景乾明，郝 飛，劉吉臻

(1.甘肅電力公司，甘肅 蘭州730050；2.南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211100；3.華北電力大學(xué)，北京110000)

隨著廠網(wǎng)分開、競價上網(wǎng)等一系列改革措施的實(shí)施，發(fā)電端將擁有更大的自主權(quán)來實(shí)現(xiàn)全廠的優(yōu)化控制。而實(shí)現(xiàn)全廠優(yōu)化控制，首先必須改變電網(wǎng)對機(jī)組的調(diào)度方式，即由直調(diào)改為廠級調(diào)度。對于電廠而言，接收中調(diào)總的有功指令和電壓目標(biāo)值，根據(jù)各臺機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分配。廠級負(fù)荷分配是根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷要求和全廠各機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況，在線擬合機(jī)組煤耗量與負(fù)荷的特性曲線，實(shí)施計(jì)算各機(jī)組的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷，并將結(jié)果作為機(jī)組的目標(biāo)負(fù)荷調(diào)節(jié)值直接送至協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全廠總負(fù)荷在各機(jī)組之間的實(shí)時分配[1]；電廠側(cè)電壓無功控制系統(tǒng)則是接收中調(diào)實(shí)時下發(fā)的母線電壓目標(biāo)指令，結(jié)合本地實(shí)測母線及全廠各發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，按照既定的分配策略將系統(tǒng)所需要的無功合理分配給相應(yīng)機(jī)組，快速準(zhǔn)確的跟蹤中調(diào)的電壓指令目標(biāo)值，提高火電廠高壓母線的電壓水平，改善地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量[2]。在以往的系統(tǒng)中這2個系統(tǒng)完全獨(dú)立，分別安裝在監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）和電氣網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)（NCS）中，這樣的配置當(dāng)電廠側(cè)從直調(diào)改為廠級調(diào)度時，將加大施工的難度，而將這2個優(yōu)化系統(tǒng)放在一起可以最大限度地實(shí)現(xiàn)兩者的信息交互，更好地進(jìn)行有功和無功的優(yōu)化。

1 發(fā)電廠綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

廠級控制設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與常規(guī)控制有很大的不同，它關(guān)注的重點(diǎn)是整個廠的整體控制結(jié)構(gòu)、操作點(diǎn)和被控變量的選取、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)中包含了2個設(shè)計(jì)理念，一是至上而下，一是自底而上[3，4]。發(fā)電廠綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照廠級控制的方法將其分為4個控制層次，分別為EMS的調(diào)度層控制、NCS的監(jiān)控層控制、包含廠級負(fù)荷分配和電壓無功控制優(yōu)化控制層以及處于底層的常規(guī)控制層。

圖1 發(fā)電廠綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

調(diào)度層中安裝了自動發(fā)電控制系統(tǒng)（AGC）和自動電壓控制系統(tǒng)（AVC），負(fù)責(zé)電網(wǎng)的有功和無功的自動調(diào)節(jié)；NCS監(jiān)控層負(fù)責(zé)接收中調(diào)下發(fā)的有功指令和電壓目標(biāo)指令，同時采集發(fā)電廠電氣控制需要的數(shù)據(jù)，以及廠級負(fù)荷分配進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算的必需數(shù)據(jù)和電廠側(cè)電壓無功控制系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)，并將優(yōu)化結(jié)果下發(fā)給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，NCS系統(tǒng)采用RCS-9700系統(tǒng)，它是基于SCADA/EMS一體化平臺開發(fā)而成；廠級負(fù)荷分配和電壓無功控制系統(tǒng)都作為高級應(yīng)用模塊嵌入在NCS系統(tǒng)中；下位機(jī)的測控裝置可同時滿足NCS系統(tǒng)對有功和無功的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制層的控制要求。勵磁系統(tǒng)是電廠側(cè)AVC的最終執(zhí)行端，在NCS中建立勵磁控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。勵磁系統(tǒng)是電廠側(cè)AVC的系統(tǒng)模型，將有助于提高AVC控制的準(zhǔn)確性和安全性，將更多的勵磁系統(tǒng)的信息上送給調(diào)度端。同時系統(tǒng)還可將環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)接入到NCS系統(tǒng)中，作為廠級負(fù)荷分配評價各臺機(jī)組的環(huán)境保護(hù)指標(biāo)的一個因素。

2 廠級負(fù)荷分配與電壓無功優(yōu)化控制

2.1 廠級負(fù)荷分配

廠級負(fù)荷優(yōu)化分配的研究大部分都建立在機(jī)組煤耗特性曲線的基礎(chǔ)上，煤耗曲線的準(zhǔn)確性直接影響廠級負(fù)荷優(yōu)化分配的實(shí)用化，因此需要根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行情況實(shí)時更新各臺機(jī)組的煤耗曲線。采用反平衡法計(jì)算機(jī)組的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bi和標(biāo)準(zhǔn)煤耗量Bi的公式如下所示[5]：

式中：qi為第i臺機(jī)組的熱耗率；Q0為標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量；ηi為第i臺機(jī)組的鍋爐效率；pi為第i臺機(jī)組的輸出功率。pi可以從發(fā)電機(jī)采集接入NCS系統(tǒng)中，qi，Q0，ηi則可以通過DCS取得；此外，各臺機(jī)組的實(shí)時燃煤量也需要送到NCS系統(tǒng)中。根據(jù)這些數(shù)據(jù)就可以完成各機(jī)組煤耗量與負(fù)荷特性曲線的在線擬合和實(shí)時修正。由于各臺機(jī)組的環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)接入到NCS系統(tǒng)，在制定分配策略時可以適當(dāng)考慮機(jī)組煙氣中二氧化硫、氮氧化物的濃度以及排煙量等信息，形成更加全面的機(jī)組功率分配策略。

在直調(diào)方式下，發(fā)電廠各機(jī)組的有功指令是中調(diào)通過RTU發(fā)送給各臺機(jī)組的AGC測控裝置，測控裝置再將其轉(zhuǎn)換成4～20 mA模擬信號輸出給機(jī)組的DCS。當(dāng)發(fā)電廠由機(jī)組的直調(diào)方式改為廠級負(fù)荷分配時，而負(fù)荷分配軟件采用嵌入NCS系統(tǒng)的方案，那么原來直調(diào)方式下的AGC配置可以完全保持不變，只需將中調(diào)下發(fā)的總廠級負(fù)荷指令通過RTU送給NCS系統(tǒng)，然后廠級負(fù)荷分配軟件再根據(jù)各個機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況將負(fù)荷指令分配給各臺運(yùn)行機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。這樣既可節(jié)省改造成本，又可實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠機(jī)組負(fù)荷的廠級分配。

2.2 電壓無功優(yōu)化控制

發(fā)電廠電壓無功優(yōu)化控制是保證區(qū)域電網(wǎng)電壓質(zhì)量和無功平衡，提高電網(wǎng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性必不可少的措施?；赗CS-9700發(fā)電廠網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠電壓無功控制系統(tǒng)，可最大限度利用NCS的數(shù)據(jù)和信息采集，利用現(xiàn)有NCS的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。系統(tǒng)具體的實(shí)現(xiàn)過程為：省調(diào)AVC系統(tǒng)將電廠的優(yōu)化電壓值以命令的方式下發(fā)到電廠的AVC系統(tǒng)中，AVC決策單元通過在線辨識獲取整個電廠的系統(tǒng)阻抗，結(jié)合電廠本地實(shí)測母線電壓和省調(diào)下發(fā)的電壓命令值，計(jì)算出電廠端所要增加或減少的無功總量。根據(jù)當(dāng)前機(jī)組的運(yùn)行情況，考慮機(jī)組的各種約束限制，得到可控機(jī)組的運(yùn)行信息，然后根據(jù)既定的分配策略，在各機(jī)組間進(jìn)行無功的合理分配。可以選擇采用等功率因數(shù)控制、相似視在功率、等無功備用、相似調(diào)整裕度4種控制分配策略。

2.3 廠級負(fù)荷分配與電壓無功控制的協(xié)調(diào)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個優(yōu)勢就在于廠級負(fù)荷分配系統(tǒng)與電廠側(cè)AVC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，由于2個應(yīng)用模塊都集成在NCS平臺上，因此可以共享網(wǎng)絡(luò)上的所有數(shù)據(jù)，兩者的計(jì)算和分析結(jié)果被對方直接使用。除此之外，由于將環(huán)保監(jiān)測的數(shù)據(jù)接入到NCS系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以實(shí)時獲取各臺機(jī)組排煙量、二氧化硫以及氮氧化物的信息，通過在線辨識得到各臺機(jī)組有功、無功與這些環(huán)保監(jiān)測數(shù)據(jù)的簡單模型，從而可以實(shí)現(xiàn)對其的預(yù)測，預(yù)測值可只作為參考值，也可參與到2個應(yīng)用模塊的策略計(jì)算，形成約束條件。勵磁系統(tǒng)是電廠AVC控制中的最終執(zhí)行端，而調(diào)度系統(tǒng)的模型都是按照公共信息模型（CIM）標(biāo)準(zhǔn)建立，為了保證AVC控制的準(zhǔn)確性和安全性，方便與調(diào)度端系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，有必要在NCS系統(tǒng)中建立基于CIM的勵磁系統(tǒng)模型。

3 基于CIM的勵磁系統(tǒng)控制

IEC61970-301標(biāo)準(zhǔn)定義了能量管理系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口（API），CIM作為此標(biāo)準(zhǔn)中的重要組成部分之一，規(guī)定了API的語義。在CIM中同步電機(jī)模型與其他模型的簡化關(guān)系如圖2所示。從圖中可以看到與同步電機(jī)緊密相關(guān)的勵磁系統(tǒng)，并沒有包含在CIM中。為了在電廠側(cè)AVC控制系統(tǒng)中更多地獲取勵磁系統(tǒng)的信息，方便調(diào)度端獲取勵磁系統(tǒng)模型信息，同時也能更好地保證AVC控制的安全性，有必要在CIM中建立勵磁系統(tǒng)的模型。

圖2 CIM中的同步電機(jī)模型

3.1 基于CIM的勵磁系統(tǒng)模型

在現(xiàn)有的CIM中，包含的控制和調(diào)節(jié)信息的類都從調(diào)節(jié)設(shè)備類中派生而來，每個調(diào)節(jié)設(shè)備類和1個控制類相關(guān)聯(lián)，控制類包括了和控制相關(guān)的所有描述；此外，1個設(shè)定的調(diào)節(jié)計(jì)劃也是調(diào)節(jié)設(shè)備類不可缺少的部分，如圖3所示。因此，可以將勵磁系統(tǒng)模型與原有CIM的關(guān)系表述如下：勵磁系統(tǒng)類從調(diào)節(jié)設(shè)備類派生出來，這樣就可以繼承有關(guān)控制信息的描述，同時在模型中加入了調(diào)節(jié)計(jì)劃的描述。

圖3 勵磁系統(tǒng)模型在CIM中的描述

根據(jù)CIM面向?qū)ο蟮慕７椒ê徒?zhǔn)則，結(jié)合勵磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)特點(diǎn)，建立勵磁系統(tǒng)的詳細(xì)模型[6]，其關(guān)系圖表述如圖4所示。勵磁系統(tǒng)根據(jù)勵磁方式不同分為他勵勵磁系統(tǒng)和自勵勵磁系統(tǒng)，前者需要交流副勵磁機(jī)來提供勵磁電流，因此要建立1個勵磁機(jī)類；后者除了通過變壓器從發(fā)電機(jī)端或廠用母線取得勵磁電流外，還通過變流器從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)或出線側(cè)獲得勵磁電流，借用CIM中的變壓器類類，并專門建立1個變流器類。此外，無論是他勵系統(tǒng)，還是自勵系統(tǒng)，都有整流器，因此需要建1個整流器類；對于勵磁系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)，電力系統(tǒng)中普遍采用AVR＋PSS的控制模式，自動電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了勵磁電壓的自動調(diào)節(jié)，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器借助于勵磁調(diào)節(jié)器控制勵磁機(jī)的輸出，來阻尼同步電機(jī)的功率振蕩，因此需要建立自動電壓調(diào)節(jié)器類和1個電力系統(tǒng)穩(wěn)定器類。至此完整的勵磁系統(tǒng)模型就建立完畢，可以將其應(yīng)用到電廠側(cè)AVC控制系統(tǒng)中。

圖4 勵磁系統(tǒng)模型的詳細(xì)描述

3.2 基于CIM勵磁模型的電壓無功控制

在發(fā)電廠綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)中，廠級負(fù)荷優(yōu)化分配模塊進(jìn)行10多年的發(fā)展和研究，無論從算法還是模型都已經(jīng)相當(dāng)完善；而電廠側(cè)AVC控制系統(tǒng)還有很多方面值得深入研究。在電廠AVC控制中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是發(fā)電機(jī)的勵磁系統(tǒng)，勵磁系統(tǒng)是由一些典型的控制環(huán)節(jié)組成，其中還存在一些非線性環(huán)節(jié)，如限幅環(huán)節(jié)、勵磁機(jī)的飽和等，控制器采用簡單的PI控制[7]，在AVC軟件中建立勵磁系統(tǒng)動態(tài)模型的模型庫，模型庫包含了主要勵磁系統(tǒng)的動態(tài)模型，對于不同電廠的勵磁系統(tǒng)，可以通過選擇相匹配的模型來確定AVC系統(tǒng)的動態(tài)模型，結(jié)合CIM的勵磁系統(tǒng)模型，通過對模型的離線學(xué)習(xí)和在線辨識獲取模型各個環(huán)節(jié)的參數(shù)。然后再根據(jù)參數(shù)來確定AVC模型控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，如系統(tǒng)反饋系數(shù)、發(fā)電機(jī)反饋系數(shù)、系統(tǒng)阻抗、無功調(diào)節(jié)量等[8]，這樣就可以獲得勵磁系統(tǒng)完整的數(shù)學(xué)模型?；贑IM的勵磁系統(tǒng)模型為整個過程提供了運(yùn)算和存儲的載體。利用勵磁系統(tǒng)的模型，進(jìn)一步開發(fā)電廠AVC的仿真系統(tǒng)，使運(yùn)行人員通過這樣的系統(tǒng)更加了解電廠AVC的控制方式和執(zhí)行情況，建立起電廠電壓無功控制的培訓(xùn)仿真環(huán)境。

4 結(jié)束語

發(fā)電廠綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)是將原來SIS中的廠級負(fù)荷分配和NCS中的電廠側(cè)AVC控制系統(tǒng)，統(tǒng)一放在NCS監(jiān)控系統(tǒng)平臺上，作為NCS系統(tǒng)的2個高級應(yīng)用模塊。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：（1）當(dāng)發(fā)電廠由中調(diào)直調(diào)方式改為廠級負(fù)荷分配時，該設(shè)計(jì)方式可以最大限度地節(jié)省改造費(fèi)用和成本，更好地利用原來的設(shè)備，同時也降低了改造的難度。（2）2個模塊在完成各自功能的同時，還可以相互交換信息，從而提高各自的控制和優(yōu)化水平。采用一體化的設(shè)計(jì)思想，使得信息的獲取和命令的執(zhí)行更加順暢。（3）在電廠AVC中嵌入勵磁系統(tǒng)的控制模型，通過辨識方法獲取更加準(zhǔn)確的模型參數(shù)，為AVC系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置提供依據(jù)；在勵磁系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，開展電廠AVC的仿真培訓(xùn)功能，使運(yùn)行人員能更好地理解和認(rèn)識系統(tǒng)的運(yùn)行和事故處理。

[1]曹文亮，王兵樹，高建強(qiáng)，等.火電廠廠級負(fù)荷優(yōu)化分配軟件設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28（5）：80-83.

[2]郝 飛，黃 凱，劉吉臻，等.電廠側(cè)自動電壓控制系統(tǒng)研究及應(yīng)用[J].現(xiàn)代電力，2009，26（6）：62-65.

[3]郝 飛，劉吉臻，譚 文.廠級控制的研究及在發(fā)電廠中的應(yīng)用[J].江蘇電機(jī)工程，2010，29（1）：16-20.

[4]TRUS L.Studies on Plant wide Control[D].Department of Chemical Engineering Norwegian University of Scinence and Technology,2000.

[5]李政林，張根保，吳 鴻.基于SIS的火電廠實(shí)時負(fù)荷優(yōu)化分配的研究[J].現(xiàn)代電力，2004，21（1）：6-10.

[6]徐劍峰，王康元.基于CIM的勵磁系統(tǒng)建模[J].機(jī)電工程，2007，24（8）：76-79.

[7]陸春良，竺士章，陳新琪.發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)實(shí)測建模與應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28（2）：73-77.

[8]郝 飛，黃 凱，劉吉臻，等.電廠側(cè)電壓無功控制系統(tǒng)分析研究[C].電網(wǎng)電能質(zhì)量控制與檢測學(xué)術(shù)交流會，2009.