梯級水電站集控中心技術問題及運行模式探討

周加慶

(大唐四川水電開發(fā)有限公司,四川成都 610091)

梯級水電站集控中心技術問題及運行模式探討

周加慶

(大唐四川水電開發(fā)有限公司,四川成都 610091)

隨著水電站自動化程度越來越高,梯級水電站的集中控制成為一種具有流域特點的新興、先進、高效的電力生產(chǎn)運行模式。本文對梯級水電站集控中心的形成,技術應關注的問題以及運行模式進行探討。

流域 梯級電站 集控中心

1 梯級水電站集中控制中心的形成

以國內(nèi)十三大水電基地為基礎,出現(xiàn)了一批大型流域水電開發(fā)公司,使得流域梯級水電站的管理出現(xiàn)“集群化”,同一個業(yè)主能夠統(tǒng)一建設及管理多個梯級水電站,奠定了流域梯級水電站集中控制的基礎；與此同時,水電站綜合自動化系統(tǒng)不斷提高,“四遙”技術日益完善,水電站由單一電站的遠方控制向多電站遠方集中控制轉化,流域梯級水電站集中控制中心應運而生。

梯級水電站的集控中心不僅是生產(chǎn)組織管理層,還是生產(chǎn)執(zhí)行層。電能生產(chǎn)過程中,集控中心作為技術中心,負責電力生產(chǎn)技術以及歸口管理；作為生產(chǎn)組織中心,負責流域電站的發(fā)電計劃、水庫運行方式、以及檢修計劃的制定及執(zhí)行；作為調(diào)度中心,負責電力和水量實時調(diào)配；作為電力營銷中心,負責協(xié)調(diào)電網(wǎng),制定發(fā)電計劃,開拓電量消納渠道,以及組織電費回收等事宜。

2 梯級水電站集中控制技術應關注的問題

梯級水電站中實現(xiàn)集中控制,能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機組的經(jīng)濟運行,提高水資源的利用率。梯級水電站進行集中控制時,其技術必須考慮水量平衡、電力平衡、梯級電站AGC控制、站間通信等多方面的問題,以下分別介紹。

2.1 水量平衡

流域梯級水電站中,上游一級水電站放水發(fā)電時,經(jīng)過一定延時,尾水流量到達二級水電站壩前,以此類推；上游一級水電站放水發(fā)電時,二、三級水電站也應當同時發(fā)電。對一級水電站而言,若年來水量預測誤差小,且未發(fā)生洪水,則水庫不會溢流；對二、三級水電站而言,若負荷分配合理,并大致按照一級水電站的放水流量曲線運行,也能避免水庫溢流現(xiàn)象的發(fā)生。此過程可用以下表示:

其中,Q1i、Q2i、Q3i分別表示i時段一、二、三級水電站的發(fā)電流量。若考慮發(fā)電流量到達二、三級水電站的延時,則上式變?yōu)?

圖1 “遠方監(jiān)控、現(xiàn)場值守”運行模式示意圖

圖2 “集中調(diào)度、現(xiàn)場控制”運行模式示意圖

圖3 “調(diào)控一體、現(xiàn)場值守”運行模式示意圖

其中,t及 t1分別表示一、二級水電站及二、三級水電站間發(fā)電流量的延時。

若考慮三級水電站間區(qū)間徑流流量的區(qū)間徑流,設i時段一、二級水電站區(qū)間徑流流量為Qr1i、二、三級水電站間區(qū)間徑流流量為，則上式變?yōu)?

綜上所述,流域梯級水電站應保證各發(fā)電站發(fā)電流量協(xié)調(diào)匹配,以保證各水電站之間的水量平衡,避免放空水庫或水庫溢流現(xiàn)象的發(fā)生。

2.2 電力平衡

梯級水電站各級水電站的發(fā)電出力應按比例分配,負荷分配原則如下:

(1)等流量原則。二、三級水庫水位未超出設定范圍,按照等流量原則分配；

(2)水位差值比例原則。水電站水庫水位超出設定范圍,作以相應調(diào)整,幅度正比于水位差值；

(3)滿足電網(wǎng)調(diào)度要求。二、三級水庫水位未超出設定范圍,調(diào)度時優(yōu)先考慮電網(wǎng)負荷需求；超出設定范圍則優(yōu)先保證水庫水位；

(4)按裝機容量比例分配。水電站分配負荷時,應按照裝機容量之比進行分配以保證水電站運行在正常高水位附近,降低損耗,提高效率；

(5)滿足庫容調(diào)節(jié)要求。若水庫按照日負荷曲線方式運行,則應對一級水庫容量進行校驗以保證其處于允許庫容范圍。

2.3 梯級水電站AGC控制

梯級水電站AGC控制分為廠間控制及廠內(nèi)控制,本文主要就廠間AGC控制問題進行探討,其任務為滿足各種約束的條件下,目標為使得各級水庫計算期末水庫總蓄水量 最大,進而對廠間負荷進行優(yōu)化,同時實現(xiàn)廠站內(nèi)AGC。

圖4 “主備集控、現(xiàn)場值守”運行模式示意圖

圖5 “集中調(diào)度、分區(qū)控制、現(xiàn)場值守”運行模式示意圖

假設各級水庫均按照日負荷曲線方式運行,一個調(diào)度日內(nèi)一個時間段為15min,全天日計劃為96點(即水電站按級編號為i=1、23、,以hit、qit、及itλ分別表示t時段i發(fā)電站的電站水頭、發(fā)電流量及能效系數(shù)(物理意義為單位水量所含有的能量),則梯級電站AGC控制短期優(yōu)化調(diào)度的目標函數(shù)為:

上式中, hit=λit時,為流域梯級水電站耗能水量最小的優(yōu)化準則。約束條件為:

電網(wǎng)負荷平衡:

其中,Ni,t表示t時段i水電站的出力,Ps,t表示t時段電網(wǎng)調(diào)度的負荷。

水量平衡:

其中,Vi,t、Vi,t+1表示i水庫始末的蓄水量,Qrit、Qcit表示t時段i水庫入庫流量及出庫流量,Δt為時間間隔。

梯級電站水力聯(lián)系:

其中,Qrit、Qqit分別為t時段i水電站的入庫流量及天然來水量,Qci-1,t-Ti為 t- Ti時i-1段級水電站的出庫流量,Ti為i-1級水電站流量至i級電站的滯后時間。

水庫庫容約束:

其中,Vli,t、Vhi,t分別表示t時段i水庫的庫容下限及上限。

綜合利用流量約束條件:

其中, Qmini,t、Qmaxi,t分別表示t時段i電站下游的最小及最大流量。電站出力約束:

其中,Nli,t、Nhi,t分別表示t時段i電站的出力下限、出力上限,由綜合考慮檢修、備用容量、預想出力以及技術允許條件等共同決定。

除上述約束條件外,梯級水電站AGC控制還應滿足庫容特性及其他廠內(nèi)經(jīng)濟運行需滿足的約束條件。

2.4 站間通信

流域梯級水電站進行集中控制中心位置的選擇時通常按以下三種原則:(1)位于龍頭電站便于水庫調(diào)度及水情測報；(2)位于梯級出線樞紐利于管理運行方式；(3)與電力調(diào)度一起位于靠近的城鎮(zhèn)。無論哪種方式,對于流域梯級電站而言,站間通信是其實現(xiàn)集中控制重要的組成部分。目前一般站間通信信道有載波、微波、光纖及衛(wèi)星通道,光纖居多。按通道形式可以分為:專用載波通道、專用微波通道、專用光纖通道以及專用衛(wèi)星通道。同時,鑒于梯級流域集控中心的位置重要性,也可采用復合通道。

3 流域梯級水電站集中控制運行模式

3.1 模式一:遠方監(jiān)控、電站值守

該模式適用范圍為地理、交通、經(jīng)濟及生活條件相對理想的單一電站,在距離電站50 km范圍內(nèi)設置遠方監(jiān)控中心,通過短距離光纖通道,將電站內(nèi)的核心網(wǎng)絡設備與遠方監(jiān)控中心進行連接,實現(xiàn)在遠方監(jiān)控中心對機組開、停、調(diào)相等工況進行轉換操作、以及有功無功的運行監(jiān)視及調(diào)整,只有部分人員在電站值守并處理工作,即實現(xiàn)“遠方監(jiān)控,電站值守”。流域梯級電站群還沒有形成之前,改模式為過渡模式,如圖1所示。

該模式優(yōu)缺點如下:

優(yōu)點:建設、投資、以及修護成本低,易于實現(xiàn)?？赏ㄟ^現(xiàn)場及遠方監(jiān)控雙向管理實現(xiàn)人員合理調(diào)配。

缺點:所需運行人員較多,不易于統(tǒng)一管理。

3.2 模式二:集中調(diào)度、現(xiàn)場控制

隨著流域梯級流域電站群的出現(xiàn),模式二為模式一基礎上的改進,即綜合考慮地理、交通、經(jīng)濟及生活條件等因素,在距離電站100-1000 km范圍內(nèi)設置遠方監(jiān)控中心,通過上級調(diào)度、集控中心、以及電站側的專業(yè)通信通道及通信系統(tǒng),實現(xiàn)一對多的通信,進行多個電廠的調(diào)度。同時,應保證水庫調(diào)度系統(tǒng)、計算機監(jiān)控系統(tǒng)在最小范圍內(nèi)接入集控中心,以便集控中心實施掌握各電站生產(chǎn)信息,上級調(diào)度部門調(diào)度指令下達后由各電站執(zhí)行。該模式調(diào)度中心掌管電站及水庫的調(diào)度權,各電站及集控中心均24 h值班,設備監(jiān)督、運行及操作等仍由電站現(xiàn)場完成,具體如圖2所示。

該模式優(yōu)缺點如下:

優(yōu)點:可在最小范圍內(nèi)完成系統(tǒng)建設與投入,調(diào)度中心掌管電站及水庫的調(diào)度權,電力生產(chǎn)核心在電站,設備運行安全穩(wěn)定性高,便于緊急事故的處理

缺點:自動化項目單一,調(diào)度中心功能,人力成本高。

3.3 模式三: 調(diào)控一體、現(xiàn)場值守

該模式以模式二為基礎,將調(diào)度中心設置在中心城市,將流域梯級電站的水庫調(diào)度及電力生產(chǎn)調(diào)度納入管理范圍,并且還能實現(xiàn)如設備運行、監(jiān)視、操作等的遠程電力生產(chǎn)控制,多數(shù)員工在集控中心完成日常生產(chǎn)工作,只保留少量人員在電站值守。通信方面需要上級調(diào)度部門、集控中心以及電站側均接入如程控調(diào)度交換、光傳輸、衛(wèi)星系統(tǒng)、PCM等專業(yè)的通信系統(tǒng),自動化方面需要構建完整的綜合自動化系統(tǒng),實時控制業(yè)務部分至少分為包括集控層、廠站層、現(xiàn)地層等在內(nèi)3個層次的系統(tǒng)架構。最終,該模式實現(xiàn)由集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)直接控制、對各梯級電站的機組、閘門及主要開關等設備進行調(diào)度,同時,集控中心發(fā)出命令至梯級電站LCU,各梯級各電站LCU執(zhí)行命令并向集控中心計算機監(jiān)控系統(tǒng)返回信息以進行監(jiān)視。此模式如下圖3所示。

該模式優(yōu)缺點如下:

優(yōu)點:電站生產(chǎn)核心為集控中心,可實現(xiàn)優(yōu)化調(diào)度、水電聯(lián)調(diào)、統(tǒng)籌統(tǒng)調(diào),以達到發(fā)電效益及經(jīng)濟效益最優(yōu)。

缺點:對設備自動化程度和可靠性的依賴度較高,集控中心調(diào)度人員必須專人負責廠站的調(diào)度與監(jiān)視工作。

3.4 模式四: 主備集控、現(xiàn)場值守

該模式為以模式三為基礎更安全可靠的一種模式。通信自動化系統(tǒng)要求及架構與模式三相同,在此基礎上,新增備用集控以及貫徹容災的理念。在系統(tǒng)正常運行時,主用集控作用；而當主用集控異常時,備用集控發(fā)揮作用,以保證電力生產(chǎn)的安全、可靠。如下圖4所示。

該模式優(yōu)缺點如下:

優(yōu)點:相比于調(diào)控一體模式,安全可靠性更高。

缺點:系統(tǒng)配置更復雜、設備多,造價高,人力成本略高。

3.5 模式五:集中調(diào)度、分區(qū)控制、現(xiàn)場值守

該模式適用于分布廣、開發(fā)電站多、流域狹長的流域群項目,分層分區(qū)設置。該模式設置設立核心集控中心以及多個分區(qū)集控中心,核心集控中心接入各分區(qū)集控中心,分區(qū)集控中心接入?yún)^(qū)內(nèi)節(jié)點電站,實現(xiàn)三層結構。分區(qū)集控中心通信自動化系統(tǒng)要求及架構與模式三、四相同,而核心集控中心通信自動化系統(tǒng)要求更全面、堅固,類似于IT的數(shù)據(jù)中心。該模式架構如圖下5所示。

該模式優(yōu)缺點如下:

優(yōu)點:分層分區(qū),安全可靠；水電調(diào)度體系清晰,流域規(guī)模經(jīng)濟效益明顯；可設置區(qū)域集控為備用機構,可靠系數(shù)高。

缺點:系統(tǒng)配置更復雜、造價高,人力成本高。

4 結語

隨著計算機及通信技術的發(fā)展,梯級水電站集控中心的技術及運行模式也會越來越成熟,其技術及模式肯定會發(fā)展得更合理、更先進、更科學。在實際中,具體需要考慮哪種技術,哪種運行模式最科學先進合理,還需要因地制宜,各流域集控中心去總結、去探索、去優(yōu)化。

[1]萬飚,高仕春,陶自成,等.三峽梯級和清江梯級聯(lián)合運行影響分析.水力發(fā)電學報,2007.8,26(4):1～5.

[2]朱厚生,邱林.黃河上游梯級水庫水沙調(diào)節(jié)優(yōu)化調(diào)度.1990.11,6:54～60.

[3]梅亞東,朱教新.黃河上游梯級水電站短期優(yōu)化調(diào)度模型及迭代解法.水力發(fā)電學報,2000.2,19(1):1～7.

[4]尹明萬.三峽梯級水電站汛期日運行方式優(yōu)化.水利學報,1998.2,2:79～83.

周加慶(1978—),男,黑龍江牡丹江人,本科,學士學位,工程師,主要從事水電站機電安裝調(diào)試技術和管理工作。