考慮調(diào)壓井容量閉鎖的自動(dòng)發(fā)電控制控制策略及實(shí)現(xiàn)

朱 華，李 麗

(江蘇蘇美達(dá)集團(tuán)有限公司，江蘇 南京 210018)

0 概 述

天生橋二級(jí)(壩索)水電站位于廣西隆林縣與貴州安龍縣交界處的南盤(pán)江上，為一長(zhǎng)隧洞引水式電站。設(shè)計(jì)水頭為176 m，總裝機(jī)容量132萬(wàn)kW。3條引水隧洞分別下接3個(gè)各自獨(dú)立的調(diào)壓井，每個(gè)調(diào)壓井分岔各下接兩條高壓管道[1]，分別連接至2臺(tái)機(jī)組。調(diào)壓井為帶上室的差動(dòng)式圓形調(diào)壓井，明挖后邊坡高120 m。調(diào)壓井內(nèi)徑為21 m，井頂?shù)母叱虨?80 m，井深88 m，頂部669 m高程設(shè)溢流堰。高壓管道管徑為5.7 m，采用“L”形布置，每條平均長(zhǎng)590 m，末端從5.7 m漸變?yōu)? m、最后漸變?yōu)?.2 m的錐管與廠房蝴蝶閥相連[2]。

在水電站運(yùn)行過(guò)程中，為保護(hù)調(diào)壓井安全，防止坍塌，會(huì)對(duì)處于同一調(diào)壓井的機(jī)組作相應(yīng)限制，如不能同時(shí)增有功功率等[3]。

1 考慮調(diào)壓井閉鎖的自動(dòng)發(fā)電控制

水電站引水發(fā)電系統(tǒng)是由管道、明渠和上游水庫(kù)、下游水庫(kù)、機(jī)組、調(diào)壓井、串點(diǎn)、岔點(diǎn)、閘門(mén)等組成的一個(gè)復(fù)雜的管網(wǎng)結(jié)構(gòu)。調(diào)壓井中會(huì)產(chǎn)生涌浪水位和水波反射，涌浪水位和水波反射的衰減程度決定了調(diào)壓井允許有多少可調(diào)節(jié)余量[4-5]，而涌浪水位和水波反射不容易測(cè)量。從安全考慮，對(duì)幅度不同的功率調(diào)節(jié)，自動(dòng)發(fā)電控制一般固定等待不同長(zhǎng)度的平壓時(shí)間后，才允許下一次調(diào)節(jié)指令。這樣雖然解決了機(jī)組的安全性問(wèn)題，但卻使水電站的有功功率調(diào)節(jié)不能連續(xù)地響應(yīng)上級(jí)調(diào)度指令，不能滿足電網(wǎng)對(duì)水電站自動(dòng)發(fā)電控制的要求。

現(xiàn)有自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)未能考慮調(diào)壓井的影響，尤其是一個(gè)調(diào)壓井帶多臺(tái)機(jī)組造成的影響，因此長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)對(duì)機(jī)組和調(diào)壓井的安全運(yùn)行造成影響。

基于以上問(wèn)題，提出一種策略，即在保證安全的前提下，實(shí)時(shí)計(jì)算調(diào)壓井內(nèi)機(jī)組可以開(kāi)放的調(diào)節(jié)容量，從而可以連續(xù)地響應(yīng)上級(jí)調(diào)度指令。該算法充分利用設(shè)計(jì)院和相關(guān)資料給出的預(yù)估平壓時(shí)間[6]，將固定的平壓時(shí)間轉(zhuǎn)換成調(diào)壓井閉鎖容量，實(shí)時(shí)計(jì)算每一次有功調(diào)節(jié)在一定時(shí)間后調(diào)壓井閉鎖容量的累加和，然后基于各調(diào)壓井閉鎖容量累加和進(jìn)行水電站可運(yùn)行區(qū)間(避開(kāi)振動(dòng)區(qū)和汽蝕區(qū))計(jì)算，然后依據(jù)可運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行負(fù)荷分配。調(diào)壓井閉鎖容量是隨時(shí)間連續(xù)變化的衰減量，可使水電站連續(xù)地響應(yīng)上級(jí)調(diào)度指令，從而滿足電網(wǎng)對(duì)水電站自動(dòng)發(fā)電控制連續(xù)調(diào)節(jié)的要求。

考慮到水電機(jī)組還存在振動(dòng)區(qū)[7]，需盡量避免機(jī)組在此區(qū)間運(yùn)行，因此還要將調(diào)壓井的閉鎖容量策略與機(jī)組跨越振動(dòng)區(qū)、避開(kāi)振動(dòng)區(qū)負(fù)荷分配[8]進(jìn)行綜合考慮。即對(duì)于有調(diào)壓井閉鎖容量限制的機(jī)組來(lái)說(shuō)，不僅僅要考慮常規(guī)水電機(jī)組的避開(kāi)振動(dòng)區(qū)控制策略，還要將閉鎖容量與調(diào)壓井內(nèi)機(jī)組振動(dòng)區(qū)結(jié)合，計(jì)算出全廠不可運(yùn)行區(qū)，反饋給調(diào)度EMS系統(tǒng)，讓調(diào)度指令直接落在全廠可運(yùn)行區(qū)間。另外，考慮到調(diào)度調(diào)節(jié)指令的連續(xù)性，每一次執(zhí)行調(diào)度指令均會(huì)導(dǎo)致機(jī)組閉鎖容量發(fā)生變化，緊接著全廠不可運(yùn)行區(qū)間隨之變化，反饋給調(diào)度的全廠可運(yùn)行區(qū)間也會(huì)發(fā)生變化[9]?？偠灾@是一個(gè)動(dòng)態(tài)交互的過(guò)程。常規(guī)水電機(jī)組的振動(dòng)區(qū)范圍僅僅是隨水頭變化，這樣全廠可運(yùn)行區(qū)間不會(huì)跟隨調(diào)度指令變化，而水頭短時(shí)間內(nèi)不會(huì)有太大變化，所以常規(guī)水電機(jī)組的AGC控制是一個(gè)靜態(tài)的模式切換和負(fù)荷分配[8]；而考慮調(diào)壓井閉鎖容量的水電機(jī)組，其全廠可運(yùn)行區(qū)是隨著調(diào)度功率調(diào)節(jié)指令的頻繁度和幅值逐漸變化，調(diào)度功率調(diào)節(jié)指令越頻繁，幅值越大，則全廠可運(yùn)行區(qū)間越窄。

本文設(shè)計(jì)的基于調(diào)壓井容量閉鎖的自動(dòng)發(fā)電控制，可在保護(hù)調(diào)壓井的前提下，不采用固定平壓時(shí)間的方式，即一次調(diào)節(jié)后固定等待一段時(shí)間(比如20 min)才能響應(yīng)下一次調(diào)節(jié)指令，這樣能連續(xù)有效地響應(yīng)上級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)的有功負(fù)荷要求。圖1為算法邏輯示意。

圖1 算法邏輯

2 控制策略及實(shí)現(xiàn)

2.1 幾個(gè)概念

(1)平壓等待時(shí)間。水電站機(jī)組運(yùn)行會(huì)受很多因素的限制，故必須對(duì)機(jī)組的運(yùn)行加以限制，為保護(hù)調(diào)壓井運(yùn)行安全，采用保守策略，在某一次功率調(diào)節(jié)后，固定等待一定時(shí)間后才允許下一次功率調(diào)節(jié)，這個(gè)等待時(shí)間就是平壓等待時(shí)間。

(2)調(diào)壓井閉鎖容量。將調(diào)壓井內(nèi)機(jī)組某一次功率調(diào)節(jié)對(duì)調(diào)壓井的影響估算成機(jī)組可調(diào)節(jié)容量的縮減，是一個(gè)隨時(shí)間逐步衰減到0的應(yīng)變量。

(3)能耗比。在某一次功率調(diào)節(jié)過(guò)程中，全廠各機(jī)組功率變化值絕對(duì)值的累加和與全廠功率變化絕對(duì)值的比值，表示本次功率調(diào)節(jié)的代價(jià)。

2.2 計(jì)算模塊

本文提出的基于調(diào)壓井容量閉鎖的自動(dòng)發(fā)電控制連續(xù)控制所采用的控制策略如下：

首先計(jì)算某一時(shí)刻前面最大固定平壓時(shí)間T內(nèi)調(diào)壓井所有有功功率調(diào)節(jié)指令產(chǎn)生的閉鎖容量累加和。許可調(diào)節(jié)容量為當(dāng)前實(shí)發(fā)考慮調(diào)壓井安全的可調(diào)區(qū)間和機(jī)組實(shí)際可運(yùn)行區(qū)組合產(chǎn)生的可調(diào)節(jié)區(qū)間兩者間取“保守”可調(diào)區(qū)間。t1時(shí)刻的調(diào)節(jié)指令到t2時(shí)刻開(kāi)放的井內(nèi)可調(diào)容量Pktdl(當(dāng)量值)具體計(jì)算方法為

(1)

井內(nèi)可調(diào)容量Pktdl轉(zhuǎn)換成保守實(shí)際可調(diào)容量Pkt，公式為

Pkt=Pktdl/Kn

(2)

對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的可調(diào)容量計(jì)算，是按照前面所有指令算出的閉鎖容量(當(dāng)量)進(jìn)行線性疊加，得出總的閉鎖容量(當(dāng)量)和可調(diào)容量(當(dāng)量)，而后再依據(jù)式(2)得出保守可調(diào)容量∑Pkt。

任何一次調(diào)節(jié)，均從調(diào)速器真正收到調(diào)節(jié)指令并成功反饋給AGC軟件時(shí)才開(kāi)始計(jì)算，且每一次調(diào)節(jié)所產(chǎn)生的閉鎖容量均在固定平壓時(shí)間T時(shí)間內(nèi)完全開(kāi)放，過(guò)程中是時(shí)間的線性函數(shù)。多次調(diào)節(jié)的閉鎖容量變化采用線性疊加的方式累計(jì)，即某時(shí)刻調(diào)壓井的閉鎖容量為前面過(guò)去T時(shí)間內(nèi)所有調(diào)節(jié)指令累加和。算出閉鎖容量累加和后，又得出當(dāng)前調(diào)壓井的可調(diào)容量當(dāng)量，再用當(dāng)前機(jī)組實(shí)發(fā)算出可能達(dá)到的最大井內(nèi)功率，進(jìn)而得出當(dāng)量系數(shù)，用此當(dāng)量系數(shù)得到調(diào)壓井實(shí)際可調(diào)容量。如果調(diào)壓井內(nèi)無(wú)機(jī)組參加AGC，則調(diào)壓井可調(diào)容量顯示值強(qiáng)制賦值為0，但程序內(nèi)部同時(shí)仍在進(jìn)行計(jì)算，只是不顯示。當(dāng)調(diào)速器實(shí)際給定功率發(fā)生變化時(shí)，計(jì)算此次指令造成的閉鎖容量。給出確認(rèn)執(zhí)行令(維持一個(gè)AGC控制周期4 s，在此4 s內(nèi)不執(zhí)行新設(shè)定值)，使調(diào)速器有充足時(shí)間執(zhí)行設(shè)定值。

由單個(gè)調(diào)壓井可調(diào)容量，以及屬于此調(diào)壓井機(jī)組的振動(dòng)區(qū)，采用區(qū)間合并得出此調(diào)壓井有功功率可運(yùn)行區(qū)間。為便于程序?qū)崿F(xiàn)，全廠可運(yùn)行區(qū)間按照分層計(jì)算，首先按照井內(nèi)機(jī)組的振動(dòng)區(qū)和AGC投入狀態(tài)，算出井內(nèi)“聯(lián)合振動(dòng)區(qū)”和可調(diào)區(qū)間，然后按式(1)、(2)的算法用閉鎖容量進(jìn)行修正，得出井內(nèi)可調(diào)區(qū)間和不可運(yùn)行區(qū)，再對(duì)各調(diào)壓井進(jìn)行組合計(jì)算得出全廠可調(diào)容量和不可運(yùn)行區(qū)。先計(jì)算出單機(jī)的可運(yùn)行區(qū)間，再計(jì)算調(diào)壓井機(jī)組組合的可運(yùn)行區(qū)間，最后組合計(jì)算出全廠的可運(yùn)行區(qū)間。

基于調(diào)壓井可運(yùn)行區(qū)間采用區(qū)間合并方法得出初步的全廠有功功率可運(yùn)行區(qū)間。對(duì)全廠有功功率可運(yùn)行區(qū)間每一個(gè)功率設(shè)值點(diǎn)均進(jìn)行反校驗(yàn)，剔除會(huì)造成負(fù)荷波動(dòng)過(guò)大的“不良”功率設(shè)值點(diǎn)，得到最終分配結(jié)果優(yōu)良的全廠有功功率可運(yùn)行區(qū)間并上送給上級(jí)調(diào)度機(jī)構(gòu)。

在采用區(qū)間合并方法計(jì)算出的全廠可運(yùn)行區(qū)間，為保證每個(gè)負(fù)荷設(shè)定點(diǎn)均能合法運(yùn)行，對(duì)每個(gè)設(shè)定值均下發(fā)測(cè)試一次，不會(huì)使機(jī)組運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)，也不會(huì)造成機(jī)組間、調(diào)壓井間負(fù)荷大幅度波動(dòng)的分配方案才保留為合法運(yùn)行設(shè)定點(diǎn)，然后依據(jù)校核結(jié)果再對(duì)全廠可運(yùn)行區(qū)間進(jìn)行修正。

2.3 分配模塊

電廠自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)接收(來(lái)源于電站中控室或調(diào)度機(jī)構(gòu))到功率設(shè)定值，判斷此設(shè)定值是否處于優(yōu)良的全廠有功功率可運(yùn)行區(qū)間，如果不屬于則直接判斷為非法指令，不執(zhí)行；如屬于則為有效指令，進(jìn)入下一步。得到有效功率設(shè)定值指令后，首先以調(diào)壓井為單位進(jìn)行負(fù)荷分配。再在調(diào)壓井內(nèi)的機(jī)組間按照穿越振動(dòng)區(qū)最少、造成負(fù)荷波動(dòng)最小的原則進(jìn)行負(fù)荷分配，并以動(dòng)態(tài)優(yōu)化方法進(jìn)行尋優(yōu)，得到多個(gè)負(fù)荷分配方案。

設(shè)全廠機(jī)組總臺(tái)數(shù)為Gen_Num，發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)Run_No，投入AGC機(jī)組臺(tái)數(shù)Agc_No，全廠設(shè)定值Pset，單機(jī)當(dāng)前實(shí)發(fā)值Gen_P[Gen_Num]，單機(jī)優(yōu)化設(shè)定值Gset[Gen_Num]，本次優(yōu)化方案的代價(jià)(能耗、負(fù)荷波動(dòng))J_wave[Gen_Num][Pmax]，列出狀態(tài)方程。投入n臺(tái)機(jī)組，設(shè)定值為Pset時(shí)的狀態(tài)方程為

J_wave[n][Pset]=
(Gset[n]-GenP[n])×(Gset[n]-GenP[n])+
J_wave[n-1][Pset-Gset[n]]

(3)

對(duì)Gset[n]作一次循環(huán)找到J_wave取最小值，即可得到n臺(tái)機(jī)組的最優(yōu)設(shè)定值Gset[n]。

這里要提到AGC調(diào)節(jié)能耗比的概念，由于尋優(yōu)過(guò)程中只能按照負(fù)荷波動(dòng)過(guò)小的找到最優(yōu)解，但不能保證這樣找到的解是否真正合理，于是引入能耗比ξ的概念。

(4)

式中，Pi為i號(hào)機(jī)組的調(diào)整前功率值；Piagc為i號(hào)機(jī)組本次AGC設(shè)定值；P為全廠的調(diào)整前功率值；Pagc為全廠本次AGC設(shè)定值。

在尋優(yōu)過(guò)程中，設(shè)定ξmax的定值，一旦尋優(yōu)方案的能耗比超過(guò)ξmax則判定此方案不合理，不采用，轉(zhuǎn)而采用下一個(gè)分配方案。針對(duì)所有負(fù)荷分配方案，按照負(fù)荷波動(dòng)最小(能耗比最小)的原則進(jìn)行甑選，得出唯一的負(fù)荷分配方案。

此設(shè)定值按照可調(diào)容量分配到各調(diào)壓井，形成N個(gè)分配方案，剔除負(fù)荷波動(dòng)過(guò)大的方案后剩下M(M≤N)個(gè)方案，再在調(diào)壓井內(nèi)按照井內(nèi)AGC投入/退出狀態(tài)按造成負(fù)荷波動(dòng)最小的原則分配到各臺(tái)機(jī)組，同時(shí)也剔除造成負(fù)荷波動(dòng)過(guò)大或會(huì)造成井內(nèi)兩臺(tái)機(jī)組同時(shí)跨越振動(dòng)區(qū)的方案，最后得到L種機(jī)組間負(fù)荷分配方案，最后在這L種方案中，再按照全廠機(jī)組間負(fù)荷波動(dòng)最小的原則找到最優(yōu)解下發(fā)給PLC執(zhí)行。

得到最終分配方案后，發(fā)送功率設(shè)值消息至各臺(tái)機(jī)組，驅(qū)動(dòng)調(diào)速器導(dǎo)葉動(dòng)作，機(jī)組有功功率產(chǎn)生變化。

2.4 分配校核

實(shí)現(xiàn)基于調(diào)壓井容量閉鎖的自動(dòng)發(fā)電控制策略包括：按照式(1)調(diào)壓井閉鎖容量的計(jì)算方法；調(diào)壓井閉鎖容量和機(jī)組振動(dòng)區(qū)計(jì)算屬于同一個(gè)調(diào)壓井的機(jī)組聯(lián)合可運(yùn)行區(qū)間；基于調(diào)壓井可運(yùn)行區(qū)間計(jì)算全廠聯(lián)合可運(yùn)行區(qū)間；對(duì)全廠聯(lián)合可運(yùn)行區(qū)間內(nèi)所有可分配設(shè)定功率進(jìn)行校驗(yàn)，引入能耗比概念，剔除會(huì)造成負(fù)荷波動(dòng)較大或多臺(tái)機(jī)組同時(shí)跨越振動(dòng)區(qū)的不良方案；機(jī)組、調(diào)壓井內(nèi)、全廠分層計(jì)算、分層分配的分配方案。

根據(jù)式(1)調(diào)壓井閉鎖容量的計(jì)算方法，具體為分別計(jì)算調(diào)壓井內(nèi)每次功率調(diào)整所造成的閉鎖容量當(dāng)量，累加之后再按照當(dāng)量系數(shù)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的調(diào)壓井內(nèi)閉鎖容量。

基于調(diào)壓井閉鎖容量與機(jī)組振動(dòng)區(qū)計(jì)算調(diào)壓井內(nèi)機(jī)組聯(lián)合可運(yùn)行區(qū)算法，是以調(diào)壓井為單位，分別計(jì)算閉鎖容量和組合振動(dòng)區(qū)，區(qū)間合并得出調(diào)壓井內(nèi)機(jī)組聯(lián)合可運(yùn)行區(qū)。

基于能耗比的校驗(yàn)和負(fù)荷分配算法，根據(jù)能耗比概念的定義，即以本次全廠功率調(diào)整造成的機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)絕對(duì)值累加和與本次全廠功率調(diào)整量的比值進(jìn)行分配校核。

3 天生橋二級(jí)水電站AGC真機(jī)連續(xù)調(diào)節(jié)試驗(yàn)

實(shí)際機(jī)組連續(xù)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)表明，單機(jī)閉環(huán)AGC定值方式控制性能平均響應(yīng)時(shí)間為12.25 s，平均調(diào)節(jié)速度為160.05 MW/min，平均動(dòng)態(tài)偏差為2.55 MW，平均靜態(tài)偏差為2.1 MW，均優(yōu)于技術(shù)規(guī)范要求。表1為全廠AGC調(diào)度閉環(huán)控制功能測(cè)試結(jié)果，表明機(jī)組優(yōu)異的快速反應(yīng)能力和連續(xù)響應(yīng)調(diào)度指令的能力。因此，本AGC算法在保證調(diào)壓井安全的前提下，將每次負(fù)荷調(diào)節(jié)后的固定等待時(shí)間折算成閉鎖容量變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠機(jī)組負(fù)荷連續(xù)可靠的控制。機(jī)組反向延時(shí)測(cè)試過(guò)程，第一次下發(fā)機(jī)組額定容量15%的變化，調(diào)節(jié)到80%后，再回復(fù)原先設(shè)定值，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示反向延時(shí)為7 s，表明了優(yōu)異的快速反應(yīng)能力。

表1 全廠機(jī)組AGC調(diào)度閉環(huán)控制功能測(cè)試

4 結(jié) 論

本文通過(guò)分析水電站調(diào)壓井的構(gòu)成機(jī)理，列舉水電站調(diào)壓井可能引起負(fù)荷調(diào)整不連續(xù)響應(yīng)的問(wèn)題，將調(diào)壓井水力平衡過(guò)程轉(zhuǎn)化為閉鎖容量，基于此設(shè)計(jì)自動(dòng)發(fā)電控制策略，可以有效解決保護(hù)調(diào)壓井安全、避開(kāi)振動(dòng)區(qū)，并且選取穿越振動(dòng)區(qū)最少、全長(zhǎng)及井內(nèi)負(fù)荷波動(dòng)最小的分配方案，來(lái)連續(xù)地響應(yīng)調(diào)度設(shè)定。最后以天生橋二級(jí)水電站為例，實(shí)際驗(yàn)證算法的適用性和可靠性，為今后類(lèi)似電站的自動(dòng)發(fā)電控制指明了方向。實(shí)際上，本文對(duì)每次負(fù)荷調(diào)作簡(jiǎn)單化處理，即假定某一次負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程固定時(shí)間T后即可以完全消除影響。而實(shí)際上負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程是與時(shí)間、調(diào)節(jié)量相關(guān)的復(fù)雜函數(shù)，今后可以在本文基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究調(diào)壓井內(nèi)水波力學(xué)特性，將固定平壓時(shí)間衍變成時(shí)間的函數(shù)，使整個(gè)模型更加精確，這樣更能發(fā)掘全廠調(diào)節(jié)的潛力。