王 寧

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110006)

小型水電廠自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)研究

王 寧

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110006)

小型水電自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)對(duì)于促進(jìn)小型水電廠自動(dòng)化的全面提升有著不可替代的重要作用。文章以小型水電廠自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)的研究作為出發(fā)點(diǎn)展開討論，對(duì)開展自動(dòng)發(fā)電技術(shù)研發(fā)的必要性進(jìn)行了簡(jiǎn)述，并對(duì)自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了概述，隨后對(duì)小型水電廠自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，和其中的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。

小型水電站；自動(dòng)發(fā)電；控制技術(shù)；實(shí)現(xiàn)條件；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 前 言

改革開放以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，人們對(duì)電能的質(zhì)量與電力運(yùn)行的自動(dòng)化水平有了越來(lái)越高的要求。電廠自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)也成為了評(píng)價(jià)電網(wǎng)自動(dòng)化建設(shè)程度的重要參考因素。而水電廠鑒于其有功功率輸出值改變的較為方便，成為電力系統(tǒng)自動(dòng)化發(fā)電控制的主要實(shí)施者，其自動(dòng)發(fā)電建設(shè)的成功與否直至關(guān)系著我國(guó)整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)發(fā)電控制建設(shè)的成敗。但現(xiàn)階段我國(guó)數(shù)量眾多的小型水電廠的自動(dòng)化水平急待提升，加速有關(guān)小型水電廠自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)開發(fā)研究及應(yīng)用有著非凡的現(xiàn)實(shí)意義。

1 自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)概述

1.1 自動(dòng)發(fā)電控制的任務(wù)

伴隨著我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大以及我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高和科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，研發(fā)與普及具備強(qiáng)大實(shí)用功能的電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)已成為電力行業(yè)未來(lái)發(fā)展的必由之路[1]。

但無(wú)論自動(dòng)化發(fā)電控制技術(shù)如何發(fā)展，其應(yīng)用與普及仍主要是為了應(yīng)對(duì)電力系統(tǒng)日常運(yùn)行管理的日益復(fù)雜化，其最主要的任務(wù)大致可以歸為以下3點(diǎn)：

1)確保整個(gè)電力網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行的正常有效，這是自動(dòng)發(fā)電控制的根本目的與核心任務(wù)。

2)為廣大電力用戶提供高質(zhì)、快捷的電能。電壓、波形、頻率三者是電能質(zhì)量?jī)?yōu)劣的主要影響因素。優(yōu)質(zhì)的電能必須以三者適當(dāng)范圍內(nèi)的有效控制為前提，而這種一定范圍的實(shí)時(shí)控制只有通過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)方能真正實(shí)現(xiàn)，這亦是自動(dòng)化控制實(shí)時(shí)與普及的一大原因[2]。

3)降低發(fā)電成本，確保電力網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。頻率是電力運(yùn)行的重要指標(biāo)之一，直接關(guān)系著發(fā)電設(shè)備的經(jīng)濟(jì)、安全運(yùn)行。而頻率則主要受到發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的影響，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速又受到發(fā)電機(jī)有功功率及電網(wǎng)中各個(gè)損耗功率的影響。自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)就是通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)輸出有功功率的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)頻率的控制，從而實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)最優(yōu)化。

若想實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的有效運(yùn)行，有5個(gè)條件是其必備要素，缺其一都會(huì)使系統(tǒng)難以達(dá)到應(yīng)有的設(shè)計(jì)效果。這5個(gè)條件分別是：

1.2.1 合理的發(fā)電計(jì)劃

負(fù)荷的變動(dòng)是存在一定規(guī)律的，這種規(guī)律借由對(duì)負(fù)荷的預(yù)計(jì)計(jì)算，可以獲得，從而制定相應(yīng)的發(fā)電計(jì)劃，達(dá)成功率的平衡要求。若發(fā)電計(jì)劃的編制存在問(wèn)題，與實(shí)際有著較大的偏差，就很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)電控制的二次調(diào)整，因此合理的計(jì)劃是系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)[3]。

1.2.2 充足的備用容量

備用容量是指發(fā)電機(jī)最大容量與最大負(fù)荷之間的差值，這是確保電能高質(zhì)和用戶供電可靠性的重要保障。因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)電力供應(yīng)緊張的情況，依靠拉閘限電等方法難以維持周波進(jìn)而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)電控制的有效進(jìn)行，充足的備用可調(diào)控容量是其有效進(jìn)行的必備條件。

1.2.3 合適的調(diào)頻廠

調(diào)頻廠的選擇不僅要達(dá)到相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同時(shí)其必須由充足的備用可調(diào)容量，通常多選用抽水蓄能電站與水電站作為調(diào)頻廠。

我明白了，李老黑向楊校長(zhǎng)施壓了。我知道李老黑不會(huì)善罷甘休，但他動(dòng)作如此之快，手段如此之下作，還是大大出乎了我的意料。我可以肯定，李老黑跟楊校長(zhǎng)交代這事時(shí)，絕對(duì)不會(huì)如此客氣，如此遮遮掩掩，說(shuō)不定他已經(jīng)要求楊校長(zhǎng)把我給清退了。

1.2.4 自動(dòng)化的調(diào)度系統(tǒng)

全自動(dòng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)發(fā)電控制的必要基礎(chǔ)。

1.2.5 高度自動(dòng)化的發(fā)電廠管理運(yùn)行系統(tǒng)

自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)要求發(fā)電廠必須具備相應(yīng)的高度自動(dòng)化管理系統(tǒng)。對(duì)于水電廠來(lái)說(shuō)計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)級(jí)發(fā)電機(jī)組計(jì)算機(jī)調(diào)節(jié)系統(tǒng)是其自動(dòng)發(fā)電控制得以達(dá)成的必備條件。

2 小型水電廠自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 小型水電廠自動(dòng)發(fā)電控制實(shí)施過(guò)程

小型水電廠自動(dòng)發(fā)電的控制必須與其自身的水電計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)體系相互配合?，F(xiàn)階段，新型的自動(dòng)發(fā)電控制多使用分層控制模式，在小型水電廠其多劃分為兩級(jí)即電廠控制級(jí)與機(jī)組控制級(jí)。其實(shí)施過(guò)程如圖1所示。

首先由電廠自動(dòng)控制系統(tǒng)終端對(duì)當(dāng)前時(shí)刻水頭下為達(dá)到上級(jí)要求發(fā)電功率應(yīng)運(yùn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)與臺(tái)號(hào)及各個(gè)機(jī)組應(yīng)發(fā)功率進(jìn)行計(jì)算，隨后借由現(xiàn)地控制元將之前的運(yùn)算數(shù)據(jù)發(fā)送給相應(yīng)機(jī)組進(jìn)行執(zhí)行。而發(fā)電機(jī)組在執(zhí)行相關(guān)命令前則會(huì)對(duì)其進(jìn)行二次校對(duì)，以確保其準(zhǔn)確性與安全性，校核通過(guò)后通過(guò)調(diào)速器與設(shè)備開停裝置對(duì)機(jī)組的運(yùn)功效率及啟停加以控制。與此同時(shí)，機(jī)組控制級(jí)會(huì)對(duì)各個(gè)機(jī)組工作的實(shí)時(shí)狀況，諸如實(shí)際發(fā)功率、機(jī)組運(yùn)行情況等進(jìn)行監(jiān)測(cè)并時(shí)刻反饋給電廠控制級(jí)計(jì)算終端。

圖1 水電廠自動(dòng)發(fā)電控制實(shí)施示意圖

此外，為實(shí)現(xiàn)水電廠有效、高質(zhì)的自動(dòng)發(fā)電控制，在滿足電力系統(tǒng)負(fù)荷平衡的要求之外，還需對(duì)實(shí)際運(yùn)行中的諸多限制性因素進(jìn)行充分考慮，諸如上下游的農(nóng)業(yè)用水需求；內(nèi)陸航運(yùn)對(duì)江河水流、水量需求；汛期防洪對(duì)水庫(kù)庫(kù)容變化要求等。所以水電廠還有這按照既定水位進(jìn)行發(fā)電的職能，在進(jìn)行小型水電廠發(fā)電自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中均應(yīng)思慮這些相關(guān)問(wèn)題來(lái)對(duì)自動(dòng)發(fā)電的控制方式等進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

2.2 小型水電廠自動(dòng)發(fā)電控制功能

水電廠自動(dòng)發(fā)電的控制功能大致可分為4種，即功率控制功能、調(diào)頻功能、按給定水頭發(fā)電功能和機(jī)組功率經(jīng)濟(jì)分配功能。這4種功能中功率控制是其核心所在，自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)就其本質(zhì)而言就是對(duì)發(fā)電廠機(jī)組發(fā)電有功功率的調(diào)整與分配。因此。自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)最核心、最關(guān)鍵的功能就是對(duì)功率的控制。

通常而言，鑒于整體電網(wǎng)需求及電廠控制需求的不一，功率控制的方法可劃分為3種，即電網(wǎng)瞬間負(fù)荷給定值法、水電廠負(fù)荷給定值法與日負(fù)荷給定曲線法。上述3種功率控制方法其原理是相通的，根據(jù)式1，自動(dòng)發(fā)電控制程序可算得水電廠需要分配的自動(dòng)發(fā)電量控制有功功率PAGC。

PAGC=PS+PNAGC

(1)

式中：PS為指水電廠總有功設(shè)定值。

3種功率控制方法的區(qū)別在于水電廠總的有功設(shè)定值的給定方法有所不同，這是其能夠滿足于不同的實(shí)際需求，本文針對(duì)小型水電廠自發(fā)電控制系統(tǒng)所采用的為日負(fù)荷給定曲線法。

2.3 小型水電廠自動(dòng)發(fā)電控制程序結(jié)構(gòu)

小型水電廠自動(dòng)發(fā)電控制程序的總流程示意圖如圖2所示。

按照小型水電廠其自動(dòng)發(fā)電控制的功能進(jìn)行分類，自動(dòng)發(fā)電控制程序中的發(fā)電方式共有3種，分別是調(diào)頻發(fā)電子程序、按給定水頭發(fā)電子程序以及按給定功率發(fā)電子程序，在電廠實(shí)際運(yùn)行中，3個(gè)子程序均會(huì)對(duì)相應(yīng)模式下發(fā)電機(jī)組運(yùn)行所應(yīng)該分配的發(fā)電廠AGCP即自動(dòng)發(fā)電控制有功功率值進(jìn)行運(yùn)算，相應(yīng)的運(yùn)算結(jié)果會(huì)被送入機(jī)組功率經(jīng)濟(jì)分配程序中加以核算，選擇最優(yōu)的分配方式，并將各個(gè)機(jī)組應(yīng)負(fù)責(zé)的有功功率數(shù)值發(fā)送各機(jī)組的控制程序加以執(zhí)行。除此之外，在主要運(yùn)行程序之外還應(yīng)有諸多關(guān)鍵輔助程序，諸如水頭報(bào)警輔助程序、水頭測(cè)量輔助程序等。

當(dāng)發(fā)電廠的自動(dòng)發(fā)電控制程序進(jìn)行第一次運(yùn)行時(shí)，電廠工程師應(yīng)先將各個(gè)機(jī)組的特性輸入到控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，這些數(shù)據(jù)包括發(fā)電廠水輪機(jī)組臺(tái)數(shù)、各個(gè)機(jī)組的發(fā)電功率范圍、各機(jī)組的振動(dòng)區(qū)、氣蝕區(qū)及水頭范圍、自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間等等。此外小型水電廠自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)在運(yùn)行的每個(gè)周期都必須從數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)中對(duì)自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)所需要的各種電廠運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)讀取，諸如各個(gè)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)及當(dāng)前發(fā)電功率、當(dāng)前發(fā)電模式、水頭實(shí)時(shí)值等，從而確保自動(dòng)發(fā)電控制程序進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。

圖2 自動(dòng)發(fā)電控制程序流程圖

3 結(jié) 語(yǔ)

小型水電自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)對(duì)于促進(jìn)小型水電廠自動(dòng)化水平的全面提升有著不可替代的重要作用，同時(shí)亦是實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)安全、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的必要條件。文中筆者結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)對(duì)適用于小型發(fā)電廠自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)構(gòu)建方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，希望能夠?yàn)樽詣?dòng)發(fā)電控制技術(shù)在小型水電廠的應(yīng)用與普及提供些許借鑒之處，讓電廠自身功能實(shí)現(xiàn)最大發(fā)揮的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)電廠經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)化。

[1]陳曉東.中小型水電廠自動(dòng)發(fā)電控制技術(shù)的研究[D].重慶：重慶大學(xué),2006.

[2]李健.梯級(jí)水電廠自動(dòng)發(fā)電控制研究與設(shè)計(jì)[D].武漢：華中科技大學(xué).2005.

[3]佘曉軍.蜀河水力發(fā)電廠自動(dòng)發(fā)電控制的應(yīng)用[J].西北水電,2012(06)：81-82.

StudyonControlTechnologyofAutomaticGenerationforSmallHydropowerPlant

WANG Ning

(Liaoning Province Water Conservancy and Hydropower Investigation，Design & Research Institute，Shenyang 110006,China)

Control technology of automatic generation of small hydropower has an irreplaceable important role to comprehensively promote small hydropower plant automation.This paper takes the small hydropower plant automatic generation control technology research as a starting point for discussion，the necessity to carry out the automatic generation technology research is outlined，then the small hydropower plant automatic generation control system design，and the key points are explained.

small hydropower station；automatic generation；control technology；realizing conditions；system design

1007-7596(2014)12-0015-03

2014-05-19

王寧(1979-)，女，遼寧沈陽(yáng)人，工程師，研究方向?yàn)樗詣?dòng)化電氣。

TM76

B