混流式水电机组一次调频运行区分级划分方法——以拉西瓦水电站为例

许贝贝，靳佳辉，周 叶，陈帝伊，张 振，赵 浩

(1.西北农林科技大学 旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100；2.西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100；3.中国水利水电科学研究院，北京 100038；4.青海黄河上游水电开发有限责任公司，青海 西宁 810008；5.陕西省镇安抽水蓄能有限公司，陕西 西安 710061)

1 研究背景

近年来，随着各省区新能源大规模发展和电力系统峰谷差不断增大，常规水电机组定位从电量支撑为主转变为电量与容量支撑并重。新形势下，水电机组面临高强度和频次的调峰调频任务，变水头宽负荷稳定性技术被认为是完成该任务的可靠保障[1]。一般来说，混流式水电机组变水头宽负荷运行，如拉西瓦水电站、李家峡水电站等，具备两个特征[2]：1)水轮机水头变幅(Hmax-Hr)/Hr超过7%；2)水轮机功率稳定调节范围超过[(50%～55%)，100%]P(转轮直径D1≥6.0 m)。需要注意的是，两个特征约束下混流式水电机组常因水力振荡、机械振荡和电力振荡相互耦合导致其调频质量难以满足《西北区域发电厂并网运行管理实施细则》及《西北区域并网发电厂辅助服务管理实施细则》(以下简称“两个细则”)考核要求。因此，在完成调峰调频任务时，保证机组动态调节性能满足“两个细则”考核要求，既是充分发挥常规水电机组电量与容量支撑的重要保障，也是水电厂高效经济运行和电网安全稳定的关键。

电网调度计划制定常以混流式水电机组运行区作为机组的固有约束条件，运行区的划定通常按照《水轮机基本技术条件》(GB/T 15468—2020)等执行。例如，王正伟等[3]基于万家寨等实例研究混流式水电机组运行区划分方法，综合考虑空化、振动、效率等因素将运行区划分为稳定、过渡、禁止运行区，为机组合理调度和优化运行奠定基础。娄强等[4]提出一种基于水电机组在线监测数据、辅以稳定性试验分析的运行区精细划分方法，弥补了常规运行区划分依托稳定性试验运行水头覆盖受限、划分结果粗略的缺陷。可见，运行区划定虽然详细考虑了空蚀、效率、振动摆度等水力机械因素，但划定过程往往忽略两个特征约束下水电机组分钟级一次调频质量，致使调度后机组存在调频性能不达标的运行风险，部分调频指标不满足要求而受到“两个细则”考核，如新丰江水电站、公伯峡水电站、大朝山水电站等。

为提高水电机组调频性能模拟精度、减少“两个细则”考核次数，国内外研究学者分别从精细化建模、调速器控制策略优化、AGC与一次调频协同控制三方面内容开展研究工作。在精细化建模方面，赵志高等[5]协调过渡过程中的计算精度与仿真效率间关系，提出基于电路等效理论的机组实时精细化模型，有效提高了求解稳定性和仿真效率。Xu等[6]探讨水轮机调节系统各模块化模型适用条件及其耦合方法，提出适应于不同电站型式的调节系统建模体系。在调速器控制策略优化方面，易建波等[7]提出兼顾阻尼振荡和频响动态性能的水轮机调速系统参数优化策略，提高了调速系统抑制超低频振荡以及适应多工况快速调频能力。Chen等[8]采用混沌非支配排序遗传算法Ⅱ(NSGA-II)设计并优化了分数阶PID调速器，验证了其在鲁棒性和稳定性方面的优越性。在AGC与一次调频协同控制方面，王官宏等[9]提出了一种多模式适应的监控系统有功/频率联合控制系统模型结构，保障了高占比水电系统及水电高占比新型电力系统中水电机组稳定、一次调频和AGC功率的足量贡献。Yu等[10]提出无须时域仿真的直接求解法来得到整个稳定域调节品质参数，极大提高了最优PID参数整定效率。Li等[11]构建不同区域间分布式智能AGC协调控制框架，利用EIC-MADDPG算法实现频率调节市场中各区域的负荷、频率协调控制并提高了调节性能。以上研究均为机组调频性能提高做出贡献，但研究通常从几种代表工况出发，对调节性能与运行工况间的敏感偏好关注较少，难以为负荷水头频繁变化的机组运行提供必要支撑。

为此，本文提出基于机组一次调频性能的运行区划分方法，解决变水头宽负荷运行下混流式水电机组调频能力不达标屡受考核的问题。首先，综合考量运行区划分和一次调频性能评价内容与形式，基于“两个细则”考核要求形成调节性能运行区的划分方法并探索性地提出其评价指标体系；其次，以拉西瓦混流式调频水电厂为例，建立水轮机调节系统数学模型，通过一次调频数值实验与现场试验对比，验证模型正确性；最后，研究管径、转动惯量、积分增益等水机电参数对运行区划分的影响规律，综合得到参数-调节性能-运行区影响流向关系并探讨运行区优化可能的途径。

2 主要关注点

2.1 经典运行区分类与划分方法水电机组运行区是机组不同运行工况下工作性能的状态区间分布，区间划分反映了机组运行中各工作性能指标的优劣差异。一般而言，该区间由水力发电系统各子系统的重要指标优劣等级分区耦合而成。子系统囊括的对象不同，运行区划分所关注的重要指标也有所区别。目前运行区划分根据子系统指标的不同主要分为两种形式：(1)以能量利用为核心指标，如图1(a)所示，运行区可分级划分出高、中、低效率区[12]；(2)以机组振动量等为核心指标，如图1(b)所示，运行区可划分出稳定运行区、过渡运行区、振动运行区等[13]。

图1 不同类型机组运行区

以能量利用为核心指标的运行区划分一般以机组运转综合特性曲线形式展现，描述机组自身运行特性，其数据主要依赖于水轮机模型实验与现场试验[14]。由于基本不与其它重要指标相耦合，其划分方式较为简单，根据水轮机对水流能量的转化程度高低进行分级。以机组振动量为核心指标的运行区划分一般采用独立的负荷-水头区间展现，描述机组-水力系统耦合特性，其数据主要依赖于机组变负荷稳定性试验，水头变化工况不足时辅以机组状态在线监测数据予以扩充。由于水-机耦合系统运行的复杂性，其划分过程还要考虑摆度、水压力脉动、应力、空化空蚀等系统状态参数的影响，形成以振动为核、其余参数为佐的指标衡量体系，划分原则[15]为：(1)机组能够稳定运行于不带负荷状态；(2)机组在运行时振动、摆度、噪声符合相关标准；(3)压力脉动要求小于4%或者在4%～6%之内不会出现水力振动以及卡门涡振动；(4)重要部件动态应力规定小于10 MPa。在此基础上结合《GB/T 32584—2016水力发电厂和蓄能泵站机组机械振动的评定》各监测状态量限值确定边界阈值，划分运行区域。

2.2 一次调频调节性能与考核指标一次调频是指在并网运行中当电网频率偏差越过频率死区后，机组调节系统根据频率静态特性，按整定的永态转差系数bp(开度调节模式)或调差率ep(功率调节模式)自行调整导叶开度，控制有功功率变化，平衡能源侧机组出力与负荷侧用电功率之间的失衡关系，进而调节电网频率的过程[16]。新型电力系统构建要求水电机组转向宽负荷运行弥补新能源大规模并网随机性、波动性强的缺陷，如图2所示，机组长期运行于非额定的宽负荷范围内参与电网调峰调频[17]。调节过程的机组功率/频率响应以能快速、稳定、准确地应对电网扰动为佳，基于此行业内通常以时间、振荡、偏差为主要调节性能指标来评价机组调频能力[18]。

图2 水电机组宽负荷运行负荷/频率响应

调节性能指标一般可通过分析机组调频过程并进行数据处理取得，经过研究者们多年来的探索改进和工程实际应用锤炼，已形成较为完整的评价体系。根据电力领域国家标准及行业规范《电网运行准则》(GB/T 31464—2015)“两个细则”，目前被广泛用来量化衡量调频性能的指标有：(1)调节时间，当电网频率变化超过机组一次调频死区时，所有机组一次调频的负荷调整幅度应在15 s内达到理论计算的一次调频的最大负荷调整幅度的90%；(2)响应时间，在电网频率变化超过机组一次调频死区时开始的45 s内，机组实际出力与响应目标偏差的平均值应在理论计算的调整幅度的±5%误差带内；(3)一次调频合格率，水电机组一次调频平均合格率不小于60%。作为反映机组的调频质量优劣的重要依据，电厂根据性能指标来判断和改善机组运行状态，电网也据此对机组进行调频性能考核，确定电站的奖惩金额。

2.3 调频运行区划分必要性经典运行区划分侧重于机组水力性能与机械性能，保证机组稳定性前提下却缺乏电气性能指标约束。近年来，随着风光等随机能源大规模接入电网，电网的调峰调频压力陡增，水电机组面临高强度和频次的调峰调频任务[19]。由于水力、机械、电气等多方面因素的耦合影响，机组调频性能往往会受到不同程度的削弱，极端情况下甚至会造成严重的安全事故。因此，需要提出能反映电气性能指标的运行区划分方法来耦合经典运行区，从而全面反映机组综合运行性能。水电机组电气性能通过机组调频性能指标描述，常规设计运行一般从具体工况出发优化调速器参数改善调节质量。由于所针对工况有限，机组调节性能仅在个别工况表现良好，难以满足变水头宽负荷的水电机组运行要求。因此，需要量化机组在整个运行区域内调节性能优劣的分布及其受各参数影响的规律，从而在调度过程中利用运行区约束避开“两个细则”考核。同时，运行区对调节性能在机组运行区域内的优劣序列的直观描述，也能很好弥补经典运行区电气性能缺失问题。

3 运行区划分方法与评价指标

3.1 运行区划分方法运行区划分时以囊括水电机组、引水系统、调节系统的水力发电系统整体为研究对象，旨在为水电站机组安全经济运行提供一个合理有效的工作区间，本文从机组参与调频考核的角度出发，以调节性能指标为基本判别依据来进行运行区的划分。

3.1.1 基本参数与仿真模型 基本参数包括：(1)水力子系统，电站管道布置形式、各管段长度、直径、粗糙度、水击波速等；(2)机组子系统，水轮机转轮直径、转动惯量、模型综合特性曲线等，发电机额定力矩、惯性时间常数等；(3)调速器，比例增益、积分增益、微分增益、永态转差系数、反馈时间、延迟时间等。调节系统模型根据以上水电站基本参数搭建，并进行工况仿真与实测数据对比验证模型准确性，研究所采用的水电站数学模型详见附录。

3.1.2 工况选择与仿真模拟 运行区基于负荷-水头坐标系进行划分，为便于对机组运行状态进行判别，调节系统仿真模型工况选择时也以负荷水头为依据。仿真模拟中负荷水头作为机组运行初始状态，其密集程度决定运行区划分精度；频率变化作为系统扰动量，其值的选择影响机组在当前工况下调节性能的判别。根据机组实际可运行的功率-水头范围确定负荷、水头的变化区间与间隔，参考机组调节运行相关标准选择合适的频率变化组，对选择的工况进行机组调节过程仿真模拟，并记录运行数据。

3.1.3 数据处理与分析 机组在某一工况下调节性能的优劣主要通过调频性能指标来衡量，常用的指标有调节时间、稳定时间、积分电量等。首先根据运行仿真数据计算调频指标，将调节过程的功率-时域变化关系转化为指标信息，使其成为能够反映机组对应工况调节性能的有效数据，再根据行业要求的指标限值对调频指标作标幺化处理，并将同一水头、负荷下不同频率变化的指标进行整合，最终得到当前参数下负荷-水头坐标系各调节性能指标分布情况及随工况变化趋势。

3.1.4 调节性能运行区分区及绘制 机组调节性能运行区是各调频指标综合作用结果，电网对机组调频能力的考核针对的是调频指标的合格情况，故以单一调频指标合格与否和不合格指标类数作为分区依据。以选定A、B、C三类指标为例，根据处理数据进行判断，A、B、C三项指标均满足考核要求则为Ⅰ类区域，推荐机组在此区域内运行；有一项指标不满足考核要求为Ⅱ类区域(Ⅱ类区域内又可分为A指标不合格、B指标不合格、C指标不合格三类，便于后续研究分析和运行人员选择)，在此区域内运行时机组投入调频功能会有一项指标受考核惩罚，推荐机组减少在此区域内运行；依次类推，A、B、C三项指标均不满足考核要求则为Ⅳ类区域，在此区域内运行时机组如果投入调频功能各项指标均会受考核惩罚，机组应尽可能避免在此区域内运行。对负荷-水头坐标平面内运行的所有工况点调频指标数据进行上述判定，得到机组调节性能优劣分布并绘制运行区图。

3.2 运行区评价指标水电机组调节性能运行区分区分布表征了机组运行于各工况下调频指标的整体合格情况，可以为机组优化运行提供必要依据，但运行区图仅能提供简单直观的图像化信息，并不能较为完整地描述调节性能运行区的各项特征。为更准确地说明运行区的性质和客观评价机组运行区分布的优劣，本文拟定运行区分区区域面积、中心与综合调节性能三项指标来对其进行评判。

3.2.1 区域面积占比 运行区分区的各区域面积表征了机组调频指标不同合格情况组所分别囊括的工况范围，各区域面积占比可以清晰直观地反映出机组在所有可运行工况范围内适合/不适合调频运行的区域大小。显而易见，Ⅰ类区域(所有调频指标均合格)面积占比越大，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类区域面积占比越小，适合用于调频运行的工况范围越大，机组运行区越好。各分区区域面积计算方式为：

(1)

式中：AⅠ、AⅡ、AⅢ、AⅣ分别为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类区域面积占比；AA1、AB1、AC1分别为A、B、C指标合格部分面积；AA0、AB0、AC0分别为A、B、C指标不合格部分面积；A为机组可运行工况总面积。

3.2.2 区域中心 运行区分区的各区域中心表征了机组运行区各类区域的工况范围在负荷-水头坐标系中所处的位置倾向，各区域中心可以方便地描述机组适合/不适合调频运行区域对高效率区、振动区等的偏向程度。显而易见，以Ⅰ类区域为主的调频性能良好区域中心越靠近高效率区、远离振动区，以Ⅳ类区域为主调频性能较劣区域中心越远离高效率区、靠近振动区，调节性能高效区与能量利用高效率区重合度越高、与振动区越偏离，机组运行区越好。各分区区域中心计算方式为：

(2)

式中：N=Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ；PosN(P，H)为第N类区域中心位置负荷-水头坐标；Pos(P，H)为运行仿真选定的各计算工况负荷-水头坐标；PosN为第N类区域所包含计算工况的坐标集；KN为第N类区域所包含的仿真计算工况数。

3.2.3 区域综合性能 运行区分区的区域综合性能表征了机组运行区各类区域工况范围内的整体调节性能，各区域综合性能以数值形式量化比较运行区内各区域和不同运行区同级区域之间调节性能。从考核惩罚角度出发，Ⅰ类区域无被考核风险，Ⅱ、Ⅲ类等存在不合格指标的区域综合性能越好，被考核惩罚金额越少；从电站提高调频服务质量角度出发，各区域综合性能越好，所提供的调频服务质量就越高，机组运行区越好。各分区区域综合性能计算方式为：

(3)

式中：PerN为第N类区域综合性能；PerA(P，H)、PerB(P，H)、PerC(P，H)为当前负荷、水头下A、B、C调节性能指标值；PerA，N、PerB，N、PerC，N为第N类区域所包含计算工况的A、B、C性能指标集。

4 拉西瓦水电厂实例

4.1 运行区划分实例研究运行区的划分不仅要关注机组自身调节系统性能，还要考虑到电站布置和机组型式的影响。根据上文提到的运行区划分原则与方法，通过拉西瓦水电站为例来对其做详细说明。

4.1.1 基本参数与仿真模型 根据拉西瓦水电站基本参数构建调节系统模型，其中：引水系统采用弹性水击模型，水轮机采用分段线性化模型，调速器采用PID控制，为便于仿真模拟和排除水轮机调节系统机组间水力干扰对频率调节过程的影响，本文采用单机系统进行研究。

4.1.2 工况选择与仿真模拟 本案例中水头变化范围为190～220 m，负荷变化范围为0.3Pr～Pr，工况选择拟定水头与负荷等距划分，从运行区划分精度与程序运行时间角度综合考虑，水头以2.5 m为间隔，负荷以0.05Pr为间隔，将机组运行工况划分为189个有效区间，此时运行区划分精度为0.529%。在同一负荷-水头工况下，频率扰动以±0.2 Hz为界，考虑设备条件，等间隔选取6种大小频率扰动作为频率变化组，对选择工况进行机组一次调频模拟，并记录运行仿真数据。工况选择示意图如图3所示。

图3 拉西瓦水电厂工况选择

4.1.3 数据处理与分析 本案例运行区划分中以机组受考核情况为主要评判标准，采用调节时间、稳定时间、积分电量为考核指标作为机组在某一工况下调节性能优劣的衡量依据，其功率-时域变化信息转化为指标数值信息的计算方式为

(4)

式中：t90%(P，H，Δf)、tstable(P，H，Δf)、wpassrate(P，H，Δf)分别为所在负荷、水头、频率变化下的调节时间、稳定时间、积分电量合格率；T90%(P，H，Δf)、Tstable(P，H，Δf)、Tstart(P，H，Δf)分别为所在负荷、水头、频率变化下的90%功率调节量时刻、调节稳定时刻、功率起调时刻；Wac(P，H，Δf)、Wth(P，H，Δf)分别为所在负荷、水头、频率变化下的实际积分电量与理论积分电量；

根据“两个细则”考核要求，指标合格标准设定为调节时间15 s、稳定时间45 s、积分电量合格率60%，以指标考核合格标准值作为标幺基准值，同一水头负荷下不同频率变化的指标整合采用均值化处理，标幺计算与同类整合同时进行，计算方式为

(5)

式中：fi(P，H)、fi(P，H，Δf)、fire分别为第i项指标的整合值、初始值和基准值；Kf为仿真运行中频率变化的分类数。

4.1.4 调节性能运行区分区及绘制 本案例中以选定的调节时间、稳定时间、积分电量合格率指标的合格情况为衡量依据，根据数据处理得到的当前参数下负荷-水头坐标系各调节性能指标标幺值分布将运行区划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四类区域，其调节性能运行区分区如图4所示。

图4 拉西瓦电站调节性能运行区

由图4(a)可以看到，本案例中优化参数仿真运行下调节性能运行区只存在Ⅰ、Ⅱ两类区域，机组调频性能指标的整体合格情况良好，至多只有积分电量一种指标受到考核惩罚。其综合调节性能沿(0.3，190)—(1.0，220)对角线最高，向两侧递减，尤其是趋向高负荷低水头区域时综合调节性能急遽恶化，极值相差0.658(0.149，-0.257，0.766)，性能最劣点指标(7.71 s，7.93 s，21.85%)。经计算，Ⅰ类区域面积占比93.65%，占据机组所有可运行工况范围的大部，绝大多数区域均可用于机组调频而不被考核；Ⅰ类区域中心位于(0.62，205.88)处，运行水头接近额定水头205 m，机组功率处于中高负荷，均在额定工况附近，强调节性能区与发电高效率区重合良好；Ⅰ类区域综合性能为1.05(0.438，0.466，0.145)，较Ⅱ类区域性能整体增强0.28，各指标均有较大裕度，调频性能良好。

由图4(b)可以看到，调节时间随机组负荷的增大而延长，极值相差0.296(4.43 s)；调节时间最长可至9.70 s，但在当前参数下始终达标，未出现被考核情况。由图4(c)可以看到，稳定时间分布规律与调节时间相反，随机组负荷的增大而缩短，极值相差0.334(15.04 s)；稳定时间最长可至22.97 s，在当前参数下始终达标，未出现被考核情况。由图4(d)可以看到，积分电量合格率分布规律与综合调节性能类似，但趋向高负荷低水头区域时积分电量合格率恶化速度稍缓，极值相差0.780(78.92%)；积分电量合格率最低可至21.85%，在当前参数下存在被考核情况。

综合来看，本案例中运行区调节时间与稳定时间分布趋势基本相反，作用相互抵消，使运行区综合调节性能分布受积分电量合格率影响较大，仅在低水头高负荷下，由于调节时间与积分电量合格率的共同影响，综合调节性能的不利区域有所扩大；本案例中仅有积分电量合格率存在不合格情况，因此调节性能运行区Ⅰ、Ⅱ两类区域就只以其合格情况为分界。在机组运行时，推荐机组尽可能运行于Ⅰ类区域中，以规避“两个细则”考核，提高电站经济效益。

4.2 影响因素分析调节性能运行区可以为机组安全经济运行提供决策依据，但仅在现有条件下作运行区的划分并不能完全满足工程需要，对一些常受考核的电站而言，如果其运行区本身就存在Ⅰ类区域占比过低等问题，即便是可以根据现有运行区划分情况规避部分受考核工况，仍难以避免绝大多数时间调节性能恶劣，经济效益较差的局面。由于运行区的分布、位置、性能影响因素不明，运行区的改善也就无从谈起，为进一步提高调节性能运行区的实用性，本节对运行区划分的影响因素进行深入探讨。

调节性能运行区本质上是基于机组不同工况调节性能不同划分。因此，以机组某工况的综合调节性能变化程度作为运行区影响因素分析的衡量标准，综合调节性能由调节时间、稳定时间、积分电量合格率三部分构成，其中调节时间与稳定时间性能按标幺计算得到，而积分电量合格率为保证与其余二者增减的一致性，其计算方式采用

(6)

单一的某工况综合调节性能并不能完整地反映整个运行区的情况，考虑本电站运行区划分的特点与多工况调节性能分析的需求，选取(1)190 m，0.3Pr；(2)190 m，0.9Pr；(3)205 m，0.6Pr；(4)220 m，0.3Pr；(5)220 m，0.9Pr，5种工况作为影响因素分析的基准工况。

罗列可能影响因素有：(1)调速器：PID增益KP、KI、KD，永态转差系数bp，油动机动作时间常Ts，油动机动作速度Vs；(2)水力子系统：水轮机上游压力管道长度、直径Lp、Dp，尾水管道长度、直径Ld、Dd，水击波速Vw；(3)机组子系统：机组惯性时间常数常数GD2。对各影响因素以±20%变幅进行仿真计算，考虑到PID参数的特殊性，参考《水轮机调节系统并网运行技术导则》(DL/T 1245-2013)，变幅即以KP：0.5～20.0、KI：0.051～10.01、KD：0～5.0为基准量。各参数对综合调节性能影响见图5。

图5 拉西瓦水电站调节性能运行区影响因素

由图5可以看到，水电站不同参数对综合调节性能的影响程度不同。就调速器而言，综合调节性能对KI、bp变化敏感，对KP变化敏感度较弱，而KD、Ts、Vs变化对综合调节性能几乎无影响；就水力子系统而言，综合调节性能对Dp、Ld、Vw变化更敏感，对Lp、Dd变化敏感度较弱；就机组子系统而言，GD2对综合调节性能影响明显。电站参数变化对不同工况下综合调节性能的影响程度也有差别，如在190 m，0.3Pr工况下GD2对综合调节性能影响很大，但190 m，0.9Pr工况下就只有较微弱的影响。

5 讨论

5.1 参数影响运行区衍变规律KP、KI、bp等水机电参数对运行区划分的影响规律详见图6。在KP：0.5～20.0变化区间中，Ⅰ、Ⅱ类区域综合性能中调节时间、稳定时间、积分电量的变化趋势一致，区别在于Ⅰ类区域稳定时间的优化占主导地位，而Ⅱ类区域则是调节时间的劣化占主导地位，这导致了Ⅰ、Ⅱ类区域综合性能截然不同的变化趋势；可以发现，KP主要通过改变调节时间和稳定时间来对运行区划分造成影响，结合运行区划分图可以发现，本案例的调节时间与稳定时间指标均有较大裕度，KP对调节时间和稳定时间的改变并未击穿裕度，即使在二者的劣化极值点距超标仍有很大距离，而KP对于本案例中易于超标的积分电量又几乎无影响，这导致了本案例中KP变化而Ⅰ、Ⅱ类区域的区域面积和中心始终维持在定值的现象。从电站角度来说，如果机组调节性能运行区中存在非Ⅰ类稳定时间主导的受考核区域而调节时间又裕度较大，可以尝试通过增大KP的方式来缩减受考核区域，改善机组运行区。

图6 参数调整对运行区划分影响流向图

KI在0.5～2.0变化区间中，发生Ⅳ类向Ⅲ类区域过渡，此时大部分区域积分电量率先达标，随后稳定时间小部分区域达标；KI在2.0～2.5变化区间中，发生Ⅲ类向Ⅱ类区域过渡，此时稳定时间全域达标，调节时间与积分电量达标区域不变；KI在2.5～3.5变化区间中，发生Ⅲ类向Ⅱ类区域过渡，调节时间与积分电量少量区域达标；KI在3.5～5.0变化区间中，主要发生Ⅱ类向Ⅰ类区域过渡，Ⅲ类向Ⅱ类区域过渡穿插其中，此时调节时间全域达标；KI在5.0～10.0变化区间中，发生Ⅱ类向Ⅰ类区域过渡，积分电量少量区域逐渐达标；随KI的增加，调节时间全鱼均逐渐缩短，稳定时间在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类区域中逐渐延长，在Ⅰ类区域中先加快，到KI=6.0后缩短，由图5(a)与5(b)对比发现，稳定时间缩短时Ⅰ类区域已占据运行区大部，此时绝大多数区域的稳定时间均在劣化，积分电量在Ⅳ类区域中一直优化，在Ⅱ、Ⅲ类区域中分段优化，其陡然劣化均发生在各自区域向上级区域过渡过程中，此时Ⅱ、Ⅲ类区域中的调节时间与稳定时间迅速优化，不合格区域绝大多数转化为上级区域，而积分电量优化较缓，区域转化少，导致在各自区域中积分电量的突然劣化，积分电量在Ⅰ类区域中一直劣化，可以推断在整体运行区内KI较小时，各指标均逐渐优化，达到一定值后稳定时间发生劣化；可以发现，KI通过改变调节时间、稳定时间、积分电量各指标都能对运行区划分施加影响，且对各指标的改变均能击穿裕度，相较而言，对调节时间影响最大，其次稳定时间，最后积分电量。从电站角度来说，如果机组调节性能运行区中存在非Ⅰ类调节时间或积分电量主导的受考核区域而稳定时间又裕度较大，可以通过适当增大KI的方式来缩减受考核区域，改善机组运行区。

bp在2.0%～4.0%变化区间中，发生Ⅱ类向Ⅰ类区域过渡，积分电量少量区域逐渐达标；随bp的增加，调节时间在各区域中均逐渐加快，bp较小时，稳定时间在绝大多数区域呈加快趋势，当bp>3.0%时又逐渐变慢，积分电量在各区域中均逐渐劣化，在于各类区域中均为调节时间的优化占主导地位，这导致了运行区整体区域综合性能都表现出优化的趋势；可以发现，bp通过改变调节时间、稳定时间、积分电量各指标都能对运行区划分施加影响，但对调节时间和稳定时间的改变并未击穿裕度，对易于超标的积分电量的改变则超过了裕度范围，这导致了本案例中Ⅱ类区域的区域面积只有积分电量不合格域的微弱变化；从电站角度来说，如果机组调节性能运行区中存在非Ⅰ类调节时间或积分电量主导的受考核区域而稳定时间又裕度较大，可以尝试通过增大bp的方式来缩减受考核区域，改善机组运行区。

5.2 运行区优化方向对水电站各子系统参数对运行区划分影响规律的研究可以清晰展现各参数的不同调整会使运行区的面积、分布、性能向何方向变化，但参数对运行区划分的影响程度、调节性能经由方向、不利运行区的改善方式等均难以直观呈现以供工作人员参考。为解决此类问题，更好的为水电站实际运行提供帮助，对前文研究进行归纳整理得到参数对运行区划分影响流向图进行说明，如图6所示。

图中，调速器参数KP、KI、bp等采用行业标准的限定范围，其余Dp、Ld、Vw等参数以±20%为变化范围，仿真运行并量化调频指标和运行区指标受水机电参数影响相对应的变化范围；其中左侧流向线反映水机电参数在当前变化范围下，调节时间等调频指标相应的改变幅度受各水机电参数的影响程度，可用于判断某调频指标出现问题时水机电参数的调整优先级；右侧流向线反映水机电参数在当前变化范围下，本电站划分的运行区区域综合调节性能受调节时间、稳定时间、积分电量等调频指标变化的影响程度，可用于判断某运行区指标出现问题时原因分析由调频指标造成的优先级。

在图6中，各节点及流向线的宽度分别代表参数间相关关系与影响程度，可以看到在本文选定的调节范围内，水电站参数对运行区划分影响：KI>bp>KP>GD2>Dp>Ld>Vw>Dd>Lp；参数对调节性能影响：调节时间>稳定时间>积分电量，本案例中运行区指标变化：性能>面积(位置)。

运行区优化流程：(1)水电站运行区问题判别，根据电站的实际运行情况判别影响电站运行效益的问题，如区域性能较差、Ⅰ类区域偏离高效率区等；(2)不合格指标分析，依托电站运行问题与运行区分析主要不合格指标，如调节性能指标不合格、调节性能与积分电量指标均不合格等；(3)参数调整顺序分析，参照运行区指标-调节性能流向线的方向和粗细确定参数调整优先级；(4)运行区优化，根据发现的参数对调节性能及运行区指标影响规律对参数做相应调节，得到改善后调节运行区。本案例中水电站主要问题为在高负荷区存在调频考核不合格的Ⅱ类区域，根据运行区划分判定其不合格指标为积分电量，结合影响流向图可以发现其主要影响参数为：KI>bp>Dp>GD2>Dd>Lp>Ld>Vw>KP，根据影响规律依次调整参数，其中KI已达不可调范围，顺位调整bp，经验证调整可以一定程度上缩减Ⅱ类(积分电量不合格)区域，改善机组运行区。

6 结论

本文面向兼具调峰调频任务水电站的运行考核问题，通过将调节性能与运行区结合的方式，拓展一次调频研究内容并补充了经典运行区划分的电气性能部分，划分调节性能运行区为机组运行工况选择提供参考，探讨运行区优化方向为电站免受电网考核提供了一种可行的解决思路，主要结论如下：

(1)从“两个细则”考核角度出发，探索了一种考虑机组调节性能的运行区分级划分方法；提出以运行区分级区域面积、位置、综合性能来量化调节性能运行区，为运行区优劣判别提供了一种评价方式。

(2)依托工程实例建立拉西瓦水电站调节系统模型，与一次调频实验数据对比验证数学模型正确性，划分机组运行区。本案例中调节性能运行区只存在Ⅰ、Ⅱ(积分电量不合格)两类区域，调频合格区占据可运行区域的绝大部分，运行区整体性能良好。

(3)分析水机电参数对综合调节性能的影响，影响程度：KI>GD2>bp>Ld>Dp>Vw>Lp>Dd>KP>Ts>Vs>KD。深入研究其中调速器参数KP、KI、bp对运行区划分的影响规律，发现KP主要影响调节时间与稳定时间，但无法击穿运行区裕度；KI影响调节时间、稳定时间、积分电量，均能击穿运行区裕度；bp影响调节时间、稳定时间、积分电量，但只有积分电量指标可击穿运行区裕度。

(4)探讨水机电参数-调节性能-运行区影响程度及流向，水电站参数对运行区划分影响：KI>bp>KP>GD2>Dp>Ld>Vw>Dd>Lp，参数对调节性能影响：调节时间>稳定时间>积分电量，本案例中运行区指标：性能>面积(位置)；结合影响流向图拟定了一种便于操作的运行区优化方法，以文中水电站为例，考虑其高负荷下Ⅱ类区域积分电量不合格问题，提出通过调整bp来缩减Ⅱ类区域，改善机组运行区。