豐滿水電廠機組低頻自啟動設計研究與應用

王振羽,萬 君,陳伏高

(1.松花江水力發電有限公司豐滿大壩重建工程建設局，吉林 吉林 132013)(2.南瑞集團(國網電力科學研究院)有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著電網的快速發展，電網規模不斷擴大，在“雙碳”背景下，新能源裝機容量快速增長，風電、光伏等發電占比在電網電源端迅速提高。新型電力系統下，水電廠對于新能源發電的消納以及電網的安全穩定有著重要的作用。

為了保證電網頻率的穩定性、安全性、有效性，東北電網要求下屬電廠的所有發電機組均具備低頻自啟動及自動調頻功能。水電廠機組低頻自啟動是檢測到電網頻率低于規定值，自動快速開啟一臺或者數臺水輪機組，并入電網發電，增加全廠負荷出力來實現調整水電廠母線頻率的技術。在保證機組安全運行的條件下，為系統提供可充分利用的有功功率，減少母線頻率的震蕩，提高電網的安全穩定性。

豐滿水電廠始建于1937年，被稱為中國“水電之母”。作為國網公司與新源公司的重要項目，豐滿水電站全面治理(重建)工程是在原大壩下游120 m處新建1座大壩，新建6臺單機20萬kW混流式水輪發電機組，保留原三期工程2臺14萬kW機組，總裝機容量148萬kW，年均發電量17.09億kW·h，以500 kV電壓接入吉林電網。豐滿水電廠作為東北電網調峰調頻最為重要的水電廠，采用低頻自啟動并結合AGC的調頻功能可以進行電廠和電網的有功頻率調整控制，提高電網的頻率穩定水平和電能質量，滿足整體電網的頻率穩定性。豐滿水電廠低頻自啟動功能在電廠計算機監控系統上實現，其計算機監控系統使用南瑞集團有限公司提供的智能一體化平臺IMC系統。電廠低頻自啟動的實現使用了智能一體化平臺IMC系統計算機監控系統的低頻自啟動功能模塊，該模塊是自動發電控制(AGC)自動調頻模式的組成部分，通過廠內靜態試驗、動態試驗實現并驗證豐滿水電廠機組低頻自啟動功能，滿足東北電網關于水電廠機組低頻自啟動功能的要求。

1 需求分析

1.1 校驗功能分析

(1)數據校驗

根據東北電網要求設定低頻自啟動的系統頻率規定值，當采樣系統頻率低于低頻自啟動系統頻率規定值，延時一定的時限，具備低頻自啟動條件。

同時依據豐滿水電廠機組運行工況等約束，全廠總開機機組不超過Nmax臺，同時低頻自啟動的機組不超過Nstart臺。

(2)功能校驗

設置全廠低頻自啟動投入功能軟壓板和每臺機組低頻自啟動投入功能軟壓板，全廠低頻自啟動功能軟壓板投入并且任意1臺或者多臺機組低頻自啟動功能軟壓板投入時，具備低頻自啟動條件。

(3)機組狀態校驗

以機組狀態確定發電機組臺數和正在開機臺數，其中以“機組發電態”為判據確定發電機組臺數，以“機組開機過程中”為判據確定正在開機臺數。

(4)低頻自啟動開機邏輯設計

邏輯判據：“全廠低頻自啟動功能軟壓板投入”且“系統頻率低于低頻自啟動的系統頻率規定值并延時Tdelay秒”且“機組低頻自啟動功能軟壓板投入”且“需要開機臺數小于Nstartmax”。

邏輯輸出：啟動投入低頻自啟動軟壓板的機組并報警系統頻率過低，機組啟動從機組號小到大順序啟動。

1.2 防誤分析

(1)數據可靠性分析

低頻自啟動功能模塊共享計算機監控系統的測量數據，尤其是電網的系統頻率，采集精度應滿足性能指標要求。豐滿水電廠低頻自啟動功能模塊的數據是計算機監控系統與500 kV開關站測控裝置通過IEC 61850通信采集兩段母線頻率Fsys-I與Fsys-II。

(2)安全策略分析

低頻自啟動控制功能模塊應可以檢測母線頻率波動是否有誤，即防母線頻率波動錯誤保護。當前處理方式是檢測到實際母線頻率低于設定的系統頻率規定值延續時限小于Twf時，低頻自啟動不啟動，針對關鍵的數據增加必要的濾波時限約束，過濾掉誤動數據信號。

2 系統設計

2.1 低頻自啟動約束條件

(1)低頻自啟動約束條件

①“機組開機條件滿足”且“機組非開機過程中”且“機組處于停機態”條件滿足。

②全廠低頻自啟動功能壓板軟壓板投入。

③需啟動的機組低頻自啟動功能軟壓板投入。

④實際采樣系統頻率設值或者人工設定試驗用母線頻率Ftest設值小于低頻自啟動的系統頻率規定值Fsys-S(單位Hz)。

注：因實際母線頻率無法達到規定值，故增加試驗用母線頻率設定值參與判據方便試驗。

⑤低頻自啟動機組不超過Nstart臺。

⑥機組啟動順序按照機組號由小到大順序啟動。

⑦全廠開機機組不超過Nmax臺。

(2)低頻自啟動的影響因素

①低頻自啟動機組的同期裝置需調整頻差范圍，低頻自啟動的頻率與實際系統頻率差值能達到ΔFs，豐滿水電廠實際機組的同期合閘頻差ΔFg(0.15 Hz)無法滿足低頻自啟動要求。

ΔFs=Fs-Fsys-S

注：Fs為電網系統頻率，50 Hz，豐滿水電廠低頻限值Fsys-S為49.7 Hz，ΔFs為0.3 Hz。

②低頻自啟動的機組并網后僅是帶了基荷，需要運行人員手動調節實際負荷，亦可投入AGC功能與運行的機組共同承擔全廠有功功率及頻率的調整。

③低頻自啟動機組的順序按照機組號由小到大的停機機組順序，且最多啟動Nstart臺機組。

④綜合考慮各機組有功負荷以及電網頻率的大小，以及機組的最大和最小有功功率的限制。

⑤低頻自啟動判據延時功能設計，以避免采樣頻率抖動而引起的誤啟動，設值延時為Twf。

2.2 控制模式

低頻自啟動功能模塊根據計算機監控系統的數據對象中的條件運算出實際頻率與試驗用低頻定值設值的邏輯關系，按照控制策略合理對每臺停機機組進行低頻自啟動，通過開機且調節已開發電機有功出力來增加實際母線頻率，達到全廠目標控制值，實現全廠多機組的頻率有功自動控制。

豐滿水電廠低頻自啟動根據實際母線頻率與低頻自啟動的頻率，按照實際母線頻率比低頻自啟動的頻率低且持續保持Twf后自動開啟不超過2臺滿足條件的停機狀態的機組；然后可以自動或者人工設置分配每臺機組有功功率，通過增加發電機有功出力，以提高系統頻率。

低頻自啟動原則上應采用全廠與機組混合控制模式，可以控制2臺機組。低頻自啟動工作方式還可由運行人員在低頻自啟動控制畫面上選擇。

(1)全廠低頻自啟動投入/退出

全廠低頻自啟動投入或退出，如全廠投入低頻功能軟壓板未投入，即全廠低頻自啟動功能退出，則機組無法進行低頻自啟動開機。

(2)機組低頻自啟動投入/退出

機組低頻自啟動投入或退出，如無機組低頻功能軟壓板未投入，即機組不參與低頻自啟動開機，則機組無法進行低頻自啟動開機。只有投入機組低頻自啟動，對應的機組才可以參與低頻自啟動邏輯。

(3)試驗用母線頻率設值/試驗用低頻定值設值

兩個給定值都可以由運行人員通過畫面設定，當試驗用母線頻率設值或實際母線頻率低于試驗用低頻定值設值并保持Twf；低頻自啟動功能模塊自動開啟機組，開啟機組按照機組號由小到大的順序，開啟不超過2臺滿足條件的停機機組。

2.3 標準IO接口設計

低頻自啟動程序模塊的運行需要上述多個參數的輸入，綜合驗算后輸出開機并網令至相應的機組，在程序模塊設計之初考慮到普適應應用的場景，設計多個標準的輸入參數供調試人員配置。

低頻自啟動程序模塊過程驗算數據以及輸出結果在引出，作為自動發電控制(AGC)的輸入數據，可以有效、可靠地使用自動發電控制(AGC)的自動調頻功能。

輸出的參數需要安全可靠，因此低頻自啟動程序模塊核心驗算模塊的安全閉鎖邏輯，除上述邏輯分析外，還需結合電廠實際運行工況做綜合性考慮。

3 系統應用

豐滿水電廠智能一體化IMC系統平臺計算機監控系統部署2臺通訊服務器，并配置專門通信網口通過專用的數據網絡通道，采用IEC 61850規約用于500 kV開關站測控裝置進行數據采集，其中包括系統頻率的數據信息。考慮到低頻自啟動功能模塊的穩定性和可靠性，采集的母線頻率并非單一值，而是取兩段母線頻率測值進行綜合運算從而得出一個可靠的頻率測值，防止單一測量源故障導致數據錯誤的發生。

豐滿水電廠運行人員通過畫面下發的試驗用母線頻率設值和試驗用低頻定值設值，低頻自啟動功能模塊經過運算后，輸出是否有機組參與低頻自啟動。如果有機組參與低頻自啟動且條件滿足，則通過計算機監控系統下發機組發電令至相應機組LCU，接收到該機組啟動指令的LCU通過PLC程序中相應開機程序執行發電令，開機至并網(見圖1)。

圖1 豐滿水電廠低頻自啟動及AGC數據流示意

豐滿水電廠低頻自啟動試驗于2020年9月完成，通過試驗，可以確認現有的低頻自啟動程序可以高效快速地實現控制機組開機帶基礎負荷，以達到調節電廠母線頻率的目的；同時為低頻自啟動程序增加必要的安全閉鎖條件，可以為低頻自啟動程序的運行提供必要的安全保障，提高了低頻自啟動運行的可靠性。

4 結 語

本文具體闡述了豐滿水電廠低頻自啟動功能的設計方法，以及為保證機組安全可靠啟動增加了必要的安全閉鎖條件，驗證了可在常規水電廠推廣使用的低頻自啟動功能模塊，配合水電廠計算機監控系統自動發電控制(AGC)功能應用中的自動調頻模塊更能充分發揮水電廠調頻功能，可滿足電網中調頻水電廠的運行需求。

豐滿水電廠低頻自啟動功能的實現在實際試驗驗證中還存在部分需改進之處，后續將結合電廠的實際運行工況增加完善安全閉鎖條件、聲光電報警功能等；同時進一步規范低頻自啟動功能模塊的入口參數、出口參數以及完善規范邏輯校驗功能，將繼續研究該功能模塊作為自動發電控制(AGC)一部分的可行性。

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