简要信息

【获奖类型】应用二等奖

【任务来源】横向合同

【课题编号】KY0713

【课题起止时间】2003年2月～2006年12月

【完成单位】中国水利水电科学研究院自动化所

凤滩水力发电厂

【主要完成人】姚维达、毛  琦、龚传利、王桂平、李成龙、王香玲、郭　洁　

立项背景

凤滩水电厂位于湖南沅水最大支流酉水的下游，在沅陵西北约45公里。老厂总装机容量为400MW，装有四台混流式水轮发电机组，单机容量为100MW，采用发变组单元接线，两回220KV出线至黄秧坪开关站，110KV侧为双母线接线，三回110KV出线至沅陵、古丈等地区。电站在系统中的主要作用是调峰、调频，承担系统事故备用，是一项以发电为主的综合利用工程。扩机工程利用原凤滩发电厂的水库拦河坝，在拦河坝左侧山体内设2条引水洞，引水至地下式发电厂房。主厂房全长92.30m，宽23.00m，高61.60m，安装2台单机容量200MW水轮发电机组，采用发变组单元接线，变压器高压侧直接引至黄秧坪开关站。黄秧坪开关站为枢纽开关站，采用双母线带旁路接线，四进四出。

原系统采用中水科技H9000 V2.0系统，计算机和网络设备等电子设备逐渐老化，成为制约电厂安全运行的瓶颈。随着计算机监控技术的不断进步，新型结构的监控系统业已成熟，如PLC直接上网技术，使监控系统的整体可靠性指标不断提高，成为水电厂真正实现无人值班的重要手段。省调通讯RTU复杂、维护费用高。另外，凤滩扩机5号和6号机两台单机容量为200MW机组接入，对监控系统的性能指标要求更高，因此，为了适应扩机后“两厂一站”新控制模式，有必要改造升级现有监控系统，满足凤滩水电厂在可靠性、实时性和安全性等方面的要求。

详细科学技术内容

（一）总体思路

“湖南凤滩水电厂扩机工程计算机监控系统”工程总体思路是满足扩机后“两厂一站”（凤滩老厂、新厂、黄秧坪开关站）集控需要，充分吸收最近十几年计算机监控技术，全面提升电厂自动化水平，功能达到国内领先水平。改造后电厂去掉上位机原有手动操作把手，与省调通讯改为仿真RTU通讯，去掉原RTU通讯机柜，AGC/AVC投运实现与省调联动自动调节机组负荷。改造后的信息丰富准确，系统简洁、易操作、可靠性高，界面友好，便于维护。

项目实施主要按照下列四个阶段展开：

第一阶段：项目调研。项目组成员与电厂技术人员交流，了解现场设备情况和电厂实际需求，对扩机后设备布置情况进行现场查勘。组织项目成员考察国内同类型电厂监控系统运行情况，了解他们计算机监控系统使用情况、问题、售后服务、备品备件等等情况。借鉴国内顶尖监控厂家在其他水电厂成功案例,了解国外厂家在同类电厂的应用情况，跟踪国内外水电厂监控系统最先进技术和技术发展趋势，在此基础上完成项目需求分析。

第二阶段：编制总体实施方案、总体施工计划、现场施工计划与措施。

2003年完成中水科技与凤滩电厂、中南水电勘测设计院、湖南中试所、湖南省调、湖南省电力公司完成第一次、第二次设计联络会后，确定了本次监控升级改造的总体实施方案、总体施工计划、现场施工计划与措施。

总体实施方案主要内容：

完成扩机工程两台容量为200MW的5号机和6号机组监控系统投运，实现新监控系统对于新厂5、6号机监控，完成仿真RTU替换物理RTU工作，投运三台操作员工作站，完成黄秧坪开关站LCU的接入，实现“两厂一站”监控模式，投运AGC/AVC高级应用软件，在完成扩机工程后，采用逐个改造的方式将老厂四台机组及公用、开关站LCU接入监控系统。

凤滩水电厂计算机监控系统包括主控级和现地控制级组成，现地控制级通过多模光纤与主控级交换机相连，各工作站、服务器通过双绞线与交换机相连，全厂形成双星形双冗余以太网络分层分布式结构。主控级包括三台操作员站、两台应用服务器、两台厂外通讯机、一台厂内通讯机、一台ONCALL工作站、一台历史报表服务器。现地控制级包括11个LCU，包括1－7号机LCU、老厂公用LCU、老厂开关站LCU、新厂公用LCU、黄秧坪开关站LCU。主控机采集现地所有数据，两台厂外通讯机通过“SC1801”规约实现与湖南省调遥测、遥信、遥调、遥控等“四遥”功能，在省调完成通讯改造后，改用“IEC 870-5-101”和“IEC 870-5-104”实现电厂与湖南省调信息交换。三台操作员站实现主备冗余配置，操作员A站和B站放置在中控室、操作员C站放置在黄秧坪开关站，正常情况下，由操作员A和B站中的主控站实现对全厂所有LCU数据采集和操作控制，当操作员站A、B站均故障的情况下，由C站负责所有LCU数据采集和操作控制。在确定系统各部分功能后，编制详细的开发计划。

总体施工计划给出了经过目标分解的各个里程碑的时间与目标值，现场施工计划与措施给出了完成总体实施方案、总体施工计划具体措施、步骤等。

第三阶段：硬件采购、软件开发、系统集成，并发货到现场。

本阶段电厂在现场准备老厂升级改造工程，检查回路、核查图纸、检验控制电缆的可用程度。在监控系统提供单位，设备订货、盘柜设计组装、软件开发、调整，画面数据库集成。同时，电厂开始审查制造单位各种图纸、设计方案、参与制造单位的系统集成工作、参与设备系统内部联调、出场验收。

第四阶段：现场进行安装调试。

本阶段按照已经制定好的总体实施方案、总体施工计划、现场施工计划与措施分步执行。首先完成扩机机组、新厂公用、黄秧坪开关站LCU接入新的监控系统，然后根据电厂检修计划，逐步将老厂1－4号机、7号机、老厂公用和开关站LCU接入新的监控系统。

（二）仿真RTU及AGC/AVC投运

凤滩水电厂原物理RTU，设备复杂、维护费用高，且需要专人维护，新监控系统取消物理RTU，扩机工程直接通过仿真RTU实现与调度通讯，老厂改造中根据改造进度，分次逐步取消物理RTU，实现仿真RTU通讯。

AGC/AVC根据省调通过仿真RTU下发的全厂总有功和高压母线电压目标值，计算电厂需要调节的有功值和无功值，优化分配到各机组自动调节有功和无功，调节全厂总有功和母线电压到目标值。在与省调握手信号中，充分考虑系统特点，制定了可靠的策略，保证系统安全，采用给定值步长限制来防止省调给定值可能出现的错误，保护电厂运行安全。

AGC优化算法采用修正等容量比例分配算法，并采用步长修正策略，在保证满足省调目标负荷的情况下减少了机组调节次数，减少了机组磨损。AVC优化算法采用修正等功率因数分配算法，类似AGC采用步长修正策略，减少无功调节次数。为了避免机组频繁跨越振动区，AGC制定了合适的跨越振动区策略，即在下列情况下跨越振动区：1.机组不跨越振动区造成功率缺额比跨越振动区后造成的功率缺额大于跨越振动区死区。2.当机组间负荷严重不平衡时，即实发功率与容量比值差距太大时。另外，水头值对于AGC非常重要，为了得到可靠的水头值，程序采用滤波并多次取平均方式得到电厂水头值。通过上述措施，有效保证了AGC运行安全，并有效减少机组调节次数，减少机组磨损。

（三）实施效果

本工程项目通过系统策划、分步实施，在湖南省电力领导下、在省调、设计院的配合下，北京中水科水电科技开发有限公司（中水科技）和凤滩水电厂共同努力，工程顺利完工。2008年12月，该项目通过湖南省电力公司组织的，东江电厂、柘溪电厂、湖南中试所、湖南省调参加的验收。新监控系统投运，取得了显著的经济与社会效益。

发明及创新点

（1）实现了“两厂一站”监控模式，即：老厂监控系统、新厂监控系统以及变电站监控系统有机融合的监控模式。各监控系统控制层既可独立运行又可互为冗余，实现监控系统模块化灵活配置。

（2）首次在湖南水电厂实现AVC功能，并投入运行，取得良好效果。AVC无功分配中采用等功率因数分配策略，有效解决无功分配中可能带来机组间无功不平衡现象。

（3）通过改变不同水头下，监控系统对于调速器调节有功和无功脉宽，有效提高了有功和无功调节速度和调节精度。

（4）在国内水电厂率先研究一次调频和AGC关系问题， 并提出当一次调频启动时，AGC挂起运行的策略。

（5）国内首次采用仿真RTU替代物理RTU，减少了电厂投资，为电厂节约经费，且配置维护更加灵活方便。

（6）针对减少AGC调节中机组磨损问题，尝试并采取了很多行之有效措施(原来机组平均检修周期为1年，采取这些措施后平均检修周期为1年半）：

    I）有功分配原则按照优先级列出这些原则（这些措施广泛为国内其他电厂借鉴）　

a)机组不能运行在振动区　

b)不能频繁跨越振动区　

c)当给定总有功大于实发总有功时，机组尽可能不减负荷；当给定总有功小于实发总有功时，机组尽可能不增负荷；

d)机组不能频繁调节；  

e)优化效率。

II)采用修正等容量比例有功分配方法，既保证了满足调度负荷要求，又减少了机组磨损：

a)预定功率范围内仅改变一台机或两台机的设定值；

b)增加调整的时间间隔；

c)在等容量比例分配策略下，预先定义每台机适当有功调节步长作为修正，可减少一次有功设定值变化参加调节机组台数，从而减少机组磨损。

 

其中：P为电厂给定总出力；

      Pi为每台机组

为当前计算的机组比例系数；

为成组可调机组发电态机组比例系数总和。

   III)跨越振动区策略

   机组由于在当前不跨越振动区运行区域无法跟踪目标值时，机组需要跨越振动区，机组跨越振动区与不跨越振动区相比功率缺额减少值大于跨越振动区死区时，机组跨越振动区。实践证明，跨越振动区死区值设置有效减少了跨越振动区次数。

IV）功率跟踪策略

  省调对于电厂AGC跟踪目标能力将会进行考核，当出现机组出现事故停机时，其他成组可调机组必须立即尽可能补偿事故停机造成的功率缺额；当未加入AGC的机组有功实发值发生变化造成全厂实发有功偏离目标值时，成组可调机组需要立即补偿这种偏差。

与当前国内外同类研究、同类技术的综合比较

该工程由于通过充分调研、考察，通过多次技术方案比较，采用合理先进的技术方案和现场实施方案，技术先进，现场施工安全，时间短。设备指标高、性能好，改造投入很小，经济与社会效益显著，达到了国内同类系统先进水平。

成果应用情况及社会经济效益

（1）应用情况

凤滩电厂监控系统采用2004年6月第一台机组投运，2006年12月完成所有扩机工程和老厂LCU改造，系统运行至今安全可靠，开机成功率100％。仿真RTU和AGC/AVC运行良好，获得湖南省调好评。“两厂一站”模块化配置模式，符合电厂功能和节约经费需要，值得推广到其他同类电厂。

（2）社会经济效益：

a)改造后的计算机监控系统，在湖南首次采用仿真RTU与省调通讯，设备简单，配置灵活，取消了物理RTU，为电厂节省硬件购置经费60万元资金，节省维护费用30万元。

b)改造后的计算机监控系统缩短开机并网时间，减少空载耗水，自2004年6月1日至2008年11月底，为电厂创造100万元经济效益。

c) 改造后的计算机监控系统AGC/AVC控制策略完善，可以快速响应省调命令，有效躲避振动区、气蚀区和机组低效率区，提高机组在高效率区运行时间，减少机组调节次数和跨越振动区次数，有效减少机组磨损，提高发电效率，提高机组部件寿命，延长设备检修周期，并有效减少弃水。AGC/AVC自2005年8月投运至2008年11月底，累计多发电2000万度，创造经济效益400万元。

成果转化、推广或产业化方面还需帮助解决的问题

在推广凤滩水电厂计算机监控系统的过程中感到有几个方面可以改进提高：

（1）开阔电厂技术人员视野，增加对于新技术接受度。

（2）国内技术人员需提高对于软件成果认可度，增加对软件投资。