（电力系统及其自动化专业论文）电厂侧avc子站系统的研制.pdf

r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o f a v cs u b - s t a t i o ns y s t e mf o r p o w e rp l a n ts i d e a b s t r a c t t h ec o n t r o lo fr e a c t i v ev o l t a g ei sv e r yi m p o r t a n tf o ri m p r o v i n gs e c u r i t ya n d e c o n o m yo fp o w e rs y s t e m t h ec o n t r o lo fr e a c t i v ev o l t a g ef o rp o w e rp l a n ts i d ei s e s p e c i a l l ys i g n i f i c a n t f i r s t l yt h ep a p e rs u m m a r i z e st h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n t r o l m e t h o d so fr e a c t i v ev o l t a g eh o m ea n da b r o a d b yt h ed i s c u s s i o no ff a c ti np o w e r p l a n t ， t h ea r t i c l ef i x e so nt h em a i ns c h e m eo fa v cs u b - s t a t i o ns y s t e mf o rp o w e rp l a n ts i d e i nt h ef i e l do fc o n t r o ls t r a t e g y , t h ep a p e rc a l c u l a t e si m p e d a n c eo ft h es y s t e mb y s e l f - s t u d ym e t h o di nt h er e q u e s to fm a s t e rs t a t i o n a n dt h e nt h ep a p e re s t a b l i s h e d a u t o m a t i c f o l l o wm o d e lo fv o l t a g ec o n t r o lb yg r a d u a la p p r o x i m a t i o nm e t h o da n d r e s t r i c t i o n sf o rs a f e t yi nt h ep r o c e s so fa d j u s t i n g m e a n w h i l e ，t h ea r t i c l ea l s om a k e sa d e t a i l e dd i s c u s s i o no na d j u s t i n gi nt h es p e c i a lc o n d i t i o n s b a s e do nc o n f i g u r a t i o ns o r w a r e ，t h ep a p e rd e s i g n st h eu p p e rp cs y s t e mo fa v c s u b - s t a t i o ns y s t e mf o rp o w e rp l a n ts i d e i nu p p e rp cs y s t e m ，i ta c h i e v e sr e c e i v i n ga n d d i s p o s a lo ft h ei n s t r u c t i o n s ，r e a lt i m ed a t ad i s p o s a la n do p t i m u md i s t r i b u t i o no f r e a c t i v ep o w e r t h el a t e rp c so u t p u ti n s t r u c t i o n sa n da c h i e v et h ec o n t r o lo fr e a c t i v e v o l t a g ef o re a c hg e n e r a t o ri np o w e rp l a n t k e y w o r d s ：a v cs u b s t a t i o ns y s t e mf o rp o w e rp l a n ts i d e ，t h ec o n t r o lo fr e a c t i v e v o l t a g e ，t h et w i c ec o n t r o lo fv o l t a g e ，c o n f i g u r a t i o ns o r w a r e 插图清单 图1 1 直接给定设定值控制原理图4 图1 2h s v c 控制器原理示意图。5 图1 - 3p s v r 控制器原理图5 图2 1a v c 系统三级电压控模型10 图2 - 2a v c 子站系统方案1 5 图3 - 1a v c 子站原理图1 6 图3 2 发电厂等值电路图l7 图3 3p q 曲线图1 9 图4 1a v c 子站系统运行界面2 6 图4 2 系统参数设置界面2 6 图4 3 机组参数设置界面2 7 图4 4 开入开出试验界面2 8 图4 5 手动电压调试界面2 8 图4 - 6 机组实时监控界面。2 9 图4 7i e c10 4 规约结构图：3 0 图4 8 数据检测流程图3 4 图4 9 指令处理流程图3 5 图4 1 0 无功计算分配流程图3 6 图4 1 1 指令计算流程图3 7 图5 1 下位机总线结构图。3 9 图5 2 下位机网络拓扑图4 0 图5 3 上位机通讯流程图4 4 图5 - 4 下位机通讯主程序4 5 图5 5 下位机接收中断程序流程图4 5 图5 - 6 下位机发送完毕中断程序与定时器程序流程图4 6 图5 7 输出动作子程序与响应命令流程图4 6 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，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 金鲤王些太堂 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 并表示谢意。 学位论文作者签名： 舅归 签字日期们磷月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金8 墨王些态堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权尘 月曼王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名。多渺爻 签字日期：扩壮j 月6 e t 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师躲p 鸟 签字日期：d 扩年乞月舌日 电话： 邮编： 致谢 转瞬之间，三年的硕士学习生活即将结束。回顾三年来走过的路，自己无论 是在理论学习还是科研实践上都取得了不少进步。在此，我要感谢合肥工业大学 对我的培养，感谢老师们给我的指导，感谢同学朋友们给我的帮助。 首先要感谢的是我的导师孙鸣教授。无论是论文上还是科研工作中，孙老师 都对我悉心指导。孙老师严谨的治学态度，渊博的科学知识，勇于创新的科学精 神，平易近人的工作作风都让我受益匪浅，终生难忘。在此向孙老师表示衷心的 感谢和深深的敬意。 这次论文工作能够顺利完成，还要感谢课题组成员的愉快合作，尤其是王磊、 肖立、陈桂友、唐亮，赵月灵，余娟，张超等同学给予我的帮助和鼓励，在此深 表谢意。 在整个学习阶段，我的家人给予了我无微不至的关心照顾，在此对他们表示 诚挚的谢意和最深的感激! 在此特别感谢参加论文评审和答辩的各位专家学者，谢谢你们在百忙中抽出 宝贵的时间参加我的论文评审和答辩工作! 作者：吴兆文 2 0 0 7 年1 2 月 第一章绪论 电力系统中无功是保证电力系统电能质量，提高功率因数，降低网络损耗及 安全运行的必要因素。随着电力输变电系统的发展和运行要求的提高，对电网无 功要求也日益提高。无功的失衡将会使系统电压下降，严重的时候可能导致设备 的损坏。因此，保证系统无功平衡，实现无功控制和补偿是电网运行中的一项关 键技术。发电厂是电力系统中电压无功控制的一个重要环节，随着电力系统的快 速发展，电网的电压等级不断提高，同时新建发电厂的投产，使发电厂的密度不 断增大，系统内各发电厂之间的电气距离越来越小，使通过调节个别机组或个别 发电厂的无功出力来满足系统及地区电压水平变得十分困难，甚至使用单个发电 机组或单电厂已不能有效控制系统的电压。因此只有在中调的统一调度的前提 下，同时改变多台发电机组( 或多个发电厂) 的无功出力才能使系统及地区的电 压处在一个较好的水平。这种控制模式，在满足电网电压的要求下控制发电厂的 无功，则关键在于电厂内各机组的无功协调控制。 1 1 本课题的意义 从传统的无功电压控制来看，其方法主要是调度在主网确定适当数量的电压 控制点和监视点，根据无功分层分区平衡的原则，按季度核定下达电压曲线和各 地区基本考核力率：各发电厂和供电局有关人员根据调度下达的指标，进行电压 和力率的实时调控。这种模式实际上是一种静态电压曲线的开环控制模式。这种 无功电压控制模式总结起来有如下不足。 1 用静态的电压曲线( 按季度、和不同时段下达) 去控制日益复杂的动态的 潮流方式下的电压水平不够完善。随着电网电量输送的不断增大，特别是腰荷和 低谷的送网增大，发电的高峰、低谷和腰荷时段越来越不明显，静态下达的电压 曲线越来越不适应电网的实际潮流流动。 2 较难保证发电机组安全稳定水平所需的较好的电压水平。从电力系统稳定 理论上讲，在确保适应电力设备的绝缘水平和避免变压器过饱和等设备安全的前 提下，系统电压水平( 包括发电机机端母线电压水平) 越高对发电机组的稳定越 有利。采用静态的电压曲线往往是使厂站的电压控制都是在满足电压曲线的前提 下，贴近电压曲线的下限或在电压上下限的中间位置运行，较难保证发电机组安 全稳定水平所需的较好的电压水平。 3 无功和电压的就地分散控制不能满足保持系统足够的无功动态储备的要 求。理想的无功电压运行方式应该是这样的，即在某一较平稳的电压水平下，应 将系统的无功出力尽量转移到静态补偿设备上( 如电容器、电抗器) ，使得系统 中能够保持充足的动态无功储备( 发电机的可发无功) 。这样，在系统故障情况 下，就可以维持系统较好的电压水平，防止出现电压崩溃事故和同步稳定破坏。 但是传统的无功和电压的就地分散控制方式不能从全局角度协调无功分配，很难 达到上述的要求。 4 无功和电压的就地分散控制难以达到全网优化的目标。从数学解的角度 来说，就地控制方式难以达到全网最优。由于各厂站只关注自身母线电压，不能 从全局角度协调无功分配，常常导致电网种出现无功功率无谓搬运现象，造成不 必要的有功损耗，甚至经常出现无功环流现象。 5 传统无功电压控制在电厂侧，发电机之间无功协调需值班人员人工干预； 在供电局侧，变电站和区调值班人员也要根据电压变化来做出无功设备的方式调 整，电压控制调整的劳动强度大。 因此为保证大电网安全稳定运行和经济运行，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：l 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 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。3 在确保设备安全的 前提下，尽量逼近允许的电压上限运行，提高发电机组的稳定水平。4 正常方式 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。5 大机组无功出力分配必须满足 系统稳定要求，单机无功必须满足p - q 曲线，保证机组安全运行6 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。7 尽量减轻值班人 员的劳动强度。a v c 系统就是利用先进的计算机和通信技术，对电网的发电机无 功功率、并联补偿设备和变压器有载分接头进行自动调节，保证电网电压和无功 分布满足上述要求，本文所研究的电厂侧a v c 子站系统主要针对电厂机组的调 节，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。 i i 1 电压无功自动控制的国内外发展状况叫 理论上，无功分布可以达到最优，但在实际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， 2 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一状态估计( 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，此取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。 同频率调节概念相似，电压调节也可分为一次、二次和三次调节。电压的快 速无规则变化由发电机组无功功率“一次调节一进行补偿，这种一次调节要求快 速( 毫秒级) ，必须自动( 类似机组一次调频) ，主要由机组励磁调节器( a v r ) 实现。二次调节( s e c o n d a r yv o l t a g er e g u l a t i o n ) 是补偿电压的慢变化，控制 的是控制区域内“控制机组 所吸收和发出的无功功率，以使区域内电压合格， 其反应时间为卜5 m i n ( 类似二次调频即a g c ) 三次调节( t e r t i a r yv o l t a g e r e g u l a t o n ) 则是使系统电压和无功分布全面协调，控制电网在安全和经济准则 优化状态下运行，时间为1 5 分钟以上，( 类似三次调频，即经济调度) 。 现阶段的a v c 分级电压控制系统，从二级分布控制已经发展为三级分层控 制，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。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1 到多个中 枢母线和多台控制发电机。一级电压控制( p v c - - p r i m a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 利用 a v r 等调节装置将发电机母线电压闭环控制在设定值附近：二级电压控制 ( s v c - - s e c o n d a r yv o lt a g ec o n t r 0 1 ) 通过修改一级电压控制器的电压设定值改变 控制发电机的无功出力，从而对本区域的中枢母线电压进行闭环控制：三级电压 控制( t v c - - t e r t i a r yv 0 1 t a g e c o n t r 0 1 ) 以系统运行的经济性为目标，给出各个控 制区域的中枢母线电压设定值供二级电压控制使用。 在三级电压控制系统中利用二次规划目标函数来考虑更大范围内的无功电 压协调控制的方案( c s v p _ c o o r d i n a t e dr s e c o n d a r yv o l t a g ec o n t r 0 1 ) 在法国西 部电网得到了应用，并取得了比传统二级电压控制更理想的效果。与传统s v c 相 比，二者有如下区别： 1 ) c s v c 控制区域更大，一个c s v c 区域一般包含了多个s v c 区域，这有效 地降低了原有较小区域之间的强藕合所带来的影响。 2 ) s v c 一般通过固定的硬件控制器实现，一旦完成较难改变，而c s v c 通 过在控制中心运行的软件程序实现，修改灵活，更能适应电网的发展和变化。 本论文采用了三级电压控制方案，借鉴了协调二级电压控制的思想，由运行 在控制中心的主站系统和运行在电厂侧的子站系统组成，二者通过高速电力数据 网通信。本文着重介绍在电厂侧子站控制系统所做的研究工作和该系统的功能。 3 1 2 2 电厂侧电压无功控制几种典型方法【6 _ 7 l 电厂侧的电压无功控制主要是通过控制发电机的励磁系统来实现的，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 ) 电压给定值实现。基于对电厂励磁调节 器励磁电流的调节，国内外提出了一些控制方法，较为典型的有以下几种： 1 直接给定励磁调节器的定值。 根据电压曲线或运行经验给定励磁调节器的电压设定值，使机端电压维持在 设定值。通过单一的励磁调节装置，检测发电机的实际端电压与设定值偏差，将 此偏差信号输入发电机的励磁调节器，调节发电机的励磁电流，控制机端电压为 设定值。这种方法接线简单，操作方便，易行，投资小，但没有考虑机组间的协 调，不能把电站的总无功功率最优分配给各运行机组，只能实现每台机组各自的 无功调节。控制原理如图i - i 所示。 图i - i 直接给定设定值控制原理图 2 高压母线侧电压信号引入控制系统( h s v c ) 发电厂与系统的连接点是发电厂升压变压器的高压侧，无论从技术还是从商 业的角度上看，都更应该关注发电厂高压侧母线的电压控制( h s i d ev o l t a g e c o n t r o l ，h s v c ) 和整个发电厂与系统的无功交换。从技术角度看，与控制机端电 压相比，控制发电厂高压侧母线的电压可以更好地控制系统电压，还可提高系统 的稳定性。从商业角度看，发输电分开后，发电厂与输电公司成为独立的利益主 体，输电公司需要购买发电厂的无功服务来满足系统无功电压控制的要求，发电 厂高压侧母线是发电厂和输电公司理所当然的商业界面i 即责任和权利的界面。 因此，引入高压母线电压信号对稳定电压具有一定的意义。文献 3 介绍了 高压侧电压控制器的基本原理和特性，分析了它在增强电力系统稳定性方面的作 用。通过无功电流补偿函数和升压变压器分接头位置变化引起的电压下降率补偿 函数实现机端电压与母线电压的函数转换，为了改善振荡稳定性增加了相位补偿 函数校正h s v c 控制环的相应特性。其原理图如图卜2 所示： 4 图1 2h s v c 控制器原理示意图 3 ，利用高压侧电压作为反馈信号( p s v r ) p s v r 控制通过检测高压侧母线实际电压与设定值的偏差，估算出为消除母 线电压偏差所需注入的总无功功率，通常采用灵敏度法计算出每条出线负荷的无 功功率对电压的灵敏度系数，再根据母线电压的偏差，求出所有负荷因电压变化 而产生的无功变化量。同时在线计算由各种约束条件确定的各台发电机组的无功 功率上、下限值，然后调节各台发电机的励磁调节器，将此总无功功率最优分配 给运行的各台机组。它要求在高压母线电压变化时，能迅速调整各发电机的励磁 系统，使高压母线电压保持在当前设定值，同时使全站的网络有功损耗最小化并 使调整满足各类运行安全约束条件。a v c 控制的实现功能是随着电站运行方式和 运行工况的变化，能自动平稳地维持各段母线电压的实际运行值为其当前设定值： 能够合理分配受控机组之间的无功功率i 降低厂内网络的功率损耗：根据各台发 电机的各种约束条件计算当前各机组允许发出的无功上、下限值，使分配给各机 组承担的无功功率在其上、下限值之内。控制原理图如图卜3 所示。 图i - 3p s v r 控制器原理图 1 2 3 组态软件的发展 1 0 - 1 3 】 组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，自2 0 世纪8 0 年代初期诞 5 生至今，组态软件已有近2 0 年的发展历史，是在自动控制系统监控层一级的软 件平台和开发环境，能以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良好的用户 开发界面和简捷的使用方法，其预先设置好的各种软件模块可以非常容易的实现 和完成监控层的各项功能，并能同时支持各种硬件厂家的计算机和i o 设备，与 高可靠的工控计算机和网络系统结合，可向控制层和管理层提供软、硬件的全部 借口，进行系统集成。目前世界上有不少专业厂商包括专业软件公司和硬件系 统厂商生产和提供各种组态软件产品。 “组态 的概念是伴随着集散型控制系统( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m 简 称d c s ) 的出现才开始被广大的生产过程自动化技术人员所熟知的。由于每一套 d c s 都是比较通用的控制系统，就可以应用到很多的领域中，为了使用户在不需 要编代码程序的情况下便可以生成自己需求的应用系统，每个d c s 厂商在d c s 中 都预装了系统软件和应用软件。而其中的应用软件，实际上就是组态软件，但一 直没有人给出明确的定义，只是将使用这种应用软件设计生成目标应用系统的过 程称为“组态( c o n f i g u r e ) 或“做组态 组态的概念最早来自英文c o n f i g u r a t i o n ，含义是使用软件工具对计算机及 软件的各种资源进行配置，达到让计算机或软件按照预先设置自动执行特定任 务、满足使用者要求的目的。监控组态软件是面向监控与数据采集( s u p e r v i s o r y c o n t r o la n dd a t aa c q u i s i t i o n 简称s c a d a ) 的软件平台工具，具有丰富的设置 项目，使用方式灵活，功能强大。监控组态软件最早出现时，h m i ( h u m a nm a c h i n e i n t e r f a c e ) 或m m i ( m a nm a c h i n ei n t e r f a c e ) 使其主要内涵，即主要解决人机图 形界面问题。 随着它的快速发展，实时数据库、实时控制、s c a d a 、通讯及联网、开放数 据接口、对i o 设备的广泛支持己经成为它的主要内容。随着技术的发展，监控 组态软件将会不断被赋予新的内容。 。 监控组态软件是伴随着计算机技术的突飞猛进发展起来的。6 0 年代虽然计 算机开始涉足工业过程控制，但由于计算机技术人员缺乏工厂仪表和工业过程的 知识，导致计算机工业过程系统在各行业的推广速度比较缓慢。7 0 年代初期， 微处理器的出现，促进了计算机控制走向成熟。首先，微处理器在在提高计算机 能力的基础上，大大降低了计算机的硬件成本，缩小了计算机体积，很多从事控 制仪表和原来一直就从事工业控制计算机的公司先后推出了新型控制系统。这一 时期较有代表性的就是1 9 7 5 年美国h o n e y w e l l 公司推出的世界上第一套 d c s t d c - 2 0 0 0 0 随后的2 0 年间，d u o 及其计算机控制技术日趋成熟，得到了广泛 应用。此时的d c s 己具有较丰富的软件，包括计算机系统软件( 操作系统) 、组态 软件、控制软件、操作站软件、其它辅助软件( 如通讯软件) 等。 这一阶段虽然d c s 技术、市场发展迅速，但软件仍是专用和封闭的。除了在 功能上不断加强外，软件成本一直居高不下，造成d c s 在中小型项目上的单位成 6 本过高，使一些中小型应用项目不得不放弃使用d c s 。8 0 年代中后期，随着个 人计算机的普及和开放系统( o p e ns y s t e m ) 概念的推广，基于个人计算机的监控 系统开始进入市场，并发展壮大。组态软件作为个人计算机监控系统的重要组成 部分，比p c 监控的硬件系统具有更为广阔的发展空间。这是因为： 第一，很多d c s 和p l c 厂家主动公开通讯协议，加入“p c 监控 的阵营。 目前，几乎所有的p l c 和一半以上的d c s 都使用p c 作为操作站。 第二，由于p c 监控大大降低了系统成本，使得市场空间得到扩大，从无人 值守的远程监视( 如报警系统、江河汛情监视、环境监控、电信路线监控、交通 管制与监控、矿井报警等) 、数据采集与计量( 如居民水电气表的自动抄表、铁道 信号采集与记录等) 、数据分析( 如汽车机车自动测试、机组设备参数测试、医 疗化验仪器设备实时数据采集、虚拟仪器、生产线产品质量抽检等) 到过程控制， 几乎无处不用。 第三，各类智能仪表、调节器和p c - b a s e d 设备可与组态软件构筑完整的低 成本自动化系统，具有广阔的市场空间。 第四，各类嵌入式系统和现场总线的异军突起，把组态软件推到了自动化系 统主力军的位置，组态软件越来越成为工业自动化系统中的灵魂。 组态软件之所以同时得到用户和d c s 厂商的认可，有以下几个原因：个人计 算机操作系统日趋稳定可靠，实时处理能力增强且价格便宜。个人计算机的软件 及开发工具丰富，使组态软件的功能强大，开发周期相应缩短，软件升级和维护 也较方便。 组态软件作为单独行业的出现是历史的必然。市场竞争的加剧使行业分工越 来越细，“大而全”的企业将越来越少( 企业集团除外) 。每个d c s 厂商必须把主 要精力用与他们本身所擅长的技术领域，巩固己有优势。如果他们还是软硬件一 起做，就很难在竞争中取胜。今后社会分工会更加细化，表面上看来功能较单一 的组态软件，其市场刚被挖掘出一点点，今后的成长空间还相当广阔。组态软件 的发展与成长和网络技术的发展与普及密不可分。曾有一个时期，各d c s 厂商的 底层网络都是专用的，现在则使用国际标准协议，这在很大程度上促进了组态软 件的应用。 现场总线技术的成熟更加促进了组态软件的应用。应该说现场总线是一种特 殊的网络技术，其核心内容一是工业应用，二是完成从模拟方式到数学方式的转 变，是信息和供电同在一根双线电缆上运输，还要满足许多技术指标。同其它网 络一样，现场总线的网络系统也具备o s i 的7 层协议，在这个意义上讲，现场总 线与普通的网络系统具有相同的属性。但现场总线设备的种类多，同类总线的产 品也分现场设备、耦合器等多种类型。未来几年，现场总线设备将大量替代现有 现场设备，给组态软件带来更多机遇。 能够同时兼容多种操作系统平台是组态软件的发展方向之一。可以预言，微 软公司在操作系统市场上的垄断迟早要被打破，未来的组态软件也要求跨操作系 统平台，至少要同时兼容w i n n t 和l i n u x u n i x 。u n i x 系统是计算机软件最早的 程序开发环境，整个u n i x 系统可以粗略的分为三层：最下层是一个与具体硬件相 联系的多进程操作系统内核。中间一层是可编程的s h e l l 命令解释程序，它是用 户与系统内核的接口，是整个u n i x 环境中灵活使用与扩展各种软件工具的工具。 最外层是用户的实用工具，有多种程序语言、数据库管理系统及一系列进行应用 开发的实用工具。 组态软件在嵌入式整体方案中也将发挥更大作用。前面已讲过，微处理器技 术的发展会带动控制技术及监控组态软件的发展，目前嵌入式系统的发展速度极 为迅猛，但相应的软件尤其是组态软件滞后较严重，制约着嵌入式系统的发展。 组态软件在c i m s 应用中将起到重要作用。美国h a i r i n g t o n 博士于1 9 7 3 年 提出了c i m s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g - - 计算机集成制造) 的概念， 主要内容有：企业内部生产各环节密不可分，需统筹协调：工厂的生产过程，实质 就是对信息的收集、传递、加工和处理的过程。c i m s 所追求的目标是使工厂的 管理、生产、经营、服务全自动化、科学化、受控化，最大限度地发挥企业中人、 资源、信息的作用，提高企业运转效率和市场应变能力、降低成本。 c i m s 的概念不仅适用于离散型生产流程的企业，同样适用于生产连续型的 流程行业，在流程行业也有人叫做c i p s ( c o m p u t e ri n t e g r a t e dp r o c e s ss y s t e m ) 。 组态软件在企业c i m s 发展过程中能够发挥下面几方面的作用：充当d c s ( 含p l c ) 的操作站软件，尤其是p c - b a s e d 监控系统。以往各企业只注重在关键装置上投 资，引进自动化控制设备，而在诸如公用工程( 如能源监测、原材料管理、产成 品管理、产品质量监控、自动化验分析、生产设备状态监视等) 生产环节则重视 程度不够。这种一个企业内部各部门间自动化程度的不协调也将影响c i m s 的进 程，受到损失的将是企业本身。组态软件在这方面，即技术改造方面也会发挥更 大的作用，促进企业低成本、高效率地实现全厂的信息化建设。 由于组态软件具有丰富的i o 设备接口，能与绝大多数控制装置相联，具有 分布式实时数据库，可以解决分散的“自动化孤岛 互联问题，大幅节省c i m s 建设所需的投资。伴随着c i m s 技术的推广与应用，组态软件将逐渐发展成为大 型平台软件，以原有的图形用户接口、i o 驱动、分布式实时数据库、软逻辑等 为基础将派生出大量的实用软件组件，如先进控制软件包、数据分析工具等。 信息化社会的到来为组态软件拓展了更多的应用领域。组态软件的应用不仅 仅局限在工业企业，在农业、环保、邮政、电信、实验室、医院、金融、交通、 航空等各行各业均能找到实用组态软件的实例。目前国内外的工业组态软件有： 组态王，力控，m c g s ，i f i x ，c i t e c t ，i n t o u c h ，c i m p l i c i t y 等数百种。我国以组态王、 力控为代表的监控组态软件已取得了优良的业绩，国内组态软件是在借鉴国际同 类产品的基础上发展起来的，起点明显比国外高，发展速度也快，在可靠性和稳 8 定性方面，国内外产品的水平不相上下，用户在使用过程中通过比较就会得出相 应的结。 国外的组态软件i f i x 仍然是工业控制领域的功能最强大、影响最大和适用范 围最广的。i f i x 支持w i n n t 及w i n 2 0 0 0 平台。支持w i n 2 0 0 0 终端技术 ( t e r m i n a l s e r v e r ) ，支持基于因特网的远程线组态。即插即解决结构及c o m d c o m 组件技术。支持a c t i v e x 控件。安全容器的专利技术，保证系统稳定运行。采用 功能强大的微软标准描述语言和嵌入式v b a ( v i s u a lb a s i cf o ra p p l i c a t i o n ) 能提供标准s q l 0 d b c 接口，直接集成关系数据库及管理系统。真正的实时客户 服务器模式，允许最大的规模可扩展性。多重冗余支持s c a d a 冗余：通道冗余：l a n 网冗余：控制器冗余：客户端冗余。调度处理器使任务可以基于时间或事件触发， 根据需要在前台或后台运行。先进的报警和信息管理，提供无限制的报警区域和 报警计数器，报警过滤和远程报警管理等功能。高度免编程关系数据库引擎 v i s c o n x 控件集。 1 3 本论文的主要研究内容 本文首先阐述了a v c 控制系统的基本原理，确定了电厂侧a r c 子站系统的整体 方案。基于三级分层无功电压控制的思想，详细叙述了二级电压控制系统中的电 厂侧a r c 子站系统的控制要求。本文采用逐步逼近法建立自动跟踪电压控制模型， 运用自学习方法计算系统阻抗，并建立了电厂侧无功电压控制系统必要的安全性 约束保证电网与机组的安全运行。基于力控组态软件开发平台，开发出了a v c 子 站上位机系统，通过下位机的指令输出最终实现对电厂机组的电压无功控制。 本所主要包括以下几个部分： 第一章，综述了a v c 控制系统研究的意义与国内外这方面的研究状况，基于 三级别控制思想，本文着重研究了a v c 子站系统。 第二章，阐述了a v c 系统三级电压控制的模型，讨论电厂实际情况的要求， 确定了电厂侧a v c 子站系统整体最佳方案。 第三章，基于a v c 子站系统工作的基本原理，建立了a v c 子站调控系统的数学 模型，采用逐步逼近的方法，运用自学习计算阻抗的方法，叙述了本文的所采用 调控逻辑。最后分析了调控过程的一些需要注意的技术要求。 第四章，基于力控组态软件设计了a v c 子站上位机系统的界面，通讯接口， 以及本文所采用控制策略的实现过程。 第五章，叙述t a v c 子站系统下位机与上位机通讯协议的设计，讨论了下位 机系统的开入开出信号要求，以及与d c s 系统配合逻辑。 第六章，对本文工作做了总结，对今后的工作做了展望。 9 第二章电厂侧a v c 子站系统方案的确定 2 1 电厂侧a v c 控制系统的基本理论 图2 1a v c 系统三级控制模型 币 三级控制 二级控制 一级控制 省级电网a v c 系统的全局控制采用分层控制模型，共分为三个层次：一级控 制( 励磁系统) 、二级控制( 发电侧a v c 子站系统) 和三级控制( avc 主站系 统) 1 4 - 1 s 。一级控制为发电机励磁系统，控制时间常数一般为毫秒秒级。在这 级控制中，控制设备通过保持输出变量尽可能的接近设定值来补偿电压快速和随 机的变化，其作用是保证机端电压等于给定值。二级控制为发电侧a r c 子站系统， 时间常数约为秒分钟级，控制的主要目的是协调本地的一级控制器，保证高压 侧电压或无功等于设定值，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控制器的设定值。三级控制为avc 主站系统，时间常数约 为分钟 - - 4 , 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。在分级控制系统中， 每一级都有其各自的目的，底层接收上层的控制信号作为自己的控制目标，并向 下一层发出控制信号。其中，一级控制作为发电机的一种控制手段，已经得到比 较广泛的应用，而二级电压控制和三级电压控制则是a v c 系统的主要工作。需要 1 0 特别指出的是，二级控制在整个分级控制模型中承上启下，是重要的一环。它的 任务是以某种协调的方式，根据电厂当前运行状态的变化重新设置本地各一级控 制器的设定值，以维持整个a v c 系统的连续可靠运行。 2 2 电厂侧a v c 子站系统的实现方式【1 5 - l q 基于三级电压无功调控的基本原理，电厂侧a v c 子站系统基本原理是远程接 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，其主要其实现方式主要有如下几种方式。 l ，直接修改a v r 内部程序，增加远程通讯与控制功能模块。这种实现方式在 线修改调整困难，灵活性差；同时其需与a v r 配套，兼容性差，可能导致a v r 自 身程序紊乱，安全可靠性差。 2 ，通过在d c s 中增加功能模块。首先这种方式在无d c s 的机组无法实现，应 用范围小，同时其需与d c s 配套，通用性差，对d c s 依赖性大，调节精度和速度 受d c s 系统进程和资源影响明显，d c s 通讯网络阻塞时可能会出现数据传递障碍。 3 ，使用专用自动调控装置。这种方式即本文采用的方式，装置与现有系统相 对独立，只通过输入输出接口与外部相联系，现有系统只需作微小改动：具有 良好的兼容性，各种微机或模拟式a v r 均可适用，且不影响a v r 的性能；可随时 进行维护，对机组正常运行不会产生干扰。 2 3 电厂侧a v c 子站系统方案的选择确定 a v c 自动控制的流程为：a 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、无功的控制方式及无功功率的调节范围等几个方面。因发电 厂中机组的励磁系统是本来以已具有的，而各发电厂的励磁调节系统的模式是多 样且不能改变的，发电厂的a v c 方案只能在不改变现有励磁系统调节的模式下进 行，且应适应全省各大型发电机组的多种励磁系统，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。 综上所述：在a v c 子站系统中需考虑指令的接收、实时数据的采集、闭环控 制的设备及方式这三个功能模块的模式及作用。 2 3 i 指令的接收方式 根据电力系统的要求和具体情况，可将指令的接收分为以下几种方式： 1 ，选用a g c 方式： 即调度中心通过远动通道将机组的无功发电指令- f n 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。当 励磁调节装置不具备闭环调节机组的无功出力时，也可通过d c s 闭环控制励磁 调节装置来调节机组的无功出力。这种方式系统简单，易于实现，由于a g c 的技 术已十分成熟，且省内大机组多数都具有了a g c 功能，在技术上较有保障。但是 由于全省各发电厂的自动化程度不同，省内仍部分发电机组没有进行d c s 改造， 此方法将使全省的a r c 的调节方式多样化。其次当远动通道出现异常时，r t u 输 出的电流信号保持不变，机组的无功出力不变，此时有可能使系统电压越限。 2 选用下行通道下达指令于至当地实时监控系统中 这种模式是中调定时通过远动下行通道将单机的无功功率指令下达到发电 厂的当地功能系统中，当地功能系统将无功指令转发到各机组的a v 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。这种模式系 统简单，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，均在当地功能的数据采集范围内，不需另配装置来进行数据采集。 但是这种方式增加当地功能的负担，由于当地功能一般装在主控室，而励磁调节 装置一般安装在机炉集控室，二者相距较远，受数据传输距离的时限制，且易受 到外界干扰。 3 选用下行通道下达指令至a v c 上位机： 这种方式类似与方式2 ，只是用a r c 上位机来代替当地功能中的这部分功能。 即中调定时通过远动下行通道将单机的无功功率指令下达到发电厂的a v c 上位 机，a v e 上位机将无功指令转发到各机组的a v 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。这种方式系统简单，只需增加一台 a v c 上位机，由于a v c 上位机的功能单一，与其它方案相靠性较高。 2 3 2 实时数据的采集 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) 。 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 1 2 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。对于实时数据其采集方法有： l 、使用d c s 采集的实时数据：当a 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。a r c 所需的实时数据d c s 本身 均已采集，这种方式数据的采