小水电自动经济发电功能设计及应用

陈顺平，葛海亮

(钛能科技股份有限公司，南京，210000)

0 引言

水电站自动化系统在电站里已普及应用，实现了水电站安全生产监视与控制，但距离“无人值班，少人值守”的设计目标还有较大的差距。主要原因是自动化系统只能实现全厂生产运行的数据监视与常规的开停机流程控制，需要人为地进行频繁的开停机操作与功率调节，不仅增加了人力的消耗，还有可能导致电站弃水，无法充分利用水资源，实现电站的最大经济效益。鉴于以上情况，越来越多的电站业主希望水电站自动化系统具有自动经济发电功能，实现水电站高效的生产运行管理，为水电站实现最大的经济效益[1]，最大程度地利用水资源。

大部分水电站现有的自动化系统由于产品与技术原因，不具备自动经济发电功能，用户也很难重新升级或更换现有的系统；小水电站相对于大电站来说，设备配置简单，运行要求低，完全按照常规电站来进行设计，使用复杂自动经济发电系统，很难进行推广应用。基于以上情况，本文提出了一种选择在现有的自动化系统之外单独加装一套小水电自动经济发电控制系统来实现水电站的自动发电功能。现有的控制系统作为执行机构，执行经济发电控制系统的控制指令与调节指令；自动经济发电系统利用PLC可编程逻辑控制器为核心来进行设计，配套人机界面，实现小水电站的自动经济发电功能。

1 系统整体设计

1.1 系统功能

在有机组参加自动经济发电功能且系统投入运行时，系统可以根据当前的前池水位，按照设定的开停机水位及顺序，自动发出开、停机命令，同时根据前池水位及变化率自动调整机组的出力，保持前池水位处于高水位运行。

1.2系统结构

小水电机组智能控制器通过485方式接入通讯管理机，通讯管理机实现协议转换，上送数据给经济发电控制器与后台监控系统，并接收控制与遥调命令。系统结构如图1所示。

图1 系统结构示意

1.3 系统接入协议

(1)小水电智能控制器与通讯管理机使用智能控制器专用协议。

(2)通讯管理机与后台系统使用从站TCP-MODBUS通用协议。

(3)通讯管理机与经济发电控制器使用从站TCP-MODBUS协议。

1.4 系统设备配置

经济发电控制系统组成：PLC可编程控制器+触摸屏。

(1)PLC:通过通讯管理机与小水电智能控制器进行通信，实现机组开停机与负荷调节功能。

(2)触摸屏：实现经济发电控制系统功能的投退与相关参数的整定以及系统运行的数据监视。

2 按水位变化率实现的原理

2.1 整体设计思路

两台机组：G1、G2；

发电机功率：最大功率Pmax、第一档位功率P1、第二档位功率P2、额定功率PN；

开机水位：SW1、SW2；

关机水位：SW3、SW4；

当前水位：SW0；

水位变化率：△SW1、△SW2。

若投入全自动发电，则G1、G2开机功率由默认值确定；若投入人工干预方式自动发电则G1、G2开机功率可现场设置。

过程自动发电调节：

(1)当SW0>SW1，开G1、G2(开机功率可设定，也可默认满载)。

(2)G1开后，若当前水位SW0>SW2，提示开G2，提示G2功率设定。

否则判断：水位下降/上升|△SW|>△SW2，则快调低/高(机组功率P0≤Pmax)G1负载，若△SW2>|△SW|>△SW1，则慢调低/高(机组功率P0≤Pmax)负荷；若|△SW|<△SW1，功率不调，则进入水位判断。

否则判断：水位下降/上升|△SW|>△SW2，则快调低/高(机组功率P0≤Pmax)G1负载；△SW2>|△SW|>|△SW1，则慢调低/高(机组功率P0≤Pmax)G1负载；若|△SW|<△SW1，功率不调，则进入水位判断。

2.2 控制系统实现过程及控制流程

(1)整定自动发电控制系统公用及机组相关参数值，投入需要参与自动发电的机组以及功能；

(2)当自动发电功能投入且有机组参与自动发电时，系统会按照整定的运行周期进行，调用开停机、功率调节模块；

(3)当开停机功能投入且没有机组正在开停机时，水位大于整定的开机水位时，机组启动开机流程，水位低于整定的停机水位时，机组启动停机流程，同时置开停机标志为1，不允许其他机组进行开停机操作以及功率调节；

(4)当没有机组正在开停机时，机组功率按照水位档位及水位变化率进行调节，水位变化率大时进行快调功率，变化率小时慢调功率，死区范围内时不调节。

按水位变化率实现逻辑框图如图2所示。

图2 按水位变化率实现逻辑

3 按恒水位实现的原理

3.1 整体设计思路

两台机组：G1、G2；

发电机功率：最大功率Pmax、开机功率P1、额定功率PN；

开机水位：SW1、SW2；

关机水位：SW3、SW4；

当前水位：SW0；

水位误差：△SW；

设定水位：SWset；

水位差死区：SWdead；

水位差分界：SWadj。

过程自动发电调节：(投入自动发电功能)

(1)当SW0>SW1，开G1(G1开机功率可设定)。

(2)G1开后，若当前水位SW0>SW2，开G2(G2开机功率设定)。

(3)G2开后，恒水位控制的实现[2]：定义水位误差△SW=SWset-SW0，SWset为水位设定值，SW0为水位实时测量值，按照水位误差△SW进行功率调节控制。

当|△SW|

当SWadj>|△SW|>SWdead时，按设置的调节周期消除误差。水位比设定值低时，升高水位，降低负荷，发减负荷脉冲；水位比设定值高时，降低水位，升高负荷，发增负荷脉冲。

当|△SW|>SWadj时，按设置的调节周期消除误差。水位比设定值低时，升高水位，降低负荷，发减负荷脉冲；水位比设定值高时，降低水位，升高负荷，发增负荷脉冲。

3.2 控制系统实现过程及控制流程

控制系统实现过程前三步用上述2.2中(1)-(3)。第四步，当恒水位功能投入且没有机组正在开停机时，机组功率按照水位差进行调节，水位差大时进行快调功率，小时慢调功率，死区范围内时不调节，保持水位的恒定。

图3 按恒水位实现逻辑

4 参数整定

主要包括公用、机组的参数设置以及软控制字的投退，自动发电控制系统初始使用时需要进行参数设置。

(1)调节周期：自动化发电控制系统的调节周期，按照整定的周期进行调节；

(2)前池最大水位：前池的水位上限，水位异常时闭锁程序；

(3)前池最小水位：前池的水位下限，水位异常时闭锁程序；

(4)水位变化率：单位时间内的前池水位变化值；

(5)机组调节功率：前池水位对应的机组发电功率值；

(6)机组开机功率：机组并网发电时初始功率；

(7)机组开机水位：机组开机时对应的前池水位，当水位高于设定值时，进行开机；

(8)机组停机水位：机组停机时对应的前池水位，当水位低于设定值时，进行停机；

(9)全厂自动发电功能：软控制字，投入/退出；

(10)自动开停机功能：软控制字，投入/退出；

(11)前池水位：对应前池的水位值；

(12)机组自动发电功能投入：软控制字，投入/退出。

表1 参数整定

5 系统组态界面

目前小水电自动经济发电控制系统已在福建大溪峰一级水电站、小水口电站陆续投入运行使用，实现了小水电机组的自动开停机与功率调节功能，保持了前池水位的稳定，大大减轻了运行人员的工作量，提高了小水电经济效益。而且也正在企业集团内其他小水电站陆续进行推广与使用。

图4 系统组态示意

6 结语

小水电站数量在全国水电站中占比较大，且由于其装机容量小，经济效益差，运行管理不如大水电站，故提高小水电的全自动化经济发电运行水平对其生产运行具有重大的意义。本文基于常规水电站自动经济发电系统基础上，介绍了小水电机组自动经济控制系统的实现方式，具有一定的实际指导作用，且该系统独立于原有的自动化系统之外，便于小水电大范围地推广应用。目前，此经济发电控制系统已经在福建大溪峰一级水电站经过实际的运行，效果良好，通过使用自动经济发电控制系统，可以充分有效地利用来水，做到少弃水多发电，经济运行，提高了小水电的自动化程度和降低了运行人员的劳动强度，对电站的生产有着重要的意义[3]。