大型水电厂自动发电控制系统负荷分配策略研究

李继平

（广东能源集团有限公司天生桥一级水电开发有限责任公司水力发电厂，贵州 兴义 562400）

0 前言

随着大型水力发电机组的发电负荷在电网总负荷中的占比不断提高，电网对大型水电机组的安全性、稳定性、以及负荷调节性能的要求越来越高。大型水电机组应能快速响应电网负荷指令变化，与此同时还要保证机组自身的安全、稳定、高效运行。

在调频辅助服务市场中，机组在厂级自动发电控制系统运行模式下调节性能[1]指标（响应时间、调节速率和调节精度）不高,而调频市场实际收入远比测算收入低，需要通过对整个调节过程进行分析,找到引起调节性能指标不高的原因，并进行优化处理[2]。如何将全厂总负荷合理的分配给厂内的各机组承担，在负荷调节过程中各机组如何分配负荷[3]增量或负荷减量，是一个复杂的决策过程，对机组的安全、稳定、高效运行至关重要[4]。负荷分配和调节方式不合理，会导致机组发电效率低下、机组振动加剧、检修频率增加、设备使用寿命缩短、甚至出现重大安全事故。

1 水电厂厂级自动控制系统负荷分配原则

大型水电厂通常采用厂级自动发电控制系统[4]，将调度主站下发的全厂总负荷分配给厂内各个机组承担。在进行负荷调节时，也是通过厂级自动发电控制系统确定由厂内的某个或某几个机组承担调节过程中的负荷增量或负荷减量。

现有的水电厂厂级自动发电控制系统的负荷分配策略[5]，一般是按以下几个原则[6]进行分配的：

（1）平均分配准则：全厂总负荷平均分配给厂内各机组承担；负荷调节过程中，全厂负荷的增量或减量也平均分配给各机组承担。这种方法的优点是分配负荷和执行操作简单快速。缺点是：①没有考虑不同机组之间性能优劣的差异性；②每次负荷调节过程所有机组都共同参与，机组的累计调节次数多，影响设备使用寿命。

（2）等微增率准则：按机组效率从高到低依次往下分配全厂总负荷，负荷优先分配给微增率小(即效率高)的机组承担；负荷调节过程中，电厂增加负荷时，先让微增率小的机组增加负荷；电厂减少负荷时，先让微增率大的机组减少负荷[7]。即总体上让效率高的机组保持更高的负荷率和更长的运行时间。

（3）小负荷分配策略：负荷调节过程中，电厂增加负荷时，优先让负荷率小的机组增加负荷；电厂减少负荷时，优先让负荷率大的机组减少负荷。这样做的好处是可有效减少机组的调节频次以及避开机组的调节死区。

2 水电厂厂级自动控制系统负荷分配算法

现有的水电厂厂级自动发电控制系统进行负荷分配时，主要考虑的因素是机组的功率和效率，而没有把机组的工作水头、振动摆度、穿越振动区次数、累计调节次数等因素综合考虑到负荷分配和调节过程之中。实际运行过程中经常出现顾此失彼的情况，如厂内各机组的效率值都不错，但机组振动问题严重，且调节过程中频繁穿越振动区；或多台机组中有一台综合性能好的机组的调节次数远远大于其他机组，导致其检修周期明显短于其他机组。

现有的水电厂厂级自动发电控制系统[8]的计算程序主要采用两种算法：穷举法和解方程法。

穷举法是对机组的所有负荷分配情况进行排列组合，形成一个数亿条记录的数据列表；要进行负荷调节时，根据调节目标在数据列表中检索出能满足要求的数十万条记录，再根据一定的规则对每条记录打分，根据分数排序后选择其中得分最高的一条作为负荷分配方案。

解方程法是根据负荷分配时所要考虑的因素，整理出一组带约束条件的方程组，然后通过矩阵计算和迭代收敛，求出最优解。

这两种算法计算量都很大，计算时间长，导致机组对电网负荷调节指令的响应速度慢。

3 水电厂厂级自动控制系统负荷分配影响因素

制定负荷分配[8]方案的过程中要考虑的因素很多，各个考虑因素背后的目标也不尽相同，有时甚至是相互冲突而无法统一的。负荷分配方案的确定，经常需要在不同考虑因素之间进行权衡，抓大放小，优先解决主要矛盾。在全厂负荷分配和负荷调节过程中，不仅要尽量保证机组的稳定运行[9]，还要尽可能减小机组的振动摆度，减少机组穿越振动区的次数，减少机组在振动区运行的总持续时间；此外，各机组的累计调节次数应尽量保持相当，而不能简单的让性能[10]好的机组承担大部分调节任务；在不同的负荷率条件下，应能灵活的选择最适合的负荷分配策略，如负荷率高的丰水期采用效率高优先的分配策略，负荷率低的枯水期则采用安全稳定优先的负荷分配策略。

4 水电厂厂级自动控制系统负荷分配设计

通过研究一种新的水电厂厂级自动发电控制系统负荷分配方法，以解决现有技术存在的负荷分配策略不完善，导致机组的振动和效率经常顾此失彼的问题；以及程序计算量大、耗时长，导致负荷调节响应慢的问题。

在水电厂厂级自动发电控制系统中引入一个模型预测控制单元，该模型预测控制单元把线性规划和控制问题结合起来，将机组的工作水头、振动摆度、有功负荷、效率指标、穿越振动区次数、累计调节次数综合考虑到水电厂厂级自动发电控制系统负荷分配方案的制定和优选过程中（图1）。

图1 大型水电厂厂级自动发电控制系统的负荷分配框图

上述模型预测控制单元接收数据采集系统回传的机组实时运行参数作为负荷调节的初始条件，机组实时运行参数包括机组工作水头（H）y、振动摆度（S）、有功负荷（P）、效率指标（η）、闸门开度（γ）。机组各个运行参数之间的关系可整理为一组带约束条件的方程γ=f（Hy，P，η，S），约束条件包括工作水头范围，有功功率范围，振动摆度范围。依据各约束条件可在各机组的运行区域图上划分出不同的运行性能[11]区域，包括小负荷振动区、不推荐运行区、禁止运行区、高负荷运行稳定区[12]。

上述模型预测控制单元制定负荷分配策略[13]的步骤包括：

（1）接收总调下发的负荷指令和机组实时运行参数，确定负荷调节量；

（2）求解包含机组工作水头Hy、振动摆度S、有功负荷P、效率指标η、闸门开度（γ）这5 个变量的机组运行状态方程γ=f（Hy，P，η，S），得到所有可能的负荷分配方案；

（3）在所有可能的负荷分配方案中优选出最终执行的负荷分配方案；

（4）校验机组的调后形态，确认无误后，将优选出来的负荷分配方案下发到执行机构执行。

上述模型[14]预测控制单元优选负荷分配方案的步骤包括：

（1）综合考虑机组工作水头、振动摆度、有功负荷和效率指标的约束条件，在各机组的运行区域图上划分出不同的运行区域，包括禁止运行区、小负荷振动区、不推荐运行区、高负荷稳定运行区；

（2）优选负荷分配方案时，首先排除落入禁止运行区的数据，然后按效率高优先的原则或振动摆度小优先的原则，依次从高负荷稳定运行区、不推荐运行区、小负荷振动区查找可用的负荷分配方案；效率高优先的原则和振动摆度小优先的原则是可以切换的，机组运行的高负荷时段采用效率高优先的原则，机组运行的低负荷时段采用振动摆度小优先的原则；

（3）在优选负荷分配方案时，保证各机组穿越振动区次数和累计调节次数基本相当，防止效率高和振动摆度小的高性能机组过多承担调节任务而缩短其检修周期。

上述模型预测控制单元可采集机组实时运行参数，并从效率和振动摆度两个维度对机组的性能表现打分，可根据得分高低在各机组的运行区域图上重新划分运行区域；在优选负荷分配方案时，首先排除性能表现得分低的区域，优先选择性能表现得分高的区域，这样可以缩小数据筛选的范围，大大减小计算量，提高对负荷调节指令的响应速度。随着机组运行时间的累积，机组本身的性能会发生变化，各机组运行区域的划分也要跟着变化；比如原来的不推荐运行区可能会因为振动加剧而被划入禁止运行区，原来的高负荷稳定运行区可能会有一部分被划入不推荐运行区。

上述模型预测控制单元设有投/退切换按钮，可以将模型预测控制单元退出运行，模型预测控制单元退出运行后不影响水电厂厂级自动发电控制系统的正常运行。

5 具体实施方式及效果

某水电站总装机容量为1 200 MW，有4 台同型号单机容量300 MW 机组，图2 为该电站4 台机组的典型运行区域图。原有厂级自动发电控制系统的负荷分配方法是通过求解机组运行状态方程γ=f（P，η），确定各机组承担的负荷以及在调节过程中承担的负荷增/减量。实际运行中有如下问题：①各机组长时间在振动区运行，振动使得1 号、4 号机组转轮叶片频繁出现裂纹，甚至出现局部掉块现象；②各机组的负荷调节过于频繁，累计调节次数多，尤其是2 号机组因为工作状态好，调节次数明显多于其他机组；③调节过程中频繁穿越振动区；④机组对负荷指令的响应速度较慢。

在该水电站中采用图1 所示控制框，在厂级自动发电控制系统中引入一个模型预测控制单元，图中的模型预测控制单元接收机组实时运行状态参数工作水头Hy、振动摆度S、有功负荷P、效率指标η、闸门开度（γ）作为负荷调节的初始条件，模型预测控制单元通过求解机组运行状态方程γ=f（Hy，P，η，S）确定负荷分配方案，相比原有的负荷分配方法，在机组运行状态方程中增加了工作水头和振动摆度两个约束条件。在优选负荷分配方案时，同时考虑效率和振动情况两个因素，在尽量追求高效率的同时避免机组的运行状态落入振动区。实际使用中，将振动摆度超过0.3 mm 时的工况设定为禁止运行工况，将振动摆度0.15～0.3 mm 时的工况设定为不推荐运行工况。

随着机组使用时间的累积，机组的工作特性也会发生变化。模型预测控制单元采集机组实时运行参数，进行相关的试验[15,16]后，从效率指标和振动摆度两个维度对机组的性能表现打分，根据得分高低在各机组的运行区域图上重新划分运行区域。

图3 为根据机组实际状况重新划分的2 号、3 号机组运行区域图，图4 为根据机组实际状况重新划分的1 号、4 号机组运行区域图。

与图2 机组的典型运行区域图相比，新的运行区域图的划分有明显的不同。2 号、3 号机组的运行区域图增加了不推荐运行区，小负荷振动区的范围有所扩大，可选运行区划分为最优区和次优区；1 号、4 号机组的运行区域图增加了禁止运行区和不推荐运行区，可选运行区划分为最优区和次优区。

对比图2 和图3、图4 的运行区域图可知，图2中有相当一部分原先认为是高负荷稳定运行区的区域，实际运行状态非常不好，可以被划入到不推荐运行区甚至禁止运行区。这也是采用原先的负荷分配方法时，机组经常出现剧烈振动的重要原因。

图2 机组的典型运行区域图

图3 新策略2 号、3 号机组运行区域图

图4 新策略1 号、4 号机组运行区域图

模型预测控制单元优选负荷分配方案时，首先避开禁止运行区和不推荐运行区，同时减少穿越禁止运行区和不推荐运行区的次数，优选考虑在最优区内选择机组的运行参数。

6 结论

通过在厂级自动发电控制系统中引入一个模型预测控制单元，划分禁止运行区和不推荐运行区，负荷分配避开了机组振动剧烈的运行区域，机组的平均最大振动速度从50 cm/s 减小到不大于10 cm/s，大大提高了机组的运行稳定性。同时由于缩小了分配方案筛选的范围，大大减少了计算量，对负荷调节指令的平均响应速度也从10～15 ms 缩短到6～8 ms，速度提升幅度接近50%。