雅都和柳坪梯級水電站EDC系統(tǒng)建設(shè)

曾義昌 王偉

[摘? ? 要]根據(jù)雅都和柳坪是黑水河流域梯級開發(fā)水電站并由現(xiàn)地集控中心統(tǒng)一調(diào)度和控制，以及兩個電站電能由一個并網(wǎng)點接入省電網(wǎng)和由省調(diào)一個調(diào)令管理等特點，為提高電站機組運行效率、水能利用效率、安全性和經(jīng)濟性，開發(fā)建設(shè)一套EDC經(jīng)濟調(diào)度控制系統(tǒng)，通過EDC的數(shù)學(xué)模型、求解算法、模塊功能設(shè)計和運用，實現(xiàn)了黑水河流域梯級電站經(jīng)濟優(yōu)化調(diào)度的目的，對其他梯級電站有重要參考價值。

[關(guān)鍵詞]梯級電站;經(jīng)濟調(diào)度控制;模型;算法

[中圖分類號]TV737 [文獻標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）01–00–03

EDC System Construction of Yadu and Liuping Cascade Hydropower Stations

Zeng Yi-chang，Wang Wei

[Abstract]According to Yadu and Liuping are cascade-developed hydropower stations in the Heishui River Basin， they are uniformly dispatched and controlled by the on-site centralized control center， and the power of the two power stations is connected to the provincial power grid from a grid point and the province is transferred to a dispatch order management In order to improve the operating efficiency， water energy utilization efficiency， safety and economy of power station units， a set of EDC economic dispatch control system was developed and constructed. Through the mathematical model， solution algorithm， module function design and application of EDC， the Heishui River Basin was realized. The purpose of economic optimal dispatching of cascade power stations has important reference value for other cascade power stations.

[Keywords]cascade power station; economic dispatch control; model; algorithm

隨著電網(wǎng)調(diào)度自動化水平的提升以及電網(wǎng)安全性、穩(wěn)定性要求進一步提高，要求很多發(fā)電廠都納入省調(diào)AGC控制。雅都和柳坪是黑水河流域梯級開發(fā)的兩個電站，雅都裝機（3×50） MW，調(diào)節(jié)庫容88萬m3;柳坪裝機（3×40 ）MW，調(diào)節(jié)庫容65.7萬m3，兩站水庫具備日調(diào)節(jié)能力。雅都和柳坪由流域集控中心實現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度和控制，由集控中心實施總發(fā)電負(fù)荷在各站間的經(jīng)濟合理分配，并納入省調(diào)統(tǒng)一調(diào)度管理。在原有計算機監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上開發(fā)建設(shè)設(shè)一套EDC經(jīng)濟調(diào)度控制系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)來實現(xiàn)最經(jīng)濟的自動發(fā)電控制和負(fù)荷分配。

1 EDC簡介

EDC（Economic Dispatch Control）經(jīng)濟調(diào)度控制是對梯級電站有功負(fù)荷進行聯(lián)合調(diào)配的控制模型。EDC控制以梯級電站各級水庫計算期末總蓄水量最大為基本原則，滿足調(diào)度控制給定的梯級總負(fù)荷，兼顧電網(wǎng)安全穩(wěn)定約束條件和機組安全穩(wěn)定運行約束條件（如避開振動區(qū)等），其目標(biāo)可簡述為“省水多發(fā)”。EDC系統(tǒng)開發(fā)圍繞基本原則進行數(shù)學(xué)建模、求解算法。

1.1 EDC數(shù)學(xué)模型

1.1.1 目標(biāo)函數(shù)

（1）

式（1）中N為電站的個數(shù);Zui為第i級電站上游水位;Zsi為第i級電站上游設(shè)定水位;Qi為第i級電站發(fā)電流量。當(dāng)|Zui–Zsi|≥△Zi時，=1;當(dāng)|Zui–Zsi|<△Zi時，=0;△Zi為第i級電站上游設(shè)定水位的死區(qū)值。

1.1.2 約束條件

①電網(wǎng)負(fù)荷平衡

（2）

式中Pi為第i級電站出力;Ps為整個梯級電網(wǎng)調(diào)度給定負(fù)荷。

②水量平衡條件

（3）

式（3）中Vi，t為第t時段初i水庫庫容;Vi，t+1為第t時段末i水庫庫容;Δt為時段間隔;QINi，t為第i級電站t時段入庫流量;Qi，t為第i級電站t時段綜合利用流量。

（4）

式（4）中為第i級電站t時段的區(qū)間天然來水;為第i-1級電站到第i級電站的水流到達時間。

③水庫庫水位約束

（5）

式（5）中為第i級電站上游水位下限;為第i上限。

④電站出力約束

Pimin≤Pi≤Pijl? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

Pijh≤Pi≤Pikl? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（7）

Pimh≤Pi≤Pimax? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

式（6）（7）（8）中Pijl為第i級電站第j個不可運行區(qū)域的出力下限;Pijh為第i級電站第j個不可運行區(qū)域的出力上限;m為不可運行區(qū)的個數(shù);j=1～m;k=j+1。

1.2 求解算法

1.2.1 計算各級電站發(fā)電流量

因梯級各電站各臺機組型號、容量基本一致，可將某個電站等效成一臺機組，由機組出力計算公式可得到某級電站發(fā)電出力：

（9）

式（9）中為等效機組的效率。

水輪發(fā)電機組的工作水頭的一般計算公式為：

（10）

式中為第i級電站攔污柵后的上游水位;為第i級電站尾水位。

由式（2）（4）（9）可得首級電站的發(fā)電流量：

（11）

根據(jù)式（4）可計算得到其它各級電站的發(fā)電流量。

1.2.2 計算各級電站發(fā)電出力

在得到、的條件下，根據(jù)式（9）可計算得到各級電站發(fā)電出力，稱為初始解。

1.2.3 負(fù)荷調(diào)整

針對上述初始解，需檢查非首級電站庫水位，并根據(jù)其庫水位適當(dāng)調(diào)整，盡量使庫水位在正常范圍內(nèi)。梯級電站EDC負(fù)荷調(diào)整策略的主要是當(dāng)非首級的某級電站庫水位過高時，該級電站多帶負(fù)荷，反之，該級電站少帶負(fù)荷。對于某級電站庫水位來說，可能出現(xiàn)過高、正常、過低三種狀態(tài)，那么非首級的各級電站庫水位的狀態(tài)組合就有3（N-1）種。

梯級電站的最大調(diào)整負(fù)荷△Pmax：

（12）

式（13）中：為單位庫水位的負(fù)荷調(diào)整值;為梯級各級電站中庫水位與正常水位差值絕對值的最大值。

根據(jù)負(fù)荷調(diào)整策略可以確定某種庫水位組合下的各級電站負(fù)荷增減情況，增加負(fù)荷值與減少負(fù)荷值相等，具體增加負(fù)荷值△P+i、減少負(fù)荷值△P-i分別見下式：

（13）

式中：，為第i級電站增加負(fù)荷份數(shù)（即“+”個數(shù)），若第i級電站負(fù)荷不變或需要減少，則為0。

（14）

式（14）中：，為第i級電站減少負(fù)荷份數(shù)（即“-”個數(shù)），若第i級電站負(fù)荷不變或需要增加，則為0。

1.2.4 負(fù)荷校核

在非首級電站庫水位處于最低水位與最高水位之間時，若出現(xiàn)控制其水位與滿足調(diào)度負(fù)荷要求相矛盾時，優(yōu)先滿足調(diào)度負(fù)荷要求;反之，在非首級電站庫水位高于最高水位或低于最低水位條件下，優(yōu)先考慮控制庫水位。因上述調(diào)整造成調(diào)度設(shè)定值與EDC分配值相差大于調(diào)度設(shè)定值與梯級電站EDC分配值差值的允許值Pd時，需對庫水位處于最低水位與最高水位之間的電站負(fù)荷重新調(diào)整，直到最大限度地滿足調(diào)度負(fù)荷要求。

1.3 雅都、柳坪EDC算法

以上數(shù)學(xué)模型和求解算法為較為通用的方法。針對雅都、柳坪庫容較小，調(diào)節(jié)能力有限等特點，2站EDC控制側(cè)重安全穩(wěn)定原則，簡化分配方案，盡量維持庫水位穩(wěn)定。

（1）負(fù)荷分配算法概括為以下公式

P1=Ps*dQ2/（dQ1+dQ2）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （15）

P2=Ps*dQ1/（dQ1+dQ2）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（16）

Ps為調(diào)度設(shè)定的流域總有功，P1為雅都有功分配值，P2為柳坪有功分配值，dQ1為雅都單位發(fā)電流量，dQ2柳坪單位發(fā)電流量。

（2）水位控制

電站運行期間應(yīng)維持兩個電站上游水位在正常范圍內(nèi)，雅都正常水位1871～1873m，柳坪正常水位1776.5～1780m。當(dāng)某一電站上游水位過高或過低時，EDC將在可控范圍內(nèi)進行負(fù)荷調(diào)整，以調(diào)節(jié)兩站上游水位。雅都水位返回死區(qū)為0.2m，柳坪水位返回死區(qū)0.4m，為此設(shè)兩級控制水位，控制水位定值可由人工設(shè)定。

負(fù)負(fù)荷校核即判斷分配值是否超過電站可調(diào)上下限、是否落入電站振動區(qū)等，如超出范圍，則進一步判斷，設(shè)定為極限值時與調(diào)度設(shè)定值差值在允許范圍內(nèi)，則按極限值分配，否則拒絕執(zhí)行。

2 雅都、柳坪EDC功能

2.1 雅都、柳坪EDC模塊

EDC軟件模塊部署在集控監(jiān)控系統(tǒng)中，按集控EDC和各電站的AGC兩層設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

EDC負(fù)責(zé)集控總負(fù)荷在各電站間的最優(yōu)分配和水位動態(tài)控制，主要考慮最優(yōu)蓄放水次序、站間聯(lián)合躲避振動區(qū)等;而AGC負(fù)責(zé)電站總負(fù)荷在投入AGC的所有機組間最優(yōu)分配，躲避單機振動區(qū)。

2.2 雅都、柳坪EDC具體功能

2.2.1 正常負(fù)荷分配

在常規(guī)負(fù)荷分配時，需考慮流量平衡、躲避機組振動區(qū)等要素。在兩站庫水位正常時，EDC按照等流量原則分配2站負(fù)荷，同時需避開機組振動區(qū)。根據(jù)兩站機組振動區(qū)，當(dāng)投入3臺以上機組運行時，2站聯(lián)合振動區(qū)不大于1 MW，小于調(diào)節(jié)死區(qū)2 MW，故此種情況均可正常分配。當(dāng)兩站各投入一臺機組時，設(shè)定值在某范圍內(nèi)將無法計算出合理分配值，不能在躲開振動區(qū)的同時又滿足流量平衡，故此該設(shè)定值作不可運行區(qū)處理，測試確定該設(shè)定值為46～78 MW。

2.2.2 水位控制

受上游來水量、站間支流來水量、實際發(fā)電流量與理論計算誤差等因素的影響，實際運行時，兩站水位難以保證長期穩(wěn)定不變，甚至?xí)稣７秶榇薊DC需要具備水位控制功能，當(dāng)水位超出控制范圍時，及時調(diào)整負(fù)荷分配，從而調(diào)整庫水位至正常范圍。

出于經(jīng)濟性以及防汛等要求，枯水期庫水位通常需維持在高位，豐水期庫水位需維持在低位。為此EDC水位控制范圍設(shè)計為可調(diào)節(jié)，在豐期和枯期可設(shè)置不同的范圍，以便EDC投入時，自動維持水位在設(shè)定范圍。

2.2.3 小負(fù)荷分配

小負(fù)荷分配是針對總負(fù)荷設(shè)定值相對總出力變幅較小時，為避免分配到單臺機組的變幅小于調(diào)整死區(qū)，導(dǎo)致總出力執(zhí)行不到位，而將小負(fù)荷變幅分配到一臺機組。EDC設(shè)值死區(qū)為2 MW，即總負(fù)荷設(shè)定值變幅總大于2 MW，故此小負(fù)荷功能由電站AGC模塊實現(xiàn)，即當(dāng)分配到電站的總負(fù)荷變幅較小時，由電站AGC模塊將設(shè)定值變幅分配到單臺機組。

2.2.4 報警與異常退出

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時，EDC具備自動退出或報警功能。EDC自動退出的情況包括：水位異常，即水位超過最高限或低于死水位;系統(tǒng)頻率異常;關(guān)鍵數(shù)據(jù)采樣故障，即水位采樣、功率采樣等;通信異常，包括與電站現(xiàn)地控制單元通信故障、與調(diào)度通信故障等。EDC報警的異常情況包括：水位超出正?？刂品秶?、設(shè)定值落入振動區(qū)等。

2.3 雅都、柳坪EDC功能試驗

EDC功能試驗包括開環(huán)試驗和閉環(huán)試驗。試驗主要目的是驗證EDC功能、校驗各控制參數(shù)。

開環(huán)試驗主要測試基本功能，包括負(fù)荷分配功能、水位控制功能、報警功能、自動退出功能等。開環(huán)試驗可以驗證負(fù)荷分配是否和理論計算一致，而不會實際執(zhí)行分配結(jié)果。

閉環(huán)試驗在開環(huán)試驗完成的基礎(chǔ)上進行，重在驗證實際執(zhí)行結(jié)果是否正確合理。長時間閉環(huán)運行，校驗水位控制范圍設(shè)定值、單位耗水量參數(shù)等設(shè)值是否合理。

3 結(jié)語

經(jīng)過試驗并優(yōu)化配置參數(shù)后，雅都、柳坪EDC控制系統(tǒng)已完成24 h聯(lián)網(wǎng)試運行。從試驗和試運行結(jié)果來看，雅都、柳坪EDC控制系統(tǒng)各項功能和性能指標(biāo)達到設(shè)計要求，滿足投入調(diào)度控制的運行條件。EDC控制系統(tǒng)自動根據(jù)調(diào)度給定總負(fù)荷調(diào)整2個電站的有功出力，較人工調(diào)整負(fù)荷的運行模式而言，提高了有功出力響應(yīng)速度和水能利用效率，有利于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行，同時減輕了電站運行人員工作負(fù)擔(dān)，對其他流域?qū)嵤┨菁夒娬窘?jīng)濟調(diào)度控制有重要參考價值。

參考文獻

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