机组自动发电控制系统设计--电力系统自动化课程设计（论文）.docx

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （论文）辽 宁 工 业 大 学 电力系统自动化 课程设计（论文）题目：机组自动发电控制系统设计（2） 院（系）： 电气工程学院 专业班级： 电气123 学 号： 120303063 学生姓名： 陈旭 指导教师： 赵凤贤 起止时间：2015.11.30 12.11 本科生课程设计（论文）课程设计（论文）任务及评语院（系）：电气工程学院 教研室：电气工程及其自动化学 号120303063学生姓名陈旭专业班级电气123课程设计题目机组自动发电控制系统设计（2）课程设计（论文）任务基本参数：1. 发电厂有三机组，一号机组功率为150MW，二号机组功率为100MW，三号机组功率为200MW，功率因数均为0.9。2. 有功功率调差系数为0.05。3. 负荷频率调节效应系数（有功功率）为1.75。4. 各发电机均以75%负荷运行。设计要求1. 阐述发电机有功频率调节的基本原理。2. 系统负荷一定和变化时，分析机组有功功率调差系数和负荷频率调节效应系数对功率分配的影响，推导有功功率分配的公式。3. 确定合适的方案，使负荷变化时，机组的有功功率按各自的额定功率合理分配。4. 采用单片机，设计某台机组的自动发电控制系统，实现机组功率的合理分配。5. 对设计进行分析总结。进度计划1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统设计要求。（1天）2、阐述发电机有功频率调节和自动发电的基本原理和实现方法。（1天）3、推导有功功率分配的公式，确定机组有功功率分配方案（2天）4、自动发电控制系统总体方案设计。（1天）5、系统硬件电路设计。（2天）6、系统软件设计（2天）7、撰写、打印设计说明书（1天）指导教师评语及成绩平时： 论文质量： 答辩： 总成绩： 指导教师签字： 年 月 日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘 要自动发电控制AGC是利用调度监控计算机、通道、远方终端、执行(分配)装置、发电机组自动化装置等组成的闭环控制系统，监测、调整电力系统的频率，以控制发电机出力。保证发电出力与负荷平衡，保证系统频率为额定值，使整个系统处于经济的运行状态。本次课程设计对三台功率不同的机组并联运行时各自有功功率的分配进行设计，确定合适的方案，使负荷变化时，各机组的有功功率按各自的额定功率合理分配，当某台发电机组负荷发生变化时，采用单片机设计该机组的自动发电控制系统，实现机组功率的合理分配。机组的负荷发生变化会导致频率的改变，通过监测控制与数据采集系统发送改变信号通过A/D转换器给单片机，再由单片机通过程序识别信号，由输出口通过D/A转换向自动发电控制系统发送执行指令，最后自动发电控制系统向机组发送改变运行状态指令，实现机组功率的合理分配。关键词：自动发电控制AGC；单片机；有功功率；负荷变化目 录第1章 绪论11.1 自动发电控制概述11.2 本文主要内容2第2章 机组并联运行有功功率分配计算32.1 机组有功功率频率控制及自动发电的基本原理32.1.1 机组有功功率频率控制32.1.2 自动发电的基本原理42.2 单台机组有功控制的基本方法52.3 负荷变化时的功率分配计算6第3章 自动发电系统硬件设计83.1 自动发电系统功能83.2 自动发电总体设计方案83.3 单片机最小系统设计93.3.1 CPU的选择93.3.2 时钟电路设计103.3.3 复位电路设计103.3.4 单片机最小系统113.4 输入输出接口设计12第4章 自动发电系统软件设计134.1 软件实现功能综述134.2 流程图设计134.2.1 主程序流程图设计134.3 程序清单14第5章 课程设计总结16参考文献17I第1章 绪论1.1 自动发电控制概述电力系统调度自动化系统中，自动发电控制AGC是互联电力系统运行中一个基本的和重要的计算机实时控制功能。其目的是使系统出力和系统负荷相适应，保持频率额定和通过联络线的交换功率等于计划值，并尽可能实现机组（电厂）间负荷的经济分配。具体地说，自动发电控制有四个基本的目标：首先是使全系统的发电出力和负荷功率相匹配；其次是将电力系统的频率偏差调节到零，保持系统频率为额定值；然后是控制区域间联络线的交换功率与计划值相等，实现各区域内有功功率平衡；最后是在区域内各发电厂间进行负荷的经济分配。第一个目标与所有发电机的调速器有关。第二和第三个目标与频率的二次调整有关，也称为负荷频率控制LFC。通常所说的AGC是指三项目标，包括第四项目标往往称为AGC/EDC（经济调度控制）。自动发电控制是并网发电厂提供的有偿辅助服务之一，发电机组在规定的出力调整范围内，跟踪电力调度交易机构下发的指令，按照一定调节速率实时调整发电出力，以满足电力系统频率和联络线功率控制要求的服务。或者说,自动发电控制(AGC)对电网部分机组出力进行二次调整,以满足控制目标要求;其基本功能为:负荷频率控制(LFC)，经济调度控制(EDC)，备用容量监视(RM)，AGC性能监视(AGC PM)，联络线偏差控制(TBC)等;以达到其基本的目标:保证发电出力与负荷平衡，保证系统频率为额定值，使净区域联络线潮流与计划相等，最小区域化运行成本。自动发电控制着重解决电力系统在运行中的频率调节和负荷分配问题，以及与相邻电力系统间按计划进行功率交换。电力系统的供电频率是系统正常运行的主要参数之一。系统电源的总输出功率与包括电力负荷在内的功率消耗相平衡时，供电频率保持恒定;若总输出功率与总功率消耗之间失去平衡时,频率就发生波动,严重时会出现频率崩溃。电力系统的负荷是不断变化的，这种变化有时会引起系统功率不平衡，导致频率波动。要保证电能的质量，就必须对电力系统频率进行监视和调整。当频率偏离额定值后，调节发电机的出力以使电力系统的有功功率达到新的平衡，从而使频率能维持在允许范围之内。所以，自动发电控制是通过对供电频率的监测、调整实现的。1.2 本文主要内容自动发电控制是由自动装置和计算机程序对频率和有功功率进行二次调整实现的。所需的信息（如频率，发电机的实发功率，联络线的交换功率等）通过SCADA系统经过上行通道传送到调度控制中心。再根据AGC的计算机软件功能形成对各发电厂（或发电机）的AGC命令，通过下行通道传送到各调频发电厂（或发电机）。自动发电控制是一个闭环反馈控制系统，主要包括两大部分，第一部分负荷分配器。根据系统频率和其他有关的信号，按照一定的调节准则确定机组设定的有功出力。第二部分机组控制器。根据负荷分配器设定的有功出力，使机组在额定频率下的实发功率与设定有功出力相一致。自动发电控制着重解决电力系统在运行中的频率调节和负荷匹配问题，以及 与相邻电力系统间按计划进行功率交换。因此本次课程设计主要针对发电厂机组自动发电控制系统进行设计。首先对机组的有功功率频率特性进行系统的研究，阐述自动发电控制的基本原理、功能与实现方法。最后，采用单片机，设计某台机组的自动发电控制系统，实现机组功率的合理分配。 第2章 机组并联运行有功功率分配计算2.1 机组有功功率频率控制及自动发电的基本原理2.1.1 机组有功功率频率控制频率是衡量电能质量的重要指标，频率质量的下降不仅影响用户的用电质量， 同时对电力系统本身影响也很大，严重时可造成系统崩溃。为保证用户和电厂的 正常运行和安全，我们需要进行频率调整与控制，使得系统的频率波动不超过 0.2HZ。根据符合变动的不同特点，可将调整划归为一次调节和二次调节及互联系 统的频率调节。在这里着重分析前两种调整的原理和方法。电力系统频率的一次调节是指利用系统固有的负荷频率特性，以及发电机的 调速器作用，来阻止系统频率偏离标准的调节方式。其原理如下：当电力系统中原动机功率或负荷功率发生变化时，必然引 起电力系统频率的变化，此时，存储在系统负荷的电磁场和旋转质量（如电动机、 照明镇流器等）中的能量会发生变化，以阻止系统频率的变化，即当系统频率下 降时，系统负荷减少；当系统频率上升时，系统负荷会增加。这称为系统负荷的 惯性作用，它用负荷的频率调节效应系数（又称为系统负荷阻尼常数）D 来表示，如公式1-1.系统负荷阻尼常数 D 常用标幺值来表示，其典型值为 12。D=2 意味着 1%的 频率变化会引起系统负荷2%的变化。 D=Pf (2-1)其作用：当电力系统频率发生变化时，系统中所有的发电机转速即发生 变化，如转速的变化超出发电机组规定的不灵敏去，该发电机的调速器就会动作， 改变其原动机的阀门位置，调整原动机的功率，以求改善原动机功率或负荷功率 的不平衡状况，即当系统频率下降时，发电机的蒸汽阀门或进水阀门的开度就会 增大，增加原动机的功率；当系统频率上升时，发电机的蒸汽阀门或进水阀门的 开度就减少，减少原动机的功率。发电机调速器的这种特性称为机组的调差特性， 它用调差率R 来表示：R=NO-NNR (2-2)式中，NO表示无载静态转速； N表示满载静态转速； NR表示额定转速。其特点：第一，响应速度快，一般在在10s；第二，作用时间短暂，一般 在0.5 到2 分钟不等；第三，一次调节是有差调节，所有机组的调整只与一个变 量有关，机组之间互相影响小，但无法实现无差调整。 电力系统的二次调节：由于发电机组一次调节实行的是频率有差调节，因此， 早期的频率二次调节，是通过控制调速系统的同步电机，改变发电机组的调差特 性曲线的位置，实现频率的无差调整。但未实现对火力发电机组的燃烧系统的控 制，为使原动机的功率与负荷功率保持平衡，需要依靠人工调整原动机功率的基 准值，达到改变原动机功率的目的。随着科学技术的进步，火力发电机组普遍采 用了协调的控制系统，由自动控制来 代替人工进行此类操作。在现代化电力系统 中，各控制区则采用集中的计算机控制。这就是电力系统频率的二次调节，即自 动发电控制。保证输电系统的频率对于单个用户和发电厂都有重要的意义。电力 系统的稳定和安全需要频率的一次调整和二次调整。一次调整靠调速器完成。二 次调整由系统中的调频机组实现，通过调频器控制。既可为有差调节，也可以做 到无差调节。选择的调频厂有主调频厂和辅助调频厂之分并且满足：第一，具有 足够的容量。第二，具有较快的调整速度。第三，调整范围内的经济性好。2.1.2 自动发电的基本原理图2.1 自动发电控制示意图对于具有多个联络点和发电机组的实际电力系统，则AGC 将变为包含许多并联发电机组控制回路的形式，如图2.1 所示。其内部控制回路和外部控制回路的基本结构并未改变。G1、G2、G3 为发电机组；AGC 称为区域内控制误差，用来根据系统频率偏差以及输电线路功率偏差来确定控制信号；负荷分配器根据输入的控制信号大小并且根据等微增率准则或其他原则来控制各台发电机输出功率的大小。自动发电控制系统中的负荷分配器是根据测得的发电机实时出力和频率偏差等信号按一定的准则分配各机组应调的有功出力。决定各机组设定功率Psi最简单的办法是Psi=aijPGj-Bf (2-3)式中，B是频率偏差系数； ai是分配系数，ai=1。所以，系统机组总的设定功率为iPsi=iaijPGj-Bf=jPGj-Bf (2-4) 也就是说，系统机组总的设定功率取决于系统机组总的实发功率即系统的频率偏差。偏差越大，设定功率的变动就越大。当频率偏差趋近于零时，系统机组总的设定功率就与实发功率相等。至于分配到每台机组的设定值则由分配系数ai决定。2.2 单台机组有功控制的基本方法最简单的 AGC 系统的结构如图 2.2 所示，它是具有一台发电机组和联络的 AGC 系统。K(S)机组调速器N(S)输电线路Bf图2.2 单台发电机组的AGC系统图中Pzd为输电线路功率的整定值；fzd为系统频率整定值；P为触电线路功 率的实际值；f为系统频率的实际值；Bf为频率修正系数；K(S)为外部控制回路， 用来根据电力系统频率偏差和输电线路上的功率偏差来确定输出控制信号；Pc为系统要求调整的控制信号功率；N(S)为内部控制回路，用来控制调整调速器阀门开度，以达到所需要的输出功率。2.3 负荷变化时的功率分配计算（1）发电厂有三机组，一号机组功率150MW，二号机组功率100MW，三号机组功率为200MW，功率因数均为0.9。 （2）有功功率调差系数为0.05。 （3）负荷频率调节效应系数（有功功率）为1.75。 （4）各发电机均以75%负荷运行。系统负荷增加时，经过频率的一次调整，频率由fe降为fl，由发电机组的静态调节方程*PG*+f*=0 (2-5)因此可得出 P1*P2*=2*1* (2-6)表明并列运行的发电机组之间的功率分配与调差系数成发比关系（标幺值），与单位调节功率成正比。实际并列运行的发电机组的调速器均为有差调节，由其共同承担负荷的波动。假设系统由n台机组运行，则连理调节方程式：（1）有名值 iPGi+f=0（i=1,2,3,n） (2-7) PG=i=1nPGi=-fi=1n1i (2-8)按照调差系数的定义，可定义等效发电机组的调差系数为：G=-fPG=1i=1n1i (2-9)等效发电机组的单位调节功率为：KG=1G=i=1nKGi (2-10)这样系统的三台发电机组同样可以当做单独一台发电机对待，满足调节公式。同时，考虑负荷调节效应后，全系统负荷的的变化量为：PL=-KGf (2-11)系统的调节功率： KS=PLf (2-12)(2)标幺值：等效发电机组的单位调节功率： KG*=PG*f* (2-13)系统单位调节功率： KS*=PL*f* (2-14)根据任务书所给参数进行计算：P=150W+100W+200W=450W等效发电机的单位调节功率为：KG=4500.05*50=180(MW/Hz)假设系统的额定负荷为500MW的调节效应系数为： KL=500*1.7550=17.5(MW/Hz)当负荷增加200MW时，频率变化量为： f=-200150+17.5=-1.19(Hz) 系统频率为： f=50-1.19=48.81(Hz)等效发电机组发出的功率增加量为：PG=1.18*150=177(MW)系统的实际负荷为：PL=500+177=677(MW)第3章 自动发电系统硬件设计3.1 自动发电系统功能自动发电控制（AGC）就是通过监视电厂出力和系统负荷之间的差异，来控制 调频机组的出力，以满足不断变化的用户电力需要，达到电能的发供平衡，并且使整个系统处于经济的运行状态。在联合电力系统中，AGC是以区域系统为单位。 AGC 能实现机组出力的自动调节，是电力调度EMS 系统中最重要的控制功能。在 正常的系统运行状态下，AGC 的基本功能是：（1） 使发电机组自动跟踪电力系统负荷变化； （2） 响应负荷和发电的随机变化，维持电力系统频率为额定值（50Hz）； （3） 在各区域间分配系统发电功率，维持区域间净交换功率为计划值； （4） 对周期性的负荷变化按发电计划调整发电功率； （5） 监视和调整备用容量，满足电力系统安全要求。3.2 自动发电总体设计方案D/AAGC发电机组A/DSCADA实时信息复位电路时钟电路AT89C51图3.1 自动发电控制图自动发电控制系统是建立在SCADA 系统之上，且与网络分析等应用软件有着密切关系的独立的控制系统。为实现完整的自动发电控制系统，需要建立一套与 之相适应的数据库管理系统来实现其各种功能。自动发电控制系统的数据库是能量管理级应用软件的共用数据库。它包括实时发电控制、机组发电计划、机组组合、联络线交易计划、燃料计划、检修计划等。当SCADA 传来负荷改变的实时信息时，经过A/D 转换器，将信号传给单片机 89C51。然后单片机 89C51经过程序，将信号经过 D/A 转换器传给AGC，最后通过AGC 区域控制模块，将区域控制设定功率与区域当前的发电功率相比较，按照AGC 程序设定的控制参数，重新分配各电厂控制器的目标功率。3.3 单片机最小系统设计3.3.1 CPU的选择89C51单片机包含中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。89C51引脚图如图3.2所示。图3.2 89C51引脚图中央处理器（CPU）：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器RAM：数据存储器分为内、外两部分，98C51内部有128B RAM，地址为00H-7FH；片外最多可扩展64KB RAM。内部的128B RAM其应用最为灵活，可用于暂存运算结果及标志位。按用途分为三个区域：工作寄存器区、位寻址区和用户RAM区。程序存储器ROM：89C51内部有4KB Flash ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。片外最多可扩展64 KB ROM。定时/计数器：89C51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：89C51共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。中断系统：89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。3.3.2 时钟电路设计时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。时钟信号可以有两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，原理图如图3.3所示，在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体或陶瓷振荡器，就构成了稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部时钟发生器。图3.3 时钟电路原理图时钟电路由一个晶体振荡器12MHZ和两个33pF 的瓷片电容组成。时钟电路产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各信号之间的相互关系。3.3.3 复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此复位电路对单片机是非常重要的。单片机的复位都是靠外部的复位电路来实现复位的，当时钟电路工作后，在单片机的RESET引脚上出现两个机器周期以上的高电平，就可以使单片机复位。为了保证单片机可靠的复位，实际设计电路时，一般使RESET引脚保持10ms以上的高电平。本设计采用按键式复位电路，原理图如图3.4所示。本设计采用的12MHz晶振，所以一个机器周期就是1us，要复位就加2us的高电平。图中的RC常数是1.5K22uF=33ms，这个常数足够可以使单片机可靠复位。图3.4 复位电路原理图3.3.4 单片机最小系统单片机最小系统如图3.5所示。图3.5 单片机最小系统图3.4 输入输出接口设计输入输出接口即在单片机最小系统上进行添加，P0.0口接SCADA，P1.0口、P1.1口以及P1.2口接AGC。SCADA实时监测发电机组的运行状态，不断地向单片机89C51发送信号，当发电机组运行状态改变时，SCADA 发送改变信号，单片机接受信号并且辨别信号的内容，经过程序辨别后向AGC发出执行指令类别信号。再由AGC向发电机组发送改变运行状态的指令。第4章 自动发电系统软件设计4.1 软件实现功能综述当发电机组1 的负荷改变时，SCADA经过A/D向单片机89C51发一个信号， 89C51经过程序然后通过P1.0通道经过D/A向AGC发送执行指令，AGC再向发电机组发送执行指令。当发电机组2的负荷改变时，SCADA 经过A/D向单片机89C51发一个信号，单片机通过P1.1向AGC发执行指令，AGC在向发电机组发出调节的指令。同理，在发电机组3的负荷改变时SCADA 向单片机发信号，单片机经过P1.2 向AGC发送信号，AGC向发电机组调节指令。4.2 流程图设计4.2.1 主程序流程图设计程序流程图如图4.1所示。频率检测开始初始化频率改变？发电机组结束. N Y Y指令图4.1 主程序流程图当单片机接受到频率信号时，通过程序先识别频率是否改变，如果频率没有 改变，说明发电机组中的负荷没有发生改变。如果频率发生了改变，程序再继续识别是否是发电机组1负荷发生了改变，如果是，则执行指令1改变发电机组1的运行状态，如果不是发电机组1，则在继续识别。如果是发电机组2负荷发生了改变，则执行指令2改变发电机组2的运行状态。如果也不是发电机组2，则判断是否发电机组3的负荷发生了改变，如果是则执行指令3来改变发电机组3的运行状态。如果也不是发电机组3负荷发生了改变，则程序结束。4.3 程序清单ORG 0000H SJMP MAIN； ORG 0030H START：MOV SP，#60H； MOV TMOD，#10H； MOV TL1，#00H；MOV TH1，#4BH； MOV R0，#00H； MOV R1，#20H； SETB TR1； SETB EA； LCALL L_DELAY； SJMP $ INT_T1； PUSH ACC ；PUSH PSW ；PUSH DPL ；PUSH DPH ； CLR TR1 ；MOV TL1，#00H ；MOV TH1，#48H ；SETB TR1 ；MAIN：MOV TMOD，#21H； SETB TR0； SETB TR1 ；MOV R7，#8； MOV R6，#8； MOV R5，#4 ；MOV A，#00H ；LOOP： MOV P1，A； RL A ；INC A ；ACALL MAIN0；DJNZ R7，LOOP；MAIN1：MOV A，#0FFH ；MOV P1，A； RR A