基于FDCS的發(fā)電廠分布式AVC控制及仿真研究

1、基于FDCS的發(fā)電廠分布式AVC控制及仿真研究焦邵華1，張樂斌2，梁福波2，張 偉1(1.四方電氣（集團）有限公司 北京 100084； 2.東北電力大學 吉林 吉林 132012)Development and Simulation for Distributed Automatic Voltage Control in Power Plant Based on FDCS Jiao Shaohua1，Zhang Lebin2，Liang Fubo2，Zhang Wei1(1.Sifang Electric(Group) Co.,Ltd., Beijing 100084,China；2.Nor

2、theast Dianli University Jilin 132012, China)Abstract: This article describes how to implement the AVC control of the generators in the large power plant by adopting distributed AVC controller and coordinative controller in FDCS framework. This process control is completed by AVC control function bl

3、ock family based on IEC61131-3.The closed loop simulation control is implemented by AVC control system and CyberSIM (a power plant simulation platform). Based on the real-time simulation experiments, this article demonstrates the validity and reliability of the AVC control system.Key word: power pla

4、nt; automatic voltage control; IEC 61131-3; closed loop simulation摘 要: 在FDCS系統(tǒng)框架下采用分布式AVC控制器和AVC協(xié)調(diào)控制器實現(xiàn)大型電廠多臺機組的全廠AVC控制，采用IEC61131-3語言開發(fā)了AVC控制功能塊族，完成了控制工藝，通過CyberSIM發(fā)電廠仿真平臺在實現(xiàn)發(fā)電廠運行仿真的基礎(chǔ)上與AVC控制系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)仿真控制，通過實時仿真驗證了AVC控制的有效性和可靠性。關(guān)鍵詞: 發(fā)電廠；自動無功控制；IEC 61131-3；閉環(huán)仿真0.引 言無功電壓控制和電壓穩(wěn)定是電力系統(tǒng)運行的重要內(nèi)容，發(fā)電廠是輸電網(wǎng)主要的無功電

5、源，隨著電網(wǎng)的發(fā)展和電源點數(shù)量的增長，AVC控制逐步從面向機組轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫦虬l(fā)電廠實現(xiàn)，因此實現(xiàn)發(fā)電廠全廠的AVC控制是電網(wǎng)AVC的基礎(chǔ)之一。另一方面，發(fā)電機組勵磁是電力系統(tǒng)重要的控制手段，尤其對于電網(wǎng)暫態(tài)控制，通過發(fā)電廠AVC子站可以實現(xiàn)對勵磁控制器（AVR）控制行為的監(jiān)測，對電網(wǎng)調(diào)度有重要意義。發(fā)電廠自動化由統(tǒng)一的分布式過程控制系統(tǒng)實現(xiàn)，即DCS系統(tǒng)。隨著現(xiàn)場總線及工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，具有更好分布性能且兼容傳統(tǒng)DCS測控方式的FDCS（Field-bus Distributed Control System）系統(tǒng)成為發(fā)電廠自動化系統(tǒng)的發(fā)展方向。AVC是電廠最高層次的全廠級協(xié)調(diào)控制之一，通過

6、FDCS系統(tǒng)實現(xiàn)面向機組的AVC控制，同時將機組勵磁系統(tǒng)（AVR）最為單元層IED設(shè)備納入FDCS系統(tǒng)，體現(xiàn)了電廠運行的電氣熱工一體化。AVC系統(tǒng)是典型的面向?qū)ο蟮姆謱臃植际娇刂疲梢粋€廠級的AVC協(xié)調(diào)控制器及多個單元機組級AVC控制器組成，機組AVC控制器納入機組FDCS系統(tǒng)。全廠協(xié)調(diào)AVC控制器通過遠動接受調(diào)度控制，經(jīng)控制算法實現(xiàn)對單元機組的無功電壓調(diào)節(jié)1-5。本文討論了如何在發(fā)電廠自動化系統(tǒng)中配合電網(wǎng)調(diào)度實現(xiàn)電廠AVC控制及勵磁監(jiān)測，提出了一種在FDCS系統(tǒng)框架下由分層分布式控制器組完成的AVC方案。基于四方公司CSPA-2000（FDCS）系統(tǒng)平臺，開發(fā)了發(fā)電廠AVC協(xié)調(diào)控制器和機組

7、控制器，利用IEC61131-3標準1的FBD語言在CyberLogic環(huán)境下開發(fā)了AVC控制器功能塊組和控制邏輯，結(jié)合CSPA-2000系統(tǒng)的發(fā)電廠實時仿真機（CyberSIM），開發(fā)了電廠AVC功能的仿真控制閉環(huán)系統(tǒng)，并完成了AVC功能的閉環(huán)動態(tài)試驗，經(jīng)幾個月的連續(xù)運行，檢驗了AVC控制的有效性和可靠性。1.電廠分布式AVC系統(tǒng)1.1 FDCS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)電廠常規(guī)的AVC控制功能通過DCS經(jīng)DI、DO、AI、AO硬接線實現(xiàn)對勵磁系統(tǒng)的簡單測控，通過PID控制實現(xiàn)機組的無功輸出，缺乏實現(xiàn)多臺機組的無功電壓協(xié)調(diào)控制功能，也不能實現(xiàn)對機組AVR調(diào)節(jié)行為的監(jiān)測。基于FDCS的電廠AVC控制通過設(shè)置全

8、廠AVC協(xié)調(diào)控制器、機組控制器實現(xiàn)分層分布式控制。機組AVC控制器同時作為一個DPU納入機組FDCS系統(tǒng)。AVC協(xié)調(diào)控制器的控制功能屬于全廠級協(xié)調(diào)控制。AVC協(xié)調(diào)控制器基于冗余配置的DPU實現(xiàn)，處理調(diào)度指令和實現(xiàn)目標無功計算、分配及下發(fā)到各臺機組AVC控制器，實現(xiàn)機組間的無功優(yōu)化和協(xié)調(diào)控制。機組AVC控制器實現(xiàn)對機組AVR的監(jiān)測，通過向AVR發(fā)送調(diào)節(jié)勵磁指令實現(xiàn)對機組的無功調(diào)節(jié)。機組范圍內(nèi)的各種約束條件均由機組AVC控制器處理，機組之間的約束條件由協(xié)調(diào)AVC控制器實現(xiàn)。1.2單元機組FDCS及全廠AVC發(fā)電廠的生產(chǎn)控制是過程自動化，發(fā)電廠的電氣控制由功能獨立的電氣自動裝置分布式實現(xiàn)，包括機組保

9、護、勵磁、和廠用電源的保護和控制等等。FDCS系統(tǒng)要實現(xiàn)發(fā)電廠全廠一體化控制必需將電廠納入過程自動化系統(tǒng)2，AVC功能的實現(xiàn)充分體現(xiàn)了這一原則。單元機組的AVC控制器是機組FDCS的一個DPU，機組的無功出力參數(shù)調(diào)整的管理都在FDCS中實現(xiàn)3。圖1示意了有四臺機組基于FDCS發(fā)電廠AVC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖1.基于FDCS的電廠AVC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1. Diagram of Power Plant AVC System FabricFDCS中AVC的實現(xiàn)方式：機組AVC控制器按協(xié)調(diào)AVC控制器的控制命令實現(xiàn)對機組勵磁的調(diào)節(jié)，實時檢測機組的約束關(guān)系，當約束條件成立時，停止對該機組的無功調(diào)節(jié)

10、，并反饋協(xié)調(diào)控制器1-6。這些增減無功的約束是：(1) P- Q 曲線的限制( 最大最小無功限制) ；(2) 最大最小勵磁電流限制（欠勵、過勵限制）；(3) 機端電壓限制( 0.95-1.05 UN) ；(4) 最大定子電流限制；(5) 其它限制, 例如廠用電壓限制。2AVC控制器的控制邏輯實現(xiàn) 2.1電廠AVC控制原理與實現(xiàn)電廠協(xié)調(diào)AVC功能實現(xiàn)的步驟如下：計算分配調(diào)度下發(fā)的指令值。根據(jù)母線電壓目標值計算電廠總無功的目標值。首先要通過升壓站AVC控制器，估算電網(wǎng)側(cè)的等值阻抗，如公式1： -（1）；式中，分別為前一次計算系統(tǒng)阻抗時的母線電壓和母線送出的總無功：，分別為本次計算系統(tǒng)阻抗時的母線電

11、壓和母線送出的總無功。計算電廠發(fā)出無功的目標值。根據(jù)式(1)算得的系統(tǒng)阻抗，計算本廠應(yīng)向系統(tǒng)送的目標無功如公式2：-(2) ；確定協(xié)調(diào)AVC分配給各臺機組的目標無功。若某臺機組運行在極限狀態(tài)，該臺機組就定為不可調(diào)機組。在預(yù)測出的系統(tǒng)無功中扣除不可調(diào)機組的無功，加上所有可調(diào)機組的主變壓器無功損耗,得到目標無功如公式3：-(3) ；利用每臺可調(diào)機組當前運行點的無功上下限與；得到單臺機組可調(diào)上下限如公式4： 4；- (4)；按等功率因數(shù)原則分配各機組無功，第m臺運行機組分配的無功如公式5：- (5)根據(jù)電廠協(xié)調(diào)AVC的控制原理，得出的電廠協(xié)調(diào)AVC無功分配流程圖如圖2所示。圖2.電廠AVC無功分配流

12、程圖Fig 2. Flow Diagram of Power Plant AVC2.2邏輯實現(xiàn)與功能塊介紹本文用基于IEC 61131-3標準1的邏輯編譯軟件CyberLogic完成了電廠AVC控制邏輯的開發(fā)，CyberLogic環(huán)境提供了豐富的標準函數(shù)庫，并具有一套完整的邏輯功能算法。每一段代碼均可采用最適合的語言進行編程，在編輯、調(diào)試和運行時所需要的所有工具均可以5種語言中的任何一種來使用。本文中FDCS 軟件編程采用功能塊圖（FBD）方式, FBD圖庫中有自定義的常用運算和邏輯模塊, 因此用次方法對邏輯編程十分簡捷, 而且可以方便地實現(xiàn)在線、離線模擬程序運行，便于實現(xiàn)在線邏輯更新和維護工

13、作。作者針對電廠AVC控制邏輯開發(fā)了一些專門的邏輯功能塊，并由功能塊組合構(gòu)建出能靈活適應(yīng)現(xiàn)場需求的功能。電廠AVC邏輯由全廠AVC投入邏輯、全廠無功計算邏輯、機組間最優(yōu)分配邏輯、機組AVC控制邏輯等組成。電廠AVC協(xié)調(diào)控制器的邏輯如圖3所示。由公式2得出圖3計算系統(tǒng)發(fā)無功功能塊。公式3和公式5得出了無功分配功能塊。計算出各臺機組目標無功值后，將正確指令值輸出到機組AVC控制器。邏輯塊中變量名是實際的變量，為表達方便引腳名稱改成了變量描述。圖3. 電廠協(xié)調(diào)AVC控制器邏輯圖Fig 3. Diagram of Power Plant correspond AVC controller Logic圖

14、4. 單元機組AVC控制器邏輯圖Fig 4. Diagram of Unit-Generator controller Logic圖4表示單元機組AVC控制器對AVR增減勵磁控制的邏輯圖。公式1表達為圖4的電力系統(tǒng)電抗計算模塊。公式4表示計算當前無功上下限功能塊。由勵磁電流、廠用電等約束條件構(gòu)成機組AVC執(zhí)行勵磁增減的先決條件功能塊。在編程中將功能塊組合起來，并考慮機組約束條件，構(gòu)成了機組勵磁系統(tǒng)實現(xiàn)自動電壓控制邏輯。由于電廠AGC與電廠AVC的控制邏輯有很多相似之處，本文涉及的邏輯塊對AGC同樣適用，只須將功能塊管腳變量改為AGC的控制量即可。另外，將電廠AGC/AVC納入電廠FDCS中，這

15、體現(xiàn)了電廠機爐電控制一體化，能夠加快捷地實現(xiàn)對全廠機組的調(diào)控。3AVC控制的仿真3.1 CyberSim發(fā)電廠仿真機CyberSim圖模庫一體化通用仿真支撐平臺是由四方公司專門針對發(fā)電廠實時仿真系統(tǒng)開發(fā)的一套模型側(cè)建模平臺。CyberSim 平臺主要由模型側(cè)建模系統(tǒng)、CyberControl 組態(tài)軟件（HMI）兩部分組成7。CyberSim軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。CyberSim軟件主要軟件由模型組態(tài)、模塊定義、模型運行、聯(lián)盤等部分構(gòu)成。各部分實現(xiàn)的功能如下：圖5. CyberSim軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 5. Diagram of CyberSIM software fabric模型組態(tài)：通

16、過圖形化的方式，用模塊、聯(lián)線、變量搭建模型，可編輯多幅畫面，可起停模型運行，可進行抽點、回退，可動態(tài)查看變量的數(shù)值和趨勢；模塊定義：定義模塊的輸入、輸出、參數(shù)個數(shù)；管腳個數(shù)；關(guān)聯(lián)的算法；關(guān)聯(lián)的圖例等；模型運行：作為后臺程序，由模型組態(tài)在工具條“模型啟動、停止”控制。實現(xiàn)對仿真模型工程中的功能塊的計算，實現(xiàn)對算法庫的調(diào)用；運行期間，存儲趨勢曲線的數(shù)據(jù)斷面。聯(lián)盤：實現(xiàn)模型運行時的聯(lián)盤、托盤。通過和實時庫通訊完成模型和HMI部分的通訊。 HMI I/O數(shù)據(jù)跟蹤，跟蹤HMI中的AI、DI變化，以操作序列的形式顯示在模型組態(tài)窗口中。實現(xiàn)電廠AVC實時仿真實驗需要建立發(fā)電機模型、勵磁系統(tǒng)模型、負荷模型等7

17、，電廠仿真模型部分主要包括了機組鍋爐主體及輔機系統(tǒng)，汽輪機主體及輔機系統(tǒng)，發(fā)電機主體及勵磁系統(tǒng)，模擬實際電廠生產(chǎn)流程及動態(tài)運行參數(shù)監(jiān)視，為FDCS測試系統(tǒng)提供模擬實際設(shè)備運行實時數(shù)據(jù)。勵磁參數(shù)參考哈爾濱電機廠生產(chǎn)的型號為QFSN6002YHG的600MW機組。仿真模型統(tǒng)計用了19540個功能塊實例，其中電氣部分4718個功能塊實例。發(fā)電機部分主要功能塊包括發(fā)電機功率模塊，發(fā)電機電壓模塊，發(fā)電機電流模塊，勵磁機模塊，功角模塊，發(fā)電機損耗發(fā)模塊。發(fā)電機內(nèi)部通過gspq模塊連接，輸入為發(fā)電機電勢、母線電壓、電網(wǎng)電壓、發(fā)電機功角、各系統(tǒng)有功、各系統(tǒng)無功、斷路器狀態(tài)等，輸出為發(fā)電機有功、發(fā)電機無功等。勵

18、磁系統(tǒng)部分勵磁機接收機組AVC的增減勵磁信號。仿真模型數(shù)據(jù)通過Cyberdb數(shù)據(jù)庫與控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換。3.2 AVC控制的閉環(huán)實時仿真測試平臺搭建工作主要由FDCS平臺部分和發(fā)電機模型連接FDCS部分構(gòu)成。FDCS平臺部分包括：控制邏輯編寫與調(diào)試、HMI實點建立與導入、HMI操作畫面制作、HMI與邏輯點的關(guān)聯(lián)、HMI與轉(zhuǎn)發(fā)HMI的通信。發(fā)電機模型連接FDCS部分主要是發(fā)電機仿真模型與MMI轉(zhuǎn)發(fā)器的關(guān)聯(lián)。將兩者的數(shù)據(jù)點關(guān)聯(lián)并調(diào)試通過即可。全部完成后開始進行實時閉環(huán)仿真。本文實現(xiàn)的是多臺機組的仿真。電廠分布式AVC控制和仿真模型構(gòu)成了閉環(huán)。仿真平臺由2部分組成：發(fā)電機及勵磁系統(tǒng)模型和FDCS系

19、統(tǒng)。發(fā)電機模型與FDCS站內(nèi)通信采用的是現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，通過IO板卡連接。FDCS監(jiān)控后臺采用的是北京四方公司的CyberControl軟件，畫面嵌入在控制系統(tǒng)界面之中。電廠AVC在FDCS中實現(xiàn)仿真平臺如圖6所示。電廠協(xié)調(diào)AVC實時仿真的控制對象為電廠的四臺發(fā)電機。通過轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器，將仿真的四臺機組模型里的無功模擬量發(fā)送給電廠 AVC協(xié)調(diào)控制器及機組AVC控制器，電廠協(xié)調(diào) AVC控制器將根據(jù)省中調(diào)指令值計算總目標無功，再按照等功率因數(shù)原則分配到發(fā)電機仿真模型。仿真模型勵磁系統(tǒng)根據(jù)當前無功值與目標無功值比較做出增減無功指令，采用逐次逼近方法，直至當前值與目標值的差值小于0.3kV，跟蹤采樣間隔為1

20、6ms。4. 仿真數(shù)據(jù)與分析。圖6. 電廠AVC在FDCS中實現(xiàn)仿真平臺Fig 6. Diagram of Power Plant AVC System Simulation4. 仿真實驗與數(shù)據(jù)分析4.1電廠AVC仿真試驗電廠AVC有三種控制方式：遠方、計劃、就地，分別對應(yīng)三個控制狀態(tài)。遠方是指按省調(diào)指令運行，它是AVC的默認工作方式；計劃是指按照調(diào)度事先給定的計劃曲線發(fā)無功，機組每間隔100ms采樣一次；就地是指轉(zhuǎn)為人工控制，人工調(diào)整母線電壓設(shè)定值或者總無功目標值。以遠方控制方式下的目標電壓調(diào)節(jié)為例介紹。設(shè)當前電壓目標值為 ，經(jīng)現(xiàn)場總線傳給電廠AVC控制器，并在其中計算出母線目標電壓，并將它

21、折算成目標無功后下發(fā)給發(fā)電機仿真模型，經(jīng)模型后無功值發(fā)生變化，母線電壓也變化為。把及其它遙測、遙信量等送到電廠協(xié)調(diào)AVC控制器，與目標值比較，若當前值與目標值差距大于0.3kV，則繼續(xù)增加勵磁直到差值小于動作死區(qū)。4.2實驗數(shù)據(jù)分析仿真實驗過程中，可以方便查詢實時仿真曲線，觀察控制效果。實驗結(jié)束后從CyberControl軟件的歷史數(shù)據(jù)庫里中調(diào)出仿真的數(shù)據(jù)或者曲線，來觀察和分析電廠AVC控制效果。下面是仿真曲線及分析。圖7是遠方控制方式下應(yīng)用電廠AVC系統(tǒng)后#2機組2009-8-2上午6-12h的實時的無功曲線。從圖中可以看出，電廠AVC處于遠方控制下，機組無功始終跟蹤協(xié)調(diào)AVC的指令值。增加

22、了電廠AVC后，機組無功目標值變化較原來斜率變小，使機組能夠平穩(wěn)的實現(xiàn)無功調(diào)節(jié)。圖7. 應(yīng)用電廠AVC 后2#機6h無功變化曲線Fig 7. Reactive Power Curve of adopting Power Plant AVC 圖8是2009-8-2上午6-12h母線電壓指令及實時母線電壓曲線。母線電壓基本運行在合格水平，這表明在增加了電廠AVC后，當前母線電壓能夠比原來電壓合格率有所提高，快速而平穩(wěn)地實現(xiàn)電壓目標。圖8. 應(yīng)用電廠AVC后6h母線電壓變化曲線Fig8. Voltage Change Curve of adopting Power Plant AVC表1為四臺600

23、MW機組處于遠方控制控方式下的總目標無功、各臺機組無功及母線電壓實驗結(jié)果。表1.電廠AVC控制遠方運行仿真結(jié)果Tab 1. Table of Power Plant AVC Remote Run-Mode Simulation Result 系統(tǒng)目標功(MVar)1#機組無功2#機組無功3#機組無功4#機組無功母線電壓 (MVar) (MVar) (MVar) (MVar)(kV)960.0239.5240.1240.4240.7530.84820.0205.5204.4205.2205.8528.39800.0199.4199.9199.6199.9527.63605.0151.6151.2151.3151.6526.57本文仿真實驗實現(xiàn)了AVC控制的功能；實現(xiàn)了電廠多臺機組的AVC協(xié)調(diào)控制；經(jīng)過長期運行表明，AVC系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。仿真平臺為電廠其它閉環(huán)控制子系統(tǒng)提供了試驗手段。仿真實驗過程中，機組運行模擬量、勵磁調(diào)節(jié)器狀態(tài)、AVC投退狀態(tài)等各值能準確上送，采集到各遙測量與發(fā)電機模型中實際設(shè)定值誤差小于1%，這表明遙控操作可以準確動作，仿真實驗效果良好。該閉環(huán)測試系統(tǒng)連續(xù)運行2個月，性能穩(wěn)定，控制功能可靠。5. 結(jié)語本文在FDCS系統(tǒng)的通用框架下開發(fā)了單元機組AVC控制器和電廠AVC協(xié)調(diào)控制器，實現(xiàn)電廠AVC控制。利用FBD語言開發(fā)了AVC的功能塊