丰满水电厂机组低频自启动设计研究与应用

王振羽,万 君,陈伏高

(1.松花江水力发电有限公司丰满大坝重建工程建设局，吉林 吉林 132013)(2.南瑞集团(国网电力科学研究院)有限公司,江苏 南京 211106)

0 引 言

随着电网的快速发展，电网规模不断扩大，在“双碳”背景下，新能源装机容量快速增长，风电、光伏等发电占比在电网电源端迅速提高。新型电力系统下，水电厂对于新能源发电的消纳以及电网的安全稳定有着重要的作用。

为了保证电网频率的稳定性、安全性、有效性，东北电网要求下属电厂的所有发电机组均具备低频自启动及自动调频功能。水电厂机组低频自启动是检测到电网频率低于规定值，自动快速开启一台或者数台水轮机组，并入电网发电，增加全厂负荷出力来实现调整水电厂母线频率的技术。在保证机组安全运行的条件下，为系统提供可充分利用的有功功率，减少母线频率的震荡，提高电网的安全稳定性。

丰满水电厂始建于1937年，被称为中国“水电之母”。作为国网公司与新源公司的重要项目，丰满水电站全面治理(重建)工程是在原大坝下游120 m处新建1座大坝，新建6台单机20万kW混流式水轮发电机组，保留原三期工程2台14万kW机组，总装机容量148万kW，年均发电量17.09亿kW·h，以500 kV电压接入吉林电网。丰满水电厂作为东北电网调峰调频最为重要的水电厂，采用低频自启动并结合AGC的调频功能可以进行电厂和电网的有功频率调整控制，提高电网的频率稳定水平和电能质量，满足整体电网的频率稳定性。丰满水电厂低频自启动功能在电厂计算机监控系统上实现，其计算机监控系统使用南瑞集团有限公司提供的智能一体化平台IMC系统。电厂低频自启动的实现使用了智能一体化平台IMC系统计算机监控系统的低频自启动功能模块，该模块是自动发电控制(AGC)自动调频模式的组成部分，通过厂内静态试验、动态试验实现并验证丰满水电厂机组低频自启动功能，满足东北电网关于水电厂机组低频自启动功能的要求。

1 需求分析

1.1 校验功能分析

(1)数据校验

根据东北电网要求设定低频自启动的系统频率规定值，当采样系统频率低于低频自启动系统频率规定值，延时一定的时限，具备低频自启动条件。

同时依据丰满水电厂机组运行工况等约束，全厂总开机机组不超过Nmax台，同时低频自启动的机组不超过Nstart台。

(2)功能校验

设置全厂低频自启动投入功能软压板和每台机组低频自启动投入功能软压板，全厂低频自启动功能软压板投入并且任意1台或者多台机组低频自启动功能软压板投入时，具备低频自启动条件。

(3)机组状态校验

以机组状态确定发电机组台数和正在开机台数，其中以“机组发电态”为判据确定发电机组台数，以“机组开机过程中”为判据确定正在开机台数。

(4)低频自启动开机逻辑设计

逻辑判据：“全厂低频自启动功能软压板投入”且“系统频率低于低频自启动的系统频率规定值并延时Tdelay秒”且“机组低频自启动功能软压板投入”且“需要开机台数小于Nstartmax”。

逻辑输出：启动投入低频自启动软压板的机组并报警系统频率过低，机组启动从机组号小到大顺序启动。

1.2 防误分析

(1)数据可靠性分析

低频自启动功能模块共享计算机监控系统的测量数据，尤其是电网的系统频率，采集精度应满足性能指标要求。丰满水电厂低频自启动功能模块的数据是计算机监控系统与500 kV开关站测控装置通过IEC 61850通信采集两段母线频率Fsys-I与Fsys-II。

(2)安全策略分析

低频自启动控制功能模块应可以检测母线频率波动是否有误，即防母线频率波动错误保护。当前处理方式是检测到实际母线频率低于设定的系统频率规定值延续时限小于Twf时，低频自启动不启动，针对关键的数据增加必要的滤波时限约束，过滤掉误动数据信号。

2 系统设计

2.1 低频自启动约束条件

(1)低频自启动约束条件

①“机组开机条件满足”且“机组非开机过程中”且“机组处于停机态”条件满足。

②全厂低频自启动功能压板软压板投入。

③需启动的机组低频自启动功能软压板投入。

④实际采样系统频率设值或者人工设定试验用母线频率Ftest设值小于低频自启动的系统频率规定值Fsys-S(单位Hz)。

注：因实际母线频率无法达到规定值，故增加试验用母线频率设定值参与判据方便试验。

⑤低频自启动机组不超过Nstart台。

⑥机组启动顺序按照机组号由小到大顺序启动。

⑦全厂开机机组不超过Nmax台。

(2)低频自启动的影响因素

①低频自启动机组的同期装置需调整频差范围，低频自启动的频率与实际系统频率差值能达到ΔFs，丰满水电厂实际机组的同期合闸频差ΔFg(0.15 Hz)无法满足低频自启动要求。

ΔFs=Fs-Fsys-S

注：Fs为电网系统频率，50 Hz，丰满水电厂低频限值Fsys-S为49.7 Hz，ΔFs为0.3 Hz。

②低频自启动的机组并网后仅是带了基荷，需要运行人员手动调节实际负荷，亦可投入AGC功能与运行的机组共同承担全厂有功功率及频率的调整。

③低频自启动机组的顺序按照机组号由小到大的停机机组顺序，且最多启动Nstart台机组。

④综合考虑各机组有功负荷以及电网频率的大小，以及机组的最大和最小有功功率的限制。

⑤低频自启动判据延时功能设计，以避免采样频率抖动而引起的误启动，设值延时为Twf。

2.2 控制模式

低频自启动功能模块根据计算机监控系统的数据对象中的条件运算出实际频率与试验用低频定值设值的逻辑关系，按照控制策略合理对每台停机机组进行低频自启动，通过开机且调节已开发电机有功出力来增加实际母线频率，达到全厂目标控制值，实现全厂多机组的频率有功自动控制。

丰满水电厂低频自启动根据实际母线频率与低频自启动的频率，按照实际母线频率比低频自启动的频率低且持续保持Twf后自动开启不超过2台满足条件的停机状态的机组；然后可以自动或者人工设置分配每台机组有功功率，通过增加发电机有功出力，以提高系统频率。

低频自启动原则上应采用全厂与机组混合控制模式，可以控制2台机组。低频自启动工作方式还可由运行人员在低频自启动控制画面上选择。

(1)全厂低频自启动投入/退出

全厂低频自启动投入或退出，如全厂投入低频功能软压板未投入，即全厂低频自启动功能退出，则机组无法进行低频自启动开机。

(2)机组低频自启动投入/退出

机组低频自启动投入或退出，如无机组低频功能软压板未投入，即机组不参与低频自启动开机，则机组无法进行低频自启动开机。只有投入机组低频自启动，对应的机组才可以参与低频自启动逻辑。

(3)试验用母线频率设值/试验用低频定值设值

两个给定值都可以由运行人员通过画面设定，当试验用母线频率设值或实际母线频率低于试验用低频定值设值并保持Twf；低频自启动功能模块自动开启机组，开启机组按照机组号由小到大的顺序，开启不超过2台满足条件的停机机组。

2.3 标准IO接口设计

低频自启动程序模块的运行需要上述多个参数的输入，综合验算后输出开机并网令至相应的机组，在程序模块设计之初考虑到普适应应用的场景，设计多个标准的输入参数供调试人员配置。

低频自启动程序模块过程验算数据以及输出结果在引出，作为自动发电控制(AGC)的输入数据，可以有效、可靠地使用自动发电控制(AGC)的自动调频功能。

输出的参数需要安全可靠，因此低频自启动程序模块核心验算模块的安全闭锁逻辑，除上述逻辑分析外，还需结合电厂实际运行工况做综合性考虑。

3 系统应用

丰满水电厂智能一体化IMC系统平台计算机监控系统部署2台通讯服务器，并配置专门通信网口通过专用的数据网络通道，采用IEC 61850规约用于500 kV开关站测控装置进行数据采集，其中包括系统频率的数据信息。考虑到低频自启动功能模块的稳定性和可靠性，采集的母线频率并非单一值，而是取两段母线频率测值进行综合运算从而得出一个可靠的频率测值，防止单一测量源故障导致数据错误的发生。

丰满水电厂运行人员通过画面下发的试验用母线频率设值和试验用低频定值设值，低频自启动功能模块经过运算后，输出是否有机组参与低频自启动。如果有机组参与低频自启动且条件满足，则通过计算机监控系统下发机组发电令至相应机组LCU，接收到该机组启动指令的LCU通过PLC程序中相应开机程序执行发电令，开机至并网(见图1)。

图1 丰满水电厂低频自启动及AGC数据流示意

丰满水电厂低频自启动试验于2020年9月完成，通过试验，可以确认现有的低频自启动程序可以高效快速地实现控制机组开机带基础负荷，以达到调节电厂母线频率的目的；同时为低频自启动程序增加必要的安全闭锁条件，可以为低频自启动程序的运行提供必要的安全保障，提高了低频自启动运行的可靠性。

4 结 语

本文具体阐述了丰满水电厂低频自启动功能的设计方法，以及为保证机组安全可靠启动增加了必要的安全闭锁条件，验证了可在常规水电厂推广使用的低频自启动功能模块，配合水电厂计算机监控系统自动发电控制(AGC)功能应用中的自动调频模块更能充分发挥水电厂调频功能，可满足电网中调频水电厂的运行需求。

丰满水电厂低频自启动功能的实现在实际试验验证中还存在部分需改进之处，后续将结合电厂的实际运行工况增加完善安全闭锁条件、声光电报警功能等；同时进一步规范低频自启动功能模块的入口参数、出口参数以及完善规范逻辑校验功能，将继续研究该功能模块作为自动发电控制(AGC)一部分的可行性。

■