豐滿水電廠機(jī)組低頻自啟動(dòng)設(shè)計(jì)研究與應(yīng)用

王振羽,萬(wàn) 君,陳伏高

(1.松花江水力發(fā)電有限公司豐滿大壩重建工程建設(shè)局，吉林 吉林 132013)(2.南瑞集團(tuán)(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司,江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，在“雙碳”背景下，新能源裝機(jī)容量快速增長(zhǎng)，風(fēng)電、光伏等發(fā)電占比在電網(wǎng)電源端迅速提高。新型電力系統(tǒng)下，水電廠對(duì)于新能源發(fā)電的消納以及電網(wǎng)的安全穩(wěn)定有著重要的作用。

為了保證電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定性、安全性、有效性，東北電網(wǎng)要求下屬電廠的所有發(fā)電機(jī)組均具備低頻自啟動(dòng)及自動(dòng)調(diào)頻功能。水電廠機(jī)組低頻自啟動(dòng)是檢測(cè)到電網(wǎng)頻率低于規(guī)定值，自動(dòng)快速開(kāi)啟一臺(tái)或者數(shù)臺(tái)水輪機(jī)組，并入電網(wǎng)發(fā)電，增加全廠負(fù)荷出力來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整水電廠母線頻率的技術(shù)。在保證機(jī)組安全運(yùn)行的條件下，為系統(tǒng)提供可充分利用的有功功率，減少母線頻率的震蕩，提高電網(wǎng)的安全穩(wěn)定性。

豐滿水電廠始建于1937年，被稱為中國(guó)“水電之母”。作為國(guó)網(wǎng)公司與新源公司的重要項(xiàng)目，豐滿水電站全面治理(重建)工程是在原大壩下游120 m處新建1座大壩，新建6臺(tái)單機(jī)20萬(wàn)kW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，保留原三期工程2臺(tái)14萬(wàn)kW機(jī)組，總裝機(jī)容量148萬(wàn)kW，年均發(fā)電量17.09億kW·h，以500 kV電壓接入吉林電網(wǎng)。豐滿水電廠作為東北電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻最為重要的水電廠，采用低頻自啟動(dòng)并結(jié)合AGC的調(diào)頻功能可以進(jìn)行電廠和電網(wǎng)的有功頻率調(diào)整控制，提高電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定水平和電能質(zhì)量，滿足整體電網(wǎng)的頻率穩(wěn)定性。豐滿水電廠低頻自啟動(dòng)功能在電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，其計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)使用南瑞集團(tuán)有限公司提供的智能一體化平臺(tái)IMC系統(tǒng)。電廠低頻自啟動(dòng)的實(shí)現(xiàn)使用了智能一體化平臺(tái)IMC系統(tǒng)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的低頻自啟動(dòng)功能模塊，該模塊是自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)自動(dòng)調(diào)頻模式的組成部分，通過(guò)廠內(nèi)靜態(tài)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)并驗(yàn)證豐滿水電廠機(jī)組低頻自啟動(dòng)功能，滿足東北電網(wǎng)關(guān)于水電廠機(jī)組低頻自啟動(dòng)功能的要求。

1 需求分析

1.1 校驗(yàn)功能分析

(1)數(shù)據(jù)校驗(yàn)

根據(jù)東北電網(wǎng)要求設(shè)定低頻自啟動(dòng)的系統(tǒng)頻率規(guī)定值，當(dāng)采樣系統(tǒng)頻率低于低頻自啟動(dòng)系統(tǒng)頻率規(guī)定值，延時(shí)一定的時(shí)限，具備低頻自啟動(dòng)條件。

同時(shí)依據(jù)豐滿水電廠機(jī)組運(yùn)行工況等約束，全廠總開(kāi)機(jī)機(jī)組不超過(guò)Nmax臺(tái)，同時(shí)低頻自啟動(dòng)的機(jī)組不超過(guò)Nstart臺(tái)。

(2)功能校驗(yàn)

設(shè)置全廠低頻自啟動(dòng)投入功能軟壓板和每臺(tái)機(jī)組低頻自啟動(dòng)投入功能軟壓板，全廠低頻自啟動(dòng)功能軟壓板投入并且任意1臺(tái)或者多臺(tái)機(jī)組低頻自啟動(dòng)功能軟壓板投入時(shí)，具備低頻自啟動(dòng)條件。

(3)機(jī)組狀態(tài)校驗(yàn)

以機(jī)組狀態(tài)確定發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)和正在開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)，其中以“機(jī)組發(fā)電態(tài)”為判據(jù)確定發(fā)電機(jī)組臺(tái)數(shù)，以“機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中”為判據(jù)確定正在開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)。

(4)低頻自啟動(dòng)開(kāi)機(jī)邏輯設(shè)計(jì)

邏輯判據(jù)：“全廠低頻自啟動(dòng)功能軟壓板投入”且“系統(tǒng)頻率低于低頻自啟動(dòng)的系統(tǒng)頻率規(guī)定值并延時(shí)Tdelay秒”且“機(jī)組低頻自啟動(dòng)功能軟壓板投入”且“需要開(kāi)機(jī)臺(tái)數(shù)小于Nstartmax”。

邏輯輸出：?jiǎn)?dòng)投入低頻自啟動(dòng)軟壓板的機(jī)組并報(bào)警系統(tǒng)頻率過(guò)低，機(jī)組啟動(dòng)從機(jī)組號(hào)小到大順序啟動(dòng)。

1.2 防誤分析

(1)數(shù)據(jù)可靠性分析

低頻自啟動(dòng)功能模塊共享計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，尤其是電網(wǎng)的系統(tǒng)頻率，采集精度應(yīng)滿足性能指標(biāo)要求。豐滿水電廠低頻自啟動(dòng)功能模塊的數(shù)據(jù)是計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)與500 kV開(kāi)關(guān)站測(cè)控裝置通過(guò)IEC 61850通信采集兩段母線頻率Fsys-I與Fsys-II。

(2)安全策略分析

低頻自啟動(dòng)控制功能模塊應(yīng)可以檢測(cè)母線頻率波動(dòng)是否有誤，即防母線頻率波動(dòng)錯(cuò)誤保護(hù)。當(dāng)前處理方式是檢測(cè)到實(shí)際母線頻率低于設(shè)定的系統(tǒng)頻率規(guī)定值延續(xù)時(shí)限小于Twf時(shí)，低頻自啟動(dòng)不啟動(dòng)，針對(duì)關(guān)鍵的數(shù)據(jù)增加必要的濾波時(shí)限約束，過(guò)濾掉誤動(dòng)數(shù)據(jù)信號(hào)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 低頻自啟動(dòng)約束條件

(1)低頻自啟動(dòng)約束條件

①“機(jī)組開(kāi)機(jī)條件滿足”且“機(jī)組非開(kāi)機(jī)過(guò)程中”且“機(jī)組處于停機(jī)態(tài)”條件滿足。

②全廠低頻自啟動(dòng)功能壓板軟壓板投入。

③需啟動(dòng)的機(jī)組低頻自啟動(dòng)功能軟壓板投入。

④實(shí)際采樣系統(tǒng)頻率設(shè)值或者人工設(shè)定試驗(yàn)用母線頻率Ftest設(shè)值小于低頻自啟動(dòng)的系統(tǒng)頻率規(guī)定值Fsys-S(單位Hz)。

注：因?qū)嶋H母線頻率無(wú)法達(dá)到規(guī)定值，故增加試驗(yàn)用母線頻率設(shè)定值參與判據(jù)方便試驗(yàn)。

⑤低頻自啟動(dòng)機(jī)組不超過(guò)Nstart臺(tái)。

⑥機(jī)組啟動(dòng)順序按照機(jī)組號(hào)由小到大順序啟動(dòng)。

⑦全廠開(kāi)機(jī)機(jī)組不超過(guò)Nmax臺(tái)。

(2)低頻自啟動(dòng)的影響因素

①低頻自啟動(dòng)機(jī)組的同期裝置需調(diào)整頻差范圍，低頻自啟動(dòng)的頻率與實(shí)際系統(tǒng)頻率差值能達(dá)到ΔFs，豐滿水電廠實(shí)際機(jī)組的同期合閘頻差ΔFg(0.15 Hz)無(wú)法滿足低頻自啟動(dòng)要求。

ΔFs=Fs-Fsys-S

注：Fs為電網(wǎng)系統(tǒng)頻率，50 Hz，豐滿水電廠低頻限值Fsys-S為49.7 Hz，ΔFs為0.3 Hz。

②低頻自啟動(dòng)的機(jī)組并網(wǎng)后僅是帶了基荷，需要運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)實(shí)際負(fù)荷，亦可投入AGC功能與運(yùn)行的機(jī)組共同承擔(dān)全廠有功功率及頻率的調(diào)整。

③低頻自啟動(dòng)機(jī)組的順序按照機(jī)組號(hào)由小到大的停機(jī)機(jī)組順序，且最多啟動(dòng)Nstart臺(tái)機(jī)組。

④綜合考慮各機(jī)組有功負(fù)荷以及電網(wǎng)頻率的大小，以及機(jī)組的最大和最小有功功率的限制。

⑤低頻自啟動(dòng)判據(jù)延時(shí)功能設(shè)計(jì)，以避免采樣頻率抖動(dòng)而引起的誤啟動(dòng)，設(shè)值延時(shí)為T(mén)wf。

2.2 控制模式

低頻自啟動(dòng)功能模塊根據(jù)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)對(duì)象中的條件運(yùn)算出實(shí)際頻率與試驗(yàn)用低頻定值設(shè)值的邏輯關(guān)系，按照控制策略合理對(duì)每臺(tái)停機(jī)機(jī)組進(jìn)行低頻自啟動(dòng)，通過(guò)開(kāi)機(jī)且調(diào)節(jié)已開(kāi)發(fā)電機(jī)有功出力來(lái)增加實(shí)際母線頻率，達(dá)到全廠目標(biāo)控制值，實(shí)現(xiàn)全廠多機(jī)組的頻率有功自動(dòng)控制。

豐滿水電廠低頻自啟動(dòng)根據(jù)實(shí)際母線頻率與低頻自啟動(dòng)的頻率，按照實(shí)際母線頻率比低頻自啟動(dòng)的頻率低且持續(xù)保持Twf后自動(dòng)開(kāi)啟不超過(guò)2臺(tái)滿足條件的停機(jī)狀態(tài)的機(jī)組；然后可以自動(dòng)或者人工設(shè)置分配每臺(tái)機(jī)組有功功率，通過(guò)增加發(fā)電機(jī)有功出力，以提高系統(tǒng)頻率。

低頻自啟動(dòng)原則上應(yīng)采用全廠與機(jī)組混合控制模式，可以控制2臺(tái)機(jī)組。低頻自啟動(dòng)工作方式還可由運(yùn)行人員在低頻自啟動(dòng)控制畫(huà)面上選擇。

(1)全廠低頻自啟動(dòng)投入/退出

全廠低頻自啟動(dòng)投入或退出，如全廠投入低頻功能軟壓板未投入，即全廠低頻自啟動(dòng)功能退出，則機(jī)組無(wú)法進(jìn)行低頻自啟動(dòng)開(kāi)機(jī)。

(2)機(jī)組低頻自啟動(dòng)投入/退出

機(jī)組低頻自啟動(dòng)投入或退出，如無(wú)機(jī)組低頻功能軟壓板未投入，即機(jī)組不參與低頻自啟動(dòng)開(kāi)機(jī)，則機(jī)組無(wú)法進(jìn)行低頻自啟動(dòng)開(kāi)機(jī)。只有投入機(jī)組低頻自啟動(dòng)，對(duì)應(yīng)的機(jī)組才可以參與低頻自啟動(dòng)邏輯。

(3)試驗(yàn)用母線頻率設(shè)值/試驗(yàn)用低頻定值設(shè)值

兩個(gè)給定值都可以由運(yùn)行人員通過(guò)畫(huà)面設(shè)定，當(dāng)試驗(yàn)用母線頻率設(shè)值或?qū)嶋H母線頻率低于試驗(yàn)用低頻定值設(shè)值并保持Twf；低頻自啟動(dòng)功能模塊自動(dòng)開(kāi)啟機(jī)組，開(kāi)啟機(jī)組按照機(jī)組號(hào)由小到大的順序，開(kāi)啟不超過(guò)2臺(tái)滿足條件的停機(jī)機(jī)組。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)IO接口設(shè)計(jì)

低頻自啟動(dòng)程序模塊的運(yùn)行需要上述多個(gè)參數(shù)的輸入，綜合驗(yàn)算后輸出開(kāi)機(jī)并網(wǎng)令至相應(yīng)的機(jī)組，在程序模塊設(shè)計(jì)之初考慮到普適應(yīng)應(yīng)用的場(chǎng)景，設(shè)計(jì)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的輸入?yún)?shù)供調(diào)試人員配置。

低頻自啟動(dòng)程序模塊過(guò)程驗(yàn)算數(shù)據(jù)以及輸出結(jié)果在引出，作為自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)的輸入數(shù)據(jù)，可以有效、可靠地使用自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)的自動(dòng)調(diào)頻功能。

輸出的參數(shù)需要安全可靠，因此低頻自啟動(dòng)程序模塊核心驗(yàn)算模塊的安全閉鎖邏輯，除上述邏輯分析外，還需結(jié)合電廠實(shí)際運(yùn)行工況做綜合性考慮。

3 系統(tǒng)應(yīng)用

豐滿水電廠智能一體化IMC系統(tǒng)平臺(tái)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)部署2臺(tái)通訊服務(wù)器，并配置專門(mén)通信網(wǎng)口通過(guò)專用的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通道，采用IEC 61850規(guī)約用于500 kV開(kāi)關(guān)站測(cè)控裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中包括系統(tǒng)頻率的數(shù)據(jù)信息?？紤]到低頻自啟動(dòng)功能模塊的穩(wěn)定性和可靠性，采集的母線頻率并非單一值，而是取兩段母線頻率測(cè)值進(jìn)行綜合運(yùn)算從而得出一個(gè)可靠的頻率測(cè)值，防止單一測(cè)量源故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的發(fā)生。

豐滿水電廠運(yùn)行人員通過(guò)畫(huà)面下發(fā)的試驗(yàn)用母線頻率設(shè)值和試驗(yàn)用低頻定值設(shè)值，低頻自啟動(dòng)功能模塊經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，輸出是否有機(jī)組參與低頻自啟動(dòng)。如果有機(jī)組參與低頻自啟動(dòng)且條件滿足，則通過(guò)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)機(jī)組發(fā)電令至相應(yīng)機(jī)組LCU，接收到該機(jī)組啟動(dòng)指令的LCU通過(guò)PLC程序中相應(yīng)開(kāi)機(jī)程序執(zhí)行發(fā)電令，開(kāi)機(jī)至并網(wǎng)(見(jiàn)圖1)。

圖1 豐滿水電廠低頻自啟動(dòng)及AGC數(shù)據(jù)流示意

豐滿水電廠低頻自啟動(dòng)試驗(yàn)于2020年9月完成，通過(guò)試驗(yàn)，可以確認(rèn)現(xiàn)有的低頻自啟動(dòng)程序可以高效快速地實(shí)現(xiàn)控制機(jī)組開(kāi)機(jī)帶基礎(chǔ)負(fù)荷，以達(dá)到調(diào)節(jié)電廠母線頻率的目的；同時(shí)為低頻自啟動(dòng)程序增加必要的安全閉鎖條件，可以為低頻自啟動(dòng)程序的運(yùn)行提供必要的安全保障，提高了低頻自啟動(dòng)運(yùn)行的可靠性。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文具體闡述了豐滿水電廠低頻自啟動(dòng)功能的設(shè)計(jì)方法，以及為保證機(jī)組安全可靠啟動(dòng)增加了必要的安全閉鎖條件，驗(yàn)證了可在常規(guī)水電廠推廣使用的低頻自啟動(dòng)功能模塊，配合水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)功能應(yīng)用中的自動(dòng)調(diào)頻模塊更能充分發(fā)揮水電廠調(diào)頻功能，可滿足電網(wǎng)中調(diào)頻水電廠的運(yùn)行需求。

豐滿水電廠低頻自啟動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)在實(shí)際試驗(yàn)驗(yàn)證中還存在部分需改進(jìn)之處，后續(xù)將結(jié)合電廠的實(shí)際運(yùn)行工況增加完善安全閉鎖條件、聲光電報(bào)警功能等；同時(shí)進(jìn)一步規(guī)范低頻自啟動(dòng)功能模塊的入口參數(shù)、出口參數(shù)以及完善規(guī)范邏輯校驗(yàn)功能，將繼續(xù)研究該功能模塊作為自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)一部分的可行性。

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