用于梯级电站的经济调度控制系统

摘要

本发明涉及一种用于梯级电站的经济调度控制系统，其特征在于：主机服务器，历史服务器，语音工作站，是工程师工作站，操作员工作站，大屏幕投影，GPS系统并联在主控制线路上；通过小库容电站对上级大库容电站的反向调节，将负荷差值安全、平滑转移到其他可调电站。能有效地通过下级电站的流量来控制上级电站机组流量；降低了耗水率，提高电站经济效益，有效地减少了成本回收时间，符合当前低炭经济的发展趋势。

说明书

技术领域

本发明涉及一种经济调度控制系统，特别涉及国内水电站流域控制中用于梯级电站的经济调度控制系统，属于水电行业监控技术领域。

背景技术

目前，各水电梯级流域都在实行“流域开发，滚动发展”的开发战略，但是在流域水电开发过程中存在着梯级水电站都依靠经验做发电计划，不仅浪费了优先的水力资源，而且不利于真个梯级电站群的可持续发展。此外，各电站在运行过程中任何一个发生事故都会影响其他电站的发电运行，对于电力调度也造成不必要的影响。

由于国内流域经济调度控制工业化尚处于发展阶段，对某些特定的控制模式还有空白，在处理下级电站最大发电流量较上级电站最大发电流量小的工况时，基本是靠运行人员根据经验来按照某种比例来固定关联电站的出力关系来控制下级电站水位在安全范围内，费时费力还不能有效的利用电站的可调裕度。国内水电站流域控制在处理下级电站发电流量较小的工况时的不足有：（1）、软件本身无下级电站对上级电站的反向调节功能；（2）、基于运行经验由电站运行人员手动匹配关联电站的出力比；（3）、关联电站可调范围不够灵活；（4）、运行人员监盘压力大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于梯级电站的经济调度控制系统，其通过梯级各水电厂联合调度与优化运行，确定水库及机组的合理运行方式，实现流域各级水库与机组的安全经济运行，提高水电厂效率，减少频繁人工调节，创造企业经济效益。     

本发明的技术方案是这样实现的：用于梯级电站的经济调度控制系统，由主机服务器，历史服务器，语音工作站，工程师工作站，操作员工作站，大屏幕投影，GPS系统组成，其特征在于：主机服务器，历史服务器，语音工作站，工程师工作站，操作员工作站，大屏幕投影，GPS系统并联在主控制线路上；

主机服务器采用双机热备工作方式，具有通用字符标准键盘(带鼠标)，液晶显示器，其管理“各电站”的运行自动化，即各电站的自动发电控制(AGC)；自动电压控制(AVC)；主机服务器与各电站监控系统进行通讯，获取各电站实时电力信息，下发控制调节命令；

历史服务器采用Mysql数据库软件均安装在2套冗余服务器中，将各电站监控系统、梯调中心监控系统所有设备运行数据进行长期保存；

操作员工作站对电厂的生产、设备运行做实时监视，取得所需的各种信息，操作员工作站给不同职责的运行人员提供多组不同安全等级的操作权限，各级别操作权限下应能识别若干个具有各自口令的用户，进入前，授权运行人员必须登记“用户名”、“口令”，通过口令操作使得每个用户可以进行独立的进入和退出；操作员工作站的图形系统为全图形中文动态画面，具有完备的手段实现图形漫游、变焦和任意移动，能方便地对图形进行建立、扩充、放大、平移、增/删、翻动等，操作员工作站能自动或经运行人员的召唤，实时显示“各电站”内主系统的运行状态、主要设备的动态操作过程、事故和故障、有关参数和运行监视图、操作接线图等画面，以及趋势曲线、各种一览表、测点索引等，定时刷新画面上的设备状况和运行数据，且对事故报警的画面具有最高优先权，可覆盖正在显示的其它画面，事故时自动推出画面和处理指导；并可经运行人员的召唤，显示有关历史参数和表格；工程师工作站对系统维护，管理人员进行修改系统参数、修改定值，增加和修改数据库、画面和报表；

语音工作站完成语音/电话报警、电话查询、事故自动寻呼（ON-CALL）及手机短信报警等功能；

GPS系统中配有2台GPS主机及1台冗余切换装置、1套信号扩展装置，在信号扩展装置中含有4个RS232，8个RJ-45接口，2台GPS主机分别接受卫星信号通过切换装置将信号传送至信号扩展装置中，并分别通过以太网接口接入2套主交换机，通过监控网络，对整个网络内的计算机进行时钟对时。

其具体的操作步骤如下：

1）主机服务器接收实时监控系统传送来的网调EMS系统下达的全流域电站总出力，同时采集现场各电站、各机组的出力、状态信息以及水调系统中的流域水雨情信息，参考历史服务器中存储的各种控制策略等历史数据，经过全流域总出力、水头、机组效率、机组联合振动区、下泄流量、下游水库水位差等经济、安全运行边界条件计算出流域内各电站及各台机组出力的控制目标，根据以下目标函数的运算公式进行计算：

                   (1)

式中N为水电站的个数；Zui为第i级电站上游水位；Zsi为第i级电站上游设定水位； Qi为第i级电站发电流量。当|Zui – Zsi| ≥ △Zi时， =1； 当|Zui – Zsi|＜△Zi时， =0； △Zi为第i级电站上游设定水位的死区值。

约束条件

(1)   电网负荷平衡

                             (2)

式中 Pi为第i级水电站出力；Ps为整个梯级电网调度给定负荷。

(2)   水量平衡条件

                 （3）

式中 Vi,t为第t时段初i水库库容；Vi,t+1为第t时段末i水库库容；Δt为时段间隔；QINi,t为第i级电站t时段入库流量；Qi,t为第i级电站t时段综合利用流量。

                      （4）

式中    为第i级电站t时段的区间天然来水；为第i-1级电站到第i级电站的水流流达时间。

(3)   水库库水位约束

                      (5)

式中 为第i级电站上游水位下限；为第i上限。

(4)   电站出力约束

Pimin ≤ Pi  ≤ Pijl                    (6)

Pijh ≤ Pi  ≤ Pikl                     (7)

Pimh ≤ Pi  ≤ Pimax                    (8)

式中 Pijl为第i级电站第j个不可运行区域的出力下限；Pijh为第i级电站第j个不可运行区域的出力上限；m 为不可运行区的个数；j=1~m；k=j+1。

其中求解算法

计算水轮发电机组的工作水头

的一般计算公式为：

                        (9)

式中为第i级电站拦污栅后的上游水位；为第i级电站尾水位。

因电站尾水位不易测准，根据伯努力方程，可得到实用且较准确的水头计算公式：

                          (10)

式中为第i级电站各台正在发电的机组涡壳水压均值，为第i级电站水头修正系数。

计算各级电站发电流量

因梯级各电站各台机组型号、容量基本一致，可将某个电站等效成一台机组，由机组出力计算公式可得到某级电站发电出力：

                     (11)

式中为等效机组的效率。

由式(2)、（4）、（11）可得首级电站的发电流量：

     (12)

根据式（4）可计算得到其它各级电站的发电流量。

计算各级电站发电出力

在得到、的条件下，根据式(11)可计算得到各级电站发电出力，称为初始解。

负荷调整

针对上述初始解，需检查非首级电站库水位，并根据其库水位适当调整电站的出力以尽量使库水位在正常范围内运行。梯级水电站EDC负荷调整策略的主要思想是当非首级的某级电站库水位过高时，该级电站多带负荷，反之，该级电站少带负荷。对于某级电站库水位来说，可能出现过高、正常、过低三种状态，那么非首级的各级电站库水位的状态组合就有3（N-1）种。

梯级电站的最大调整负荷△Pmax：

               (13)

式中：为单位库水位的负荷调整值；为梯级各级电站中库水位与正常水位差值绝对值的最大值。

确定某种库水位组合下的各级电站负荷增减情况，增加负荷值与减少负荷值相等，具体增加负荷值△P+i、减少负荷值△P-i分别见下式：

                             (14)

式中：，为第i级电站增加负荷份数（即“+”个数），若第i级电站负荷不变或需要减少，则为0。

                           (15)

式中：， 为第i级电站减少负荷份数（即“-”个数），若第i级电站负荷不变或需要增加，则为0。

2）将上述的运算得到的控制目标通过东北电科院集控系统或统一平台I区监控系统作用到各现地控制单元，实现对机组出力、启/停状态及各电站所有被控对象的实时、准确、可靠及有效地控制,达到梯级电站水能利用率最大化的目标；形成的控制策略存储至历史服务器中用于下次形成控制策略的参考及历史查询；操作员工作站为系统提供人机界面，并将显示信息送入大屏幕投影中，操作员通过其实现对系统的实时监控；当故障或事故发生时由语音工作站发出语音报警，并将故障或事故信息统一送入历史服务器中，单向传送至III区（附图中没有表示）综合报警系统，发出短信和网络报警；工程师工作站用于各服务器及网络的维护；GPS系统10并联在主控制线路上为各台服务器、工作站提供统一的时钟，为系统故障及事故分析提供依据；通过小库容电站对上级大库容电站的反向调节，将负荷差值安全、平滑转移到其他可调电站。

本发明的积极效果是各流域集控中心监控系统采用了高性能的计算机和网络系统，以这些高性能计算机和网络为流域经济调度提供技术基础，并且以各流域集控中心采用流域集中管理体制，对整个流域电站实施统一调度，为流域经济调度提供了可靠的管理保障；对于东北地区梯级电站，中小库容电站在冬季冰冻情况下，小库容电站在冬季受闸门冰冻影响，不能进行有效的库容调节，为了避免造成漫坝事故，要求上级电站下泄流量不能超过下级电站最大发电引用流量，因此能有效地通过下级电站的流量来控制上级电站机组流量；能降低耗水率，提高电站经济效益的效果更加明显示，有效地减少了成本回收时间，符合当前低炭经济的发展趋势，为流域梯级电站群的集中控制和经济运行提供了借鉴，在目前各流域水电大开发的前景下，该成果具有广阔的应用范围和较高的推广价值。 

附图说明

图1为本发明的硬件设施布置图。

图2为本发明的控制结构框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：如图1所示，主机服务器1和主机服务器2 服务器采用双机热备工作方式，任何一台服务器故障，系统仍可正常运行， 配置了全套外部设备，具有通用字符标准键盘(带鼠标)，液晶显示器，主机服务器1、主机服务器2分别管理“各电站”的运行自动化，即各电站的自动发电控制(AGC)；自动电压控制(AVC)；主机服务器1、主机服务器2与各电站监控系统进行通讯，获取各电站实时电力信息，下发控制调节命令；将各电站监控系统、梯调中心监控系统所有设备运行数据进行长期保存，历史服务器3和历史服务器4中，服务器采用Mysql数据库软件均安装在2套冗余服务器中；操作员工作站7和操作员工作站8可以对电厂的生产、设备运行做实时监视，取得所需的各种信息，操作员工作站给不同职责的运行人员提供多组不同安全等级的操作权限，各级别操作权限下应能识别若干个具有各自口令的用户，进入前，授权运行人员必须登记“用户名”、“口令”，通过口令操作使得每个用户可以进行独立的进入和退出。操作员工作站可发出如：机组开/停、有功功率增/减、无功功率增/减、断路器分/合闸命令、闸门开启/关闭命令、隔离开关的分/合等命令，并可设置和修改各项给定值和限值。操作员工作站8的图形系统为全图形中文动态画面，具有完备的手段实现图形漫游、变焦和任意移动，能方便地对图形进行建立、扩充、放大、平移、增/删、翻动等，操作员工作站能自动或经运行人员的召唤，实时显示“各电站”内主系统的运行状态、主要设备的动态操作过程、事故和故障、有关参数和运行监视图、操作接线图等画面，以及趋势曲线、各种一览表、测点索引等，定时刷新画面上的设备状况和运行数据，且对事故报警的画面具有最高优先权，可覆盖正在显示的其它画面，事故时自动推出画面和处理指导。并可经运行人员的召唤，显示有关历史参数和表格等。画面图符及显示颜色定义应符合中国电力部部颁《水电站计算机监控系统基本技术条件(DL/T578-2008)》的规定。

工程师工作站6对系统维护，管理人员进行修改系统参数、修改定值，增加和修改数据库、画面和报表；语音工作站5主要完成语音/电话报警、电话查询、事故自动寻呼（ON-CALL）及手机短信报警等功能，当监控系统出现重要故障和事故时监控系统除产生一般报警还产生电话语音报警，电话语音自动报警支持4路同时自动拨号，电话语音报警可根据预先规定进行自动拨号，拨号顺序按从低级到高级方式进行，当某一级为忙音或在规定时间内无人接话时，自动向其高一级拨号，当对方摘机后，立即告诉对方报警内容，同时配置2套短信息发装置，可将重要报警信息进行短消息发送，发送方式包括：可选择群发也可选择按对象、按时段、按管理级别不同，有选择性的自动发送；GPS系统10中配有2台GPS主机及1台冗余切换装置、1套信号扩展装置，在信号扩展装置中含有4个RS232，8个RJ-45接口，2台GPS主机分别接受卫星信号通过切换装置将信号传送至信号扩展装置中，并分别通过以太网接口接入2套主交换机，通过监控网络，对整个网络内的计算机进行时钟对时。

实施例1

松山水库及双沟电站水库库容较大，具有年调节能力，且松山水库和小山电站水库通过漫松引水洞级联，因此可以将小山电站水库看作年调节水库（小山水位在671米以上时---松山水库死水位671米，当小山水库水位低于671米时，基本不具备调节能力）；石龙电站水库库容较小，为日调节水库，基本不具备调节能力。此外冬季须保证北江电厂水位不漫坝。各级电站区间用水量很小，一般情况下不考虑区间耗水问题。区间入流可根据实际情况设定。根据梯级各电站分布情况，可以不考虑梯级水电站之间水流流达时间。

针对松江河梯级水电站分布、库容、装机容量等特点，建立了基于优化运行原则的松江河梯级水电站EDC参考数学模型。

1、目标函数

                   (1)

式中N为水电站的个数；Zui为第i级电站上游水位；Zsi为第i级电站上游设定水位； Qi为第i级电站发电流量。当|Zui – Zsi| ≥ △Zi时， =1； 当|Zui – Zsi|＜△Zi时， =0； △Zi为第i级电站上游设定水位的死区值。

2、约束条件

（1）电网负荷平衡

                             (2)

式中 Pi为第i级水电站出力；Ps为整个梯级电网调度给定负荷。

（2）       水量平衡条件

                 （3）

式中 Vi,t为第t时段初i水库库容；Vi,t+1为第t时段末i水库库容；Δt为时段间隔；QINi,t为第i级电站t时段入库流量；Qi,t为第i级电站t时段综合利用流量。

                      （4）

式中    为第i级电站t时段的区间天然来水；为第i-1级电站到第i级电站的水流流达时间。

（3）       水库库水位约束

                      (5)

式中 为第i级电站上游水位下限；为第i上限。

（4）       电站出力约束

Pimin ≤ Pi  ≤ Pijl                    (6)

Pijh ≤ Pi  ≤ Pikl                     (7)

Pimh ≤ Pi  ≤ Pimax                    (8)

式中 Pijl为第i级电站第j个不可运行区域的出力下限；Pijh为第i级电站第j个不可运行区域的出力上限；m 为不可运行区的个数；j=1~m；k=j+1。

3、求解算法

求解上述模型的方法有很多，比如线性规划法、非线性规划法、动态规划法等，但是随着不等式约束条件的增多，必然导致求解难度增大及求解时间增多，甚至得不到可行解，严重地影响梯级水电站EDC的推广应用。为此，采用了简单实用的工程化算法。

计算水轮发电机组的工作水头

的一般计算公式为：

                        (9)

式中为第i级电站拦污栅后的上游水位；为第i级电站尾水位。

因电站尾水位不易测准，根据伯努力方程，可得到实用且较准确的水头计算公式：

                          (10)

式中为第i级电站各台正在发电的机组涡壳水压均值，为第i级电站水头修正系数。

4、计算各级电站发电流量

因梯级各电站各台机组型号、容量基本一致，可将某个电站等效成一台机组，由机组出力计算公式可得到某级电站发电出力：

                     (11)

式中为等效机组的效率。

由式(2)、（4）、（11）可得首级电站的发电流量：

     (12)

根据式（4）可计算得到其它各级电站的发电流量。

5、计算各级电站发电出力

在得到、的条件下，根据式(11)可计算得到各级电站发电出力，称为初始解。

6、负荷调整

针对上述初始解，需检查非首级电站库水位，并根据其库水位适当调整电站的出力以尽量使库水位在正常范围内运行。梯级水电站EDC负荷调整策略的主要思想是当非首级的某级电站库水位过高时，该级电站多带负荷，反之，该级电站少带负荷。对于某级电站库水位来说，可能出现过高、正常、过低三种状态，那么非首级的各级电站库水位的状态组合就有3（N-1）种。

梯级电站的最大调整负荷△Pmax：

               (13)

式中：为单位库水位的负荷调整值；为梯级各级电站中库水位与正常水位差值绝对值的最大值。

根据表1的负荷调整策略表可以确定某种库水位组合下的各级电站负荷增减情况，增加负荷值与减少负荷值相等，具体增加负荷值△P+i、减少负荷值△P-i分别见下式：

                             (14)

式中：，为第i级电站增加负荷份数（即“+”个数），若第i级电站负荷不变或需要减少，则为0。

                           (15)

式中：， 为第i级电站减少负荷份数（即“-”个数），若第i级电站负荷不变或需要增加，则为0。

7、负荷校核

在非首级电站库水位处于最低水位与最高水位之间时，若出现控制其水位与满足调度负荷要求相矛盾的情况，优先考虑满足调度负荷要求；反之，在非首级电站库水位高于最高水位或低于最低水位条件下，优先考虑控制其库水位。因上述调整造成调度设定值与EDC分配值相差大于调度设定值与梯级水电站EDC分配值差值的允许值时，需对库水位处于最低水位与最高水位之间的电站负荷重新调整，直到最大限度地满足调度负荷要求。

8、安全运行

（1）北江反调节

特别的，当松江河流域处于冬季时，由于北江电站溢洪道弧门结冰不能开启，因此，石龙电站机组下泄流量不能超过北江电站的最大发电引用流量，以避免造成北江电站漫坝事故。石龙电站单机引用流量为123.59 m³/s，而北江电站的最大发电引用流量100 m³/s，因此必须以北江电站的流量控制石龙电站机组流量，必须保证石龙电站所有机组流量不超过北江电站机组流量，相应的双沟电站的机组发电流量也不能超过北江电站机组流量，小山电站机组流量则可以不受限制。

（2）水位到达限值流量闭锁

当下级电站的水位到达设定上限值时，上级电站下泄流量不能超过下级电站的当前下泄流量，以避免造成北江电站漫坝事故。

（3）自动退出及自动告警功能

经济调度控制（EDC）具有事故自动退出功能及自动告警功能，能够根据各电站及电网的实时运行状态进行判断，提示运行人员相关重要信息，保证EDC系统的安全、可靠、稳定的运行。

当出现多级电站事故、关键采样源数据不可靠、水位异常高/低且相关电站不可控等状况时，EDC会自动退出且产生相关声光告警信息提示运行人员人工干预处理。

当出现人工操作不满足当前安全运行要求时，产生告警信息并拒绝当次操作；当水位进入异常死区范围内时，产生预警信息。

（4）小负荷分配

为解决梯级电站对小负荷调整响应速度慢的问题，特考虑对小负荷设值进行单独处理。

首先，设定值需在旋转可调范围之内；

其次，前后两次设定值之差在小负荷分配差值范围之内；然后，判断各电站水位情况及是否参加EDC，水位高优先增，水位低优先减的原则，对小负荷变化出力由一个站来负担。

（5）自动开停机

根据松江河电厂的流量特性，分析出其具有长时间稳定运行的机组发电组合，结合人工设定的开停机优先权及当前机组运行模式，得出唯一开停机序列，并根据当前各机组可控状态，计算出开机序列中的不可运行区和停机序列中的不可运行区，及各开机台数对应的负荷阀值和停机对应的负荷阀值。

当设定负荷值超过旋转可控容量上限时，进入自动开机流程，根据设定值与各阀值之间的比较，判断当前需要开机数及开哪台机，触发开机令。

当设定负荷值满足停机条件时，根据设定值与各停机阀值之间的比较，判断当前需要停哪几台机组，触发停机令。