一種基于尾水流量實現水電站自動發電控制的方法

肖　永，武晉輝，文賢馗，焦邵華，陳建國，雷　鳴，范　強

(1．貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550002；2．北京四方繼保自動化股份有限公司，北京市 100085；3．貴州電網有限責任公司六盤水供電局，貴州 六盤水 553001)

一種基于尾水流量實現水電站自動發電控制的方法

肖永1，武晉輝2，文賢馗1，焦邵華2，陳建國1，雷鳴3，范強1

(1．貴州電網有限責任公司電力科學研究院，貴州 貴陽 550002；2．北京四方繼保自動化股份有限公司，北京市 100085；3．貴州電網有限責任公司六盤水供電局，貴州 六盤水 553001)

摘要：隨著水電自動化技術的不斷發展，水電站的運行逐步在實現精細化管理。水電站的運行也不再是孤立的，會受到水庫調度、流域水文、灌溉航運等多方面上下游因素的制約。針對水電站在保證水利灌溉的前提下進行發電運行的需求，提出了一種通過尾水流量實現水電站自動發電控制的方法，在保證下游供水的同時，滿足了水電站發電、水利灌溉的雙重要求，為水電站無人值班(少人值守)提供了技術支撐。圖5幅，表1個。

關鍵詞：水電站；機組特性曲線；尾水流量；自動發電控制

1概述

水電站自動發電控制(AGC)技術已經在大中型水電站中獲得了應用，但是隨著水電自動化技術的發展以及運行管理水平的提高，對AGC控制的目標也提出了新的要求。

在水利水電行業，一些水電站間的運行存在著互相關聯、互相影響的關系，如中小流域水電站群，以及一些具有綜合效益的水庫樞紐工程，除了發電以外，還肩負下游區域供水、灌溉的任務，其中存在上下游關系的各水電站的出力，對于水電站的運行效率，以至于流域范圍內水電站群的運行效率都有重要的影響。

對于這些水電站，水庫調度對其尾水流量的排放有一定的要求，這是一個綜合性的問題，要求水電站能夠按照尾水流量進行自動發電控制，滿足流域水情和電網負荷調度要求，實現水電廠社會效益與經濟效益的最優化。

在水電站尾水流量一定的前提下，如何在多臺機組間進行有功負荷的分配，使得水電站具有較好的效率特性，是一個值得研究的課題。

本文以水電站功率調節系統為基礎，結合自身的技術特點，通過對水電機組特性曲線的分析及建模，提出了一種通過尾水流量實現水電站自動發電控制的解決方案，在保證下游供水的前提下，滿足了水電站發電優化及灌溉的雙重需求。

2系統實現

2.1　水電機組流量特性

水輪機的特性曲線表達了水輪機在不同工況下對水流的能量轉換、空化等方面的水力性能及其他特性，目前主要是通過模型試驗獲得，利用水輪機的工作特性曲線，能夠對水輪機的工作狀況進行深入分析。

水輪機的工作特性曲線集中描述了水輪機出力、效率、流量、水頭等多種參數在多種工況下的對應關系，具有多變量、全平面的特點，形成了平面坐標系下的曲線族，充分地描述了水輪機的輸入輸出工作特性(見圖1～圖3)。

圖1　水頭63.9 m時水輪機特性曲線

圖2　水頭92 m時水輪機特性曲線

圖3水頭106.5 m時水輪機特性曲線

對于業主提出的按照尾水流量進行自動發電控制的需求，基于上述水輪機特性曲線，首先要解決流量與出力在不同邊界條件下的對應函數關系。

2.2　水輪機尾水流量與出力

由上述水輪機特性曲線可以看出，在不同水頭下，水輪機的流量與出力的對應關系是不同的，不是單一的單變量關系，而是多變量、全平面的對應關系，這樣通過常規的插值方法很難實現。

采用人工神經網絡(ANN)方法對水輪機特性曲線進行數據處理，能夠較好地處理這個問題。這種方法無須建立具體的函數關系表達式,即可對已知離散數據進行擬合,并結合邊界約束條件對未知區域內的數據進行預測,從而提高了水輪機特性曲線數據處理的工作效率和數據精度(見圖4)。

圖4ANN網絡結構示意

神經網絡ANN由3層組成：

輸入層：傳遞輸入信號到隱含層。

X=(x1，x2，…，xn)T是輸入樣本

Cj=[C1j，C2j，…，Cnj]TεRn

隱含層：由激活函數組成。

(1)

uj=1/1+e-fj

式中，uj為第j個隱含層節點的輸出。

輸出層第i個輸出節點的輸出為：

(2)

i=1，2，…，m

連接權值修正：

(3)

(4)

(5)

借助于上述ANN方法，對水輪機特性曲線的樣本進行辨識，樣本的特征考慮了效率、水頭、出力、流量等信息。這樣就建立了輸入、輸出之間的對應關系，通過前饋網絡就實現了水輪機尾水流量與出力的映射對應關系。

2.3　尾水流量自動發電控制功能實現

這樣，水電站就可以按照水庫調度的要求，按照設定的尾水流量進行自動發電控制模式運行了，并兼顧發電與灌溉雙重功能。

首先根據水調自動化系統要求的水電站尾水流量，按照建立的水輪機的流量—出力映射關系模型，求出對應的水電站總出力。

如果水電站的進水流量≥設定的水電站尾水流量，則求出的水電站總出力作為自動發電控制功能的功率控制目標值Ptarget。

如果水電站的進水流量<設定的水電站尾水流量，那么按尾水流量控制功能閉鎖。

水電廠自動發電控制(AGC)功能包含有功負荷分配和自動啟停機功能(見表1)。

表1　水電廠自動發電控制(AGC)功能模塊示意

2.3.1有功負荷分配

AGC功能根據全廠總有功給定值對全廠的有功功率進行計算分配，分配的原則為按機組容量等比例分配。為了使各機組負荷分配值合理，負荷分配值需要考慮包括機組不可運行區(如氣蝕區、振動區)、當前水頭下機組出力限值等機組運行限制條件。

(1)AGC有功分配原則

對于耗水量而言，水輪發電機組功率按等微增率分配是最經濟的。當機組型號相同時，即可認為機組的水耗微增率是相同的，因此可簡化為水輪發電機組功率按容量等比例分配的原則分配策略。

分配到每臺水輪機組的有功功率按當前水頭下每臺機組容量占全廠機組容量的比例多少進行分配：

(6)

(2)避振原則

水電機組在運行過程中存在不可運行區，包括水輪機組的氣蝕區、振動區等，同時振動區也會出現在機組的高效率區。為了保證機組的安全運行，在負荷分配的過程中需要考慮躲避振動區，根據振動區段數及大小，確定功率可運行區域，按照避振原則優化計算，得到機組間最優功率分配(見圖5)。

圖5水輪機振動區

避振原則：

如果機組存在2個及以上振動區時，則避開振動區的約束條件為：

Pimin

Pijh

Pi(j+1)h

式中，Pijl為第i臺機組第j個不可運行區的功率下限；Pijh為第i臺機組第j個不可運行區的功率上限；j為不可運行區個數(j=1，2，3，…，m)。

2.3.2自動啟停機

(1)機組開機算法

①開機條件：PAGC+Pb>∑PT

式中，Pb表示全廠的旋轉備用容量，是不需要開額外機組的情況下即可直接獲得的有功(一般水電廠要求具備一定的旋轉備用容量，大型 10%～15%；中型8%；小型5%)；∑PT表示全廠參

加AGC且處于發電態機組的可調節容量。

②開機臺數：Nk=(PAGC+Pb-∑PT)/Pm+1

式中，Nk為開機臺數；Pm為單機最大容量。

如果運行機組的實際旋轉備用容量低于要求的旋轉備用容量，且差值大于開停機死區，則需要開機。

(2)機組停機算法

①停機條件：∑PT-(PAGC+Pb)>Pm

②停機臺數：Nt=(∑PT-(PAGC+Pb))/Pm

式中，Nt為停機臺數。

如果停掉1臺機后仍有足夠的旋轉備用容量，則需要停機。

3結論

提高水電廠自動化程度是水電監控系統發展的必然趨勢，隨著減員增效、優化調度、無人值班(少人值守)等新需求的逐步提出，水電站的運行逐步在實現精細化管理，水電站的運行也不再是孤立的，會受到水庫調度、流域水文、灌溉航運等多方面上下游因素的制約。在這種情況下，應該在水電站的自動發電控制基本功能的基礎上，結合各水電站的具體需求，實現其自動化運行的功能。

參考文獻：

[1]蔣建文，江紅軍，牟奎.紫坪鋪水電站AGC的設計與實現[J].水力發電,2007，33(2)：73_74,80.

[2]張粒子,武晉輝,余保東,等.電力電流互感器鐵芯磁滯回環曲線的擬合[J].電力系統自動化,1998(3)：6_8.

[3]伍永剛,何莉,余波.大型水電廠AGC調節策略研究[J]. 水電能源科學, 2007， 25(4)：109_112.

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責任編輯吳昊

作者簡介：肖永(1962-)，男，教授級高級工程師，主要從事電力系統自動化、智能電網方面的研究工作。E_mail：gzdlxy@sina.com

基金項目：國家科技支撐計劃項目《規?；∷娙号c風光氣發電聯合運行控制關鍵技術研究及示范》(2013BAA02B02)。

收稿日期：2015-09-02