发电厂侧自动电压控制系统的原理及应用.pdf

第 3 2卷 第 9期 2 0 1 0年 9月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 3 2 No 9 S e p 2 01 0 发 电厂侧 自动 电压控 制 系统 的原理及应用 刘铁成 ( 内蒙古华电包头发电有限公司， 内蒙古 包头0 1 4 0 1 3 ) 摘要： 发电厂侧自动电压控制系统( A V C) 子站通过远动装置接收内蒙古调度中心 自动电压控制系统( A V C) 主站下发 的电厂侧 5 0 0k V母线指令。中控单元在充分考虑各种约束条件后 ， 计算出对应的控制脉冲宽度， 以通讯方式下发至自 动电压控制系统( A V C) 执行终端 ， 由执行终端输出增减磁信号至分散控制系统( D C S ) ， 分散控制系统( D C S ) 给出指令至 励磁系统， 调节机组无功功率。发电机无功出力与机端电压受其励磁电流的影响， 当励磁电流发生改变时， 发电机的无 功出力与机端电压也随之增减， 并通过机端变压器进一步影响到母线电压的高低， 励磁电流的增减可通过改变励磁调节 器( A V R) 给定值实现。 关键词： 自动电压控制系统( A V C ) ； 分散控制系统( D C S ) ； 励磁系统 中图分类号 ： T M 7 6 1 文献标志码 ： A 文章 编号 ： 1 6 7 41 9 5 1 ( 2 0 1 0 ) 0 9 0 0 1 9 0 6 1 自动 电压控制及无功优化概 况 近年来 ， 随着电力 系统 向大机组、 大电 网、 高 电 压和远距离输电的发展 ， 电力系统安全运行产生 了 一 些新 问题 ， 电压崩溃恶性事故就是其 中之一。电 力系统对电网中的电源品质要求越来越高 ， 对 电力 的频率 、 电压等波动要求也就越来越严格 ， 因此 ， 电 压稳定性的调控具有更重要的意义 。其中 ， 电网的 自动电压 控制及无 功优化 A V C( A u t o m a t i c V o l t a g e C o n t r o 1 ) 就是电力生产中提高电能质量 、 降低 网损的 重 要手 段 。 2 0 0 9年初 ， 内蒙古华 电包头发 电有 限公 司 ( 以 下简称包头发 电公 司) 1 、 2 6 0 0 MW 发 电机组 自 动电压 控 制 系统 进 行 了安 装 调试 。该 系 统采 用 Y C 2 0 0 8一A V C无 功电压 自动调控 系统 ， A V C子站 总体配置为 ： 1 套 中控单元和 2套执行终端 ， 中控单 元为 A， B双机冗余 配置 ， 互为备用 ， 中控单元与执 行终端共组一面屏 ， 布置在机组电子问内。 包头发电公 司 6 0 0 Mw 发 电机组 由哈尔滨 电机 厂生产， 型号为 Q F S N一6 0 02 Y HG， 机组热工控制 采用上海福克斯波罗有限公司生产的分散控制系统 ( D C S ) ， 发电机励磁调节器采用美 国 G E公 司生产 的 E X 2 1 0 0系列双通道微机励磁 调节器 ， 虽然有对 外数据接 口， 但在 A V C功能上没有应用的先例 。与 厂方技术人员共同研究后 ， 确定其控制原则为 ： 发电 厂侧 A V C子站通过远动装置接收内蒙古 电力调度 中心 A V C主站系统下达 的华 电包 头发电有 限公 司 5 0 0 k V母线 电压指令 ， 监测 5 0 0 k V母线电压 。充分 考虑联变 的无功潮流和各种约束条件后 ， 经过分析 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 41 8 计算 ， 估测 出全厂总无功 出力需求 ， 再合理分配给各 台机组 ， 最后发送指令给各台机执行终端 ， 由执行终 端发出增 、 减磁信号至 D C S ， 再 由 D C S给出指令至 励磁系统 ， 以改变励磁调节器 电压给定值。励磁系 统根据新的电压给定值调节 机组无功 ， 从而达到并 维持调度给定的母线 电压 目标 。 2 A V C的基本原理和工作方式 2 1 A V C电压无功 自动调控的基本原理 发 电机无功出力与机端电压受其励磁 电流的影 响 ， 当励磁电流发生改变时， 发电机的无功出力与机 端电压也随之增减 ， 并通过 主变压器进一步影 响到 母线 电压 。励磁电流的增减则可通过改变励磁调节 器 A V R( A u t o ma t i c V o l t a g e R e g u l a t o r ) 的电压给定值 来实现。 基本原理是 ： 发 电侧远程接收主站端 A V C控制 指令， 通过动态调节励磁调节器的电压给定值， 改变 发电机励磁电流来实现 电压无功 自动调控 ， 如图 1 所示 母线 图 1 电压无功 自动调控基本原理 2 2 发 电厂 A V C电压无 功 自动调控 的 控制 方式 ( 1 ) 遥调方 式。实 时接 受 主站下 发 的发 电厂 A V C装置投退指令和运行 电压设定值 ， 与内蒙古 电 力调度中心主站系统闭环运行。 ( 2 ) 当地 方式。发 电厂 A V C装 置运行在 当地 控制方式 ， 根据 预置或指定 的接入 系统母线 ( 或单 元制接线机组主变压器高端) 电压设定 曲线或电压 2 0 华 电 技 术 第 3 2卷 设定值 ， 离线 实现发 电机组 的无功 电压 优化控制。 发电厂 A V C装置 的当前状态信息实 时上传 至内蒙 古电力调度中心主站端 。 3 A V C电压无功 自动调控的系统构成 5 1 系统拓扑( 无功 ) A V C主站直接控制到单台机组 ， 指令为每台受 控机组的无功 目标 。发电侧接 收 A V C主站无功指 令 ， 跟踪调控励磁调节器电压给定值。A V C主站电 厂侧子站控制模拟图如图2所示 。 系统构成： 上位机 ， 1台 系统节点 ， 安装于集控 室； 下位机 ， 1台 机组 ， 组屏后安装于保护控制机房。 ( 1 ) 上位机 。通过远动通道与设 于内蒙古电力 调度中心的主站通信， 上传实时信息( 遥信) ， 接收 控制指令( 遥控 、 遥调 ) ， 实时计算节点总 目标无功 ， 优化分配各机组无功出力 ， 与多台下位机 间实现闭 环运行 。也可根据预置的高压侧母线电压曲线或手 工设定值 ， 离线完成电厂端无功电压的优化控制。 ( 2 ) 下位机。接 收上位机下传 的控制指令 ， 通 ； 过调节发电机励磁 电流 ， 实现发电机的无功 出力优 化控制 。 4 A V C电压无功自动调控的主要功能和特点 4 1 主要功能 发电厂侧 自动电压控制装置 ( A V C) 是 电网无 功电压控制系统 的前置部分 ， 主要任务是根据机组 的运行情况及机组 自身的条件 ， 在确保机组安全稳定 运行的前提下， 通过对电厂中相应机组励磁电流的调 整实现对所下达电压控制 目标的 自动跟踪。 4 2 A V C子站系统特点 ( 1 ) 发挥机组的无功调控功能 ， 改善受控点 电 压质量 。 ( 2 ) 实现无功 、 电压的平滑调节 ， 避免电容补偿 局限。 ( 3 ) 多种控制模式 ， 控制手段灵活方便。 ( 4 ) 系统硬件采用工业级的标准单元 ， 可靠性高。 ( 5 ) 软件开发采用模块化、 多进程结构， 易升级。 5 A V C子站的实现方案 在电厂每台机组加装 1台电压无功 自动调控装 置 ， 与内蒙古电力调度 中心共 同组成 A V C系统 ， 以 主站 一子站星形网络方式运行 ， 主站和子站系统之 问通过现有数据采集系统及数据通信网互联并完成 信息交换。内蒙古 电力调度 中心 A V C主站根据系 统 电压及无功分布 ， 实时计算各受控 机组 的无功 出 力 ， 通过远动下行通道将无功或电压指令下发到 电 厂侧数据处理平 台， 处理平 台将接收到的无功或 电 压指令转发到各机组 。机组的无功 自动调控装置以 下达的无功指令作为 目标值 ， 以机组 的实时数据和 状态信号作为参考量， 动态调节 A V R给定值， 从而 实现对 目标指令的 自动跟踪和控制。 励磁系统 图 2 A V C主站电厂侧 子站控制模拟图 5 2 系统拓扑( 电压与无功) A V C主站控制电厂， 指令为电厂的高压母线 电 压或全厂总无功 目标。发电侧接收 A V C主站指令 ， 由上位机根据 母线 电压 目标估测 出全厂总无功 目 标 ， 再 自行分配到厂 内各受控机组 。A V C主站与电 厂侧子站调节受控机组网络连接如图 3所示 。 图 3 A V C主站与电厂侧子站调节受控机组 网络连接 第 9期 刘铁成 ： 发 电厂侧 自动电压控制 系统的原理及应用 2 1 5 3 设备功能与联结 通讯数据处理平 台 ( 或上位 机) 作 为发 电侧主 控单元 ， 兼有通讯 、 数据库 、 计算分配 、 人机界面、 参 数编辑 、 运行状态监视 等功能 ， 一般 布置在远 动机 房 ， 通过通讯 电缆与 R T U联结 ， 每个电厂配置 1套。 调控装置( 或下位 机 ) ： 各机组 A V C控制 的数 据采集及控制信号输 出， 一般 配置在保护小室或励 磁调节器附近， 通过通讯 电缆与上位机联结 ， 每台机 组配置 1台。下位机与励磁调节器 间通过控制 电缆 联结 ， 控制信号经 电缆输入调节器。下位机与 D C S 间通过控制电缆联结， 状态信号可经电缆送至 D C S 供运行监视， D C S也可通过 电缆进行装置 的投切操 作。下位机与 R T U间通过控制电缆联结 ， 状态信号 可送至 R T U， 并通过通讯方式将装置的状态发送至 内蒙古 电力调度 中心 A V C主站。 5 4信号采集输入 不直接采集信号 ， 使用远动终端设备 ， 通过通讯 方式接收 R T U采集 的模拟量 与状态量 。无需硬件 设备 ， 无变送器安装和维护工作量。 与主站数据完全相同 ， 无任何差异 。刷新 速度 慢 ， 可靠性受 R T U影响。R T U信号采集方式 ( 包括 定义 ) 改变后需做相应参数修改 ， 可能 出现 因数据 错误导致误调节的情况。使用独立的输入系统， 信 号采集不通过现有设备。需增加硬件设备 ， 与主站 数据存在差异 ， 刷新速度快 ， 可有效提高调控速度和 调控精度。 5 5估测全厂总无功功率 X =( U 。 一U ) ( EQ 。 U 。 一E Q U l a s ) ， EQ =( U 。 一U 。 )U t a r g e t X+ E Q U ta r g e t U ， 式 中： EQ 为 总无功 目标 ； EQ 为上 次 总无功 ； EQ 。 为当前总无功 ； U 为母线电压 目标 ； U 1 为上 次母线 电压 ； U 为当前母线电压 。 因估测时做 了简化与假设 ， 计算结果受运行方 式及母线变化情况影响且具有一定时效性 。若母线 电压发生小幅波动， 却无法准确估测出总无功功率 时 ， 因无功的变化趋势与母线 电压总是相同 ， 可采用 小幅调节 、 逐次逼近的方式来实现跟踪 。 5 6各机组无功分配 机组无功分配时， 应保证各机组机端电压在安 全极限内， 同时尽 可能 同步变化 ， 保持相 似的调控 裕度 。 等功率因数法： 各台机组在无功功率 的上 、 下极 限范围内按照功率因数相同的原则进行分配 ， 分配量 与有功出力相关性大。达到极限后不再参与调节。 等偏移量法 ： 各台机组在无功功率的上 、 下极 限 范围内按照偏移量相 同的原则进行分配 ， 在各 自的 可调范围内总是具有相 同额度 ( 百分 比) 的调控容 量 ， 分配量与有功出力相关性小 ， 基本上可同时达到 上 、 下 限 。 5 7 控制信号输 出 分别使用增磁 、 减磁 2路信号来增加 、 减少发电 机无功出力 。信号类型为无源节点开关 量， 触点闭 合时间根据无功调控量 的大小变化。无功 目标与实 时值偏差大时， 触点 闭合时间长 ， 无功变化快 ； 偏差 小时闭合时间短 ， 无功变化慢。控制信号可直接接 入励磁调节器手操控制 回路。对 于使用 D C S画面 软操作 的机组 ， A V C控制信号也可通过 D C S转接。 5 8励磁调节器给定值设定 虽然 A V R给定值可以影响到发 电机 的机端 电 压和无功出力 ， 并且 3者具有相同的变化趋势 ， 但 由 于受励磁系统 、 发电机性能差异及运行方式变化的 影响 ， 它们之间并没有非常明确的量化关系 ， 各机组 差别较大。因此 ， 要建立 A V R电压给定值与机组无 功出力 的精确计算模型比较困难。 采用渐次逼近 的方案 ， 动态改变 电压 给定值的 调节幅度 ， 最终 达到并维持 目标值。使用 自学习过 程 ， 根据 以前的调控结果 ， 动态修正输 出信号的触点 闭合时间。优化调节宽度如图4所示 。 图 4优化调节宽度 5 9 抗 扰动 闭锁 在故障或受到扰动的情况下 ， 母线电压和无功 出力可能会出现波动。为防止对系统和机组造成干 扰 ， 装置应及时闭锁控制出 口， 由机组 A V R根据 自 身逻辑反应 ， 避免 出现误调节 、 频繁调节、 振荡调节 及其他非理性调节 的情况。 5 1 0 安 全限 制 阀 首先满足发电机、 主变压器 、 厂用电及系统的安 全稳定运行要求 ， 综合考虑机组无功调节响应速度、 滞相与进相运行能力。装置应在机组具有一定的有 功出力、 运行平稳的情况下投运。 分别设置无功功率 、 定子 电流 、 机端 电压、 高压 母线电压上 下 限制 ， 超过上 下限后不允许进一步 调 节 。 限制值 的计算整定除考虑系统及主设备 的安全 2 2 华 电技 术 第 3 2卷 极限外 ， 还需注意与 A V R过励 、 低励 、 V F等限制以 及过激磁 、 低励等保护的配合。 5 。 1 1 无功上、 下限选取 无功上限取额定值 ， 无功下限取进相试验结果 或功率因数上 限( 一般取 0 9 8 ) 。机组进相 限额 曲 线如图 5所示。 嚣 林 图 5机 组进相 限额 曲线 5 1 2 兼容性 电厂使用的励磁调节器种类繁多 ， 型号各异 ， 为 保持最大 的兼容性 ， 尽可能使各电厂现有设备无需 做大的改动便可以实现无功电压 自动调控。软件需 设计灵活的控制模型和设置参数 ， 硬件上则采用可 拼装的模块化设计 ， 以适应不同发电厂、 不 同发 电机 和不 同励磁调节器的实际运行需要 ； 同时， 还应与现 有系统相对独立 ， 不产生相互干扰或影响， 不影响发 电机组 的稳定运行。 5 1 3 通讯故障时的应对措施 通讯故障通常表现在主站与 电厂间、 R T U与数 据处理平台( 或上位机 ) 问以及平台与调控装置( 或 上位机与下位机) 问。 因电压无功 自动调控属于二次 、 三次调节 ， 为相 对较慢变化过程 ， 因此 ， 与 A V C主站 的短时间通讯 中断是可以接受的， 可以控制在几分钟甚 至十几分 钟后才闭锁出口， 也可以选择 中断后维持预先设定 的母线电压 曲线的方式 。 与 R T U通讯 中断会造成实时数据采样错误并 导致误调节 ， 因此， 应在 尽可能短 的时 间内 ( 数 秒 钟， 不超过 1 m i n ) 闭锁出口并给出告警信号， 提醒运 行人员切换到人工就地控制。 上位机与下位机通讯中断后， 导致控制信号不 能输 出， 但不会造成误调节 ， 因此 ， 只要能及时做 出 反应即可( 上位机 、 下位机分别发告警信号) 。 5 1 4容错机制 对主站无功指令应具备容错机制 。指令错误通 常包括调节过于频繁 、 过于剧烈及超 出安全稳定极 限， 对错误的指令应能识别并拒绝执行 。 为 防止控制出 口继 电器触点粘死 ， 导致信号输 出后不能及时返回， 使用 3副继电器串联 的方式 ， 有 效降低故障概率 。 为防止程序走飞， 使用实时看门狗， 可在 1 S 内 监测到软件故障并断开所有出口， 同时重启装置。 为防止过于频繁的调节 ， 设置调节死区， 在死区 内装置不做调控 。运行经验表 明， 各机组无功死 区 设置为 3 MV A时 ， 比较死区为 1 MV A时， 调控 次数可降低到 1 0 以下。 6 包 头发 电公 司 A V C子站的应用过程 6 1 电厂侧设备参数及原始资料收集 ( 1 ) 发 电厂的一次接线 图。 ( 2 ) 调度下达的全年 电压 曲线数据 ， 见表 1 。 表 1 调度下达的全年 电压 曲线数据 k V ( 3 ) 全厂各台发 电机参数 ： 额定 电压 ， 2 0 k V； 额 定电流 ， 1 9 2 4 5 A； 额定 功 率 ， 6 0 0 MW； 功 率 因数 ， 0 9 ； 同步电抗 X d ， 2 1 6 Q； 母线电压 ， 5 0 0k V； 机组容 量， 6 6 7 MV A。 进相参数值 ( 调度给出的进相 限额或进相试验 报告中的试验值 ) ； PQ曲线图 ( 发 电机厂家说 明 书中提供) ； 各机组 D C S有功调控速率 ， M W mi n ； 各 个机组的进相试验报告 。 ( 4 ) 全厂各 台主变压器参数 ： 主变压器分接头 位置( 变 比) ， 5 5 0 一22 5 2 0 ； 额 定电压 ， 5 0 0 k V； 额定电流 ， 7 5 6 A( 高压侧 ) ， 1 2 0 0 0 A( 低压侧 ) ； 额定阻抗 ， 1 4 ； 高压厂用变压器位置 ， 2 02 5 6 3 ； 低压厂用变压器位置， 6 3 0 4 。 ( 5 ) 全厂各 台励磁 调节 器参数 及设 定值。厂 家 ， 美国 G E公司 ； 型号 ， E X 2 1 0 0 。 全厂各 台励磁 调节器 和 A V C接 口； A V R 自动 信号： 是 否； A V C投切是否通过 D C S ； A V R控制的 给定改变形式u R E F ( 需要详细资料) ， 同时需 要了解是模拟量还是结点量进行控制 ； 增 、 减磁回路 是否有光电隔离 ； 增 、 减磁是否通过 D C S转发 ； A V R 的低励限制值 ； V F限制值： 1 0 5 P I1 。 ( 6 ) 通信。内蒙古 电力调度中心、 R T U、 监控 中 心 3者之间通信 ， 有以下内容 ： 1 ) 通 信规 约 ( 按 照什 么规 约 )： 监 控 中心与 R T U， 监控 中心与省调度 中心主站。 第 9期 刘铁成 ： 发 电厂侧 自动 电压控制 系统的原理及应用 2 3 2 ) 与内蒙古电力调度中心、 R T U之间的通信 线路采用光纤还是电缆。 3 ) 与主站约定 的调控精度及指令偏差 。 4 ) 电厂实时值 ( 定 子电压 、 母 线 电压 、 机组有 功、 机组无功) 的采集。 5 ) R T U转发机组数据至 A V C监控 中心 ， 需要 确定 R T U的点号 ， 要求 R T U要给与主站一致 的数 据到 A V C。 6 2 确定电厂侧子站与调度主站之间遥信量、 遥调量 ( 1 ) 遥信量。A V C主机 中控单元运行 、 A V C主 机本地控制模式、 A V C主机远方控制模式 、 A V C主 机执行终端投入 、 A V C备机 中控单元运行 、 A V C备 机本地控制模式 、 A V C备机远方 控制模式 、 A V C备 机执行终端投入 、 1机组 A V C投入返 回、 1机组 A V C闭环运 行 、 1机 组 A V C增 磁 闭锁 、 1机 组 A V C减磁 闭锁、 2机 组 A V C投入 返 回、 2机 组 A V C闭环运行 、 2机组 A V C增 磁 闭锁 、 2机组 A V C减磁闭锁 。 ( 2 ) 遥调量 。5 0 0 k V母线电压指令。 6 3 确定 A V C子站与机组 D C S开入、 开出点位 表 2当中给出了每 台机组的 A V C装置需要输 出到 D C S侧的点位 。表 3是需要 D C S反馈 回每 台 机组 A V C装 置的点位名称及 在 A V C屏 柜 内的端 子 号 。 6 4 添加机组 D C S控制界面及控制逻辑修改 6 4 1 控制界面 图 6是需要在机组 D C S控制画面上新增加 的 一 个关于 A V C子站 的界 面， 其 中上 一行为 控制按 钮 ， 控制每台机组 A V C装置的投入和切除 ， 下一行 是显示点 ， 用于显示 A V C装置的工作状况 。 6 4 2 逻辑改造 由于 A V C子站的建立需要在 D C S中增加一些 逻辑 ， 用 以控制 A V C装置的投入 、 切除以及 AV C装 置的增 减磁和运行人员手动增 减磁之 间的互锁 ， 逻辑修改说明如图 7所示。 6 4 2 1 A V C装置投入 当同时收到从 1机组 ( 2机组 ) 励磁系统过来 的“ A V R 自动信号” 和从 1机组 ( 2机组 ) A V C执 行终端送过来的“ A V C 自检正常信号” 时， 在 1机 组( 2机组 ) D C S操作界面点击“ A V C投入按钮” 才 能将装置投上 ； 若 A V R在手动状态或 A V C自检异 常 ， 则 D C S禁止 A V C投入 。 6 4 2 2 A V C装置切除 在任何情况下 点击 1机组 ( 2机组 ) D C S侧 的A V C 切 除按钮 ， 都能将 1机组 ( 2机组) 的A V C 表 2 A V C装置输出到 D C S的接线位置 表 3 D C S反馈 回 A V C装置的接线位置 图 6机 组 DC S控 制 AVC子 站 界 面 装置切除 ； 同时 ， 当 l机组 ( 2机组 ) D C S接收 的 “ A V R自 动信号” 和“ A V C自检正常” 2个信号中的 任何一个消失 时， 都 将会 自动切 除 1机组 ( 2机 组 ) 的 A V C装置。 6 4 2 3 增、 减磁互锁 当 1机组 ( 2机组 ) A V C装置投入后 ， 1机 组( 2机组 ) D C S操作界面的手动增 减磁将失去 调 控 作 用 ， 此 时 由 1 机 组 ( 2 机 组 ) A V C装 置 2 4 华 电技 术 第 3 2卷 来控制增 减磁 ， 只有当 1 机 组 ( 2机组 ) A V C装 置切除后才允许运行人员在 1 机组( 2机组 ) D C S 操作界面上增 减磁 。 二 ! 竺 垩 兰 卜 _ 一 投 入 互圃 A N D A V C 装置 H i ， 、 ， 士 口 。 胁 1 日 A VC投入返回 运行人员手动增磁 N 一 一 N 几 l 切 除 _ _ 1 A N D x r-g -3 H ,巫 运行人员手动减磁 7 运行情况及效果 该 自动电压控制 系统 于 2 0 0 8年 1 1月 2 7日与 调度 中心联调， 通过 近 1年 的运 行调试 ， 现运行 正 常。A V C子站达到了设计要求 ： 减少 了电网区域间 的无功窜动 ， 降低 了线损 ； 电压波动 幅度小 ， 电压合 格率达到 1 0 0 ； 将发 电厂母线 电压 的调整 由人工 监控改为 自动调控 ， 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 ， 保证了机组 安全运行并取得 了较好的经济效益 。 参考文献 ： 1 段献忠， 何仰赞， 陈德树