浅谈抽水蓄能电站成组控制

浅谈抽水蓄能电站成组控制

摘要：本文从抽水蓄能电站机组的运行方式和控制分层入手，介绍了成组控制在电站控制中所处的位置，进而详细说明成组有功、无功控制的基本组成、结构形式以及各部分的功能。最后阐述了基于成组的优化理念、并给出一个应用实例。

关键词：成组控制joint control；自动发电控制Automatic Generation Control (AGC)；自动电压控制Automatic V oltage control(A VC)；优化Optimization

1引言

抽水蓄能电站作为一种特殊形式的水电站，利用电力系统多余的电量（汛期、假期或后半夜低谷电量）把水由下库抽到上库，在系统高峰负荷时发电运行，具有调峰填谷的双重作用，是电力系统最理想的调峰电源。另外，它还可以承担调频调相、调压和事故备用等任务，对保障电网的安全优质运行和提高系统经济性、稳定性具有重大作用。因此抽水蓄能电站（尤其是大型抽水蓄能电站）一般作为电网直接调度的电站，由总调进行控制。目前，我国已投产或在建抽水蓄能电站大多采用了先进的集散控制系统（DCS），为实现电站级和调度级的成组控制提供了软、硬件条件。而电力系统通信网络的不断发展，也为实时信息传输提供强有力的基础。成组控制包括成组负荷管理、成组电压管理；在电站侧还设置了为提高机组和电站整体效率的优化软件。

2 成组控制

2.1 机组的运行方式和控制分层

2.1.1 机组的运行方式

每台机组有三种运行方式，即成组运行方式、单机运行方式和试验运行方式。

（一）成组运行方式

在成组控制方式下，机组现地控制单元(LCU)按成组控制软件的指令控制机组的运行。成组控制方式的设置是建立在机组为远方控制的基础上。

（二）单机运行方式

在单机方式下，该机组只响应来自电站层HMI（人机接口界面）的命令，成组控制系统无法对机组进行启停控制以及负荷的设定，但成组系统将自动地从电站的总设定值中扣除在单机方式下机组的设定值，然后进行分配。

（三）试验运行方式

在试验方式下，根据机组远方／现地开关的设置，机组既可在电站层HMI上操作，也可在现地HMI或传统控制盘上操作。机组的输出不受成组控制系统的控制，也不计入电站的总设定值内。

正常情况下，没有参加成组控制的机组选择“单机运行方式”，机组跳闸后则自动切至“试验运行方式”。当机组控制方式选择现地时，机组也转为“试验运行方式”。为了设计简化，可以取消试验方式的定义，将除“成组运行方式”外所有机组的状态定义为“单机运行方式”。

2.1.2 机组的控制分层：

－现地控制层

－电站控制层

－调度控制层

当机组现地盘柜上控制方式旋钮选择“现地”时，表示机组可以通过现地HMI“自动”或“单步”执行操作员命令，也可由现地控制盘按钮实施控制，这就是“现地控制层”。当选择“远方”时则机组的控制权就交给“电站控制层”，机组运行方式默认为单机。

在“电站控制层”，成组控制设置两种工作模式，一是“监视模式”，另一个是“自动模式”。当选择“监视模式”时，所有不在“试验运行方式”的机组都将自动转换到“单机运行方式”。机组的启动、停止控制，有功、无功的设定值修改都由操作员在电站层HMI上逐台完成。常规成组控制和优化只限于数据指示，并实时跟踪机组有、无功设定值。当选择“自动模式”时，操作员可在电站层的HMI上选择单机运行的机组加入成组，电站总的设定值也开始有效，参加成组机组的有功和无功就由成组软件计算和分配。机组的自动启动和停止交由成组软件控制。

为实现成组控制，首先应该选择成组“自动模式”，再将需要加入成组的机组选择“成组运行方式”。此时，操作人员还可以根据需要在电站层HMI上选择“现地”，将控制权留在电站侧；或者选择“远方”，把控制权移交到总调侧。

总调侧获取电站控制权后，“调度控制层”能够实现对电站总的有功、无功负荷的管理。机组控制分层结构如图1所示。

注：箭头表示控制命令的流向；黑圈加线段表示控制旋钮，白圈为选项

图1 电站控制结构图

2.2 成组负荷管理

成组控制的负荷管理部分根据水库有效水量和电站总有功功率设定值，控制整个电站的有功输出。

2.2.1负荷管理模式

负荷管理有三种模式：负荷设定模式、频率调节模式和频率辅助调节模式。根据电站远方／现地开关的设置，这三种负荷管理模式可在调度侧或电厂进行选择。如图2所示：

注：箭头表示控制命令的流向；黑圈加线段表示控制旋钮，白圈为选项

图2 负荷（有功）控制结构图

1．负荷设定模式

在负荷设定模式下，操作员可以选择日负荷曲线或操作员负荷设定值这两种方法。

当选择了日负荷曲线时，电站计算机按照日负荷曲线的给定值计算和分配机组的出力。为了避免机组的频繁启停，在负荷曲线的变化需要启停机组时，成组控制系统将检查以后两个负荷点（15分钟或5分钟一个点）的负荷值是否有相同的要求后才发出机组的启停命令。日负荷曲线是负荷预告曲线。它以15分钟（有的地区采用5分钟）为间隔的形式给出每天24小时的负荷设定值。日负荷曲线有当天和第二天两根负荷曲线。每天00：00至00：15（或00：05）时，电站的控制系统自动将第二天的负荷曲线替代原当天的负荷曲线，并将原第二天的负荷曲线的值设置为零。日负荷曲线的修改根据调度制定的原则，一般只能由调度侧改动，所以电站侧相当于设置了只读方式。当负荷曲线修改后，总调再次下发该曲线至电站侧并覆盖原先的曲线。

当选择了操作员负荷设定值时，电站计算机响应操作员输入值，在操作未解除或修改该指定值之前，电站将维持该设定值不变。操作员负荷设定值是实时负荷设定值当电站处在远方控制时，指定负荷设定值是通过与总调联系的通信链路（RTU通道）传送的。

2．频率调节模式

这种模式采用周期设定值。在频率调节模式下，成组控制系统以最快的速度响应电网AGC调节的要求（设定周期为4－60秒），以维持电网的频率。为了避免由于通信信道干扰而引起机组的频繁启停，当周期设定值要求启动机组时，成组控制系统将检查以后收到的两点是否相同的要求后再执行（延迟两个周期）。

电网AGC软件作为能量管理系统（EMS）的重要组成部分，在电网频率调节，保证网际联络线交换功率按交换合同进行和经济调度方面起着关键作用。但它对参与调节的电厂只能发送正的有功值。因此对于抽水蓄能电站，AGC软件不能控制机组泵工况的起停，所以该模式只能用于发电工况。

3．频率辅助调节模式

这种模式是负荷设定模式和频率调节模式的组合。当电网频率在一许可的频带范围内，成组控制系统将遵循负荷曲线或指定负荷设定值。当电网频率超出了设定的频带范围，

成组控制系统将自动接受周期设定值进行调节。该模式也只有在发电工况时有效。

2.2.3 有功负荷分配方式

发电工况下，电站总设定值是电站内所有工作在“单机运行方式”和“成组控制方式”机组的设定值。成组控制只能控制处于“成组控制方式”下的机组出力和起停操作，但考虑“单机运行方式”下的机组出力。因此，“成组控制方式”机组的负荷设定值是电站总设定值减去所有运行在“单机运行方式”机组实际出力：

P J=P G- P I

式中 P J：成组控制设定值

P G：电站总设定值(负荷曲线，操作员设定值或周期设定值)

P I：“单机运行方式”机组的实际出力

每台“成组控制模式”机组的运行出力限制在一定范围。发电工况下，该范围的最大值一般采用机组的铭牌出力，最小值则根据运行限制所带的最小负荷来确定。

发电工况下，总调可能根据需要设置发电裕度，在进行负荷分配时必须考虑该值。电站发电裕度实际上是所要求的电站旋转备用容量，它与电站总的负荷设定值相加来决定开机台数。由于受发电机组最小发电容量的限制，电站计算机对调度所设定的电站发电裕度进行检查，确保分配到每台运行机组的发电裕度不会过大，否则将使的机组运行在的低负荷区。如果电站不能达到发电裕度的要求就只响应有功设定值，不理会发电裕度值，并给出相应报警。

水泵工况机组的入力根据机组只能按满负荷运行，由于水泵实耗负荷受到实际水头的影响，因此，电站的总有功负荷设定值不会象发电工况运行时那样得到准确执行。在水泵工况运行时，成组控制按机组最大出力来考虑总设定值的分配，就是取设定值除以机组水泵消耗功率的整数值为运行机组台数。该值减去“单机运行方式”下的水泵运行机组台数就是“成组运行”水泵运行台数。

2.2.4 电站运行限制

为了保证操作人员、机组、电站以及电网的安全，成组控制软件必须考虑限制因素。

1 水位限制

上水库水位高或下水库水位低：抽水机组逐台停机

上水库水位低或下水库水位高：发电机组逐台停机

水库的低和高水位信号设定值是可调节的参数。各机组跳闸之间的间隔时间（可调）的设置可防止电站对电网产生过大的负荷冲击，最低和最高水位设定值必须考虑到电站所有机组跳闸所需的时间。

2 电网限制

电网频率高于xHz（x>50Hz,可调）延迟t1（可调）秒：发电机组逐台停机

电网频率低于yHz（y<50Hz,可调）延迟t2（可调）秒：抽水机组逐台停机

成组控制软件中，上述两个限制的动作都必须设置相应报警模块以及手动复归按钮。

2.3 成组电压管理

根据电站一次主接线开关的连接方式，成组控制软件电压管理部分将维持相应线路电压在预先设置的范围内。

2.3.1 电压管理模式

电压管理有两种模式：电压控制模式和无功控制模式。根据电站远方／现地开关的设置，这两种电压管理模式可在调度侧或电厂进行选择。

1电压控制模式

在电压控制模式下，操作员可以选择日电压曲线或操作员电压设定值这两种方法。根据

抽水蓄能运行工况的不同，通常设置有三种不同的电压曲线。它们分别是发电、抽水以及调相电压曲线。成组控制软件将三种电压曲线与日负荷曲线结合起来，产生一条当天的电压曲线。每根曲线由一天中电网允许的最低和最高电压点组成，点的间隔是15分钟（或5分钟）。这些曲线不考虑一次主接线开关的分合状态。电压曲线的修改和更新与负荷曲线类似。在日电压曲线模式下，电压设定值是最高允许和最低允许值的平均值。

一般情况下，应该根据电压曲线计算出相应的控制死区。通常把3－5％的电压曲线区域作为死区。死区范围关于中间值（设定值）对称。在死区范围内，成组控制不进行调节操作。在电压死区外围，有一个调节范围。如果实际电压在此范围内，成组软件将通过设定机端电压值给励磁系统，调节电压接近中间值。对于主变设置有载分接开关的电站来说，成组软件可以在上述调节范围的外围设置第二个调节范围，如果实际电压落入该调节范围则通过改变有载分接开关的位置。第一个电压调节范围必须大于由于主变压器有载分接开关一次升／降引起的电压变化。否则电压仍会在该调节区内，又将引起主变压器有载分接开关一次升／降操作。

2 无功控制模式

成组无功控制逻辑管理全厂发出/吸收的无功功率，该功能还补偿（单机）无功发出/吸收的变化。该逻辑采用无功功率设定值的方法（Mvar），扣除所有单机运行模式下机组的无功值，剩余用作成组控制方式下机组的无功设定值。电站无功负荷分配如下式所示：Q J = Q G - Q I

式中 Q J：成组控制的无功设定值

Q G：电站总无功设定值，由操作员设定

Q I：工作于“单机运行方式”的机组无功出力

成组无功控制软件还计算机组发出/吸收无功的最大最小限制值。限制值的计算依据每台发电电动机的容量曲线，即Q Max(j)=f(P)。限制值随着有功（P）的变化而变化。而电站总的无功限制值，还应考虑单机运行机组的实际无功功率。成组机组无功限制值以及整个电站的无功限制值用于指导电站操作员和调度员设定值操作。

2.3.2 调相机组台数

抽水蓄能电站同步调相运行适用于水轮机方向和水泵方向。当电站在成组模式，并且成组无功控制投入，操作员可以在调度中心或电站侧为成组机组设定调相机组的台数。当调相机组台数与发电或抽水机组台数发生冲突时，后者具有更高优先级，应该首先得到满足。

3优化

对于总调来说，成组软件具有上述功能就已经满足实际应用需求。但在电站侧，一方面要满足总调对于负荷的要求，另一方面还应考虑机组以及电站整体效率。这就需要设置优化软件，使机组的效率以及电站的水量消耗达到最优状态。优化软件仅适用与发电工况，且要求电站发电裕度为零。

一个典型的应用是采用类似经济调度程序的软件，根据电站总的负荷设定值，计算每台机组应带负荷。该软件在均分负荷的基础上，为每台机组加上正的或负的偏置量，并且保证总负荷值不变。因此该软件投入的条件至少有两台机组加入“成组运行方式”。优化评判的依据是发出相同负荷时电站所消耗的水量。优化软件需要采集机组控制单元参数，包括机组实际负荷值，机组尾水流量等。公共参数由相应的公共单元提供，包括总的负荷设定值、水头、输水水道的损耗等。水轮机组的效率曲线则可以与软化软件存储与同一物理存储器以方便调用。

4结语

成组控制软件作为抽水蓄能电站监视控制系统的重要组成部分，它把整个电站当成一个可控的实体，从全局上对电站的负荷、电压进行有效的管理，对于提高电站供电质量、安全运行水平、劳动生产率和经济效益负荷有着重要的意义。成组控制软件与调度侧能量管理系统的联系丰富了调度的控制策略，能够使抽水蓄能电站充分发挥自身调节手段多样、响应速度快的特点。当然，成组控制软件的投入也有助于电站实现真正意义上的无人值班少人职守的运行目标。

参考文献：

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