張朝陽(yáng)，曾凡斐，李 樺，曹景磊

［1.國(guó)家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京市 100011；2.國(guó)能智深控制技術(shù)有限公司（北京市電站自動(dòng)化工程技術(shù)研究中心），北京市 102211；3.北科信控科技有限公司，北京市 100083］

0 引言

隨著水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，水電廠自動(dòng)發(fā)電控制（automated generation control，AGC）已成為必備功能之一。當(dāng)前調(diào)度模式下，由于種種原因電網(wǎng)調(diào)度基本上不允許水電廠投入AGC自動(dòng)開停機(jī)功能。

對(duì)于某巨型水電廠，調(diào)度要求該電廠按照負(fù)荷曲線方式運(yùn)行，負(fù)荷曲線一天共96點(diǎn)，兩點(diǎn)間隔15min，調(diào)度要求調(diào)節(jié)過程中，每分鐘的全廠總有功盡可能貼近負(fù)荷曲線鄰近兩點(diǎn)負(fù)荷曲線線性插值數(shù)據(jù)。由于該電廠機(jī)組多容量大，機(jī)組容量大，單機(jī)容量達(dá)700MW，其機(jī)組在不同水頭下430～610MW以下為非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，以上為穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。AGC功能投入時(shí)，AGC一般會(huì)自動(dòng)躲過非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。如果某機(jī)組開機(jī)并網(wǎng)后加入AGC，AGC給該機(jī)組分配的功率則至少應(yīng)在其穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)的下沿，以避免落入非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，即一次性給定功率至430～610MW，如此大幅度功率調(diào)節(jié)不滿足電廠要求。

為了滿足調(diào)度要求，開機(jī)機(jī)組并網(wǎng)后，電廠運(yùn)行人員需手動(dòng)將有功調(diào)節(jié)至穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)后再將機(jī)組加入AGC。因?yàn)殡姀S實(shí)發(fā)總有功功率應(yīng)盡可能接近負(fù)荷曲線拉斜線值，因此在開機(jī)過程中，運(yùn)行人員在增加開機(jī)機(jī)組功率的同時(shí)，需減少其他運(yùn)行機(jī)組有功功率，通常開機(jī)機(jī)組以每20s約60MW的步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，那么需對(duì)其他運(yùn)行機(jī)組進(jìn)行調(diào)節(jié)總量為60MW的對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)。如果全部機(jī)組的功率調(diào)節(jié)由運(yùn)行人員手動(dòng)完成，不僅對(duì)運(yùn)行人員素質(zhì)要求極高，也非常容易出錯(cuò)。反之，停機(jī)過程亦存在同樣問題。文獻(xiàn)[1]提出了巨型電站開停機(jī)過程中AGC有功功率調(diào)節(jié)方法，并提出了有關(guān)安全策略與處理措施[2]。文獻(xiàn)[3]提出了寶珠寺水電廠AGC功能的基本功能配置與實(shí)現(xiàn)原則。文獻(xiàn)[4]分析了國(guó)內(nèi)某水電站AGC成組運(yùn)行有功策略分配原則及安全策略。文獻(xiàn)[5]分析了華北電網(wǎng)AGC機(jī)組的現(xiàn)狀、控制模式。文獻(xiàn)[6]分析了自動(dòng)發(fā)電控制機(jī)組參與一次調(diào)頻的投入條件、參數(shù)設(shè)置和實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)[7]分析了南方電網(wǎng)水電廠加入AGC算法后的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化控制。文獻(xiàn)[8]分析了大規(guī)模水電站群短期發(fā)電優(yōu)化調(diào)度模型，提出了改進(jìn)算法，結(jié)果表明，可以使效率明顯提高。文獻(xiàn)[9]提出一種新方法能更準(zhǔn)確地計(jì)算出AGC機(jī)組的調(diào)節(jié)效能，從而能更好地對(duì)AGC機(jī)組對(duì)電網(wǎng)的貢獻(xiàn)進(jìn)行公平、準(zhǔn)確的考核評(píng)估。文獻(xiàn)[10]對(duì)巨型水電站的AGC程序進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，提升了電站的效率安全運(yùn)行水平。

在該巨型水電廠采用如下開機(jī)和停機(jī)過程的AGC有功功率自動(dòng)調(diào)節(jié)方法后，與人工調(diào)節(jié)相比，不僅大大降低運(yùn)行人員工作強(qiáng)度，也顯著提高了調(diào)節(jié)速度和精度，減少了與給定負(fù)荷曲線的偏離度。

1 負(fù)荷曲線模式下調(diào)節(jié)模型

日負(fù)荷曲線一天96點(diǎn)，兩點(diǎn)間隔時(shí)間為15min，為了減少負(fù)荷調(diào)節(jié)對(duì)電網(wǎng)沖擊，調(diào)度要求調(diào)節(jié)過程有功需盡可能按照兩點(diǎn)間斜線值。采用兩點(diǎn)之間線性插值，得到每分鐘的目標(biāo)值，AGC按照該目標(biāo)值調(diào)節(jié)有功。對(duì)于時(shí)刻t，處于負(fù)荷曲線兩點(diǎn)之前，令當(dāng)前時(shí)刻前一點(diǎn)時(shí)刻為t0，曲線值為，當(dāng)前時(shí)刻后一點(diǎn)時(shí)刻為t15，曲線值為 ，則t0和t15之間每分鐘分別記為t1，t2…t14，若當(dāng)前時(shí)刻t在t0開始計(jì)時(shí)的15min內(nèi)位置為第n分鐘，當(dāng)前時(shí)刻t的目標(biāo)有功值為：

根據(jù)調(diào)度要求并結(jié)合電廠情況，負(fù)荷曲線模式下有功調(diào)節(jié)模型如下：

（1）在負(fù)荷曲線兩點(diǎn)間隔（15min）內(nèi)最多只會(huì)啟停一臺(tái)機(jī)組。

（2）新開機(jī)組和待停機(jī)組需盡快穿越非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。

（3）因?yàn)檎{(diào)度不允許自動(dòng)開停機(jī)，開機(jī)由運(yùn)行人員操作，等機(jī)組有功超30MW后，加入AGC運(yùn)行。

（4）停機(jī)根據(jù)預(yù)設(shè)優(yōu)先級(jí)請(qǐng)求停機(jī)，人工確認(rèn)后進(jìn)行停機(jī)減載，待停機(jī)組自動(dòng)減有功至30MW后，軟件將該機(jī)組自動(dòng)退出AGC，由人工停機(jī)。

（5）開停機(jī)過程總有功調(diào)節(jié)平穩(wěn)，有功增減方向與負(fù)荷曲線要求一致，機(jī)組開機(jī)過程增有功過程中，不能出現(xiàn)全廠總有功減少；機(jī)組停機(jī)過程減有功過程中，不能出現(xiàn)全廠總有功增加的情況。

（6）開停機(jī)過程中每分鐘全廠總有功盡可能跟Pt吻合。

（7）機(jī)組開機(jī)過程中，全廠總有功逐步增加且不宜過快，全廠總有功不高于目標(biāo)有功；停機(jī)過程中，全廠總有功逐步減少且不宜過快，調(diào)節(jié)過程要求全廠實(shí)發(fā)總有功不低于目標(biāo)有功。

2 步長(zhǎng)修正等比例有功分配策略

每臺(tái)機(jī)組按照容量比例分配有功，對(duì)于機(jī)組基本相同情況下，平均分配全廠效率最高。但是，對(duì)于給定負(fù)荷變化不大情況下，由于電廠機(jī)組臺(tái)數(shù)較多，如果平均分配，部分機(jī)組將在死區(qū)范圍內(nèi)不響應(yīng)，另外，如果每次所有機(jī)組都參與調(diào)節(jié)，將導(dǎo)致機(jī)組增加磨損。因此采用步長(zhǎng)修正等比例有功分配方法。

當(dāng)增有功時(shí)，選擇上次給定有功少的機(jī)組優(yōu)先增，增加一個(gè)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)后，如果未分配完，再次比較機(jī)組給定值，選擇給定有功最少的機(jī)組增加一個(gè)預(yù)設(shè)步長(zhǎng)，如果剩余分配額小于步長(zhǎng)，將增加剩余分配額，依次類推，直至將給定有功分配完成。減有功與增有功類似，優(yōu)先選擇上次給定有功多的機(jī)組優(yōu)先減。這樣小幅增減有功將只有一臺(tái)或兩臺(tái)機(jī)組參與調(diào)節(jié)。

3 有功補(bǔ)償調(diào)節(jié)

由于電廠機(jī)組屬于巨型機(jī)組，全廠總有功短暫增減方向與預(yù)期方向不一致，都會(huì)對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)較大沖擊。有功補(bǔ)償調(diào)節(jié)針對(duì)開停機(jī)過程或跨越較大振動(dòng)區(qū)增減臺(tái)數(shù)不一致的情況，為了確保全廠總有功增減方向與預(yù)期一致，每次采用一臺(tái)機(jī)組增有功一臺(tái)機(jī)組減有功的方法。譬如當(dāng)前兩臺(tái)機(jī)組a和b發(fā)電態(tài)，一臺(tái)新并網(wǎng)機(jī)組c加入AGC，并網(wǎng)機(jī)組按照每20s x MW（參數(shù)x受限于機(jī)組調(diào)節(jié)速度，該電廠通常每20s調(diào)節(jié)60MW，取60MW），發(fā)電態(tài)機(jī)組選擇一臺(tái)機(jī)組a參與補(bǔ)償調(diào)節(jié)，每20s減少y MW，要求y＜x，這樣就保證機(jī)組增有功方向調(diào)節(jié)，每20s全廠總有功增（x-y）MW。如果參與補(bǔ)償機(jī)組剩余調(diào)節(jié)功率不到y(tǒng) MW，則減少剩余調(diào)節(jié)功率。根據(jù)每分鐘需要增有功幅度，確定x和y值。當(dāng)a減有功到目標(biāo)值后，再換機(jī)組b。如果機(jī)組a和b均達(dá)到預(yù)定有功，則新并網(wǎng)機(jī)組c單步增負(fù)荷。當(dāng)多有機(jī)組都進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)后，各機(jī)組按照目標(biāo)負(fù)荷調(diào)節(jié)，有功補(bǔ)償調(diào)節(jié)結(jié)束。停機(jī)減有功過程類似。

4 開機(jī)調(diào)功策略

分為兩種情況：

4.1 情況1：開機(jī)機(jī)組并網(wǎng)加入后，Pt0大于所有機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)下沿之和

對(duì)于在t0和t15之間任意每分鐘t的目標(biāo)值Pt均在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，因此，調(diào)節(jié)過程中均可以按照每分鐘計(jì)算的Pt值進(jìn)行調(diào)節(jié)，每臺(tái)機(jī)組的目標(biāo)值均在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。分為兩個(gè)階段：

第一階段，新并網(wǎng)機(jī)組加入AGC前，各機(jī)組按照每分鐘負(fù)荷曲線值減去新并網(wǎng)機(jī)組有功后，分配有功值；第二階段：新并網(wǎng)機(jī)組加入AGC后，新并網(wǎng)機(jī)組以每20s步長(zhǎng)x MW增有功，快速穿越非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，其他機(jī)組以每20s步長(zhǎng)y MW與新并網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，當(dāng)新并網(wǎng)機(jī)組進(jìn)入穩(wěn)定區(qū)后，補(bǔ)償調(diào)節(jié)結(jié)束，每臺(tái)機(jī)組按照目標(biāo)有功值調(diào)節(jié)。

以某工況為例，機(jī)組當(dāng)前穩(wěn)定區(qū)下沿500MW，機(jī)組最大可調(diào)有功700MW，Pt0為3400MW，Pt15為3800MW，發(fā)電運(yùn)行機(jī)組由5臺(tái)調(diào)整為6臺(tái)，需要新開機(jī)一臺(tái)機(jī)組，x為60MW。參數(shù)y可以根據(jù)負(fù)荷曲線每分鐘增有功的速度確定，由表1可以得出曲線每分鐘增有功27MW，則x-y=9，取y為51MW，則每分鐘增27MW，根據(jù)表1可看出實(shí)際給定值與負(fù)荷曲線給定值吻合。

表1 情況1開機(jī)調(diào)功策略結(jié)果表Table 1 Case 1 Start-up power adjustment strategy result table

4.2 情況2：開機(jī)機(jī)組并網(wǎng)加入后，Pt0小于所有機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)下沿之和

對(duì)于在t0和t15之間任意每分鐘t的目標(biāo)值Pt不能保證所有機(jī)組在所有時(shí)段目標(biāo)值在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。這種情況下，將調(diào)節(jié)過程分為三個(gè)階段：

第一階段：新并網(wǎng)機(jī)組加入AGC前，各機(jī)組按照當(dāng)前分鐘負(fù)荷曲線值減去新并網(wǎng)機(jī)組有功后，在可調(diào)范圍內(nèi)分配有功值。

第二階段：以所有機(jī)組穩(wěn)定區(qū)下沿之和作為目標(biāo)有功進(jìn)行調(diào)節(jié)。新并網(wǎng)機(jī)組以每20s步長(zhǎng)60MW增有功，快速穿越非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，其他機(jī)組以每20s步長(zhǎng)yMW與新并網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)。該階段將穩(wěn)定區(qū)下沿之和對(duì)應(yīng)的負(fù)荷曲線值所在時(shí)間，確定參數(shù)y。

第三階段：所有機(jī)組按照當(dāng)前分鐘負(fù)荷曲線值作為目標(biāo)有功值，分配有功，各臺(tái)機(jī)組直接按照分配有功值進(jìn)行調(diào)節(jié)。

以某工況為例，機(jī)組當(dāng)前穩(wěn)定區(qū)下沿600MW，機(jī)組最大可調(diào)有功 700MW，Pt0為 2000MW，Pt15為 2600MW，發(fā)電運(yùn)行機(jī)組由3臺(tái)調(diào)整為4臺(tái)，需要新開機(jī)一臺(tái)機(jī)組，并網(wǎng)負(fù)荷為30MW，調(diào)節(jié)至每臺(tái)機(jī)600MW，取x為60MW，參數(shù)y可以根據(jù)負(fù)荷曲線每分鐘增有功的速度確定，由表2可以得出曲線每分鐘增有功40MW，則x-y=13，取y為47MW，根據(jù)表2可看出偏差在允許范圍內(nèi)，實(shí)際給定總有功均低于Pt15。

表2 情況2開機(jī)調(diào)功策略結(jié)果表Table 2 Case 2 Start-up power adjustment strategy result table

5 停機(jī)調(diào)功策略

5.1 情況1：未停機(jī)前Pt15大于所有機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)下沿之和

對(duì)于在t0和t15之間任意每分鐘t的目標(biāo)值Pt，無(wú)論機(jī)組是否停機(jī)，所有機(jī)組目標(biāo)值均在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，因此，調(diào)節(jié)過程中均可以按照每分鐘計(jì)算的Pt值進(jìn)行調(diào)節(jié)。分為兩個(gè)階段：

第一階段：為了盡可能與負(fù)荷曲線拉斜線值吻合，同時(shí)停機(jī)機(jī)組快速穿越非穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，在t10之前按照計(jì)劃曲線拉斜線運(yùn)行；

第二階段：t10之后停機(jī)機(jī)組進(jìn)入停機(jī)減載過程，以步長(zhǎng)60MW減有功，其他參與補(bǔ)償調(diào)節(jié)機(jī)組以步長(zhǎng)60MW與停機(jī)減載機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，直至停機(jī)機(jī)組減至30MW，退出AGC，然后由操作員發(fā)令停機(jī)。

以某工況為例，機(jī)組當(dāng)前穩(wěn)定區(qū)下沿500MW，機(jī)組最大可 調(diào) 有 功700MW，Pt0為3800MW，Pt15為3400MW， 發(fā) 電運(yùn)行機(jī)組由6臺(tái)調(diào)整為5臺(tái)，需要停一臺(tái)機(jī)組，x為60MW，y為60MW（見表3）。

表3 情況1停機(jī)調(diào)功策略結(jié)果表Table 3 Case 1 Shutdown power adjustment strategy result table

續(xù)表

5.2 情況2：未停機(jī)前Pt15小于所有機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)下沿之和

對(duì)于在t0和t15之間任意每分鐘t的目標(biāo)值Pt不能保證所有機(jī)組在所有時(shí)段目標(biāo)值在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。這種情況下，將調(diào)節(jié)過程分為兩個(gè)階段：

第一階段：t10目標(biāo)至為所有機(jī)組穩(wěn)定區(qū)下沿之和，t1與t10拉斜線運(yùn)行，所有機(jī)組在可調(diào)范圍內(nèi)分配有功；

第二階段：t10之后停機(jī)機(jī)組進(jìn)入停機(jī)減載過程，以步長(zhǎng)60MW減有功，其他參與補(bǔ)償調(diào)節(jié)機(jī)組以步長(zhǎng)60MW與停機(jī)減載機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)償調(diào)節(jié)，直至停機(jī)機(jī)組減至30MW，退出AGC，然后由操作員發(fā)令停機(jī)。

以某工況為例，機(jī)組當(dāng)前穩(wěn)定區(qū)下沿600MW，機(jī)組最大可調(diào)有功700MW，Pt0為 2600MW，Pt15為 2000MW，發(fā)電運(yùn)行機(jī)組由4臺(tái)調(diào)整為3臺(tái)，需要停一臺(tái)機(jī)組（見表4）。

表4 情況2停機(jī)調(diào)功策略結(jié)果表Table 4 Case 2 Shutdown power adjustment strategy result table

續(xù)表

6 有功命令跟蹤策略

為了確保有功調(diào)節(jié)過程成功完成，AGC需對(duì)指令和調(diào)節(jié)過程進(jìn)行監(jiān)視[2]。

6.1 有功指令下發(fā)跟蹤

有功指令下發(fā)后，監(jiān)視下位機(jī)反饋的有功給定值，如果5s內(nèi)未收到指令反饋值，則報(bào)警指令下發(fā)失敗，并將該機(jī)組退出AGC。

6.2 有功調(diào)節(jié)過程跟蹤

有功指令下發(fā)后，監(jiān)視機(jī)組實(shí)發(fā)有功值，計(jì)時(shí)40s如果實(shí)發(fā)有功值與給定值偏差超過預(yù)設(shè)值，報(bào)警機(jī)組有功調(diào)節(jié)失敗，并將該機(jī)組退出AGC。如果有功調(diào)節(jié)步長(zhǎng)較大，實(shí)發(fā)有功調(diào)節(jié)30MW，則計(jì)時(shí)置0，重新計(jì)時(shí)。這樣確保一個(gè)大的調(diào)節(jié)過程，機(jī)組正常調(diào)節(jié)不會(huì)退出AGC。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種巨型水電廠開停機(jī)過程按照負(fù)荷曲線拉斜線AGC有功功率自動(dòng)調(diào)節(jié)方法，已在某巨型水電廠實(shí)現(xiàn)，調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)可靠。自2019年11月投運(yùn)以來(lái)，安全運(yùn)行兩年多，大大減輕了運(yùn)行人員工作強(qiáng)度，調(diào)節(jié)過程比人工操作更加準(zhǔn)確可靠，可供類似巨型水電廠借鑒。