一种轴流转桨机组调速器有功功率限制控制方法

技术领域

本发明涉及轴流转桨机组运行技术领域，尤其涉及一种轴流转桨机组调速器有功功率限制控制方法。

背景技术

有功功率限制值是机组调速器并网发电状态的一个重要参数，是机组正常运行状态下有功功率的最大值，当实际有功功率超过此限制值时，电站会面临调度考核，同时因为有功功率超过正常范围，容易对机组设备造成不良影响，严重时会导致机组事故。根据水轮机出力公式P＝9.81QH，在流量Q相同的情况下出力P与水头H成正比关系，即机组运行水头越高，则输出的有功功率越大。因此针对机组的不同运行水头，机组输出的最大有功功率也不相同，当机组实际运行水头发生变化时，则有功功率限制值应进行相应的调整。

目前，轴流转桨机组调速器一般采用的是通过设置导叶电气开限来对最大导叶开度进行限制，从而实现对机组最大有功功率的限制。这种方式存在很大的漏洞，在不同运行水头下，机组额定有功功率运行时对应的最大导叶开度是不相同的，由水轮机出力公式可以得出，水头越高则对应的导叶开度越小，这就导致设置的导叶电气开限准确度较低，当设置的电气开限偏低时，会造成发电功率受限，当设置的电气开限偏高时，则起不到限制机组发电功率的目的，容易造成机组过负荷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：解决上述背景技术中存在的问题，提供一种轴流转桨机组调速器有功功率限制控制方法，通过对机组调速器采集的监测量信号进行有效性判断、设置I级有功功率限制值、设置II级有功功率限制值、I级有功功率限制进入和退出控制、II级有功功率限制进入和退出控制，实现对机组调速器有功功率限制功能的自动控制，保证机组有功功率不越限。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种轴流转桨机组调速器有功功率限制控制方法，包括以下步骤：

S1. 机组调速器采集监测量信号；

S2. 对调速器采集的监测量信号进行分析判断；

S3.根据调速器采集的监测量信号，判断I级有功功率限制功能动作条件，若是，则调速器自动干预导叶、轮叶的控制；

S4：根据调速器采集的监测量信号，判断I级有功功率限制功能退出条件，若是，调速器退出干预导叶、轮叶的控制；

S5：根据调速器采集的监测量信号，判断II级有功功率限制功能动作条件，若是，则调速器自动干预导叶、轮叶的控制；

S6：根据调速器采集的监测量信号，判断II级有功功率限制功能退出条件，若是，调速器退出干预导叶、轮叶的控制。

进一步地，在S1中，机组调速器采集监测量信号包括模拟量信号、开关量信号、参数设置值、功能位信号以及调速器计算信号，其中：

模拟量信号包括导叶开度信号、有功功率信号、机组运行水头信号、轮叶开度信号；

开关量信号包括导叶自动状态、轮叶自动状态、断路器状态；

参数设置值包括进入有功功率限制提前量、退出有功功率限制延迟量、有功功率限制下导叶最小开度、有功功率限制下有功功率最小值、每秒钟减导叶开度值、设定水头值H、与设定水头值对应的I级有功功率限制值、与设定水头值对应的II级有功功率限制值；

功能位信号包括I级有功功率限制功能投入、II级有功功率限制功能投入；

调速器计算信号包括电气开限信号。

更进一步地，有功功率限制提前量设置为额定有功功率的0.8-1%；

退出有功功率限制延迟量设置为额定有功功率的1-1.5%；

有功功率限制下导叶最小开度设置为50-55%；

有功功率限制下有功功率最小值设置为额定有功功率的60-65%；

每秒钟减导叶开度值设置为0.5-1%。

进一步地，在S2中，对调速器采集的模拟量信号进行有效性判断，对调速器采集的开关量信号进行防抖处理，对调速器采集的参数设置量信号进行合理性判断；其中：

对模拟量信号进行断线、越限、跳变、死值判断，均通过时，模拟量信号有效；

对开关量信号和功能位信号进行防抖动判断，信号值保持0.5秒以上为真；

对参数设置值进行合理范围判断：设定水头值H在最小水头与最大水头范围内，且H依次增大；I级有功功率限制值在额定有功功率的60%-108%之间，且依次后一个值不小于前一个值；II级有功功率限制值在额定有功功率的60%-110%之间，且依次后一个值不小于前一个值；有功功率限制提前量设置范围在额定有功功率的0.8%-1%；退出有功功率限制延迟量设置范围在额定有功功率的1%-1.5%，且大于有功功率限制提前量；有功功率限制下导叶最小开度设置范围为50%-55%；有功功率限制下有功功率最小值设置范围为额定有功功率的60%-65%；每秒钟减导叶开度值M7设置范围为0.5%-1%。

进一步地，在S3中， I级有功功率限制功能进入条件为：

机组调速器导叶、轮叶、有功功率信号无故障；

机组调速器导叶、轮叶均在自动状态，断路器在合位，机组在发电态；

调速器导叶开度大于有功功率限制下导叶最小开度，调速器有功功率大于有功功率限制下有功功率最小值；

机组实际有功功率信号大于当前运行水头H下的I级有功功率限制值M1与有功功率限制提前量的差值；

同时满足以上条件下，延时0.5秒。

进一步地，在S3中， I级有功功率限制功能动作时自动干预导叶轮叶步骤为：

将当前的导叶开度信号赋给导叶的电气开限信号；

屏蔽导叶远方增加令。

进一步地，在S4中， I级有功功率限制功能退出条件为：

机组调速器导叶、轮叶、有功功率信号无故障；

机组调速器导叶、轮叶均在自动状态，断路器在合位，机组在发电态；

机组实际的有功功率信号小于当前运行水头H下的I级有功功率限制值与退出有功功率限制延迟量的差值；

同时满足以上条件下，延时0.5秒。

进一步地，在S5中， II级有功功率限制功能进入条件为：

机组调速器导叶、轮叶、有功功率信号无故障；

机组调速器导叶、轮叶均在自动状态，断路器在合位，机组在发电态；

调速器导叶开度大于有功功率限制下导叶最小开度，调速器有功功率大于有功功率限制下有功功率最小值；

机组实际的有功功率信号大于当前运行水头H下的II级有功功率限制值M2与有功功率限制提前量的差值；

同时满足以上条件下，延时0.5秒。

进一步地，在S5中， II级有功功率限制功能动作时自动干预导叶轮叶步骤为：

将当前导叶开度信号赋给导叶的电气开限信号；

屏蔽导叶远方增加令；

导叶的电气开限信号每秒减少所述每秒钟减导叶开度值。

进一步地，在S6中， II级有功功率限制功能退出条件为：

机组调速器导叶、轮叶、有功功率信号无故障；

机组调速器导叶、轮叶均在自动状态，断路器在合位，机组在发电态；

机组实际的有功功率信号小于当前运行水头H下的II级有功功率限制值与退出有功功率限制延迟量的差值；

同时满足以上条件下，延时0.5秒。

本发明有如下有益效果：

1、本发明通过对机组调速器采集的监测量信号进行有效性判断、设置I级有功功率限制值、设置II级有功功率限制值、I级有功功率限制进入和退出控制、II级有功功率限制进入和退出控制，实现对机组调速器有功功率限制功能的自动控制，保证机组有功功率不越限。

2、本发明基于调速器控制系统现有的数据采集量来实现机组有功功率限制功能的动作、退出、告警，实现简便，方法可靠。

3、本发明适用于轴流转桨机组调速器，对于单控制器、双控制器模式的调速器均适用，适用性强。

4、本发明中设置两级有功功率限制值，对不同级别限制功能进行区分，通过程序控制干预，可以及时调整导叶轮叶将机组有功功率调整至正常范围，全程靠调速器自动判定进入、退出功率限制，无需人工干预，自动化程度高。

5、本发明专利充分考量调速器在进入和退出有功功率限制功能时可能出现的异常情况，在实现功率限制功能时对调速器常规功能影响小，具备很高的安全性。

6、本发明中有功功率限制功能控制程序结构清晰，便于维修人员阅读；程序功能模块化、接口无特异性，在其他机组推广使用时可直接移植该模块，可移植性强。

7、本发明中提出将有功功率限制功能相关参数、功能位等均添加到人机交互界面中，便于调试试验，在运行维护过程中，出现参数不合适的情况，可随时修改，减小了维护人员的工作量。

8、本发明提高了机组有功功率限制的准确性，有效解决了因调速器导叶电气开限设置不当引起的机组过负荷或者出力受限的问题。

附图说明

图1 为本发明流程框图。

图2 为有功功率限制功能控制画面。

图3 为调速器监测量信号有效性判断流程框图。

图4 为I级有功功率限制功能进入判断流程框图。

图5 为I级有功功率限制功能动作时自动干预导叶轮叶流程框图。

图6 为I级有功功率限制功能退出判断流程框图。

图7 为II级有功功率限制功能进入判断流程框图。

图8 为II级有功功率限制功能动作时自动干预导叶轮叶流程框图。

图9 为II级有功功率限制功能退出流程框图。

图10 为I级/II级有功功率限制动作/退出时报警信号流程图框。

图11为非设定水头下I级/II级有功功率限制值计算流程框图。

图中：导叶开度信号A1、有功功率信号A2、机组运行水头信号A3、轮叶开度信号A4，电气开限信号A5；

导叶自动状态D1，轮叶自动状态D2，I级有功功率限制功能投入D3，II级有功功率限制功能投入D4，断路器状态D5；

I级有功功率限制值M1，II级有功功率限制值M2，进入有功功率限制提前量M3，退出有功功率限制延迟量M4，有功功率限制下导叶最小开度M5，有功功率限制下有功功率最小值M6，每秒钟减导叶开度值M7。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

参见图1-10，一种轴流转桨机组调速器有功功率限制控制方法，包括以下步骤：

S1. 机组调速器采集监测量信号；

S2. 对调速器采集的监测量信号进行分析判断；

S3.根据调速器采集的监测量信号，判断I级有功功率限制功能动作条件，若是，则调速器自动干预导叶、轮叶的控制；

S4：根据调速器采集的监测量信号，判断I级有功功率限制功能退出条件，若是，调速器退出干预导叶、轮叶的控制；

S5：根据调速器采集的监测量信号，判断II级有功功率限制功能动作条件，若是，则调速器自动干预导叶、轮叶的控制；

S6：根据调速器采集的监测量信号，判断II级有功功率限制功能退出条件，若是，调速器退出干预导叶、轮叶的控制。

通过对机组调速器采集的监测量信号进行有效性判断、设置I级有功功率限制值、设置II级有功功率限制值、I级有功功率限制进入和退出控制、II级有功功率限制进入和退出控制，实现对机组调速器有功功率限制功能的自动控制，保证机组有功功率不越限。

具体的，为了便于操作，在人机交互界面增加图2中相应的参数画面，画面中包括有功功率限制功能投入的软开关、对应参数设置值等；在控制器程序中，加入相对应的程序。

进一步地，在S1中，机组调速器采集监测量信号包括模拟量信号、开关量信号、参数设置值、功能位信号以及调速器计算信号，其中：

模拟量信号包括导叶开度信号A1、有功功率信号A2、机组运行水头信号A3、轮叶开度信号A4；

开关量信号包括导叶自动状态D1、轮叶自动状态D2、断路器状态D5；

参数设置值包括进入有功功率限制提前量M3、退出有功功率限制延迟量M4、有功功率限制下导叶最小开度M5、有功功率限制下有功功率最小值M6、每秒钟减导叶开度值M7、设定水头值H（0-10）、与设定水头值对应的I级有功功率限制值M1、与设定水头值对应的II级有功功率限制值M2；

功能位信号包括I级有功功率限制功能投入D3、II级有功功率限制功能投入D4；

调速器计算信号包括电气开限信号A5。调速器计算信号是指调速器控制器程序运算过程中的产生的中间变量，用于控制程序正常进行。调速器控制器采集模拟量信号、开关量信号、设置值、初始化参数等，经过程序运算，产生的参数被称为调速器计算信号。电气开限信号是通过调速器控制器程序计算获得，计算公式为额定水头*100=电气开限*实际运行水头H，比如机组额定水头为18.6米，机组调速器实际运行水头是不断变化的，当实际运行水头取20米时，则当前水头下对应的电气开限为18.6*100/20=93，当实际运行水头低于额定水头时，电气开限保持为100。

更进一步地，有功功率限制提前量M3设置为额定有功功率的0.8-1%；

退出有功功率限制延迟量M4设置为额定有功功率的1-1.5%；

有功功率限制下导叶最小开度M5设置为50-55%；

有功功率限制下有功功率最小值M6设置为额定有功功率的60-65%；

每秒钟减导叶开度值M7设置为0.5-1%。

参见图3，在S2中，对调速器采集的模拟量信号进行有效性判断，对调速器采集的开关量信号进行防抖处理，对调速器采集的参数设置量信号进行合理性判断，提高有功功率限制功能判断条件的数据可靠性；其中：

对模拟量信号进行断线、越限、跳变、死值判断，均通过时，模拟量信号有效；

对开关量信号和功能位信号进行防抖动判断，信号值保持0.5秒以上为真；

对参数设置值进行合理范围判断：设定水头值H（0-10）在最小水头与最大水头范围内，且H（0）到H（10）依次增大；I级有功功率限制值M1（0-10）在额定有功功率的60%-108%之间，且依次后一个值不小于前一个值；II级有功功率限制值M2（0-10）在额定有功功率的60%-110%之间，且依次后一个值不小于前一个值；有功功率限制提前量M3设置范围在额定有功功率的0.8%-1%；退出有功功率限制延迟量M4设置范围在额定有功功率的1%-1.5%，且大于有功功率限制提前量M3；有功功率限制下导叶最小开度M5设置范围为50%-55%；有功功率限制下有功功率最小值M6设置范围为额定有功功率的60%-65%；每秒钟减导叶开度值M7设置范围为0.5%-1%。

参见图4，在S3中， I级有功功率限制功能进入条件为：

机组调速器导叶、轮叶、有功功率信号无故障；

机组调速器导叶、轮叶均在自动状态，断路器在合位，机组在发电态；

调速器导叶开度大于有功功率限制下导叶最小开度M5，调速器有功功率大于有功功率限制下有功功率最小值M6；

机组实际有功功率信号A2大于当前运行水头H下的I级有功功率限制值M1与有功功率限制提前量M3的差值；

同时满足以上条件下，延时0.5秒。

参见图5，在S3中， I级有功功率限制功能动作时自动干预导叶轮叶步骤为：

将当前的导叶开度信号A1赋给导叶的电气开限信号A5；

屏蔽导叶远方增加令。远方增加令是让导叶增加的指令，屏蔽导叶远方增加令后，既用电气开限信号A5来限制，同时让调速器不接受外部的增加信号，保证导叶开度不会继续增加。机组调速器通过接受远方增加令、远方减少令来实现对导叶的控制。远方增加令和远方减少令均为开关量信号，由机组监控系统发送给调速器。当收到远方增加令时，调速器则使导叶增加，实现进水量的增加，从而实现增加有功功率；当收到远方减少令时，调速器则使导叶减小，实现进水量的减小，从而实现减小有功功率；轴流转桨机组导叶轮叶存在协联关系，调速器控制器程序中设定了水头、导叶开度、轮叶开度的关系表，在确定水头、导叶开度的情况下，根据协联表可以计算出唯一的轮叶开度，因此，当导叶开度增加或减小时，轮叶会根据协联表自动跟随导叶开度的变化。

参见图6，在S4中， I级有功功率限制功能退出条件为：

机组调速器导叶、轮叶、有功功率信号无故障；

机组调速器导叶、轮叶均在自动状态，断路器在合位，机组在发电态；

机组实际的有功功率信号A2小于当前运行水头H下的I级有功功率限制值M1与退出有功功率限制延迟量M4的差值；

同时满足以上条件下，延时0.5秒。

参见图7，在S5中， II级有功功率限制功能进入条件为：

机组调速器导叶、轮叶、有功功率信号无故障；

机组调速器导叶、轮叶均在自动状态，断路器在合位，机组在发电态；

调速器导叶开度大于有功功率限制下导叶最小开度M5，调速器有功功率大于有功功率限制下有功功率最小值M6；

机组实际的有功功率信号A2大于当前运行水头H下的II级有功功率限制值M2与有功功率限制提前量M3的差值；

同时满足以上条件下，延时0.5秒。

参见图8，在S5中， II级有功功率限制功能动作时自动干预导叶轮叶步骤为：

将当前导叶开度信号A1赋给导叶的电气开限信号A5；

屏蔽导叶远方增加令；

导叶的电气开限信号A5每秒减少所述每秒钟减导叶开度值M7。

参见图9，在S6中， II级有功功率限制功能退出条件为：

机组调速器导叶、轮叶、有功功率信号无故障；

机组调速器导叶、轮叶均在自动状态，断路器在合位，机组在发电态；

机组实际的有功功率信号A2小于当前运行水头H下的II级有功功率限制值M2与退出有功功率限制延迟量M4的差值；

同时满足以上条件下，延时0.5秒。

还包括I级/II级有功功率限制动作、I级/II级有功功率限制退出时报警的步骤，用于提醒运行监屏人员。

参见图10，I级/II级有功功率限制动作/退出时报警信号流程为：

（1）I级有功功率限制动作时，报“调速器I级有功功率限制动作”信号；

（2）I级有功功率限制退出时，报“调速器I级有功功率限制退出”信号；

（3）II级有功功率限制动作时，报“调速器II级有功功率限制动作”信号；

（4）II级有功功率限制退出时，报“调速器II级有功功率限制退出”信号。

参见图11，非设定水头下I级/II级有功功率限制值计算流程为：

（1）机组调速器实际运行水头H与H[0-10]均不一致，则找出与H最接近的两个设定水头H[n]、H[n+1]；

（2）找出设定水头H[n]、H[n+1]对应的I级有功功率限制值M1 [n]、I级有功功率限制值M1[n+1]和II级有功功率限制值M2[n]、II级有功功率限制值M2[n+1]；

（3）通过线性插值法算出运行水头H对应的I级有功功率限制值M1和II级有功功率限制值M2。

本过程的本质是通过线性差值法计算，假定实际运行水头为H，此水头值H与H[0]-H[10]的值均不相同，通过比较H与H[0]-H[10]的大小，可以找到H[n]和H[n+1]两个相邻的设定水头值，使得H在这两个相邻的设定水头值之间。则可以得到（H[n]、M1[n]）、（H[n+1]、M1[n+1]）两个点，依据这两点可以求出一个直线的表达式，可以表示成M=aH+b，将实际运行水头带入上述表达式，即可计算出当前水头对应的有功功率限制值。同理，对于II级有功功率限制值计算也是上述计算过程。

本发明利用机组有功功率限制值与运行水头正相关的特性，通过程序设计实现调速器根据运行水头自动计算有功功率限制值，保证机组有功功率限制值的合理性和准确性。当机组实际有功功率大于有功功率限制值时，通过程序功能实现对导叶、轮叶进行干预，使机组有功功率返回正常运行范围，并及时报出信号提醒运行监控人员。