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大型水電站調(diào)速器孤網(wǎng)模式設(shè)計與試驗

文檔作者：于文杰劉細(xì)輝王亞華文檔來源：雅礱江流域水電開發(fā)有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2025年05月30日
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70
第41 卷 第7 期
2018 年7 月
Vol.41 No.7
Jul.2018
水 電 站 機 電 技 術(shù)
Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower Station
收稿日期： 2018-05-29
作者簡介： 于文杰（1981-），男，高級工程師，從事大型水電廠自動
控制維護(hù)管理工作。
大型水電站調(diào)速器孤網(wǎng)模式設(shè)計與試驗
于文杰，劉細(xì)輝，王亞華
（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都610041）
摘 要： 伴隨電力系統(tǒng)大負(fù)荷、遠(yuǎn)距離輸電構(gòu)架建成，電網(wǎng)形態(tài)發(fā)生重要變化，為確保電網(wǎng)和機組安全，需進(jìn)一步
加強網(wǎng)源協(xié)調(diào)技術(shù)開發(fā)和管理工作。本文結(jié)合電網(wǎng)直流輸電孤網(wǎng)運行對調(diào)速系統(tǒng)的要求，闡述了大型水電站調(diào)速
器孤網(wǎng)模式設(shè)計及試驗過程，對大型電站調(diào)速器孤網(wǎng)模式的投運有一定的借鑒作用。
關(guān)鍵詞： 水電站；調(diào)速器；孤網(wǎng)；試驗
中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-5387（2018）07-0070-04
DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2018.07.023
0 前言
隨著跨區(qū)域大負(fù)荷輸電的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模越來
越大，相應(yīng)對電力系統(tǒng)穩(wěn)定控制提出了更高要求。
2008 年年初雪災(zāi)，電力設(shè)施損毀慘重，部分地區(qū)解
裂為孤立電網(wǎng)后，機組容量與孤網(wǎng)負(fù)荷不匹配，電網(wǎng)
穩(wěn)定運行受到威脅，此時調(diào)速器參數(shù)的設(shè)計是否合
理是影響穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，設(shè)置不合理易引起機組
震蕩[1]。在系統(tǒng)嚴(yán)重故障時，大型水力發(fā)電廠帶區(qū)
域電網(wǎng)進(jìn)入孤網(wǎng)運行模式。本文介紹了某大型水電
站的孤網(wǎng)模式的設(shè)計及試驗過程，可為同類電廠提
供案例參考。
1 調(diào)速系統(tǒng)孤網(wǎng)模式技術(shù)要求
根據(jù)《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術(shù)導(dǎo)則》
（DL/T1245）第5.1.14 條要求，“水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)在不
同運行工況、不同控制模式下所使用的PID 調(diào)節(jié)參
數(shù)、人工頻率/ 轉(zhuǎn)速死區(qū)、永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)/ 調(diào)差率以
及隨動系數(shù)參數(shù)、協(xié)聯(lián)關(guān)系等均應(yīng)能通過人機界面
或?qū)Ｓ谜{(diào)試設(shè)備方便查詢和調(diào)整”。調(diào)速器系統(tǒng)設(shè)
置的孤網(wǎng)模式應(yīng)PID 參數(shù)、人工頻率/ 轉(zhuǎn)速死區(qū)等
應(yīng)單獨設(shè)置參數(shù)并方便查詢和調(diào)整。
根據(jù)《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術(shù)導(dǎo)則》
（DL/T1245）第5.2.6 條要求，“水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)應(yīng)該
能對并網(wǎng)運行開度調(diào)節(jié)模式、功率調(diào)節(jié)模式、孤網(wǎng)運
行頻率調(diào)節(jié)模式及一次調(diào)頻模式分別設(shè)置相應(yīng)的調(diào)
節(jié)參數(shù)，調(diào)節(jié)模式切換時調(diào)節(jié)參數(shù)能自動切換”。調(diào)
速器控制系統(tǒng)應(yīng)能獨立設(shè)置孤網(wǎng)模式及參數(shù)，其孤
網(wǎng)模式應(yīng)能獨立配置孤網(wǎng)頻率調(diào)節(jié)死區(qū)、PID 參數(shù)、
永態(tài)轉(zhuǎn)差系數(shù)等。
根據(jù)電網(wǎng)實際運行需求，調(diào)速器控制系統(tǒng)應(yīng)具
備自動/ 手動投入、退出孤網(wǎng)模式運行的功能，手動
投入孤網(wǎng)模式后不允許自動返回正常聯(lián)網(wǎng)模式。
2 孤網(wǎng)模式設(shè)計
2.1 孤網(wǎng)模式自動投退功能
在調(diào)速器控制系統(tǒng)觸摸屏上設(shè)置孤網(wǎng)模式投退
窗口如下頁圖1 所示，在監(jiān)控系統(tǒng)上設(shè)置孤網(wǎng)模式投
退窗口如下頁圖2 所示。優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)功能如下：
（1）在調(diào)速器控制系統(tǒng)觸摸屏上設(shè)置密碼登錄
窗口，輸入密碼方能進(jìn)行孤網(wǎng)模式切換及參數(shù)修改
工作。
（2）設(shè)置孤網(wǎng)模式切換按鈕，點擊按鈕進(jìn)行“自
動”及“人工”模式切換。在“自動”模式下，調(diào)速器
控制系統(tǒng)按照設(shè)置窗中“自動投孤網(wǎng)頻差0.50 Hz”
及“自動退孤網(wǎng)頻差0.10 Hz”進(jìn)行模式自動投退，
在此模式下監(jiān)控系統(tǒng)選擇“切手動”方式，點擊“投
孤網(wǎng)”、“退孤網(wǎng)”按鈕仍然可實現(xiàn)孤網(wǎng)模式的手動
投退；在“人工”模式下，調(diào)速器控制系統(tǒng)按照監(jiān)控
系統(tǒng)上的投退按鈕進(jìn)行操作，點擊“切手動”按鈕，
“孤網(wǎng)投退方式”顯示“手動”，此時可點擊“投孤網(wǎng)”、
萬方數(shù)據(jù)
第 7 期 71
“退孤網(wǎng)”按鈕，進(jìn)行孤網(wǎng)運行模式切換。
（3）在“自動”模式下，系統(tǒng)頻率滿足“自動退孤
網(wǎng)頻差0.10 Hz”后進(jìn)行延時3 min，孤網(wǎng)運行模式自
動退出，防止頻率出現(xiàn)急劇波動時孤網(wǎng)模式發(fā)生高
頻率投退現(xiàn)象，保證調(diào)速器孤網(wǎng)調(diào)節(jié)過程穩(wěn)定可靠。
圖1 調(diào)速器控制系統(tǒng)孤網(wǎng)模式投退窗口
圖2 監(jiān)控系統(tǒng)上孤網(wǎng)模式投退窗口
2.2 孤網(wǎng)模式控制參數(shù)
在調(diào)速器控制系統(tǒng)觸摸屏上設(shè)置孤網(wǎng)投退窗口
如圖3 所示。優(yōu)化控制程序?qū)崿F(xiàn)功能如下：
（1）調(diào)速器進(jìn)入孤網(wǎng)控制模式，按照“比列增益
3.00”、“積分增益0.20”及“微分增益1.00”的參數(shù)
進(jìn)行過程調(diào)節(jié)與控制。與并網(wǎng)開度控制模式調(diào)節(jié)參
數(shù)“比例增益3.00”、“積分增益1.00”及“微分增益
1.00”相比積分增益變小，已保證調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)，避
免發(fā)生振蕩情形。
（2）“頻率死區(qū)0.20 Hz”表示頻率在50±0.2 Hz
的范圍內(nèi)，孤網(wǎng)模式下調(diào)速器系統(tǒng)不進(jìn)行調(diào)節(jié)。
（3）“調(diào)差系數(shù)1.00%”與開度模式下“調(diào)差系
數(shù)4.00%”相比較數(shù)值變小，已保證調(diào)節(jié)的幅度與
效果。
（4）“頻差限幅”參數(shù)的作用是保證頻率調(diào)節(jié)在
正常的數(shù)值范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)過度調(diào)節(jié)及頻率誤調(diào)
節(jié)的情況。
圖3 手動投入孤網(wǎng)模式只能手動退出，頻差死區(qū)設(shè)置
3 孤網(wǎng)模式試驗
3.1 靜態(tài)試驗
“靜態(tài)”是指機組未啟動，蝸殼無水或者靜壓狀
態(tài)，調(diào)速器液壓系統(tǒng)調(diào)試合格后的狀態(tài)。
3.1.1 孤網(wǎng)模式PID 調(diào)節(jié)特性測試及Bp 校驗[2]
試驗按分環(huán)節(jié)測試法，測量比例、積分及微分等
環(huán)節(jié)的輸入輸出特性。試驗方法及步驟：
（1）調(diào)速器切手動，在50 Hz 穩(wěn)定信號，模擬并
網(wǎng)信號，接力器行程穩(wěn)定于50% 附近，死區(qū)設(shè)置為
0，Bp 設(shè)置為0，進(jìn)行分環(huán)節(jié)時域測量。比例放大倍
數(shù)測量時，將微分、積分環(huán)節(jié)退出，進(jìn)行不同比例放
大倍數(shù)下的階躍試驗；微分測量時，將比例、積分、環(huán)
節(jié)退出，進(jìn)行不同微分系數(shù)下的階躍試驗；積分測量
時，將比例、微分環(huán)節(jié)退出，進(jìn)行不同積分系數(shù)下的
階躍試驗。
（2）調(diào)速器切自動頻率模式運行，進(jìn)行頻率給定
階躍試驗，辨識PID 各環(huán)節(jié)參數(shù)。
（3）調(diào)速器切手動，設(shè)置Bp=0、4%、5%；Kd、Kp、
Ki 為定值，重復(fù)擾動試驗[3]。
3.1.2 孤網(wǎng)人工頻率死區(qū)檢查校驗
試驗方法及步驟：
（1）在機柜端子上加50 Hz 穩(wěn)定信號，模擬并網(wǎng)
信號，手動接力器行程穩(wěn)定于約50% 附近，調(diào)速器
模擬機組并網(wǎng)帶負(fù)荷工況，自動開度模式運行，人工
頻率死區(qū)設(shè)置為：E=±0.2 Hz。
（2）使頻率給定發(fā)生階躍擾動，擾動量為±0.2
Hz，±0.22 Hz，±0.3 Hz 記錄接力器行程的變化過
程及調(diào)速器人工頻率死區(qū)設(shè)定值。
（3）接力器行程穩(wěn)定與約20% 附近，將人工頻
率死區(qū)設(shè)置為E=±0.05 Hz，以0.01 Hz 步長將機頻
由50 Hz 逐次降至49.8 Hz，穩(wěn)定后返回50 Hz，然后
再由50 Hz 逐次加到50.2 Hz，穩(wěn)定后返回。測出在
設(shè)定頻率死區(qū)下導(dǎo)葉接力器的開度與頻率的關(guān)系，
計算其實測值與誤差值。
3.1.3 孤網(wǎng)人工頻率死區(qū)檢查校驗
試驗方法及步驟：
（1）在機柜端子上加50 Hz 穩(wěn)定信號，模擬并網(wǎng)
信號，手動接力器行程穩(wěn)定于約50% 附近，調(diào)速器
模擬機組并網(wǎng)帶負(fù)荷工況，自動開度模式運行，人工
頻率死區(qū)設(shè)置為：E=±0.1 Hz。
（2）使頻率給定發(fā)生階躍擾動，逐步增大擾動量
于文杰，等：大型水電站調(diào)速器孤網(wǎng)模式設(shè)計與試驗
萬方數(shù)據(jù)
72 水 電 站 機 電 技 術(shù) 第 41 卷
直到調(diào)速器輸出限幅動作。
3.1.4 模擬并網(wǎng)下自動切換孤網(wǎng)模式試驗
試驗方法及步驟：
（1）調(diào)速系統(tǒng)模擬并網(wǎng)運行，調(diào)速系統(tǒng)大網(wǎng)、孤
網(wǎng)參數(shù)按照正常參數(shù)設(shè)置，在機柜端子上加50 Hz
穩(wěn)定信號，自動開度/ 功率模式運行。根據(jù)調(diào)速系
統(tǒng)孤網(wǎng)切換頻率設(shè)定值，設(shè)定信號發(fā)生器輸出頻率
發(fā)生階躍擾動，若頻率擾動量超過切換頻率并持續(xù)
足夠時間，調(diào)速系統(tǒng)將自動切換至孤網(wǎng)模式運行。
（2）略微增大頻率階躍量，重新進(jìn)行階躍試驗，
測試在孤網(wǎng)模式下的PID 輸出調(diào)節(jié)特性。
3.1.5 模擬并網(wǎng)下孤網(wǎng)自動返回試驗
試驗方法及步驟：
在3.1.4 的基礎(chǔ)上，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)切換為孤網(wǎng)模式
運行后，逐步將信號發(fā)生器輸出頻率返回至50 Hz，
在此過程中，記錄調(diào)速器系統(tǒng)孤網(wǎng)模式返回至正常
聯(lián)網(wǎng)模式的返回頻率及時間。
3.1.6 模擬并網(wǎng)下手動切換孤網(wǎng)模式試驗
試驗方法及步驟：
在3.1.5 的基礎(chǔ)上，當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)切換為孤網(wǎng)模式
運行后，手動將孤網(wǎng)模式切換至正常聯(lián)網(wǎng)模式，測量
調(diào)速系統(tǒng)PID 輸出等調(diào)節(jié)特性。測試返回正常聯(lián)
網(wǎng)模式是否正常。
3.2 動態(tài)試驗
“動態(tài)”是指機組并網(wǎng)帶負(fù)荷運行的發(fā)電狀態(tài)，
且機組一次調(diào)頻調(diào)試合格，一次調(diào)頻能正常投入運
行。
3.2.1 機組自動切孤網(wǎng)模式頻率擾動試驗
動態(tài)擾動通常在開度模式、功率模式及監(jiān)控功
率閉環(huán)調(diào)節(jié)模式等調(diào)節(jié)方式下進(jìn)行，25% 額定負(fù)荷
下動態(tài)頻率擾動試驗。
試驗條件：
（1）調(diào)速系統(tǒng)其他各項動態(tài)試驗（如一次調(diào)頻試
驗）驗收已完畢。
（2）機組具備變負(fù)荷條件，同時機組運行穩(wěn)定。
（3）PID 設(shè)置為一次調(diào)頻試驗整定值，死區(qū)按一
次調(diào)頻要求設(shè)置。
試驗方法：
（1）確認(rèn)機組穩(wěn)定運行，將聯(lián)網(wǎng)模式下的一次調(diào)
頻限幅值臨時修改為約3%~5% 額定功率。
（2）逐次改變調(diào)速器頻率給定值（或模擬機組頻
率信號，下同），根據(jù)調(diào)速器系統(tǒng)孤網(wǎng)切換頻率設(shè)置
情況，逐步變化過程為正負(fù)0.1 Hz，0.2 Hz，0.25 Hz，
0.5 Hz，1.0 Hz 測試記錄每一次擾動過程。調(diào)速器機
旁一直有人監(jiān)視，以便異常工況下調(diào)速器切手動。
若頻率擾動量超過切換頻率并持續(xù)足夠時間，調(diào)速
系統(tǒng)將自動切換至孤網(wǎng)模式運行。測試在孤網(wǎng)切換
及切換后的調(diào)節(jié)特性。
（3）記錄機組孤網(wǎng)模式切換頻率及延時，記錄頻
率返回后調(diào)速系統(tǒng)切換為正常聯(lián)網(wǎng)模式的頻率及延
時。
3.2.2 機組并網(wǎng)帶孤立調(diào)節(jié)試驗
根據(jù)《水輪機調(diào)節(jié)系統(tǒng)并網(wǎng)運行技術(shù)導(dǎo)則》
（DL/T1245）第6.5“孤立調(diào)節(jié)試驗”推薦，機組并入
電網(wǎng)運行，帶不少于25% 的額定負(fù)荷，待負(fù)荷穩(wěn)定
后，跳開主變高壓側(cè)斷路器，但發(fā)電機出口斷路器依
然保持閉合，觀察并記錄頻率、接力器位移等信號在
此切換過程中的變化，驗證調(diào)節(jié)過程是否正常穩(wěn)定。
3.2.3 模擬并網(wǎng)下手動切換孤網(wǎng)模式試驗
機組正常并網(wǎng)運行，手動將調(diào)速系統(tǒng)切換為孤
網(wǎng)模式，調(diào)節(jié)穩(wěn)定后將孤網(wǎng)模式切換至正常聯(lián)網(wǎng)模
式，測量調(diào)速系統(tǒng)PID 輸出等調(diào)節(jié)特性。測試各切
換及返回過程是否正常。
3.2.4 孤網(wǎng)模式下機組運行監(jiān)視
機組正常并網(wǎng)運行，手動將調(diào)速系統(tǒng)切換為孤
網(wǎng)模式，記錄30 min 正常運行監(jiān)測情況，確認(rèn)試驗
期間機組運行穩(wěn)定。
4 試驗波形
根據(jù)第3 節(jié)的試驗內(nèi)容，選擇有代表性的波
形如圖4 至圖8。圖4、圖5 是機組80% 負(fù)荷（480
MW），系統(tǒng)頻率變化0.2 Hz 時調(diào)速器進(jìn)行一次調(diào)
頻的調(diào)節(jié)過程，未進(jìn)入孤網(wǎng)運行模式。圖6 是機組
25% 負(fù)荷（150 MW）跳開主變高壓側(cè)開關(guān)，機組帶主
變廠用電，自動進(jìn)入孤網(wǎng)運行模式的波形，進(jìn)入孤網(wǎng)
模式后調(diào)節(jié)穩(wěn)定，孤網(wǎng)功能正常。圖7 是機組25%
負(fù)荷（150 MW）并網(wǎng)運行時，模擬網(wǎng)頻50 Hz 變?yōu)?
50.505 Hz 機組孤網(wǎng)模式調(diào)節(jié)波形圖，調(diào)速器正確進(jìn)
入孤網(wǎng)運行模式，調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)。圖8 是機組25%
負(fù)荷（150 MW）并網(wǎng)運行時，模擬網(wǎng)頻50 Hz 變?yōu)?
50.6 Hz 機組自動進(jìn)入及退出孤網(wǎng)模式波形圖，自動
切換至孤網(wǎng)運行模式運行為穩(wěn)定，調(diào)節(jié)過程平穩(wěn)，自
動退出孤網(wǎng)模式時動作準(zhǔn)確，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，滿足規(guī)
程及電網(wǎng)的運行要求。
萬方數(shù)據(jù)
第 7 期 于文杰，等：大型水電站調(diào)速器孤網(wǎng)模式設(shè)計與試驗 73
圖4 開度模式下頻率擾動由50 Hz 變?yōu)?9.8 Hz
再變?yōu)?0 Hz 功率、開度變化波形圖
圖5 開度模式下頻率擾動由50 Hz 變?yōu)?0.2 Hz
再變?yōu)?0 Hz 功率、開度變化波形圖
圖6 機組25% 負(fù)荷跳開主變高壓側(cè)開關(guān)自動進(jìn)入
孤網(wǎng)模式波形圖
5 結(jié)論
通過對水力發(fā)電廠的孤網(wǎng)模式設(shè)計，增強了調(diào)
速器系統(tǒng)適應(yīng)孤網(wǎng)運行的能力，不僅滿足相關(guān)國家
標(biāo)準(zhǔn)，而且滿足電網(wǎng)對電站調(diào)速系統(tǒng)快速調(diào)節(jié)及穩(wěn)
定運行的要求。通過試驗驗證了孤網(wǎng)模式的實際動
作過程及調(diào)節(jié)特性穩(wěn)定可靠，對其他電站孤網(wǎng)模式
的設(shè)計及試驗有一定的借鑒作用。
參考文獻(xiàn)：
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[3] 魏守平. 水輪機調(diào)節(jié)[M]. 武漢：華中科技大學(xué)出版社，
2009.
圖7 機組25% 負(fù)荷網(wǎng)頻50 Hz 變?yōu)?0.505 Hz
機組孤網(wǎng)模式調(diào)節(jié)及退出波形圖
圖8 機組25% 負(fù)荷網(wǎng)頻50 Hz 變?yōu)?0.6 Hz
機組自動進(jìn)入及退出孤網(wǎng)模式波形圖
（7）電廠應(yīng)在大壩上游安裝多個不同測量原理
的水位計，多冗余水位計容錯濾波處理策略，采用容
錯濾波、計算平均值和3 取2 多種邏輯判斷方式，確
保水位信號的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性（水位計的選址至關(guān)
重要）。
（8）多系統(tǒng)自動協(xié)聯(lián)機制，建議直接將泄洪閘門
控制系統(tǒng)以LCU 方式接入電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)，減
少通信接口，若必須以IEC 60870-5-104 通信規(guī)約
通信的，各環(huán)節(jié)通信通道設(shè)置故障報警。
（9）方案須嚴(yán)格執(zhí)行電廠閘門調(diào)度規(guī)程。
6 結(jié)語
五凌公司在國內(nèi)率先開展泄洪閘門與動態(tài)負(fù)荷
及水位自動聯(lián)動功能研究，并在東坪、株溪口、馬跡
塘電廠成果應(yīng)用，國內(nèi)首次實現(xiàn)閘門全過程自動控
制。系統(tǒng)功能的投入可確保不發(fā)生漫門、漫壩事故，
有效避免無效棄水，提高水能利用率，同時大大減輕
現(xiàn)場勞動強度，真正意義上實現(xiàn)電廠夜間關(guān)門運行，
充分適應(yīng)“遠(yuǎn)程集控，無人值班”的要求，值得在全
國同類型低水頭電廠全面推廣。

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