水电站一次调频与监控系统有功功率调节协调控制建模与仿真

　　摘要：针对四川电网水电站一次调频和监控系统有功功率调节之间的不协调问题，对控制系统各个环节进行建模仿真分析及验证，并提出一次调频与监控系统有功功率调节协调控制策略。在传统调速器系统建模的基础上，增加了监控系统的有功功率控制模型，对其中脉冲宽度调制模块及系统间的扫描周期精度问题进行了深入分析，发现监控系统和调速器系统的扫描周期不匹配会影响负荷调节精度，甚至出现脉冲信号丢失导致导叶拒动。在大网、小网不同控制模式下对提出的水电站一次调频与监控系统有功功率调节协调控制策略进行建模仿真，验证了控制策略的正确性。该方法已在四川部分水电站应用，测试表明优化后的协调控制逻辑能够满足相关标准规范及电网调度的要求。

　　关键词：一次调频;监控系统;有功功率调节;协调控制;建模;仿真分析;水电站

　　0引言

　　西南电网中水电的装机容量占比高达2/3，电网异步运行后的系统惯量变小及抗扰动能力变差，再加之水电机组特有的水锤效应等问题，电力系统存在着低频振荡的风险[12]。频率稳定是衡量电力系统稳定性的一个重要指标，目前四川大容量的水电机组都是采用了小网模式的控制参数，以此减弱发电机组调速器系统的调节速度来降低系统低频振荡的风险[34]，因此电力系统对发电机组一次调频以及二次调频的调节能力就有了更高的要求，希望在机组一次调频动作的时候，也可以通过二次调频来调整负荷稳定频率，对水电机组一次调频和监控系统有功功率调节实现合理的协调配合控制逻辑和策略就显得至关重要[5]。

　　目前对水电机组的系统建模基本上在调速器侧进行，即开度控制方式下进行系统[67]建模工作，主要测试导叶开度对发电机组有功功率的影响，进行试验时需要监控系统侧退出功率控制模式，将负荷控制的权限交到调速器系统侧进行验证。但机组大部分时间运行的是监控系统下的功率控制模式，进行监控系统有功功率控制模式系统建模和参数测试，能够更好的表征机组的实际运行状态，且电力系统稳定计算时也需要充分考虑监控系统功率调节模型参数的影响，所以此项工作具有重要的价值和意义。

　　此外，针对水电站一次调频与监控系统有功功率调节协调控制模型进行仿真分析，便于运维人员更好的运行监控和参数优化，同时也可以为自动发电控制提供一个模型参考，为实现更加优化的水电机组负荷控制逻辑提供一个参考和应用。本文对现有水电机组有功功率控制策略进行分析，并对水电机组一次调频和监控系统有功功率调节协调控制系统进行分环节建模和参数实测，主要包括监控系统的有功功率控制模型、调速器系统电气模型、导叶液压执行机构和原动机模型，最后提出水电站一次调频与监控系统有功功率调节协调控制策略，并通过建模仿真验证了策略的正确性。

　　1水电机组有功功率控制策略分析

　　水电站有功功率控制包含调速器和监控2个子系统，调速器系统直接控制导叶液压执行机构，能够最快的感知机组的运行状态，并及时做出相应的处理和反应，发电机组、电力系统的安全可靠运行以及电网的电能质量都与水轮机调速器系统的性能好坏密切相关。监控系统是调速器系统的上一级控制系统，优先级高于调速器系统，监控系统向调速器系统下发开度或者功率控制指令，调速器系统接收到该指令后，完成相关的动作和控制要求。厂级AGC、电网调度部门给机组下发的负荷控制指令也是部署在监控系统侧的，由此可见调速器系统和监控系统都是水电机组的核心系统，系统间的协调配合对于机组的稳定运行有着至关重要的作用。

　　第一种方式是调速器系统的开度控制方式，主要是在调速器侧实现，对开度控制方式下的控制参数进行设置。在此种模式下，可以在调速器侧进行导叶开度[8]指令的生成，考虑到运行监控人员更好的监控机组的生产运行，调速器和监控系统间实现增减负荷脉冲信号的交互，从监控上点击增减负荷的脉冲信号，从而控制负荷的增减。第二种方式是调速器系统的功率控制方式，主要也是在调速器侧完成，设置调速器侧功率控制模式[9]的PID调节参数实现负荷的控制，负荷设定值的生成可以在调速器系统侧生成，也可以在监控系统侧生成，然后通过系统间的信号交互传到调速器侧，以此获取水电机组的负荷指令值。

　　由于整个模拟量控制回路在不断的调整和计算，会导致水电机组的导叶小范围内不断的动作，加上水电机组的水锤效应，不利于抑制水电机组出现的低频振荡问题，因此该方式使用较少。第三种控制方式是有功功率闭环调节在监控系统侧实现，而调速器只接收监控系统侧的导叶开度增减脉冲指令。此种方式利于运行人员的监视，能够及时根据机组运行情况优化控制参数，调速器系统相当于提供一个通道。该控制方式可以很好的避免导叶频繁动作问题，同时通用性较强，目前大部分水电站均采用这种控制方式。

　　2监控系统有功功率调节建模及仿真

　　监控系统有功功率调节由监控系统侧完成有功功率的闭环负反馈控制，生成调节负荷的导叶增减脉冲信号，调速器侧则是最基本也是最可靠的开度控制方式。

　　而中间的桥梁则是两个系统间的信号交互，用硬接线的方式连接以保证信号交互的高效可靠。在监控系统有功功率控制模型中，最为重要的是功率比例调节器和脉冲宽度调制模型(PWM)。脉宽调制即脉冲信号发生器，输入是功率比例调节器作用之后的指令，输出是调节负荷的导叶增减脉冲信号[10]，此信号送到调速器侧控制导叶给定指令的增、减导叶信号。

　　从仿真模型中可以看出，增导叶、减导叶脉冲信号是自动进行切换的，切换的条件是负荷调节的偏差值，也就是负荷指令给定值和机组实际负荷值的差值，如果偏差为正，证明此时应该增加负荷，自动切换到了增导叶脉冲信号一路。如果负荷控制的偏差值为负数，则需要进行降负荷的调整，那么就自动切换到了减导叶脉冲信号的一路。数字脉冲宽度调制是模拟量控制的一种重要方式，信号不需要进行数模转换。

　　使得信号转化为数字形式保存且能将噪声的影响降低到最小值。只有当噪声的影响能够大于高低电平相互切换的强度值时，才能够使得对数字信号产生一定的影响，PWM与模拟量控制而言，其中一大优点就是加强对噪声的抵抗能力，使得所需的数字信号更加稳定，在水电机组负荷控制中，采用数字脉冲调节的方式产生导叶的增减脉冲，能够使得导叶不频繁的来回动作，也能够有效的降低水轮机水锤效应的影响。

　　值得注意的是，增、减导叶脉冲信号生成之后送到了接收端，在接收端通过信号采集方式将数字信号还原成模拟形式，这里调速器系统作为接收端接收导叶增减脉冲指令，然后根据对应的脉冲信号再生成导叶开度指令给定值。该部分主要是导叶指令积分器的模型和限幅模块，模型输入是监控系统侧送到调速器侧的增减导叶脉冲信号。

　　如果接收到的是增导叶脉冲信号，那么利用积分作用对信号进行加法处理，也就在脉宽时间内，增加了导叶的开度给定指令，反之则减少导叶的开度给定指令。特别重要的是，每一次导叶开度给定指令变化时，其变化大小取决于脉冲信号的宽度以及调整步长。在这里需要指出，脉冲信号的调整步长是需要调速器系统侧和监控系统侧一一对应的，并且设置为一致来进行测试。而且该步长的设置还和两个系统的扫描周期有关，本系统中调速器系统的扫描周期为10ms，而且在一个扫描周期内导叶的动作开度为0.05%，在本次仿真模型中，扫描周期为100ms，那么一个扫描周期内导叶的动作开度为0.5%。

　　同时增减导叶的开度指令大小与脉冲信号的脉宽时间有关，如果脉宽持续时间越长，导叶动作的量就越大，反之则导叶的动作量就越小。目前大部分调速器系统的扫描周期精度是高于监控系统侧的扫描周期精度的，如果监控系统的扫描周期精度不够的话，会出现若某一次导叶增减脉冲信号时间很短时，系统将无法识别到该脉冲信号。

　　在监控系统脉冲信号的脉宽时间较短时，监控系统已经生成了增导叶脉冲信号，但是导叶的开度指令却无法接收到这个指令，所以监控系统和调速器系统的扫描周期需要对应匹配，这样才能更高精度的实现负荷调整。理想状态下是脉冲信号的脉宽时间大于系统设置的扫描周期精度，例如监控系统的扫描周期精度为100ms，但是某一次脉冲信号的脉宽时间小于100ms，就可能出现信号丢失现象而无法识别。

　　3调速器系统电气部分建模及仿真

　　为验证调速器电气部分的模型和参数，需要分环节进行测试，在MATLABSimulink中搭建其控制仿真模型。将监控系统侧的有功功率调节方式退出，由调速器系统侧进行负荷控制，在这个部分主要进行PID控制回路的校验，包括比例作用、积分作用及频率死区的校验。

　　4液压执行机构和原动机模型建模及仿真

　　4.1执行机构模型建模及仿真

　　对水轮机调速器系统的执行机构进行建模和仿真校验，首先需要对导叶进行全开和全关试验，以此来确定导叶的全开时间及全关时间。值得注意的是，进行导叶的全开全关试验时需要直接设置导叶开度指令的总出口，取消开度指令给定的速率限制条件，直接测试的是执行机构油动机的动作特性。根据采集的数据可以得出导叶的关闭速度，其最大关闭速度为8.77%/s，最快关闭时间11.4s全关。根据导叶的全开试验采集的波形和数据可以计算得其开启速度，最大开启速度为6.71%/s，14.9s全开。接下来进行导叶的阶跃扰动试验，以测试油动机速度限制没有时的电液伺服系统特性，根据测得的特性来拟合得到其PID控制器的参数。

　　5协调控制部分建模及仿真

　　目前水电机组缺乏合理的一次调频和监控系统有功功率调节协调控制策略，导致二者之间不能很好的配合，不能满足实际生产需要和规范要求，主要有3种情况。第一种情况是监控系统投入有功功率控制，但一次调频动作使发电机组的实际功率发生变化[11]，而监控系统的有功功率指令还保持之前的数值，通过功率调节作用将机组负荷拉回，反调节现象抵消了一次调频的作用。

　　第二种情况是当一次调频动作的时候，由于一次调频优先级高，监控系统功率控制闭锁，有功功率负荷给定指令跟踪当前实际负荷，这样虽然可以避免被反调节，但是当一次调频动作结束之后，有功功率的负荷指令却发生了变化，更为重要的是由于闭锁导致功率无法调节[1213]，输入新的有功功率指令不起作用。第三种情况是当一次调频动作期间，如果需要进行负荷调整，下发新的有功功率指令，可以执行新的负荷控制指令，权限再次交到监控系统手中进行调节，但是一次调频和监控系统有功调节控制优先级不明确，一次调频的作用无法有效的分析。

　　为了解决上述不协调的问题，提出了水电站一次调频与监控系统有功功率调节协调控制策略，即在监控系统有功功率控制中叠加一次调频作用的功率修正值，从而实现机组在一次调频动作期间使得监控系统功率控制能够识别到调频特性。水电机组在一次调频动作期间，不会闭锁监控系统的有功功率控制指令，当机组接收到新的负荷指令时也可以执行新的负荷指令。

　　同时当监控系统投入有功功率调节时不会限制机组一次调频的正常调节，进行调频作用的功率修正值直接叠加，可以使得机组一次调频和监控系统有功功率控制指令同时动作，二者相互独立，且调频叠加作用不影响原有一次调频及监控系统有功功率调节速度及幅度。上述优化设计使发电机组具备更加完善的一次调频功能且性能指标满足相关标准要求。

　　需要注意的是，在调速器侧的一次调频功能使用的是发电机组频率信号，基本上是调速器系统A、B套各一个，但相关标准要求重要的模拟量信号需要3个，进行三取中以保证信号的稳定且3个信号配置在不同的卡件上。将一次调频作用量叠加到监控系统功率控制上时，需要1个频率信号，这里采用机组频率信号以保证和调速器侧一次调频作用所采用的频率信号相匹配。由于部分监控系统侧并没有配置机组频率信号，需要采取方法解决这个问题，有以下4种解决方法：①就地接线或者从中途端子排并联引到监控系统转速卡上，这种方法会增加转速卡成本。②从调速器系统侧以通信的方式机组频率信号到监控系统侧，但水电机组的调速器和监控系统是两个完全独立的系统，通信方式不能保证信号的快速可靠。

　　③将调频叠加作用的功率修正值计算在调速器侧完成，通过模拟量进行传输，此种方法不利于控制逻辑的优化和运行人员的监控。④通过硬接线的方式，将调速器侧的机组频率信号转化为4~20mA模拟量信号传到监控系统侧，此种方法方便高效，同时精度也能满足生产控制的要求。在这里采用第4种方式使得监控系统侧获取发电机组的机频信号，用于一次调频作用的功率修正值计算，接下来将会对一次调频叠加量的功率修正值进行分析。

　　水电机组调速器侧的控制方式有大网、小网模式，且这两种控制模式[14]的运行参数和调节速度不一样。需通过调整一次调频叠加量的功率修正值的调节速度以匹配是大网模式还是小网模式，这里主要通过设置调频叠加量功率修正值的一阶惯性时间大小来匹配控制方式。通过仿真分析可以得出，在频率偏差大于一次调频死区之后，一次调频动作的响应时间小于4s，并且从功率值变化量看，机组负荷的增量在15s内达到调频作用功率修正目标值的百分之九十，在30s内达到调频作用功率修正目标值的稳态，满足两个细则中对一次调频控制指标的要求。

　　6结论

　　针对水电站一次调频和监控系统有功功率调节之间的不协调问题，对控制系统各个环节进行建模仿真分析及验证，并提出一次调频与监控系统有功功率调节协调控制策略。在传统调速器系统建模的基础上，增加了监控系统的有功功率控制模型，对其中脉冲宽度调制模块及系统间的扫描周期精度问题进行了深入分析，发现监控系统和调速器系统的扫描周期不匹配会影响负荷调节精度，甚至出现脉冲信号丢失导致导叶拒动。

　　此外，本文提出水电站一次调频与监控系统有功功率调节协调控制策略，并在大网、小网不同控制模式下进行了建模仿真，验证了控制策略的正确性。该方法已在四川部分水电站应用，测试表明优化后的协调控制逻辑能够满足相关标准规范及电网调度的要求。水电机组的系统建模工作主要是针对调速器系统的建模，并未涉及监控系统侧的有功功率调节模型，而监控系统与调速器系统的协调配合对负荷调节具有重要的意义，因此未来的系统建模工作有必要计及监控系统有功功率控制模型。此外，目前四川省内大部分水电机组存在一次调频和监控系统有功功率调节不协调问题，进一步深入研究相应协调控制策略的优化具有重要的工程应用价值。

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　　作者：熊小峰，方飚，秦毓毅，黄安多，高峰，杨亚兰