邱 華，郭 亮，王樂(lè)寧，解旭柯

(1.國(guó)電大渡河猴子巖水電建設(shè)有限公司，四川 康定 626000；2.國(guó)網(wǎng)四川省電力公司，四川 成都 610041)

0 引 言

隨著水電行業(yè)整體的環(huán)保意識(shí)提升，水電行業(yè)對(duì)環(huán)保要求落實(shí)越來(lái)越細(xì)致、越來(lái)越具體，需要建立生態(tài)流量保障長(zhǎng)效機(jī)制，其中四川省已要求限期實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]，迫切需要水電站綜合考慮泄洪、發(fā)電情況，確保電站下泄流量滿足生態(tài)最低流量要求。目前關(guān)于水電站生態(tài)流量的有關(guān)研究與實(shí)踐主要集中在最低生態(tài)流量的影響要素[2]及保障值推求[3-8]、保障生態(tài)流量下的宏觀水庫(kù)調(diào)度與經(jīng)濟(jì)調(diào)度[9-14]、生態(tài)流量監(jiān)測(cè)與評(píng)估[15-16]，而對(duì)于如何通過(guò)實(shí)際的自動(dòng)化控制手段，實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量實(shí)時(shí)精準(zhǔn)自動(dòng)保證方面的研究甚少。

猴子巖水電站位于四川省甘孜州康定市境內(nèi)的大渡河干流，裝設(shè)4臺(tái)單機(jī)425 MW的混流機(jī)組，全站有功負(fù)荷經(jīng)康定變電站、甘谷地變電站、蜀州變電站送至成都，送出通道嚴(yán)重受限[17]。在如此環(huán)境下迫切需要猴子巖水電站更加注重經(jīng)濟(jì)效益，這實(shí)質(zhì)上對(duì)水電站落實(shí)保生態(tài)下泄的環(huán)保要求構(gòu)成了一定威脅。目前大渡河流域干流已投電站均已實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方集控，猴子巖水電站自動(dòng)發(fā)電控制(actomatic generation control,AGC)子站的功能操作、運(yùn)行監(jiān)視均已實(shí)現(xiàn)流域生產(chǎn)指揮中心遠(yuǎn)程操控，電調(diào)水調(diào)趨向無(wú)人化給生態(tài)流量實(shí)時(shí)精準(zhǔn)保障帶來(lái)了新的困難。同時(shí)，猴子巖水電站選用的是北京國(guó)電智深控制技術(shù)有限公司的EDPF NT Plus計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，在此平臺(tái)上開(kāi)發(fā)了AGC功能，通過(guò)接收省調(diào)AGC主站下發(fā)的全站有功目標(biāo)給定指令，實(shí)時(shí)分配和調(diào)節(jié)機(jī)組的有功出力，使全站有功出力與省調(diào)AGC主站的目標(biāo)給定一致。猴子巖水電站AGC子站投運(yùn)后，電站有功出力受電網(wǎng)AGC主站實(shí)時(shí)控制，這些同時(shí)為生態(tài)下泄流量的精準(zhǔn)控制提供了很好的基礎(chǔ)，使得本設(shè)計(jì)具有可行性。

考慮目前稍具規(guī)模的水電站均具備AGC的自動(dòng)有功負(fù)荷控制功能，下面擬利用水電站AGC子站功能，配套相應(yīng)的輔助設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電站AGC子站在自動(dòng)運(yùn)行的同時(shí)自動(dòng)實(shí)時(shí)保障生態(tài)下泄流量，為解決水電站生態(tài)流量實(shí)時(shí)精準(zhǔn)保障難題提供了一個(gè)可行的方案。

1 基本功能設(shè)計(jì)

電站保障生態(tài)流量主要發(fā)生在平枯水季節(jié)，此季節(jié)水電站下泄流量主要通過(guò)機(jī)組發(fā)電下泄流量來(lái)實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量保障。所提方案結(jié)合猴子巖水電站的實(shí)際情況，擬通過(guò)擬合機(jī)組負(fù)荷-水頭-流量(power-head-quantity of flow,PHQ)曲線，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序自動(dòng)查找在不同水頭下水電站全站機(jī)組下泄流量不低于生態(tài)保障流量時(shí)全站機(jī)組最低有功負(fù)荷；并通過(guò)分析，將全站機(jī)組最低有功負(fù)荷控制值近似為單機(jī)最低有功負(fù)荷控制值，此值結(jié)合單機(jī)禁運(yùn)區(qū)后形成新的單機(jī)禁運(yùn)區(qū)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以此自動(dòng)計(jì)算得到新的全站等值禁運(yùn)區(qū)，并將新全站等值禁運(yùn)區(qū)作為AGC的控制條件。同時(shí)將此新的全站等值禁運(yùn)區(qū)上送調(diào)度，確保調(diào)度機(jī)構(gòu)下發(fā)的有功負(fù)荷調(diào)令在此全站等值禁運(yùn)區(qū)之外，從而實(shí)現(xiàn)電站AGC子站正常運(yùn)行時(shí)生態(tài)下泄流量的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)保障功能。

1.1 生態(tài)流量計(jì)算控制范圍的選擇

對(duì)一般水電站(從經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的角度，一般不設(shè)置專門的生態(tài)泄流)而言，電站下泄流量主要包括發(fā)電下泄流量(含非并網(wǎng)機(jī)組泄水)、電站泄洪棄水和其他泄水(如船閘、魚道、消防及生活用水、電站各部漏排水等)3部分。

猴子巖水電站地處大渡河上游康定市境內(nèi)，未設(shè)置魚道、船閘等特殊泄水設(shè)施；電站技術(shù)供水雖采用壓力鋼管取水，但其泄水量占機(jī)組發(fā)電泄水量比例很小，在此忽略不計(jì)。電站汛期雨量充沛，但因送出受康甘斷面制約，多數(shù)情況下有功負(fù)荷無(wú)法全額送出且需要啟用溢流設(shè)施泄洪，此時(shí)基本無(wú)下泄流量不滿足生態(tài)最低下泄流量的情形。來(lái)水偏枯時(shí)，由于上游來(lái)水不足及電網(wǎng)電力調(diào)度實(shí)時(shí)負(fù)荷分配的原因，尤其在枯期夜間低負(fù)荷時(shí)間段，易發(fā)生全站有功出力低導(dǎo)致總下泄流量不滿足生態(tài)最小流量需求的情況。因此，猴子巖水電站保生態(tài)流量功能設(shè)計(jì)時(shí)，僅考慮來(lái)水偏枯時(shí)通過(guò)機(jī)組發(fā)電下泄流量保障電站生態(tài)最低下泄流量。

1.2 PHQ控制取值函數(shù)的確定

對(duì)照機(jī)組流量特性曲線，分別建立以下兩個(gè)取值函數(shù)：

1)水頭-單機(jī)流量的近似關(guān)系函數(shù)

Q=f1(H)

(1)

2)流量-單機(jī)有功出力的近似關(guān)系函數(shù)

P=f2(Q)

(2)

式中：H為機(jī)組水頭；Q為流量；P為H水頭需要下泄流量為Q時(shí)的有功功率；y=f(x)為線性插值函數(shù)(猴子巖計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)控制邏輯可直接調(diào)用)。

機(jī)組轉(zhuǎn)速兩路95%Ne(Ne為額定轉(zhuǎn)速)和機(jī)組導(dǎo)葉空載以上開(kāi)關(guān)量信號(hào)同時(shí)動(dòng)作，則判定該機(jī)組為“運(yùn)行機(jī)組”，并計(jì)“運(yùn)行機(jī)組”數(shù)量為n(n=1,2,3,4)。經(jīng)查詢機(jī)組流量特性曲線可知，同一水頭下，在機(jī)組低負(fù)荷段，機(jī)組所帶負(fù)荷越高，效率越高，即多臺(tái)機(jī)同時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)的總下泄流量必定大于將負(fù)荷全部集中于盡可能少的機(jī)組上而其他機(jī)組空載或承載盡可能少有功負(fù)荷時(shí)的全站機(jī)組總下泄流量，即

(3)

式中：i、j分別為并網(wǎng)機(jī)組順序號(hào)；Qi為全站負(fù)荷由各并網(wǎng)機(jī)組隨機(jī)分配時(shí)的各機(jī)組發(fā)電流量；Qj為將全站負(fù)荷集中到少數(shù)機(jī)組，其他機(jī)組空載或承載盡可能少的有功負(fù)荷時(shí)的各機(jī)組發(fā)電流量。

考慮到多數(shù)情況下，水電站保生態(tài)最低下泄流量在單臺(tái)機(jī)組滿負(fù)荷時(shí)即可實(shí)現(xiàn)，由此可將流量-全站多機(jī)有功出力的近似關(guān)系表達(dá)為

P多機(jī)≤f2(Q多機(jī)-(n-1)Q空載機(jī)組)

(4)

在計(jì)算全站出力下限時(shí)，以最低生態(tài)流量保證值Q最低為基礎(chǔ)扣減(n-1)Q空載機(jī)組，即

P最低=f2(Q最低-(n-1)Q空載機(jī)組)

(5)

結(jié)合式(1),知

P最低=f2[f1最低(H)-(n-1)f1空載機(jī)組(H)]

(6)

1.3 基于AGC實(shí)現(xiàn)生態(tài)流量控制的可行性

目前四川省調(diào)AGC主站采集了猴子巖水電站AGC子站的單機(jī)禁運(yùn)區(qū)、單機(jī)可調(diào)上限、全站等值禁運(yùn)區(qū)；在當(dāng)前省調(diào)AGC主站向電站AGC子站下發(fā)總有功負(fù)荷指令時(shí)，只考慮躲過(guò)電站AGC子站全站等值禁運(yùn)區(qū)，并不超過(guò)全站最大出力上限(由各機(jī)組單機(jī)可調(diào)上限累加而得)。因此，本設(shè)計(jì)將計(jì)算得到的全站保生態(tài)流量的實(shí)發(fā)有功最低出力P最低用于全站等值禁運(yùn)區(qū)二次計(jì)算，以達(dá)到避免省調(diào)AGC主站在投入自動(dòng)運(yùn)行時(shí)向猴子巖水電站AGC子站下達(dá)不滿足最低生態(tài)下泄流量下的全站有功負(fù)荷調(diào)節(jié)目標(biāo)值。目前猴子巖上送省調(diào)AGC主站的全站等值禁運(yùn)區(qū)有3段，分別記為[P1低，P1高]、[P2低，P2高]、[P3低，P3高]，則新的等值禁運(yùn)區(qū)上送策略詳見(jiàn)表1。

表1 等值禁運(yùn)區(qū)上送策略

此種設(shè)計(jì)下，無(wú)需修改省調(diào)AGC主站下令控制邏輯，無(wú)需修改電站AGC子站分配和閉鎖策略，具有修改內(nèi)容相對(duì)較小、程序?qū)嵤┌踩L(fēng)險(xiǎn)較小、調(diào)試簡(jiǎn)單安全等優(yōu)點(diǎn)。此外，若水電站所在上級(jí)調(diào)度同意，可將保生態(tài)流量最低電站出力與全站可調(diào)范圍相結(jié)合，這樣更便于AGC程序設(shè)計(jì)。

2 適應(yīng)性功能優(yōu)化

2.1 近似單機(jī)負(fù)荷控制

在多臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行(滿足電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用要求)時(shí)，為降低機(jī)組耗水率、提高電站運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，一般應(yīng)盡量少的機(jī)組并網(wǎng)參與運(yùn)行。

相關(guān)機(jī)構(gòu)要求猴子巖全站下泄流量的生態(tài)保證值為160～180 m3/s，猴子巖單機(jī)空載流量最大約42.3 m3/s，單機(jī)滿負(fù)荷時(shí)最大流量可高達(dá)360 m3/s(最高水頭時(shí)單機(jī)最大下泄流量也高達(dá)310 m3/s)，為滿足全站下泄流量不低于最低下泄流量生態(tài)保證值要求，理論上只需1臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)運(yùn)行即可。同時(shí)，猴子巖水電站實(shí)際運(yùn)行中，若全站出力較低時(shí)，即使保持旋轉(zhuǎn)備用，最多也只有2臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)投入AGC運(yùn)行，即：

P多機(jī)≈P雙機(jī)≈P負(fù)載機(jī)組+P空載機(jī)組

(7)

Q多機(jī)≈Q雙機(jī)≈Q負(fù)載機(jī)組+Q空載機(jī)組≥Q最低

(8)

由于雙機(jī)或多機(jī)運(yùn)行情況下進(jìn)行停機(jī)操作，需考慮不同機(jī)組數(shù)量下機(jī)組空載流量對(duì)總流量計(jì)算的影響，減少機(jī)組運(yùn)行數(shù)量后，全站最低負(fù)荷應(yīng)相應(yīng)提高，方可滿足生態(tài)流量需要。為避免在全站低負(fù)荷時(shí)需要向調(diào)度申請(qǐng)?jiān)黾尤境隽?lái)進(jìn)行停機(jī)操作的問(wèn)題，可全部按照單機(jī)流量保證最低生態(tài)流量方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。

由此可見(jiàn)，猴子巖保生態(tài)最低下泄流量要求可轉(zhuǎn)化為確保至少1臺(tái)機(jī)組發(fā)電下泄流量不低于生態(tài)流量保證要求即可，而機(jī)組發(fā)電下泄流量與機(jī)組有功負(fù)荷出力直接相關(guān)，水電站保生態(tài)流量控制問(wèn)題可轉(zhuǎn)化為單機(jī)保電站最低發(fā)電負(fù)荷控制問(wèn)題，即近似通過(guò)確定單臺(tái)機(jī)組最低有功負(fù)荷，并將其提供給AGC程序進(jìn)行控制即可。即令n=1，得

P最低≈f2(Q最低)=f2[f1最低(H)]

(9)

這可進(jìn)一步驗(yàn)證前述第1.2節(jié)在對(duì)全站功能設(shè)計(jì)時(shí)采取單機(jī)方式近似的可行性。在猴子巖水電站功能部署時(shí)，設(shè)置了空載機(jī)組流量扣減功能投退壓板；當(dāng)無(wú)需進(jìn)行流量精確控制且方便運(yùn)行操作人員進(jìn)行負(fù)荷人工調(diào)節(jié)時(shí)，不投入該壓板。

2.2 設(shè)置汛枯期切換功能

通過(guò)設(shè)置“汛/枯切換”虛擬投切開(kāi)關(guān)，只當(dāng)投切開(kāi)關(guān)狀態(tài)在“枯期”時(shí)投入保生態(tài)流量的功能。當(dāng)電站AGC子站投入省調(diào)閉環(huán)控制時(shí)，電站直接接受省調(diào)AGC主站指令進(jìn)行全站有功調(diào)節(jié)；當(dāng)電站AGC子站投入集控中心或電站站內(nèi)閉環(huán)控制時(shí)，均由人工進(jìn)行全站有功負(fù)荷調(diào)節(jié)，可不考慮人工調(diào)節(jié)下全站總負(fù)荷仍不滿足最低生態(tài)流量的情形。同時(shí)，該按鈕切至“汛期”也可作為枯期期間的特殊運(yùn)行方式，P最低可作為人工操作的最低指導(dǎo)值；該切換操作受“AGC功能省調(diào)控制權(quán)”和“全站AGC閉環(huán)狀態(tài)”解閉鎖，即當(dāng)且只當(dāng)電站AGC子站投入省調(diào)閉環(huán)控制時(shí)，才允許進(jìn)行切枯期操作，枯期切汛期不受此影響。

此外，部分水電站存在間歇性泄水情況，若頻繁進(jìn)行“汛/枯切換”虛擬投切開(kāi)關(guān)操作，將增加運(yùn)行人員操作負(fù)擔(dān)，為此，可基于溢流曲線建立閘門溢流取值Q溢流的取值模型，并在P最低計(jì)算時(shí)扣減閘門泄洪流量。

P最低=f2[f1最低(H)-(n-1)f1空載機(jī)組(H)-Q溢流]

(10)

2.3 NHQ曲線取值近似處理

猴子巖水電站在以上函數(shù)取值時(shí)，充分考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，作如下優(yōu)化處理：

1)充分考慮到猴子巖水電站機(jī)組尾水波動(dòng)相對(duì)機(jī)組水頭H較小，可用下游平均水位替代下游水位實(shí)時(shí)值。有鑒于此，在AGC程序設(shè)計(jì)時(shí)，可采用水電站上游水位替代機(jī)組水頭H進(jìn)行流量特性曲線讀取,水電站上游水位值取自AGC程序中經(jīng)自動(dòng)水位和人工水位切換后的高穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果。這也是避免機(jī)組尾水位實(shí)時(shí)波動(dòng)易引起AGC誤控的可行做法，可廣泛運(yùn)用于高水頭電站AGC程序設(shè)計(jì)中。

2)充分考慮到猴子巖機(jī)組水頭變化區(qū)間高達(dá)近40 m(庫(kù)水位波動(dòng)區(qū)間為1802～1842 m)、機(jī)組額定最高流量約達(dá)360 m3/s的實(shí)際情況，對(duì)水頭-流量-有功相關(guān)參數(shù)進(jìn)行合理取樣。

2.4 設(shè)置P最低的偏差校準(zhǔn)基值ΔP

為確保計(jì)算獲取的最低有功值P全站最低滿足生態(tài)最低下泄流量要求，可設(shè)置功率正偏差補(bǔ)償ΔP環(huán)節(jié)，即：

P最低=f2[f1最低(H)-(n-1)f1空載機(jī)組(H)-Q溢流]+ΔP

(11)

其中，ΔP≥0，可根據(jù)運(yùn)行效果評(píng)估修正。

2.5 設(shè)置相應(yīng)死區(qū)

為避免上送省調(diào)AGC主站數(shù)據(jù)因水位波動(dòng)而頻繁跳變，可在計(jì)算關(guān)鍵環(huán)節(jié)合理設(shè)置傳遞死區(qū)，猴子巖水電站選擇在P最低輸出處設(shè)置死區(qū)。

2.6 無(wú)人值班、遠(yuǎn)方集控適應(yīng)性優(yōu)化

為適應(yīng)遠(yuǎn)方集控的生產(chǎn)管理模式，一是設(shè)置汛枯期狀態(tài)集控遠(yuǎn)方操作切換令接收功能，該命令生效受“電站AGC子站控制權(quán)在集控中心”解閉鎖；二是為持續(xù)監(jiān)測(cè)該功能運(yùn)行情況，設(shè)置了自動(dòng)告警功能，若檢測(cè)到有新AGC調(diào)令下發(fā)且不滿足保生態(tài)最低下泄流量要求，則該計(jì)算結(jié)果應(yīng)在調(diào)令下發(fā)時(shí)間T1后生效；當(dāng)全站實(shí)發(fā)有功出力低于P最低時(shí)，告警信息發(fā)送簡(jiǎn)報(bào)并發(fā)二級(jí)異常ON-CALL(告警信息接收人為電站現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮人員)；當(dāng)告警持續(xù)超過(guò)時(shí)間T2，則發(fā)二級(jí)故障ON-CALL(告警信息接收人為電站現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急指揮人員和生產(chǎn)管理人員)，同時(shí)該二級(jí)故障信息送生產(chǎn)指揮中心計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

為適應(yīng)無(wú)人值班的生產(chǎn)管理模式，將功能軟壓板投退狀態(tài)顯示、汛枯期切換狀態(tài)顯示、最低生態(tài)下泄流量保證值的設(shè)置與顯示、功率正偏差補(bǔ)償?shù)脑O(shè)置與顯示、計(jì)算獲取的全站最低有功出力、ON-CALL報(bào)警檢測(cè)時(shí)間窗大小等配置到AGC控制參數(shù)頁(yè)面，方便運(yùn)行人員操作與監(jiān)視。

3 測(cè)試與結(jié)果分析

按以上設(shè)計(jì)要求完成了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施后，猴子巖水電站對(duì)計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)AGC自動(dòng)運(yùn)行時(shí)保生態(tài)下泄流量功能進(jìn)行了充分的開(kāi)環(huán)測(cè)試，包括近遠(yuǎn)程功能切換與投退測(cè)試、定值設(shè)置測(cè)試、水頭取樣調(diào)整測(cè)試、模擬量故障模擬測(cè)試以及機(jī)組開(kāi)停機(jī)測(cè)試。結(jié)果證明該功能的可靠性、有效性和正確性均完全滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)電站現(xiàn)地控制和四川省調(diào)遠(yuǎn)方控制經(jīng)驗(yàn)表明，猴子巖AGC的該功能性能良好。隨機(jī)選取2020年2月8日01:00到01:30共30 min時(shí)段的AGC調(diào)節(jié)情況，人工分析和程序?qū)崟r(shí)計(jì)算分析的對(duì)比情況如表2、表3所示。

從表2可以看出：在當(dāng)前水位下，運(yùn)行結(jié)果符合預(yù)期，該功能投入后，四川省調(diào)AGC下令不再落入所計(jì)算的最低負(fù)荷要求以下，較好地實(shí)現(xiàn)了全站下泄流量滿足生態(tài)最低保障流量的要求，同時(shí)對(duì)AGC的其他性能沒(méi)有不良影響。

表2 上庫(kù)水位1 829.86 m時(shí)P值計(jì)算與下令情況片段 單位:MW

從表3可以看出：根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，在枯水期、豐水期時(shí)相同水位下，截取省調(diào)調(diào)令最小值時(shí)附近范圍內(nèi)的調(diào)令，根據(jù)比對(duì)上送省調(diào)的禁運(yùn)區(qū)，在枯水期時(shí)調(diào)令值均滿足保證下泄流量的最低負(fù)荷要求，因此功能滿足當(dāng)前設(shè)計(jì)要求。

表3 上庫(kù)水位1 835.6 m時(shí)P值計(jì)算與下令情況片段 單位:MW

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)AGC功能投運(yùn)時(shí)水電站河道生態(tài)流量保障難以控制的問(wèn)題提供了一個(gè)全新的可行的解決方案，具有一定的普遍使用性。猴子巖水電站實(shí)踐適應(yīng)大渡河公司的遠(yuǎn)方集控和水電智能化發(fā)展的需要，以及智慧電廠建設(shè)要求，同時(shí)受到上級(jí)調(diào)度的有關(guān)限制，在如何實(shí)現(xiàn)其他水電站的同樣功能的設(shè)計(jì)時(shí)，還需要相應(yīng)水電站企業(yè)針對(duì)自身實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化調(diào)整。