張 庭，慕宗君，郭利軍，胡 斌

(許繼集團有限公司，河南 許昌 461000)

1 概 述

某梯級水電站位于新疆吐魯番地區(qū)大河沿鎮(zhèn)境內(nèi)，以“串糖葫蘆”形式沿紅星干渠兩側(cè)及干渠與牙爾乃孜水庫間的戈壁灘地進行工程布置。工程區(qū)段全長約42.7 km，共布置開發(fā)7座水電站：渠首水電站裝機2×3.125 MW，二級水電站裝機4×1.250 MW，三級水電站裝機4×1.250 MW，四級水電站裝機2×2.4 MW +1×1.5 MW，五級水電站裝機2×2.1 MW，六級水電站裝機2×4.1 MW，七級水電站裝機2×2.125 MW。

該梯級電站是通過明渠、管道等串聯(lián)起來的小型水電站群，這類水電站機組都是高水頭沖擊式機組，發(fā)電流量較小。其次是這類梯級電站基本無蓄水能力，首級電站有緩沖小水庫，但庫容可調(diào)范圍也較小。第三是這類梯級電站是通過輸水通道串聯(lián)起來的，無區(qū)間流量，因此梯級電站間的水力聯(lián)系緊密，流量的變化直接影響到電站的運行。同時，這類電站無類似主閥的旁通閥設(shè)備，無法使多余的水量流向下游電站；當電站事故或檢修停機時，下游電站會因為流量減小導(dǎo)致機組停機(電站機組停機時，通過前池溢流到沙漠)。

為了管理梯級各電站運行，在集控站配置1套集控系統(tǒng)，實現(xiàn)對梯級各電站的集中監(jiān)視和控制。

2 運行方式

梯級電站運行基本原則是流量平衡[1]，對于無庫容調(diào)節(jié)能力的梯級小水電站，運行過程中無蓄水要求，根據(jù)來水流量以及調(diào)度方式來選擇合理的運行方式；結(jié)合實際調(diào)度需求，集控AGC設(shè)置了按流量自動運行和給定梯級出力兩種運行方式，兩種運行方式可以在線自由切換。

2.1 按流量自動運行方式

該運行方式適用于調(diào)度對梯級電站出力無限制，以梯級發(fā)電量最大為目標，實現(xiàn)當前流量下的發(fā)電效益最大化，目標函數(shù)為：

(1)

式中，N為梯級總出力；Ni為第i級電站出力；n為電站級數(shù)。

由于無出力限值，該目標函數(shù)可以分解為各級電站出力最大化，在這種運行方式下，只有充分利用當前來水才能使各級電站的出力最大化，因此可以按照流量自動運行；當流量變化大于流量死區(qū)時，自動計算當前流量下的電站最大出力，然后分配給站內(nèi)各臺機組。由于電站水頭變化不大，耗水率(單位電量所消耗的水量)可以認為固定不變[2_3]，根據(jù)電站耗水率可計算出電站的出力：

Nimax=Qi/qi

(2)

式中，Nimax為第i級電站出力；Qi為第i級電站流量；qi為第i級電站耗水率。

2.2 給定梯級出力方式

這種運行方式適用于調(diào)度對梯級電站出力有限制，按照調(diào)度給定的梯級總出力運行。這種運行方式要求在當前流量下使梯級總出力等于調(diào)度給定出力。為了滿足調(diào)度出力要求、流量平衡及最低運行成本要求，需合理分配給梯級各電站，站間負荷分配流程如下所示。

(1)按電站上下游順序計算依次計算1至k級電站最大出力和。

(3)

式中，Nmaxk為第1至k級電站最大出力和；Nimax為第i級電站最大出力；k為電站序號。

比較給定出力與當前流量下梯級最大總出力的大小，當給定出力大于當前流量下梯級最大總出力時，發(fā)出告警“調(diào)度給定出力超過當前梯級出力調(diào)節(jié)上限”，保持當前梯級總出力不變；如果給定出力小于等于當前流量下梯級最大總出力，則進行負荷再分配。

(2)選擇參與負荷分配的電站。

選擇原則是用最少的電站級數(shù)滿足負荷要求，降低梯級運行成本；依次比較調(diào)度給定出力與第1至k級電站最大出力和，當調(diào)度給定出力小于等于第1至k級電站最大出力和時停止判斷，初步確定負荷分配電站為第1—k級電站，k級下游電站預(yù)計停機。

(3)根據(jù)流量平衡原則計算1—k級電站的出力。

(5)

式中，N為梯級給定總出力；Ni為第i級電站分配出力；qk為第k級電站耗水率。

(4)分配出力校核。

依次比較Ni與Nimax的大小，如果Ni>Nimax，則將第級電站出力分配為Nimax，將負荷Ni-Nimax分配給k+1級電站，k+1級下游的電站負荷分配為零。

3 水位控制策略

在實際運行過程中，由于流量、耗水率等數(shù)據(jù)的誤差，可能造成控制過程中電站實際出力小于當前流量下的最大出力而造成棄水；或超發(fā)造成水流拉空的現(xiàn)象發(fā)生；這些情況都不利于電站的運行。由于前池水位可以間接地反應(yīng)流量和出力的平衡關(guān)系，因此通過合理的水位控制可避免前述現(xiàn)象的發(fā)生。

3.1 前池溢流控制

如果運行方式為流量自動運行，當前池出現(xiàn)溢流時，將電站可增負荷的機組增加固定步長的負荷直至無溢流；對于梯級給定功率方式出現(xiàn)溢流情況時，可以向調(diào)度申請增加負荷以提高水能利用。

3.2 水位過低控制

當前池水位低于安全水位時，將電站處于發(fā)電狀態(tài)的1臺機組減固定步長的負荷直至水位達到安全運行水位；當水位持續(xù)低于安全運行水位時，采取逐臺停機措施以提高前池水位，防止水流拉空現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 前池高水位控制

提高前池水位可以適當提高水輪發(fā)電機組水頭，從而提高機組效率。在運行過程，當前池水位低于設(shè)定運行水位時，減小電站出力使前池水位迅速恢復(fù)到運行水位。

在水位調(diào)節(jié)過程中會造成總出力的波動，但由于機組容量小，負荷變化對系統(tǒng)的影響是可以忽略的。在水位調(diào)節(jié)過程中設(shè)置水位調(diào)節(jié)死區(qū)，防止頻繁調(diào)節(jié)。

4 安全控制策略

對于梯級給定負荷運行方式，當梯級中的某一級電站機組事故停機時，迅速增加該級電站中處于發(fā)電狀態(tài)的機組負荷以平衡負荷差值；如果調(diào)節(jié)發(fā)電狀態(tài)機組負荷仍無法平衡負荷差，則開啟停機機組平衡負荷。對于處于事故電站下游的機組運行方式自動轉(zhuǎn)換為按流量自動運行，當流量恢復(fù)正常后切換為給定負荷運行方式。

對于按流量自動運行時，當發(fā)生事故停機，如該機電站有停機狀態(tài)機組則迅速開啟機組以消除停機對下游電站的影響。

5 小負荷調(diào)整策略

梯級給定負荷運行方式時，當給定負荷與當前梯級總負荷差值小于小負荷調(diào)節(jié)限值時，選取其中的一個站進行調(diào)節(jié)，以避免小負荷變化造成多個站參與調(diào)節(jié)。增負荷時優(yōu)先選擇前池溢流的電站進行調(diào)節(jié)。其次選擇首級電站進行調(diào)節(jié)，如果無電站可調(diào)時，發(fā)出告警信號。減負荷時優(yōu)先減梯級末尾的電站負荷；如需停機，優(yōu)先停梯級末尾電站的機組。

6 結(jié) 語

梯級AGC功能滿足了梯級串聯(lián)小水電站自動發(fā)電控制的需求，充分考慮不同調(diào)度方式的需要，輔助控制策略兼顧了實時運行的需要，提高了梯級串聯(lián)小水電站的自動化水平，對以后類似的工程項目有一定的參考意義。