基于DCS系統的自動電壓控制設計

馬銘宏，丁永允，房國成

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

基于DCS系統的自動電壓控制設計

馬銘宏，丁永允，房國成

（國網遼寧省電力有限公司電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006）

電壓是電力系統電能質量的重要指標之一。針對火電廠機組采用單元控制的特點，設計一種基于DCS控制系統的自動電壓控制（AVC），使該火電廠實現AVC閉環控制（一級控制），確保系統電壓穩定，提升電網電壓品質和整個系統經濟運行水平。

自動電壓控制；DCS控制系統；一級控制；閉環控制

針對老撾紅沙電廠3×626 MW機組設計了基于DCS控制系統的AVC控制，經過調試，機組快速、穩定地實現了無功電壓控制，提高系統的電壓質量及安全穩定運行水平，并降低網損，減輕運行人員頻繁調整無功電壓的工作量，取得了良好的經濟和社會效益。

1 無功電壓控制

1.1 控制模式

無功電壓控制采用全局協調的控制系統，從控制模式上分為2大類：基于“最優潮流”的控制模式和基于分區分級的控制模式。

基于“最優潮流”的控制模式是1984年由德國RWE進行在線實施的，RWE在控制中心利用最優潮流對于無功分布情況進行調整，在狀態估計的基礎上，優化固定間隔啟動一次或由人工啟動，給出最新的優化后的控制變量的調節策略，也被稱為兩層模式［1］。

而基于分區分層的控制方式則是由法國EDF于1972年國際大電網會議上提出提出的，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（局部區域控制）、三級電壓控制（全局統籌控制）3個層次。這種分級自動電壓控制克服了傳統的分散控制方式下各電壓控制設備之間無法協調，對全網的無功分布、電壓水平可能產生不利影響的缺點，是一種比較好的電壓控制方式，得到了廣泛的應用推廣［2］。

1.2 分級控制策略

a.一級電壓控制，由本區域內控制發電機的自動調節器、有載調壓分接頭及可投切的電容器組成，控制時間常數一般為幾秒鐘，盡可能補償電壓快速和隨機的變化。

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

c.三級電壓控制，通過統籌電網全局，以經濟運行為優化目標，兼顧電網穩定性，給出不同區域最優的中樞母線電壓設定值，控制時間常數在十幾分鐘到幾小時［3］。

2 一級控制策略選取

目前電廠側一級控制可用于無功電壓控制的方式分為基于勵磁調節系統、基于專用的AVC調節裝置、基于DCS系統。

2.1 基于勵磁調節系統的策略

以勵磁調節器為基礎，增加無功控制功能模塊，修改調節器內部程序。該方式系統簡單，易于實現，并且響應速度快。但是目前的勵磁調節系統主要是接收增減信號，進行調節，無法實時根據網調下發指令進行調節，并且在線修改AVC內部控制程序，可能會導致其自身程序紊亂，使自身的安全性、可靠性變差。

2.2 基于專用的AVC調節裝置

增加專用的無功電壓控制器。通過RTU裝置，接收調度下發的調節指令，送到AVC的上位機，上位機再根據各機組的啟停、所帶有功無功功率情況及原定的無功功率分配原則，來分配各機組的無功發電計劃，并將各機組的無功發電計劃發送到各機組的勵磁調節裝置，來調節機組的無功出力［4］。該方案的穩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以及勵磁調節裝置的通信信號，成本高，穩定性差。

2.3 基于DCS系統的控制策略

在已有的DCS系統中，增加控制模塊以及相應的邏輯，因為DCS系統與RTU以及勵磁調節裝置之間原本就有信號交互，因此，只需利用原有信號基礎上擴充幾個信號，即可實現彼此之間的通信。并且，使用DCS進行無功電壓控制，運行人員可以實時監測接收到的調度指令，以及下發的無功調節指令。并且DCS系統可以給出相應的報警信號，及時提示運行人員各類風險。

因此，考慮到節省成本，方便運行操作監視等因素，在該電廠選取基于DCS的控制策略，具體實現的結構如圖1所示。DCS與上級調度機構的通信是通過RTU網絡通信以及硬接線實現，DCS與相應勵磁系統的通信是通過硬接線實現，無功電壓的控制策略及方式均在DCS系統內部實現。

3 DCS設計

設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構

a.本地自動控制。根據調度指令手動設定的凈無功進行調控。

b.遙控自動控制。根據調度實時設定的凈無功目標值進行調控。

3.2 電壓控制方式

a.本地自動控制。根據調度指令手動設定的母線電壓進行調控。

b.遙控自動控制。根據調度實時設定的母線電壓目標值進行調控。

3.3 操作方法

當機組穩定運行，需要投入無功電壓自動控制的時候，應先確保滿足上述的約束條件，并將勵磁系統切換至無功控制自動位。控制面板內包含模式選擇按鈕、設定值（自動模式由操作員操作，遠控模式接收SCADA調度指令）、實時無功和母線電壓值，以及無功和電壓設定的上下限值，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

當多臺機組同時投入電壓自動控制時，需要進行無功分配計算［6］，本設計采用比較無功裕度的方法進行分配：

式中：Di為每臺機組對應的無功指令；Qi為每臺機組有實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

為了保證機組運行的穩定性，根據發電機運行說明書，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鎖條件［5］。

a.AVC電壓死區。當系統給定電壓目標值與當前出線母線電壓值偏差小于0.1 kV，AVC系統將停止進行無功分配，以避免過于頻繁的變化電壓值。0.1 kV即為系統調壓的死區。

b.失磁保護（P／Q）。根據功率圓圖上的選定點，給出保護曲線，限制無功電壓調節的范圍，以保障發電機安全運行。

c.過激磁保護（V／Hz）。根據發電機頻率和設定值計算出當前的機端電壓允許值作為限定值，防止發電機和變壓器過磁通。

d.勵磁電流超限保護。用于防止發電機定子過熱，分欠勵側和過勵側兩部分，保證定子電流雙向動作的正確性。

e.過勵磁和欠勵磁保護。為了保持發電機定、轉子間磁場的靜態穩定，過勵磁和欠勵磁保護，確保一定的穩定裕度。

3.6 運行結果

在1號機組的試運行中，經過多次試驗，給出了相應的控制參數，很好地保持了無功和電壓的穩定。如圖3、圖4所示，分別為投入無功控制和電壓遠程控制模式后，機組的運行曲線。

圖3 無功遠程控制參數

圖4 電壓遠程控制參數

由圖3和圖4可以看出，該設計的響應速度快1～2 s，滿足一級控制要求，試驗中升降調節時間大約在30 s內完成，對應電壓控制控制速率≈5 kV／min，無功控制速率≈35 Mvar／min且穩態誤差小，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，可維持系統穩定。

4 結束語

基于DCS控制系統的機組電壓自動控制設計，實現了無功和電壓調節的快速、穩定。與常規的AQVC系統相比，節省了成本，有較好的經濟性，并且DCS系統設有公用環路，可以匯總3臺機組的數據，方便了運行人員的監視、控制以及統一調配。既降低了運行人員的操作，又能保持系統電壓穩定，提升電網電壓品質和整個系統經濟運行水平。

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

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

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

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

［5］唐建惠，張立港，趙曉亮.自動電壓控制系統（AVC）在發電廠側的應用［J］.電力系統保護與控制，2009，37（4）：32－35.

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

Design on Automatic Voltage Control by DCS System

MA Ming?hong，DING Yong?yun，FANG 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，主要從事火電機組熱控系統調試、智能控制等研究。

2015－12－15）