某大型水电站右岸开停机时间控制研究

寸文全，邝 磊，陈才龙，王代春，郭文峰

（白鹤滩电厂，四川 宁南 615400）

改革开放之后，我国经济发展迅速，国内用电需求不断增大，峰谷效应也日渐明显，短时间内负荷大范围波动，将导致电网频率变化，这就需要相当量的电站用于电网的调峰调频。水轮机组启动迅速，可在几分钟内开机并网，因此在电网中水电站大多承担峰荷，在发电的同时，还需要调峰调频，这就意味着水轮机组在1 d 之中可能多次启停，以金沙江某装机容量为13 860 MW 的巨型水电站为例，机组1 d 的启停次数可达二十余次。在这个开停机过程中，运行人员需根据负荷多少，负荷变化的时间，以及当前水头下机组出力的限制来决定机组开停机时间，而电网负荷变化可能随时发生，在这种情况，考虑以上几种情况的开停机，给运行人员带来了极大的挑战。

本文所论述的开停机时间控制，就是在考虑电网负荷变化，尤其是紧急变化时，考虑负荷变化的多少，电站总容量和备用容量，当前水头下机组的出力限制以及避开机组稳定运行下限（即避开机组振动区）的条件下，对某一时间段内负荷变化确定机组合理的开停机时间，使得水轮机组在开停机过程中避免负荷考虑不到位，或出现部分已开机机组处于振动区运行，从而实现机组开停机时间的控制。

1 机组开停机时间控制实现

机组开停机时间的控制，取决于当前电站所带负荷、最终所带负荷、负荷变化时间段和当前水头。本文分别通过开机和停机两种情况对时间控制进行计算，计算出机组在负荷变化过程中最早和最晚开停机时间，保证机组在这两个过程中不会出现运行机组工作在振动区或开停机过程中无法满足负荷需求的情况，运行人员可以根据这两个时间，自行选择开停机时间，从而避免交接班时或有紧急操作时开停机，达到合理控制开停机时间[1-3]。

1.1 开机

电网需求增加，则电站负荷在某一时间段增加，此时电站发挥调峰调频作用，开启备用容量机组，在这个过程中，考虑当前水头下机组所能带负荷的上限和下限，决定机组的最早开机时间和最晚开机时间。

1.1.1 最早开机时间

最早开机时间是指在电站需要通过开机来承担调峰功能时，保证已开机机组不会出现越过振动区的情况下开第一台机最早的时间。

选择在最早时间开机，会使得其余已开机机组负荷较其他时间开机时低，因此这种情况主要考虑的是已开机机组不论何时都不可以越过稳定区下限负荷，因此在机组并网之后，有以下约束条件：

考虑厂站厂用电及重要负荷供电可靠性，切机时预留一台机组不被切除，其中Pn、Pl、P2分别为电站当前负荷、机组最低切机负荷和机组下限负荷，Ppml为每分钟增加的负荷（取正数），t和n分别为时间和当前开机台数。

式中除t外均已知，求出t之后，考虑电站负荷变化的起始时间和机组开机并网加负荷时间td，从而得出最早开机时间。

1.1.2 最晚开机时间

最晚开机时间是指电站选择满足电网下发负荷的情况下最迟的开机时间，这种情况不会出现其他机组处于振动区的情况，但需要考虑水头对机组容量上限的限制：

此时已开机机组均处于高容量负荷运行，在满足负荷的条件下，必须保证其余机组不越过上限值，因此有如下约束条件：

式中Ph为机组运行的容量上限值，这与机组水头有关，水头越大，Ph越大，达到机组额定容量时为止，通过求出式中的时间t，得到机组最晚开机时间。

1.2 停机

在夜间，由于工业用电量和居民用电量大幅减少，电网负荷需求量下降，水电站出力大于电网所需求负荷，电网频率上升，此时需要水电站通过停机来平衡。停机时，和开机有同样的情况，也有最早停机时间和最晚停机时间的控制。

1.2.1 最早停机时间

最早停机时间和最早开机时间过程有类似的地方，只不过两者相反，即最早停机时间会触及已开机机组的上限容量。在这种情况下，我们只需要考虑某一机组停机之后，其余机组所带负荷不超过当前水头下机组容量上限即可，因此可有以下约束：

停机和开机过程不一样，导致两者计算过程也不一样。考虑到机组减负荷至某一功率时（接近0 MW）即可停机从电网中移除，因此只考虑减负荷的时间tj，从（4）中计算出t，用负荷变化时的初始时间加上t 减去tj即可求得最早停机时间。

1.2.2 最晚停机时间

最晚停机时间是在停机过程中最迟的停机时间，若超过这个时间，其余机组可能越过某一水头下机组的下限容量，从而导致进组进入振动区。为了避免这种情况，就必须保证发停机令时其余机组功率大于容量下限值。又因为发停机令后，负荷还在继续下降，若其余机组正好处于下限容量，此时来不及减负荷便可能导致其余机组进入振动区，因此设定了一台机的下限容量作为余量，可得出以下约束：

通过此式可计算得出时间t，再考虑负荷变化时的初始时间和减负荷所需的时间，计算出最晚停机时间。

2 功能演示

借助C#窗体开发编写相应程序对开停机时间控制的实现[4，5]，以金沙江下游装机容量为13 860 MW 的某大型水电站右岸的数据做支撑，开发相应应用程序。

2.1 登陆界面

登陆界面的组成较为简单，由欢迎语句和两个按钮组成，如图1 所示：

图1 登录界面示意

其中开机计算按钮和停机计算按钮分别用于开机时间控制界面和停机时间控制界面。

2.2 开机计算界面

开机计算界面由若干标识和输入框以及一个计算按钮组成，其中左边的输入框用于输入数据，而右边的数据框用以显示计算结果，如图2 所示：

图2 开机计算界面示意

其中，水头只能输入154～228 之间的整数，负荷的单位为MW，可以输入0～6 930 之间的任意数，时间采用特殊的模式，由6 位数字组成，比如282 250，这就代表28 号22：50：00，开机台数代表的是当前的开机台数，范围是1～9 之间的整数。对其输入数据进行模拟计算有如图3 显示：

图3 开机模拟计算结果

从数据显示可以看出，最早开机时间可以是负荷变化开始前的任何时间，这样我们就可以选择早一点开机，从而避免开机时接班人员已到场而交班人员还在开机的情况。

2.3 停机计算界面

停机计算界面与开机计算界面相差不大，只是显示标识不一样，如图4 所示：

图4 停机计算界面示意

同样输入数据进行停机的模拟计算，可以计算得到最早停机时间和最晚停机时间，手动计算发现选择最早停机时间和最晚停机时间分别可以靠近机组运行容量上限值和机组运行容量下限值，这表明通过此算法计算是合适的。其计算结果如图5 所示。

图5 停机模拟计算结果

3 结论

通过编程得到窗体应用程序，以此计算某大型水电站机组最早和最晚开停机时间，实现对电站调峰时机组开停机时间选择，避免在运行人员交接班或者有紧急操作时仍需进行开停机的操作，在一定程度上优化了对运行人员的安排；同时，通过程序计算，大大提高了计算效率和正确率，避免了运行人员通过负荷变化和机组出力限制口头计算出开停机时间可能出现的失误而导致误开停机，从而保障了电站的安全稳定运行和提高了运行人员的工作效率。