火电厂自动电压控制(AVC)系统方案设计.pdf

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第 4 0 卷 第 9 期 2 0 1 2 年 5月 1日 电力 系统 保护 与控制 P o we r S y s t e m P r o t e c t i o n a n d Co n t r o l Vl01 . 40 NO. 9 M a y 1 . 2 01 2 火电厂 自动电压控制 A V C系统方案设计 周宇华 ,翟伟翔 ,马 平 1 . 华北电力大学云南电网公司研究生_T - 作站,云南 昆明 6 5 0 2 1 7 ; 2 . 云南电网电力研究院,云南 昆明 6 5 0 2 1 7 ;3 . 华北电力大学控制与计算机工程学院,河北 保定 O 7 1 0 0 0 摘要为保证电网电压安全、优质、经济运行,提 出一种火电厂 自动电压控制系统设计方案,将母线电压调节在现有的厂级 负荷优化分配系统平台上扩展实施,提高设备利用率。通过动态辨识系统阻抗,进行电压和无功的在线转换,修正 自适应调 节器参数,实现无差、快速调节。采用基于分配策略的全厂无功同操分配算法,进行机组间无功协调控制,实现母线电压 自 动调节。 针对实际情况, 对 系 统进行软硬件设计,并详细阐述参数采集、 励磁修改、 运行模式、闭锁保护等方面的技术问题。 此系统设计新颖,建设节约,功能强大,稳定可靠,具有很好的借鉴和推广价值。 关键词电厂 自动电压控制;负荷分配系统;动态辨识;分配策略;偏置调整 De s i g n o f a u t o ma t i c v o l t a g e c o n t r o l A VC s y s t e m f o r t h e r ma l p o we r p l a n t ZHOU Yu h ua , ZHAI We i xi a n g ,MA Pi ng 1 . P o s t g r a d u a t e Wo r k s t a t i o n o f Y u n n a n P o we r Gr i d Co mp a n y , No r t h Ch i n a E l e c t r i c P o we r Un i v e r s i t y , Ku n mi n g 6 5 0 2 1 7 , Ch i n a ; 2 . El e c t r i c P o we r Re s e a r c h I n s t i t u t e o f Yu n n a n P o we r Gr i d , Ku n mi n g 6 5 0 2 1 7 , Ch i n a ; 3 . S c h o o l o f Co n t r o l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , No r t h Ch i n a El e c t r i c P o we r Un i v e r s i t y , Ba o d i n g 0 7 1 0 0 0 , Ch i n a Ab s t r a c t A n A VC Au t o ma t i c V o l t a g e C o n t r o 1 s y s t e m f o r t h e t h e r ma l p o w e r p l a n t i s p r o p o s e d t o e n s u r e t h e s a f e ty, e ffic i e n c y a n d e c o n o my o f t h e g r i d v o l t a g e . T h e b u s b a r v o l t a g e c a n b e a d j u s t e d o n the e x i s t i n g p l a t f o r m o f p l a n t wi d e o p t i ma l l o a d d i s t r i b u t i o n s y s t e m t o i mp r o v e t h e e q u i p m e n t u t i l i z a t i o n . T h r o u g h d y n a mi c i d e n t i fi c a t i o n o f s y s t e m i mp e d a n c e , t h e o n l i n e c o n v e r s i o n b e t we e n v o l t a g e a n d r e a c t i v e c a n b e a c c o mp l i s h e d a n d t h e a d a p t i v e r e g u l a t o r p a r a me t e r s C an a l s o b e mo d i fie d ,i n o r d e r t o a c h i e v e f a s t a n d z e r o e r r o r o u t p u t a d j u s t me n t . F o r t h e p u r p o s e o f a u t o ma t i c b u s b a r v o l t a g e r e g u l at i o n , t h e c o o r d i n a t i o n b e t w e e n t h e c o n t r o l u n i t c a n b e r e a l i z e d b a s e d o n t h e b i a s a d j u s t me n t a l g o r i t h ms o f t h e d i s t r i b u t i o n s t r a t e g y o f wh o l e p l a n t r e a c t i v e p o w e r . F o r t h e a c t u a l c i r c u ms t an c e ,the h a r d wa r e a n d s o f t ware o f t h e s y s t e m a r e d e s i g n e d ,t h e t e c h n i c a l p r o b l e ms o f d a t a a c q u i s i t i o n ,e x c i t a t i o n mo d i fi c a t i o n , r u n n i n g mo d e , l o c k i n g p r o t e c t i o n a r e e l a b o r ate d t o o . T h i s A VC s y s t e m h a s a v e r y g o o d r e f e r e n c e a n d p r o mo t i o n v a l u e , wi t h t h e f e a t u r e s o f n o v e l d e s i g n , c o n s t r u c t i o n s a v e , p o we r f u l fun c t i o n , s t a b i l i ty a n d r e l i a b i l i ty. Ke y wo r d s p o we r p l an t a u t o ma t i c v o l t a g e c o n t r o l ; o p t i ma l l o a d d i s p a t c h s y s t e m ; d y n a m i c i d e n t i fi c a t i o n; a l l o c a t i o n a l g o r i t h m ; b i a s a d j u s t me n t 中图分类号 T M7 6 文献标识码A 文章编号 1 6 7 4 - 3 4 1 5 2 0 1 2 0 9 0 1 2 8 0 5 0 引言 目前 ,我国正处于经济快速发展的时期,电力 系统也步入了大电网、超高压、大机组、远距离的 时代 。 这些在很大程度上威胁着电网的电压稳定⋯, 电网正常的电压水平,在很大程度上依赖 电厂 的无 功/ 电压调节及变电站的 V QC控制 。 4 J 。为保证 电网 安全、优质、经济运行,云南电网 目前确定启动全 网的 自动电压控制 A u t o ma t i c V o l t a g e C o n t r o l p J , A VC系统建设,其中包括 A V C调度主站 ,直调变 电站,各供电局,火 电厂 ,水 电厂等分系统,分步 实施,并行推进。火电厂作为电网中重要的一个无 功源,电厂母线电压调节对电网稳定起着重要的作 用[ 6 1 。本文针对云南电网实际情况进行火电厂 自动 电压控制系统方案的设计。 火电厂 自动 电压控制 A V c系统是指调度中 心向火电厂下发母线电压计划或指令,运行人员在 画面 上 设定 电压 给 定 ,系统 设计 的 Au t o ma t i c Ge n e r a t i o n V o l t a g e S y s t e m,AG VS 主 站软件 自动 合理分配各发 电机组的无功功率,并对其进行协调 周字华,等 火电厂 自动电压控制 A VC系统方案设计 .1 2 9. 控制,实现母线电压的自动调控 。系统保证机组安 全稳定运行,提高 电网电压质量,降低电网损耗; 减小母线 电压的波动幅度,使其满足调度对 电压指 标 的考核 ;提供高质量的厂用 电母线 电压l , J ,减小 电能缺 陷对厂内设备 的危害,使发电机安全经济运 行 ;同时,防止电压调整不及时,造成电压质量降 低 ;降低运行人员劳动强度,并能减少人为误操作 引发的事故。 1 自动电压控制系统的建设方案 1 . 1系统结构图 图 1所示为厂级 自动电压 A V C控制系统的 硬 件 总 体框 图。主 要 包括 远动 终 端 R e mo t e T e r mi n a l Un i t , R T U 、厂级负荷/ 无功分配 A GVS 主站服务器 、 机组分散控制系统 Di s t r i b u t e d C o n t r o l S y s t e m,D CS 的历史站或 L i n k站、励磁机以及实 现这些设备彼此互联的以太 网网络系统。目前 ,云 南省 7家火 电厂均 已投入使用厂级负荷分配控制 A u t o ma t i c G e n e r a t i o n C o n t r o l ,AGC系统 J ,上 述部分硬件为 已有配置,现只需增加部分软硬件完 成 A V C功能。 图 1火电厂自动电压控制系统结构图 F i g . I Au t o m a t i c v o l t a g e c o n t r o l s y s t e m s t r u c t u r e f o r po we r pl a nt 电厂调度通信远动终端 R T U。是调度 与电厂 A VC的信息交接点, 调度将母线电压调控信息经此 传给电厂, 电厂 A VC的运行信息经此反馈给调度中 心 。调度下发的信息是一个模拟量 母线电压 目标 指令和一个开关量 是否允许投入全厂 A V C , 如果仅有模拟量没有开关量信号, 电厂 A VC不会接 收执行 。电厂反馈给调度的是三个开关量,即是否 接收调度的 A VC控制状态 、 是否允许升电压、是否 允许 降电压动作 。 厂级负荷/ 无功分配 AGVS 主站 ,该服务器 是系统的核心部件,需要满足在线计算要求。通过 机组 DC S服务器接收机组运行状态和实时参数 ; 接 收调度下发的电压无功指令信息 ,动态辨识系统阻 抗,计算系统需要的总无功,按分配算法分配机组 无功 ,并下达到各发 电机组。工作主站安装 “ 力控” 监控系统软件、 A V C系统无功分配及偏置调整软件 和运行模式切换与保护软件 。 机组 DC S历史站和 L i nk 站。其为工程师站内 已有计算机,定时存储运行参数。其中在计算机 内 安装冗余热备的 O P C S e r v e r 软件 , 增加通信系统的 安全性、可扩充性和可维护性【 9 】 。 D C S内部选取一对控制器,增加一个单回路无 功控制系统及相应的切换与保护逻辑,将原有依靠 电磁继 电器输 出的励磁增减脉冲I 1 o J 改成 固态继 电 器的方式。 1 . 2主站软件设计方案 软件设计部分包括 电厂侧 自动电压 A Vc控 制系统的软件应用环境和具体模块设计部分。整个 系统软件机构如图 2所示,在原有负荷分配软件 l J 内融入 A V C软件, 其中逻辑处理软件模块包括机组 无功容量分配计算、 自适应全厂无功计算、等功率 因数无功分配、无功容量成 比例分配、手动操作与 偏置调整控制、设定值形成与保护逻辑控制等软件 子模块。 AV C 软件 保护逻辑 自适应全j 一 无功计算模块 工作模式切换与 A Gc 软 模块 自 动滑落模块 等功率因数无功分配模块 件 机组无功 无 功 容 量 成比 例 分 配 模 块 设 定 值 形 成 l 容 量计 算 与 跟 踪 模 块 J 模 块 手 动 分 配 与 偏 置 调 整 模 块 实时/ 历史数据库 J J 控监控软件 P C A u t o 6 .0 S P 2 臣 固臣 困[ 亘 ] 图 2 火电厂 自动电压控 制系统软件 系统框 图 F i g . 2 Au t o ma t i c v o l t a g e c o n t r o l s y s t e m s o f twa r e s y s t e m d i a g r a m f o r p o we r p l a n t 力控监控软件 P C A u t o 6 . 0 拥有丰富的图元和 良好的画面开发环境 ,运行人员操作画面是在力控 上进行组态开发的。 A VC应用程序进程主要实现包 括数据参数显示、运行投切操作、闭锁保护报警、 权 限管理操作、运行 曰志和统计报表等功能。现场 数据通过 O P C等通信软件进入力控实时数据库, 实 时数据库的数据变化也会通过 O P C 等通信软件写 回现场设备, A VC应用软件从力控实时数据库获取 数据计算后再写回数据库。 . 1 3 0一 电力系统保护 与控制 2 A VC系统控制策略 2 . 1全厂无功调整 自适应计算 电厂通过调节发 电机机端 电压来间接实现母线 电压控制,但在并网过程中,发 电机 电压与高压母 线电压之间并没有线性关系L 1 引,所以在执行 电压实 时调控过程中,采用逐次逼近、串级调节的方法 , 即励磁调节器对发电机机端电压实现 内环调节, 自 适应 P I D控制器通过各机组的无功出力对母线电压 实现大闭环调节。 根据调度下发的母线 目标 电压指令和机组运行 状态,通过 自学习法动态辨识系统阻抗,实时计算 需要注入高压母线的总无功总量,通过既定分配算 法在各机组间进行无功分配 ,调整机组无功出力或 机端电压 ,使高压母线 电压接近系统给定值,在计 算过程中要充分考虑机组各种约束和限制条件 ,控 制框图如图 3所示。 图 3系统控 制框 图 F i g . 3 S y s t e m c o n t r o l d i a g r a m 系统 以串级控制为基础 ,通过在线辨识系统阻 抗,修正主调节器的参数,实现无差、快速调节。 内环通过既定分配策略,进行无功分配,调整各机 组机端电压或无功出力Q 。 系统阻抗按式 1 进行动态辨识 。 一 E Q 一号l㈩ 逐次计算得到的无功预测值如式 2 。 ∑ y U mX } l 其中 ∑ Q 0 为上次总无功测量值; ∑ Q。 为当 前总无 功测量值; 为上次母线电压测量值; 为当前 母线电压测量值; 为系统阻抗;己 厂 m 为中调下发 的目标母线电压指令;∑ O。, 为预测的总无功目标 值 。 在实际运行中,需要对系统阻抗进行工程化处 理 。设置系统阻抗上下限,当系统不能辨识系统阻 抗 ,取其上 限值计算总无功。电压差值必须大于一 定差值才能计算系统阻抗,依据文献[ 1 3 ] 和工程调 试经验需设置在 O . 5 %额定 电压较为合理。 2 . 2机组 间无功分配算法 对机组无功分配时,应保证各机组机端电压在 安全极限内运行,同时应尽可能同步变化、保持相 似的调控裕度 。不参与 A VC分配的机组,A VC分 配值跟踪机组无功实发值 ,此分配值不参与该机组 的无功调节。 机组无功分配 ,考虑两种分配算法基于等功 率因数 的全厂无功同操分配法和基于无功容量 比例 系数的全厂无功同操分配法。 几乎所有 电厂A VC无 功分配仅仅是等功率因素或等无功容量分配,没有 为电厂运行人员提供一个机组问无功内部调整的机 会。为此,本方案基于两种分配模式提出全厂无功 同操分配法。无功同操分配,也可称为偏置调整, 指电厂运行人员手动调整其中一台机组无功分配指 令,其余机组根据当前分配算法进行 自动调整,保 证调节后的无功 目标一致。此方法为 电厂机组运行 人员提供一个更加 自主的无功分配方式。 1 基于等功率因数的全厂无功同操分配法 由式 1 、式 2 计算的全厂机组总无功、测 量的机组出口总有功,计算全厂 目标功率因数,如 式 3 。 c o s 1 3 √ ∑ Q 以各台机组功率因数与全厂功率因数相等为 目 标,计算出各台机组的无功如式 4 。 取 二 l 2 一 , , z 4 ~ ‘ cos 其 中 为分配到第 i 台参加 A VC机组的无功; 为第 i 台机组的有功测量值。 机组在 A VC分配 自动状态下, 运行人员可 以调 整某台机组的无功偏置来改变该机组的无功分配指 令,其他处于 自动的机组同时会 自动按等功率因素 法二次分配该台机组的调整量。 2 基于无功容量 比例 系数 的全厂无功 同操分 配法 A V C系统根据机组无功容量按 比例进行分配, 如式 5 。 ∑Q l ,2 , ⋯ 5 其 中Q, 为分配到第 f 台参加 A VC机组的无功; O 为参与 A V C的第 i 台机组的最大无功容量; 周宇华,等 火电厂 自动电压控制 A V C系统方案设计 .1 3 t. O 为参加 A VC系统的机组最大无功容量之 -一 l 】d 1 和 。 同上, 机组在 A V C分配 自动状态下 , 运行人员 可以调整某台机组的无功偏置来改变该机组的无功 分配指令 ,其他处于 自动的机组 同时会 自动按无功 容量成比例系数法二次分配该台机组的调整量。各 台机组无功分配结果在投入或不投入,手动或 自动 间保证无扰切换。 3 A VC系统关键技术问题阐述 3 . 1机组 D O S侧逻辑及励磁脉冲通道修改 单台机组接到无功分配的无功指令,参考机组 对应的机端无功值进行 P I D调节,以输出脉冲方式 的增减信号至励磁系统 A V R,来调节机组的无功, 使母线电压调节到设定值 。另外增添 的保护逻辑主 要包括机组无功上下限计算,设定值远方、本地 切换跟踪,手动 、自动切换跟踪,励磁机本地 、远 方切换跟踪,控制输出的速率限制,控制输出的限 幅限制等。励磁增减脉冲通道修改为固态继电器形 式,因为作为无差闭环调节 的无功分配会经常使用 该开关量脉冲信号去调整励磁,电磁继电器的寿命 有限。 3 . 2系统新增通信点 系统需要增加一些新的通信点,如母线和机组 的实时数据 由 D C S通信来 , 其 中, 模拟量为母线 电压实测值、各机组机端 电压、各机组励磁 电流/ 电压、各机组机端有功/ 无功、厂用母线 电压 、厂用 电无功、各机 组变高侧无功 ;开关量为全厂 A VC 投入/ 退出、各单机 A V C投入/ 退 出、 励磁系统增减 闭锁 、发电机保护 闭锁、各台机组 A V C增/ 减磁,其 他机组状态;调度下发的母线 电压指令或母线电压 计划曲线 由R T U来 ;输出的控制信号 通过D C S 硬接线 为 A VC系统给出的增励磁信号 、减励磁信 号。 3 . 3 AV C运行模式 系统的控制方式有三种, 分别为 “ 远方控制 ” 、 “ 本地控制 ” 、“ 本地人工控制 ”模式,可通过主操 作画面进行切换 , 也可根据运行情况 自动进行切换。 “ 本地控制 ”模式,电厂 自动跟踪母线 电压 , 实现母线电压 自动控制; “ 本地人工控制”模式 ,目 标母线 电压指令 由电厂运行人员设定。当系统工作 在 “ 远方控制”模式,电压调整的目标值按中调设 定下发的母线电压值控制,如发生远动通道故障 , 将 “ 远方控制”切换为 “ 本地控制 ”模式,若电厂 接到调度 口头命令后,将 “ 远方控制 ”切换为 “ 本 地人工控制”模式,由于 “ 本地控制”和 “ 本地人 工控制” 目标值跟踪远方下发的指令值,所以切换 时不会引起电压波动 ,切换后 ,运行人员可以按调 令设置新的 目标值,也可以按原 目标值运行。 开环/ 闭环方式开环方式应用于调试模式 , A VC 系统分析计算出全厂无功及各机组无功功率 的分配值,但只做画面显示,并不下发指令值到机 组励磁系统进行实时的无功调节;闭环方式,A VC 根据分配策略给 出各机组的无功分配值 ,并下发到 各机组 ,由机组调整无功出力,监控和控制决策任 务同时执行。 3 . 4 画面显 示 运行人员无功分配操作画面 ,各台机组的 P Q 图,各台机组的实时相关运行参数;高压侧母线 电 压的 目标与实测对 比变化曲线;运行参数的越 限报 警和事故报警 ;重要参数的历史数据。 3 . 5闭锁条件 为保证系统安全可靠运行 , 防止数据采集异常、 设备异常、通信异常、系统扰动等不安全因素对系 统控制的影响,考虑限制闭锁条件 。 增加或减少无功需要经过多次的增励磁和减励 磁的动作实现,使得运行 电压逐渐接近 目标指令电 压,在这一过程中,每一步都需要对机组的相关约 束进行比较 ,一旦有参数达到某个约束限制,立刻 要停止对无功的调整 ,并对调度发出不能增加或降 低无功的告警信息。调度接到告警信息后,则维持 此前的指定电压 ,不会再往告警 的方向下发新的指 定电压。 1 遇到 以下情 况之一 ,不能 正常投入 全厂 A VC, 发 出警报 , 投入以后只要 出现其 中一种情况, 全厂 A VC自动退出。 无机组投入 A VC、母线电压越上限、母线电压 越下限、机组励磁故障、机组状态突变、母线 电压 测量异常、通信异常。 2 遇 到以下情况之一,机组就不能正常投入 A VC, 发 出警报 , 投入以后只要 出现其 中一种情况, 就会 自动退 出单机 A VC。 机组状态突变 并网发电 、电压控制方式处开 环 电压 闭环可调 、 励磁系统控制方式处就地 励 磁系统远方控制 、 励磁系统过电压保护动作 励磁 系统无过压保护 、 监控系统无功调节退 出 无功调 节投入 、测量源正常 无功测量异常 。 3 分别设置无功功率、定子电流、机端电压、 高压母线 电压上/ 下限,超过上/ 下限或系统发生大 扰动时,应 闭锁控制 ,不允许机组进行调节 。 4 调度中心与 R T U通信中断,会造成下发数 . 1 3 2一 电力 系统保护与控制 据的采样错误 ,然后导致误调节。应该在尽可能短 的时间内闭锁 出口并给 出报警信号,提醒运行人员 切换到当地模式 。 5 AG VS主站与 DC S系统通信中断,会导致 控制信号不能输入输出,但不会造成误调节 ,但应 发出报警信号,做到及时反应 。 4 自动电压控制系统电厂实际调试与试运行 目前, 本文设计开发的 A V C系统 已在云南某火 电厂 4台机组上调试并试运行成功。调试试验包括 静态和动态测试两部分。 其 中, 静态测试包括 A VC 投切功能模拟测试 、 白适应全厂无功计算模拟测试、 A VC控制模块无功分配模拟测试、 A VC手动操作与 偏置调整模拟测试、 A VC各种逻辑保护功能模拟测 试; 动态测试包括 单机 A VC闭环测试、 全厂 A VC 闭环测试 。测试结果表明,机组的无功调节处于快 速、稳定 的状态,母线电压波动幅度减小,系统的 稳定性明显增强。 5 结语 本文设计 的母线 电压 自动调制方案是在现有 的AGC 负荷分配系统平台上扩展实施 ,能减少现场 软硬件设备的数量,提高设备利用率。其中,全厂 无功计算软件模块通过 自学习算法动态辨识系统阻 抗 ,进行母线电压与无功功率之问的转换,保证系 统调控的安全可靠性; 全厂无功分配偏置调整模块, 在两种分配模式基础上,为电厂运行人员提供更加 自主的分配手段 ;保护逻辑控制模块考虑各类闭锁 保护与状态报警 ,确保设备通信正常 ,保证机组安 全稳定运行。此系统的设计与应用将使火电厂母线 电压调控水平迈上新台阶,对保障云南电网的安全 经济运行具有重大意义。 参考文献 [ 1 ] 丁晓群,周玲,陈光宇.电网自动电压控制 A V C技 术及 案例分析【 M】 .北京机械工业出版社, 2 0 1 0 . 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