（电气工程专业论文）包头第二热电厂自动电压控制avc系统改造.pdf

声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文包头第二热电厂自动电压控制 ( a v c ) 系统改造，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之 处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北 电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盔垃日期： 7 弦i o 。| i ；c 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：撤也慈 日期：丝里：! 导师签名：玉至暨墨 日 期：垃：i ：f _ i 无功功率。本文综合考虑了原有各环节的独立性和新增a v c 系统的可靠性，设计了改造 方案。改造后实际运行情况良好，达到了预期目的。 关键词：电压调节，发电厂，无功优化，自动化 a b s t r a c t i nb a o t o un o 2t h e r m a lp o w e rp l a n ti n t r o d u c eav o l t a g ea u t o m a t i c c o n t r o l s v s t e m ，c o m p o s e st h ea v cs y s t e mt o g e t h e rw i t ht h ec o n t r o lc e n t e r ，r e m o t er t u l i n et h r o u g ht h ei n n e rm o n g o l i ar e g i o n a lg e o l o g i c a la v c t or e c e i v em a s t e ri s s u e d i n s t r u c t i o np o w e rp l a n ts i d eo f2 2 0 k vb u s 。a c c o r d i n gt o v o l t a g ed i r e c t i v e ， r e a l - t i m ec a l c u l a t i o no ft h eo v e r a l lo b j e c t i v eo f t h en o d eb u sr e a c t i v ep o w e r ，a tt h e s 锄et i m et or e c e i v et h ed a t au n i t s ，i na c c o r d a n c ew i t hs e ta l l o c a t i o ns t r a t e g yt o o p t i m i z et h ed i s t r i b u t i o no f t h eg e n e r a t i n gu n i t so fr e a c t i v ep o w e r , a n dt oo p t i m i z e t h er e s u l t so ft h en o n r e a c t i v ed i s t r i b u t e dt ot h ed i f f e r e n tg e n e r a t o r si m p l e m e n t i n g a g e n c i e s ，t h eo u t p u tf r o mt h ei m p l e m e n t a t i o no ft h e t e r m i n a la s s i g n e dt ot h e d i f f e r e n tc h a n g e si nt h em a g n e t i cs i g n a lg e n e r a t o r e x c i t a t i o ns y s t e m ，r e g u l a t i o nu n i t r e a c t i v ep o w e r 。t a k i n gi n t oa c c o u n tt h ev a r i o u ss e c t o r so f t h ei n d e p e n d e n c ea n dt h e n e wa v cs y s t e mr e l i a b i l i t y ，a f t e rt r a n s f o r m a t i o n ，p e r f o r m e dw e l lt o a c h i e v et h e d e s i r e dp u r p o s e z h a n gx i a o h u i ( e l e c t r i c a le n g in e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x uy u q i n ，e n g i n e e rw a n g z h i q i a n g k e yw o r d s ：v o l t a g er e g u l a t i o n ，p o w e rp l a n t , r e a c t i v ep o w e ro p t i m i z a t i o n , a u t o m a t i o n 华北电力大学工程硕士学位论文目录 目录 中文摘要 英文摘要 第一章绪论l 1 1 选题背景及其意义。1 1 2 国内外无功电压控制现状2 1 3 本文的主要工作。4 第二章自动电压控制及无功优化原理概述5 2 1 电网的无功电压三级控制策略5 2 2a v c 系统实现的理论依据6 2 2 1 无功功率平衡和电压调整原理6 2 2 2 无功就地平衡7 2 3 发电厂侧a v c 原理7 第三章电厂自动电压控制器设计方案1 l 3 1 自动电压调节的规划设计1 l 3 2 电厂侧a v c 子站闭环控制的设备及方式1 3 3 3 实时数据的采集方式1 5 3 3 1 实时数据采集范围1 5 3 3 2 实时数据采集作用1 5 3 3 3 实时数据的采集方法1 5 3 4 基于包头第二热电厂的电压控制策略1 7 3 4 1 建立数学模型1 7 3 4 2 电厂a v c 子站自动电压控制中的无功计算1 8 3 4 3 电厂a v c 子站自动电压控制中的无功分配1 9 3 5 电厂a v c 子站系统的安全约束逻辑2 2 3 6 结构设计2 4 3 7 仿真结果与分析k 2 4 3 8 包头第二热电厂自动电压调节( a v c ) 系统方案的确定2 8 3 8 1 控制流程说明一2 9 3 8 2 通讯及接口3 0 第四章包头第二热电厂a v 0 改造方案的应用及功能说明3 1 华北电力大学工程硕士学位论文目录 4 1d c s 逻辑组态制作31 4 2 电厂a v c 子站的安装3 3 4 2 1 主要构成设备3 3 4 2 2 运行工况3 3 4 2 3 回路设计与布线3 3 4 2 4a v c 输入输出信号含义3 3 4 3 主要功能说明3 3 4 3 1 调度主站通讯报文3 4 4 3 2 控制方式切换j 3 5 4 4 电厂a v c 子站系统的调试3 5 4 5 电厂a v c 子站的运行维护和注意事项3 6 4 6 电厂a v c 子站运行中发现的问题及改进3 6 第五章总结3 7 参考文献3 8 致 谢一4 0 攻读工程硕士学位期间发表的学术论文和参加科研情况4 1 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 选题背景及其意义 第一章绪论帚一早珀t 匕 近年来，我国电力工业迅速发展，电网规模不断扩大，电力系统的安全、经济 运行己成为电力生产的重大课题。多年来，我国电网的运行和控制一直是“重有功 和频率而“轻无功电压 。随着“西电东送、全国联网”重大工程的实施，我国 电网也进入了高速发展期，其无功电压问题日益突出。建立全局无功电压优化系统， 保障我国电网的安全经济运行，已成为当务之急。 在保证电力系统安全运行的前提下，提高电能质量、降低网络元件中的电能损 耗，从而获得满足安全运行条件下的最大经济性和最好的电能质量，必须不断采用 新技术。随着大机组、超高压电网的形成，电压不仅是电网电能质量的一项重要指 标，而且是保证大电网安全稳定运行和经济运行的重要因素。在现代超高压电网中， 需要对系统电压和无功实现如下控制： ( 1 ) 系统电压必须大于某一最低数值，以保证电力系统静态和暂态的运行稳 定性，以及变压器带负荷调压分接头的运行范围和厂用电的运行； ( 2 )正常情况下，电网必须具有规定的无功功率储备，以保证事故后的系统 电压不低于规定的数值，防止出现电压崩溃事故和同步稳定破坏； ( 3 ) 保证系统电压低于规定的最大数值，以适应电力设备的绝缘水平和避免 变压器过饱和，并向用户提供合理的最高水平电压：； ( 4 ) 大机组无功出力分配必须满足系统稳定的要求，单机无功必须满足p q 曲线，保证机组安全运行； ( 5 ) 满足上述电压条件下，尽可能降低电网的有功功率损耗，以取得经济效 益。 其中电网的自动电压控制及无功优化( 简称a v c ) 就是电力生产中提高电能质 量、降低网损的重要手段。a v c 是通过改变发电机a v r 的给定值来改变机端电压和 发电机输出无功的，通过励磁系统来实现系统的无功电压控制。 自动电压及无功调控系统( a v c 系统) 将发电厂母线电压的调整由人工监控改 为自动调控，具有以下意义乜】： ( 1 ) 提高稳定水平：网内电厂全部投入装置后，通过合理分配无功，可将系 统电压和无功储备保持在较高的水平，从而大大提高电网安全稳定水平和机组运行 稳定水平。 华北电力大学工程硕士学位论文 ( 2 ) 改善电压质量：电压监督电压合格率得到大幅度提高。 ( 3 ) 消除了人为因素引起误调节的情况，有效降低了运行人员的工作强度。 电网中的任何稳定运行方式都是建立在有功无功平衡的基础上，有功功率的 平衡决定了电网频率，无功功率的平衡决定了电网电压，a v c 只涉及电压，因此， a v c 遵循：无功功率平衡确定电压，调压就是调无功的原则。 电网中的无功功率平衡的基本要求是：电网中的无功电源可能发出的无功功率 应该大于或至少等于负荷所必需的无功功率和网络中的无功损耗，为了保证可靠运 行和适应负荷增长，电网还必须配置一定的无功容量，而发电机是电网的主要无功 电源，因此电厂侧的电压无功控制已经成为保证电压质量和无功平衡、提高电网可 靠性和经济性必不可少的措施。 作为国家北方能源基地的内蒙电力工业近年来取得了突飞猛进的发展，2 0 0 4 年 厂网分开之后，原内蒙电力发电部分重组为北方联合电力公司，一年后由华能集团 控股。短短几年后，北方联合电力公司用不到5 年的时间实现了再造一个北方公司 的目标。包头第二热电厂是内蒙西部的一个有着5 0 年历史的老厂，曾为内蒙地区 和包头市的经济发展做出重要贡献，如今也随着国家和内蒙电力不断发展取得了较 快的发展，成为北方公司屈指可数的百万电厂之一。为了与蓬勃发展的全国电力工 业及内蒙电力工业相同步发展，为共同建设具有高质量电能的电网，包头第二热电 厂采取积极措施，结合本厂实际情况，确定了一套集安全性和智能化于一体的电压 无功自动调控系统。本文结合该系统，设计电厂侧技术改造方案。 1 2 国内外无功电压控制现状 理论上，无功分布可以达到最优，但在一个复杂的电力系统中，却几乎不可能 在线实现。如当运行条件变化时，要维持系统无功潮流优化，根据电网无功功率与 电压分布的特点，势必要求全系统各点各种无功功率调节手段与电压调节手段频繁 动作，没有高度发达的通讯网络和自动化条件就办不到，实际上许多无功控制设备 也不允许频繁调节。其次，和频率调节不同的是，变压器分头、电容( 抗) 器的无功 调节无法做到均匀调节，由于不可能建立全网电压标准，只能以就地测量电压为依 据，分散的量测误差势必给优化带来影响。此外，一方面由于无功电压的非线性很 强，理论上的无功最优潮流算法的收敛性得不到保证，另一方面即使收敛性能够解 决，无功优化的基础电网运行状态状态估计( s e ) 结果的正确性也无法保证。现 实中的电力系统无功只能实现次优分布，如何实现次优分布目前也是研究中的课 题，还没有统一模式。从总的概念出发，一般认为，比较接近无功次优分布的做法 是，无功功率尽量做到分区分层平衡，减少因大量传送无功功率而产生的压降和线 2 华北电力大学工程硕士学位论文 损，在留足事故紧急备用的前提下，尽可能使系统中的各点电压运行于允许的高水 平，此举不但有利于系统运行的稳定性，也可以获得接近优化的经济效益。 法国、意大利等欧洲国家7 0 年代末开始开发a v c 控制系统。8 0 年代初，法国 输电网开始使用区域性的二级电压控制系统，到1 9 8 6 年已有2 7 个控制区，主要是 通过无功控制来实现电压平衡。在多年实践的基础上又提出了新的协调二级电压控 制系统，并于1 9 9 3 年投入试运心引。意大利国家电力系统也实现了电压与无功功率 的自动控制，1 9 8 4 年在佛罗伦萨地区、1 9 8 6 年在西西里地区实现了二级电压调整， 运行效果良好，并于1 9 9 3 年在整个超高压电网中实现二级及三级电压调整晗。在 分级电压控制方案中，电网被划分成彼此解藕的区域，每个区域选择- n 多个中枢 母线和多台控制发电机。三级电压控制理论目前在法国、西班牙、比利时等多个国 家的电网中得到了比较好的应用。 近年来，我国电力运行部门和科研工作者对电压及无功自动控制作了大量的理 论研究和运行实践，投入了大量的人力和物力，开发出很多电压及无功自动控制软 件以及研制出数台独立装置。如浙江电网的实时电压稳定性分析软件( v s a ) 、安徽 电网a r c 投入使用的发电机组无功调节装置、福建和河南电网a v c 中使用的厂站 侧a v q c 装置、江苏电网a v c 中使用的厂站侧无功电压调节装置( v o r 或v q c ) 等等，这些成果的出现对电网的电压无功控制的发展起到了很大的推动作用。 国内目前对发电厂无功电压的管理考核方式，主要是由调度中心按照高峰、平 谷和低谷等不同时段划分母线电压控制范围，按季度向各发电厂下达曲线指标，发 电厂则根据曲线要求，实行人工2 4 小时连续监视盘表，及时调节发电机无功出力， 以维持母线电压在合格范围内。这种沿用了多年的就地分散控制管理模式，在当前 电网结构日益复杂的形势下逐渐暴露出了一些弊端，存在的主要问题口一1 是： 1 事先给定的电压曲线和无功设备运行计划是离线确定的，并不能反映电网的 实际情况，按照这种方式进行调节往往带来安全隐患。 2 电网运行人员需要时刻监视系统电压无功情况，并进行人工调整，工作强度 大，甚至存在误调节的可能。 3 电厂之间，无功调节对相互母线电压影响大，无功调节矛盾突出。由于各电 厂只关注自身母线电压，没有从全局角度协调无功分配，电网无功功率无谓搬运现 象突出，经常出现无功环流现象，造成不必要的有功损耗。各厂、站无功电压控制 没有进行协调，造成电网运行不经济。 上述问题的存在，既影响机组和电网安全稳定运行，又使网损增加，影响经济 性。因此，有必要发展a v c ( 自动电压控制) 系统，从全局对电网无功潮流和发电机 组无功功率进行协调控制，实现电厂母线电压和无功功率的自动调控，合理协调电 3 华北电力大学工程硕士学位论文 网无功分布，以保证电网安全稳定运行，提高电压质量和减少网损，降低运行人员 劳动强度。近几年来国际上几次重大的电网事故如美加大停电，都有无功电压的 问题造成电压崩溃，致使电网瘫痪。无功电压自动控制技术越来越引起重视，国家 电力调度中心已经把这一项目列入了“十一五规划。 在华北电网，基于分层分区控制技术的二三级电压控制技术在某些电厂逐步 进入应用。本论文依据包头第二热电厂现场改造的实际情况，将重点论述电厂侧无 功电压控制方案在包头第二热电厂的应用。 1 3 本文的主要工作 本文以包头第二热电厂# 3 、# 4 机组及所连接的2 2 0 k v 母线为对象，根据电厂内 现有的运行设备分析、设计a v c 系统改造的最优方案。 ( 1 ) 介绍a v c 的三级控制原理，着重介绍、分析a v c 子站的基本原理。 ( 2 ) 说明电厂a v c 无功分配的原理，探讨发电厂无功电压远方自动控制( a v c ) 系统中闭环控制的设备及方式、实时数据的采集等重要环节的技术问题，提出针对 实际情况的发电厂无功电压远方自动控制( a v c ) 系统方案。 ( 3 ) 根据a v c 实现的原理设计d c s 逻辑和结构设计。 ( 4 ) 对电厂自动电压控制在包头第二热电厂的应用情况进行详细分析，说明 改造后的优缺点及其改进思想。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章自动电压控制及无功优化原理概述 2 1 电网的无功电压三级控制策略 电网的自动电压控制及无功优化，就是要实现安全电压约束下的全网最优电 压、无功控制，它以全网网损最小为目标，以全网各节点电压合格为约束条件。改 变了以本厂站电压为目标的传统的调压方式。由于调度自动化系统是运行在电网运 行的指挥中心，即“调度中心 ，它远离电厂与变电站。所以由调度自动化系统的 无功优化软件直接指挥电厂、变电站设备的运行，往往会由于缺乏现场的一些参数 而造成安全的隐患。比如电厂的厂用电压、转子电流等，一般没有送到调度中心， 而这些参数对发电厂的运行安全是十分重要的。为此整个无功电压控制系统需要分 为两部分，即调度中心侧的主控制软件以及发电厂、变电站侧的当地控制系统。后 者是执行系统，具有当地装备的保护功能，同时，当调度侧的主系统故障，或者通 信系统故障，可以用当地功能继续实现自动电压控制。 系统电压的全局控制分为三个层次，如图2 1 所示。其中，一级电压控制为单 元控制，控制器为励磁调节器，控制时间常数一般为毫秒级；二级电压控制为本地 控制，控制器为发电厂侧电压无功自动调控装置，时间常数为秒分钟级，控制的主 要目的是协调本地的一级控制器，保证母线电压或全厂总无功等于设定值，如果控 制目标产生偏差，二级电压控制器则按照预定的控制规律改变一级电压控制器的设 定值；三级电压控制为全局控制，时间常数为分钟至小时级，它以全系统的安全、 经济运行为优化目标，给出各厂站的优化结果，并下达给二级控制器，作为二级控 制器的跟踪目标。下面说明一、二级控制【4 j 。 5 图2 一l 电网自动电压及无功优化三级控制原理 2 2 a v c 系统实现的理论依据 2 2 1 无功功率平衡和电压调整原理 图2 - 2 无功电压特性曲线 图2 - 2 所示是按无功平衡确定电压的直观解释。图中电源无功电压特性如曲线 6 华北电力大学工程硕士学位论文 l 所示，是一条开口向下的抛物线。负荷的主要成分是异步电动机，其无功电压特 性如曲线2 所示。这两条曲线的交点a 确定了负荷节点的电压值u a ，或者说电网 在电压u a 下达到了无功功率的平衡。当负荷增加时，其无功电压特性如曲线2 7 所示。如果电网的无功电源没有相应的增加，电源的无功特性仍然是1 ，这时曲线 l 和27 的交点就是b ，代表了新的无功平衡的点，并由此决定了负荷点的电压u b ， 显然，u b u m 时，进行升压( 加磁) 操作，加磁过程要不断考虑加磁有关的约束限制，否则加磁 的作业在u m 接近u z 时停止；当u z u m 时，进行降压( 减磁) 操作，减磁过程同 样要考虑减磁可能的各种限制因素，直到u m 接近u ：时停止减磁作业。在增磁( 或 减磁) 过程中，只要有一个变量达到约束限制，则立即停止加磁( 或) 减磁作业【6 】。 发电厂a v c 是以控制升压变压器高压母线电压恒定或在一定的范围内为目标， 以达到提高系统稳定性的目的。 图2 - 5 单机无穷大母线输电系统模型 下面以图2 5 所示的单机无穷大母线输电系统为例说明发电厂a v c 对电力系统 电压稳定和静态稳定极限的影响。 其等值电路如图2 - 6 所示： 图2 - 6 单机无穷大母线输电系统等值电路 e q 发电机q 轴暂态电势 x 。；发电机d 轴暂态电抗 v 。发电机机端电压 x 。：升压变压器电抗 v 。：升压变压器高压侧电压 x 。：传输线电抗 v 。：无穷大系统电压 9 华北电力大学工程硕士学位论文 以上各变量的单位均取标么值。 设x 。为发电机到无穷大系统间的电抗，则x 。= x l + x t ，令x d = x d + x 。，发电厂 a v c 控制的目标是恒定或在一定的范围内变化： = k 一乇五 ( 2 1 ) 其中：i q 是发电机发出的无功电流。 当系统电压v , - f 降时，一屹的差值变大，从而无功电流乇增加，由( 2 1 ) 式可知： k = + 乇五 ( 2 - 2 ) 很明显，机端电压v 。必然增加，这样就可以大大增加发电机的无功出力，从而 尽发电机所能来维持系统电压稳定。 在单机一无穷大系统中，静态稳定极限公式为： = 袅 ( 2 - 3 ) 发电厂a v c 通过控制励磁调节器的输入来调节励磁电流的大小，从而控制发 电机机端电压的高低，以达到间接控制高压母线电压的目的。因此发电厂a v c 也可 在发电机允许的范围内大大提高e 。，从而使公式( 2 3 ) 中的p 腿大大提高，也就 是提高了系统的静态稳定极限，进而提高了电能传输能力。 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章电厂自动电压控制器设计方案 3 1 自动电压调节的规划设计 1 、应考虑尽量不要改动现有设备和回路，尤其是励磁系统，a v c 的控制应接 入其原有控制回路，或通过d c s 新增控制组态及画面实现，由硬把手或d c s 画面 上手动控制每台机组a v c 的投退，可降低安装、调试难度，保证运行机组安全。 2 、应保证n c s 、远动、a v c 子站、a v c 主站各处数据同源、同值。因为母线 电压和各机组p 、q 、u 、i 等参数要参与a v c 主站及子站的控制逻辑及计算，如不 同源、同值，将引起计算结果的不一致及错误，给控制及监视带来混乱，由于主站 指令是增减多少的数值，如子站、主站母线电压显示不一致，将引起调控上的混乱， 所以采用远动系统原有数值，把a v c 需要的数值通过标准规约转发到a v c 中控机， 省去了a v c 系统的采样及运算处理等环节，尤其是消除了c t 、p t 接入的危险性和 省去了繁重工作量，大大降低了施工、调试难度，同时从根本上保证了数据同源。 3 、根据需要及现场实际情况，可选择双网双机、双机单网、单机单网等多种 冗余模式，发电厂配置中控机为双主备机可自动无损切换，下位机单机，中控机到 下位机为双光纤主备通道。 4 、发电厂中控机到下位机通信采用串口轮询方式，即每一台中控机在设定的 时间内分别和两台机组的下位机轮流通信，在规划、设计时要求厂家实现基于t c p 八p 的网络通信方式解决问题【l0 1 。 5 、a v c 设备应具备以标准1 0 3 规约和保护管理机通信的能力，以丰富日常监 视的内容。 6 、a v c 设备屏柜内既有交流的装置电源，又有接入监控系统硬接点信号的直 流，在设计时应注意隔开并采用不同颜色端子加以区别，严防交流串入控制等直流 引发大的事故。 7 、a v c 到励磁a v r 的控制方式应根据具体情况选择采用变脉宽或固定脉宽方 式。如已运行机组原有控制方式为固定脉冲对应固定机组无功方式，a v c 输出控制 也可为固定脉宽，这种方式对原有设备和回路改动小，在机组运行中可在线接入， 缺点是a v c 分配给每台机组的无功实际调整时可能超调或欠调而造成多次往复调 整【i 引，以上两种方式即可由a v c 直接到a v r 控制，也可由a v c 到d c s ，由d c s 识别判断后再到a v r 调整。 8 、如机组d c s 具备条件，a v c 控制最好经d c s ，因为机组励磁系统各工况和 华北电力大学工程硕士学位论文 告警、故障等，包括机组的振动、发热等都接入d c s 系统，这些情况对机组的无功 调整都有影响，可结合这些情况在d c s 中方便的进行投入、退出的控制逻辑组态， 在机组d c s 画面上也可时刻监视a v c 的运行情况，在机组或励磁系统发生异常或 故障不允许a v c 调整时可自动闭锁或退出a v c 运行，改为运行人员控制能更好的 保证机组的安全。 9 、随着数据网的建立，主站和子站之间应可采用数据网提供的t c p i p 方式互 联，即可作为传输通道的备用，也可大大增加主站对子站信息的采集量，数据传输 速度和容量可大大增加，调控行为和控制逻辑也可细化和增强，能更好的实现优化 控制。 1 0 、变电站一般均为双母线接线，a v c 系统正常时只以一条母线电压为准进行 调控，如发生p t 断线或传输数据错误等情况导致a v c 失去正在调控母线的电压数 值，应可自动切换到另一条母线电压上控制，这时应注意与主站的同步，也就是主 站与子站必须同步切换。因为有可能只是子站或主站一方失去正在调控母线电压， 如不同步切换，由于两条母线电压显示有偏差，控制目标将会不一致，会产生错误 计算和错误调控。在母线电压切换期间，应闭锁母线电压波动超限切除a v c 的控制 逻辑，在切换成功后重新开放，发电厂电压切换逻辑如下： 图3 1 发电厂电压切换逻辑图 如切换母线电压成功，延迟一段时间再进行调控，因为主站和子站都需重新计 算和下发指令。 l l 、为保证调控精度，应校验母线电压和每台机组p 、q 、u 、i 等参数精度， 并保证其在d c s 、n c s 、远动、a v c 主站、子站各端的显示的数值一致。两条母线 电压的采样由于不是一组p t ，不是同一台测控，回路不可能一致等原因，采样显示 不可能一致，应从各方面采取措施保证偏差不过大。 根据第二章中的电厂自动电压控制系统的原理，可知电厂侧a v c 子站系统自动 控制的流程为： v c 子站系统接收中调所下达无功指令或者电压开始，到控制发电厂 所对应机组无功功率的闭环自动调节为止的整个控制过程。在这个控制过程中主要 涉及无功指令( 计划) 的下达和接收、实时数据的采集、闭环控制的设备及方式、无 1 2 多种励磁系统，即通用性要强。同时发电机的无功调节范围是由机组的性能来决定 的，各大型发电机的无功调节范围是相对固定不变的。 在a v c 子站系统的方案设计中主要应考虑闭环控制的设备及方式、实时数据的 采集这两个功能模块的模式及作用。 3 2 电厂侧a v c 子站闭环控制的设备及方式 由于这是对已经投入生产的电力系统进行技术改造，既要保证原有系统正常运 行，又要加入新的运算环节对原有系统进行控制，所以在控制方案的设计上，应遵 循模块化原则。 发电机组的无功功率的闭环控制是a v c 的最重要的环节，它是通过对采集实发 功率与接收到的计划( 指令) 进行比较，根据比较的结果来调节机组无功的出力， 使机组的无功出力运行在中调要求的范围内。 ： 目前现有的可用于闭环控制无功出力的设备有：励磁调节系统、d c s 系统，增 加一台专用a v c 调节装置。 即通过以下方式实现闭环控制： ( 1 ) 直接修改机组励磁调节器的内部程序，在调节器中增加远程通讯与无功控 制功能模块。即调度中心通过远动通道将单个机组的无功发电指令下到发电厂的远 动装置( r t u ) 中，r t u 根据指令大小将其变为4 2 0 m a 的电流信号，传送到相应机 组励磁调节装置，励磁调节装置将其变为数据量，并依其为闭环自动调节机组的无 功出力。 ( 2 ) 修改发电厂内控制系统的内部程序( d c s ) ，在控制系统中增加无功控制功 能模块。 ( 3 ) 不改动电厂现有的外围设备，增加专业的自动电压控制器。中调定时通过 远动通道将全厂( 或部分机组组合) 的无功功率计划下达到发电厂的a v c 上位机( a r c 调节系统专用) ，a v c 上位机根据各机组的开停、所带有功功率情况及原定的无功 功率分配原则，来分配各机组的无功发电计划，并将各机组的无功发电计划发送到 该机组的a r c 调节装置中，a v c 调节装置闭环控制励磁调节装置来调节机组的无功 出力。 比较以上几种方式： 采取第1 种方式，系统简单，易于实现，由于励磁调节器本身就对机组的各信 息进行采集计算，因此无功控制所需的大部分信息量都可以直接获得。但是由于目 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 前机组的励磁调节系统不具备对计划指令的接收功能，只能接收功率调节的加、减 信号，对无功功率的控制多采用手动或由d c s 闭环控制的方式。而且在线修改励磁 调节器的内部程序较为困难，灵活性很差。同时在线修改a v r 内部控制程序，可能 会导致a v r 自身程序紊乱，使a v r 自身的安全性、可靠性变差。 采取第2 种方式，特点：系统简单，只在原d c s 当地功能中增加部分功能，费 用最低。易于实现，由于当地功能的软件水平一般较高，同时由于a v c 调节所需要 的实时数据，均在d c s 的数据采集范围内，不需考虑用其他渠道来进行数据采集。 使用d c s 来控制机组的无功出力是一种较可靠的控制方法，d c s 本身的功能较强， 增加a v c 功能较方便。但采用d c s 方式只施用于a g c 模式下的a v c 控制。从目前来 看，我国水电厂控制系统一般采用主控单元和就地控制单元结合的计算机监控系 统。部分监控生产厂家在对系统进行设计时，就已经考虑了a v c 功能，因此该种方 案在部分水电厂已经得到应用n 们。但火电厂采用的分散控制系统( d i s t r i b u t e d c o n t r o ls y s t e m ，d c s ) n 副中并没有a v c 功能，如采取该种方式，增加的无功控制模 块要与d c s 相互配套，同时无功控制模块控制无功的相关数据都是来自d c s ，控制 过程对d c s 依赖性大，调节精度和速度都受d c s 系统进程和资源的明显影响。a v c 实现功能对计算机监控系统的依赖性很大，可靠性完全取决于网络的通信水平、i o 单元和后台监控计算机的运行状况。当计算机监控系统的某个进程因资源等原 因处于等待或休眠状态时，进程间数据传递障碍，画面数据不刷新，若此时a v c 处 于远方控制，中调下发的负荷值要经过一段时间才被a v c 接受，而此时新的负荷设 定值已改变，a v c 分配的负荷值不能快速跟踪中调下发值，导致a v c 调节滞后。文 献 6 】介绍了漫湾水电厂的计算机监控系统由于采样回路无法判断变送器故障，采 集错误值，打破了计算机系统的闭环控制，形成无反馈的开环控制，a g c 、a v c 程序 为维持实时控制，拼命将有功、无功功率往上加至设定值，从而引起发电机过负荷 跳闸的情况。乌江渡发电厂、漫湾发电厂、棉花滩水电站、映秀湾发电厂、白山发 电厂、宝钢电厂、张家口发电厂等都是采用这种方法实现电压无功控制的。同时参 照内蒙电网其他电厂的情况具有相同a v c 模式，应不考虑使用d c s 来参于a v c 的闭 环控制。 采取第3 种方式，可以尽可能使电厂现有设备无需作大的改动便可以实现无功 电压自动调控，而且设备独立，与其他环节通过接口实现连接，考虑到火电厂控制 系统的复杂程度，这种方案对火电厂来说无疑是个最佳的选择。但投入成本前两种 方式大，经济性差。自动电压控制器与现有系统相对独立，只需要通过i o 接口与 外部联系，现有系统只需作微小改动。同时具有良好的兼容性，不影响a v r 的安全 性能；并且可以随时进行扩展和维护，对机组正常运行不会产生干扰。本案所采取 的设计就是按照第3 种方案，主要用于满足火电厂对a v c 功能的需求。 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 用于闭环控制的设备应具有以下功能：采集或接收a v c 指令、实时无功出力， 能对出力偏差进行计算。能根据机组的运行情况进行控制闭锁等功能，a v c 系统对 原有系统影响要小，系统的可行性要高，同时在全区系统中的方式应统一。根据以 上要求和系统中的运行现状。使用a v c 调节装置是一种较理想的方式。 3 3 实时数据采集 3 3 1 实时数据采集范围 a v c 控制系统运行的前提是保持电力系统中的各发电机均应运行在额定功率、 功率因数、电压、电流的范围内，并保持发电厂高压母线电压在允许范围内。 为此在a v c 调节系统中必须采集所有参与a v c 调节的各机组的有功功率、无功 功率、发电机定子电压、发电机定子电流及发电厂高压母线电压( 正常是采集的i 母线电压，在i 母线电压不正常时，自动切换为i i 母线电压) 。 3 3 2 实时数据采集作用 采集无功功率是实现机组a v c 闭环自动调节的依据，采集机组的有、无功功率 是为了计算机组的功率因数，作为使机组运行在额定的功率因数范围内的闭锁条件： 采集发电机定子电压、电流的作用是作为无功调节一个闭锁条件，以防止机组运行 在超出机组额定参考范围之外。 采集发电厂高压母线电压数据，在a v c 正常的方式下作为调节无功功率的闭锁 条件，控制机组运行，使发电厂高压母线电压在系统要求的范围内：在a v c 系统与 中调的通信异常时作为发电厂高压母线电压控制( 机组无功) 的调节依据。 3 3 3 实时数据采集方法 经调查核实，在包头第二热电厂3 0 0 m w 机组系统中，a v c 所需的实时数据可以 从以下三个渠道获得： ( 1 ) 使用d c s 采集的实时数据：a v c 所需的实时数据d c s 本身均己采集，当 v c 调节方式为使用d c s 来闭环控制机组的无功出力时，可使用d c s 采集机组的实 时数据。特点：数据的采集、闭环控制均由d c s 独立完成，对外界的依赖性小。 缺点：目前区内仍有部分机组未能进行d c s 改造，部分机组暂不能进行a v c 调 节，或使用其它方式进行a v c 调节，这样就使全区的发电机组的a v c 调节模式不统 一。采集到的实时数据与中调进行无功功率计算的数据不同源，即数据有可能会 不一致，存在一定的误差，使发电厂内高压母线电压控制不理想。同时由于数据不 一致可能影响中调对发电厂的电压考核。d c s 所采集的母线电压为本机组所连接的 华北电力大学工程硕士学位论文 高压母线的电压，并非中调对发电厂考核的母线电压，两个数据可能取自母线电压 而不是同一条母线，这两条母线测量电压常有所差别。 ( 2 ) 使用励磁调节装置采集的实时数据：所采集的实时数据当a v c 调节方式为 使用励磁调节系统来闭环控制机组的无功出力时，励磁调节系统应具有实时数据采 集能力。 特点：数据的采集闭环控制均由励磁调节装置独立完成，对外界的依赖性小， 此方式是最简单，也是费用最小的一种方式。 缺点：目前励磁系统暂不能接收a v c 指令。采集到的实时数据与中调进行无功 功率计算的数据不同源，即数据有可能会不一致，存在一定的误差，使发电厂内高 压母线电压控制不理想。同时由于数据不一致可能影响中调对发电厂的电压考核。 励磁调节装置所采集的母线电压为本机组所连接的母线电压，并非中调对发电厂考 核的母线电压，两个数据可能取自母线电压而不是同一条母线，这两条母线测量电 压常有所差别。 ( 3 ) 使用a v c 调节装置采集机组的实时数据。安徽电力中心试验研究所研制 开发的a v c 调节装置本身具有模数转换能力，为采集这些信息需要在电压、电流 回路中接入变送器，将需采集的实时信息变为直流信号送入a v c 调节器装置中。每 套a v c 调节装置配套5 只变送器( 有功、无功、电压、电流、发电厂高压母线电压) 特点：使用这种方式时数据的采集、闭环控制均由a v c 调节装置独立完成，对界的 依赖性小，由于采集的信息量小，实时数据刷新快，对控制比较有利。 缺点：采集到的实时数据与中调进行无功功率计算的数据不同源。即数据的有 可能会不一致：另需在二次回路中增加五只变送器，增加二次回路的负担，也增加 了额外费用。 ( 4 ) 共享远动装置已采集的实时数据，由于a v c 调节所需的信息远动装置均 已采集，可在a v c 接收指令的前置机中增加一个串口，这台前置机既接收a v c 调节 指令，又接收远动装置发出的实时数据。在这种方式中可使用a v c 上位机或当地功 能来接收远动装置中的实时数据。 特点：能与中调所接收的数据保持一致，对考核较为有利，对发电厂高压母线 电压控制有利。 缺点：对远动装置的依赖性大，数据更新较方式3 慢。 综上所述，以上4 种实时数据采集方式，方式4 所采集的数据与中调的数据一 致，对发电厂的考核比较有利，而且不需再增加变送器来进行实时数据采集，使系 统简单，减少费用、施工和维护的工作量。 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 3 4 基于包头第二热电厂的电压控制策略 3 4 1 数学模型 本文的研究对象是蒙电华能包头第二热电厂：2 x 3 0 0 m w 燃煤发电机组。系统概 况为：# 3 、# 4 机组经升压站接入2 2 0 k v 高压母线，2 2 0 k v 母线接入内蒙电网由内蒙 古中调直调。根据内蒙电网调度自动电压控制( a v c ) 系统要求，蒙电华能包头第二 热电厂# 3 、# 4 机组的自动电压控制应通过装设自动电压控制( a v c ) 装置来实现。现 场监控系统为d c s 系统，远动r t u 通过两种通讯方式与内蒙调度进行数据交换，数 据网为主、音频通道为备用通道。a g c 功能已投运，且a g c 的控制模式是作为d c s 功 能模块之一实现的。 蒙电华能包头第二热电厂母线结构如图3 - 2 所示： 升压变升 机组 一执组 图3 _ 2 包头第二热电厂母线结构 根据系统图可以建立以下等值电路： 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 - 3 电厂系统等值电路 3 4 2 电厂a v c 子站自动电压控制中的无功计算 根据a v c 子站的控制原理，设系统调节前的母线电压为屹，母线送出的总无功 为q ，则调节后母线电压为k ，母线向系统送出的总无功为q ，则很容易得 出式( 3 一1 ) ： ，矿一y ，q q 、 ( k 一眨) = x ( 丢芳兰一垒萝二) ( 3 一1 ) 由式( 3 一1 ) 可知当调度下发目标电压指令k 啦。，则预测母线向系统送出总无 功为q 嵋甜： = 毕一峄 2 ， 式( 3 - 2 ) 中q + 是不能直接通过测量获得，但是可以通过各机组的无功之和近 视代替，虽然存在一些误差，但是预测系统无功的变化方向与母线目标电压变化的 方向始终是相同的。整个调节过程是一个逐步逼近的过程，所以最后调节的结果将 逼近日标值，把误差限制在允许的范围之内。同时对系统阻抗的计算，由种逐步逼 近的调节，所以初始值不准确也不影响最终的调节结果。在调节若干次后，系统阻 1 8 华北电力大学工程硕士学位论文 (r+，【，+三(r一，【，5一_f=【厂。+三【，5一 【a q v x = a v 】 以 a q v r 整理后可得： 设第s 次调节前母线 向系统送出的无功为 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) x = a q v r 【q 叮1 a q u r a v 】 ( 3 5 ) 通过式( 3 5 ) 可知，在通过若干次调节后就可求得系统阻抗。对于系统阻抗的 初始值可以设置为调度给定的系统阻抗最大值，由于估测时做了简化，计算结果受 运行方式及母线变化情况影响，具有一定的时效性，无功值与电压的对应关系并不 总是一成不变。因此对无功目标值的计算，可采取多次修正计算结果的方法，来保 证计算准确性。 3 4 3 电厂a v c 子站自动电压控制中的无功分配 计算出全厂无功总量以后，需要根据一定的分配策略，在各个机组间合理分配 无功。由于连接于同一母线上的发电机组容量可能不同，或者两台相同容量机组， 但在实际运行中，常常因为机炉以及相关马达运行工况不同限制出力，致使两台相 同容量发电机出力并不一致，有时差别很大，因此厂内无功分配问题依然存在。一 般的来说电厂无功调节的结果首先要保证机组的安全运行，在机组安全运行的