肖　永，武晉輝，文賢馗，焦邵華，陳建國，雷　鳴，范　強(qiáng)

(1．貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002；2．北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京市 100085；3．貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司六盤水供電局，貴州 六盤水 553001)

一種基于尾水流量實(shí)現(xiàn)水電站自動(dòng)發(fā)電控制的方法

肖永1，武晉輝2，文賢馗1，焦邵華2，陳建國1，雷鳴3，范強(qiáng)1

(1．貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002；2．北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京市 100085；3．貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司六盤水供電局，貴州 六盤水 553001)

摘要：隨著水電自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，水電站的運(yùn)行逐步在實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理。水電站的運(yùn)行也不再是孤立的，會(huì)受到水庫調(diào)度、流域水文、灌溉航運(yùn)等多方面上下游因素的制約。針對水電站在保證水利灌溉的前提下進(jìn)行發(fā)電運(yùn)行的需求，提出了一種通過尾水流量實(shí)現(xiàn)水電站自動(dòng)發(fā)電控制的方法，在保證下游供水的同時(shí)，滿足了水電站發(fā)電、水利灌溉的雙重要求，為水電站無人值班(少人值守)提供了技術(shù)支撐。圖5幅，表1個(gè)。

關(guān)鍵詞：水電站；機(jī)組特性曲線；尾水流量；自動(dòng)發(fā)電控制

1概述

水電站自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)技術(shù)已經(jīng)在大中型水電站中獲得了應(yīng)用，但是隨著水電自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展以及運(yùn)行管理水平的提高，對AGC控制的目標(biāo)也提出了新的要求。

在水利水電行業(yè)，一些水電站間的運(yùn)行存在著互相關(guān)聯(lián)、互相影響的關(guān)系，如中小流域水電站群，以及一些具有綜合效益的水庫樞紐工程，除了發(fā)電以外，還肩負(fù)下游區(qū)域供水、灌溉的任務(wù)，其中存在上下游關(guān)系的各水電站的出力，對于水電站的運(yùn)行效率，以至于流域范圍內(nèi)水電站群的運(yùn)行效率都有重要的影響。

對于這些水電站，水庫調(diào)度對其尾水流量的排放有一定的要求，這是一個(gè)綜合性的問題，要求水電站能夠按照尾水流量進(jìn)行自動(dòng)發(fā)電控制，滿足流域水情和電網(wǎng)負(fù)荷調(diào)度要求，實(shí)現(xiàn)水電廠社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)化。

在水電站尾水流量一定的前提下，如何在多臺(tái)機(jī)組間進(jìn)行有功負(fù)荷的分配，使得水電站具有較好的效率特性，是一個(gè)值得研究的課題。

本文以水電站功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，結(jié)合自身的技術(shù)特點(diǎn)，通過對水電機(jī)組特性曲線的分析及建模，提出了一種通過尾水流量實(shí)現(xiàn)水電站自動(dòng)發(fā)電控制的解決方案，在保證下游供水的前提下，滿足了水電站發(fā)電優(yōu)化及灌溉的雙重需求。

2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1　水電機(jī)組流量特性

水輪機(jī)的特性曲線表達(dá)了水輪機(jī)在不同工況下對水流的能量轉(zhuǎn)換、空化等方面的水力性能及其他特性，目前主要是通過模型試驗(yàn)獲得，利用水輪機(jī)的工作特性曲線，能夠?qū)λ啓C(jī)的工作狀況進(jìn)行深入分析。

水輪機(jī)的工作特性曲線集中描述了水輪機(jī)出力、效率、流量、水頭等多種參數(shù)在多種工況下的對應(yīng)關(guān)系，具有多變量、全平面的特點(diǎn)，形成了平面坐標(biāo)系下的曲線族，充分地描述了水輪機(jī)的輸入輸出工作特性(見圖1～圖3)。

圖1　水頭63.9 m時(shí)水輪機(jī)特性曲線

圖2　水頭92 m時(shí)水輪機(jī)特性曲線

圖3水頭106.5 m時(shí)水輪機(jī)特性曲線

對于業(yè)主提出的按照尾水流量進(jìn)行自動(dòng)發(fā)電控制的需求，基于上述水輪機(jī)特性曲線，首先要解決流量與出力在不同邊界條件下的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系。

2.2　水輪機(jī)尾水流量與出力

由上述水輪機(jī)特性曲線可以看出，在不同水頭下，水輪機(jī)的流量與出力的對應(yīng)關(guān)系是不同的，不是單一的單變量關(guān)系，而是多變量、全平面的對應(yīng)關(guān)系，這樣通過常規(guī)的插值方法很難實(shí)現(xiàn)。

采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)方法對水輪機(jī)特性曲線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，能夠較好地處理這個(gè)問題。這種方法無須建立具體的函數(shù)關(guān)系表達(dá)式,即可對已知離散數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,并結(jié)合邊界約束條件對未知區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測,從而提高了水輪機(jī)特性曲線數(shù)據(jù)處理的工作效率和數(shù)據(jù)精度(見圖4)。

圖4ANN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ANN由3層組成：

輸入層：傳遞輸入信號(hào)到隱含層。

X=(x1，x2，…，xn)T是輸入樣本

Cj=[C1j，C2j，…，Cnj]TεRn

隱含層：由激活函數(shù)組成。

(1)

uj=1/1+e-fj

式中，uj為第j個(gè)隱含層節(jié)點(diǎn)的輸出。

輸出層第i個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)的輸出為：

(2)

i=1，2，…，m

連接權(quán)值修正：

(3)

(4)

(5)

借助于上述ANN方法，對水輪機(jī)特性曲線的樣本進(jìn)行辨識(shí)，樣本的特征考慮了效率、水頭、出力、流量等信息。這樣就建立了輸入、輸出之間的對應(yīng)關(guān)系，通過前饋網(wǎng)絡(luò)就實(shí)現(xiàn)了水輪機(jī)尾水流量與出力的映射對應(yīng)關(guān)系。

2.3　尾水流量自動(dòng)發(fā)電控制功能實(shí)現(xiàn)

這樣，水電站就可以按照水庫調(diào)度的要求，按照設(shè)定的尾水流量進(jìn)行自動(dòng)發(fā)電控制模式運(yùn)行了，并兼顧發(fā)電與灌溉雙重功能。

首先根據(jù)水調(diào)自動(dòng)化系統(tǒng)要求的水電站尾水流量，按照建立的水輪機(jī)的流量—出力映射關(guān)系模型，求出對應(yīng)的水電站總出力。

如果水電站的進(jìn)水流量≥設(shè)定的水電站尾水流量，則求出的水電站總出力作為自動(dòng)發(fā)電控制功能的功率控制目標(biāo)值Ptarget。

如果水電站的進(jìn)水流量<設(shè)定的水電站尾水流量，那么按尾水流量控制功能閉鎖。

水電廠自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)功能包含有功負(fù)荷分配和自動(dòng)啟停機(jī)功能(見表1)。

表1　水電廠自動(dòng)發(fā)電控制(AGC)功能模塊示意

2.3.1有功負(fù)荷分配

AGC功能根據(jù)全廠總有功給定值對全廠的有功功率進(jìn)行計(jì)算分配，分配的原則為按機(jī)組容量等比例分配。為了使各機(jī)組負(fù)荷分配值合理，負(fù)荷分配值需要考慮包括機(jī)組不可運(yùn)行區(qū)(如氣蝕區(qū)、振動(dòng)區(qū))、當(dāng)前水頭下機(jī)組出力限值等機(jī)組運(yùn)行限制條件。

(1)AGC有功分配原則

對于耗水量而言，水輪發(fā)電機(jī)組功率按等微增率分配是最經(jīng)濟(jì)的。當(dāng)機(jī)組型號(hào)相同時(shí)，即可認(rèn)為機(jī)組的水耗微增率是相同的，因此可簡化為水輪發(fā)電機(jī)組功率按容量等比例分配的原則分配策略。

分配到每臺(tái)水輪機(jī)組的有功功率按當(dāng)前水頭下每臺(tái)機(jī)組容量占全廠機(jī)組容量的比例多少進(jìn)行分配：

(6)

(2)避振原則

水電機(jī)組在運(yùn)行過程中存在不可運(yùn)行區(qū)，包括水輪機(jī)組的氣蝕區(qū)、振動(dòng)區(qū)等，同時(shí)振動(dòng)區(qū)也會(huì)出現(xiàn)在機(jī)組的高效率區(qū)。為了保證機(jī)組的安全運(yùn)行，在負(fù)荷分配的過程中需要考慮躲避振動(dòng)區(qū)，根據(jù)振動(dòng)區(qū)段數(shù)及大小，確定功率可運(yùn)行區(qū)域，按照避振原則優(yōu)化計(jì)算，得到機(jī)組間最優(yōu)功率分配(見圖5)。

圖5水輪機(jī)振動(dòng)區(qū)

避振原則：

如果機(jī)組存在2個(gè)及以上振動(dòng)區(qū)時(shí)，則避開振動(dòng)區(qū)的約束條件為：

Pimin

Pijh

Pi(j+1)h

式中，Pijl為第i臺(tái)機(jī)組第j個(gè)不可運(yùn)行區(qū)的功率下限；Pijh為第i臺(tái)機(jī)組第j個(gè)不可運(yùn)行區(qū)的功率上限；j為不可運(yùn)行區(qū)個(gè)數(shù)(j=1，2，3，…，m)。

2.3.2自動(dòng)啟停機(jī)

(1)機(jī)組開機(jī)算法

①開機(jī)條件：PAGC+Pb>∑PT

式中，Pb表示全廠的旋轉(zhuǎn)備用容量，是不需要開額外機(jī)組的情況下即可直接獲得的有功(一般水電廠要求具備一定的旋轉(zhuǎn)備用容量，大型 10%～15%；中型8%；小型5%)；∑PT表示全廠參

加AGC且處于發(fā)電態(tài)機(jī)組的可調(diào)節(jié)容量。

②開機(jī)臺(tái)數(shù)：Nk=(PAGC+Pb-∑PT)/Pm+1

式中，Nk為開機(jī)臺(tái)數(shù)；Pm為單機(jī)最大容量。

如果運(yùn)行機(jī)組的實(shí)際旋轉(zhuǎn)備用容量低于要求的旋轉(zhuǎn)備用容量，且差值大于開停機(jī)死區(qū)，則需要開機(jī)。

(2)機(jī)組停機(jī)算法

①停機(jī)條件：∑PT-(PAGC+Pb)>Pm

②停機(jī)臺(tái)數(shù)：Nt=(∑PT-(PAGC+Pb))/Pm

式中，Nt為停機(jī)臺(tái)數(shù)。

如果停掉1臺(tái)機(jī)后仍有足夠的旋轉(zhuǎn)備用容量，則需要停機(jī)。

3結(jié)論

提高水電廠自動(dòng)化程度是水電監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，隨著減員增效、優(yōu)化調(diào)度、無人值班(少人值守)等新需求的逐步提出，水電站的運(yùn)行逐步在實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，水電站的運(yùn)行也不再是孤立的，會(huì)受到水庫調(diào)度、流域水文、灌溉航運(yùn)等多方面上下游因素的制約。在這種情況下，應(yīng)該在水電站的自動(dòng)發(fā)電控制基本功能的基礎(chǔ)上，結(jié)合各水電站的具體需求，實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化運(yùn)行的功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔣建文，江紅軍，牟奎.紫坪鋪水電站AGC的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].水力發(fā)電,2007，33(2)：73_74,80.

[2]張粒子,武晉輝,余保東,等.電力電流互感器鐵芯磁滯回環(huán)曲線的擬合[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,1998(3)：6_8.

[3]伍永剛,何莉,余波.大型水電廠AGC調(diào)節(jié)策略研究[J]. 水電能源科學(xué), 2007， 25(4)：109_112.

■

責(zé)任編輯吳昊

作者簡介：肖永(1962-)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動(dòng)化、智能電網(wǎng)方面的研究工作。E_mail：gzdlxy@sina.com

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目《規(guī)?；∷娙号c風(fēng)光氣發(fā)電聯(lián)合運(yùn)行控制關(guān)鍵技術(shù)研究及示范》(2013BAA02B02)。

收稿日期：2015-09-02