专利名称：水电厂高频预测切机及预测调速装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于发电机组控制和电网安全控制领域，尤其涉及一种水电厂高频预测切机及预测调速装置。
背景技术：
送端电网内的水轮发电机组发出的功率通过电网向受端送电，如果送端电网因故障与受端解列，电网内发电机功率超过了负荷，就会导致孤网频率和机组转速快速上升，由于水电机组一次调频限幅受到国内相关规程规定限制，电网频率很容易超过1.4倍，导致电网主变过激磁跳闸，还会导致电力用户的电动机过速跳闸、电力电子等设备保护跳闸。负荷减少还会进一步加剧转速飞升，最终导致电网失稳，解列时保障孤网高频稳定的控制措施，通常是安全稳定控制系统切机和自动装置高频切机，但是对大机小网系统，这些措施难以保持孤网功率的平衡，必须提升水轮机组调速系统的调节能力，才能控制电网的频率。提高调频能力还不能简单采取送端电网机组统一地全部放开一次调频限幅，或提高永态转差系数的方法，根据研究，一次调频限幅放开后，当送端电网解列，由于孤网机组之间特性不同，机组之间会发生功率争夺，导致机组功率和电网频率发生大幅度的振荡。水电机组调速系统承担着电网频率精确调整的任务，PID的积分环节的系数不能过小，在送端电网解列的大扰动情况下，还可能发生超调，导致电网低频切负荷。一次调频和PID超调等问题，根源在于PID调速器单元原理之中，存在着稳态下精确控制与大扰动下动态控制之间的矛盾性，因此，不可能采取调节PID参数方法予以彻底的解决。
发明内容本实用新型要解决的技术问题:提供一种水电厂高频预测切机及预测调速装置，以解决送端电网因故障与受端解列时，采用一次调频限幅进行速度调整存在的由于孤网机组之间特性不同，机组之间会发生功率争夺，导致机组功率和电网频率发生大幅度的振荡在送端电网解列的大扰动情况下，还可能发生超调，导致电网低频切负荷等问题。本实用新型技术方案:一种水电厂高频预测切机及预测调速装置，它包括:预测与决策集中控制器，检测电网频率及机组转速，判断电网解列后的高频紧急状态，在高频紧急状态时刻，测量和存储电厂机组与联络线在该时刻功率和故障前的功率；根据测量功率计算保持电网功率平衡的下调功率总量，执行切机命令，将决策单元产生的机组功率设定和功率变动量发给机组预测功率调速器，与机组预测功率调速器电连接；机组预测功率调速器，接收预测与决策集中控制器发来的机组功率设定和功率变动量，机组功率变动量经时间衰减器衰减后与机组功率设定信号一起，作为控制量送至附加功率变动信号的PID调速器单元，PID调速器单元通过调速机构对阀门的开度进行调整，对机组功率和电网的频率进行预测控制。预测与决策集中控制器包括:[0010]高频紧急状态判别单元，将集中控制器通信单元发来的各台机组转速信号，与转速越限设定值比较后，得到转速越限信号，将各台机组转速越限信号进行逻辑或运算后再与电网频率大于等于火电机组超速保护动作频率的逻辑条件进行逻辑与的结果作为电网解列后的高频紧急状态信号，与测量单元电连接；测量单元，根据电网解列后高频紧急状态信号的上升沿时刻，将电厂联络线和机组的该时刻采样功率及该时刻之前η秒的采样功率，记入锁存器；将该时刻之前η秒的采样功率与该时刻采样功率相减得到的功率变动记入锁存器，并在高频紧急状态期间保持不变，与预测决策单元电连接；预测决策单元，在电网解列后高频紧急状态信号触发下，根据测量单元的锁存器数据，预测计算出切除的机组，发出高频预测切机信号，计算出未切机组的功率调节量及功率设定，发出机组功率变动和机组功率设定，与控制信息调理单元电连接；控制信息调理单元，在高频紧急状态下，发出决策的跳闸信号至相应机组断路器跳闸机构，切除相应机组；将自动发电控制系统(AGC)发出的机组功率设定切换为决策单元产生的机组功率设定与机组的功率变动量并发送至集中控制器通信单元，与集中控制器通信单元电连接。集中控制器通信单元，与机组预测功率调速器进行通讯，接收机组转速信号，发送机组功率设定和机组功率变动量，与机组侧通信单元电连接。机组预测功率调速器包括:机组侧通信单元，接收集中控制器通信单元发出的机组功率设定和机组功率变动量，将机组功率设定发送至附加功率变动信号的PID调速器单元，将机组功率变动量发至衰减器单元，将测速装置的机组转速ω发至集中控制器通信单元，与衰减器单元和附加功率变动信号的PID调速器单元电连接；衰减器单元 ，以累加存储的方式接收机组功率变动量，并将累加存储中的功率变动量衰减至0，衰减器的衰减时间常数大于PID积分时间常数5倍以上，将衰减的功率变动量送至附加功率变动信号的PID调速器单元，当衰减的功率变动量为O或接近于O时，衰减器单元自动重置和清O ;与附加功率变动信号的PID调速器单元电连接；附加功率变动信号的PID调速器单元，根据衰减的功率变动量、机组转速ω和机组功率设定信息进行PID调速处理，将将调速处理后的机组功率输出至调速机构。附加功率变动信号的PID调速器单元包括PID模块和永态转差率单元，在PID模块输入侧永态转差率单元之前有一个变动量后置模块，变动量后置模块的第一加输入端与衰减器单元连接、第二加输入端与机组侧通信单元的机组功率设定输出端连接、减输入端与机组功率P输出端连接，变动量后置模块的输出端与永态转差率单元的输入端连接；在PID模块输出侧有一个变动量前置模块，PID模块的输出与变动量前置模块的加输入端连接，变动量前置模块的减输入端与衰减器单元的输出端连接，变动量前置模块的输出端与电气限速限幅模块连接。所述水电厂高频预测切机及预测调速装置它是在电网频率大于或等于其范围为50.5Hz飞1.6Hz中的一个设定值，发出高频紧急状态信号，测量机组和联络线在该时刻功率和解列故障前的功率，记入存储器并在紧急状态期间保持。所述存储器记录的机组和联络线功率数据，对高频紧急状态下机组切除和机组功率调节两种措施联合进行优化决策的，所述的优化决策是以电厂功率调节量最小为目标的，所述的优化决策对电厂的多台机组同步地分别发出切机命令或功率调整指令，所述功率调整指令是机组功率设定和机组功率变动量。机组预测功率调速器采用附加功率变动信号的PID调速器，所述的附加功率变动信号的PID调速器是在PID环节前部和后部均引入预测的功率变动信号。本实用新型有益效果:本实用新型由预测与决策集中控制器和机组预测功率调速器两部分构成。预测与决策集中控制器实现的功能为:检测电网频率及机组转速，通过复合逻辑可靠地判断电厂是否处于电网解列后的高频紧急状态，在判别出高频紧急状态的时刻，测量和存储该电厂机组与联络线在该时刻功率和故障前的功率；根据该电厂测量的功率，预测出该电厂在电网中所合理承担的、保持电网功率平衡的下调功率总量；在保证下调功率总量不变等约束条件下，以最大程度减少调节量为目标，对切除机组和功率调整两种措施联合进行优化决策；执行决策的切机命令，通过该机组相应的断路器机构跳闸切机；执行决策的调整命令，将发电控制系统(AGC)发给机组的功率设定的切换为决策单元产生的机组功率设定和功率变动量，发给机组预测功率调速器；机组预测功率调速器具有如下功能:接收预测与决策集中控制器发来的机组功率设定和功率变动量，机组功率变动量经时间衰减器衰减，与机组功率设定信号一起，作为控制量送至附加功率变动信号的PID调速器，调速器通过调节机构对阀门的开度进行调整，对机组功率和电网的频率进行预测控制；本实用新型特征一:电网解列后，在频率大于或等于电网内火电机组超速保护设定的动作频率时，测量此时刻的电厂功率(即联络线功率)，按负荷特性进行修正后，作为电厂出力的预测控制目标，对电厂的机组进行控制。这个技术特征，保障了电网内各个电厂以分散控制方式，在送端电网解列时，协调合理地分配调节任务，使电网达到功率平衡，降低了常规控制系统存在的稳态频差；并保障了本实用新型的系统和安稳切机控制系统，可以不经通信联系，分散独立控制，天然地保持协调；本实用新型特征二:它是根据高频紧急状态下电厂出力的预测控制目标，对机组切除和机组功率调节两种措施联合进行优化决策，所述的优化决策是以电厂功率向下调节量最小为目标的；所述优化决策的命令，是对电厂的多台机组同步地分别发出切机命令或功率调整指令，所述功率调整指令是机组功率设定和机组功率变动量。这个特征，使电厂在电网高频状态下，根据测量得出预测数据，以一次性的快速切机的方式，保障电厂未切除的机组功率调节量最小，有效地限制了电网的频率飞升；本实用新型特征三:水轮机调速器采用附加功率变动信号的PID调速器，附加功率变动控制的PID调速器是在PID环节前部和后部均引入预测的功率变动信号。这个特征，使得水电机组在电网解列后的大幅调整中，在可靠保障机组安全前提下，更加准确和快速进行调整，大幅减少了调节过程中的频率飞升和超调导致的电网低频问题。本实用新型解决了稳态控制和解列后动态控制之间的矛盾性，在可靠保障水电机组安全的前题下，解决了送端电网解列时孤网内各机组之间的功率争夺导致的机电振荡问题，解决了快速功率调节与超调的冲突问题，达到了切机与快速调节功率的优化，实现了电厂预测切机、机组调速控制和电网安全稳定控制切机措施的协调，大幅提高了送端电网高频稳定水平；本实用新型采用预测、优化和协调控制技术，在发生送端电网解列、孤网甩负荷的情况时，在可靠保障水轮机组安全的同时，实现了五个协调:实现了水电厂预测切机与剩余机组功率调节的优化和协调，最大程度地抑制了水电机组甩负荷导致的电网频率飞升，提高了电网高频稳定水平；实现了水轮机组调速系统稳态控制与大扰动动态控制协调，既保持了良好的稳态特性，又能够在解列甩负荷大扰动情况下进行快速功率调节，抑制转速和频率飞升，解决了快速功率调节与超调的冲突问题，避免了高频调节过程中电网发生低频切负荷；实现孤网内各电厂机组之间的协调，孤网内机组按各自设定进行调节，避免了因机组特性和参数不同产生的功率抢夺和冲突而形成的振荡；实现了机组功率控制与孤网负荷的平衡和协调，孤网内机组各自预测的功率设定总和与孤网负荷相等，机组各自调节后，电网频率能够返回到额定频率；实现了电厂高频预测切机、机组功率调节控制与电网安全稳定切机措施的协调，本实用新型的控制系统与电网安全稳定切机措施可以不经通信连接和协作，各自动作和调节，保持天然的协调一致。本实用新型是以电厂单元进行分布独立控制，电厂之间，电厂与安稳切机不经通信相互协同，自动地相互协调，这种分散协调控制技术比电网集中控制技术，更具有可靠性和适应性，尤其适应于不可预见性质、难以实施控制措施的解列故障以及灾害条件下的送端电网；本实用新型不改变目前水轮机组其控制系统参数、已有的功能和性能，与国内现行相关标准、规范及规定不发生冲突，利于推广；本实用新型以低成本的控制技术，能够大幅提高送端电网高频稳定水平，提高不可预见性故障下的电网坚固性及灾害条件下电网的抗灾能力，提高机组的甩负荷能力，具有显著的安全社会效益。
:图1为本实用新型系统组成框图；图2为本实用新型预测与决策集中控制器单元组成示意图；图3为本实用新型机组预测功率调速器单元组成示意图；图4为电网解列甩出10%负荷时，常规调速系统调节特性示意图；图5为本实用新型电网解列甩出10%负荷时，机组预测功率调速系统调节特性示意图。
具体实施方式
:一种水电厂高频预测切机及预测调速装置，它包括(见图1):预测与决策集中控制器，预测与决策集中控制器作为厂级预测与决策控制中心，布置在升压站侧控制室内，将调节命令发给机组预测功率调速器，将切机命令发给升压站的断路器跳闸机构，通过DCS网络与电厂发电控制系统(AGC)进行功率控制协调，并将动作及状态信号发给电厂主控，各功能单元根据电厂机组和测量数量设计成插件式机箱，与配套通信装置组屏；机组预测功率调速器布置在机组集控侧；预测与决策集中控制器与机组预测功率调速器的通信经专用光纤通信装置进行通信，预测与决策集中控制器与电厂主控和发电控制系统(AGC)经水电站集散控制系统(DCS)的网络进行通信。预测与决策集中控制器的功能为:检测电网频率及机组转速，判断电网解列后的高频紧急状态，在高频紧急状态时刻，测量和存储电厂机组与联络线在该时刻功率和故障前的功率；根据测量功率计算保持电网功率平衡的下调功率总量，执行切机命令，将决策单元产生的机组功率设定和功率变动量发给机组预测功率调速器。预测与决策集中控制器包括(见图2):高频紧急状态判别单元1，将集中控制器通信单元5发来的各台机组转速信号ω ，与转速越限设定值《set比较后，得到转速越限信号，将各台机组转速越限信号进行逻辑或运算，同时电网频率采样，与电网频率f大于等于火电机组超速保护动作频率fopc的逻辑条件进行逻辑与的结果作为电网解列后的高频紧急状态信号，与测量单元2电信号连接；测量单元2，根据电网解列后高频紧急状态信号的上升沿时刻，将电厂联络线和机组的该时刻采样功率及该时刻之前η秒的采样功率，记入锁存器；将该时刻之前η秒的采样功率与该时刻采样功率相减得到的功率变动记入锁存器，并在高频紧急状态期间保持不变，与预测决策单元3电信号连接；电网解列故障发生后，孤网系统中各个电厂的功率将自然地重新分配，原理上，在电网解列的初始时刻，各电厂分配功率具有二个性质:性质一:电厂分配功率之和与电网负荷相等；性质二:孤网发电功率总变动量自然分配到孤网内的每台机组，是按机组容量与机组转动惯量时间常数的乘积的大小所形成的比例进行分配的。大型水电机组和火电机组的转动惯量时间常数差别不大，基本上是按照机组容量大小的比例分配孤网总功率变动量的，这种合理的分配方式在本实用新型中得到了施行。本实用新型在电网频率大于或等于电网内火电机组超速保护设定的动作频率(51.5Hz)时，测量此时刻的电厂功率(即联络线功率)，作为电厂出力的控制目标，对电厂的机组进行控制，这种对功率控制目标的预测与控制，能够保障了电网内各个电厂以分散控制方式，在送端电网解列时，协调合理地分配调节任务，使电网达到功率平衡，由于电网的等效转动惯量时间常数大于6.5秒，可以分析出安稳切机措施(动作时间0.2秒)在电网频率上升至51.5Hz之前完成，而本实用新型在51.5Hz时刻测量，因此，无论安稳切机系统是否动作，测量所预测的功率变动量AP都是正确的；这个性质，保障了电网中安稳切机系统与本实用新型所述的控制系统，可以不经相互通信和协作 ，以分散的方式，各自动作和独立调节，自然地协调配合。预测决策单元3，在电网解列后高频紧急状态信号触发下，根据测量单元2的锁存器数据，按优化策略预测计算出切除的机组的切机允许信号，发出高频预测切机信号至跳闸驱动，计算出未切机组的功率调节量及功率设定，发出机组功率变动和机组功率设定(本地)，与控制信息调理单元4电信号连接；所述优化策略是满足整个水电厂机组总功率变动量等于AF等约束条件下，以切机措施，使未切机组的功率调节量最小，有效限制电网频率飞升。具体的优化策略可用数学描述为:目标函数:
权利要求1.水电厂高频预测切机及预测调速装置，其特征在于:它包括:预测与决策集中控制器，预测与决策集中控制器与机组预测功率调速器电连接。
2.根据权利要求1所述的一种水电厂高频预测切机及预测调速装置，其特征在于:预测与决策集中控制器包括:高频紧急状态判别单元(1)，高频紧急状态判别单元(I)与测量单元(2)电连接；测量单元(2)与预测决策单元(3)电连接；预测决策单元(3)与控制信息调理单元(4)电连接；控制信息调理单元(4)与集中控制器通信单元(5)电连接；集中控制器通信单元(5)与机组侧通信单元(6)电连接。
3.根据权利要求1所述的一种水电厂高频预测切机及预测调速装置，其特征在于:机组预测功率调速器包括:机组侧通信单元(6)与衰减器单元(7)和附加功率变动信号的PID调速器单元(8)电连接；衰减器单元(7)与附加功率变动信号的PID调速器单元(8)电连接。
4.根据权利要求3所述的一种水电厂高频预测切机及预测调速装置，其特征在于:附加功率变动信号的PID调速器单元(8)包括PID模块和永态转差率单元，在PID模块输入侧永态转差率单元之前有一个变动量后置模块(8.1)，变动量后置模块(8.1)的第一加输入端与衰减器单元(7)连接、第二加输入端与机组侧通信单元(6)的机组功率设定输出端连接、减输入端与机组功率P输出端连接，变动量后置模块(8.1)的输出端与永态转差率单元的输入端连接；在PID模块输出侧有一个变动量前置模块(8.2)，PID模块的输出与变动量前置模块(8.2)的加输入端连接，变动量前置模块(8.2)的减输入端与衰减器单元(7 )的输出端连接，变动量前置模块(8.2)的输出端与电气限速限幅模块(8.3)连接。
5.根据权利要求1所述的水电厂高频预测切机及预测调速装置，其特征在于:它是在电网频率大于或等于其范围为50.5Hz飞1.6Hz中的一个设定值，发出高频紧急状态信号，测量机组和联络线在该时刻功率和解列故障前的功率，记入存储器并在紧急状态期间保持。
6.根据权利要求3所述的水电厂高频预测切机及预测调速装置，其特征在于:机组预测功率调速器采用附加功率变动信号的PID调速器，所述的附加功率变动信号的PID调速器是在PID环节 前部和后部均引入预测的功率变动信号。
专利摘要本实用新型公开了水电厂高频预测切机及预测调速装置，它包括预测与决策集中控制器，与机组预测功率调速器电连接；预测与决策集中控制器根据送端电网解列时水电厂发电功率的初始状况，预测出与孤网负荷平衡的水电厂出力调节量、对厂内机组切机和功率调节控制进行优化，实施快速准确的预测切机和未切机组的协调调速控制，机组预测功率调速器在可靠保障水电机组安全的前题下，最大程度低抑制解列后电网的频率飞升和超调，解决了送端电网因故障与受端解列时，机组之间会发生功率争夺导致机组功率和电网频率发生大幅度的振荡在送端电网解列的大扰动情况下，还可能发生超调，导致电网低频切负荷等问题。
文档编号H02J3/46GK203086160SQ201220677309
公开日2013年7月24日 申请日期2012年12月10日 优先权日2012年12月10日
发明者邓朴, 唐戢群, 柏毅辉, 张锐峰, 钟晶亮, 邓彤天, 马世英, 王青, 赵庆明 申请人:贵州电网公司电网规划研究中心, 贵州电力试验研究院, 中国电力科学研究院