范宏，周德生，潘愛強，陳超

(1.上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090;2.上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 210000;3.安徽立卓智能電網(wǎng)科技有限公司，安徽 合肥 230031)

0 引言

電力系統(tǒng)無功功率優(yōu)化與補償是電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟運行的重要組成部分［1-2］，電廠側(cè)自動電壓控制系統(tǒng)(Automatic Voltage Control，簡稱AVC)是利用先進的電子、網(wǎng)絡(luò)通訊與自動控制技術(shù)，在線接收省電力調(diào)度中心下發(fā)的母線電壓指令，自動對發(fā)電機無功出力或高壓側(cè)母線電壓進行實時跟蹤調(diào)控。該系統(tǒng)可有效地控制區(qū)域電網(wǎng)無功的合理流動，增強電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性，保證電壓質(zhì)量，改善電網(wǎng)整體供電水平，減少電網(wǎng)有功網(wǎng)損，充分發(fā)揮電網(wǎng)的經(jīng)濟效益，同時降低運行人員的勞動強度，在各大電廠都有廣泛應(yīng)用［3-5］。目前，關(guān)于電廠側(cè)自動電壓控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究已經(jīng)很多，如，文獻［6］提出了自動電壓控制系統(tǒng)的公共信息模型;文獻［7］提出了一種新的自適應(yīng)變步長電壓控制方法，可根據(jù)目標(biāo)電壓與實際電壓差值采用快速逼近法實現(xiàn)電壓跟蹤調(diào)節(jié);文獻［8］提出了將梯級電站集控中心作為電廠側(cè)AVC子站，根據(jù)高壓母線電壓目標(biāo)值自動調(diào)整各電站和各機組的無功出力，同時，省地調(diào)直控變電站及電廠側(cè)AVC系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)運行。本文在實時仿真系統(tǒng)中建立了模擬電廠現(xiàn)場運行的一次系統(tǒng)，利用實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的閉環(huán)在線運行的特點，建立了電廠側(cè)AVC系統(tǒng)與實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的閉環(huán)運行系統(tǒng)，通過模擬電廠側(cè)AVC系統(tǒng)的在線運行方式，對電廠側(cè)AVC系統(tǒng)功能進行測試。

1 電廠側(cè)AVC系統(tǒng)介紹

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

AVC系統(tǒng)包含AVC主站和AVC子站。AVC主站在區(qū)域電網(wǎng)調(diào)度中心，子站在發(fā)電廠側(cè)。AVC主站根據(jù)系統(tǒng)無功優(yōu)化潮流的計算，將節(jié)點電壓控制命令下發(fā)到子站，并接收子站反饋的狀態(tài)信息。AVC子站在功能上又分為上位機和下位機。上位機又稱為中控單元，包含主機和備機，負(fù)責(zé)AVC主站指令的接收和當(dāng)前運行工況分析，并進行運算和任務(wù)處理。下位機，又稱執(zhí)行終端，是系統(tǒng)調(diào)控的執(zhí)行機構(gòu)，接收來自于中控單元的指令，向發(fā)電機發(fā)出調(diào)節(jié)指令和輔助指令，并接受來自于發(fā)電機DCS監(jiān)控系統(tǒng)的控制指令。

1.2 控制方法

本文的被測AVC系統(tǒng)采用三級電壓控制方式。一級電壓控制為單元控制?？刂破鳛榘l(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器，控制時間常數(shù)一般為毫秒～秒級，在一級控制中，控制設(shè)備通過保持輸出變量盡可能的接近設(shè)定值補償電壓快速和隨機的變化，其作用是保證機端電壓等于給定值。二級電壓控制為本地控制，時間常數(shù)約為秒～分鐘級，控制器為電壓無功自動調(diào)控裝置，控制的主要目的是協(xié)調(diào)本地的一級控制器，保證母線電壓或全廠總無功等于設(shè)定值，如果控制目標(biāo)產(chǎn)生偏差，二級電壓控制器則按照預(yù)定的控制規(guī)律改變一級電壓控制器的設(shè)定值。三級電壓控制是全局控制，時間常數(shù)約為分鐘～小時級，它以全系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟運行為優(yōu)化目標(biāo)，給出各廠站的優(yōu)化結(jié)果，并下達給二級控制器，作為二級控制器的跟蹤目標(biāo)。

2 AVC系統(tǒng)閉環(huán)測試原理

基于實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的AVC系統(tǒng)閉環(huán)檢測試驗平臺由實時數(shù)字仿真系統(tǒng)、AVC系統(tǒng)、遠(yuǎn)動終端三部分組成。實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的系統(tǒng)建模包含系統(tǒng)平臺模型和中央控制系統(tǒng)模型，通過實時仿真系統(tǒng)的電力與運行系統(tǒng)元件構(gòu)建。實時數(shù)字仿真系統(tǒng)輸出電壓和電流量，通過遠(yuǎn)動終端實時采集并轉(zhuǎn)換成IEC104規(guī)約數(shù)據(jù)，再通過數(shù)據(jù)總線傳輸給AVC子站控制系統(tǒng)，經(jīng)AVC系統(tǒng)計算得到控制策略后，將控制指令返回到實時數(shù)字仿真系統(tǒng)實現(xiàn)閉環(huán)運行。基于實時仿真系統(tǒng)的AVC系統(tǒng)閉環(huán)測試原理示意圖如下圖1所示。

圖1 電廠側(cè)AVC系統(tǒng)閉環(huán)測試原理圖

在圖1中，實時數(shù)字仿真系統(tǒng)用來模擬被控發(fā)電場的電氣變化特性，主要包含三個部分:一是進行發(fā)電廠的電氣系統(tǒng)模擬，即以發(fā)電廠模型和參數(shù)為基礎(chǔ)實時模擬發(fā)電廠的電氣特性;二是進行機組AVC監(jiān)控系統(tǒng)模擬，即模擬DCS中發(fā)電廠的電壓無功控制監(jiān)視系統(tǒng);三是提供實時仿真系統(tǒng)與RTU和AVC裝置之間的通信接口。

3 遠(yuǎn)動終端RTU

在閉環(huán)測試中，遠(yuǎn)動終端RTU主要用于發(fā)電機模擬量的計算、轉(zhuǎn)換和編碼，它接受來自于實時數(shù)字仿真系統(tǒng)傳送的發(fā)電廠電壓、電流模擬量和是否并網(wǎng)的開關(guān)量，計算得到電壓、電流有效值和有功、無功量，并對這些模擬量和開關(guān)量進行編碼，通過IEC104規(guī)約下發(fā)至AVC子站系統(tǒng)的上位機。它包含通信管理機和監(jiān)控單元兩部分，各監(jiān)控單元負(fù)責(zé)采集電壓和電流等模擬量數(shù)據(jù)，并送到通信管理機對所有數(shù)據(jù)進行集中處理和轉(zhuǎn)換，并由通信管理機對轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)下發(fā)到AVC系統(tǒng)。

4 系統(tǒng)建模

4.1 一次系統(tǒng)建模

本文選擇某發(fā)電廠電氣系統(tǒng)作為研究對象，在實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的軟件平臺中搭建一次系統(tǒng)模型，該一次系統(tǒng)模型中包含發(fā)電機模型、兩繞組變壓器模型、負(fù)荷模型、等值電源模型、斷路器模型。該模型包含四臺發(fā)電機、四臺兩繞組變壓器、兩條500 kV母線、兩個等值電源和一個動態(tài)負(fù)荷。圖2為本文的電力系統(tǒng)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)圖。

圖2 某發(fā)電廠電氣系統(tǒng)接線示意圖

4.2 控制系統(tǒng)建模

控制系統(tǒng)模型包含對發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)和機組AVC增減磁控制系統(tǒng)進行控制。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)的控制，包括發(fā)電機增磁和減磁信號的接受和控制邏輯，一方面可通過手動調(diào)節(jié)增減磁信號實現(xiàn)控制，另一方面可通過接受外部的AVC下發(fā)的增減磁指令來實現(xiàn)控制;控制系統(tǒng)還可以對發(fā)電機的有功出力和無功出力進行控制，由中央控制系統(tǒng)的用戶輸入指令實現(xiàn)控制。完成上述系統(tǒng)平臺模型和相應(yīng)的子模型及參數(shù)配置之后，即可編譯模型，仿真電廠的系統(tǒng)運行。機組AVC增減磁控制系統(tǒng)，由于AVC系統(tǒng)的增減磁控制信號同時送入AVR，設(shè)置控制回路判斷增減磁信號。

4.3 運行系統(tǒng)建模

運行系統(tǒng)模型是模擬電廠的集控中心，由實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的運行元件建設(shè)完成。中央控制系統(tǒng)模型可實時顯示系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，包含顯示各母線電壓、各發(fā)電機的有功/無功功率、各變壓器各繞組有功/無功功率、各臺發(fā)電機的增減磁信號狀態(tài)等。此外，可通過調(diào)節(jié)各臺發(fā)電機的相角，實現(xiàn)改變各臺發(fā)電機的有功出力和無功出力，從而改變系統(tǒng)的運行狀態(tài)，還可以手動觸發(fā)發(fā)電機的增減磁信號，檢測勵磁控制系統(tǒng)模型的有效性。

5 AVC系統(tǒng)閉環(huán)試驗方法

AVC系統(tǒng)的測試包含參數(shù)設(shè)定、基本功能試驗、安全特性試驗三部分。以下列舉一些相關(guān)試驗內(nèi)容。

5.1 機組無功調(diào)節(jié)裝置脈沖寬度整定試驗

此試驗為參數(shù)設(shè)定試驗之一。該試驗通過調(diào)節(jié)AVC子站輸出脈沖寬度來設(shè)定“無功輸出設(shè)置”中機組信號輸出間隔、信號最大寬度、信號最小寬度和斜率等重要參數(shù)，為現(xiàn)場試驗和參數(shù)整定積累經(jīng)驗。

5.2 機組間無功分配調(diào)節(jié)性能試驗

此試驗為基本功能試驗之一(見表1～表4)。設(shè)置AVC系統(tǒng)的“母線電壓調(diào)控”方式，測試AVC子站在調(diào)節(jié)過程中各機組無功分配的合理性，即測試四種分配方法，如:等功率因素?zé)o功分配、等裕度無功分配、等容量無功分配、無功平均分配，查看各種無功分配方法的分配效果。

5.3 機組無功反調(diào)試驗

該試驗為基本功能試驗之一。測試AVC系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程中無功越限反調(diào)并合理分配無功的能力。首先設(shè)定“母線電壓調(diào)控”方式，主站下發(fā)指令減磁至機組無功越下限，查看AVC子站裝置的無功反調(diào)過程?；蛘撸髡鞠掳l(fā)指令增磁至機組無功越上限，查看AVC子站裝置的無功反調(diào)過程。

表1 等功率因數(shù)分配原則調(diào)控試驗記錄

表2 等裕度分配原則調(diào)控試驗記錄

表3 等容量分配原則調(diào)控試驗記錄

表4 平均分配原則調(diào)控試驗記錄

5.4 機端電壓反調(diào)試驗

該試驗為基本功能試驗之一(見表5)。測試AVC子站裝置調(diào)節(jié)過程中機端電壓越限反調(diào)并合理分配無功的能力。首先設(shè)定“母線電壓調(diào)控”方式，主站下發(fā)指令減磁至機組機端電壓越下限，查看AVC子站裝置的電壓反調(diào)過程?；蛘撸髡鞠掳l(fā)指令減磁至機組機端電壓越上限，查看AVC子站裝置的電壓反調(diào)過程。

表5 反調(diào)試驗記錄

5.5 AVC主站與AVC子站通信中斷試驗

該試驗為安全特性試驗之一。測試AVC主站與子站通信中斷時，AVC子站裝置的動作情況。方法是斷開AVC主站與子站裝置之間的接線，然后查看AVC子站裝置的動作。

5.6 AVC子站與RTU通信中斷試驗

該試驗為安全特性試驗之一。測試AVC子站裝置與RTU通信完全中斷時，查看AVC子站裝置的動作情況。方法是斷開AVC子站的上位機與RTU通信管理機間的接線，然后查看AVC子站裝置的動作。

5.7 閉鎖試驗

該試驗為安全特性試驗之一。測試AVC子站裝置在檢測到遙測數(shù)據(jù)超出閉鎖限制時的動作情況。主要包含母線電壓機組有功/無功、機端電壓、機端電流、廠用電等遙測數(shù)據(jù)閉鎖。

6 結(jié)束語

電廠側(cè)AVC系統(tǒng)是實現(xiàn)無功優(yōu)化控制的重要方法，是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行必要條件。本文提出的基于實時數(shù)字仿真系統(tǒng)的電廠側(cè)AVC系統(tǒng)的閉環(huán)測試方法為電廠側(cè)AVC系統(tǒng)進行試驗室的離線實時檢測奠定了基礎(chǔ)。本文所提出的測試平臺能對電廠AVC系統(tǒng)各項功能進行全面考核和評價，所得研究結(jié)果對電廠側(cè)AVC系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能及性能有重要的指導(dǎo)作用。

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