水電廠高頻預測切機及預測調速系統的製作方法
2023-05-27 21:38:16
專利名稱：水電廠高頻預測切機及預測調速系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於發電機組控制和電網安全控制領域，尤其涉及一種水電廠高頻預測切機及預測調速系統。
背景技術：
送端電網內的水輪發電機組發出的功率通過電網向受端送電，如果送端電網因故障與受端解列，電網內發電機功率超過了負荷，就會導致孤網頻率和機組轉速快速上升，由於水電機組一次調頻限幅受到國內相關規程規定限制，電網頻率很容易超過1.4倍，導致電網主變過激磁跳閘，還會導致電力用戶的電動機過速跳閘、電力電子等設備保護跳閘。負荷減少還會進一步加劇轉速飛升，最終導致電網失穩，解列時保障孤網高頻穩定的控制措施，通常是安全穩定控制系統切機和自動裝置高頻切機，但是對大機小網系統，這些措施難以保持孤網功率的平衡，必須提升水輪機組調速系統的調節能力，才能控制電網的頻率。提高調頻能力還不能簡單採取送端電網機組統一地全部放開一次調頻限幅，或提高永態轉差係數的方法，根據研究，一次調頻限幅放開後，當送端電網解列，由於孤網機組之間特性不同，機組之間會發生功率爭奪，導致機組功率和電網頻率發生大幅度的振蕩。水電機組調速系統承擔著電網頻率精確調整的任務，PID的積分環節的係數不能過小，在送端電網解列的大擾動情況下，還可能發生超調，導致電網低頻切負荷。一次調頻和PID超調等問題，根源在於PID調速器單元原理之中，存在著穩態下精確控制與大擾動下動態控制之間的矛盾性，因此，不可能採取調節PID參數方法予以徹底的解決。
發明內容
本發明要解決的技術問題:提供一種水電廠高頻預測切機及預測調速系統，以解決送端電網因故障與受端解列時，採用一次調頻限幅進行速度調整存在的由於孤網機組之間特性不同，機組之間會發生功率爭奪，導致機組功率和電網頻率發生大幅度的振蕩在送端電網解列的大擾動情況下，還可能發生超調，導致電網低頻切負荷等問題。本發明技術方案:
一種水電廠高頻預測切機及預測調速系統，它包括:
預測與決策集中控制器，檢測電網頻率及機組轉速，判斷電網解列後的高頻緊急狀態，在高頻緊急狀態時刻，測量和存儲電廠機組與聯絡線在該時刻功率和故障前的功率；根據測量功率計算保持電網功率平衡的下調功率總量，執行切機命令，將決策單元產生的機組功率設定和功率變動量發給機組預測功率調速器，與機組預測功率調速器電連接；
機組預測功率調速器，接收預測與決策集中控制器發來的機組功率設定和功率變動量，機組功率變動量經時間衰減器衰減後與機組功率設定信號一起，作為控制量送至附加功率變動信號的PID調速器單元，PID調速器單元通過調速機構對閥門的開度進行調整，對機組功率和電網的頻率進行預測控制。預測與決策集中控制器包括: 高頻緊急狀態判別單元，將集中控制器通信單元發來的各臺機組轉速信號，與轉速越限設定值比較後，得到轉速越限信號，將各臺機組轉速越限信號進行邏輯或運算後再與電網頻率大於等於火電機組超速保護動作頻率的邏輯條件進行邏輯與的結果作為電網解列後的高頻緊急狀態信號，與測量單元電連接；
測量單元，根據電網解列後高頻緊急狀態信號的上升沿時刻，將電廠聯絡線和機組的該時刻採樣功率及該時刻之前η秒的採樣功率，記入鎖存器；將該時刻之前η秒的採樣功率與該時刻採樣功率相減得到的功率變動記入鎖存器，並在高頻緊急狀態期間保持不變，與預測決策單元電連接；
預測決策單元，在電網解列後高頻緊急狀態信號觸發下，根據測量單元的鎖存器數據，預測計算出切除的機組，發出高頻預測切機信號，計算出未切機組的功率調節量及功率設定，發出機組功率變動和機組功率設定，與控制信息調理單元電連接；
控制信息調理單元，在高頻緊急狀態下，發出決策的跳閘信號至相應機組斷路器跳閘機構，切除相應機組；將自動發電控制系統(AGC)發出的機組功率設定切換為決策單元產生的機組功率設定與機組的功率變動量並發送至集中控制器通信單元，與集中控制器通信單元電連接。集中控制器通信單元，與機組預測功率調速器進行通訊，接收機組轉速信號，發送機組功率設定和機組功率變動量，與機組側通信單元電連接。機組預測功率調速器包括:
機組側通信單元，接收集中控制器通信單元發出的機組功率設定和機組功率變動量，將機組功率設定發送至附加功率變動信號的PID調速器單元，將機組功率變動量發至衰減器單元，將測速裝置的機組轉速ω發至集中控制器通信單元，與衰減器單元和附加功率變動信號的PID調速器單元電連接；
衰減器單元，以累加存儲的方式接收機組功率變動量，並將累加存儲中的功率變動量衰減至0，衰減器的衰減時間常數大於PID積分時間常數5倍以上，將衰減的功率變動量送至附加功率變動信號的PID調速器單元，當衰減的功率變動量為O或接近於O時，衰減器單元自動重置和清O ;與附加功率變動信號的PID調速器單元電連接；
附加功率變動信號的PID調速器單元，根據衰減的功率變動量、機組轉速ω和機組功率設定信息進行PID調速處理，將將調速處理後的機組功率輸出至調速機構。附加功率變動信號的PID調速器單元包括PID模塊和永態轉差率單元，在PID模塊輸入側永態轉差率單元之前有一個變動量後置模塊，變動量後置模塊的第一加輸入端與衰減器單元連接、第二加輸入端與機組側通信單元的機組功率設定輸出端連接、減輸入端與機組功率P輸出端連接，變動量後置模塊的輸出端與永態轉差率單元的輸入端連接；在PID模塊輸出側有一個變動量前置模塊，PID模塊的輸出與變動量前置模塊的加輸入端連接，變動量前置模塊的減輸入端與衰減器單元的輸出端連接，變動量前置模塊的輸出端與電氣限速限幅模塊連接。所述水電廠高頻預測切機及預測調速系統它是在電網頻率大於或等於其範圍為50.5Hz飛1.6Hz中的一個設定值，發出高頻緊急狀態信號，測量機組和聯絡線在該時刻功率和解列故障前的功率，記入存儲器並在緊急狀態期間保持。所述存儲器記錄的機組和聯絡線功率數據，對高頻緊急狀態下機組切除和機組功率調節兩種措施聯合進行優化決策的，所述的優化決策是以電廠功率調節量最小為目標的，所述的優化決策對電廠的多臺機組同步地分別發出切機命令或功率調整指令，所述功率調整指令是機組功率設定和機組功率變動量。機組預測功率調速器採用附加功率變動信號的PID調速器，所述的附加功率變動信號的PID調速器是在PID環節前部和後部均引入預測的功率變動信號。本發明有益效果:
本發明由預測與決策集中控制器和機組預測功率調速器兩部分構成。預測與決策集中控制器實現的功能為:檢測電網頻率及機組轉速，通過複合邏輯可靠地判斷電廠是否處於電網解列後的高頻緊急狀態，在判別出高頻緊急狀態的時刻，測量和存儲該電廠機組與聯絡線在該時刻功率和故障前的功率；根據該電廠測量的功率，預測出該電廠在電網中所合理承擔的、保持電網功率平衡的下調功率總量；在保證下調功率總量不變等約束條件下，以最大程度減少調節量為目標，對切除機組和功率調整兩種措施聯合進行優化決策；執行決策的切機命令，通過該機組相應的斷路器機構跳閘切機；執行決策的調整命令，將發電控制系統(AGC)發給機組的功率設定的切換為決策單元產生的機組功率設定和功率變動量，發給機組預測功率調速器；機組預測功率調速器具有如下功能:接收預測與決策集中控制器發來的機組功率設定和功率變動量，機組功率變動量經時間衰減器衰減，與機組功率設定信號一起，作為控制量送至附加功率變動信號的PID調速器，調速器通過調節機構對閥門的開度進行調整，對機組功率和電網的頻率進行預測控制；
本發明特徵一:電網解列後，在頻率大於或等於電網內火電機組超速保護設定的動作頻率時，測量此時刻的電廠功率(即聯絡線功率)，按負荷特性進行修正後，作為電廠出力的預測控制目標，對電廠的機組進行控制。這個技術特徵，保障了電網內各個電廠以分散控制方式，在送端電網解列時，協調合理地分配調節任務，使電網達到功率平衡，降低了常規控制系統存在的穩態頻差；並保障了本發明的系統和安穩切機控制系統，可以不經通信聯繫，分散獨立控制，天然地保持協調；本發明特徵二:它是根據高頻緊急狀態下電廠出力的預測控制目標，對機組切除和機組功率調節兩種措施聯合進行優化決策，所述的優化決策是以電廠功率向下調節量最小為目標的；所述優化決策的命令，是對電廠的多臺機組同步地分別發出切機命令或功率調整指令，所述功率調整指令是機組功率設定和機組功率變動量。這個特徵，使電廠在電網高頻狀態下，根據測量得出預測數據，以一次性的快速切機的方式，保障電廠未切除的機組功率調節量最小，有效地限制了電網的頻率飛升；本發明特徵三:水輪機調速器採用附加功率變動信號的PID調速器，附加功率變動控制的PID調速器是在PID環節前部和後部均引入預測的功率變動信號。這個特徵，使得水電機組在電網解列後的大幅調整中，在可靠保障機組安全前提下，更加準確和快速進行調整，大幅減少了調節過程中的頻率飛升和超調導致的電網低頻問題。本發明解決了穩態控制和解列後動態控制之間的矛盾性，在可靠保障水電機組安全的前題下，解決了送端電網解列時孤網內各機組之間的功率爭奪導致的機電振蕩問題，解決了快速功率調節與超調的衝突問題，達到了切機與快速調節功率的優化，實現了電廠預測切機、機組調速控制和電網安全穩定控制切機措施的協調，大幅提高了送端電網高頻穩定水平；本發明採用預測、優化和協調控制技術，在發生送端電網解列、孤網甩負荷的情況時，在可靠保障水輪機組安全的同時，實現了五個協調:實現了水電廠預測切機與剩餘機組功率調節的優化和協調，最大程度地抑制了水電機組甩負荷導致的電網頻率飛升，提高了電網高頻穩定水平；實現了水輪機組調速系統穩態控制與大擾動動態控制協調，既保持了良好的穩態特性，又能夠在解列甩負荷大擾動情況下進行快速功率調節，抑制轉速和頻率飛升，解決了快速功率調節與超調的衝突問題，避免了高頻調節過程中電網發生低頻切負荷；實現孤網內各電廠機組之間的協調，孤網內機組按各自設定進行調節，避免了因機組特性和參數不同產生的功率搶奪和衝突而形成的振蕩；實現了機組功率控制與孤網負荷的平衡和協調，孤網內機組各自預測的功率設定總和與孤網負荷相等，機組各自調節後，電網頻率能夠返回到額定頻率；實現了電廠高頻預測切機、機組功率調節控制與電網安全穩定切機措施的協調，本發明的控制系統與電網安全穩定切機措施可以不經通信連接和協作，各自動作和調節，保持天然的協調一致。本發明是以電廠單元進行分布獨立控制，電廠之間，電廠與安穩切機不經通信相互協同，自動地相互協調，這種分散協調控制技術比電網集中控制技術，更具有可靠性和適應性，尤其適應於不可預見性質、難以實施控制措施的解列故障以及災害條件下的送端電網；本發明不改變目前水輪機組其控制系統參數、已有的功能和性能，與國內現行相關標準、規範及規定不發生衝突，利於推廣；本發明以低成本的控制技術，能夠大幅提高送端電網高頻穩定水平，提高不可預見性故障下的電網堅固性及災害條件下電網的抗災能力，提高機組的甩負荷能力，具有顯著的安全社會效益。
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圖1為本發明系統組成框 圖2為本發明預測與決策集中控制器單元組成示意 圖3為本發明機組預測功率調速器單元組成示意 圖4為電網解列甩出10%負荷時，常規調速系統調節特性示意 圖5為本發明電網解列甩出10%負荷時，機組預測功率調速系統調節特性示意圖。
具體實施方式
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一種水電廠高頻預測切機及預測調速系統，它包括(見圖1):
預測與決策集中控制器，預測與決策集中控制器作為廠級預測與決策控制中心，布置在升壓站側控制室內，將調節命令發給機組預測功率調速器，將切機命令發給升壓站的斷路器跳閘機構，通過DCS網絡與電廠發電控制系統(AGC)進行功率控制協調，並將動作及狀態信號發給電廠主控，各功能單元根據電廠機組和測量數量設計成插件式機箱，與配套通信裝置組屏；機組預測功率調速器布置在機組集控側；預測與決策集中控制器與機組預測功率調速器的通信經專用光纖通信裝置進行通信，預測與決策集中控制器與電廠主控和發電控制系統(AGC)經水電站集散控制系統(DCS)的網絡進行通信。預測與決策集中控制器的功能為:檢測電網頻率及機組轉速，判斷電網解列後的高頻緊急狀態，在高頻緊急狀態時刻，測量和存儲電廠機組與聯絡線在該時刻功率和故障前的功率；根據測量功率計算保持電網功率平衡的下調功率總量，執行切機命令，將決策單元產生的機組功率設定和功率變動量發給機組預測功率調速器。預測與決策集中控制器包括(見圖2):
高頻緊急狀態判別單元1，將集中控制器通信單元5發來的各臺機組轉速信號ω ，與轉速越限設定值ωset比較後，得到轉速越限信號，將各臺機組轉速越限信號進行邏輯或運算，同時電網頻率採樣，與電網頻率f大於等於火電機組超速保護動作頻率fopc的邏輯條件進行邏輯與的結果作為電網解列後的高頻緊急狀態信號，與測量單元2電信號連接；測量單元2，根據電網解列後高頻緊急狀態信號的上升沿時刻，將電廠聯絡線和機組的該時刻採樣功率及該時刻之前η秒的採樣功率，記入鎖存器；將該時刻之前η秒的採樣功率與該時刻採樣功率相減得到的功率變動記入鎖存器，並在高頻緊急狀態期間保持不變，與預測決策單元3電信號連接；
電網解列故障發生後，孤網系統中各個電廠的功率將自然地重新分配，原理上，在電網解列的初始時刻，各電廠分配功率具有二個性質:
性質一:電廠分配功率之和與電網負荷相等；
性質二:孤網發電功率總變動量自然分配到孤網內的每臺機組，是按機組容量與機組轉動慣量時間常數的乘積的大小所形成的比例進行分配的。大型水電機組和火電機組的轉動慣量時間常數差別不大，基本上是按照機組容量大小的比例分配孤網總功率變動量的，這種合理的分配方式在本發明中得到了施行。本發明在電網頻率大於或等於電網內火電機組超速保護設定的動作頻率(51.5Hz)時，測量此時刻的電廠功率(即聯絡線功率)，作為電廠出力的控制目標，對電廠的機組進行控制，這種對功率控制目標的預測與控制，能夠保障了電網內各個電廠以分散控制方式，在送端電網解列時，協調合理地分配調節任務，使電網達到功率平衡，由於電網的等效轉動慣量時間常數大於6.5秒，可以分析出安穩切機措施(動作時間0.2秒)在電網頻率上升至51.5Hz之前完成，而本發明在51.5Hz時刻測量，因此，無論安穩切機系統是否動作，測量所預測的功率變動量4P都是正確的；這個性質，保障了電網中安穩切機系統與本發明所述的控制系統，可以不經相互通信和協作，以分散的方式，各自動 作和獨立調節，自然地協調配合。預測決策單元3，在電網解列後高頻緊急狀態信號觸發下，根據測量單元2的鎖存器數據，按優化策略預測計算出切除的機組的切機允許信號，發出高頻預測切機信號至跳閘驅動，計算出未切機組的功率調節量及功率設定，發出機組功率變動和機組功率設定(本地)，與控制信息調理單元4電信號連接；
所述優化策略是滿足整個水電廠機組總功率變動量等於AF等約束條件下，以切機措施，使未切機組的功率調節量最小，有效限制電網頻率飛升。具體的優化策略可用數學描述為:
目標函數
權利要求
1.水電廠高頻預測切機及預測調速系統，它包括: 預測與決策集中控制器，檢測電網頻率及機組轉速，判斷電網解列後的高頻緊急狀態，在高頻緊急狀態時刻，測量和存儲電廠機組與聯絡線在該時刻功率和故障前的功率；根據測量功率計算保持電網功率平衡的下調功率總量，執行切機命令，將決策單元產生的機組功率設定和功率變動量發給機組預測功率調速器，與機組預測功率調速器電連接； 機組預測功率調速器，接收預測與決策集中控制器發來的機組功率設定和功率變動量，機組功率變動量經時間衰減器衰減後與機組功率設定信號一起，作為控制量送至附加功率變動信號的PID調速器單元，PID調速器單元通過調速機構對閥門的開度進行調整，對機組功率和電網的頻率進行預測控制。
2.根據權利要求1所述的一種水電廠高頻預測切機及預測調速系統，其特徵在於:預測與決策集中控制器包括: 高頻緊急狀態判別單元(1)，將集中控制器通信單元(5)發來的各臺機組轉速信號，與轉速越限設定值比較後，得到轉速越限信號，將各臺機組轉速越限信號進行邏輯或運算後再與電網頻率大於等於火電機組超速保護動作頻率的邏輯條件進行邏輯與的結果作為電網解列後的高頻緊急狀態信號，與測量單元(2)電連接； 測量單元(2)，根據電網解列後高頻緊急狀態信號的上升沿時刻，將電廠聯絡線和機組的該時刻採樣功率及該時刻之前η秒的採樣功率，記入鎖存器；將該時刻之前η秒的採樣功率與該時刻採樣功率相減得到的功率變動記入鎖存器，並在高頻緊急狀態期間保持不變，與預測決策單元(3)電連接； 預測決策單元(3)，在電網解列後高頻緊急狀態信號觸發下，根據測量單元(2)的鎖存器數據，預測計算出切除的機組，發出高頻預測切機信號，計算出未切機組的功率調節量及功率設定，發出機組功率變動和機組功率設定，與控制信息調理單元(4)電連接； 控制信息調理單元(4)，在高頻緊急狀態下，發出決策的跳閘信號至相應機組斷路器跳閘機構，切除相應機組；將自動發電控制系統(AGC)發出的機組功率設定切換為決策單元產生的機組功率設定與機組的功率變動量並發送至集中控制器通信單元(5)，與集中控制器通信單元(5)電連接；集中控制器通信單元(5)，與機組預測功率調速器進行通訊，接收機組轉速信號，發送機組功率設定和機組功率變動量，與機組側通信單元(6)電連接。
3.根據權利要求1所述的一種水電廠高頻預測切機及預測調速系統，其特徵在於:機組預測功率調速器包括: 機組側通信單元(6)，接收集中控制器通信單元(5)發出的機組功率設定和機組功率變動量，將機組功率設定發送至附加功率變動信號的PID調速器單元(8)，將機組功率變動量發至衰減器單元(7)，將測速裝置(9)的機組轉速ω發至集中控制器通信單元(5)，與衰減器單元(7)和附加功率變動信號的PID調速器單元(8)電連接； 衰減器單元(7)，以累加存儲的方式接收機組功率變動量，並將累加存儲中的功率變動量衰減至O，衰減器的衰減時間常數大於PID積分時間常數5倍以上，將衰減的功率變動量送至附加功率變動信號的PID調速器單元(8)，當衰減的功率變動量為O或接近於O時，衰減器單元自動重置和清O ;與附加功率變動信號的PID調速器單元(8)電連接； 附加功率變動信號的PID調速器單元(8)，根據衰減的功率變動量、機組轉速ω和機組功率設定信息進行PID調速處理，將將調速處理後的機組功率輸出至調速機構。
4.根據權利要求3所述的一種水電廠高頻預測切機及預測調速系統，其特徵在於:附加功率變動信號的PID調速器單元(8)包括PID模塊和永態轉差率單元，在PID模塊輸入側永態轉差率單元之前有一個變動量後置模塊(8.1)，變動量後置模塊(8.1)的第一加輸入端與衰減器單元(7)連接、第二加輸入端與機組側通信單元(6)的機組功率設定輸出端連接、減輸入端與機組功率P輸出端連接，變動量後置模塊(8.1)的輸出端與永態轉差率單元的輸入端連接；在PID模塊輸出側有一個變動量前置模塊(8.2)，PID模塊的輸出與變動量前置模塊(8.2)的加輸入端連接，變動量前置模塊(8.2)的減輸入端與衰減器單元(7 )的輸出端連接，變動量前置模塊(8.2)的輸出端與電氣限速限幅模塊(8.3)連接。
5.根據權利要求1所述的水電廠高頻預測切機及預測調速系統，其特徵在於:它是在電網頻率大於或等於其範圍為50.5Hz飛1.6Hz中的一個設定值，發出高頻緊急狀態信號，測量機組和聯絡線在該時刻功率和解列故障前的功率，記入存儲器並在緊急狀態期間保持。
6.根據權利要求5所述的水電廠高頻預測切機及預測調速系統，其特徵在於:所述存儲器記錄的機組和聯絡線功率數據，對高頻緊急狀態下機組切除和機組功率調節兩種措施聯合進行優化決策的，所述的優化決策是以電廠功率調節量最小為目標的，所述的優化決策對電廠的多臺機組同步地分別發出切機命令或功率調整指令，所述功率調整指令是機組功率設定和機組功率變動量。
7.根據權利要求3所述的水電廠高頻預測切機及預測調速系統，其特徵在於:機組預測功率調速器採用附加功率變動信號的PID調速器，所述的附加功率變動信號的PID調速器是在PID環節前部和後部均 引入預測的功率變動信號。
全文摘要
本發明公開了水電廠高頻預測切機及預測調速系統，它包括預測與決策集中控制器，與機組預測功率調速器電連接；預測與決策集中控制器根據送端電網解列時水電廠發電功率的初始狀況，預測出與孤網負荷平衡的水電廠出力調節量、對廠內機組切機和功率調節控制進行優化，實施快速準確的預測切機和未切機組的協調調速控制，機組預測功率調速器在可靠保障水電機組安全的前題下，最大程度低抑制解列後電網的頻率飛升和超調，解決了送端電網因故障與受端解列時，機組之間會發生功率爭奪導致機組功率和電網頻率發生大幅度的振蕩在送端電網解列的大擾動情況下，還可能發生超調，導致電網低頻切負荷等問題。
文檔編號H02J3/46GK103117563SQ20121052877
公開日2013年5月22日 申請日期2012年12月10日 優先權日2012年12月10日
發明者鄧樸, 唐戢群, 柏毅輝, 張銳峰, 鍾晶亮, 鄧彤天, 馬世英, 王青, 趙慶明 申請人:貴州電網公司電網規劃研究中心, 貴州電力試驗研究院, 中國電力科學研究院