大型水電廠自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)負(fù)荷分配策略研究

李繼平

（廣東能源集團(tuán)有限公司天生橋一級(jí)水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司水力發(fā)電廠，貴州 興義 562400）

0 前言

隨著大型水力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電負(fù)荷在電網(wǎng)總負(fù)荷中的占比不斷提高，電網(wǎng)對(duì)大型水電機(jī)組的安全性、穩(wěn)定性、以及負(fù)荷調(diào)節(jié)性能的要求越來(lái)越高。大型水電機(jī)組應(yīng)能快速響應(yīng)電網(wǎng)負(fù)荷指令變化，與此同時(shí)還要保證機(jī)組自身的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。

在調(diào)頻輔助服務(wù)市場(chǎng)中，機(jī)組在廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)運(yùn)行模式下調(diào)節(jié)性能[1]指標(biāo)（響應(yīng)時(shí)間、調(diào)節(jié)速率和調(diào)節(jié)精度）不高,而調(diào)頻市場(chǎng)實(shí)際收入遠(yuǎn)比測(cè)算收入低，需要通過(guò)對(duì)整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程進(jìn)行分析,找到引起調(diào)節(jié)性能指標(biāo)不高的原因，并進(jìn)行優(yōu)化處理[2]。如何將全廠總負(fù)荷合理的分配給廠內(nèi)的各機(jī)組承擔(dān)，在負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中各機(jī)組如何分配負(fù)荷[3]增量或負(fù)荷減量，是一個(gè)復(fù)雜的決策過(guò)程，對(duì)機(jī)組的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行至關(guān)重要[4]。負(fù)荷分配和調(diào)節(jié)方式不合理，會(huì)導(dǎo)致機(jī)組發(fā)電效率低下、機(jī)組振動(dòng)加劇、檢修頻率增加、設(shè)備使用壽命縮短、甚至出現(xiàn)重大安全事故。

1 水電廠廠級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)荷分配原則

大型水電廠通常采用廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)[4]，將調(diào)度主站下發(fā)的全廠總負(fù)荷分配給廠內(nèi)各個(gè)機(jī)組承擔(dān)。在進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)，也是通過(guò)廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)確定由廠內(nèi)的某個(gè)或某幾個(gè)機(jī)組承擔(dān)調(diào)節(jié)過(guò)程中的負(fù)荷增量或負(fù)荷減量。

現(xiàn)有的水電廠廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的負(fù)荷分配策略[5]，一般是按以下幾個(gè)原則[6]進(jìn)行分配的：

（1）平均分配準(zhǔn)則：全廠總負(fù)荷平均分配給廠內(nèi)各機(jī)組承擔(dān)；負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中，全廠負(fù)荷的增量或減量也平均分配給各機(jī)組承擔(dān)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是分配負(fù)荷和執(zhí)行操作簡(jiǎn)單快速。缺點(diǎn)是：①?zèng)]有考慮不同機(jī)組之間性能優(yōu)劣的差異性；②每次負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程所有機(jī)組都共同參與，機(jī)組的累計(jì)調(diào)節(jié)次數(shù)多，影響設(shè)備使用壽命。

（2）等微增率準(zhǔn)則：按機(jī)組效率從高到低依次往下分配全廠總負(fù)荷，負(fù)荷優(yōu)先分配給微增率小(即效率高)的機(jī)組承擔(dān)；負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中，電廠增加負(fù)荷時(shí)，先讓微增率小的機(jī)組增加負(fù)荷；電廠減少負(fù)荷時(shí)，先讓微增率大的機(jī)組減少負(fù)荷[7]。即總體上讓效率高的機(jī)組保持更高的負(fù)荷率和更長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

（3）小負(fù)荷分配策略：負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中，電廠增加負(fù)荷時(shí)，優(yōu)先讓負(fù)荷率小的機(jī)組增加負(fù)荷；電廠減少負(fù)荷時(shí)，優(yōu)先讓負(fù)荷率大的機(jī)組減少負(fù)荷。這樣做的好處是可有效減少機(jī)組的調(diào)節(jié)頻次以及避開(kāi)機(jī)組的調(diào)節(jié)死區(qū)。

2 水電廠廠級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)荷分配算法

現(xiàn)有的水電廠廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)荷分配時(shí)，主要考慮的因素是機(jī)組的功率和效率，而沒(méi)有把機(jī)組的工作水頭、振動(dòng)擺度、穿越振動(dòng)區(qū)次數(shù)、累計(jì)調(diào)節(jié)次數(shù)等因素綜合考慮到負(fù)荷分配和調(diào)節(jié)過(guò)程之中。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)顧此失彼的情況，如廠內(nèi)各機(jī)組的效率值都不錯(cuò)，但機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題嚴(yán)重，且調(diào)節(jié)過(guò)程中頻繁穿越振動(dòng)區(qū)；或多臺(tái)機(jī)組中有一臺(tái)綜合性能好的機(jī)組的調(diào)節(jié)次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他機(jī)組，導(dǎo)致其檢修周期明顯短于其他機(jī)組。

現(xiàn)有的水電廠廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)[8]的計(jì)算程序主要采用兩種算法：窮舉法和解方程法。

窮舉法是對(duì)機(jī)組的所有負(fù)荷分配情況進(jìn)行排列組合，形成一個(gè)數(shù)億條記錄的數(shù)據(jù)列表；要進(jìn)行負(fù)荷調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)調(diào)節(jié)目標(biāo)在數(shù)據(jù)列表中檢索出能滿足要求的數(shù)十萬(wàn)條記錄，再根據(jù)一定的規(guī)則對(duì)每條記錄打分，根據(jù)分?jǐn)?shù)排序后選擇其中得分最高的一條作為負(fù)荷分配方案。

解方程法是根據(jù)負(fù)荷分配時(shí)所要考慮的因素，整理出一組帶約束條件的方程組，然后通過(guò)矩陣計(jì)算和迭代收斂，求出最優(yōu)解。

這兩種算法計(jì)算量都很大，計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致機(jī)組對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)節(jié)指令的響應(yīng)速度慢。

3 水電廠廠級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)荷分配影響因素

制定負(fù)荷分配[8]方案的過(guò)程中要考慮的因素很多，各個(gè)考慮因素背后的目標(biāo)也不盡相同，有時(shí)甚至是相互沖突而無(wú)法統(tǒng)一的。負(fù)荷分配方案的確定，經(jīng)常需要在不同考慮因素之間進(jìn)行權(quán)衡，抓大放小，優(yōu)先解決主要矛盾。在全廠負(fù)荷分配和負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)程中，不僅要盡量保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行[9]，還要盡可能減小機(jī)組的振動(dòng)擺度，減少機(jī)組穿越振動(dòng)區(qū)的次數(shù)，減少機(jī)組在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行的總持續(xù)時(shí)間；此外，各機(jī)組的累計(jì)調(diào)節(jié)次數(shù)應(yīng)盡量保持相當(dāng)，而不能簡(jiǎn)單的讓性能[10]好的機(jī)組承擔(dān)大部分調(diào)節(jié)任務(wù)；在不同的負(fù)荷率條件下，應(yīng)能靈活的選擇最適合的負(fù)荷分配策略，如負(fù)荷率高的豐水期采用效率高優(yōu)先的分配策略，負(fù)荷率低的枯水期則采用安全穩(wěn)定優(yōu)先的負(fù)荷分配策略。

4 水電廠廠級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)荷分配設(shè)計(jì)

通過(guò)研究一種新的水電廠廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)負(fù)荷分配方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的負(fù)荷分配策略不完善，導(dǎo)致機(jī)組的振動(dòng)和效率經(jīng)常顧此失彼的問(wèn)題；以及程序計(jì)算量大、耗時(shí)長(zhǎng)，導(dǎo)致負(fù)荷調(diào)節(jié)響應(yīng)慢的問(wèn)題。

在水電廠廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)中引入一個(gè)模型預(yù)測(cè)控制單元，該模型預(yù)測(cè)控制單元把線性規(guī)劃和控制問(wèn)題結(jié)合起來(lái)，將機(jī)組的工作水頭、振動(dòng)擺度、有功負(fù)荷、效率指標(biāo)、穿越振動(dòng)區(qū)次數(shù)、累計(jì)調(diào)節(jié)次數(shù)綜合考慮到水電廠廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)負(fù)荷分配方案的制定和優(yōu)選過(guò)程中（圖1）。

圖1 大型水電廠廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的負(fù)荷分配框圖

上述模型預(yù)測(cè)控制單元接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)回傳的機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)作為負(fù)荷調(diào)節(jié)的初始條件，機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)包括機(jī)組工作水頭（H）y、振動(dòng)擺度（S）、有功負(fù)荷（P）、效率指標(biāo)（η）、閘門(mén)開(kāi)度（γ）。機(jī)組各個(gè)運(yùn)行參數(shù)之間的關(guān)系可整理為一組帶約束條件的方程γ=f（Hy，P，η，S），約束條件包括工作水頭范圍，有功功率范圍，振動(dòng)擺度范圍。依據(jù)各約束條件可在各機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域圖上劃分出不同的運(yùn)行性能[11]區(qū)域，包括小負(fù)荷振動(dòng)區(qū)、不推薦運(yùn)行區(qū)、禁止運(yùn)行區(qū)、高負(fù)荷運(yùn)行穩(wěn)定區(qū)[12]。

上述模型預(yù)測(cè)控制單元制定負(fù)荷分配策略[13]的步驟包括：

（1）接收總調(diào)下發(fā)的負(fù)荷指令和機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，確定負(fù)荷調(diào)節(jié)量；

（2）求解包含機(jī)組工作水頭Hy、振動(dòng)擺度S、有功負(fù)荷P、效率指標(biāo)η、閘門(mén)開(kāi)度（γ）這5 個(gè)變量的機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)方程γ=f（Hy，P，η，S），得到所有可能的負(fù)荷分配方案；

（3）在所有可能的負(fù)荷分配方案中優(yōu)選出最終執(zhí)行的負(fù)荷分配方案；

（4）校驗(yàn)機(jī)組的調(diào)后形態(tài)，確認(rèn)無(wú)誤后，將優(yōu)選出來(lái)的負(fù)荷分配方案下發(fā)到執(zhí)行機(jī)構(gòu)執(zhí)行。

上述模型[14]預(yù)測(cè)控制單元優(yōu)選負(fù)荷分配方案的步驟包括：

（1）綜合考慮機(jī)組工作水頭、振動(dòng)擺度、有功負(fù)荷和效率指標(biāo)的約束條件，在各機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域圖上劃分出不同的運(yùn)行區(qū)域，包括禁止運(yùn)行區(qū)、小負(fù)荷振動(dòng)區(qū)、不推薦運(yùn)行區(qū)、高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)；

（2）優(yōu)選負(fù)荷分配方案時(shí)，首先排除落入禁止運(yùn)行區(qū)的數(shù)據(jù)，然后按效率高優(yōu)先的原則或振動(dòng)擺度小優(yōu)先的原則，依次從高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)、不推薦運(yùn)行區(qū)、小負(fù)荷振動(dòng)區(qū)查找可用的負(fù)荷分配方案；效率高優(yōu)先的原則和振動(dòng)擺度小優(yōu)先的原則是可以切換的，機(jī)組運(yùn)行的高負(fù)荷時(shí)段采用效率高優(yōu)先的原則，機(jī)組運(yùn)行的低負(fù)荷時(shí)段采用振動(dòng)擺度小優(yōu)先的原則；

（3）在優(yōu)選負(fù)荷分配方案時(shí)，保證各機(jī)組穿越振動(dòng)區(qū)次數(shù)和累計(jì)調(diào)節(jié)次數(shù)基本相當(dāng)，防止效率高和振動(dòng)擺度小的高性能機(jī)組過(guò)多承擔(dān)調(diào)節(jié)任務(wù)而縮短其檢修周期。

上述模型預(yù)測(cè)控制單元可采集機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，并從效率和振動(dòng)擺度兩個(gè)維度對(duì)機(jī)組的性能表現(xiàn)打分，可根據(jù)得分高低在各機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域圖上重新劃分運(yùn)行區(qū)域；在優(yōu)選負(fù)荷分配方案時(shí)，首先排除性能表現(xiàn)得分低的區(qū)域，優(yōu)先選擇性能表現(xiàn)得分高的區(qū)域，這樣可以縮小數(shù)據(jù)篩選的范圍，大大減小計(jì)算量，提高對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)指令的響應(yīng)速度。隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的累積，機(jī)組本身的性能會(huì)發(fā)生變化，各機(jī)組運(yùn)行區(qū)域的劃分也要跟著變化；比如原來(lái)的不推薦運(yùn)行區(qū)可能會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)加劇而被劃入禁止運(yùn)行區(qū)，原來(lái)的高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)可能會(huì)有一部分被劃入不推薦運(yùn)行區(qū)。

上述模型預(yù)測(cè)控制單元設(shè)有投/退切換按鈕，可以將模型預(yù)測(cè)控制單元退出運(yùn)行，模型預(yù)測(cè)控制單元退出運(yùn)行后不影響水電廠廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

5 具體實(shí)施方式及效果

某水電站總裝機(jī)容量為1 200 MW，有4 臺(tái)同型號(hào)單機(jī)容量300 MW 機(jī)組，圖2 為該電站4 臺(tái)機(jī)組的典型運(yùn)行區(qū)域圖。原有廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的負(fù)荷分配方法是通過(guò)求解機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)方程γ=f（P，η），確定各機(jī)組承擔(dān)的負(fù)荷以及在調(diào)節(jié)過(guò)程中承擔(dān)的負(fù)荷增/減量。實(shí)際運(yùn)行中有如下問(wèn)題：①各機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，振動(dòng)使得1 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片頻繁出現(xiàn)裂紋，甚至出現(xiàn)局部掉塊現(xiàn)象；②各機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)過(guò)于頻繁，累計(jì)調(diào)節(jié)次數(shù)多，尤其是2 號(hào)機(jī)組因?yàn)楣ぷ鳡顟B(tài)好，調(diào)節(jié)次數(shù)明顯多于其他機(jī)組；③調(diào)節(jié)過(guò)程中頻繁穿越振動(dòng)區(qū)；④機(jī)組對(duì)負(fù)荷指令的響應(yīng)速度較慢。

在該水電站中采用圖1 所示控制框，在廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)中引入一個(gè)模型預(yù)測(cè)控制單元，圖中的模型預(yù)測(cè)控制單元接收機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)工作水頭Hy、振動(dòng)擺度S、有功負(fù)荷P、效率指標(biāo)η、閘門(mén)開(kāi)度（γ）作為負(fù)荷調(diào)節(jié)的初始條件，模型預(yù)測(cè)控制單元通過(guò)求解機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)方程γ=f（Hy，P，η，S）確定負(fù)荷分配方案，相比原有的負(fù)荷分配方法，在機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)方程中增加了工作水頭和振動(dòng)擺度兩個(gè)約束條件。在優(yōu)選負(fù)荷分配方案時(shí)，同時(shí)考慮效率和振動(dòng)情況兩個(gè)因素，在盡量追求高效率的同時(shí)避免機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)落入振動(dòng)區(qū)。實(shí)際使用中，將振動(dòng)擺度超過(guò)0.3 mm 時(shí)的工況設(shè)定為禁止運(yùn)行工況，將振動(dòng)擺度0.15～0.3 mm 時(shí)的工況設(shè)定為不推薦運(yùn)行工況。

隨著機(jī)組使用時(shí)間的累積，機(jī)組的工作特性也會(huì)發(fā)生變化。模型預(yù)測(cè)控制單元采集機(jī)組實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，進(jìn)行相關(guān)的試驗(yàn)[15,16]后，從效率指標(biāo)和振動(dòng)擺度兩個(gè)維度對(duì)機(jī)組的性能表現(xiàn)打分，根據(jù)得分高低在各機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域圖上重新劃分運(yùn)行區(qū)域。

圖3 為根據(jù)機(jī)組實(shí)際狀況重新劃分的2 號(hào)、3 號(hào)機(jī)組運(yùn)行區(qū)域圖，圖4 為根據(jù)機(jī)組實(shí)際狀況重新劃分的1 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組運(yùn)行區(qū)域圖。

與圖2 機(jī)組的典型運(yùn)行區(qū)域圖相比，新的運(yùn)行區(qū)域圖的劃分有明顯的不同。2 號(hào)、3 號(hào)機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域圖增加了不推薦運(yùn)行區(qū)，小負(fù)荷振動(dòng)區(qū)的范圍有所擴(kuò)大，可選運(yùn)行區(qū)劃分為最優(yōu)區(qū)和次優(yōu)區(qū)；1 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域圖增加了禁止運(yùn)行區(qū)和不推薦運(yùn)行區(qū)，可選運(yùn)行區(qū)劃分為最優(yōu)區(qū)和次優(yōu)區(qū)。

對(duì)比圖2 和圖3、圖4 的運(yùn)行區(qū)域圖可知，圖2中有相當(dāng)一部分原先認(rèn)為是高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)的區(qū)域，實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)非常不好，可以被劃入到不推薦運(yùn)行區(qū)甚至禁止運(yùn)行區(qū)。這也是采用原先的負(fù)荷分配方法時(shí)，機(jī)組經(jīng)常出現(xiàn)劇烈振動(dòng)的重要原因。

圖2 機(jī)組的典型運(yùn)行區(qū)域圖

圖3 新策略2 號(hào)、3 號(hào)機(jī)組運(yùn)行區(qū)域圖

圖4 新策略1 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組運(yùn)行區(qū)域圖

模型預(yù)測(cè)控制單元優(yōu)選負(fù)荷分配方案時(shí)，首先避開(kāi)禁止運(yùn)行區(qū)和不推薦運(yùn)行區(qū)，同時(shí)減少穿越禁止運(yùn)行區(qū)和不推薦運(yùn)行區(qū)的次數(shù)，優(yōu)選考慮在最優(yōu)區(qū)內(nèi)選擇機(jī)組的運(yùn)行參數(shù)。

6 結(jié)論

通過(guò)在廠級(jí)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)中引入一個(gè)模型預(yù)測(cè)控制單元，劃分禁止運(yùn)行區(qū)和不推薦運(yùn)行區(qū)，負(fù)荷分配避開(kāi)了機(jī)組振動(dòng)劇烈的運(yùn)行區(qū)域，機(jī)組的平均最大振動(dòng)速度從50 cm/s 減小到不大于10 cm/s，大大提高了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。同時(shí)由于縮小了分配方案篩選的范圍，大大減少了計(jì)算量，對(duì)負(fù)荷調(diào)節(jié)指令的平均響應(yīng)速度也從10～15 ms 縮短到6～8 ms，速度提升幅度接近50%。