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案例頻道 活動鏈接：2013年控制網(wǎng)行業(yè)專題---節(jié)能增效 電力新發(fā)展
1 前言
克拉瑪依電廠目前裝機容量達233MW，發(fā)電量占克拉瑪依電網(wǎng)的70%，并承擔(dān)克拉瑪依電網(wǎng)的大部分峰谷差，有時峰谷差高達60MW，機組啟停頻繁，克拉瑪依電網(wǎng)與烏魯木齊電網(wǎng)聯(lián)網(wǎng)后，周率變化快，聯(lián)絡(luò)線負荷波動大，單純靠值長憑經(jīng)驗進行人工調(diào)度，值班員憑經(jīng)驗監(jiān)視調(diào)整，不僅工作難度和強度大，而且很難滿足聯(lián)絡(luò)線的調(diào)節(jié)要求，克拉瑪依電廠面臨較大的經(jīng)濟考核壓力。為解決上述問題, 開展了克拉瑪依電廠自動發(fā)電控制系統(tǒng)（Automatic Generation Control 簡稱AGC）應(yīng)用研究。
2 自動發(fā)電控制（AGC）技術(shù)綜述
克拉瑪依電廠AGC系統(tǒng)與其它電廠AGC系統(tǒng)存在很大差異，首先內(nèi)地電網(wǎng)內(nèi)都具備一個或幾個調(diào)頻電廠來保證系統(tǒng)周率穩(wěn)定，而新疆電網(wǎng)內(nèi)部無專門用于調(diào)頻的電廠，整個電網(wǎng)周率波動較大，內(nèi)地大部分電廠調(diào)節(jié)對象為本廠每臺機組的負荷，負荷控制指令由中調(diào)直接下達，它們只需根據(jù)負荷指令進行機組負荷調(diào)節(jié)。而克拉瑪依電廠是克拉瑪依電網(wǎng)主力電源，整個克拉瑪依電網(wǎng)的負荷平衡由克拉瑪依電廠保證，調(diào)節(jié)對象為聯(lián)絡(luò)線負荷克拉瑪依電廠是以燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)發(fā)電為主，由于克拉瑪依電網(wǎng)和電廠自身的特點，克拉瑪依電廠AGC系統(tǒng)具有自己的獨特性：在克拉瑪依電廠設(shè)置負荷分配站，根據(jù)聯(lián)絡(luò)線的負荷實際值計劃值進行比較，經(jīng)過運算輸出負荷分配指令到各個單元機組的協(xié)調(diào)控制器，對各機組進行負荷控制。AGC控制結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
圖1 AGC控制結(jié)構(gòu)圖
3 自動發(fā)電控制（AGC）研究的主要內(nèi)容
3.1 通訊接口
（1）AGC系統(tǒng)與中調(diào)和ECS系統(tǒng)通訊均采用循環(huán)式遠動CDT規(guī)約實現(xiàn)。循環(huán)式遠動規(guī)約（CDT）它適用于點對點的遠動通道結(jié)構(gòu)及以循環(huán)同步方式傳送遠動信息的遠動設(shè)備與系統(tǒng)。AGC系統(tǒng)與中調(diào)通訊物理連接采用光纜將中調(diào)SDH機柜和我廠SDH機柜相連，我廠SDH機柜再以串口形式與AGC系統(tǒng)MOXA多串口服務(wù)器相連。通過軟硬件的調(diào)試，最終將聯(lián)絡(luò)線負荷，周率傳輸?shù)诫姀S的AGC系統(tǒng)，用于電廠的負荷調(diào)節(jié)。
（2）AGC系統(tǒng)與#1、#2燃機通訊采用MODBUS通訊協(xié)議。AGC系統(tǒng)與#1、#2燃機通訊物理連接采用雙絞線將#1、2燃機遙控操作員站與AGC系統(tǒng)MOXA多串口服務(wù)器相連。將#1、2燃機有功、無功、進氣溫度、IGV角度、負荷預(yù)選值、負荷設(shè)定值、平均排氣溫度、排氣溫度基準(zhǔn)、最大振動、無功設(shè)定值等信號傳輸?shù)紸GC系統(tǒng)，同時將AGC系統(tǒng)負荷控制的指令傳到#1和#2燃機的MARK V系統(tǒng)中，通過修改燃機的預(yù)選負荷設(shè)定點，達到控制燃機的負荷目的。
（3）AGC系統(tǒng)與#3燃機通訊采用GSM（GEDS Standard Message）以太網(wǎng)協(xié)議通訊。TCP/IP GSM協(xié)議支持以下4類運用層的信息：管理信息，由MARK V發(fā)送至DCS，反映通訊鏈路可用性；事件驅(qū)動信息，當(dāng)報警發(fā)生/清除、系統(tǒng)事件發(fā)生/清除以及SOE開關(guān)量開/合時，MARK VI自動將這些信息傳送給DCS，每個邏輯點帶有單獨的時間標(biāo)簽；定期的數(shù)據(jù)信息，MARK V中的所有約5000點數(shù)據(jù)都可以由DCS定義為數(shù)據(jù)組，加上組時間標(biāo)簽后，以1S的周期發(fā)送至DCS。#3燃機MarkV控制系統(tǒng)與AGC系統(tǒng)C網(wǎng)交換機相連，將#3燃機相關(guān)信號傳輸?shù)紸GC系統(tǒng)，同時將AGC系統(tǒng)負荷控制的指令傳到#3燃機的MARK V系統(tǒng)中，通過修改燃機的預(yù)選負荷設(shè)定點，達到控制燃機的負荷目的。
（4）AGC系統(tǒng)與#4燃機通訊采用OPC通訊協(xié)議。OPC（OLE for Process Control）作為一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已廣泛應(yīng)用于工控領(lǐng)域。XDPS系統(tǒng)OPC客戶端程序是作為一個I/O驅(qū)動程序附著在VDPU程序上，通過兩部分Opcdrv.dll驅(qū)動程序動態(tài)連接庫文件和Opcdrv.ini驅(qū)動程序文件的配置，將#4燃機相關(guān)信號傳輸?shù)紸GC系統(tǒng)，同時將AGC系統(tǒng)負荷控制的指令傳到#4燃機的MarkVIe系統(tǒng)中，實現(xiàn)對燃機負荷的控制。
3.2 燃機蓄量預(yù)測
（1）燃機基本負荷預(yù)測：汽輪機的額定負荷是定值，而燃機基本負荷受環(huán)境溫度、濕度、大氣壓、機組清潔系數(shù)以及單循環(huán)聯(lián)合循環(huán)運行模式等因素影響。同時，燃機的最高負荷還受發(fā)電機、開關(guān)、變壓器容量等因素的限制。聯(lián)合循環(huán)方式運行時，為保證聯(lián)合循環(huán)機組效率和鍋爐主汽溫度有足夠的過熱度、保證汽機安全穩(wěn)定運行，要求燃機帶負荷不能過低。我們根據(jù)GE的控制規(guī)范、燃機的各種實際運行參數(shù)，通過函數(shù)功能計算出燃機的最高和最低允許負荷，如表1所示。
表1 #1－＃4燃機聯(lián)合循環(huán)在不同環(huán)境溫度下最高最低允許負荷
以上求出的只是各燃機在不同環(huán)境溫度下的功率理論值，它還不能超過我廠規(guī)定的各臺燃機的最高負荷限制。并且，機組最大額定功率還與發(fā)電機開關(guān)、變壓器容量等因素有關(guān)。單臺燃機正常運行時，為使燃機運行穩(wěn)定，保證一定的機組效率，單臺燃機應(yīng)運行在一定的負荷以上，這個負荷值就是其最小額定功率#GT1為4MW、#GT2為4MW、#GT3為4MW、#GT為8MW。AGC系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計中的參數(shù)，在不同運行方式，自動給出不同的機組負荷變化范圍，使AGC負荷指令不要超出這個范圍。
（2）燃機增儲量減儲量計算：燃機機組的實際負荷與其允許負荷之間差值為燃機的調(diào)節(jié)蓄量，分為增負荷蓄量和減負荷蓄量。負荷蓄量計算原理如圖2所示。
圖2 增減負荷儲量框圖
負荷分配站根據(jù)聯(lián)絡(luò)線的負荷參數(shù)和聯(lián)絡(luò)線給定曲線比較，當(dāng)燃機的調(diào)節(jié)蓄量小于某一定值，發(fā)出報警，“增加（減少）#7-#10機的負荷”。此時自動調(diào)節(jié)仍起作用，直到調(diào)節(jié)蓄量為零，當(dāng)人工加減#7-#10機的負荷后，應(yīng)通過內(nèi)擾控制，調(diào)整燃機的負荷，保證燃機隨時有一定的調(diào)整蓄量。
（3）燃機在投AGC時負荷允許變化率：對于燃氣輪機在AGC中的負荷變化率，一般可以參考機組制造廠提供的數(shù)據(jù)對控制系統(tǒng)進行初步設(shè)定，然后在此基礎(chǔ)上進行大量的啟動和負荷變動試驗，試驗研究首先應(yīng)該考慮機組安全和可靠性，同時應(yīng)該研究經(jīng)濟性，在保證安全的前提下既要滿足電網(wǎng)的調(diào)節(jié)要求，又要使電廠得到較好的經(jīng)濟性。由此得出適合具體機組的負荷變動率。
3.3 自動發(fā)電控控制策略
在燃機負荷分配中采用兩種策略，一是效率優(yōu)先策略，二是負荷響應(yīng)優(yōu)先策略
（1）效率優(yōu)先策略是指按照燃機的效率排序，盡可能地讓效率高低機組帶滿負荷，效率低機組少帶負荷。加負荷時，先加效率最高的燃機的負荷，當(dāng)該燃機達到最大出力后，再加效率其次的燃機的負荷，最后加三臺燃機中效率最低的燃機負荷，當(dāng)燃機調(diào)節(jié)蓄量小于一定值后，發(fā)出報警提示“加#7-#10機負荷”。減負荷時相反，先減效率最低燃機負荷，再減三臺燃機中效率值居中的燃機負荷，最后減效率最高燃機負荷。當(dāng)減到效率最高燃機負荷時，應(yīng)發(fā)出報警提示“手動減#7-#10機的負荷”，當(dāng)值班員手動調(diào)整#7-#10機的負荷后，應(yīng)通過內(nèi)擾控制回路調(diào)整燃機的負荷。為了保證燃機向上和向下的調(diào)節(jié)蓄量，在AGC中可設(shè)計多級報警進行提示。
圖3 效率優(yōu)先負荷分配框圖
（2）負荷響應(yīng)優(yōu)先是指首先保證負荷的調(diào)節(jié)質(zhì)量，根據(jù)每臺燃機的調(diào)節(jié)蓄量按蓄量比例分配需增加和減少的負荷，這樣每臺機組都沒有帶滿，未考慮燃機的經(jīng)濟性，主要考慮的是調(diào)節(jié)的快速性，穩(wěn)定性。在考慮經(jīng)濟的情況下，值班員可將某臺燃機退出AGC，手動加減到一定負荷后再投入AGC功能，如圖4所示。
圖4負荷響應(yīng)優(yōu)先負荷分配框圖
3.4燃機、余熱爐、汽機的負荷協(xié)調(diào)控制
燃機負荷響應(yīng)快，由于余熱鍋爐的熱慣性，汽輪機負荷響應(yīng)較慢。需要增減的負荷時，先全部增加或減少燃機的負荷，以滿足聯(lián)絡(luò)線的需求，等余熱爐的蒸汽量和汽輪機的負荷發(fā)生變化后，再反相調(diào)節(jié)燃機的負荷，逐漸達到平衡，實現(xiàn)燃機、余熱爐及汽輪機的自動協(xié)調(diào)控制，如圖5所示。
圖5負荷響應(yīng)優(yōu)先負荷分配框圖
4 自動發(fā)電控制應(yīng)用效果
AGC系統(tǒng)投入運行后，實現(xiàn)了電廠4臺燃機負荷自動分配、燃機和汽機負荷協(xié)調(diào)控制。在未投AGC時，汽機和燃機手動調(diào)整頻繁，#9機調(diào)速開關(guān)、調(diào)速電機陸續(xù)出現(xiàn)故障，造成調(diào)整偏差過大，電廠平均合格率僅為48.55%。實施AGC后，全廠負荷自動分配，聯(lián)絡(luò)線合格率大幅提高。 以下選取2007年和2008年同一時段的聯(lián)絡(luò)線合格率進行比較，聯(lián)絡(luò)線平均合格率由59.86%上升至94.57%，合格率上升34.71個百分點，如圖6所示。
圖6 2007年和2008年同一時段的聯(lián)絡(luò)線合格率對比圖
5 結(jié)束語：
克拉瑪依電廠率先在全疆實現(xiàn)了自動發(fā)電控制，滿足電能供需實時平衡，提高電網(wǎng)運行的經(jīng)濟性，減少調(diào)度運行人員的勞動強度，它將合理地調(diào)配各臺機組的負荷調(diào)節(jié)任務(wù)，經(jīng)濟分配各臺機組的負荷，提高機組的穩(wěn)定性，延長主、輔機組設(shè)備的壽命。為克拉瑪依電網(wǎng)的穩(wěn)定發(fā)展和我廠的高效運轉(zhuǎn)起到十分積極的作用。
參考文獻：
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[2] 王士政.電網(wǎng)調(diào)度自動化與配網(wǎng)自動化技術(shù)（第二版）[M].水利水電出版社,2006.04.
[3] 王葵,孫瑩.電力系統(tǒng)自動化（第二版）[M].中國電力出版社,2007.01.
何旭(1972-)
男，四川南部人，本科，工程師，主要從事電力系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)應(yīng)用、燃氣輪機控制系統(tǒng)應(yīng)用方面的研究，現(xiàn)任新疆油田公司克拉瑪依電廠自動化所所長
摘自《自動化博覽》2011年第二期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號