小水電自動經(jīng)濟發(fā)電功能設(shè)計及應(yīng)用

陳順平，葛海亮

(鈦能科技股份有限公司，南京，210000)

0 引言

水電站自動化系統(tǒng)在電站里已普及應(yīng)用，實現(xiàn)了水電站安全生產(chǎn)監(jiān)視與控制，但距離“無人值班，少人值守”的設(shè)計目標(biāo)還有較大的差距。主要原因是自動化系統(tǒng)只能實現(xiàn)全廠生產(chǎn)運行的數(shù)據(jù)監(jiān)視與常規(guī)的開停機流程控制，需要人為地進行頻繁的開停機操作與功率調(diào)節(jié)，不僅增加了人力的消耗，還有可能導(dǎo)致電站棄水，無法充分利用水資源，實現(xiàn)電站的最大經(jīng)濟效益。鑒于以上情況，越來越多的電站業(yè)主希望水電站自動化系統(tǒng)具有自動經(jīng)濟發(fā)電功能，實現(xiàn)水電站高效的生產(chǎn)運行管理，為水電站實現(xiàn)最大的經(jīng)濟效益[1]，最大程度地利用水資源。

大部分水電站現(xiàn)有的自動化系統(tǒng)由于產(chǎn)品與技術(shù)原因，不具備自動經(jīng)濟發(fā)電功能，用戶也很難重新升級或更換現(xiàn)有的系統(tǒng)；小水電站相對于大電站來說，設(shè)備配置簡單，運行要求低，完全按照常規(guī)電站來進行設(shè)計，使用復(fù)雜自動經(jīng)濟發(fā)電系統(tǒng)，很難進行推廣應(yīng)用?；谝陨锨闆r，本文提出了一種選擇在現(xiàn)有的自動化系統(tǒng)之外單獨加裝一套小水電自動經(jīng)濟發(fā)電控制系統(tǒng)來實現(xiàn)水電站的自動發(fā)電功能。現(xiàn)有的控制系統(tǒng)作為執(zhí)行機構(gòu)，執(zhí)行經(jīng)濟發(fā)電控制系統(tǒng)的控制指令與調(diào)節(jié)指令；自動經(jīng)濟發(fā)電系統(tǒng)利用PLC可編程邏輯控制器為核心來進行設(shè)計，配套人機界面，實現(xiàn)小水電站的自動經(jīng)濟發(fā)電功能。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能

在有機組參加自動經(jīng)濟發(fā)電功能且系統(tǒng)投入運行時，系統(tǒng)可以根據(jù)當(dāng)前的前池水位，按照設(shè)定的開停機水位及順序，自動發(fā)出開、停機命令，同時根據(jù)前池水位及變化率自動調(diào)整機組的出力，保持前池水位處于高水位運行。

1.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

小水電機組智能控制器通過485方式接入通訊管理機，通訊管理機實現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換，上送數(shù)據(jù)給經(jīng)濟發(fā)電控制器與后臺監(jiān)控系統(tǒng)，并接收控制與遙調(diào)命令。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

1.3 系統(tǒng)接入?yún)f(xié)議

(1)小水電智能控制器與通訊管理機使用智能控制器專用協(xié)議。

(2)通訊管理機與后臺系統(tǒng)使用從站TCP-MODBUS通用協(xié)議。

(3)通訊管理機與經(jīng)濟發(fā)電控制器使用從站TCP-MODBUS協(xié)議。

1.4 系統(tǒng)設(shè)備配置

經(jīng)濟發(fā)電控制系統(tǒng)組成：PLC可編程控制器+觸摸屏。

(1)PLC:通過通訊管理機與小水電智能控制器進行通信，實現(xiàn)機組開停機與負荷調(diào)節(jié)功能。

(2)觸摸屏：實現(xiàn)經(jīng)濟發(fā)電控制系統(tǒng)功能的投退與相關(guān)參數(shù)的整定以及系統(tǒng)運行的數(shù)據(jù)監(jiān)視。

2 按水位變化率實現(xiàn)的原理

2.1 整體設(shè)計思路

兩臺機組：G1、G2；

發(fā)電機功率：最大功率Pmax、第一檔位功率P1、第二檔位功率P2、額定功率PN；

開機水位：SW1、SW2；

關(guān)機水位：SW3、SW4；

當(dāng)前水位：SW0；

水位變化率：△SW1、△SW2。

若投入全自動發(fā)電，則G1、G2開機功率由默認值確定；若投入人工干預(yù)方式自動發(fā)電則G1、G2開機功率可現(xiàn)場設(shè)置。

過程自動發(fā)電調(diào)節(jié)：

(1)當(dāng)SW0>SW1，開G1、G2(開機功率可設(shè)定，也可默認滿載)。

(2)G1開后，若當(dāng)前水位SW0>SW2，提示開G2，提示G2功率設(shè)定。

否則判斷：水位下降/上升|△SW|>△SW2，則快調(diào)低/高(機組功率P0≤Pmax)G1負載，若△SW2>|△SW|>△SW1，則慢調(diào)低/高(機組功率P0≤Pmax)負荷；若|△SW|<△SW1，功率不調(diào)，則進入水位判斷。

否則判斷：水位下降/上升|△SW|>△SW2，則快調(diào)低/高(機組功率P0≤Pmax)G1負載；△SW2>|△SW|>|△SW1，則慢調(diào)低/高(機組功率P0≤Pmax)G1負載；若|△SW|<△SW1，功率不調(diào)，則進入水位判斷。

2.2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)過程及控制流程

(1)整定自動發(fā)電控制系統(tǒng)公用及機組相關(guān)參數(shù)值，投入需要參與自動發(fā)電的機組以及功能；

(2)當(dāng)自動發(fā)電功能投入且有機組參與自動發(fā)電時，系統(tǒng)會按照整定的運行周期進行，調(diào)用開停機、功率調(diào)節(jié)模塊；

(3)當(dāng)開停機功能投入且沒有機組正在開停機時，水位大于整定的開機水位時，機組啟動開機流程，水位低于整定的停機水位時，機組啟動停機流程，同時置開停機標(biāo)志為1，不允許其他機組進行開停機操作以及功率調(diào)節(jié)；

(4)當(dāng)沒有機組正在開停機時，機組功率按照水位檔位及水位變化率進行調(diào)節(jié)，水位變化率大時進行快調(diào)功率，變化率小時慢調(diào)功率，死區(qū)范圍內(nèi)時不調(diào)節(jié)。

按水位變化率實現(xiàn)邏輯框圖如圖2所示。

圖2 按水位變化率實現(xiàn)邏輯

3 按恒水位實現(xiàn)的原理

3.1 整體設(shè)計思路

兩臺機組：G1、G2；

發(fā)電機功率：最大功率Pmax、開機功率P1、額定功率PN；

開機水位：SW1、SW2；

關(guān)機水位：SW3、SW4；

當(dāng)前水位：SW0；

水位誤差：△SW；

設(shè)定水位：SWset；

水位差死區(qū)：SWdead；

水位差分界：SWadj。

過程自動發(fā)電調(diào)節(jié)：(投入自動發(fā)電功能)

(1)當(dāng)SW0>SW1，開G1(G1開機功率可設(shè)定)。

(2)G1開后，若當(dāng)前水位SW0>SW2，開G2(G2開機功率設(shè)定)。

(3)G2開后，恒水位控制的實現(xiàn)[2]：定義水位誤差△SW=SWset-SW0，SWset為水位設(shè)定值，SW0為水位實時測量值，按照水位誤差△SW進行功率調(diào)節(jié)控制。

當(dāng)|△SW|

當(dāng)SWadj>|△SW|>SWdead時，按設(shè)置的調(diào)節(jié)周期消除誤差。水位比設(shè)定值低時，升高水位，降低負荷，發(fā)減負荷脈沖；水位比設(shè)定值高時，降低水位，升高負荷，發(fā)增負荷脈沖。

當(dāng)|△SW|>SWadj時，按設(shè)置的調(diào)節(jié)周期消除誤差。水位比設(shè)定值低時，升高水位，降低負荷，發(fā)減負荷脈沖；水位比設(shè)定值高時，降低水位，升高負荷，發(fā)增負荷脈沖。

3.2 控制系統(tǒng)實現(xiàn)過程及控制流程

控制系統(tǒng)實現(xiàn)過程前三步用上述2.2中(1)-(3)。第四步，當(dāng)恒水位功能投入且沒有機組正在開停機時，機組功率按照水位差進行調(diào)節(jié)，水位差大時進行快調(diào)功率，小時慢調(diào)功率，死區(qū)范圍內(nèi)時不調(diào)節(jié)，保持水位的恒定。

圖3 按恒水位實現(xiàn)邏輯

4 參數(shù)整定

主要包括公用、機組的參數(shù)設(shè)置以及軟控制字的投退，自動發(fā)電控制系統(tǒng)初始使用時需要進行參數(shù)設(shè)置。

(1)調(diào)節(jié)周期：自動化發(fā)電控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)周期，按照整定的周期進行調(diào)節(jié)；

(2)前池最大水位：前池的水位上限，水位異常時閉鎖程序；

(3)前池最小水位：前池的水位下限，水位異常時閉鎖程序；

(4)水位變化率：單位時間內(nèi)的前池水位變化值；

(5)機組調(diào)節(jié)功率：前池水位對應(yīng)的機組發(fā)電功率值；

(6)機組開機功率：機組并網(wǎng)發(fā)電時初始功率；

(7)機組開機水位：機組開機時對應(yīng)的前池水位，當(dāng)水位高于設(shè)定值時，進行開機；

(8)機組停機水位：機組停機時對應(yīng)的前池水位，當(dāng)水位低于設(shè)定值時，進行停機；

(9)全廠自動發(fā)電功能：軟控制字，投入/退出；

(10)自動開停機功能：軟控制字，投入/退出；

(11)前池水位：對應(yīng)前池的水位值；

(12)機組自動發(fā)電功能投入：軟控制字，投入/退出。

表1 參數(shù)整定

5 系統(tǒng)組態(tài)界面

目前小水電自動經(jīng)濟發(fā)電控制系統(tǒng)已在福建大溪峰一級水電站、小水口電站陸續(xù)投入運行使用，實現(xiàn)了小水電機組的自動開停機與功率調(diào)節(jié)功能，保持了前池水位的穩(wěn)定，大大減輕了運行人員的工作量，提高了小水電經(jīng)濟效益。而且也正在企業(yè)集團內(nèi)其他小水電站陸續(xù)進行推廣與使用。

圖4 系統(tǒng)組態(tài)示意

6 結(jié)語

小水電站數(shù)量在全國水電站中占比較大，且由于其裝機容量小，經(jīng)濟效益差，運行管理不如大水電站，故提高小水電的全自動化經(jīng)濟發(fā)電運行水平對其生產(chǎn)運行具有重大的意義。本文基于常規(guī)水電站自動經(jīng)濟發(fā)電系統(tǒng)基礎(chǔ)上，介紹了小水電機組自動經(jīng)濟控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方式，具有一定的實際指導(dǎo)作用，且該系統(tǒng)獨立于原有的自動化系統(tǒng)之外，便于小水電大范圍地推廣應(yīng)用。目前，此經(jīng)濟發(fā)電控制系統(tǒng)已經(jīng)在福建大溪峰一級水電站經(jīng)過實際的運行，效果良好，通過使用自動經(jīng)濟發(fā)電控制系統(tǒng)，可以充分有效地利用來水，做到少棄水多發(fā)電，經(jīng)濟運行，提高了小水電的自動化程度和降低了運行人員的勞動強度，對電站的生產(chǎn)有著重要的意義[3]。