CN101917015A - 基于主站agc系统的水电厂振动区跨越方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主站AGC系统的水电厂振动区跨越方法，其特征在于，包括下列步骤：1)建立水电机组全厂运行范围数据结构模型，包括水电厂当前出力，全厂运行上下限、各振动区边界；2)利用水电厂上传的全厂运行上限，全厂运行下限，各振动区边界遥测信息，建立基于遥测信息的水电厂全厂动态运行区间图；3)判断水电厂有功出力是否进入振动区，其判据是：有功功率越过振动区边界死区带后的紧缩振动区区间；4)根据基点控制方式及当前有功出力被动、主动进入振动区的不同情况分别进行处理。本发明可生成可使水电机组出力有效地避开水轮机的振动区间，并在合适的时机选择机组跨越振动区，充分利用水电机组的调节优势。

Description

基于主站AGC系统的水电厂振动区跨越方法

技术领域

本发明属电力系统控制领域，更准确地说本发明涉及一种应用于互联电网控制区域的基于主站自动发电控制系统(AGC)的水电厂振动区跨越方法。

背景技术

当前国内网省调AGC系统中，参与AGC调节的机组类型主要有火电机组和水电机组两大类。水电机组相对于火电机组具有调节范围大、调节速度快等特点，因此在水电容量充沛的网省电网中，水电机组是主站AGC系统有功功率调节的主力。但水电机组由于水轮机的特性，在水电机组容量范围内，会存在一段或几段振动区域。机组如果长时间在振动区内运行，会对水轮机甚至整个电厂造成严重的影响。在水电机组的运行过程中，需要有手段引导机组躲避或快速穿越振动区域，以实现水电机组的平稳运行。同时由于振动区域的存在，会对主站AGC水电控制造成一定的阻碍，使得主站AGC总调节容量受限，延误了调节时机，从而造成区域控制效果不佳、控制指标恶化。

目前，在水电厂厂级控制系统中，对振动区的成因和考虑振动区的功率分配进行了广泛的研究，算法也日益成熟，为主站AGC综合考虑振动区控制策略的研究提供了良好的基础。

文献一《东风水电厂自动发电控制技术》(水电站机电技术，2004年第三期59页)论述了在水电厂级实施的自动发电控制系统。通过厂级自动发电控制系统，可以获取电厂实时不可调区与水头，单机振动区、机组最大出力及机组台数的关系。进而得到不同水头，不同出力情况下，全厂振动区的动态信息。

文献二《凤滩水电厂AGC控制策略》(水电厂自动化，2007年11月第四期53页)论述了水电厂考虑振动区的AGC功率分配策略及实现方法。通过具体实施，使机组紧跟目标负荷的情况下，电厂机组在最佳效率下运行，同时减少机组开停机次数、有功调节频率和跨越振动区次数，从而减少机组磨损，兼顾了运行效率和机组运行安全。

然而，在传统网省级主站AGC系统中对于水电厂振动区的处理却很薄弱，在传统主站AGC系统中针对水电厂振动区有两种处理方式，一种方式是主站侧不考虑振动区域，按照水电厂的出力运行范围下发连续调节指令，由电厂内部控制系统根据接收到的指令进行厂内分配。这种方式的好处是主站功能处理简单，但是有时主站下发的指令在厂站端无法分配，造成指令无法执行。另一种方式是在主站AGC系统提供手动下发遥调指令工具，当水电机组进入振动区或需要跨越振动区时，由调度员手动下发控制命令，引导机组离开或跨越振动区域。这种方式会对调度员工作造成很大的负担，同时存在调度员手动下发遥调指令和AGC自动控制指令时序上的配合问题，严重时会影响AGC调节的效果，造成控制性能恶化。

因此，如何在主站AGC系统充分利用厂级控制系统提供的水电厂全厂综合信息和厂级有功负荷分配功能，通过主站AGC系统自动下发调节指令使水电机组出力有效地避开水轮机的振动区间，并在合适的时机选择机组跨越振动区，充分利用水电机组的调节优势，成为AGC系统水电控制亟待解决的问题。

发明内容

本发明的发明目的是：

改变传统AGC面向单个机组的静态振动区建模方式，在主站侧AGC系统建立面向全厂控制器的动态振动区模型，生成可观测的水电厂有功功率动态运行区间，实时掌握水电厂的可调节区间和振动区范围，提出水电厂振动区的具体跨越方法，使水电机组出力有效地避开水轮机的振动区间，并在合适的时机选择机组跨越振动区，充分利用水电机组的调节优势。

为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

一种基于主站AGC系统的水电厂振动区跨越方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)建立水电机组全厂运行范围数据结构模型，包括水电厂当前出力，全厂运行上下限、各振动区边界等；

2)利用水电厂上传的全厂运行上限，全厂运行下限，各振动区边界等遥测信息，建立基于遥测信息的水电厂全厂动态运行区间图；

3)判断水电厂有功出力是否进入振动区，其判据是：有功功率越过振动区边界死区带后的紧缩振动区区间；

4)水电厂控制器以基点功率模式为计划值模式(SCHE)或人工基点模式(BASE)参与AGC控制时，称为固定基点控制方式；当以自动控制模式(AUTO)参与AGC控制时，称为浮动基点控制方式，根据基点控制方式及当前有功出力被动、主动进入振动区的不同情况分别进行处理：

41)当水电厂控制器以浮动基点方式参与控制，当前有功出力波动入振动区或由于振动区范围发生变化使当前有功出力被动进入振动区时，启动波动拉回程序，将电厂出力拉至当前出力比较靠近的振动区边界；

42)当水电厂控制器以固定基点方式参与控制，当前有功出力波动入振动区或由于振动区范围发生变化使当前有功出力被动进入振动区时，启动波动拉回程序，当基点功率在振动区外时，将电厂出力拉至基点功率；当基点功率在振动区内时，将电厂出力拉至当基点功率比较靠近的振动区边界；

43)水电厂控制器以浮动基点方式参与区域控制时，当区域向上调节需求不足时，选择当前出力在振动区下边缘死区带的水电厂控制器向上跨越振动区，当区域向下调节容量不足时，选择当前出力在振动区上边缘死区带的水电厂控制器向下跨越振动区；

44)水电厂控制器以固定基点方式参与区域控制时，当实际出力未进入振动区，目标出力落入振动区时，将目标出力限制在靠近实际出力侧的振动区边缘；当目标出力穿越振动区时，根据控制器的基点功率模式和区域调节需求判断是否允许水电厂跨越振动区，允许跨越则将目标出力定为基点功率，同时跨越振动区，否则将目标出力限制在当前出力侧的振动区边缘。

前述的基于主站AGC系统的水电厂振动区跨越方法，其特征在于：在所述步骤4)中，在任何一种情况下，每次只选择一个水电厂控制器跨越振动区，如果上次选择跨越振动区的水电厂控制器仍未结束跨越过程，则不再选择新的水电厂控制器跨越振动区。

前述的基于主站AGC系统的水电厂振动区跨越方法，其特征在于：在所述步骤44)中，当目标出力穿越振动区时，对于人工给定基点方式(BASE)参与调节的固定基点水电厂控制器，允许其跨越振动区，而对于计划值模式(SCHE)模式的固定基点水电厂控制器，只有区域调节需求在死区时才允许跨越。

前述的基于主站AGC系统的水电厂振动区跨越方法，其特征在于：水电厂机组跨越振动区过程中，不受控制器调节步长的限制，而只受命令最大允许变幅约束，以保证能够快速跨越振动区。

本发明所达到的有益效果：本发明的基于主站AGC系统的水电厂振动区跨越方法，在水电厂有功出力随机波动入振动区区间或由于振动区的范围发生变化使当前出力被动进入振动区时，由主站AGC系统下发控制指令，引导机组离开振动区；对于水电厂当前实际出力未进入振动区，而目标出力落入或穿过振动区时，依据水电机组的运行状态和调节需要，将目标出力限制在振动区的边缘或跨越振动区；对于水电厂当前实际出力未进入振动区，而区域调节需求紧急，调节容量不足时，选择运行在振动区边缘的水电厂控制器跨越振动区。生成可观测的水电厂有功功率动态运行区间，实时掌握水电厂的可调节区间和振动区范围，通过具体的跨越方法，使水电机组出力有效地避开水轮机的振动区间，并在合适的时机选择机组跨越振动区，充分利用水电机组的调节优势。

附图说明

图1为水电厂全厂有功功率动态运行区间示意图；

图2为浮动基点控制方式水电厂控制器被动跨越示意图；

图3为固定基点控制方式水电厂控制器被动跨越示意图；

图4为浮动基点控制方式水电厂控制器主动跨越示意图；

图5为固定基点控制方式水电厂控制器主动跨越示意图。

具体实施方式

在本发明中，披露了一种基于遥测信息的全厂有功功率动态运行区间图建模方法。实现方法为：在AGC电厂控制器模型中建立全厂遥测运行上下限、各段振动区边界遥测值的属性及相应的测点接入域，由电厂将实时的运行限值和振动区边界上送至主站。各运行限值和振动区范围随着水电厂出力的变化动态更新。

附图1为水电厂全厂有功功率动态运行区间图。图中振动区是指经过水电厂厂级控制系统分析计算后的全厂有功实时振动区，振动区段数和宽度由厂级控制系统根据机组成组台数、水头大小、机组最大出力等计算得出(本发明中振动区段数可以根据电厂实际情况扩充，本例中以2段为例，分别以上振动区和下振动区区分)。

表示水电厂i全厂运行上限，表示水电厂i全厂运行下限，

表示水电厂i下振动区的上边界，

表示水电厂i下振动区的下边界，

表示水电厂i上振动区的上边界，

表示水电厂i上振动区的下边界。

通过水电厂全厂有功功率动态运行区间图可以看出，水电厂动态振动区将水电厂的有功调节范围分割为多段可连续调节区域。可调节范围的上、下限，按以下算法进行动态计算：

$R_i^{\min }=\mathrm{MAX}(P_i^{\min },V_i^{\_\max }{|}_{V_i^{\_\max }>0}),R_i^{\max }=\mathrm{MIN}(P_i^{\max },V_i^{+\min }{|}_{V_i^{+\min }>0})---\left(1\right)$

其中

为水电厂i全厂可调节范围下限，

为水电厂i全厂可调节范围上限。在可调节区域内，水电厂控制器能够接受主站发送的有功功率连续调节指令，当水电厂出力偏离此区域，或者主站发送的目标出力需要从一个可调节区进入另一个可调节区域时，需要对是否允许跨越振动区做出判断，如果允许，则在合适的时机引导水电厂控制器跨越振动区。

在本发明中，披露了一种基于全厂有功功率动态运行区间的被动跨越振动区方法。当水电厂有功出力波动入振动区或由于振动区范围发生变化使水电厂有功出力被动进入振动区时，主站依照水电厂全厂动态运行区间图，将水电厂出力快速拉回至振动区外部。由于跨越振动区过程是由于机组自发波动或振动区变化使机组被动进入振动区而引发的，因此称为被动跨越振动区。

水电厂有功功率进入振动区的判据如下式所示，

$V_i^{\min }+P_{\mathrm{ab}}<P_i<V_i^{\max }-P_{\mathrm{db}}---\left(2\right)$

其中P_i为水电厂控制器i当前的有功功率，P_db为水电厂控制器i的命令死区，

和

为水电厂控制器i振动区的上下边界。

被动跨越振动区的处理按照水电厂控制器参与控制的基点功率模式分为浮动基点和固定基点两种。

附图2为浮动基点控制方式水电厂控制器波动进入振动区拉回过程示意图。当浮动基点水电厂控制器全厂有功出力运行点P₁处于越过振动区下边界的死区带，进入紧缩振动区区间，即满足V_min+P_db＜P₁＜(V^min+V^max)/2时，则认为水电机组进入振动区，AGC启动波动拉回程序，修改控制器模式为“爬坡(RAMP)”模式，爬坡目标为振动区下边界，按照图中箭头所指方向将有功出力快速拉出振动区。当全厂有功处于出力运行点P₂处于越过振动区上边界的死区带，进入紧缩振动区区间，即满足(V^min+V^max)/2＜P₂＜V^max-P_db时，则认为出力进入振动区，AGC启动波动拉回程序，修改控制器模式为爬坡模式，爬坡目标为振动区上边界，按照图中箭头所指方向将有功出力拉出振动区。

附图3为固定基点控制方式水电厂控制器波动进入振动区拉回过程示意图。当固定基点水电厂控制器全厂有功出力运行点越过振动区下边界的死区带，进入紧缩振动区区间，例如图中P₁点，认为水电厂进入振动区，AGC启动被动跨越程序，修改控制器模式为“爬坡(RAMP)”模式。爬坡目标根据当时的基点功率所处位置确定。当基点功率处于振动区外部时，如图中的B₁和B₂，将控制器爬坡目标修改为基点功率，分别按图中①和②跨越路径将水电厂出力拉出振动区。当基点功率值处于振动区内部时，要根据基点功率在振动区所处的具体位置分别处理。当基点功率值离振动区上边缘较近，如图中B₃，即满足(V^min+V^max)/2＜B₃＜V^max-P_db时，将控制器爬坡目标修改为振动区上边界，按照图中③所示路径将水电厂出力拉出振动区；当基点功率值离振动区下边缘较近，如图中B₄，即满足V^min+P_db＜B₄＜(V^min+V^max)/2时，将控制器爬坡目标修改为振动区下边界，按照图中④所示路径将水电厂出力拉出振动区。

在本发明中，披露了一种基于全厂有功功率动态运行区间的主动跨越振动区方法。在AGC区域调节中，有时由于调节容量不足或者AGC给水电厂控制器分配的目标出力会穿越振动区时，需要主动选择在当前出力在振动区边缘死区带的水电机组跨越振动区，从当前可调节区快速跃入另一个可调节区，称为主动跨越振动区。

主动跨越振动区同样需要根据当前控制器参与控制的基点功率模式分别处理，即分为浮动基点方式和固定基点方式。

对于浮动基点方式参与控制的水电厂控制器，当AGC控制区域的调节需求紧急，在分配给其它机组后仍然有较大的调节功率，同时当前没有其它机组正在跨越振动区时，AGC系统选择运行在振动区边缘死区带的机组沿着调节功率的方向跨越振动区。

附图4为浮动基点水电厂控制器主动跨越振动区的示意图。以当前的调节功率方向为增加出力(即ACEREG_OPA＞0)为例。假设水电厂有功功率当前运行位置为P₁点，可以看出跨越条件为，

ACEREG＞ACEDB_OPA＞0        (3)

ACEREG_OPA-ACE_dispatched＞ACEDB_OPA    (4)

$P_i^{\max }-V_i^{\max }>P_{\mathrm{db}}---\left(5\right)$

$|P_i-V_i^{\min }|>2*P_{\mathrm{db}}---\left(6\right)$

上式中ACEREG_OPA为区域的调节总需求，ACE_dispatched已分配给其他机组的调节功率，ACEDB_OPA为区域调节功率死区门槛，P_i为水电厂当前出力。

式(3)表示当前的调节功率方向和大小；式(4)表示当前调节功率在分配给其它机组后仍然有较大的空缺，调节容量不足；式(5)表示水电厂控制器i在振动区上方尚有至少一段可调节区域(图中直线阴影)。式(6)表示水电厂控制器当前有功出力运行在振动区边界的死区带(图中斜线阴影)中。同时满足以上条件时，AGC控制程序才会选择该水电厂控制器跨越振动区。

附图5为固定基点方式主动跨越振动区的示意图。对于固定基点方式参与控制的水电厂控制器，当目标出力落在振动区内部时(如图中B₁)，将目标出力限制在当前实际出力侧的振动区边缘，如图中黑色箭头线所示；当目标出力穿越振动区时(如图中B₂)，是否允许跨越振动区需要根据水电厂当前的运行状态及参与AGC控制的控制模式分别处理。对于给定基点模式(BASE)的水电厂控制器，允许其跨越振动区(如图中红色箭头线所示)，而对于计划值模式(SCHE)的水电厂控制器，只有当区域调节需求很小的时候(在死区范围内，ACEREG_OPA＜ACEDB_OPA)才允许跨越振动区(如图中绿色箭头线所示)，否则将目标出力限制在靠近当前实际出力侧的振动区边缘(如图中蓝色箭头线所示)。

本发明按照优选实施例进行了说明，应当理解，但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于主站AGC系统的水电厂振动区跨越方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)建立水电机组全厂运行范围数据结构模型，包括水电厂当前出力，全厂运行上下限、各振动区边界；

2)利用水电厂上传的全厂运行上限，全厂运行下限，各振动区边界遥测信息，建立基于遥测信息的水电厂全厂动态运行区间图；

3)判断水电厂有功出力是否进入振动区，其判据是：有功功率越过振动区边界死区带后的紧缩振动区区间；

4)水电厂控制器以基点功率模式为计划值模式或人工基点模式参与AGC控制时，称为固定基点控制方式；当以自动控制模式参与AGC控制时，称为浮动基点控制方式，根据基点控制方式及当前有功出力被动、主动进入振动区的不同情况分别进行处理：

41)当水电厂控制器以浮动基点方式参与控制，当前有功出力波动入振动区或由于振动区范围发生变化使当前有功出力被动进入振动区时，启动波动拉回程序，将电厂出力拉至当前出力比较靠近的振动区边界；

42)当水电厂控制器以固定基点方式参与控制，当前有功出力波动入振动区或由于振动区范围发生变化使当前有功出力被动进入振动区时，启动波动拉回程序，当基点功率在振动区外时，将电厂出力拉至基点功率；当基点功率在振动区内时，将电厂出力拉至当基点功率比较靠近的振动区边界；

43)水电厂控制器以浮动基点方式参与区域控制时，当区域向上调节需求不足时，选择当前出力在振动区下边缘死区带的水电厂控制器向上跨越振动区，当区域向下调节容量不足时，选择当前出力在振动区上边缘死区带的水电厂控制器向下跨越振动区；

44)水电厂控制器以固定基点方式参与区域控制时，当实际出力未进入振动区，目标出力落入振动区时，将目标出力限制在靠近实际出力侧的振动区边缘；当目标出力穿越振动区时，根据控制器的基点功率模式和区域调节需求判断是否允许水电厂跨越振动区，允许跨越则将目标出力定为基点功率，同时跨越振动区，否则将目标出力限制在当前出力侧的振动区边缘。

2.根据权利要求1所述的基于主站AGC系统的水电厂振动区跨越方法，其特征在于：在所述步骤4)中，在任何一种情况下，每次只选择一个水电厂控制器跨越振动区，如果上次选择跨越振动区的水电厂控制器仍未结束跨越过程，则不再选择新的水电厂控制器跨越振动区。

3.根据权利要求1或2所述的基于主站AGC系统的水电厂振动区跨越方法，其特征在于：在所述步骤44)中，当目标出力穿越振动区时，对于人工给定基点方式参与调节的固定基点水电厂控制器，允许其跨越振动区，而对于计划值模式模式的固定基点水电厂控制器，只有区域调节需求在死区时才允许跨越。

4.根据权利要求1或2所述的基于主站AGC系统的水电厂振动区跨越方法，其特征在于：水电厂机组跨越振动区过程中，不受控制器调节步长的限制，而只受命令最大允许变幅约束，以保证能够快速跨越振动区。

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