一种基于尾水流量实现水电站自动发电控制的方法

肖　永，武晋辉，文贤馗，焦邵华，陈建国，雷　鸣，范　强

(1．贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550002；2．北京四方继保自动化股份有限公司，北京市 100085；3．贵州电网有限责任公司六盘水供电局，贵州 六盘水 553001)

一种基于尾水流量实现水电站自动发电控制的方法

肖永1，武晋辉2，文贤馗1，焦邵华2，陈建国1，雷鸣3，范强1

(1．贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州 贵阳 550002；2．北京四方继保自动化股份有限公司，北京市 100085；3．贵州电网有限责任公司六盘水供电局，贵州 六盘水 553001)

摘要：随着水电自动化技术的不断发展，水电站的运行逐步在实现精细化管理。水电站的运行也不再是孤立的，会受到水库调度、流域水文、灌溉航运等多方面上下游因素的制约。针对水电站在保证水利灌溉的前提下进行发电运行的需求，提出了一种通过尾水流量实现水电站自动发电控制的方法，在保证下游供水的同时，满足了水电站发电、水利灌溉的双重要求，为水电站无人值班(少人值守)提供了技术支撑。图5幅，表1个。

关键词：水电站；机组特性曲线；尾水流量；自动发电控制

1概述

水电站自动发电控制(AGC)技术已经在大中型水电站中获得了应用，但是随着水电自动化技术的发展以及运行管理水平的提高，对AGC控制的目标也提出了新的要求。

在水利水电行业，一些水电站间的运行存在着互相关联、互相影响的关系，如中小流域水电站群，以及一些具有综合效益的水库枢纽工程，除了发电以外，还肩负下游区域供水、灌溉的任务，其中存在上下游关系的各水电站的出力，对于水电站的运行效率，以至于流域范围内水电站群的运行效率都有重要的影响。

对于这些水电站，水库调度对其尾水流量的排放有一定的要求，这是一个综合性的问题，要求水电站能够按照尾水流量进行自动发电控制，满足流域水情和电网负荷调度要求，实现水电厂社会效益与经济效益的最优化。

在水电站尾水流量一定的前提下，如何在多台机组间进行有功负荷的分配，使得水电站具有较好的效率特性，是一个值得研究的课题。

本文以水电站功率调节系统为基础，结合自身的技术特点，通过对水电机组特性曲线的分析及建模，提出了一种通过尾水流量实现水电站自动发电控制的解决方案，在保证下游供水的前提下，满足了水电站发电优化及灌溉的双重需求。

2系统实现

2.1　水电机组流量特性

水轮机的特性曲线表达了水轮机在不同工况下对水流的能量转换、空化等方面的水力性能及其他特性，目前主要是通过模型试验获得，利用水轮机的工作特性曲线，能够对水轮机的工作状况进行深入分析。

水轮机的工作特性曲线集中描述了水轮机出力、效率、流量、水头等多种参数在多种工况下的对应关系，具有多变量、全平面的特点，形成了平面坐标系下的曲线族，充分地描述了水轮机的输入输出工作特性(见图1～图3)。

图1　水头63.9 m时水轮机特性曲线

图2　水头92 m时水轮机特性曲线

图3水头106.5 m时水轮机特性曲线

对于业主提出的按照尾水流量进行自动发电控制的需求，基于上述水轮机特性曲线，首先要解决流量与出力在不同边界条件下的对应函数关系。

2.2　水轮机尾水流量与出力

由上述水轮机特性曲线可以看出，在不同水头下，水轮机的流量与出力的对应关系是不同的，不是单一的单变量关系，而是多变量、全平面的对应关系，这样通过常规的插值方法很难实现。

采用人工神经网络(ANN)方法对水轮机特性曲线进行数据处理，能够较好地处理这个问题。这种方法无须建立具体的函数关系表达式,即可对已知离散数据进行拟合,并结合边界约束条件对未知区域内的数据进行预测,从而提高了水轮机特性曲线数据处理的工作效率和数据精度(见图4)。

图4ANN网络结构示意

神经网络ANN由3层组成：

输入层：传递输入信号到隐含层。

X=(x1，x2，…，xn)T是输入样本

Cj=[C1j，C2j，…，Cnj]TεRn

隐含层：由激活函数组成。

(1)

uj=1/1+e-fj

式中，uj为第j个隐含层节点的输出。

输出层第i个输出节点的输出为：

(2)

i=1，2，…，m

连接权值修正：

(3)

(4)

(5)

借助于上述ANN方法，对水轮机特性曲线的样本进行辨识，样本的特征考虑了效率、水头、出力、流量等信息。这样就建立了输入、输出之间的对应关系，通过前馈网络就实现了水轮机尾水流量与出力的映射对应关系。

2.3　尾水流量自动发电控制功能实现

这样，水电站就可以按照水库调度的要求，按照设定的尾水流量进行自动发电控制模式运行了，并兼顾发电与灌溉双重功能。

首先根据水调自动化系统要求的水电站尾水流量，按照建立的水轮机的流量—出力映射关系模型，求出对应的水电站总出力。

如果水电站的进水流量≥设定的水电站尾水流量，则求出的水电站总出力作为自动发电控制功能的功率控制目标值Ptarget。

如果水电站的进水流量<设定的水电站尾水流量，那么按尾水流量控制功能闭锁。

水电厂自动发电控制(AGC)功能包含有功负荷分配和自动启停机功能(见表1)。

表1　水电厂自动发电控制(AGC)功能模块示意

2.3.1有功负荷分配

AGC功能根据全厂总有功给定值对全厂的有功功率进行计算分配，分配的原则为按机组容量等比例分配。为了使各机组负荷分配值合理，负荷分配值需要考虑包括机组不可运行区(如气蚀区、振动区)、当前水头下机组出力限值等机组运行限制条件。

(1)AGC有功分配原则

对于耗水量而言，水轮发电机组功率按等微增率分配是最经济的。当机组型号相同时，即可认为机组的水耗微增率是相同的，因此可简化为水轮发电机组功率按容量等比例分配的原则分配策略。

分配到每台水轮机组的有功功率按当前水头下每台机组容量占全厂机组容量的比例多少进行分配：

(6)

(2)避振原则

水电机组在运行过程中存在不可运行区，包括水轮机组的气蚀区、振动区等，同时振动区也会出现在机组的高效率区。为了保证机组的安全运行，在负荷分配的过程中需要考虑躲避振动区，根据振动区段数及大小，确定功率可运行区域，按照避振原则优化计算，得到机组间最优功率分配(见图5)。

图5水轮机振动区

避振原则：

如果机组存在2个及以上振动区时，则避开振动区的约束条件为：

Pimin

Pijh

Pi(j+1)h

式中，Pijl为第i台机组第j个不可运行区的功率下限；Pijh为第i台机组第j个不可运行区的功率上限；j为不可运行区个数(j=1，2，3，…，m)。

2.3.2自动启停机

(1)机组开机算法

①开机条件：PAGC+Pb>∑PT

式中，Pb表示全厂的旋转备用容量，是不需要开额外机组的情况下即可直接获得的有功(一般水电厂要求具备一定的旋转备用容量，大型 10%～15%；中型8%；小型5%)；∑PT表示全厂参

加AGC且处于发电态机组的可调节容量。

②开机台数：Nk=(PAGC+Pb-∑PT)/Pm+1

式中，Nk为开机台数；Pm为单机最大容量。

如果运行机组的实际旋转备用容量低于要求的旋转备用容量，且差值大于开停机死区，则需要开机。

(2)机组停机算法

①停机条件：∑PT-(PAGC+Pb)>Pm

②停机台数：Nt=(∑PT-(PAGC+Pb))/Pm

式中，Nt为停机台数。

如果停掉1台机后仍有足够的旋转备用容量，则需要停机。

3结论

提高水电厂自动化程度是水电监控系统发展的必然趋势，随着减员增效、优化调度、无人值班(少人值守)等新需求的逐步提出，水电站的运行逐步在实现精细化管理，水电站的运行也不再是孤立的，会受到水库调度、流域水文、灌溉航运等多方面上下游因素的制约。在这种情况下，应该在水电站的自动发电控制基本功能的基础上，结合各水电站的具体需求，实现其自动化运行的功能。

参考文献：

[1]蒋建文，江红军，牟奎.紫坪铺水电站AGC的设计与实现[J].水力发电,2007，33(2)：73_74,80.

[2]张粒子,武晋辉,余保东,等.电力电流互感器铁芯磁滞回环曲线的拟合[J].电力系统自动化,1998(3)：6_8.

[3]伍永刚,何莉,余波.大型水电厂AGC调节策略研究[J]. 水电能源科学, 2007， 25(4)：109_112.

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责任编辑吴昊

作者简介：肖永(1962-)，男，教授级高级工程师，主要从事电力系统自动化、智能电网方面的研究工作。E_mail：gzdlxy@sina.com

基金项目：国家科技支撑计划项目《规模化小水电群与风光气发电联合运行控制关键技术研究及示范》(2013BAA02B02)。

收稿日期：2015-09-02