中小水電站優(yōu)化運(yùn)行及其程序?qū)崿F(xiàn)研究

徐春芹　李嬌董　王丙龍

摘 要：為了提高水電站發(fā)電效率以及實(shí)現(xiàn)水電站的智能管理，往往采用AGC（自動發(fā)電控制）系統(tǒng)來控制水電站機(jī)組的運(yùn)行狀況。對于一些大型水電站來說，通常由專門的部門制定水電站的運(yùn)行策略，相關(guān)的工作人員只需要根據(jù)調(diào)度任務(wù)就能夠保證水電站各項(xiàng)工作的正常開展。而對于廣大中小水電站來說，則必須要借助于AGC程序控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷經(jīng)濟(jì)的合理分配。因此，開展中小水電站優(yōu)化運(yùn)行及程序?qū)崿F(xiàn)研究具有重要的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：中小水電站；優(yōu)化運(yùn)行；程序控制；應(yīng)用分析

引言

利用AGC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中小型水電站的控制運(yùn)行，雖然具有多方面的應(yīng)用優(yōu)勢，但是該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中并沒有得到廣泛的推廣。究其原因，固然與AGC控制技術(shù)不成熟、自動化元件不齊備有關(guān)，更重要的還是部分水電站缺乏優(yōu)化運(yùn)行意識，仍然堅(jiān)持傳統(tǒng)的水電站運(yùn)行和管理方法。文章首先分析了中小水電站運(yùn)行優(yōu)化的基本原則以及所要重點(diǎn)解決的問題，隨后就如何實(shí)現(xiàn)機(jī)組間最優(yōu)負(fù)荷分配進(jìn)行了詳細(xì)討論，最后提出了該優(yōu)化運(yùn)行程序的實(shí)現(xiàn)方法。

1 中小水電站運(yùn)行優(yōu)化原則及解決問題

1.1 運(yùn)行優(yōu)化的基本原則

根據(jù)具體內(nèi)容和優(yōu)化目標(biāo)的不同，在開展中小水電站運(yùn)行優(yōu)化時，需要遵循以下兩方面的優(yōu)化原則：一方面是結(jié)合水電站當(dāng)前的發(fā)電任務(wù)，科學(xué)選擇發(fā)電所需的機(jī)組臺數(shù)、型號，在滿足水電站正常發(fā)電需求的同時，實(shí)現(xiàn)水電站運(yùn)行負(fù)荷的平均分配，降低單臺機(jī)組的工作壓力；另一方面，在負(fù)荷平均分配之后，還必須要綜合考慮水電站發(fā)電過程中可能出現(xiàn)的變化因素，例如機(jī)組的啟停、水量的消耗等。只有綜合考慮多方面的影響因素，才能制定出更加完善的預(yù)防措施以及最優(yōu)化的判斷，從而全面保證了水電站的安全和平穩(wěn)運(yùn)行。

1.2 所要解決的主要問題

中小水電站的調(diào)控優(yōu)化策略，只能根據(jù)實(shí)際情況來確定，通常采用AGC作為水電站運(yùn)行優(yōu)化的主要手段。其主要解決的問題包括以下幾方面：

第一，利用計(jì)算機(jī)仿真軟件，模擬機(jī)組的動力特性實(shí)驗(yàn)，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果輸入到二維坐標(biāo)系中，構(gòu)建機(jī)組動力特性曲線和流量曲線。隨后，調(diào)用數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，對比實(shí)驗(yàn)?zāi)M所得的曲線圖，找出動力特性曲線、流量曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線的差值。

第二，根據(jù)上一步中的差值結(jié)論，制定出各個機(jī)組的最優(yōu)化啟停時間，一來能夠節(jié)省動力資源，二來也有利于電機(jī)運(yùn)行負(fù)荷的平均分配。其中，機(jī)組負(fù)荷曲線的橫坐標(biāo)通常以時間（t）為單位，通過曲線圖能夠明確看出機(jī)組的啟停時間以及運(yùn)轉(zhuǎn)時間。

第三，根據(jù)時間軸的變化情況，及時進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整和動態(tài)控制，并獲取各個機(jī)組的水流量、壓力負(fù)荷等數(shù)據(jù)，以便于為后期進(jìn)行水電站的優(yōu)化運(yùn)行提供參考數(shù)據(jù)。在進(jìn)行負(fù)荷調(diào)整時，可以采用手動操作和自動操作兩種方式，其中自動操作需要配合AVC進(jìn)行同步控制，以確保計(jì)算機(jī)程序指令能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)控制，提高程序的運(yùn)行速度。

2 機(jī)組間最優(yōu)負(fù)荷的分配方法

2.1 優(yōu)化運(yùn)行方式的計(jì)算機(jī)程序?qū)嵤┎襟E

首先，確定優(yōu)化運(yùn)行方案。利用計(jì)算機(jī)讀入初始數(shù)據(jù)，并且根據(jù)中小型水電站各個機(jī)組的流量，計(jì)算出單個機(jī)組、每天的負(fù)荷分配。通過比較負(fù)荷分配數(shù)值，求出水電站運(yùn)行過程中耗水量的變化情況。選取耗水量最低的分配方案，作為水電站優(yōu)化運(yùn)行的最優(yōu)運(yùn)行方案。

其次，確定分配方案后，根據(jù)水電站工作的需要，科學(xué)選取控制方法。目前來說，常用的機(jī)組控制方法有以下幾類：第一類是多參數(shù)單元控制法，主要的控制單元有高容量、高頻率的PLC、快速數(shù)據(jù)計(jì)算單元LUC以及必要的AGC功能程序等。這種機(jī)組控制控制方法的優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)對大批量數(shù)據(jù)的快速處理，從而在短時間內(nèi)計(jì)算出水電站的優(yōu)化運(yùn)行控制方法；第二類是后臺閉環(huán)控制法，利用后臺AGC程序，實(shí)現(xiàn)程序運(yùn)行和數(shù)據(jù)計(jì)算的同步進(jìn)行，降低了人為控制和管理的難度。本文以后臺閉環(huán)控制法為例，對其具體的程序編寫步驟進(jìn)行分析。

（1）程序平臺。首先，開發(fā)了數(shù)據(jù)服務(wù)平臺軟件（Data Apply Server），主要負(fù)責(zé)與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時交互；然后，在此開放式平臺基礎(chǔ)上載入開發(fā)的動態(tài)鏈接庫（AGC.dll），實(shí)現(xiàn)需要的AGC功能程序。若存在較大差異的特性需求，可以考慮定制不同的策略模塊，如VQC（電壓無功控制）控制模塊等；考慮到調(diào)節(jié)實(shí)時性不高（從計(jì)算、調(diào)節(jié)到反饋的優(yōu)化過程存在遲滯性，頻繁調(diào)節(jié)是沒有必要的；另外也將導(dǎo)致自動化元件、主輔機(jī)設(shè)備動作過頻，影響設(shè)備正常的安全運(yùn)行周期），非秒級，且平臺本身數(shù)據(jù)量并不大，采用ACCESS數(shù)據(jù)庫即可滿足要求。程序啟動后默認(rèn)進(jìn)入閉環(huán)調(diào)節(jié)狀態(tài)，默認(rèn)以一定耗水下最大發(fā)電模式運(yùn)行，可手動切換到給定負(fù)荷的最小耗水模式；程序自動讀取配置信息文件，自動查詢電站機(jī)組狀態(tài)。

（2）曲線采樣庫實(shí)時計(jì)算與數(shù)據(jù)輸入輸出。在機(jī)組負(fù)荷分配表中，由上游水頭H、實(shí)時采樣得到的流量Qk值和機(jī)組負(fù)荷Nk確定機(jī)組最優(yōu)組合、負(fù)荷分配方案，程序展現(xiàn)了功能區(qū)、曲線區(qū)與表格區(qū)3方面。功能區(qū)用于切換不同機(jī)組與權(quán)限控制；曲線區(qū)用于顯示各機(jī)組的各種擬合曲線軌跡；表格區(qū)包括4個表格：輸入數(shù)據(jù)列表配置、輸出控制列表配置、曲線采樣庫列表和負(fù)荷分配計(jì)算結(jié)果列表。閉環(huán)運(yùn)行時實(shí)時刷新各列表中的數(shù)據(jù)值，用于顯示調(diào)節(jié)前后的對比。

2.2 執(zhí)行經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行的結(jié)果分析

數(shù)據(jù)錄入到計(jì)算機(jī)后，會在后臺進(jìn)行計(jì)算并得出最終的結(jié)果。然后利用A/D轉(zhuǎn)化器將數(shù)字結(jié)果轉(zhuǎn)化成電子信號，以供PLC識別。PLC識別電子信號后，根據(jù)提前編寫好的程序指令，實(shí)現(xiàn)對各個機(jī)組的啟?；騽幼骺刂?，從而確保了水電站各個機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行。為了保護(hù)機(jī)組元件，提高水電站前端裝置的使用壽命，程序內(nèi)部增加調(diào)頻時鐘，默認(rèn)延時時間為30s。在這一時間段內(nèi)，PLC可以根據(jù)前期程序計(jì)算所得的負(fù)荷分配情況，自動調(diào)整控制指令，保證各個機(jī)組受力均衡。最后，在程序末端安裝蜂鳴器（報(bào)警器），一旦監(jiān)測到相鄰機(jī)組受力不一致，則蜂鳴器報(bào)警，程序自動結(jié)束。相關(guān)的管理人員可以及時進(jìn)行程序調(diào)整，保證了整個水電站優(yōu)化控制的順利實(shí)現(xiàn)。

2.3 等微增率法進(jìn)行最優(yōu)負(fù)荷分配

根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可知，水電站耗水量只與各個機(jī)組的運(yùn)行功率有關(guān)，并且兩者之間呈現(xiàn)出簡單的線性關(guān)系。因此，可以利用等微增率法計(jì)算各個機(jī)組之間的負(fù)荷差值，進(jìn)而求出最佳的運(yùn)行區(qū)段。除此之外，由于水電站地理位置、運(yùn)行方式等因素的差異化影響，因此在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時需要額外考慮更多的因素。此外，在利用等微增率法計(jì)算均分負(fù)荷時，通常需要先確定水電站的最優(yōu)化運(yùn)行目標(biāo)，隨后利用程序數(shù)列的表示形式，模擬各個機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，然后根據(jù)模擬結(jié)果，調(diào)整相應(yīng)的數(shù)值。這樣一來，所得數(shù)值更加接近于水電站優(yōu)化運(yùn)行的實(shí)際值，從而達(dá)到了負(fù)荷均分的效果。

3 結(jié)束語

保證電力充足供應(yīng)，對于地區(qū)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展起到了極大推動作用。中小型水電站作為地方電力的重要來源，保證其運(yùn)行狀況和發(fā)電效率極為重要。在進(jìn)行水電站優(yōu)化運(yùn)行時，必須要結(jié)合水電站的實(shí)際情況，嚴(yán)格遵循相應(yīng)的優(yōu)化原則，不斷改進(jìn)運(yùn)行程序，以確保水電站的運(yùn)行管理水平，提高其經(jīng)濟(jì)效益。

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