水布垭电厂调速器一次调频控制程序分析与优化

２０２１年第１期２０２１Ｎｕｍｂｅｒ１水电与新能源
ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲＡＮＤＮＥＷＥＮＥＲＧＹ第３５卷
Ｖｏｌ．３５
ＤＯＩ：１０．１３６２２／ｊ．ｃｎｋｉ．ｃｎ４２－１８００／ｔｖ．１６７１－３３５４．２０２１．０１．０１９
收稿日期：２０２０－１１－０６
作者简介：郑艳梅，女，助理工程师，从事水电站自动化电气设备的维护与检修工作。

水布垭电厂调速器一次调频控制程序分析与优化
郑艳梅，饶士立
（湖北清江水电开发有限责任公司，湖北宜昌　４４３０００）
摘要：水布垭电厂调速器一次调频动作正确、响应及时，但一次调频贡献电量不足且不合格。

通过对水布垭电厂调速器
原有的一次调频控制程序进行分析发现，一次调频贡献电量不合格是由于一次调频控制程序不完善引起的，经优化一次调频调节算法，使机组的一次调频贡献电量满足了相关技术指标要求。

关键词：一次调频；调速器；优化；水头系数；频差系数；开度调节模式
中图分类号：ＴＶ７３４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－３３５４（２０２１）０１－００７３－０２
ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＯｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＰｒｉｍａｒｙＦｒｅｑｕｅｎｃｙＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌＰｒｏｇｒａｍ
ｆｏｒＨｙｄｒｏ ｔｕｒｂｉｎｅＧｏｖｅｒｎｏｒｉｎＳｈｕｉｂｕｙａＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎ
ＺＨＥＮＧＹａｎｍｅｉ，ＲＡＯＳｈｉｌｉ
（ＨｕｂｅｉＱｉｎｇｊｉａｎｇＨｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｙｉｃｈａｎｇ４４３０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｔｉｓｆｏｕｎｄｉｎＳｈｕｉｂｕｙａＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒＳｔａｔｉｏｎｔｈａｔｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａ ｔｉｏｎｉｓｉｎｓｕｆｆｉｃｉｅｎｔａｎｄｕｎｑｕａｌｉｆｉｅｄｅｖｅｎｗｈｅｎｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｇｏｖｅｒｎｏｒｉｓｃｏｒｒｅｃｔａｎｄｔｉｍｅｌｙｒｅｓｐｏｎｄｅｄ．Ａｎａｌｙｓｉｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｉｓｃａｕｓｅｄｂｙｔｈｅｉｍｐｅｒｆｅｃｔｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｇｒａｍｏｆｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｔｈｕｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ａｆｔｅｒｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ，ｔｈｅｕｎｉｔｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙｃｏｎ ｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｆｕｌｆｉｌｌｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｒｅｌｅｖａｎｔｔｅｃｈｎｉｃａｌｉｎｄｅｘｅｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｒｉｍａｒｙｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｇｏｖｅｒｎｏｒ；ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｈｅａｄｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｆｓｅｔｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ；ｏｐｅｎ ｉｎｇｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｍｏｄｅ
水布垭水力发电厂位于清江中游的巴东县水布垭镇，共有４台水轮发电机组，单机容量４６０ＭＷ，装机容量１８４０ＭＷ，是湖北电网调峰调频主力。

目前４台机组一次调频的人工死区为±０．０５Ｈｚ。

２０１７年５月，水布垭电厂４台机组在进行一次调频复核试验时，一次调频动作正确、响应及时，但一次调频贡献电量不足且不合格。

目前电网对供电电能质量要求越来越高，一次调频功能已纳入电网辅助服务考核，一次调频贡献电量不足将被电网考核。

２０１７年４月，电网出现２次大的频率波动，水布垭电厂每台机组的一次调频贡献电量两次均不合格且被电网考核，产生了一定的经济损失。

１　原因分析
由图１并查阅文献［１］可知，水布垭电厂机组调
速器控制模型为串联型Ｐ
ＩＤ结构。

水布垭电厂调速器正常工作于开度控制方式，此调节方式下一次调频调节量以导叶开度为叠加量形成闭环控制，而开度叠加量仅依据调节频差计算，未考虑水头和其他因素的影响，即任何水头下均以相同开度调节量叠加。

一次调频调节量在不同水头不同调节频差下的有功功率调节量存在较大差异。

水布垭电厂机组历年来的水头变化与防汛要求是相一致的。

每年３月，水库开始降低水位，全年的最低水位大概在６～９月底；汛期结束，大概从１
０月中旬开始抬升水位，直至１１月中下旬，全年的最高水位大概１１月底～第二年的３月。

水头的变化对机组负荷和一次调频的效果有很明显的影响因素。

根据湖北清江水布垭水力发电厂１～４号机组一次调频试验报告，２０１３年１１～１２月，中国电力科学研究院进行水布垭电厂机组的水轮机及其调节系统模型参数
测试期间的水头大概在额定水头１８５ｍ，而在２０１７年，一次调频复核性试验期间的水头只有１７５ｍ，参数优化前的频率阶跃扰动检查性试验中的调差率均不合格。

除此之外，２０１７年４月，电网出现２次大的频率波动，水布垭电厂每台机组的一次调频贡献电量两次均不合格，查询当时水头仅为１７０ｍ，与机组额定水头１８５ｍ有一定差距。

参考文献［２］和［３］，并在前述分析基础上，得出结论：在调速器的一次调频调节算法中，
需考虑水头的变化。

图１　水布垭电厂机组一次调频控制模型原理图
同时，在频率阶跃扰动试验过程中，发现水轮机组导叶接力器的动作初始阶段的机械阻尼比较大，小频差扰动引起的功率变化小于等比例条件下的大频差引起的功率变化。

因此，也要考虑小频差下的功率变化幅度问题。

２　优化处理
由上分析，确定了水布垭电厂四台机组调速器控
制逻辑修改原则：
１）保持基本的调速器参数不变，以便保证ＡＧＣ能够稳定运行；
２）一次调频逻辑要考虑水头的变化；
３）一次调频逻辑要考虑小频差下的功率变化幅度问题。

修改后的调速器的一次调频控制逻辑图如图２所示，增加了两个函数环节，其他参数均未修改，Ｆ１
（Ｘ）为频差修正系数，Ｆ２（Ｘ）为水头修正系数；修改各机组调速器电气柜程序中一次调频调节算法，对调速器负载开度模式下的一次调频开度叠加量乘以系数予以适当放大，以满足调节要求。

考虑到水头和调节频差差异的影响，放大系数由频差修正系数Ｆ１（Ｘ）和水头修正系数Ｆ２
（Ｘ）
相乘得出。

图２　优化后的机组一次调频控制模型原理图
将４台机组的一次调频频差绝对值Δｆ（已减去频
率死区０．０５Ｈｚ），依据文献［４］要求，按以下分段：０＜Δｆ＜０．０５Ｈｚ，０．０５Ｈｚ≤Δｆ＜０．１Ｈｚ，Δｆ≥０．１Ｈｚ或Δｆ≤０Ｈｚ。

相应区间的频差修正系数取值如表１所示。

表１　Ｆ１
（Ｘ）系数取值表频差分段１Ｆ２Ｆ３Ｆ４Ｆ０＜Δ
ｆ＜０．０５Ｈｚ１．３１１．３３１．３２１．３３０．０５Ｈｚ≤Δｆ＜０．１Ｈｚ１．１２１．１３１．１５１．１３Δｆ≥０．１Ｈｚ或Δｆ≤０Ｈ
ｚ１．０
１．０
１．０
１．０
将４台机组水头ｈ以下分段：１９５ｍ≤ｈ≤２０１ｍ，１８５ｍ≤ｈ＜１９５ｍ，１７５ｍ≤ｈ＜１８５ｍ，１７５ｍ≤ｈ＜１８５ｍ，１６５ｍ≤ｈ＜１７５ｍ，ｈ＞２０１ｍ或ｈ＜１５３ｍ。

相应区间的水头修正系数取值如表２所示。

表２　Ｆ２
（Ｘ）系数取值表水头分段１Ｆ２Ｆ３Ｆ４Ｆｈ＞２０１ｍ或ｈ＜１５３ｍ１．０１．０１．０１．０１９５ｍ≤ｈ≤２０１ｍ０．７５０．７５０．７５０．７５１８５ｍ≤ｈ＜１９５ｍ０．８０．８０．８０．８１７５ｍ≤ｈ＜１８５ｍ１．００１．００１．００１．００１６５ｍ≤ｈ＜１７５ｍ１．２５１．２５１．２５１．２５１５３ｍ≤ｈ
＜１６５ｍ１．５０
１．５０
１．５０
１．５０
修改４台机组调速器电气柜Ａ、Ｂ套ＰＬＣ控制程序，将主程序ＭＡＳＴＴａｓｋ下的Ｉｎｃｄｅｃ子程序段中“％ＭＦ５４：＝％ＭＦ５６ ２．０／％ＭＦ１１０；”语句修改为如下语句：
ＩＦ％ＭＷ２０２４＜＝２０１ＡＮＤ％ＭＷ２０２４＞＝１９５ＴＨＥＮ％ＭＦ３２：＝Ｋ１；ＥＮＤ＿ＩＦ；
（下转第７８页）
游底部作了拖板延长与地基的接触面积并进行深层固结灌浆。

钻灌过程采用自上而下分段造孔灌浆。

该区域固结灌浆后后续检查孔回水明显从孔口翻出，钻孔中水位稳定，具备声波测试及压水试验条件。

随后对其进行了６个孔的声波测试及压水试验。

结合声波测试成果，根据《水利水电工程勘察规范》（ＧＢ５０４８７－２００８），固结灌浆后坝基岩体的完整性略有提高，由破碎级提高至较破碎级。

１、２号坝基的固结灌浆检查孔Ｓ９～Ｓ１２的完整性明显提高，由较破碎级提高至较完整级。

根据固结灌浆检查孔试验要求进行了分段阻塞，分段压水试验结果表明，经过固结灌浆坝基岩体抗渗提高明显，从漏水到不透水，检查孔压水试验满足要求小于１０Ｌｕ占比７５％，还有１５％由于止水部位障碍做简易全孔压水试验，换算值也小于１０Ｌｕ；可以视作９０％的压水试验指标满足固结灌浆检查孔的设计要求［５］。

５　灌浆效果
根据左岸地层帷幕灌浆先导孔和灌浆试验揭露的水文工程地质条件，左岸坝基及近坝库岸下伏硅质岩作为相对隔水层调整左岸帷幕灌浆底线。

根据灌浆试验确定以待凝复灌循环水泥灌浆工艺为主。

坝肩５０ｍ以外，根据地下水位观测孔复核的地下水位及渗流稳定计算确定采用悬挂帷幕。

既能保证工程安全，也减少了不必要的工程投资。

经现场施工后质量检查和蓄水验证，证明固结灌浆、帷幕灌浆工艺选择合适，灌浆质量可靠。

后期还要加强渗流观测，发现异常及时处理。

参考文献：
［１］刘树国，梁金松．水电站大坝帷幕补强灌浆技术在涌水孔段的改进［Ｊ］．四川水力发电，２０１９，３８（５）：１４１－１４３［２］姚利刚．关于水利工程中帷幕灌浆施工技术的有效运用分析［Ｊ］．黑龙江水利科技，２０１６，４４（１１）：１１８－１２０［３］ＳＬ６２－２０１４，水工建筑物水泥灌浆施工技术规范［Ｓ］［４］钟汉华，冷涛．水利水电工程施工技术［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，２００６
［５］姚福海，杨兴国，叶发明，等．瀑布沟砾石土心墙堆石坝关键技术［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社，
檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲檲
２０１５
（上接第７４页）
ＩＦ％ＭＷ２０２４＜１９５ＡＮＤ％ＭＷ２０２４＞＝１８５ＴＨＥＮ％ＭＦ３２：＝Ｋ１；ＥＮＤ＿ＩＦ；
ＩＦ％ＭＷ２０２４＜１８５ＡＮＤ％ＭＷ２０２４＞＝１７５ＴＨＥＮ％ＭＦ３２：＝Ｋ１；ＥＮＤ＿ＩＦ；
ＩＦ％ＭＷ２０２４＜１７５ＡＮＤ％ＭＷ２０２４＞＝１６５ＴＨＥＮ％ＭＦ３２：＝Ｋ１；ＥＮＤ＿ＩＦ；
ＩＦ％ＭＷ２０２４＜１６５ＡＮＤ％ＭＷ２０２４＞＝１５３ＴＨＥＮ％ＭＦ３２：＝Ｋ１；ＥＮＤ＿ＩＦ；
ＩＦ％ＭＷ２０２４＞２０１ＯＲ％ＭＷ２０２４＜１５３ＴＨＥＮ％ＭＦ３２：＝Ｋ１；ＥＮＤ＿ＩＦ；
％ＭＦ４２：＝ＡＢＳ（％ＭＦ５６）；
ＩＦ％ＭＦ４２＞０．０ＡＮＤ％ＭＦ４２＜０．０５ＴＨＥＮ％ＭＦ４９：＝Ｋ２；ＥＮＤ＿ＩＦ；
ＩＦ％ＭＦ４２＞＝０．０５ＡＮＤ％ＭＦ４２＜０．１ＴＨＥＮ％ＭＦ４９：＝Ｋ２；ＥＮＤ＿ＩＦ；
ＩＦ％ＭＦ４２＞＝０．１ＯＲ％ＭＦ４２＜＝０．０ＴＨＥＮ％ＭＦ４９：＝Ｋ２；ＥＮＤ＿ＩＦ；
％ＭＦ５４：＝％ＭＦ５６ ２．０ ％ＭＦ３２ ％ＭＦ４９／％ＭＦ１１０；
上述语句中Ｋ１、Ｋ２为符号示例，Ｋ１为水头修正系数，Ｋ２为频差修正系数，修改程序时需以具体常数值代替，具体数值见表１、表２。

各机组程序修改完成后进行通道切换试验，确保机组空载和负载时调节控制功能正常。

经过优化水布垭电厂４台机组调速器一次调频控制逻辑后，水布垭电厂机组运行至今，没有再出现一次调频贡献电量不合格的情况，避免了被电网考核，挽回了电厂的经济损失，为电网的频率稳定做出应有的贡献。

３　结　语
一次调频功能是水轮发电机组的必备功能之一，因此调速器一次调频控制逻辑的完善与否至关重要，直接关系到机组一次调频能否正确动作，一次调频贡献电量是否合格，对维持电网的频率稳定影响巨大。

同时，相应的机组频率测量精度、导叶开度测量精度、机组有功功率测量精度也会对机组的一次调频能力产生影响。

只有当机组的测量元件的硬件性能和软件设计均符合相关标准要求时，才能保证机组的一次调频性能满足相关技术指标。

参考文献：
［１］ＤＬ／Ｔ１２４５－２０１３，水轮机调节系统并网运行技术导则［Ｓ］［２］ＤＬ／Ｔ５６３－２００４，水轮机电液调节系统及装置技术规程［Ｓ］
［３］ＧＢ／Ｔ９６５２．１－２００７，水轮机控制系统技术条件［Ｓ］［４］魏守平．水轮机调节系统仿真［Ｍ］．武汉：华中科技大学出版社，２０１１。