专利名称：保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电网安全控制领域和汽轮发电机组热力控制领域，尤其涉及到一种保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统。
背景技术：
送端电网内的汽轮发电机组的发电功率通过电网送向受端电网，如果送端电网与受端电网故障解列或孤网状态下负荷线路跳闸，汽轮发电机功率超过了负荷，就会引起电网频率和机组转速上升，如果电网功率不平衡程度较大，过高的转速就会危及汽轮机叶片的安全，导致切机，从而引发电网高频失稳。
在电网高频状态下，汽轮发电机组超速保护(OPC)会动作，关闭蒸汽阀门快速降低机组 出力，可以使电网频率快速返回到正常，以保障汽轮机安全。但是当OPC动作结束时，阀门的控制又转回到调速器的一次调频和功率控制，此时的调速器失去了正确的控制设定，仍然保持在解列前的、很大程度上超过孤网负荷水平的功率设定，使得机组又开始增加出力，电网又再次返回到高频状态，从而引起OPC再次动作。这一过程循环反复，导致电网频率和机组功率呈周期性的锯齿状大幅波动，最终导致孤网大面积失电。这种情况，在国内送端电网解列事故中多次出现。研究发现，在现行标准、规程和规范性文件所规定的技术条件下，火电机组调速系统的高频稳定裕度很低，解列时如果火电机组功率超过负荷功率的12% (即电网不平衡率)左右，孤网频率就不会稳定。尤其是大机小网构成的送端电网，电网安全稳定控制系统和高频切机自动装置难以将孤网不平衡率控制在12%以内，高频稳定不能够够得到保障，严重影响了送端电网和机组的安全稳定可靠运行。由于锅炉的能量调整过程慢于汽轮机的功率调整过程，而汽轮机的功率调整过程又慢于电网的机电暂态过程。在送端电网解列时，汽轮机的功率调整过程的迟缓，导致转速过高，引起汽轮机叶片安全问题；锅炉的能量调整过程的迟缓，导致主汽压力过高，造成安全门动作，容易导致机组切机。因此，加快汽轮机和锅炉的调整过程，是解决送端电网解列时闻频稳定问题的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题提供一种保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统，以解决在送端电网解列时，汽轮机的功率调整过程的迟缓，导致转速过高，弓丨起汽轮机叶片安全问题；锅炉的能量调整过程的迟缓，导致主汽压力过高，造成安全门动作，容易导致机组切机等问题。本发明技术方案
一种保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统，它包括
高频紧急状态及预测单元，根据输入信号判别电网是否处于高频紧急状态，在高频紧急状态时输出快速功率回降信号、功率控制目标、机组功率设定和功率变动率，与调速器预测控制单元和锅炉预测控制单元电连接；
调速器预测控制单元，在高频紧急状态下，根据高频紧急状态及预测单元发来的功率设定进行PID功率控制，在超速保护OPC动作信号发出期间，将积分输出状态重新调整为预测的功率设定，在快速功率回降信号发出期间，取消或降低调节指令限速环节的限制，将输出的高压阀门指令送入到调速机构的伺服器，与调速机构的伺服器电连接；
锅炉预测控制单元，在电网高频紧急状态下，根据高频紧急状态及预测单元发来的快速功率回降信号，自动地将模拟量控制系统MCS控制方式转换为锅炉跟随BF方式，根据功率变动率联切磨煤机，加快燃料供给过程的响应，在快速功率回降信号发出时，对电动释压阀PCV进行开闭控制，根据功率变动率信号对旁路BP进行控制，与锅炉及辅机电连接；
高频紧急状态及预测单元包括
高频紧急状态判别模块，根据超速保护OPC动作信号、转速信号和机组脱网信号进行逻辑运算，判断系统是否处于高频紧急状态，与紧急状态展宽模块电连接；
紧急状态展宽模块，根据高频紧急状态判别模块送入的高频紧急状态信号，按设定的时间进行展宽，输出为快速回降功率信号，与功率变动率存储器、功率设定存储器和监控系统电连接；
发电机功率、频率与电压采集模块，对发电机端的功率、频率和电压进行采集，与功率、频率和电压因子修正模块电连接；
功率、频率和电压因子修正模块，根据电网负荷的频率及电压因子修正发电机功率，使OPC动作时测量的发电机功率，在总量上与负荷平衡，所属模块的输出一路经延时器后与功率变动率存储器电连接，一路直接与功率变动率存储器电连接，一路与功率设定存储器电连接；
功率变动率存储器，受快速回降功率信号FB的上升沿触发，计算解列时发电机功率与解列前发电机功率之比，写入存储器并保持；
功率设定存储器，在紧急状态展宽模块输出上升沿的时刻，将该“紧急”时刻测量的机组功率写入存储器，在紧急状态展宽期间保持并作为机组功率设定输出，在紧急状态，存储
器将一直保持。调速器预测控制单元包括状态可重置的积分环节模块和紧急状态限速退出模块，状态可重置的积分环节模块通过第三加法器与紧急状态限速退出模块连接。锅炉预测控制单元包括
“功率跟随”控制方式转换模块根据高频紧急状态及预测单元发送来的快速回降信号、将模拟量控制系统MCS的控制方式设置为“锅炉跟随”方式，与第一路由开关电连接；“锅炉跟随”控制器输出跟踪模块，在其他的控制方式下，使“锅炉跟随”控制器形成一个对主汽门压力进行跟踪的闭环，保持PID的正确的输出状态，避免在高频紧急状态下切换到“锅炉跟随”控制方式时，输出状态的发生跃变，与第一加减器电连接；
磨煤机切除及燃料分配模块，根据功率变动率，在高频紧急状态量的起始时刻，触发启动磨煤机切除逻辑，切除最接近于功率变动率的相应磨煤机数量，加速燃料的控制响应速 度，减轻燃料调整迟缓导致主汽压力高的问题。所述的保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统，它是在超速保护(OPC )动作的时刻，测量发电机有功功率，有功功率或经修正计算后，作为预测的机组功率控制设定，对机组功率进行控制。所述的保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统，在超速保护(OPC)动作信号发出期间，将调速器的功率PID控制中积分环节的输出状态，调整为预测功率设定的换算数值，所述预测的功率设定的换算数值是在OPC动作初始时刻测量的发电机有功功率，经修正和换算，再作为积分环节的输出状态的置换数值。
本发明有益效果
本发明在送端电网解列后，孤网潮流会立即发生变化，孤网中各个电厂的功率将自然地重新分配，利用在高频紧急状态下初始时刻的自然分配功率， 经频率和电压因子修正后作为预测的功率设定，这是本发明的具有的一个特征。这个特征保障了电网内各个电厂以分散独立的控制方式，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；并保障了本发明的系统和安稳切机控制系统，可以不经通信联系，独立地控制，天然地保持协调。本发明采用预测控制技术，在送端电网解列、孤网甩负荷及机组脱网甩负荷的情况下，实现了五个协调，有效提高了送端电网和机组安全稳定性能，具体地
实现了 Opc —次调频、功率控制的协调；在有效保障汽轮机叶片安全的同时，提高调速系统和电网的稳定性。实现了调速系统与锅炉控制之间协调，即功率与燃料汽压控制之间协调，克服了汽轮机和锅炉控制之间因快慢不同而产生的冲突，有效防止汽压过高导致安全门动作，提高了机组安全可靠性。实现孤网内各电厂机组之间的协调，孤网内机组合理分担孤网甩负荷后的功率调整任务，机组按各自设定进行进行调节，不会发生因机组特性和参数不同导致的功率抢夺和冲突,避免了由此形成的振荡。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。实现了机组控制与电网安全稳定切机措施的协调，机组控制与电网安全稳定切机措施可以不经通信连接和协作，各自调整和动作，两者的配合保持天然的协调一致。本发明是以机组为单元进行分散独立控制，机组之间、机组与安稳切机不经通信连系，自动地相互协调。这种分布协调控制技术，对于不可预见性质故障导致的送端电网解列，对于灾害条件下的孤网高频稳定，具备很强适应性，
本发明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，提高机组安全性，具有显著的社会效益
本发明以低成本的控制技术，有效解决大机小网的频率安全稳定问题，消除这个制约因素后，电网就可以在规划时将大型机组接入220kV区域电网，消纳负荷后通过500kV联络变送出，消除了负荷电流的迂回，大大降低了的输电网的电能损耗，是一种投入少、成效大的节能减排措施。本发明解决了大型机组接入220kV区域电网关键问题，大型机组接入220kV区域电网后，发电功率消纳220kV区域电网负荷，送入500kV电网功率大量减少，相应减少了500kV输变电设施的容量，可以相应节省500kV电网一次设备的巨额投资，具有显著的经济效益。本发明利用送端电网解列后机组功率的自然分配特性，不需要建设集中式控制系统，以分散控制方式进行控制，具有实施技术简单，成本低廉的特点，并且，本发明与国内现行相关标准、规范及规定不发生冲突，利于现有技术之上进行开发和改造，利于推广，解决了在送端电网解列时，汽轮机的功率调整过程的迟缓，导致转速过高，引起汽轮机叶片安全问题；锅炉的能量调整过程的迟缓，导致主汽压力过高，造成安全门动作，容易导致机组切机等问题。
图I为本发明各控制单元组成框 图2为本发明高频紧急状态及预测单元模块结构示意 图3为本发明调速器预测控制单元模块结构示意 图4为本发明锅炉预测控制单元模块结构示意 图5为常规调速系统在电网甩出40%负荷时的仿真 图6为本发明控制系统在甩出40%机组出力时的仿真图。
具体实施例方式 送端电网解列时孤网机组功率分配的原理和性质
在送端电网解列时，孤网潮流立即变化，机组发电功率重新分配，本发明的理论基础，建立在孤网解列后机组发电功率分配的性质之上，由于电网机电过程复杂，必须在理想状态下推导其性质，然后分析实际电网与理想电网偏离性。
在送端电网解列时，孤网内各台发电机的电磁同步转矩相互牵挽，电网中的各个机组能够保持同步，转速上升速度基本一致，到达OPC动作(3090rpm)的时刻基本相同，因此，可以假定孤网内机组转速一致。电网解列后与OPC动作之前这个时段，因阀门伺服、管道及汽缸的时间延迟，可以假定原动机的机械功率在OPC动作之前，功率不发生变化；在忽略负荷的电压和频率效应后，可以得到假定状态下送端电网解列时机组功率分配的性质。根据电网潮流在同一时刻保持平衡的原理，电网解列后，机组在OPC动作的时刻相同，此时刻下孤网所有的机组各自测量的发电功率，与孤网负荷相等，称为性质I。性质I表明，电网内的所有机组，在OPC动作的时刻测量的机组发电功率，作为调速系统的功率设定进行各自调整，能够使电网发电功率与负荷相等，电网频率能够返回到额定。
孤网内有m台发电机组，根据机电原理可以推导出如下标幺化公式
权利要求
1.保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统，它包括 高频紧急状态及预测单元(I )，根据输入信号判别电网是否处于高频紧急状态，在高频紧急状态时输出快速功率回降信号、功率控制目标、机组功率设定和功率变动率，与调速器预测控制单元(2)和锅炉预测控制单元(3)电连接； 调速器预测控制单元(2)，在高频紧急状态下，根据高频紧急状态及预测单元(I)发来的功率设定进行PID功率控制，在超速保护OPC动作信号发出期间，将积分输出状态重新调整为预测的功率设定，在快速功率回降信号发出期间，取消或降低调节指令限速环节的限制，将输出的高压阀门指令送入到调速机构的伺服器，与调速机构的伺服器电连接； 锅炉预测控制单元(3)，在电网高频紧急状态下，根据高频紧急状态及预测单元(I)发来的快速功率回降信号，自动地将模拟量控制系统MCS控制方式转换为锅炉跟随BF方式，根据功率变动率联切磨煤机，加快燃料供给过程的响应，在快速功率回降信号发出时，对电动释压阀PCV进行开闭控制，根据功率变动率信号对旁路BP进行控制，与锅炉及辅机电连接。
2.根据权利要求I所述的保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统，其特征在于高频紧急状态及预测单元包括 高频紧急状态判别模块，根据超速保护OPC动作信号、转速信号和机组脱网信号进行逻辑运算，判断系统是否处于高频紧急状态，与紧急状态展宽模块电连接； 紧急状态展宽模块，根据高频紧急状态判别模块送入的高频紧急状态信号，按设定的时间进行展宽，输出为快速回降功率信号，与功率变动率存储器、功率设定存储器和监控系统电连接； 发电机功率、频率与电压采集模块，对发电机端的功率、频率和电压进行采集，与功率、频率和电压因子修正模块电连接； 功率、频率和电压因子修正模块，根据电网负荷的频率及电压因子修正发电机功率，使OPC动作时测量的发电机功率，在总量上与负荷平衡，所属模块的输出一路经延时器后与功率变动率存储器电连接，一路直接与功率变动率存储器电连接，一路与功率设定存储器电连接； 功率变动率存储器，受快速回降功率信号FB的上升沿触发，计算解列时发电机功率与解列前发电机功率之比，写入存储器并保持； 功率设定存储器，在紧急状态展宽模块输出上升沿的时刻，将该“紧急”时刻测量的机组功率写入存储器，在紧急状态展宽期间保持并作为机组功率设定输出，在紧急状态，存储器将一直保持。
3.根据权利要求I所述的保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统，其特征在于调速器预测控制单元(2)包括状态可重置的积分环节模块(3. I)和紧急状态限速退出模块(3. 2)，状态可重置的积分环节模块(3. I)通过第三加法器(3. 5)与紧急状态限速退出模块(3. 2)连接。
4.根据权利要求I所述的保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统，其特征在于锅炉预测控制单元(3)包括 “功率跟随”控制方式转换模块(4. I):根据高频紧急状态及预测单元(I)发送来的快速回降信号、将模拟量控制系统MCS的控制方式设置为“锅炉跟随”方式，与第一路由开关(4.4)电连接； “锅炉跟随”控制器输出跟踪模块(4. 2)，在其他的控制方式下，使“锅炉跟随”控制器形成一个对主汽门压力进行跟踪的闭环，保持PID的正确的输出状态，避免在高频紧急状态下切换到“锅炉跟随”控制方式时，输出状态的发生跃变，与第一加减器(4. 5)电连接； 磨煤机切除及燃料分配模块(4. 3)，根据功率变动率，在高频紧急状态量的起始时刻，触发启动磨煤机切除逻辑，切除最接近于功率变动率的相应磨煤机数量，加速燃料的控制响应速度，减轻燃料调整迟缓导致主汽压力高的问题。
5.根据权利要求I所述的保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统，其特征在于它是在超速保护(OPC)动作的时刻，测量发电机有功功率，有功功率或经修正计算后，作为预测的机组功率控制设定，对机组功率进行控制。
6.根据权利要求I所述的保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统，其特征在于在超速保护(OPC)动作信号发出期间，将调速器的功率PID控制中积分环节的输出状态，调整为预测功率设定的换算数值，所述预测的功率设定的换算数值是在OPC动作初始时刻测量的发电机有功功率，经修正和换算，再作为积分环节的输出状态的置换数值。
全文摘要
本发明公开了一种保障送端电网安全稳定的火电机组功率预测控制系统，它包括高频紧急状态及预测单元(1)，与调速器预测控制单元(2)和锅炉预测控制单元(3)电连接；调速器预测控制单元(2)，与调速机构的伺服器电连接；锅炉预测控制单元(3)，与锅炉及辅机电连接；在送端电网解列时，测量出电网自然分配给机组的功率，换算得到保持孤网平衡、分配公正的机组预测功率设定，机组预测控制方法对汽轮机和锅炉实施快速和准确的控制调整，有效地保障了锅炉、汽轮机与电网之间能量的动态平衡，解决了超速保护(OPC)的振荡问题，大幅提高了送端电网高频稳定水平和机组的安全性。
文档编号H02P9/04GK102946224SQ201210536379
公开日2013年2月27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, 皮显松, 李庆生, 赵庆明, 农静, 张裕, 钟以林, 高华, 李丽娟 申请人:贵州电网公司电网规划研究中心