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大型水电站调速器孤网模式设计与试验

文档作者：于文杰刘细辉王亚华文档来源：雅砻江流域水电开发有限公司		点击数：	更新时间： 2025年05月30日
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上一篇：大型水轮发电机转子一点接地保护应用研究

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第41 卷 第7 期
2018 年7 月
Vol.41 No.7
Jul.2018
水 电 站 机 电 技 术
Mechanical &amp;amp; Electrical Technique of Hydropower Station
收稿日期： 2018-05-29
作者简介： 于文杰（1981-），男，高级工程师，从事大型水电厂自动
控制维护管理工作。
大型水电站调速器孤网模式设计与试验
于文杰，刘细辉，王亚华
（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都610041）
摘 要： 伴随电力系统大负荷、远距离输电构架建成，电网形态发生重要变化，为确保电网和机组安全，需进一步
加强网源协调技术开发和管理工作。本文结合电网直流输电孤网运行对调速系统的要求，阐述了大型水电站调速
器孤网模式设计及试验过程，对大型电站调速器孤网模式的投运有一定的借鉴作用。
关键词： 水电站；调速器；孤网；试验
中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1672-5387（2018）07-0070-04
DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2018.07.023
0 前言
随着跨区域大负荷输电的发展，电网规模越来
越大，相应对电力系统稳定控制提出了更高要求。
2008 年年初雪灾，电力设施损毁惨重，部分地区解
裂为孤立电网后，机组容量与孤网负荷不匹配，电网
稳定运行受到威胁，此时调速器参数的设计是否合
理是影响稳定的关键因素，设置不合理易引起机组
震荡[1]。在系统严重故障时，大型水力发电厂带区
域电网进入孤网运行模式。本文介绍了某大型水电
站的孤网模式的设计及试验过程，可为同类电厂提
供案例参考。
1 调速系统孤网模式技术要求
根据《水轮机调节系统并网运行技术导则》
（DL/T1245）第5.1.14 条要求，“水轮机调节系统在不
同运行工况、不同控制模式下所使用的PID 调节参
数、人工频率/ 转速死区、永态转差系数/ 调差率以
及随动系数参数、协联关系等均应能通过人机界面
或专用调试设备方便查询和调整”。调速器系统设
置的孤网模式应PID 参数、人工频率/ 转速死区等
应单独设置参数并方便查询和调整。
根据《水轮机调节系统并网运行技术导则》
（DL/T1245）第5.2.6 条要求，“水轮机调节系统应该
能对并网运行开度调节模式、功率调节模式、孤网运
行频率调节模式及一次调频模式分别设置相应的调
节参数，调节模式切换时调节参数能自动切换”。调
速器控制系统应能独立设置孤网模式及参数，其孤
网模式应能独立配置孤网频率调节死区、PID 参数、
永态转差系数等。
根据电网实际运行需求，调速器控制系统应具
备自动/ 手动投入、退出孤网模式运行的功能，手动
投入孤网模式后不允许自动返回正常联网模式。
2 孤网模式设计
2.1 孤网模式自动投退功能
在调速器控制系统触摸屏上设置孤网模式投退
窗口如下页图1 所示，在监控系统上设置孤网模式投
退窗口如下页图2 所示。优化控制程序实现功能如下：
（1）在调速器控制系统触摸屏上设置密码登录
窗口，输入密码方能进行孤网模式切换及参数修改
工作。
（2）设置孤网模式切换按钮，点击按钮进行“自
动”及“人工”模式切换。在“自动”模式下，调速器
控制系统按照设置窗中“自动投孤网频差0.50 Hz”
及“自动退孤网频差0.10 Hz”进行模式自动投退，
在此模式下监控系统选择“切手动”方式，点击“投
孤网”、“退孤网”按钮仍然可实现孤网模式的手动
投退；在“人工”模式下，调速器控制系统按照监控
系统上的投退按钮进行操作，点击“切手动”按钮，
“孤网投退方式”显示“手动”，此时可点击“投孤网”、
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“退孤网”按钮，进行孤网运行模式切换。
（3）在“自动”模式下，系统频率满足“自动退孤
网频差0.10 Hz”后进行延时3 min，孤网运行模式自
动退出，防止频率出现急剧波动时孤网模式发生高
频率投退现象，保证调速器孤网调节过程稳定可靠。
图1 调速器控制系统孤网模式投退窗口
图2 监控系统上孤网模式投退窗口
2.2 孤网模式控制参数
在调速器控制系统触摸屏上设置孤网投退窗口
如图3 所示。优化控制程序实现功能如下：
（1）调速器进入孤网控制模式，按照“比列增益
3.00”、“积分增益0.20”及“微分增益1.00”的参数
进行过程调节与控制。与并网开度控制模式调节参
数“比例增益3.00”、“积分增益1.00”及“微分增益
1.00”相比积分增益变小，已保证调节过程平稳，避
免发生振荡情形。
（2）“频率死区0.20 Hz”表示频率在50±0.2 Hz
的范围内，孤网模式下调速器系统不进行调节。
（3）“调差系数1.00%”与开度模式下“调差系
数4.00%”相比较数值变小，已保证调节的幅度与
效果。
（4）“频差限幅”参数的作用是保证频率调节在
正常的数值范围内，避免出现过度调节及频率误调
节的情况。
图3 手动投入孤网模式只能手动退出，频差死区设置
3 孤网模式试验
3.1 静态试验
“静态”是指机组未启动，蜗壳无水或者静压状
态，调速器液压系统调试合格后的状态。
3.1.1 孤网模式PID 调节特性测试及Bp 校验[2]
试验按分环节测试法，测量比例、积分及微分等
环节的输入输出特性。试验方法及步骤：
（1）调速器切手动，在50 Hz 稳定信号，模拟并
网信号，接力器行程稳定于50% 附近，死区设置为
0，Bp 设置为0，进行分环节时域测量。比例放大倍
数测量时，将微分、积分环节退出，进行不同比例放
大倍数下的阶跃试验；微分测量时，将比例、积分、环
节退出，进行不同微分系数下的阶跃试验；积分测量
时，将比例、微分环节退出，进行不同积分系数下的
阶跃试验。
（2）调速器切自动频率模式运行，进行频率给定
阶跃试验，辨识PID 各环节参数。
（3）调速器切手动，设置Bp=0、4%、5%；Kd、Kp、
Ki 为定值，重复扰动试验[3]。
3.1.2 孤网人工频率死区检查校验
试验方法及步骤：
（1）在机柜端子上加50 Hz 稳定信号，模拟并网
信号，手动接力器行程稳定于约50% 附近，调速器
模拟机组并网带负荷工况，自动开度模式运行，人工
频率死区设置为：E=±0.2 Hz。
（2）使频率给定发生阶跃扰动，扰动量为±0.2
Hz，±0.22 Hz，±0.3 Hz 记录接力器行程的变化过
程及调速器人工频率死区设定值。
（3）接力器行程稳定与约20% 附近，将人工频
率死区设置为E=±0.05 Hz，以0.01 Hz 步长将机频
由50 Hz 逐次降至49.8 Hz，稳定后返回50 Hz，然后
再由50 Hz 逐次加到50.2 Hz，稳定后返回。测出在
设定频率死区下导叶接力器的开度与频率的关系，
计算其实测值与误差值。
3.1.3 孤网人工频率死区检查校验
试验方法及步骤：
（1）在机柜端子上加50 Hz 稳定信号，模拟并网
信号，手动接力器行程稳定于约50% 附近，调速器
模拟机组并网带负荷工况，自动开度模式运行，人工
频率死区设置为：E=±0.1 Hz。
（2）使频率给定发生阶跃扰动，逐步增大扰动量
于文杰，等：大型水电站调速器孤网模式设计与试验
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72 水 电 站 机 电 技 术 第 41 卷
直到调速器输出限幅动作。
3.1.4 模拟并网下自动切换孤网模式试验
试验方法及步骤：
（1）调速系统模拟并网运行，调速系统大网、孤
网参数按照正常参数设置，在机柜端子上加50 Hz
稳定信号，自动开度/ 功率模式运行。根据调速系
统孤网切换频率设定值，设定信号发生器输出频率
发生阶跃扰动，若频率扰动量超过切换频率并持续
足够时间，调速系统将自动切换至孤网模式运行。
（2）略微增大频率阶跃量，重新进行阶跃试验，
测试在孤网模式下的PID 输出调节特性。
3.1.5 模拟并网下孤网自动返回试验
试验方法及步骤：
在3.1.4 的基础上，当调速系统切换为孤网模式
运行后，逐步将信号发生器输出频率返回至50 Hz，
在此过程中，记录调速器系统孤网模式返回至正常
联网模式的返回频率及时间。
3.1.6 模拟并网下手动切换孤网模式试验
试验方法及步骤：
在3.1.5 的基础上，当调速系统切换为孤网模式
运行后，手动将孤网模式切换至正常联网模式，测量
调速系统PID 输出等调节特性。测试返回正常联
网模式是否正常。
3.2 动态试验
“动态”是指机组并网带负荷运行的发电状态，
且机组一次调频调试合格，一次调频能正常投入运
行。
3.2.1 机组自动切孤网模式频率扰动试验
动态扰动通常在开度模式、功率模式及监控功
率闭环调节模式等调节方式下进行，25% 额定负荷
下动态频率扰动试验。
试验条件：
（1）调速系统其他各项动态试验（如一次调频试
验）验收已完毕。
（2）机组具备变负荷条件，同时机组运行稳定。
（3）PID 设置为一次调频试验整定值，死区按一
次调频要求设置。
试验方法：
（1）确认机组稳定运行，将联网模式下的一次调
频限幅值临时修改为约3%~5% 额定功率。
（2）逐次改变调速器频率给定值（或模拟机组频
率信号，下同），根据调速器系统孤网切换频率设置
情况，逐步变化过程为正负0.1 Hz，0.2 Hz，0.25 Hz，
0.5 Hz，1.0 Hz 测试记录每一次扰动过程。调速器机
旁一直有人监视，以便异常工况下调速器切手动。
若频率扰动量超过切换频率并持续足够时间，调速
系统将自动切换至孤网模式运行。测试在孤网切换
及切换后的调节特性。
（3）记录机组孤网模式切换频率及延时，记录频
率返回后调速系统切换为正常联网模式的频率及延
时。
3.2.2 机组并网带孤立调节试验
根据《水轮机调节系统并网运行技术导则》
（DL/T1245）第6.5“孤立调节试验”推荐，机组并入
电网运行，带不少于25% 的额定负荷，待负荷稳定
后，跳开主变高压侧断路器，但发电机出口断路器依
然保持闭合，观察并记录频率、接力器位移等信号在
此切换过程中的变化，验证调节过程是否正常稳定。
3.2.3 模拟并网下手动切换孤网模式试验
机组正常并网运行，手动将调速系统切换为孤
网模式，调节稳定后将孤网模式切换至正常联网模
式，测量调速系统PID 输出等调节特性。测试各切
换及返回过程是否正常。
3.2.4 孤网模式下机组运行监视
机组正常并网运行，手动将调速系统切换为孤
网模式，记录30 min 正常运行监测情况，确认试验
期间机组运行稳定。
4 试验波形
根据第3 节的试验内容，选择有代表性的波
形如图4 至图8。图4、图5 是机组80% 负荷（480
MW），系统频率变化0.2 Hz 时调速器进行一次调
频的调节过程，未进入孤网运行模式。图6 是机组
25% 负荷（150 MW）跳开主变高压侧开关，机组带主
变厂用电，自动进入孤网运行模式的波形，进入孤网
模式后调节稳定，孤网功能正常。图7 是机组25%
负荷（150 MW）并网运行时，模拟网频50 Hz 变为
50.505 Hz 机组孤网模式调节波形图，调速器正确进
入孤网运行模式，调节过程平稳。图8 是机组25%
负荷（150 MW）并网运行时，模拟网频50 Hz 变为
50.6 Hz 机组自动进入及退出孤网模式波形图，自动
切换至孤网运行模式运行为稳定，调节过程平稳，自
动退出孤网模式时动作准确，系统运行平稳，满足规
程及电网的运行要求。
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第 7 期 于文杰，等：大型水电站调速器孤网模式设计与试验 73
图4 开度模式下频率扰动由50 Hz 变为49.8 Hz
再变为50 Hz 功率、开度变化波形图
图5 开度模式下频率扰动由50 Hz 变为50.2 Hz
再变为50 Hz 功率、开度变化波形图
图6 机组25% 负荷跳开主变高压侧开关自动进入
孤网模式波形图
5 结论
通过对水力发电厂的孤网模式设计，增强了调
速器系统适应孤网运行的能力，不仅满足相关国家
标准，而且满足电网对电站调速系统快速调节及稳
定运行的要求。通过试验验证了孤网模式的实际动
作过程及调节特性稳定可靠，对其他电站孤网模式
的设计及试验有一定的借鉴作用。
参考文献：
[1] 翟晓娟，郑源，黄青松，等. 孤网下调速器参数对调节品质
的影响研究[J]. 水电能源科学，2011，29(12):132-134.
[2] 彭天波. 水电厂调速系统建模参数测试与现场试验方法
[J]. 湖北电力，2009，33(1):40-42.
[3] 魏守平. 水轮机调节[M]. 武汉：华中科技大学出版社，
2009.
图7 机组25% 负荷网频50 Hz 变为50.505 Hz
机组孤网模式调节及退出波形图
图8 机组25% 负荷网频50 Hz 变为50.6 Hz
机组自动进入及退出孤网模式波形图
（7）电厂应在大坝上游安装多个不同测量原理
的水位计，多冗余水位计容错滤波处理策略，采用容
错滤波、计算平均值和3 取2 多种逻辑判断方式，确
保水位信号的稳定性和准确性（水位计的选址至关
重要）。
（8）多系统自动协联机制，建议直接将泄洪闸门
控制系统以LCU 方式接入电厂计算机监控系统，减
少通信接口，若必须以IEC 60870-5-104 通信规约
通信的，各环节通信通道设置故障报警。
（9）方案须严格执行电厂闸门调度规程。
6 结语
五凌公司在国内率先开展泄洪闸门与动态负荷
及水位自动联动功能研究，并在东坪、株溪口、马迹
塘电厂成果应用，国内首次实现闸门全过程自动控
制。系统功能的投入可确保不发生漫门、漫坝事故，
有效避免无效弃水，提高水能利用率，同时大大减轻
现场劳动强度，真正意义上实现电厂夜间关门运行，
充分适应“远程集控，无人值班”的要求，值得在全
国同类型低水头电厂全面推广。

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