量對總流量計算的影響，減少機組運行數量后，全站最低負荷應相應提高，方可滿足生態(tài)流量需要。為避免在全站低負荷時需要向調度申請增加全站出力來進行停機操作的問題，可全部按照單機流量保證最低生態(tài)流量方式進行設計。

由此可見，猴子巖保生態(tài)最低下泄流量要求可轉化為確保至少1臺機組發(fā)電下泄流量不低于生態(tài)流量保證要求即可，而機組發(fā)電下泄流量與機組有功負荷出力直接相關，水電站保生態(tài)流量控制問題可轉化為單機保電站最低發(fā)電負荷控制問題，即近似通過確定單臺機組最低有功負荷，并將其提供給AGC程序進行控制即可。即令n=1，得

P最低≈f2(Q最低)=f2[f1最低(H)]

(9)

這可進一步驗證前述第1.2節(jié)在對全站功能設計時采取單機方式近似的可行性。在猴子巖水電站功能部署時，設置了空載機組流量扣減功能投退壓板；當無需進行流量精確控制且方便運行操作人員進行負荷人工調節(jié)時，不投入該壓板。

2.2 設置汛枯期切換功能

通過設置“汛/枯切換”虛擬投切開關，只當投切開關狀態(tài)在“枯期”時投入保生態(tài)流量的功能。當電站AGC子站投入省調閉環(huán)控制時，電站直接接受省調AGC主站指令進行全站有功調節(jié)；當電站AGC子站投入集控中心或電站站內閉環(huán)控制時，均由人工進行全站有功負荷調節(jié)，可不考慮人工調節(jié)下全站總負荷仍不滿足最低生態(tài)流量的情形。同時，該按鈕切至“汛期”也可作為枯期期間的特殊運行方式，P最低可作為人工操作的最低指導值；該切換操作受“AGC功能省調控制權”和“全站AGC閉環(huán)狀態(tài)”解閉鎖，即當且只當電站AGC子站投入省調閉環(huán)控制時，才允許進行切枯期操作，枯期切汛期不受此影響。

此外，部分水電站存在間歇性泄水情況，若頻繁進行“汛/枯切換”虛擬投切開關操作，將增加運行人員操作負擔，為此，可基于溢流曲線建立閘門溢流取值Q溢流的取值模型，并在P最低計算時扣減閘門泄洪流量。

P最低=f2[f1最低(H)-(n-1)f1空載機組(H)-Q溢流]

(10)

2.3 NHQ曲線取值近似處理

猴子巖水電站在以上函數取值時，充分考慮現場實際，作如下優(yōu)化處理：

1)充分考慮到猴子巖水電站機組尾水波動相對機組水頭H較小，可用下游平均水位替代下游水位實時值。有鑒于此，在AGC程序設計時，可采用水電站上游水位替代機組水頭H進行流量特性曲線讀取,水電站上游水位值取自AGC程序中經自動水位和人工水位切換后的高穩(wěn)定性的計算結果。這也是避免機組尾水位實時波動易引起AGC誤控的可行做法，可廣泛運用于高水頭電站AGC程序設計中。

2)充分考慮到猴子巖機組水頭變化區(qū)間高達近40 m(庫水位波動區(qū)間為1802～1842 m)、機組額定最高流量約達360 m3/s的實際情況，對水頭-流量-有功相關參數進行合理取樣。

2.4 設置P最低的偏差校準基值ΔP

為確保計算獲取的最低有功值P全站最低滿足生態(tài)最低下泄流量要求，可設置功率正偏差補償ΔP環(huán)節(jié)，即：

P最低=f2[f1最低(H)-(n-1)f1空載機組(H)-Q溢流]+ΔP

(11)

其中，ΔP≥0，可根據運行效果評估修正。

2.5 設置相應死區(qū)

為避免上送省調AGC主站數據因水位波動而頻繁跳變，可在計算關鍵環(huán)節(jié)合理設置傳遞死區(qū)，猴子巖水電站選擇在P最低輸出處設置死區(qū)。

2.6 無人值班、遠方集控適應性優(yōu)化

為適應遠方集控的生產管理模式，一是設置汛枯期狀態(tài)集控遠方操作切換令接收功能，該命令生效受“電站AGC子站控制權在集控中心”解閉鎖；二是為持續(xù)監(jiān)測該功能運行情況，設置了自動告警功能，若檢測到有新AGC調令下發(fā)且不滿足保生態(tài)最低下泄流量要求，則該計算結果應在調令下發(fā)時間T1后生效；當全站實發(fā)有功出力低于P最低時，告警信息發(fā)送簡報并發(fā)二級異常ON-CALL(告警信息接收人為電站現場應急指揮人員)；當告警持續(xù)超過時間T2，則發(fā)二級故障ON-CALL(告警信息接收人為電站現場應急指揮人員和生產管理人員)，同時該二級故障信息送生產指揮中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)。

為適應無人值班的生產管理模式，將功能軟壓板投退狀態(tài)顯示、汛枯期切換狀態(tài)顯示、最低生態(tài)下泄流量保證值的設置與顯示、功率正偏差補償的設置與顯示、計算獲取的全站最低有功出力、ON-CALL報警檢測時間窗大小等配置到AGC控制參數頁面，方便運行人員操作與監(jiān)視。

3 測試與結果分析

按以上設計要求完成了現場實施后，猴子巖水電站對計算機監(jiān)控系統(tǒng)AGC自動運行時保生態(tài)下泄流量功能進行了充分的開環(huán)測試，包括近遠程功能切換與投退測試、定值設置測試、水頭取樣調整測試、模擬量故障模擬測試以及機組開停機測試。結果證明該功能的可靠性、有效性和正確性均完全滿足設計要求。經電站現地控制和四川省調遠方控制經驗表明，猴子巖AGC的該功能性能良好。隨機選取2020年2月8日01:00到01:30共30 min時段的AGC調節(jié)情況，人工分析和程序實時計算分析的對比情況如表2、表3所示。

從表2可以看出：在當前水位下，運行結果符合預期，該功能投入后，四川省調AGC下令不再落入所計算的最低負荷要求以下，較好地實現了全站下泄流量滿足生態(tài)最低保障流量的要求，同時對AGC的其他性能沒有不良影響。

表2 上庫水位1 829.86 m時P值計算與下令情況片段 單位:MW

從表3可以看出：根據歷史數據，在枯水期、豐水期時相同水位下，截取省調調令最小值時附近范圍內的調令，根據比對上送省調的禁運區(qū)，在枯水期時調令值均滿足保證下泄流量的最低負荷要求，因此功能滿足當前設計要求。

表3 上庫水位1 835.6 m時P值計算與下令情況片段 單位:MW

4 結 語

針對AGC功能投運時水電站河道生態(tài)流量保障難以控制的問題提供了一個全新的可行的解決方案，具有一定的普遍使用性。猴子巖水電站實踐適應大渡河公司的遠方集控和水電智能化發(fā)展的需要，以及智慧電廠建設要求，同時受到上級調度的有關限制，在如何實現其他水電站的同樣功能的設計時，還需要相應水電站企業(yè)針對自身實際情況進行適當優(yōu)化調整。