基于新网架结构下的水电站汛期运行方式分析及优化

黄 浩，王 伦，李世豪，苏 彪

（二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617100）

1 概述

四川省作为水电之都，水电装机容量高居中国第一。西南电网异步联网后，川渝断面、攀西水电通道输电能力将会有明显提高。川渝断面由洪板双线、黄万双线和资铜双线组成，共6回500 kV线路。攀西断面由东天双线、普天线、城沐双线、普洪三线组成，共8回500 kV线路，是攀西水电包括雅砻江下游5级电站、藏电、木里水电送四川主网的唯一通道。近年来，攀西地区风光装机增长迅速，断面内水电送出受限严重，汛期挤占通道，弃水情况严重，大型电站汛期发电受限较大，如断面限额由700万kW增加至850万kW，通道空间增长率达21%，考虑新增装机以及断面实际限额的因素，预计攀西地区水电站今年汛期发电量应有至少10%以上的增长空间。基于以上形势，有必要对电站机组汛期运行工况进行分析[1-2]，优化汛期电站机组运行方式和厂用电运行方式，以适应新的发电形势。

2 原因分析

2.1 汛期机组运行方式分析

电站汛期机组运行水头为180 m～185 m，对应机组运行振动区下限范围为150 MW～160 MW，上限范围为420 MW～455 MW，机组运行水头与振动区对应关系如表1：

表1 水头与振动区对应表

因电网需求，电站在汛期一般需要保持6台机并网运行，承担事故备用和旋转备用任务，下面结合今年机组汛期运行特点，总结出6台机并网运行方式下，机组在振动区边缘运行时对应的负荷分布情况[3-5]。

监控系统AGC参数设定机组不允许在振动区运行，在AGC参数设置时，考虑到避免因AGC设定值的频繁变化而导致机组频发跨越振动区，设置有跨越振动区的功率死区40 MW的条件，当设定值偏差大于40 MW时才会跨越振动区，以表2中所对应的负荷为机组在振动区边缘运行的情况，当全厂负荷在下述负荷区间时，机组将在振动区边缘运行。

表2中组合方式为6台机组负荷分配在振动区上限、下限区域的运行方式，如“6台机上限”指的是6台机组的负荷均在振动区上限的运行方式，“5台机上限”指的是5台机组负荷在振动区上限区域、1台机组负荷在振动区下限区域运行的情况，其余组合方式依次类推。

当AGC向上调整负荷时，振动区上限运行机组有功已增加至最大值550 MW，振动区下限运行机组负荷增加至该水头下振动区下限值，需要向上跨越振动区，由于跨越振动区功率（40 MW）死区的影响，以下负荷区间将存在机组在振动区边缘运行情况，如表2。

当AGC向下调整负荷时，振动区下缘以下的运行机组有功已减小到最小值20 MW，振动区上缘以上的运行机组负荷已减小至该水头下的振动区上限值，需要向下跨越振动区，由于跨越振动区功率死区的影响：

（1）因全厂负荷少，机组运行水头高，6台机组并网运行，多台机长期处于空载或低负荷区运行，水轮机空腔汽蚀较以往增加。

（2）因全厂负荷较少，机组运行水头高，机组在振动区边缘运行时间长，现场机组振动明显增大，甚至部分振动、摆度出现超标报警。今年汛期二滩水电站的全厂总负荷，在900～2 730 MW区间范围的情况较多，所以导致今年汛期机组在振动区边缘运行情况相对往年明显增多。

（3）因振动区定值整定（6台机一套定值）及上下游河道情况变化等原因，机组运行水头对应的振动区与实际情况有偏差，导致部分机组出现振动、摆度偏大现象。机组长期运行在振动区边缘，由于振动区死区设定、有功调节测量偏差、一次调频等影响，机组将频繁进入振动区内运行，机组振动加剧，甚至振动、摆度值超标报警，长期积累必然对机组造成一定损坏。水电站曾发生过不少机组机械部件受损的缺陷，例如：机组尾水进人门固定螺栓松动、断裂，水轮机转轮裂纹严重，接力器推拉杆断裂，水轮机泄水锥脱落，剪断销传感器护套脱落等等。

2.2 汛期厂用电运行方式分析

进入汛期大发电后，电站送出负荷将逐步上升，根据电站历年的发电规律，预计到7月初，二滩电站大部分时间将大负荷运行，这势必要求发电机组发出更多的无功。同时根据电力系统逆调压的原则，在电网负荷高峰时段，电站500 kV系统电压将调至上限运行，这也势必要求机组发出更多的无功。因此，为确保二滩电站厂用电系统安全运行，电站厂高变分接头由3档调整至2档；进入到枯水期后的11月份，又将分接头由2挡调整至3档。

（1）6 kV母线电压的运行规定

规程规定：正常运行时6 kV母线电压保持在5.80～6.42 kV范围内，400 V母线电压保持在360～407 V范围内，其中1号、2号照明盘母线电压保持在350～380 V范围内。超过上述范围应查明原因，并设法调整至正常。

厂用电压过低或者过高，会影响电动机负荷的正常运行，从而影响机组的安全运行。电压过高，会导致电动机的定子磁通接近饱和状态，出现电流急剧增大，电机效率下降而发热严重。电压过低，会使电动机起动转矩下降很多，起动困难，也会导致定子电流增大，造成电动机过热，温升增高，缩短电动机寿命，甚至烧毁电动机。由于进入汛期，电站厂用电压会升高，在这里只需分析电压过高的情况。

（2）电力系统的无功功率平衡

电力系统的无功电源有发电机、同步调相机、静止电容器及静止补偿器等。具备进相运行能力的发电机也可以作为系统无功负荷消耗系统无功。电力系统的无功负荷和无功损耗主要有异步电动机、变压器、输电线路等。输电线路的无功功率损耗分为两个部分，其串联电抗中的无功功率损耗与通过线路的功率或电流的平方成正比，而其并联电纳中发出的无功功率（即线路充电功率）与电压的平方成正比。当线路传输功率较大时，电抗中消耗的无功功率大于电容中发出的无功功率时，线路等值为消耗无功；当线路传输功率较小、线路运行电压水平较高，电容中产生的无功功率大于电抗中消耗的无功功率时，线路等值为无功电源。当线路电抗中消耗的无功功率等于电容中发出的无功功率时，此时线路输送的功率为自然功率，也称为“波阻抗负载”。未补偿线路的自然功率为：

表2 高水头下机组振动区边缘负荷

式中，Pn表示自然功率，单位为MW；U表示线路电压，单位为kV；Zc表示线路波阻抗，l为线路单位长度电感，c为线路单位长度对地电容。

在电力系统运行的任何时刻，电源发出的无功功率总是等于同时刻系统无功负荷和无功损耗之和。由无功平衡与电压水平的关系可知：当系统无功负荷或无功损耗增加，而系统的无功电源出力没有相应地增加时，系统的无功电源无法满足原电压下的无功功率平衡，系统电压水平会降低。

（3）汛期厂高变运行在3档的6 kV母线电压

从监控系统历史数据取得了2015年7月25日至10月25日3个月期间6段6 kV母线电压、电站总有功、总无功、机组有功、无功数据以及相关事件分析汛期负荷高峰期6 kV母线电压的情况。

统计6 kV母线电压越上限报警事件，共计出现过162次报警：Ⅰ段出现37次，Ⅱ段出现119次，Ⅲ段未出现过，Ⅳ段出现6次，Ⅴ段未出现过，Ⅵ段未出现。分析事件及数据发现6 kVⅡ段出现多次电压越限的原因为2号机未进相运行导致。汛期大负荷期间，6 kV母线电压能满足要求。

理论上当500 kV系统电压最上限运行时，停机备用机组对应的6 kV 母线电压在厂高变分接头在3档时有越上限的可坑。但是考虑到：我厂机组具备一定的无功裕度，系统电压通常不会最上限运行；6 kV母线带有一定的负荷会有一定的电压降。所以，一般停机机组对应6 kV母线电压也不会越限。

3 运行方式优化措施

为进一步优化机组运行环境，确保机组安全稳定运行，提出以下措施：

3.1 合理安排机组运行方式

在实际运行过程中，加强监视，避免机组长时间在振动区边缘运行，必要时手动调整手控机组负荷，使投入AGC运行机组快速跨离振动区。在负荷频繁变化时段，应根据运行工况合理调整机组优先级，均衡每台机组跨越振动区的次数。

3.2 重新核定各台机组振动区范围

现二滩水电站机组振动区的整定是依据2007年华中科技大学编制的《二滩水力发电厂机组运行稳定性试验报告》和多年的运行经验在2004年确定的振区定值的基础上优化而来，并于2009年7月启用，6台机组振区定值设置一致。应按各台机实际测量的振动区进行设定。运行水头自动采集实际水头。目前AGC中6台机共用一个水头设定值，振动区每台机均一样。但实际1～3号机共用1号尾水调压室、4～6号机共用2号尾水调压室，因2个尾水调压室底板高程不一样，导致机组实际运行水头不一样。现AGC系统中水头值是人工根据上、下游水位计算后手动设置，AGC系统根据人工手动设置的水头值，自动在预先整定的振动区定值中，选择相对应的振动区定值执行。为更准确、真实地反应机组在运行过程的运行水头与振动区情况，应根据实际水头变化适时自动计算每台机的水头，至少做到1～3号机共用1个水头，4～6号机共用1个水头，并分别自动启用相应振动区定值。

3.3 避开机组振动区运行

（1）控制权在二滩水电站侧时，电站运行人员加强巡回检查和监视，掌握AGC在振动区边缘运行的实际情况，合理调整机组优先级，申请一台机组手动控制，及时调整手控机组负荷，尽量使机组离开振动区及振动区边缘运行。由于调度AGC负荷设定值频繁调整等原因，不能从根本上解决机组在振动区边缘运行的问题。

（2）二滩电站实行无人值班时，应统计机组跨振动区的情况，注重机组运行工况分析，并将分析统计情况及时反馈给上级调度机构。

（3）因每台机组在实际运行中其工况会有差异，不可能完全一致，建议利用机组检修后试验的机会，组织技术力量对各台机组在不同水头下的振动区进行更加细致的测定，对工况较差的机组适当增大振动区定值范围，并根据实际情况为各台机组设置不同的振动区定值。

（4）实际运行中，因尾水调压室底板高程不同、机组所带负荷不同等原因，机组运行水头有差异；且由于二滩水电站承担电网调峰、调频任务，负荷变化幅度大且频繁，出库流量变化大，水头的变化幅度约3～4 m，经常出现实际水头与AGC设定的水头值不符，从而导致机组振动区设定不合理。在进行AGC中的水头值设定时，应避开运行在振动区边缘不好的工况。

（5）通过调整机组优先级、修改AGC中水头值，手控一台机组配合AGC调整，避免了部分情况下机组跨振动区以及机组运行在振动区边缘的情况，减小了机组的伤害，但由于二滩电站在川渝电网中调峰、调频任务重，有时AGC下发负荷值变化非常大，且在增减200 MW左右频繁变化，这种情况下机组不可避免的要频繁跨越振动区。

3.4 合理安排厂用电运行方式

根据对厂高变分接头调整分析，电站厂高变分接头近两年的汛期均保持在3档运行，并未出现6 kV母线电压越上限后不可调整的情况，经过调整均能保证在额定电压范围内运行。因此，厂高变分接头不需要进行调整，枯期、汛期均保持3档运行即可。

4 结语

通过分析二滩电站汛期机组运行工况，优化机组运行方式，调整厂高变运行方式，减少了机组因频繁跨越振动区和频繁调整负荷产生的设备缺陷，尤其对防止重大机械故障引起灾难性事故有着重要的意义，也能减轻机组维护工作量。汛期大发严峻考验设备发电能力，加强机组运行工况的分析，是运行工作的重要内容，在今后的工作中，我们将做好设备定期轮换工作，定期开展设备运行分析工作，加强巡检，及时消缺，为发电设备稳定运行提供保障。