CN102684189B - 一种水电站调压井agc控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水电站调压井AGC控制方法，其包括以下步骤：1）计算每个调压井t2时刻的有功可运行区间；2）合并累加全厂所有调压井t2时刻的有功可运行区间，获得全厂有功可运行区间；3）遍历步骤2）中所得到的全厂有功可运行区间中所有有功功率对应的所有调节分配方案，删除其中机组的能耗比高于预先设定的最大能耗比或机组穿越振动区次数超过2次或至少有2个机组同时穿越振动区的调节分配方案，获得优化后的全厂有功可运行区间；下发给机组执行。本发明在保证调压井安全的前提下，既满足了调度连续调节的要求也确保了分配方案的经济性。

Description

一种水电站调压井AGC控制方法

技术领域

本发明属于电力领域，具体涉及一种水电站调压井AGC控制方法。

背景技术

水电站引水发电系统是由管道、明渠和上游水库、下游水库、机组、调压井、串点、岔点、闸门等组成的一个复杂的管网结构。调压井中会产生涌浪水位和水波反射，涌浪水位和水波反射的衰减程度决定了此调压井还允许有多少可调节余量。而涌浪水位和水波反射不容易测量，从安全考虑，对幅度不同的功率调节，自动发电控制一般固定等待不同长度的平压时间后，才允许下一次调节指令。这样虽然解决机组的安全性问题，但却使水电站不能连续响应上级调度指令，不能满足电网对水电站自动发电控制的要求。平压等待时间：水电站机组运行必须受很多因素的限制，故必须对机组的运行加以限制，为保护调压井运行安全，采用保守策略，在某一次功率调节后，固定等待一定时间后才允许下一次功率调节，这个等待时间就是平压等待时间。

基于以上问题，需要一种算法，在保证安全的前提下，实时计算出调压井开放的调节容量，从而连续响应上级调度指令。该算法充分利用设计院和相关规范指导给出的平压时间，将固定的平压时间转换成调压井闭锁容量，实时计算每一次有功调节在一定时间后调压井闭锁容量的累加和，然后基于各调压井闭锁容量累加和进行水电站可运行区间计算，然后依据可运行区间进行负荷分配。调压井闭锁容量是随时间连续变化的衰减量，所以可使水电站连续响应上级调度指令，从而满足电网对水电站自动发电控制连续调节的要求。调压井闭锁容量是指将调压井内机组某一次功率调节对调压井的影响估算成机组可调节容量的缩减，是一个随时间逐步衰减到零的应变量。

水电厂以往通常是采用功率成组调节装置，按流量(或按水位)调节装置等实现负荷控制功能。在采用了计算机监控系统后，自动发电控制(Automatic Generation Control,简称AGC)功能在水电厂控制领域得到了广泛的使用。

在水电站发电机组的负荷控制中，经常会碰到不可运行区，即水轮机的振动、汽蚀区等问题。振动区：水轮机在一定出力区间运行时，会出现汽蚀现象，叶片绕流情况变坏，水轮机功率下降，效率降低，过流部件形成空蚀、剥蚀甚至穿孔。伴随着汽蚀的发生，还会产生噪音和压力脉动，尤其是尾水管中的脉动涡带，当其频率一旦与相关部件的自振频率相吻合，则必然引起共振，造成机组的振动、出力的摆动等，严重威胁着机组的安全运行，该出力区间称为机组振动区。个别机组的振动区甚至出现在机组的高效率区，厂内躲避振动区可根据机组振动区段数及大小，确定电厂负荷的可运行区域，并按照避振原则优化计算得到机组间最优负荷分配。厂内躲避振动区原则一般有避免机组频繁穿越振动区、避免机组负荷大范围波动以及机组实发有功值以最快的速度跟踪电网调度下达的负荷给定值等。

发明内容

本发明提供了一种解决上述问题的方案，提供一种安全可靠的一种水电站调压井AGC控制方法。

本发明的技术方案是提供一种水电站调压井AGC控制方法，其是一种根据上级调度的调节指令控制全厂所有调压井的AGC控制方法，其中每个调压井控制至少一个水力发电的机组，其特征在于：其包括以下实现步骤：

1）计算每个调压井t₂时刻的有功可运行区间；

2）合并全厂所有调压井t₂时刻的有功可运行区间，获得全厂有功可运行区间；

3）遍历步骤2）中所得到的全厂有功可运行区间中所有有功功率对应的所有合理调节分配方案，计算每个合理调节分配方案中每个机组的能耗比ξ，并剔除其中机组的能耗比ξ高于预先设定的最大能耗比ξ_max或机组穿越振动区次数超过2次或至少有2个机组同时穿越振动区的调节分配方案，获得优化后的全厂有功可运行区间；

4）判断上级调度发出的所述调节指令是否在步骤3）中获得的优化后的全厂有功可运行区间中；如果在，则执行以下步骤；否则则拒绝执行并报警；

5）根据所给调节指令遍历所有可能的合理调节分配方案，选取唯一的最优方案并下发给机组执行。

优选的，所述步骤1）计算单个所述调压井t₂时刻的有功可运行区间的步骤为：

1.1）计算该所述调压井t₂时刻前T时间内单次有功调节造成的机组闭锁容量和其在t₂时刻的保守可调当量P_ktdl，其中T为一次有功调节的调节指令从下发到机组闭锁容量为零所经历的时间；

1.2）计算该所述调压井t₂时刻前T时间内所有有功调节造成的机组闭锁容量的累加和及该所述调压井在t₂时刻的保守可调容量P_kt的累加和∑P_kt；

1.3）计算该所述调压井t₂时刻的当前有功功率P，得到所述调压井t₂时刻的有功可运行区间为[P-∑P_kt,P+∑P_kt]。

优选的，所述步骤1.1）中计算该所述调压井在t₂时刻的保守可调当量P_ktdl的计算公式为：

$P_{\mathrm{ktal}}=P_{\mathrm{ktal}\max }-P_{\mathrm{bsdl}}=P_{\mathrm{ktdl}\max }-\mathrm{\η}\·(1-\frac{t_2-t_1}{T})\mathrm{\ΔP}\·K_n,$

式中，P_ktdlmax为该所述调压井的设计许可最大调节容量，P_bsdl为t₂时刻调压井闭锁容量，t₁为调节指令的下达时刻，T为一次有功调节的调节指令从下发到机组闭锁容量为零所经历的时间，

$\mathrm{\η}=\left(\begin{array}{cc}1& (t_2-t_1\≤T)\\ 0& (t_2-t_1>T)\end{array}\right.,$ ΔP为t₁时刻调节指令的变化量的绝对值，K_n为该所述调压井的设计保守当量系数。

优选的，根据该所述调压井在t₂时刻的保守可调当量P_ktdl计算其在在t₂时刻的保守可调容量P_kt的公式为：

P_kt=P_ktdl/K_n，其中K_n为该所述调压井的设计保守当量系数。

优选的，所述调节分配方案中每个机组的能耗比ξ的计算公式为：

$\mathrm{\ξ}=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|P_i-P_{\mathrm{iagc}}|}{P_{\mathrm{agc}}-P}$

式中，P_i为i号机组的调整前功率值、P_iagc为i号机组在所述调节分配方案中的设定值、P为全厂机组调整前的功率值、P_agc为全厂机组在所述调节指令中的设定值。

优选的，其还包括以下步骤：

3.2）建立全厂机组的负荷波动方程，计算所有所述调节分配方案的负荷波动；

3.3）选择所有所述调节分配方案中的负荷波动最小的所述调节分配方案。

优选的，所述负荷波动方程为：

J_wave[n][Pset]

=(Gset[n]-Gen_P[n])×(Gset[n]-Gen_P[n])+J_wave[n-1][Pset

-Gset[n]]

式中，J_wave为所述负荷波动，Gen_Num为全厂机组总台数，Run_No为机组台数，Agc_No为所述调节方案中的机组台数，Pset为所述调节指令中全厂功率设定值，Gen_p[n]为机组当前实发值,Gset[n]是机组的在所述调节分配方案中的设定值。

优选的，所述步骤3）后还包括以下步骤：

3.1）将获得的优化后的全厂有功可运行区间上报给上级调度。

9、根据权利要求1所述的一种水电站调压井AGC控制方法，其特征在于：所述步骤5）中包括以下步骤：

5.1）建立全厂机组的负荷波动方程，计算所有所述调节分配方案的负荷波动；

5.2）选择所有所述调节分配方案中的负荷波动最小的所述调节分配方案；

5.3）根据所述调节分配方案生成调度指令，下发到机组调速器执行。

优选的，所述负荷波动方程为：

J_wave[n][Pset]

=(Gset[n]-Gen_P[n])×(Gset[n]-Gen_P[n])+J_wave[n-1][Pset

-Gset[n]]

式中，J_wave为所述负荷波动，Gen_Num为全厂机组总台数，Run_No为机组台数，Agc_No为所述调节方案中的机组台数，Pset为所述调节指令中全厂功率设定值，Gen_p[n]为机组当前实发值,Gset[n]是机组的在所述调节分配方案中的设定值。

本发明的一种水电站调压井AGC控制方法采用调压井闭锁容量计算，在机组、调压井、全厂三层逐步计算得出全厂可运行区间，然后对每个可运行点进行反校，这样保证了最终得出的全厂可运行区间是切实安全可靠，而且不会造成过大的负荷波动，使自动发电控制在保证调压井安全的前提下，一方面满足了调度连续调节的要求，另一方面也以能耗比为原则剔除了不良分配方案，保证了分配方案的经济性。

附图说明

图1是本发明的一种水电站调压井AGC控制方法的流程图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1所示，本发明的一种水电站调压井AGC控制方法的具体流程为：

1）初始化，读取相关参数的状态；其中包括：

机组配置参数,包括：机组台数，机组水头范围，机组各水头下出力范围和振动区，机组AGC投入退出条件等。

调压井配置参数，包括：调压井数量，调压井内机组台数和序号，调压井平压时间T，调压井最大出力限制，

全厂AGC控制闭锁参数，包括：全厂总有功功率最大、最小值，最大能耗比ξ_max初始值，调度控制指令和曲线值接口初始化。

2）计算调压井内单次有功调节造成的机组闭锁容量；

3）计算调压井内历次有功调节造成的机组闭锁容量累加和；

4）结合机组振动区，计算调压井内有功功率可运行区间，初步得出全厂有功可运行区间；

5）反校验，得出优化的全厂可运行区间；

6）上级调度实施远方调度或现地操作，在可运行区间设置总功率设定值；

7）判断该总功率设定值是否合法，即在全厂可运行区间中。如果不在，则拒绝执行该调度；

8）以调压井为单位分配，再在调压井内以机组为单位进行分配该总功率设定值；

9）动态调优后，形成多套备选方案；

按照前面动态调优的公式，选取代价最小(代价最小的方案可能不只一个)的多套备选方案。

10）依据既定原则得出最终唯一的分配方案；

11）下发到机组调速器执行。

具体来说，首先计算某一时刻前面最大固定平压时间T时间内调压井所有有功功率调节指令产生的闭锁容量累加和。

某一时刻调压井（单井）许可最大调节容量（当量）为P_ktdlmax；许可调节容量为：当前实发考虑调压井安全的可调区间和机组实际可运行区组合产生的可调节区间两者间取“保守”可调区间。t₁时刻的调节指令，到t₂时刻开放的井内可调容量P_ktdl（当量值）具体计算方法如式(1)所示。

$P_{\mathrm{ktal}}=P_{\mathrm{ktal}\max }-P_{\mathrm{bsdl}}=P_{\mathrm{ktdl}\max }-\mathrm{\η}\·(1-\frac{t_2-t_1}{T})\mathrm{\ΔP}\·K_n---\left(1\right)$

其中P_ktdlmax为任何时刻调压井许可最大调节容量（当量）

P_bsdl为t₂时刻调压井闭锁容量(当量)

$\mathrm{\η}=\left(\begin{array}{cc}1& (t_2-t_1\≤T)\\ 0& (t_2-t_1>T)\end{array}\right.$

T为一次指令下发到其闭锁容量为零所经历的时间

ΔP为t₁时刻调节指令的变化量的绝对值。

K_n为按照（P_ktdl+P_cur）作为新的最大可能井内功率得出的保守当量系数，由设计单位给出。Pcur是当前功率。

而井内可调容量P_ktdl转换成保守实际可调容量P_kt公式如式(2)所示。

P_kt=P_ktdl/K_n   (2)

对当前时刻的可调容量计算，是按照前面所有指令算出的闭锁容量（当量）进行线性叠加，得出总的闭锁容量（当量）和可调容量（当量），而后再依据式(2)得出保守可调容量∑P_kt。当量系数是指调压井内功率值处于不同区间，则对应的不同当量转换系数(用来将井内功率水平下实际调节量转换成统一的调节当量)。而保守当量系数则是以当前调压井最大可能达到的井内功率当量(P_cur+P_ktdl,即井内实际功率(当量)+调压井本时刻最大可能达到的井内功率(当量))进行保守估计，得出保守当量系数K_n。

任何一次调节,均从调速器真正收到调节指令并成功反馈给AGC软件时才开始计算,且每一次调节所产生的闭锁容量均在固定平压时间T时间内完全开放,过程中是时间的线性函数。多次调节的闭锁容量变化采用线性叠加的方式累计，即某时刻调压井的闭锁容量为前面过去T时间内所有调节指令累加和。算出闭锁容量累加和后，又得出当前调压井的可调容量当量，再用当前机组实发算出可能达到的最大井内功率，进而得出当量系数，用此当量系数得到调压井实际可调容量。

如果调压井内无机组参加AGC，则调压井可调容量显示值强制赋值为零，但程序内部同时仍在进行计算，只是不显示。

当调速器实际给定功率发生变化时，才计算此次指令造成的闭锁容量。给出确认执行令(维持一个AGC控制周期4秒，在此4秒内不执行新设定值)，使调速器有充足时间执行设定值。

1)由单个调压井可调容量，以及属于此调压井机组的振动区，采用区间合并得出此调压井有功功率可运行区间。

为便于程序实现，全厂可运行区间按照分层计算，首先按照井内机组的振动区和AGC投入状态，算出井内“联合振动区”和可调区间，然后按照第式(1)和式(2)的算法用闭锁容量进行修正，这样得出井内可调区间和不可运行区；再对各调压井进行组合计算得出全厂可调容量和不可运行区。先计算出单机的可运行区间，再计算出调压井机组组合的可运行区间，最后再组合计算出全厂的可运行区间。

2)基于调压井可运行区间采用区间合并方法得出初步的全厂有功功率可运行区间。

3)对全厂有功功率可运行区间每一个功率设值点均进行反校验，剔除会造成负荷波动过大的“不良”功率设值点，得到最终分配结果优良的全厂有功功率可运行区间并上送给上级调度机构。

在采用区间合并方法计算出的全厂可运行区间，为保证每个负荷设定点均能合法运行，对每个设定值均下发测试一次，不会使机组运行在振动区，也不会造成机组间、调压井间负荷大幅度波动的分配方案才保留为合法运行设定点，然后依据校核结果再对全厂可运行区间进行修正。

1)电厂自动发电控制系统接收(来源于现地或调度机构)到功率设定值，判断此设定值是否处于优良的全厂有功功率可运行区间，如果不属于则直接判断为非法指令，不执行；如属于则为有效指令，进入下一步。

2)得到有效功率设定值指令，则首先以调压井为单位进行负荷分配，分配到调压井。

3)然后再在调压井内的机组间按照穿越振动区最少、造成负荷波动最小的原则进行负荷分配。并以动态优化方法进行寻优，得到多个负荷分配方案，。

全厂机组总台数Gen_Num，发电机组台数Run_No，投入AGC机组台数Agc_No，全厂设定值Pset，单机当前实发值Gen_P[Gen_Num]，单机优化设定值Gset[Gen_Num]，本次优化方案的代价(能耗、负荷波动)J_wave[Gen_Num][Pmax]，列出状态方程如下：

投入n台机组,设定值为Pset时的状态方程

J_wave[n][Pset]

=(Gset[n]-Gen_p[n])×(Gset[n]-Gen_P[n])+J_wave[n-1][Pset

-Gset[n]]

对Gset[n]作一次循环找到J_wave取最小值，即可得到n台机组的最优设定值Gset[n]；

这里要提到AGC调节能耗比的概念，由于寻优过程中只能按照负荷波动过小的找到最优解，但不能保证这样找到的解是否真正合理，于是引入能耗比ξ的概念。

$\mathrm{\ξ}=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}|P_i-P_{\mathrm{iagc}}|}{P_{\mathrm{agc}}-P}$

式中：

P_i为i号机组的调整前功率值

P_iagc为i号机组本次AGC设定值

P为全厂的调整前功率值

P_agc为全厂本次AGC设定值

在寻优过程中，设定ξ_max的定值，一旦寻优方案的能耗比超过ξ_max则判定此方案不合理，不采用，转而采用下一个分配方案。

4)针对所有负荷分配方案，按照负荷波动最小(能耗比最小)的原则进行甑选，得出唯一的负荷分配方案。

此设定值按照可调容量分配到各调压井，形成N个分配方案，剔除负荷波动过大的方案后剩下M(M<=N)个方案，再在调压井内按照井内AGC投入/退出状态按造成负荷波动最小的原则分配到各台机组，同时也剔除造成负荷波动过大或会造成井内两台机组同时跨越振动区的方案，最后得到L种机组间负荷分配方案，最后在这L种方案中，再按照全厂机组间负荷波动最小的原则找到最优解。下发给PLC执行。

得到最终分配方案后,再给各台机组均发送功率设值消息，驱动调速器导叶动作，机组有功功率变化。

以上实施例仅为本发明其中的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种水电站调压井AGC控制方法，其是一种根据上级调度的调节指令控制全厂所有调压井的AGC控制方法，其中每个调压井控制至少一个水力发电的机组，其特征在于：其包括以下实现步骤：

1）计算每个调压井t₂时刻的有功可运行区间；

2）合并全厂所有调压井t₂时刻的有功可运行区间，获得全厂有功可运行区间；

3）遍历步骤2）中所得到的全厂有功可运行区间中所有有功功率对应的所有合理调节分配方案，计算每个合理调节分配方案中每个机组的能耗比ξ，并剔除其中机组的能耗比ξ高于预先设定的最大能耗比ξ_max或机组穿越振动区次数超过2次或至少有2个机组同时穿越振动区的调节分配方案，获得优化后的全厂有功可运行区间；

4）判断上级调度发出的所述调节指令是否在步骤3）中获得的优化后的全厂有功可运行区间中；如果在，则执行以下步骤；否则，则拒绝执行并报警；

5）根据所给调节指令遍历所有可能的合理调节分配方案，选取唯一的最优方案并下发给机组执行；

所述步骤1）计算单个所述调压井t₂时刻的有功可运行区间的步骤为：

1.1）计算该所述调压井t₂时刻前T时间内单次有功调节造成的机组闭锁容量和其在t₂时刻的保守可调当量P_ktdl，其中T为一次有功调节的调节指令从下发到机组闭锁容量为零所经历的时间；

1.2）计算该所述调压井t₂时刻前T时间内所有有功调节造成的机组闭锁容量的累加及该所述调压井在t₂时刻的保守可调容量P_kt的累加和∑P_kt；

1.3）计算该所述调压井t₂时刻的当前有功功率P，得到所述调压井t₂时刻的有功可运行区间为[P-∑P_kt,P+∑P_kt]。

2.根据权利要求1所述的一种水电站调压井AGC控制方法，其特征在于：所述步骤1.1）中计算该所述调压井在t₂时刻的保守可调当量P_ktdl的计算公式为：

$P_{\mathrm{ktal}}=P_{\mathrm{ktal}\max }-P_{\mathrm{bsdl}}=P_{\mathrm{ktdl}\max }-\mathrm{\&eta;}\&CenterDot;\left(\frac{t_2-t_1}{T}\right)\mathrm{\&Delta;P}\&CenterDot;K_n,$

式中，P_ktdlmax为该所述调压井的设计许可最大调节容量，P_bsdl为t₂时刻调压井闭锁容量，t₁为调节指令的下达时刻，T为一次有功调节的调节指令从下发到机组闭锁容量为零所经历的时间，

$\mathrm{\&eta;}=\left(\begin{array}{cc}1& (t_2-t_1\&le;T)\\ 0& (t_2-t_1>T)\end{array}\right.,$ ΔP为t₁时刻调节指令的变化量的绝对值，K_n为该所述调压井的设计保守当量系数。

3.根据权利要求2所述的一种水电站调压井AGC控制方法，其特征在于：根据该所述调压井在t₂时刻的保守可调当量P_ktdl计算其在t₂时刻的保守可调容量P_kt的公式为：

P_kt=P_ktdl/K_n，其中K_n为该所述调压井的设计保守当量系数。

4.根据权利要求1所述的一种水电站调压井AGC控制方法，其特征在于：所述调节分配方案中每个机组的能耗比ξ的计算公式为：

$\mathrm{\&xi;}=\frac{\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\&Sigma;}}}|P_i-P_{\mathrm{iagc}}|}{P_{\mathrm{agc}}-P}$

式中，P_i为i号机组的调整前功率值、P_iagc为i号机组在所述调节分配方案中的设定值、P为全厂机组调整前的功率值、P_agc为全厂机组在所述调节指令中的设定值。

5.根据权利要求1或4其中之一所述的一种水电站调压井AGC控制方法，其特征在于：其还包括以下步骤：

3.2）建立全厂机组的负荷波动方程，计算所有所述调节分配方案的负荷波动；

3.3）选择所有所述调节分配方案中的负荷波动最小的所述调节分配方案。

6.根据权利要求5所述的一种水电站调压井AGC控制方法，其特征在于：所述负荷波动方程为：

J_wave[n][Pset]

=(Gset[n]-Gen_p[n])×(Gset[n]-Gen_p[n])+J_wave[n-1][Pset

-Gset[n]]

式中，J_wave为所述负荷波动，Pset为所述调节指令中全厂功率设定值，Gen_p[n]为机组当前实发值,Gset[n]是机组的在所述调节分配方案中的设定值。

7.根据权利要求1所述的一种水电站调压井AGC控制方法，其特征在于：所述步骤3）后还包括以下步骤：

3.1）将获得的优化后的全厂有功可运行区间上报给上级调度。

8.根据权利要求1所述的一种水电站调压井AGC控制方法，其特征在于：所述步骤5）中包括以下步骤：

5.1）建立全厂机组的负荷波动方程，计算所有所述调节分配方案的负荷波动；

5.2）选择所有所述调节分配方案中的负荷波动最小的所述调节分配方案；

5.3）根据所述调节分配方案生成调度指令，下发到机组调速器执行。

9.根据权利要求8所述的一种水电站调压井AGC控制方法，其特征在于：所述负荷波动方程为：

J_wave[n][Pset]

=(Gset[n]-Gen_P[n])×(Gset[n]-Gen_P[n])+J_wave[n-1][Pset

-Gset[n]]

式中，J_wave为所述负荷波动，Pset为所述调节指令中全厂功率设定值，Gen_p[n]为机组当前实发值,Gset[n]是机组的在所述调节分配方案中的设定值。

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