專利名稱：保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及電網(wǎng)安全控制領域和汽輪發(fā)電機組熱力控制領域，尤其涉及到一種保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)。
背景技術：
送端電網(wǎng)內(nèi)的汽輪發(fā)電機組的發(fā)電功率通過電網(wǎng)送向受端電網(wǎng)，如果送端電網(wǎng)與受端電網(wǎng)故障解列或孤網(wǎng)狀態(tài)下負荷線路跳閘，汽輪發(fā)電機功率超過了負荷，就會引起電網(wǎng)頻率和機組轉速上升，如果電網(wǎng)功率不平衡程度較大，過高的轉速就會危及汽輪機葉片的安全，導致切機，從而引發(fā)電網(wǎng)高頻失穩(wěn)。
在電網(wǎng)高頻狀態(tài)下，汽輪發(fā)電機組超速保護(OPC)會動作，關閉蒸汽閥門快速降低機組 出力，可以使電網(wǎng)頻率快速返回到正常，以保障汽輪機安全。但是當OPC動作結束時，閥門的控制又轉回到調(diào)速器的一次調(diào)頻和功率控制，此時的調(diào)速器失去了正確的控制設定，仍然保持在解列前的、很大程度上超過孤網(wǎng)負荷水平的功率設定，使得機組又開始增加出力，電網(wǎng)又再次返回到高頻狀態(tài)，從而引起OPC再次動作。這一過程循環(huán)反復，導致電網(wǎng)頻率和機組功率呈周期性的鋸齒狀大幅波動，最終導致孤網(wǎng)大面積失電。這種情況，在國內(nèi)送端電網(wǎng)解列事故中多次出現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)行標準、規(guī)程和規(guī)范性文件所規(guī)定的技術條件下，火電機組調(diào)速系統(tǒng)的高頻穩(wěn)定裕度很低，解列時如果火電機組功率超過負荷功率的12% (即電網(wǎng)不平衡率)左右，孤網(wǎng)頻率就不會穩(wěn)定。尤其是大機小網(wǎng)構成的送端電網(wǎng)，電網(wǎng)安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)和高頻切機自動裝置難以將孤網(wǎng)不平衡率控制在12%以內(nèi)，高頻穩(wěn)定不能夠夠得到保障，嚴重影響了送端電網(wǎng)和機組的安全穩(wěn)定可靠運行。由于鍋爐的能量調(diào)整過程慢于汽輪機的功率調(diào)整過程，而汽輪機的功率調(diào)整過程又慢于電網(wǎng)的機電暫態(tài)過程。在送端電網(wǎng)解列時，汽輪機的功率調(diào)整過程的遲緩，導致轉速過高，引起汽輪機葉片安全問題；鍋爐的能量調(diào)整過程的遲緩，導致主汽壓力過高，造成安全門動作，容易導致機組切機。因此，加快汽輪機和鍋爐的調(diào)整過程，是解決送端電網(wǎng)解列時聞頻穩(wěn)定問題的關鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題提供一種保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)，以解決在送端電網(wǎng)解列時，汽輪機的功率調(diào)整過程的遲緩，導致轉速過高，弓丨起汽輪機葉片安全問題；鍋爐的能量調(diào)整過程的遲緩，導致主汽壓力過高，造成安全門動作，容易導致機組切機等問題。本發(fā)明技術方案
一種保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)，它包括
高頻緊急狀態(tài)及預測單元，根據(jù)輸入信號判別電網(wǎng)是否處于高頻緊急狀態(tài)，在高頻緊急狀態(tài)時輸出快速功率回降信號、功率控制目標、機組功率設定和功率變動率，與調(diào)速器預測控制單元和鍋爐預測控制單元電連接；
調(diào)速器預測控制單元，在高頻緊急狀態(tài)下，根據(jù)高頻緊急狀態(tài)及預測單元發(fā)來的功率設定進行PID功率控制，在超速保護OPC動作信號發(fā)出期間，將積分輸出狀態(tài)重新調(diào)整為預測的功率設定，在快速功率回降信號發(fā)出期間，取消或降低調(diào)節(jié)指令限速環(huán)節(jié)的限制，將輸出的高壓閥門指令送入到調(diào)速機構的伺服器，與調(diào)速機構的伺服器電連接；
鍋爐預測控制單元，在電網(wǎng)高頻緊急狀態(tài)下，根據(jù)高頻緊急狀態(tài)及預測單元發(fā)來的快速功率回降信號，自動地將模擬量控制系統(tǒng)MCS控制方式轉換為鍋爐跟隨BF方式，根據(jù)功率變動率聯(lián)切磨煤機，加快燃料供給過程的響應，在快速功率回降信號發(fā)出時，對電動釋壓閥PCV進行開閉控制，根據(jù)功率變動率信號對旁路BP進行控制，與鍋爐及輔機電連接；
高頻緊急狀態(tài)及預測單元包括
高頻緊急狀態(tài)判別模塊，根據(jù)超速保護OPC動作信號、轉速信號和機組脫網(wǎng)信號進行邏輯運算，判斷系統(tǒng)是否處于高頻緊急狀態(tài)，與緊急狀態(tài)展寬模塊電連接；
緊急狀態(tài)展寬模塊，根據(jù)高頻緊急狀態(tài)判別模塊送入的高頻緊急狀態(tài)信號，按設定的時間進行展寬，輸出為快速回降功率信號，與功率變動率存儲器、功率設定存儲器和監(jiān)控系統(tǒng)電連接；
發(fā)電機功率、頻率與電壓采集模塊，對發(fā)電機端的功率、頻率和電壓進行采集，與功率、頻率和電壓因子修正模塊電連接；
功率、頻率和電壓因子修正模塊，根據(jù)電網(wǎng)負荷的頻率及電壓因子修正發(fā)電機功率，使OPC動作時測量的發(fā)電機功率，在總量上與負荷平衡，所屬模塊的輸出一路經(jīng)延時器后與功率變動率存儲器電連接，一路直接與功率變動率存儲器電連接，一路與功率設定存儲器電連接；
功率變動率存儲器，受快速回降功率信號FB的上升沿觸發(fā)，計算解列時發(fā)電機功率與解列前發(fā)電機功率之比，寫入存儲器并保持；
功率設定存儲器，在緊急狀態(tài)展寬模塊輸出上升沿的時刻，將該“緊急”時刻測量的機組功率寫入存儲器，在緊急狀態(tài)展寬期間保持并作為機組功率設定輸出，在緊急狀態(tài)，存儲
器將一直保持。調(diào)速器預測控制單元包括狀態(tài)可重置的積分環(huán)節(jié)模塊和緊急狀態(tài)限速退出模塊，狀態(tài)可重置的積分環(huán)節(jié)模塊通過第三加法器與緊急狀態(tài)限速退出模塊連接。鍋爐預測控制單元包括
“功率跟隨”控制方式轉換模塊根據(jù)高頻緊急狀態(tài)及預測單元發(fā)送來的快速回降信號、將模擬量控制系統(tǒng)MCS的控制方式設置為“鍋爐跟隨”方式，與第一路由開關電連接；“鍋爐跟隨”控制器輸出跟蹤模塊，在其他的控制方式下，使“鍋爐跟隨”控制器形成一個對主汽門壓力進行跟蹤的閉環(huán)，保持PID的正確的輸出狀態(tài)，避免在高頻緊急狀態(tài)下切換到“鍋爐跟隨”控制方式時，輸出狀態(tài)的發(fā)生躍變，與第一加減器電連接；
磨煤機切除及燃料分配模塊，根據(jù)功率變動率，在高頻緊急狀態(tài)量的起始時刻，觸發(fā)啟動磨煤機切除邏輯，切除最接近于功率變動率的相應磨煤機數(shù)量，加速燃料的控制響應速 度，減輕燃料調(diào)整遲緩導致主汽壓力高的問題。所述的保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)，它是在超速保護(OPC )動作的時刻，測量發(fā)電機有功功率，有功功率或經(jīng)修正計算后，作為預測的機組功率控制設定，對機組功率進行控制。所述的保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)，在超速保護(OPC)動作信號發(fā)出期間，將調(diào)速器的功率PID控制中積分環(huán)節(jié)的輸出狀態(tài)，調(diào)整為預測功率設定的換算數(shù)值，所述預測的功率設定的換算數(shù)值是在OPC動作初始時刻測量的發(fā)電機有功功率，經(jīng)修正和換算，再作為積分環(huán)節(jié)的輸出狀態(tài)的置換數(shù)值。
本發(fā)明有益效果
本發(fā)明在送端電網(wǎng)解列后，孤網(wǎng)潮流會立即發(fā)生變化，孤網(wǎng)中各個電廠的功率將自然地重新分配，利用在高頻緊急狀態(tài)下初始時刻的自然分配功率， 經(jīng)頻率和電壓因子修正后作為預測的功率設定，這是本發(fā)明的具有的一個特征。這個特征保障了電網(wǎng)內(nèi)各個電廠以分散獨立的控制方式，在送端電網(wǎng)解列時，協(xié)調(diào)合理地分配調(diào)節(jié)任務，使電網(wǎng)達到功率平衡，降低了常規(guī)控制系統(tǒng)存在的穩(wěn)態(tài)頻差；并保障了本發(fā)明的系統(tǒng)和安穩(wěn)切機控制系統(tǒng)，可以不經(jīng)通信聯(lián)系，獨立地控制，天然地保持協(xié)調(diào)。本發(fā)明采用預測控制技術，在送端電網(wǎng)解列、孤網(wǎng)甩負荷及機組脫網(wǎng)甩負荷的情況下，實現(xiàn)了五個協(xié)調(diào)，有效提高了送端電網(wǎng)和機組安全穩(wěn)定性能，具體地
實現(xiàn)了 Opc —次調(diào)頻、功率控制的協(xié)調(diào)；在有效保障汽輪機葉片安全的同時，提高調(diào)速系統(tǒng)和電網(wǎng)的穩(wěn)定性。實現(xiàn)了調(diào)速系統(tǒng)與鍋爐控制之間協(xié)調(diào)，即功率與燃料汽壓控制之間協(xié)調(diào)，克服了汽輪機和鍋爐控制之間因快慢不同而產(chǎn)生的沖突，有效防止汽壓過高導致安全門動作，提高了機組安全可靠性。實現(xiàn)孤網(wǎng)內(nèi)各電廠機組之間的協(xié)調(diào)，孤網(wǎng)內(nèi)機組合理分擔孤網(wǎng)甩負荷后的功率調(diào)整任務，機組按各自設定進行進行調(diào)節(jié)，不會發(fā)生因機組特性和參數(shù)不同導致的功率搶奪和沖突,避免了由此形成的振蕩。實現(xiàn)了機組功率控制與孤網(wǎng)負荷的平衡和協(xié)調(diào)，孤網(wǎng)內(nèi)機組各自預測的功率設定總和與孤網(wǎng)負荷相等，機組各自調(diào)節(jié)后，電網(wǎng)頻率能夠返回到額定頻率。實現(xiàn)了機組控制與電網(wǎng)安全穩(wěn)定切機措施的協(xié)調(diào)，機組控制與電網(wǎng)安全穩(wěn)定切機措施可以不經(jīng)通信連接和協(xié)作，各自調(diào)整和動作，兩者的配合保持天然的協(xié)調(diào)一致。本發(fā)明是以機組為單元進行分散獨立控制，機組之間、機組與安穩(wěn)切機不經(jīng)通信連系，自動地相互協(xié)調(diào)。這種分布協(xié)調(diào)控制技術，對于不可預見性質(zhì)故障導致的送端電網(wǎng)解列，對于災害條件下的孤網(wǎng)高頻穩(wěn)定，具備很強適應性，
本發(fā)明能夠大幅提高送端電網(wǎng)高頻穩(wěn)定水平，提高不可預見性故障下的電網(wǎng)堅固性及災害條件下電網(wǎng)的抗災能力，提高機組安全性，具有顯著的社會效益
本發(fā)明以低成本的控制技術，有效解決大機小網(wǎng)的頻率安全穩(wěn)定問題，消除這個制約因素后，電網(wǎng)就可以在規(guī)劃時將大型機組接入220kV區(qū)域電網(wǎng)，消納負荷后通過500kV聯(lián)絡變送出，消除了負荷電流的迂回，大大降低了的輸電網(wǎng)的電能損耗，是一種投入少、成效大的節(jié)能減排措施。本發(fā)明解決了大型機組接入220kV區(qū)域電網(wǎng)關鍵問題，大型機組接入220kV區(qū)域電網(wǎng)后，發(fā)電功率消納220kV區(qū)域電網(wǎng)負荷，送入500kV電網(wǎng)功率大量減少，相應減少了500kV輸變電設施的容量，可以相應節(jié)省500kV電網(wǎng)一次設備的巨額投資，具有顯著的經(jīng)濟效益。本發(fā)明利用送端電網(wǎng)解列后機組功率的自然分配特性，不需要建設集中式控制系統(tǒng)，以分散控制方式進行控制，具有實施技術簡單，成本低廉的特點，并且，本發(fā)明與國內(nèi)現(xiàn)行相關標準、規(guī)范及規(guī)定不發(fā)生沖突，利于現(xiàn)有技術之上進行開發(fā)和改造，利于推廣，解決了在送端電網(wǎng)解列時，汽輪機的功率調(diào)整過程的遲緩，導致轉速過高，引起汽輪機葉片安全問題；鍋爐的能量調(diào)整過程的遲緩，導致主汽壓力過高，造成安全門動作，容易導致機組切機等問題。



圖I為本發(fā)明各控制單元組成框 圖2為本發(fā)明高頻緊急狀態(tài)及預測單元模塊結構示意 圖3為本發(fā)明調(diào)速器預測控制單元模塊結構示意 圖4為本發(fā)明鍋爐預測控制單元模塊結構示意 圖5為常規(guī)調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)甩出40%負荷時的仿真 圖6為本發(fā)明控制系統(tǒng)在甩出40%機組出力時的仿真圖。
具體實施例方式 送端電網(wǎng)解列時孤網(wǎng)機組功率分配的原理和性質(zhì)
在送端電網(wǎng)解列時，孤網(wǎng)潮流立即變化，機組發(fā)電功率重新分配，本發(fā)明的理論基礎，建立在孤網(wǎng)解列后機組發(fā)電功率分配的性質(zhì)之上，由于電網(wǎng)機電過程復雜，必須在理想狀態(tài)下推導其性質(zhì)，然后分析實際電網(wǎng)與理想電網(wǎng)偏離性。
在送端電網(wǎng)解列時，孤網(wǎng)內(nèi)各臺發(fā)電機的電磁同步轉矩相互牽挽，電網(wǎng)中的各個機組能夠保持同步，轉速上升速度基本一致，到達OPC動作(3090rpm)的時刻基本相同，因此，可以假定孤網(wǎng)內(nèi)機組轉速一致。電網(wǎng)解列后與OPC動作之前這個時段，因閥門伺服、管道及汽缸的時間延遲，可以假定原動機的機械功率在OPC動作之前，功率不發(fā)生變化；在忽略負荷的電壓和頻率效應后，可以得到假定狀態(tài)下送端電網(wǎng)解列時機組功率分配的性質(zhì)。根據(jù)電網(wǎng)潮流在同一時刻保持平衡的原理，電網(wǎng)解列后，機組在OPC動作的時刻相同，此時刻下孤網(wǎng)所有的機組各自測量的發(fā)電功率，與孤網(wǎng)負荷相等，稱為性質(zhì)I。性質(zhì)I表明，電網(wǎng)內(nèi)的所有機組，在OPC動作的時刻測量的機組發(fā)電功率，作為調(diào)速系統(tǒng)的功率設定進行各自調(diào)整，能夠使電網(wǎng)發(fā)電功率與負荷相等，電網(wǎng)頻率能夠返回到額定。
孤網(wǎng)內(nèi)有m臺發(fā)電機組，根據(jù)機電原理可以推導出如下標幺化公式
權利要求
1.保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)，它包括 高頻緊急狀態(tài)及預測單元(I )，根據(jù)輸入信號判別電網(wǎng)是否處于高頻緊急狀態(tài)，在高頻緊急狀態(tài)時輸出快速功率回降信號、功率控制目標、機組功率設定和功率變動率，與調(diào)速器預測控制單元(2)和鍋爐預測控制單元(3)電連接； 調(diào)速器預測控制單元(2)，在高頻緊急狀態(tài)下，根據(jù)高頻緊急狀態(tài)及預測單元(I)發(fā)來的功率設定進行PID功率控制，在超速保護OPC動作信號發(fā)出期間，將積分輸出狀態(tài)重新調(diào)整為預測的功率設定，在快速功率回降信號發(fā)出期間，取消或降低調(diào)節(jié)指令限速環(huán)節(jié)的限制，將輸出的高壓閥門指令送入到調(diào)速機構的伺服器，與調(diào)速機構的伺服器電連接； 鍋爐預測控制單元(3)，在電網(wǎng)高頻緊急狀態(tài)下，根據(jù)高頻緊急狀態(tài)及預測單元(I)發(fā)來的快速功率回降信號，自動地將模擬量控制系統(tǒng)MCS控制方式轉換為鍋爐跟隨BF方式，根據(jù)功率變動率聯(lián)切磨煤機，加快燃料供給過程的響應，在快速功率回降信號發(fā)出時，對電動釋壓閥PCV進行開閉控制，根據(jù)功率變動率信號對旁路BP進行控制，與鍋爐及輔機電連接。
2.根據(jù)權利要求I所述的保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)，其特征在于高頻緊急狀態(tài)及預測單元包括 高頻緊急狀態(tài)判別模塊，根據(jù)超速保護OPC動作信號、轉速信號和機組脫網(wǎng)信號進行邏輯運算，判斷系統(tǒng)是否處于高頻緊急狀態(tài)，與緊急狀態(tài)展寬模塊電連接； 緊急狀態(tài)展寬模塊，根據(jù)高頻緊急狀態(tài)判別模塊送入的高頻緊急狀態(tài)信號，按設定的時間進行展寬，輸出為快速回降功率信號，與功率變動率存儲器、功率設定存儲器和監(jiān)控系統(tǒng)電連接； 發(fā)電機功率、頻率與電壓采集模塊，對發(fā)電機端的功率、頻率和電壓進行采集，與功率、頻率和電壓因子修正模塊電連接； 功率、頻率和電壓因子修正模塊，根據(jù)電網(wǎng)負荷的頻率及電壓因子修正發(fā)電機功率，使OPC動作時測量的發(fā)電機功率，在總量上與負荷平衡，所屬模塊的輸出一路經(jīng)延時器后與功率變動率存儲器電連接，一路直接與功率變動率存儲器電連接，一路與功率設定存儲器電連接； 功率變動率存儲器，受快速回降功率信號FB的上升沿觸發(fā)，計算解列時發(fā)電機功率與解列前發(fā)電機功率之比，寫入存儲器并保持； 功率設定存儲器，在緊急狀態(tài)展寬模塊輸出上升沿的時刻，將該“緊急”時刻測量的機組功率寫入存儲器，在緊急狀態(tài)展寬期間保持并作為機組功率設定輸出，在緊急狀態(tài)，存儲器將一直保持。
3.根據(jù)權利要求I所述的保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)，其特征在于調(diào)速器預測控制單元(2)包括狀態(tài)可重置的積分環(huán)節(jié)模塊(3. I)和緊急狀態(tài)限速退出模塊(3. 2)，狀態(tài)可重置的積分環(huán)節(jié)模塊(3. I)通過第三加法器(3. 5)與緊急狀態(tài)限速退出模塊(3. 2)連接。
4.根據(jù)權利要求I所述的保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)，其特征在于鍋爐預測控制單元(3)包括 “功率跟隨”控制方式轉換模塊(4. I):根據(jù)高頻緊急狀態(tài)及預測單元(I)發(fā)送來的快速回降信號、將模擬量控制系統(tǒng)MCS的控制方式設置為“鍋爐跟隨”方式，與第一路由開關(4.4)電連接； “鍋爐跟隨”控制器輸出跟蹤模塊(4. 2)，在其他的控制方式下，使“鍋爐跟隨”控制器形成一個對主汽門壓力進行跟蹤的閉環(huán)，保持PID的正確的輸出狀態(tài)，避免在高頻緊急狀態(tài)下切換到“鍋爐跟隨”控制方式時，輸出狀態(tài)的發(fā)生躍變，與第一加減器(4. 5)電連接； 磨煤機切除及燃料分配模塊(4. 3)，根據(jù)功率變動率，在高頻緊急狀態(tài)量的起始時刻，觸發(fā)啟動磨煤機切除邏輯，切除最接近于功率變動率的相應磨煤機數(shù)量，加速燃料的控制響應速度，減輕燃料調(diào)整遲緩導致主汽壓力高的問題。
5.根據(jù)權利要求I所述的保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)，其特征在于它是在超速保護(OPC)動作的時刻，測量發(fā)電機有功功率，有功功率或經(jīng)修正計算后，作為預測的機組功率控制設定，對機組功率進行控制。
6.根據(jù)權利要求I所述的保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)，其特征在于在超速保護(OPC)動作信號發(fā)出期間，將調(diào)速器的功率PID控制中積分環(huán)節(jié)的輸出狀態(tài)，調(diào)整為預測功率設定的換算數(shù)值，所述預測的功率設定的換算數(shù)值是在OPC動作初始時刻測量的發(fā)電機有功功率，經(jīng)修正和換算，再作為積分環(huán)節(jié)的輸出狀態(tài)的置換數(shù)值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種保障送端電網(wǎng)安全穩(wěn)定的火電機組功率預測控制系統(tǒng)，它包括高頻緊急狀態(tài)及預測單元(1)，與調(diào)速器預測控制單元(2)和鍋爐預測控制單元(3)電連接；調(diào)速器預測控制單元(2)，與調(diào)速機構的伺服器電連接；鍋爐預測控制單元(3)，與鍋爐及輔機電連接；在送端電網(wǎng)解列時，測量出電網(wǎng)自然分配給機組的功率，換算得到保持孤網(wǎng)平衡、分配公正的機組預測功率設定，機組預測控制方法對汽輪機和鍋爐實施快速和準確的控制調(diào)整，有效地保障了鍋爐、汽輪機與電網(wǎng)之間能量的動態(tài)平衡，解決了超速保護(OPC)的振蕩問題，大幅提高了送端電網(wǎng)高頻穩(wěn)定水平和機組的安全性。
文檔編號H02P9/04GK102946224SQ201210536379
公開日2013年2月27日 申請日期2012年12月10日 優(yōu)先權日2012年12月10日
發(fā)明者鄧樸, 皮顯松, 李慶生, 趙慶明, 農(nóng)靜, 張裕, 鐘以林, 高華, 李麗娟 申請人:貴州電網(wǎng)公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心