基于PLC装置实现水电站机组自动发电控制的方法

摘要

本发明是一种基于PLC装置实现水电站机组自动发电控制的方法。包括有如下步骤：1)进行机组参数辨识；2)进行机组挑选；3)进行机组尺度变换；4)进行机组队列排序；5)调前调后形态判断；6)计算结果校验。本发明采用使用PLC装置作为硬件平台，包括有进行机组参数辨识、进行机组挑选、进行机组尺度变换、进行机组队列排序、调前调后形态判断、计算结果校验等步骤的控制方法，较传统的控制方法大幅度降低了难度，成本也大幅度降低，建设时间缩短。本发明是一种方便实用的基于PLC装置实现水电站机组自动发电控制的方法。

说明书

技术领域

本发明是一种基于PLC装置实现水电站机组自动发电控制的方法，属于水电站机组自动发电控制方法的创新技术。

背景技术

自动发电控制(AGC控制)是电厂配合电网调度，提高电能质量的重要技术手段之一。概括地讲就是电厂按照电网调度所给的负荷曲线或实时定值，自动分配厂内各机组出力，并准确、安全地予以执行。

全厂总负荷如何分配给多台运行机组，是比较复杂的决策问题。既要做到快速准确，又必须符合电厂的安全约束规定，还要分配结果优化。一般而言，有三类安全约束条件造成机组不能在空载(零负荷)到满载(额定负荷)之间任意调节：一是机组自身存在振动区(振动区范围一般为额定负荷的35％至80％左右)，机组不能在振动区内长期运行，否则会严重破坏其机械结构；二是受水工建筑物设计限制，比如水库水位高低对机组最大负荷的限制，比如引水隧洞和调压井对机组单次调节幅度的限值；三是系统整体结构对机组负荷的限值，比如在几台机组共用一条引水隧洞的情况下，往往会对这几台机的总负荷提出限制要求。至于优化问题，则是希望全厂调整时，或尽可能少的机组穿越振动区，或各机组的累计调节次数尽可能保持相当，或配合停机需要将减负荷机会集中于一台机组等等，而这些优化目标往往是相互冲突的，要在不同的情况下作出具体的取舍。

由于影响决策的因素较多，且目的多元化，造成算法提炼困难。为了解决这个问题，以前往往依靠电厂运行人员的手工计算。但随着电网对电能质量提出越来越高的要求，机组调节的频率也不断增加，运行人员的工作量加重，必须采用自动控制来应对。

现在，专业厂家的AGC程序无一例外都是运行在计算机(服务器)上，程序使用高级语言编写。在算法策略上，有两种思路可选：若电厂的机组台数较少，可用“穷举法”，即对所有机组进行排列组合，形成一张含有上亿条记录的数据表。每次根据调整目标检索出几十万条记录，再根据一定的规则对每条记录打分，根据分数排序后选择其中得分最高的一条作为分配方案；另外，也可整理出一组带约束条件的方程组，通过矩阵计算和迭代收敛，求其最优解。这些处理方法，技术复杂，对硬件配置的要求较高。

发明内容

本发明的目的在于考虑上述问题而提供一种可大幅度降低难度及大幅度降低成本，且大大缩短建设时间的基于PLC装置实现水电站机组自动发电控制的方法。

本发明的技术方案是：本发明的基于PLC装置实现水电站机组自动发电控制的方法，其包括有如下步骤：

1)进行机组参数辨识；

2)进行机组挑选；

3)进行机组尺度变换；

4)进行机组队列排序；

5)调前调后形态判断；

6)计算结果校验。

上述机组参数辨识是对采集来的设备信号进行甄别判断，识别出其中的坏数据或死数据，防止因数据的不正确造成误调节。

上述机组挑选的原则是根据机组的可调容量的大小进行挑选，容量大者被选，如果可调容量相等，继续比较穿越振动区次数、总调节次数，振动区次数、总调节次数大者被选。

上述尺度变换是使机组的额定功率、振动区上下限、空载参数被动态赋值，用于后继的准确计算。

上述机组队列排序按可调容量的大小、以及距离机组振动区的远近进行综合排队。

上述调前调后形态判断是一个计算区域细分的过程，每台机组必须在空载与额定负荷之间，且避开振动区运行。

上述计算结果校验用于判定计算结果正确与否，校验各机组的调节量之和是否与总量完全吻合，校验各机组的结果是否违反约束条件的限值，若有差错，则禁止计算结果发出，确保AGC控制的安全。

本发明采用使用PLC装置作为硬件平台，包括有进行机组参数辨识、进行机组挑选、进行机组尺度变换、进行机组队列排序、调前调后形态判断、计算结果校验等步骤的控制方法，较传统的控制方法大幅度降低了难度，成本也大幅度降低，建设时间缩短。本发明是一种方便实用的基于PLC装置实现水电站机组自动发电控制的方法。

附图说明

图1为本发明应用于天生桥二级电站时的硬件与网络连接示意图；

图2为本发明控制方法的流程框图。

具体实施方式

实施例：

本发明应用于天生桥二级电站时的硬件与网络连接示意图如图1所示，图中选用西门子公司的S7-400PLC作为AGC控制器，与众多的现场控制器进行以太网通信，协议为内置的ISO Transport。另使用iFix工业组态软件来开发人机界面。图1所示的控制器都是西门子S7-300PLC。

本发明的基于PLC装置实现水电站机组自动发电控制的方法，其包括有如下步骤：

1)进行机组参数辨识；

2)进行机组挑选；

3)进行机组尺度变换；

4)进行机组队列排序；

5)调前调后形态判断；

6)计算结果校验。

本发明是以PLC装置为硬件平台。由于PLC是针对工业现场设计的，无风扇、硬盘等机械转动结构，可靠性很高。因此在硬件平台的可靠性上有很大优势。另一方面，PLC擅长的是逻辑控制，其数学处理能力有限。如果要从正面解决，列出一组数学方程组，进行带约束条件的最优化求解的话，必然需要进行矩阵、迭代、收敛这一类的复杂数学运算，这对于PLC来说是不可能实现的任务。对此，通过一系列巧妙的算法设计，相继进行参数辨识、机组挑选和排序、尺度变换、调前调后形态判断、计算结果校验工作，实现了正确计算、优化分配的目标。并将复杂的数学计算成功地转换为一系列的简单的加减乘除运算，使得PLC足以胜任。

本发明控制方法的核心思想是“合理简化、分而治之”，即面对复杂的系统，通过适当简化和细分，将其划分成若干的小块区域，每一区域的计算规则简单明了，是易于实现的。

本发明的控制方法包含了参数辨识、机组挑选和排序、尺度变换、调前调后形态判断、计算结果校验等过程，将传统的AGC算法中的矩阵、迭代、收敛这一类复杂的数学计算成功地转换为一系列的简单的加减乘除运算，以适应PLC装置的计算能力。

由于发电机组的功率调节直接影响着电网的安全稳定运行，所以AGC控制一定要注意安全，不允许出现误调节。因此，对采集来的设备信号进行甄别判断，识别出其中的坏数据或死数据，防止因数据的不正确造成误调节。这就是参数辨识的主要任务。

之后，进行的是机组的挑选工作。电网调度为了提高电能的质量，就需要加快对发电机组调节的频率。这虽然增加了调节次数，但也意味着每次的调节幅度不大。从运行机组中挑选出一部分参与调节，而不是全部，起到了两方面的作用：一来在计算工作中减少了机组台数，就大大降低了计算的复杂程度(由于总负荷在各机组间的分配是排列组合关系，每增加一台机组，则计算量就增加一个几何级数)；二来通过挑选策略的优化，就在一定程度上体现了计算结果的优化。天生桥二级电站有六台机组，两台机组共用一条引水隧洞。在挑选时，同一隧洞的两台机组中，只挑出一台。这样六台机组最多只有三台出来调节。应该看到，当并网机组的台数少时，这种策略的影响就小(运行机组数量与挑选数量基本相等)，机组台数多时则影响大些，但最极端的情况下(六台机组都运行)也能保证有一半的机组参与调节。至少有50％的机组可调，对于电网而言，这样的调节容量是够用的。另外，由于PLC装置中的程序是循环执行的，周期不超过10毫秒，所以被挑中的机组是变化的，不会长期集中在某台机组上。

至于挑选原则，是根据机组的可调容量的大小，容量大者被选。例如，1号机组现在的实际出力为50MW，2号机组为70MW，按机组最大出力100MW计算，则1号机组可增容量为50MW，可减容量50MW，而2号机组可增30MW，可减70MW。最终1号机组被选为可增机组，2号机组被选为可减机组。如果可调容量相等，还可继续比较穿越振动区次数、总调节次数等，力求机组间的机会均等。

当可增、可减机组被选出后，再按可调容量的大小、以及距离机组振动区的远近进行综合排队。“能者多劳”的排序原则，可以有效减少全厂机组总的调节次数，使得最终的计算结果进一步趋于优化。

尺度变换是介于机组挑选和排序之间的一个步骤。挑选时进行的可调容量计算是粗略的，实际过程中受一些限制条件的约束，可调容量不一定能完全兑现。比如，受调压井能力限制，单台机组的一次性最大调节量为50MW，则它的可调容量就不能计作70MW，而应是50MW。所以，尺度变换的作用在于使机组的额定功率、振动区上下限、空载等参数被动态赋值，用于后继的准确计算。

调前调后形态判断是一个计算区域细分的过程。每台机组必须在空载与额定负荷之间，且避开振动区运行。总负荷在被挑选的机组之间分配，是平均分配、同增同减，还是按可调节容量等比例分配，或是有增有减、规避振动区，如何选择是需要具体衡量的。为此，按1机增减、2机增减、3机增减为大的分类，其次又以空载、临界区下限、振动区下限、振动区上限、临界区上限、额定功率为分界点，划分成近百个小的计算区域，并一一编号。先确定当前机组队列所处的小区域。再以调节量为目标，人为分析判断调节后的机组队列应处于哪个小区域。人为判断实质上是进行了最主要的一步优化工作。当前后两个小区域确定后，算法也就随之固定，而且只需进行简单的加减乘除运算即可。在调前调后形态判断环节，小区域越分得细，则计算规则越简单。而调后区域的选择，则体现着设计者对优化原则的权衡。经过该环节的工作，可形成上百条的计算规则。一次具体的调节，一定有一条计算规则可对应，能在一个PLC程序周期内(小超过10毫秒)得出结果。

最后，设计了一个计算结果校验环节，用于判定计算结果正确与否。校验各机组的调节量之和是否与总量完全吻合，另外还有各机组的结果是否违反约束条件的限值。若有差错，则禁止计算结果发出。以此确保AGC控制的安全。

当然，上面所述的是本发明的基本算法。在实际应用中，还需综合考虑其它方面的要求，因此设计了如下一些辅助功能：

1)优先减负荷功能：在遇到需夜间低谷停机消缺的情况，希望的是将特定机组的负荷持续减低，以便尽快停机。如果使用本发明的基本控制方法的话，则被减负荷的机组可能不是期待的那台。为此，本发明中增加了优先减负荷选择功能。该功能实质上是将减负荷的机会优先放在预定机组上；

2)同一隧洞机组互携功能：由于在设计之初规定一条隧洞一次只出一台机组调节，这必然会造成一些调节死区(实际是可以达到的，但算法认为不可以)。举一个例子，假设只有3#、4#这两台同一隧洞机组可调，而两者同处于77MW的震动区下限，由于只出一台机组，必然需要有一个相当大的增量才能使其跨越震动区，至少需要105MW，小于则会遭到算法的拒绝。但如果这两台机组一增一减，相互配合，就可以接受一个较小的增量，而且满足水工建筑安全限制的。所以设计了同一隧洞机组互携功能，来解决类似的困境；

3)闲时再均分功能：该功能只针对这样的情况，在现地负荷曲线控制方式下，当调节已结束，且过后的至少30分钟不会再进行调节(通过负荷曲线判断)，而这时机组在平稳区的分布存在明显偏差，比如有的机组已达到满负荷220MW，有的才180或190MW，离振动区很近。这时，本发明会把这些机组重新摆放一次，使大家离振动区的距离均匀些；

4)5#、6#机组自动限负荷功能：3#隧洞带了3台机组，要求总出力不得超出470MW(第3台机组额定功率为40MW)。运行人员需根据实际情况，置5#、6#机组功率总和是否限430MW标志。一旦标志置上，AGC程序自动将5#、6#机组的额定功率值下调，使两者总和等于430MW，并保证在以后的调节过程中决不逾越。如果两者总和已超过，且两台或其中一台是AGC机组，本发明会自动将它们下压，使两者总和等于430MW。而限430MW标志取消后，5#、6#机组的额定功率值自动恢复为220MW；

5)调负荷时的系统频率限制功能：电厂调节负荷时应考虑系统频率的限制。AGC程序规定当频率高于50.1Hz时不增，低于49.9Hz时不减；

6)外部输入功率自动扣除功能：调度下给天生桥二级电站的总负荷，实际上是断面的总负荷，而不仅是6台机组的总负荷。本发明通过与220kV开关站PLC的通信，实时判断220kV中天线、天大线的运行状态。如果它们是挂网运行的，则将线路功率计入外部输入功率，并自动从全厂总目标中扣除。由于线路功率读数是不断小幅波动的，为此还进行了钝化处理，即每当偏差超过±3MW的死区，线路功率值才被刷新一次；

7)调节次数统计功能：本发明设计了对AGC机组调节次数的统计，包括穿越振动区的次数。次数统计可为状态检修提供一些参数，也为评价AGC策略的优劣提供参考。

本发明已用于天生桥二级电站AGC控制功能开发。2008年3月AGC功能正式投入运行，迄今稳定运行，投运率一直保持在100％，已成为基本的运行方式。正式投运以来，每天按照南网总调下发的288点负荷曲线，自动调节机组的有功出力，将电厂运行人员从过往繁重的调节操作中解脱出来，每天能为运行人员节省操作时间两个小时以上，且机组功率调节的速度与精度都大大优于人工。