馬銘宏，丁永允，房國成

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

基于DCS系統(tǒng)的自動電壓控制設(shè)計

馬銘宏，丁永允，房國成

（國網(wǎng)遼寧省電力有限公司電力科學(xué)研究院，遼寧 沈陽 110006）

電壓是電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。針對火電廠機(jī)組采用單元控制的特點(diǎn)，設(shè)計一種基于DCS控制系統(tǒng)的自動電壓控制（AVC），使該火電廠實(shí)現(xiàn)AVC閉環(huán)控制（一級控制），確保系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，提升電網(wǎng)電壓品質(zhì)和整個系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

自動電壓控制；DCS控制系統(tǒng)；一級控制；閉環(huán)控制

針對老撾紅沙電廠3×626 MW機(jī)組設(shè)計了基于DCS控制系統(tǒng)的AVC控制，經(jīng)過調(diào)試，機(jī)組快速、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)了無功電壓控制，提高系統(tǒng)的電壓質(zhì)量及安全穩(wěn)定運(yùn)行水平，并降低網(wǎng)損，減輕運(yùn)行人員頻繁調(diào)整無功電壓的工作量，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

1 無功電壓控制

1.1 控制模式

無功電壓控制采用全局協(xié)調(diào)的控制系統(tǒng)，從控制模式上分為2大類：基于“最優(yōu)潮流”的控制模式和基于分區(qū)分級的控制模式。

基于“最優(yōu)潮流”的控制模式是1984年由德國RWE進(jìn)行在線實(shí)施的，RWE在控制中心利用最優(yōu)潮流對于無功分布情況進(jìn)行調(diào)整，在狀態(tài)估計的基礎(chǔ)上，優(yōu)化固定間隔啟動一次或由人工啟動，給出最新的優(yōu)化后的控制變量的調(diào)節(jié)策略，也被稱為兩層模式［1］。

而基于分區(qū)分層的控制方式則是由法國EDF于1972年國際大電網(wǎng)會議上提出提出的，分為三級控制，分別為一級電壓控制（本地廠站控制）、二級電壓控制（局部區(qū)域控制）、三級電壓控制（全局統(tǒng)籌控制）3個層次。這種分級自動電壓控制克服了傳統(tǒng)的分散控制方式下各電壓控制設(shè)備之間無法協(xié)調(diào)，對全網(wǎng)的無功分布、電壓水平可能產(chǎn)生不利影響的缺點(diǎn)，是一種比較好的電壓控制方式，得到了廣泛的應(yīng)用推廣［2］。

1.2 分級控制策略

a.一級電壓控制，由本區(qū)域內(nèi)控制發(fā)電機(jī)的自動調(diào)節(jié)器、有載調(diào)壓分接頭及可投切的電容器組成，控制時間常數(shù)一般為幾秒鐘，盡可能補(bǔ)償電壓快速和隨機(jī)的變化。

b.二級電壓控制，是一種區(qū)域控制，通過調(diào)節(jié)下一級控制器的設(shè)定值，保證中樞母線電壓等于上級給定值，控制時間常數(shù)為幾十秒到幾分鐘，盡可能滿足上級控制器的需求。

c.三級電壓控制，通過統(tǒng)籌電網(wǎng)全局，以經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為優(yōu)化目標(biāo)，兼顧電網(wǎng)穩(wěn)定性，給出不同區(qū)域最優(yōu)的中樞母線電壓設(shè)定值，控制時間常數(shù)在十幾分鐘到幾小時［3］。

2 一級控制策略選取

目前電廠側(cè)一級控制可用于無功電壓控制的方式分為基于勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)、基于專用的AVC調(diào)節(jié)裝置、基于DCS系統(tǒng)。

2.1 基于勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)的策略

以勵磁調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，增加無功控制功能模塊，修改調(diào)節(jié)器內(nèi)部程序。該方式系統(tǒng)簡單，易于實(shí)現(xiàn)，并且響應(yīng)速度快。但是目前的勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要是接收增減信號，進(jìn)行調(diào)節(jié)，無法實(shí)時根據(jù)網(wǎng)調(diào)下發(fā)指令進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且在線修改AVC內(nèi)部控制程序，可能會導(dǎo)致其自身程序紊亂，使自身的安全性、可靠性變差。

2.2 基于專用的AVC調(diào)節(jié)裝置

增加專用的無功電壓控制器。通過RTU裝置，接收調(diào)度下發(fā)的調(diào)節(jié)指令，送到AVC的上位機(jī)，上位機(jī)再根據(jù)各機(jī)組的啟停、所帶有功無功功率情況及原定的無功功率分配原則，來分配各機(jī)組的無功發(fā)電計劃，并將各機(jī)組的無功發(fā)電計劃發(fā)送到各機(jī)組的勵磁調(diào)節(jié)裝置，來調(diào)節(jié)機(jī)組的無功出力［4］。該方案的穩(wěn)定性取決于添置的無功控制器，并且還需要新增配置控制器與RTU以及勵磁調(diào)節(jié)裝置的通信信號，成本高，穩(wěn)定性差。

2.3 基于DCS系統(tǒng)的控制策略

在已有的DCS系統(tǒng)中，增加控制模塊以及相應(yīng)的邏輯，因?yàn)镈CS系統(tǒng)與RTU以及勵磁調(diào)節(jié)裝置之間原本就有信號交互，因此，只需利用原有信號基礎(chǔ)上擴(kuò)充幾個信號，即可實(shí)現(xiàn)彼此之間的通信。并且，使用DCS進(jìn)行無功電壓控制，運(yùn)行人員可以實(shí)時監(jiān)測接收到的調(diào)度指令，以及下發(fā)的無功調(diào)節(jié)指令。并且DCS系統(tǒng)可以給出相應(yīng)的報警信號，及時提示運(yùn)行人員各類風(fēng)險。

因此，考慮到節(jié)省成本，方便運(yùn)行操作監(jiān)視等因素，在該電廠選取基于DCS的控制策略，具體實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。DCS與上級調(diào)度機(jī)構(gòu)的通信是通過RTU網(wǎng)絡(luò)通信以及硬接線實(shí)現(xiàn)，DCS與相應(yīng)勵磁系統(tǒng)的通信是通過硬接線實(shí)現(xiàn)，無功電壓的控制策略及方式均在DCS系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。

3 DCS設(shè)計

設(shè)計的自動電壓控制包含無功控制和電壓控制2種模式。二者相互閉鎖，確保只能同時選擇一種控制方式。

3.1 無功控制方式

圖1 基于DCS的無功電壓自動控制結(jié)構(gòu)

a.本地自動控制。根據(jù)調(diào)度指令手動設(shè)定的凈無功進(jìn)行調(diào)控。

b.遙控自動控制。根據(jù)調(diào)度實(shí)時設(shè)定的凈無功目標(biāo)值進(jìn)行調(diào)控。

3.2 電壓控制方式

a.本地自動控制。根據(jù)調(diào)度指令手動設(shè)定的母線電壓進(jìn)行調(diào)控。

b.遙控自動控制。根據(jù)調(diào)度實(shí)時設(shè)定的母線電壓目標(biāo)值進(jìn)行調(diào)控。

3.3 操作方法

當(dāng)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，需要投入無功電壓自動控制的時候，應(yīng)先確保滿足上述的約束條件，并將勵磁系統(tǒng)切換至無功控制自動位?？刂泼姘鍍?nèi)包含模式選擇按鈕、設(shè)定值（自動模式由操作員操作，遠(yuǎn)控模式接收SCADA調(diào)度指令）、實(shí)時無功和母線電壓值，以及無功和電壓設(shè)定的上下限值，具體面板如圖2所示。

圖2 自動電壓控制面板

3.4 無功分配計算

當(dāng)多臺機(jī)組同時投入電壓自動控制時，需要進(jìn)行無功分配計算［6］，本設(shè)計采用比較無功裕度的方法進(jìn)行分配：

式中：Di為每臺機(jī)組對應(yīng)的無功指令；Qi為每臺機(jī)組有實(shí)時有功計算出的無功限制值；D為計算出的無功總指令。

3.5 電壓控制約束條件

為了保證機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性，根據(jù)發(fā)電機(jī)運(yùn)行說明書，給出如下約束條件，既作為自動控制的投入允許條件，也作為自動切除控制的聯(lián)鎖條件［5］。

a.AVC電壓死區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)給定電壓目標(biāo)值與當(dāng)前出線母線電壓值偏差小于0.1 kV，AVC系統(tǒng)將停止進(jìn)行無功分配，以避免過于頻繁的變化電壓值。0.1 kV即為系統(tǒng)調(diào)壓的死區(qū)。

b.失磁保護(hù)（P／Q）。根據(jù)功率圓圖上的選定點(diǎn)，給出保護(hù)曲線，限制無功電壓調(diào)節(jié)的范圍，以保障發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行。

c.過激磁保護(hù)（V／Hz）。根據(jù)發(fā)電機(jī)頻率和設(shè)定值計算出當(dāng)前的機(jī)端電壓允許值作為限定值，防止發(fā)電機(jī)和變壓器過磁通。

d.勵磁電流超限保護(hù)。用于防止發(fā)電機(jī)定子過熱，分欠勵側(cè)和過勵側(cè)兩部分，保證定子電流雙向動作的正確性。

e.過勵磁和欠勵磁保護(hù)。為了保持發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子間磁場的靜態(tài)穩(wěn)定，過勵磁和欠勵磁保護(hù)，確保一定的穩(wěn)定裕度。

3.6 運(yùn)行結(jié)果

在1號機(jī)組的試運(yùn)行中，經(jīng)過多次試驗(yàn)，給出了相應(yīng)的控制參數(shù)，很好地保持了無功和電壓的穩(wěn)定。如圖3、圖4所示，分別為投入無功控制和電壓遠(yuǎn)程控制模式后，機(jī)組的運(yùn)行曲線。

圖3 無功遠(yuǎn)程控制參數(shù)

圖4 電壓遠(yuǎn)程控制參數(shù)

由圖3和圖4可以看出，該設(shè)計的響應(yīng)速度快1～2 s，滿足一級控制要求，試驗(yàn)中升降調(diào)節(jié)時間大約在30 s內(nèi)完成，對應(yīng)電壓控制控制速率≈5 kV／min，無功控制速率≈35 Mvar／min且穩(wěn)態(tài)誤差小，電壓控制＜0.2 kV，無功控制＜2 Mvar。存在外部干擾也能快速響應(yīng)，可維持系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

基于DCS控制系統(tǒng)的機(jī)組電壓自動控制設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了無功和電壓調(diào)節(jié)的快速、穩(wěn)定。與常規(guī)的AQVC系統(tǒng)相比，節(jié)省了成本，有較好的經(jīng)濟(jì)性，并且DCS系統(tǒng)設(shè)有公用環(huán)路，可以匯總3臺機(jī)組的數(shù)據(jù)，方便了運(yùn)行人員的監(jiān)視、控制以及統(tǒng)一調(diào)配。既降低了運(yùn)行人員的操作，又能保持系統(tǒng)電壓穩(wěn)定，提升電網(wǎng)電壓品質(zhì)和整個系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

［1］郭慶來，張伯明，孫宏斌，等.電網(wǎng)無功電壓控制模式的演化分析［J］.清華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008，48（1）：16－19.

［2］李 偉，王士偉，周家旭.自動電壓控制的關(guān)鍵技術(shù)淺析［J］.東北電力技術(shù)，2015，36（3）：22－23.

［3］李劍峰，張婷婷.東北電網(wǎng)無功電壓多層協(xié)調(diào)控制研究［J］.東北電力技術(shù)，2013，34（8）：3－7.

［4］田立平，王 雪，王春曉.基于OPEN3000平臺的AVC系統(tǒng)在鞍山電網(wǎng)中的應(yīng)用［J］.東北電力技術(shù)，2013，34（9）：34－36.

［5］唐建惠，張立港，趙曉亮.自動電壓控制系統(tǒng)（AVC）在發(fā)電廠側(cè)的應(yīng)用［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2009，37（4）：32－35.

［6］秦紹俊.自動電壓無功控制系統(tǒng)（AVC）在聊城發(fā)電廠的應(yīng)用研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2013.

Design on Automatic Voltage Control by DCS System

MA Ming?hong，DING Yong?yun，F(xiàn)ANG Guo?cheng
（Electric Power Research Institute of State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，Shenyang，Liaoning 110006，China）

Voltage is one of the important targets of power quality.According to the characteristics that thermal power plant is con?trolled by unit control，a kind of automatic voltage control（AVC）is designed，AVC closed?loop control of the thermal power plant is realized.The first voltage control based on the DCS control system can maintain system voltage stability，improve the quality of power grid voltage and the economic operation level of the whole system.

Automatic voltage control；DCS control system；First control；Closed?loop control

TM76

A

1004－7913（2016）05－0039－03

馬銘宏（1986—），男，碩士，工程師，主要從事火電機(jī)組熱控系統(tǒng)調(diào)試、智能控制等研究。

2015－12－15）