大型水電站AGC運(yùn)行與安全閉鎖策略分析

石發(fā)太，鄧兆鵬，李世豪，劉 峰

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都610051）

0 引言

隨著大型水電站以及大型水電機(jī)組的投運(yùn)，大型水電機(jī)組所具有的調(diào)節(jié)速度快，調(diào)節(jié)性能好等優(yōu)點(diǎn)，配合自動(dòng)發(fā)電控制（以下簡(jiǎn)稱“AGC”）技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)提高電網(wǎng)電能質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。然而由于AGC運(yùn)行策略不合理，安全閉鎖邏輯[1～3]不完善以及人員誤操作等問題，造成的電網(wǎng)負(fù)荷大幅波動(dòng)仍時(shí)有發(fā)生。因此必須考慮AGC的調(diào)節(jié)與安全閉鎖策略問題。

1 AGC基本功能

我廠AGC/AVC功能是在考慮到機(jī)組振動(dòng)區(qū)及勵(lì)磁最小限制基礎(chǔ)上的自動(dòng)發(fā)電控制，控制全廠機(jī)組按照總有功、總無功設(shè)定值發(fā)電；控制旋轉(zhuǎn)備用，自動(dòng)開停機(jī)；控制頻率、電壓補(bǔ)償；控制自動(dòng)頻率、電壓調(diào)節(jié)。

圖1 聯(lián)合控制功能圖

2 AGC運(yùn)行原理

2.1 負(fù)荷分配

負(fù)荷分配采取按優(yōu)先級(jí)梯度分配算法，見圖2。

圖2 機(jī)組有功梯度分配算法

2.2 負(fù)荷分配原則

2.2.1 負(fù)荷分配的基本原則

機(jī)組投入AGC運(yùn)行后，有以下4項(xiàng)分配原則：①機(jī)組不能運(yùn)行在振動(dòng)區(qū)；②避免機(jī)組頻繁跨越振動(dòng)區(qū)；③盡量減少機(jī)組動(dòng)作次數(shù)以延長(zhǎng)其使用壽命（小負(fù)荷變化由1或2臺(tái)機(jī)分配）；④優(yōu)化全廠機(jī)組運(yùn)行效率。但如果考慮了第1、2、3條原則，有時(shí)會(huì)降低理論上的最佳效率。

2.2.2 負(fù)荷分配的最佳設(shè)定值原則

負(fù)荷分配意味著每次改變?cè)O(shè)定值后需要調(diào)整機(jī)組的設(shè)定值。為了避免機(jī)組磨損采用了以下3個(gè)原則：①預(yù)定功率范圍內(nèi)僅改變1臺(tái)機(jī)的設(shè)定值；②增加調(diào)整的時(shí)間間隔（有一些限制）；③在預(yù)先定義的功率增量或減量（死區(qū)）范圍內(nèi)調(diào)整。

3 AGC運(yùn)行要求

3.1 避免頻繁跨越振動(dòng)區(qū)

電網(wǎng)的負(fù)荷變化頻率高，變化存在較大的不確定性。如負(fù)荷一經(jīng)變化，機(jī)組即進(jìn)行跨振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，必然導(dǎo)致機(jī)組頻繁跨越振動(dòng)區(qū)。而機(jī)組跨越振動(dòng)區(qū)對(duì)其壽命有較大的影響，文獻(xiàn)[4]指出的某水電站300 MW機(jī)組，其1次穿越振動(dòng)區(qū)造成機(jī)組壽命減少0.013 33 h。為減少機(jī)組跨越振動(dòng)區(qū)的次數(shù)，應(yīng)設(shè)置跨振動(dòng)區(qū)調(diào)節(jié)功率死區(qū)，即只有在當(dāng)前設(shè)定值與新設(shè)定值所產(chǎn)生的有功缺額大于死區(qū)值（如40 MW）時(shí)，才允許機(jī)組跨越振動(dòng)區(qū)。在振動(dòng)區(qū)調(diào)節(jié)功率死區(qū)以內(nèi)，AGC仍執(zhí)行原設(shè)定值。以某電站3臺(tái)600 MW機(jī)組運(yùn)行為例，機(jī)組當(dāng)前水頭下的振動(dòng)區(qū)為210～450 MW，最小允許出力為20 MW，其跨振動(dòng)區(qū)調(diào)整邏輯見表1。

表1 AGC跨振動(dòng)區(qū)負(fù)荷調(diào)整邏輯

3.2 允許機(jī)組短時(shí)振動(dòng)區(qū)運(yùn)行

為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)荷缺額過大（如70 MW）且機(jī)組負(fù)荷無法分配時(shí)，則允許機(jī)組在振動(dòng)區(qū)短時(shí)運(yùn)行，時(shí)間由廠站根據(jù)電網(wǎng)和設(shè)備情況確定。

4 AGC安全控制策略

正常情況下，AGC能夠根據(jù)調(diào)度下發(fā)的有功目標(biāo)值或者電廠運(yùn)行人員的設(shè)定值進(jìn)行發(fā)電。但由于電站AGC問題，可能導(dǎo)致全廠出力在很短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)大幅波動(dòng)，對(duì)電廠和電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成很大影響和沖擊。因此必須對(duì)AGC安全閉鎖策略進(jìn)行完善。

4.1 調(diào)度側(cè)對(duì)AGC安全控制策略

因電站AGC屬于上級(jí)調(diào)度管轄設(shè)備，AGC的安全控制策略必須滿足電網(wǎng)AGC安全控制要求。對(duì)于本電站所述電網(wǎng)AGC安全控制策略要求有以下7個(gè)方面：

（1）為避免發(fā)電廠/機(jī)組AGC在控制權(quán)切換時(shí)發(fā)電站/機(jī)組有功出力發(fā)生波動(dòng)，當(dāng)控制權(quán)切換后，應(yīng)采用當(dāng)前全廠機(jī)組有功實(shí)際出力覆蓋命令給定值的方式。一般該情況主要出現(xiàn)在電站遠(yuǎn)程集控的情況下，因集控側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)和廠站側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)不一致，當(dāng)集控側(cè)監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)異常，需要將AGC控制權(quán)切換至電站側(cè)，因不同系統(tǒng)之間切換可能導(dǎo)致機(jī)組有功出力發(fā)生波動(dòng)。

（2）發(fā)電廠采用不同通信規(guī)約時(shí)（如IEC101、IEC104、IEC61850等規(guī)約），當(dāng)不同通信規(guī)約之間進(jìn)行定期或非定期切換時(shí)，不應(yīng)該對(duì)發(fā)電站/機(jī)組AGC系統(tǒng)造成干擾。因此，一般在發(fā)電廠需要進(jìn)行規(guī)約切換工作時(shí)，為不影響調(diào)度側(cè)AGC系統(tǒng)的運(yùn)行，應(yīng)提前經(jīng)調(diào)度自動(dòng)化專業(yè)同意，通過自動(dòng)化檢修申請(qǐng)單的方式，退出廠站AGC運(yùn)行。待工作結(jié)束后，再申請(qǐng)將廠站AGC投入調(diào)度側(cè)控制?？梢杂行П苊庖蛘緝?nèi)工作導(dǎo)致AGC系統(tǒng)出現(xiàn)異常。

（3）發(fā)電廠/機(jī)組AGC應(yīng)對(duì)全廠/機(jī)組負(fù)荷給定值合理性（包括不在可調(diào)范圍內(nèi)、超差超調(diào)等）進(jìn)行判斷，對(duì)不合理的給定值不得采用和保留。因此，電站側(cè)需要向調(diào)度側(cè)上送全廠不合理的給定值，即機(jī)組的負(fù)荷不可分配區(qū)。由于水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)區(qū)的存在，在一些情況下，會(huì)出現(xiàn)全廠負(fù)荷的不可分配區(qū)，如文獻(xiàn)[5]、[6]提到的某電站3臺(tái)機(jī)運(yùn)行時(shí)就存在不可分配區(qū)（表2）。為避免調(diào)度側(cè)將AGC有功下發(fā)值在不可分配區(qū)，影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行，電廠側(cè)AGC應(yīng)將電站當(dāng)前運(yùn)行方式下的不可分配區(qū)上送至調(diào)度側(cè)AGC主站，由AGC主站提前考慮，在電網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行負(fù)荷平衡。

（4）當(dāng)發(fā)電廠AGC連續(xù)多次收到不合理的全廠/機(jī)組負(fù)荷給定值時(shí)，電站側(cè)應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的安全閉鎖邏輯。

表2 3機(jī)運(yùn)行不可分配區(qū)

（5）發(fā)電廠/機(jī)組AGC在進(jìn)行超差判斷和負(fù)荷分配時(shí)應(yīng)采用全廠/機(jī)組負(fù)荷給定值與全廠/機(jī)組有功實(shí)際出力比較的方式進(jìn)行計(jì)算。

（6）當(dāng)發(fā)電廠站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)狀態(tài)異常時(shí)，AGC程序應(yīng)執(zhí)行相應(yīng)的安全閉鎖邏輯。一般要求集控系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)和歷史數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)要保持相對(duì)獨(dú)立，在數(shù)據(jù)備份或者數(shù)據(jù)庫(kù)更新時(shí)，應(yīng)向上級(jí)調(diào)度提前提出退出AGC的申請(qǐng)，待調(diào)度自動(dòng)化批準(zhǔn)同意后再進(jìn)行類似工作，從根本上保證AGC的安全運(yùn)行。

（7）發(fā)電廠/機(jī)組AGC應(yīng)讀取當(dāng)前的全廠/機(jī)組負(fù)荷給定值來執(zhí)行分配計(jì)算，不應(yīng)采取歷史數(shù)據(jù)參與計(jì)算。

4.2 電站側(cè)AGC安全閉鎖策略

電站側(cè)AGC運(yùn)行安全閉鎖策略是保證AGC運(yùn)行的關(guān)鍵，因AGC運(yùn)行方式分為投入調(diào)度側(cè)運(yùn)行和投入廠站側(cè)運(yùn)行2種模式，正常情況下，電站AGC投入調(diào)度側(cè)控制。在調(diào)度下令退出廠站AGC時(shí)，正常情況下電站側(cè)根據(jù)運(yùn)行要求，投入廠站側(cè)AGC運(yùn)行。

4.2.1 AGC應(yīng)用服務(wù)冗余配置

冗余配置AGC應(yīng)用服務(wù)器，當(dāng)其中一臺(tái)故障時(shí)，可自動(dòng)切換至備用機(jī)運(yùn)行；如果兩臺(tái)同時(shí)故障，則退出全廠機(jī)組AGC控制，并保持負(fù)荷不變。

4.2.2 取消AGC控制器切換裝置

目前該水電站AGC系統(tǒng)采用機(jī)架冗余模式，配置了2個(gè)完全一樣的AK1703機(jī)架，2個(gè)機(jī)架中的控制器通過高速連接線HSL進(jìn)行數(shù)據(jù)同步。通過冗余SCA-RS切換裝置控制2個(gè)控制器的主備用切換，同時(shí)2臺(tái)AGC控制器通過監(jiān)控主網(wǎng)連接，在SCARS故障時(shí)由2臺(tái)AGC控制器自主控制主備用狀態(tài)。對(duì)于這2種切換方式，取消其中任意1種，都可以滿足切換要求。

AGVC系統(tǒng)機(jī)架控制器采用的是CP2014處理器，從目前的使用情況來看，CP2014與SCA-RS切換裝置配合使用存在一些問題，造成SCA-RS切換裝置故障頻發(fā)，并且由于SCA-RS切換裝置的存在，使得當(dāng)前配置方式比較復(fù)雜，增加了AGC運(yùn)行的故障率，不利于AGC穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2.3 優(yōu)化AGC單機(jī)有功設(shè)定最大改變量

近幾年來，本電站3號(hào)機(jī)、6號(hào)機(jī)相繼多次發(fā)生有功功率低頻振蕩，給電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行帶來隱患。因出現(xiàn)機(jī)組低頻振蕩時(shí)，機(jī)組均投入AGC運(yùn)行，因此通過分析和試驗(yàn)，確認(rèn)需要修改監(jiān)控系統(tǒng)AGC單機(jī)有功設(shè)定最大改變量。在退出AGC全廠控制后，將AGC單機(jī)有功設(shè)定最大改變量由100 MW修改為90 MW，編譯、拷貝程序，并分別對(duì)AGC控制器進(jìn)行程序下載。然后投入AGC進(jìn)行控制，在負(fù)荷調(diào)整過程中，觀察是否再次出現(xiàn)機(jī)組有功功率低頻振蕩。記錄機(jī)組跨振區(qū)時(shí)間，比對(duì)修改前后機(jī)組負(fù)荷調(diào)整和機(jī)組振動(dòng)情況。若有功設(shè)定最大改變量修改為90 MW后，錄制波形分析，還發(fā)生機(jī)組有功功率低頻振蕩或修改前后效果不明顯，則繼續(xù)修改參數(shù)。按照最大改變量10 MW為一個(gè)修改梯度，通過試驗(yàn)觀察確認(rèn)最優(yōu)改變量，最終根據(jù)試驗(yàn)情況確定了AGC單機(jī)有功設(shè)定最大改變量為70 MW。

5 結(jié)語

對(duì)運(yùn)行人員而言AGC為運(yùn)行工作提供便利，工作中必須確保其安全可靠運(yùn)行。因此，AGC在滿足上級(jí)調(diào)度AGC安全控制策略要求的同時(shí)，應(yīng)通過電站設(shè)備運(yùn)行實(shí)際情況優(yōu)化電站側(cè)AGC安全閉鎖策略，保證電網(wǎng)、電廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行。