北京京能石景山热电厂自动电压控制系统的应用研究

【摘要】 电压是反应电力系统运行状态和电能质量水平的最重要指标之一。电网侧的电压水平直接关系到电网运行的损耗,而用户侧的电压水平如果高于或者低于正常工作范围,不仅会影响电能设备的使用寿命和工作效率,甚至造成电能设备损坏,威胁用户安全。电网无功功率的控制是有效控制电网电压的手段之一。本文的研究工作围绕北京京能电力股份有限公司石景山热电厂自动电压控制系统(以下简称“AVC系统”)的应用研究展开。在学习AVC系统基本原理的基础上,结合石景山热电厂的实际和北京市调度中心的要求,从数据采集、闭环控制、安全策略、网络架构、结构设计等方面,设计了电厂AVC系统的方案。在AVC系统实际应用前,设计并实施了对AVC系统的调试,包括本地仿真测试、本地开环测试、功能测试和闭环测试。AVC系统实际投运后,对其产生的收益进行了分析总结。本文完整复现了石景山热电厂AVC系统从设计方案到调试,再到实际应用的全部过程,实现了采集北京市调度中心实时数据并进行在线分析和计算,达到电压无功自动优化,保证电网安全稳定运行、电能质量高效经济的目的,对于其他将要投运AVC系统的电厂有一定的借鉴意义。 

第1章绪论

1.1选题背景及其意义
伴随着我国工业化信息化进程的不断深入，我国电网也在不断发展壮大，一方面电网规模日益庞大，屯网结构円趋复杂，另一方面电能负荷需求也在急剧增加⑴。因此，向用户提供高质量的电能产品，有效降低电网损耗，保持电力系统安全稳定、高效经济的运行，成为了现阶段电力工作者努力的方向，越來越受到重视。电力系统的稳定建立在有功功率P和无功功率Q平衡的基础之上。有功和无功的不平衡将反映于频率和电压的变化。电压是反应电力系统运行状态和电能质量水平的最重要指标之一。北京京能热电股份有限公司石景山热电厂是一家拥有近百年历史传承的老厂，因为历史的原因，石热电厂机组容量小（四台220MW燃煤机组），运龄长（四台均在20-30年），自动化水平相对较差。电厂机组高压母线出线结构为：1、2、3号机组连接到220kV四、五母线（双母线出线）；4号机组为单元出线，单独与220kV石门线相连。近些年来，面对激烈的电力市场化竞争等新因素，效率和经济性的新要求促使石热电厂的自动化水平必须要有显著提岛。在屯网自动化方面，继2008年投入自动发电量控制(AGC)系统后，石热电厂进一步结合本厂实际情况，也为能建设一个具有高质量电能的电网，于2012底至2013年度建设并投入电厂侧AVC系统。目前处于安装阶段的后期，即将开展系统的全面调试和试运行。本研究选题着眼于制定我厂AVC系统电压控制策略、安全约束策略的制定、调试过程中的优化和投入运行后的效果验证来展开。
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1.2国内外研究动态
电无功控制系统萌芽于上个世纪60年代，在当时德国最大的电力公司莱茵电力公司（RWE)的电压控制系统中，是通过以最小网损为目标的最优潮流(Optimal Power Flow, OPF)计算[6，7]，将优化计算的结果由调度中心直接发送到各电厂来实现的。这种初期的模式结构简单，实现也并不复杂，但是最优潮流计算量大，运算速度较慢，会影响整个电力系统电压控制的调节跟踪速度。同时，电网系统每一环节的异常以及大量离散的无功补偿设备都有可能造成最优潮流计算发散、计算结果不可取或者难以达到最优[8]。此后，出现了早期基于VQC(Voltage Quality Control)的变电站局部电压无功控制。但其本质上只是变电站内部的E域无功优化，不能从全网角度分析和优化全网的无功潮流。伴随着电网的不断发展，特别是伴随卷信息时代的來临、网络通信技术的普及，上此纪90年代，法la(EDF)率先实现了全网三级屯压控制系统，其后在意大利、比利时、两班牙等ISI的电网中得到较好地应用。
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第2章电厂自动电压控制的原理

2.1北京电网的无功电压控制特点
在北京电网，调度管辖范围大致如下划分[18’19]: 500kV电网，包括500kV电正等级主变压器低压侧的无功设备由网调调度；200kV电网，包括220kV电压等级主变压器低压侧的无功设备由市调调度；llOkV电网由地调调度，见图2-1。石景山热电f i的出线为220kV石i一、二线，220kV石上线和220kV石门线，因此我厂的总无功功率调度主要归北京市调负责。北京电网采用目前应用较广泛的三级电压控制[2G]。三级控制是屯网全局控制，综合考虑各变屯站、电厂的无功分布，全网电压的合格率以及潮流分布，以网损最小作为其控制目标，因此其控制时正常数较长，一般可达到小时级。二级控制主要包括电厂控制和变电站控制。以电厂控制为例，控制目标是根据区域核心母线电压值计算出电厂出线目标母线的电压值，并协调电厂各机组的无功功率，使目标母线电压值或者电厂总无功功率符合三级控制的设定。当控制目标值与实际值有偏差时，可以通过内部控制程序和安全约束条件对机组进行调控，其时间常数一般在秒级。一级控制是指单元机组励磁调节器（AVR)控制，时间常数一般在毫秒级。电厂有AVC系统子站，接收AVC主站计算的目标母线电压值，并根据各台机组的运行状态，分别对各机组下达励磁调节的指令，完成对控制目标的闭环控制，见图2-2。
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2.2无功功率平衡
我国从本世纪初叶开始引入国外先进的全网电压控制系统，湖南省网、福建省网、河南省网、安徽省网、江苏省网先后建立了二级或三级AVC控制架构一级控制由厂站侧AVC装置构成，根据高压母线电压设定值进行闭环控制，响应速度快。二级控制由地区调度AVC子系统构成，用来协调区域内的各一级电压控制。三级控制是省网调度AVC主站装置，通过全网的最优潮流计算得到电厂高压母线电￡￡、500kV变电站变压器分接头和并联补偿设各的投切状态以及地区功率因数考核指标，通过通信网络将优化控制指标下发到二级控制系统，OPF响应速度约在几十分钟[12]。目前，我国已有相当数量的电厂投入了厂站侧AVC系统无论燃煤机组、燃气机组还是水电机组，厂站侧AVC系统基本架构完全一致，分为上位机和下位机两部分，均并联在现场总线上。上位机一般采取主、备冗余设计，一台上位机发生故障，可以自动退出并自动切换至另一台上位机运行。上位机与上一级控制系统主站直接联系，反馈当前电厂的运行状态，并接受主站的目标指令，经过综合运算后，将数据通过现场总线发送至下位机。上位机与下位机之间一般通过光缆连接，可有效屏蔽上下位机之间的通信干扰。下位机与发电机励磁自动调节器(AVR)相联系，通过改变发电机励磁电流来实现母线电压的自动控制。
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第3章电厂自动电压控制系统设计方案.......... 9
3.1石景山热电厂现状.......... 9
3.2石景山热电厂自动电压控制系统总体设计原则.......... 9
3.3自动电压控制系统的具休方案..........10
3.4自动电化控制系统结构设计.......... 16
3.5本章小结.......... 17
第4章石景山热电厂自动电压控制系统的调试.......... 1
4.1石景山热电厂自动电压控制系统选型概述.......... 18
4.2石景山热屯厂自动电压控制系统调试试验.......... 19
4.3石景山热电厂自动电压控制系统的运行.......... 37
4.4石景山热电厂投运自动电压控制系统后的收益分析.......... 38
4.5本章小结.......... 39
第5章总结与展望.......... 40

第4章石景山热电厂自动电压控制系统的调试

4.1石景山热电厂自动电压控制系统选型概述
石景山热电厂自动电压控制POWER AVC 3000装置，是安装于发电厂通过调控机组励磁，实现电网电压、无功优化控制的专门装置。在相关约束条件下，根据接受的目标电压指令，调节机组励磁，从而改变电厂高压侧母线电压，达到控制目标。目的是提高电网的可靠性和电网运行的经济性，该装置可实现本地和远方调度控制。现场性能测试是在装置安装完毕后，测试包括设备投入运行前的全面检查、精度测试、可靠性试验、控制逻辑测试及控制器参数整定，关系到AVC装置的正常运行、调节精度与效能、调节速率指标，关系到其在屯网无功优化控制中发挥的作用。POWER AVC 3000软件根据北京市调调度下发的220kV四、五母线电压.目标值和石门线目标值，分别自动计算得出1号、2号、3号机组所要承担的总无功出力日标位和4号机组无功出力目标值，并根据设定的无功功率分配原则，在充分考虑各种约束条件后，将总无功功率合理分配给每台机组，并通过AVC设备发出控制信号到DCS控制系统，通过DCS控制系统来控制发电机组励磁调节控制系统AVR,实现4台机组的电压无功自动控制。励磁系统调节机组无功功率，最终使全厂母线电压达到北京市调调度所下发的目标值。POWER AVC 3000系统输出异常或调节控制约束条件成立时，POWERAVC3000调节功能会自动退出，并有告警显示功能。

结论

本文的主要研究工作是石景山热电厂自动电压控制系统投运的设计、调试和应用。本项工作的主要成果有以下三点：
一是根据石景山热电厂现场需求，提出了自动电压控制系统的实现方案，从数据采集方式、闭环控制方式、安全约束策略等多个方面对各种可能的选择进行了分析比较，最终提出了一套适合于石景山热电厂的方案。石景山热电厂的设计方案对其他需要进行AVC系统设计或改造的电厂，具有很好的借鉴意义。
二是设计了自动电压控制系统的调试方案，并通过调试验证了这套自动电压控制系统能够满足电网和电厂对无功电压调节的需求。调试方案涵盖了仿真测试、功能测试、开环测试、闭环测试等多方面，并完整复现了整个调试的过程，并对各项试验的结果进行了分析，对于其他电厂自动电压控制系统的投运具有普遍的指导或参考意义。
三是通过投运自动电压控制系统，，为电网和电厂都带来了收益，提高了电能质量，促进了电网的经济运行，也保证了电厂机组的安全运行，并给电厂创造了经济效益。
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参考文献（略）