一次调频功能在监控系统的实现

黄丽琴，汪 玮，孙 杰

（富春江水力发电厂，浙江省桐庐县 311504）

一次调频功能在监控系统的实现

黄丽琴，汪 玮，孙 杰

（富春江水力发电厂，浙江省桐庐县 311504）

为满足华东地区电网“二个细则”对一次调频的要求，针对某水电厂无法实现一次调频功能的老调速设备，通过对监控系统现地LCU进行优化设计，实现了机组的一次调频功能。文中介绍了在监控系统中如何实现一次调频功能的思路和方法，以供其他水电厂参考和借鉴。

考核细则；监控系统；一次调频；功能优化设计；二次调频

0 引言

某水力发电厂共装设六台60MW轴流转桨式水轮发电机组，通过3个主变单元接入220kV变电站，4回220kV出线接入电网。电厂主要承担华东电网的调峰、调频任务。

为保障华东电力系统安全、优质、经济运行，根据《发电厂并网运行管理规定》（电监市场〔2006〕42号），华东电监会制定了《华东区域发电厂并网运行管理实施细则（试行）》和《华东区域并网发电厂辅助服务管理实施细则（试行）》（以下简称“二个细则”）。

该电厂作为华东地区电网的主力调频电站，同样需要响应“二个细则”的要求，但因多台机组调速器年份已久，调速器厂家不建议修改调速器程序，为满足“二个细则”的考核要求，首先在3号机组监控系统现地控制单元进行一次调频功能优化设计，2010年11月实现了3号机组一次调频功能，并于2010年12月完成了3号机组一次调频功能的优化和调整试验。试验结果表明不同的水头、不同的功率、不同的频差、不同的控制模式下，3号机组一次调频能力满足华东电网调度考核要求。

1 主要设备规范

1.1 监控系统

该电厂监控系统设备现地控制单元LCU采用双机热备冗余机构，具有数据采集、数据处理、控制与调节、通信、时钟同步、自诊断与自恢复、人机接口等功能。

1.2 调速器

该电厂3号机组调速器采用WST-PLC环喷式双可编程微机调速器，结构为电子调节器+液压随动系统，其调节框图如图1所示。

1.3 水轮机及有压过水系统

水轮机引水管：一管一机；尾水管：一管一机；无调压井；水轮机设计参数如表1所示。

名 称参 数最大水头17.7m安装高程+4.1m导叶最大转角630mm额定功率61550kW最小水头6.2m吸出高度-2.9m桨叶最大转角3°～34.5°

图1 机组调速器调节框图

1.4 发电机

发电机设计参数如表2所示。

表2 发电机设计参数

2 一次调频功能优化

因该电厂3号机组调速器年份太久，调速器厂家不建议修改调速器程序，因此一次调频功能的优化设计需要在监控系统完成，调速器程序不作任何改动。

2.1 分析调速器厂家提供的调速器调节框图（如图1所示）

（1）正常运行并网后人工频率死区为0.5Hz，调速器工作于功率模式，此时调速器的频率调节回路在0.5Hz内不起作用，调速器接受LCU下发的功率值进行调节；此0.5Hz调速器厂家建议不能修改为0.05Hz，否则频率超过0.05Hz后调速器将进入孤网调节模式，不利于机组的稳定运行。

（2）调速器功率调节模式下设有±1MW的功率死区，在实际运行时机组实发与LCU下发的功率给定值有±1MW的偏差。

1）在电网频超过±0.5Hz后调速器进入孤网调节模式，进入孤网模式后人工频率死区设置为0，机组根据频率变化进行调节；

2）若功率反馈故障，则机组由功率调节模式自动切换为开度调节模式；若此后功率反馈正常，机组由开度调节模式自动切换至功率调节模式。

（3）为满足一次调频的需要，优化设计一次调频时的监控框图如图2所示。优化功能设计时主要考虑：

图2 某机组调速器一次调频优化设计框图

1）监控系统控制逻辑：不影响机组的正常控制功能；

2）因为机组为轴流转桨式机组，当机组处于非协联工况时机组功率调节将非常缓慢，设计时需考虑一次调频功能投用范围；

3）一次调频时需要考虑二次调频的影响，设计一次调频时对来自全厂AGC或上位机或LCU现地触摸屏发出的功率指令信号实行同向叠加和反向闭锁功能；修改程序时所有参数均设计为可修改参数，不采用固定值。根据以上设计要求，最终在电厂3号机组监控系统修改逻辑实现如下。

2.2 监控硬件修改

（1）机组监控系统现地控制单元增加频率变送器，以测量电网频率；

（2）机组监控系统增加投退一次调频功能继电器，可人工控制一次调频功能的投退。

2.3 监控逻辑修改

2.3.1 监控系统一次调频工作条件

（1）一次调频功能投退条件。

一次调频硬压板投入；

一次调频软件开关投入；

频差小于0.5Hz；

机组在发电态；

以上任意一条件不满足即退出一次调频功能；

图3 一次调频控制程序

运行人员可通过操作一次调频软硬件开关实现投退一次调频功能。

（2）一次调频真正动作条件。

一次调频功能投入；

频差大于人工频率死区；

当前实发功率大于10MW且小于70MW。

以上任意一条件不满足即一次调频不动作。

2.3.2 监控系统人工频率死区设定（如图3所示）

人工频率死区整定值设为±0.05Hz。

为防止一次调频在频率死区附近频繁动作将一次调频动作后返回的频率偏差设置为±0.04Hz。即一次调频超过±0.05Hz时动作，小于±0.04Hz时复归一次调频。

2.3.3 功率调节反向闭锁（如图4所示）

修改现地控制单元LCU逻辑程序，当一次调频发生时，在调频期间实现：

（1）若LCU收到功率给定发生变化且变化方向与一次调频要求的变化方向相同时，LCU下发至调速器的功率给定值为：原功率给定值加一次调频功率变化值；

图4 功率调节反向闭锁

（2）若LCU收到功率给定发生变化但是变化方向与一次调频要求的变化方向相反时，LCU下发至调速器的功率给定值为：不接受新下发的LCU功率给定值，以一次调频发生时记录的功率为基础进行一次调频。

2.3.4 一次调频变化功率限幅

修改现地控制单元LCU逻辑，设计并实现若一次调频一旦动作，则功率变化量最少为±4MW，一次调频动作引起的功率变化值等于4MW加上频差变化所产生的功率变化（限幅±3MW）值，即一次调频功率变化值范围为±4～±7MW，且一次调频功率变化值叠加在LCU原功率给定值上（原功率给定值来自于：①AGC自动计算；②上位机人工设定；③现地触摸屏人工设定）。

2.3.5 一次调频机组功率限幅

一次调频时机组功率给定值的限幅为20～60MW，与机组AGC的功率范围一样。

2.4 一次调频和二次调频配合设计分析

该电厂目前的运行方式设计为：并网后调速器运行于功率模式，机组的功率闭环在调速器中实现，AGC只是将全厂AGC功率分配后的功率给定值送至调速器。

该电厂一次调频功能优化设计后和监控系统AGC功能的配合设计为：

（1）调速器一次调频功能投入和退出。

在一次调频功能硬压板投入的条件下，开机并网后监控系统发出一次调频功能投入信号（如图5所示），监控系统判断功率处于10～70MW区间范围内且满足2.3所列条件后，监控系统的一次调频功能才真正投入。当监控系统走停机流程时，监控系统首先发出退一次调频功能命令（如图6所示），在退出一次调频功能后监控系统才执行减负荷指令，进入正常停机流程。

图5 开机并网后监控系统发出一次调频功能投入信号

图6 机组收到停机令后首先发出一次调频退出令

（2）当频差超过人工频率死区后，监控系统一次调频动作，发出“3号机组一次调频动作” 信号。

（3）当电网频率恢复正常，监控系统检测到频率回归正常，发“3号机组一次调频动作退出”信号。

3 一次调频功能试验及结果

依据《华东区域发电厂并网运行管理实施细则（试行）》《华东区域并网发电厂辅助服务管理实施细则（试行）》《华东电网抽水蓄能电厂运行管理及评价办法（试行）》和电厂的具体情况，制订了《某水力发电厂机组一次调频调整试验方案》，电厂和相关单位于2010年12月11日和12月30日进行了3号机组两个水头下的一次调频调整试验、一次调频和二次调频配合试验。

3.1 一次调频试验结论

在试验毛水头17.5～18.2m和14.9～15.0m，不同的功率、不同的频差、不同的控制模式下，3号机组一次调频能力基本满足考核要求，即：

机组小频差±0.06Hz动作正确；

机组一次调频电量占理论积分电量比例60%以上；

45s内机组功率变化值满足要求。

（1）统计分析试验数据一次调频发生后机组功率发生明显变化的延时时间大约在4～13s，典型延时6～10s。轴流转桨式机组响应一次调频延时较混流式机组大（混流式机组典型时间小于4s）。

（2）机组一次调频功能与LCU二次调频功能设计满足要求。在试验水头下当更改功率期间发生一次调频，功率给定变化方向与一次调频要求的功率变化方向相同或者相反，积分电量均满足要求。

（3）经比较，PMU表计和调速器测量数据相比，频率和功率基本一致。

4 结束语

某电厂的一次调频功能在监控系统实现投运已近三年，动作正确可靠，为华东地区电网提供安全可靠的电能打下坚实的基础。

[1] 单鹏珠.某水电厂计算机监控系统改造[J].水电厂自动化，2007，113（3）：1-4.

黄丽琴（1968—），女，助理工程师，二次专业，主要研究方向：自动化。E_mail：hlqsjsxy@163.com

汪 玮（1962—），男，工程师，二次专业，主要研究方向：自动化。

孙 杰（1970—），男，工程师，二次专业，主要研究方向：继电保护。

The Realization of Primary Frequency Modulation Function in the Computer Supervisio and Control System

HUANG Liqin，WANG Wei，SUN Jie
（The Fu Chun Jiang hydroelectric power plant，Tonglu 311504，China）

To meet the“two rules”of east china power grid to the requirements of primary frequency control，unable to realize the function of primary frequency in a hydropower station of the old governor equipment，through the study of the optimization design of the computer supervision and cotrol systems in local control unit LCU，realize a frequency modulation function of the unit.this paper introduces the computer supervision and control systems of train of thought and method how to realize the fuction of primary frequency，for reference of other hydropower.

Assessment rules；computer supervisio and control system；Primary frequency modulation；Function optimization design；secod frequecy regulation