【摘要】 電壓是反應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和電能質(zhì)量水平的最重要指標(biāo)之一。電網(wǎng)側(cè)的電壓水平直接關(guān)系到電網(wǎng)運(yùn)行的損耗,而用戶側(cè)的電壓水平如果高于或者低于正常工作范圍,不僅會影響電能設(shè)備的使用壽命和工作效率,甚至造成電能設(shè)備損壞,威脅用戶安全。電網(wǎng)無功功率的控制是有效控制電網(wǎng)電壓的手段之一。本文的研究工作圍繞北京京能電力股份有限公司石景山熱電廠自動電壓控制系統(tǒng)(以下簡稱“AVC系統(tǒng)”)的應(yīng)用研究展開。在學(xué)習(xí)AVC系統(tǒng)基本原理的基礎(chǔ)上,結(jié)合石景山熱電廠的實(shí)際和北京市調(diào)度中心的要求,從數(shù)據(jù)采集、閉環(huán)控制、安全策略、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面,設(shè)計(jì)了電廠AVC系統(tǒng)的方案。在AVC系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用前,設(shè)計(jì)并實(shí)施了對AVC系統(tǒng)的調(diào)試,包括本地仿真測試、本地開環(huán)測試、功能測試和閉環(huán)測試。AVC系統(tǒng)實(shí)際投運(yùn)后,對其產(chǎn)生的收益進(jìn)行了分析總結(jié)。本文完整復(fù)現(xiàn)了石景山熱電廠AVC系統(tǒng)從設(shè)計(jì)方案到調(diào)試,再到實(shí)際應(yīng)用的全部過程,實(shí)現(xiàn)了采集北京市調(diào)度中心實(shí)時數(shù)據(jù)并進(jìn)行在線分析和計(jì)算,達(dá)到電壓無功自動優(yōu)化,保證電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行、電能質(zhì)量高效經(jīng)濟(jì)的目的,對于其他將要投運(yùn)AVC系統(tǒng)的電廠有一定的借鑒意義。 

第1章緒論

1.1選題背景及其意義
伴隨著我國工業(yè)化信息化進(jìn)程的不斷深入，我國電網(wǎng)也在不斷發(fā)展壯大，一方面電網(wǎng)規(guī)模日益龐大，屯網(wǎng)結(jié)構(gòu)円趨復(fù)雜，另一方面電能負(fù)荷需求也在急劇增加⑴。因此，向用戶提供高質(zhì)量的電能產(chǎn)品，有效降低電網(wǎng)損耗，保持電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定、高效經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，成為了現(xiàn)階段電力工作者努力的方向，越來越受到重視。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定建立在有功功率P和無功功率Q平衡的基礎(chǔ)之上。有功和無功的不平衡將反映于頻率和電壓的變化。電壓是反應(yīng)電力系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和電能質(zhì)量水平的最重要指標(biāo)之一。北京京能熱電股份有限公司石景山熱電廠是一家擁有近百年歷史傳承的老廠，因?yàn)闅v史的原因，石熱電廠機(jī)組容量�。ㄋ呐_220MW燃煤機(jī)組），運(yùn)齡長（四臺均在20-30年），自動化水平相對較差。電廠機(jī)組高壓母線出線結(jié)構(gòu)為：1、2、3號機(jī)組連接到220kV四、五母線（雙母線出線）；4號機(jī)組為單元出線，單獨(dú)與220kV石門線相連。近些年來，面對激烈的電力市場化競爭等新因素，效率和經(jīng)濟(jì)性的新要求促使石熱電廠的自動化水平必須要有顯著提島。在屯網(wǎng)自動化方面，繼2008年投入自動發(fā)電量控制(AGC)系統(tǒng)后，石熱電廠進(jìn)一步結(jié)合本廠實(shí)際情況，也為能建設(shè)一個具有高質(zhì)量電能的電網(wǎng)，于2012底至2013年度建設(shè)并投入電廠側(cè)AVC系統(tǒng)。目前處于安裝階段的后期，即將開展系統(tǒng)的全面調(diào)試和試運(yùn)行。本研究選題著眼于制定我廠AVC系統(tǒng)電壓控制策略、安全約束策略的制定、調(diào)試過程中的優(yōu)化和投入運(yùn)行后的效果驗(yàn)證來展開。
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1.2國內(nèi)外研究動態(tài)
電無功控制系統(tǒng)萌芽于上個世紀(jì)60年代，在當(dāng)時德國最大的電力公司萊茵電力公司（RWE)的電壓控制系統(tǒng)中，是通過以最小網(wǎng)損為目標(biāo)的最優(yōu)潮流(Optimal Power Flow, OPF)計(jì)算[6，7]，將優(yōu)化計(jì)算的結(jié)果由調(diào)度中心直接發(fā)送到各電廠來實(shí)現(xiàn)的。這種初期的模式結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)也并不復(fù)雜，但是最優(yōu)潮流計(jì)算量大，運(yùn)算速度較慢，會影響整個電力系統(tǒng)電壓控制的調(diào)節(jié)跟蹤速度。同時，電網(wǎng)系統(tǒng)每一環(huán)節(jié)的異常以及大量離散的無功補(bǔ)償設(shè)備都有可能造成最優(yōu)潮流計(jì)算發(fā)散、計(jì)算結(jié)果不可取或者難以達(dá)到最優(yōu)[8]。此后，出現(xiàn)了早期基于VQC(Voltage Quality Control)的變電站局部電壓無功控制。但其本質(zhì)上只是變電站內(nèi)部的E域無功優(yōu)化，不能從全網(wǎng)角度分析和優(yōu)化全網(wǎng)的無功潮流。伴隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，特別是伴隨卷信息時代的來臨、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的普及，上此紀(jì)90年代，法la(EDF)率先實(shí)現(xiàn)了全網(wǎng)三級屯壓控制系統(tǒng)，其后在意大利、比利時、兩班牙等ISI的電網(wǎng)中得到較好地應(yīng)用。
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第2章電廠自動電壓控制的原理

2.1北京電網(wǎng)的無功電壓控制特點(diǎn)
在北京電網(wǎng)，調(diào)度管轄范圍大致如下劃分[18’19]: 500kV電網(wǎng)，包括500kV電正等級主變壓器低壓側(cè)的無功設(shè)備由網(wǎng)調(diào)調(diào)度；200kV電網(wǎng)，包括220kV電壓等級主變壓器低壓側(cè)的無功設(shè)備由市調(diào)調(diào)度；llOkV電網(wǎng)由地調(diào)調(diào)度，見圖2-1。石景山熱電f i的出線為220kV石i一、二線，220kV石上線和220kV石門線，因此我廠的總無功功率調(diào)度主要?dú)w北京市調(diào)負(fù)責(zé)。北京電網(wǎng)采用目前應(yīng)用較廣泛的三級電壓控制[2G]。三級控制是屯網(wǎng)全局控制，綜合考慮各變屯站、電廠的無功分布，全網(wǎng)電壓的合格率以及潮流分布，以網(wǎng)損最小作為其控制目標(biāo)，因此其控制時正常數(shù)較長，一般可達(dá)到小時級。二級控制主要包括電廠控制和變電站控制。以電廠控制為例，控制目標(biāo)是根據(jù)區(qū)域核心母線電壓值計(jì)算出電廠出線目標(biāo)母線的電壓值，并協(xié)調(diào)電廠各機(jī)組的無功功率，使目標(biāo)母線電壓值或者電廠總無功功率符合三級控制的設(shè)定。當(dāng)控制目標(biāo)值與實(shí)際值有偏差時，可以通過內(nèi)部控制程序和安全約束條件對機(jī)組進(jìn)行調(diào)控，其時間常數(shù)一般在秒級。一級控制是指單元機(jī)組勵磁調(diào)節(jié)器（AVR)控制，時間常數(shù)一般在毫秒級。電廠有AVC系統(tǒng)子站，接收AVC主站計(jì)算的目標(biāo)母線電壓值，并根據(jù)各臺機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，分別對各機(jī)組下達(dá)勵磁調(diào)節(jié)的指令，完成對控制目標(biāo)的閉環(huán)控制，見圖2-2。
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2.2無功功率平衡
我國從本世紀(jì)初葉開始引入國外先進(jìn)的全網(wǎng)電壓控制系統(tǒng)，湖南省網(wǎng)、福建省網(wǎng)、河南省網(wǎng)、安徽省網(wǎng)、江蘇省網(wǎng)先后建立了二級或三級AVC控制架構(gòu)一級控制由廠站側(cè)AVC裝置構(gòu)成，根據(jù)高壓母線電壓設(shè)定值進(jìn)行閉環(huán)控制，響應(yīng)速度快。二級控制由地區(qū)調(diào)度AVC子系統(tǒng)構(gòu)成，用來協(xié)調(diào)區(qū)域內(nèi)的各一級電壓控制。三級控制是省網(wǎng)調(diào)度AVC主站裝置，通過全網(wǎng)的最優(yōu)潮流計(jì)算得到電廠高壓母線電￡￡、500kV變電站變壓器分接頭和并聯(lián)補(bǔ)償設(shè)各的投切狀態(tài)以及地區(qū)功率因數(shù)考核指標(biāo)，通過通信網(wǎng)絡(luò)將優(yōu)化控制指標(biāo)下發(fā)到二級控制系統(tǒng)，OPF響應(yīng)速度約在幾十分鐘[12]。目前，我國已有相當(dāng)數(shù)量的電廠投入了廠站側(cè)AVC系統(tǒng)無論燃煤機(jī)組、燃?xì)鈾C(jī)組還是水電機(jī)組，廠站側(cè)AVC系統(tǒng)基本架構(gòu)完全一致，分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，均并聯(lián)在現(xiàn)場總線上。上位機(jī)一般采取主、備冗余設(shè)計(jì)，一臺上位機(jī)發(fā)生故障，可以自動退出并自動切換至另一臺上位機(jī)運(yùn)行。上位機(jī)與上一級控制系統(tǒng)主站直接聯(lián)系，反饋當(dāng)前電廠的運(yùn)行狀態(tài)，并接受主站的目標(biāo)指令，經(jīng)過綜合運(yùn)算后，將數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場總線發(fā)送至下位機(jī)。上位機(jī)與下位機(jī)之間一般通過光纜連接，可有效屏蔽上下位機(jī)之間的通信干擾。下位機(jī)與發(fā)電機(jī)勵磁自動調(diào)節(jié)器(AVR)相聯(lián)系，通過改變發(fā)電機(jī)勵磁電流來實(shí)現(xiàn)母線電壓的自動控制。
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第3章電廠自動電壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案.......... 9
3.1石景山熱電廠現(xiàn)狀.......... 9
3.2石景山熱電廠自動電壓控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則.......... 9
3.3自動電壓控制系統(tǒng)的具休方案..........10
3.4自動電化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).......... 16
3.5本章小結(jié).......... 17
第4章石景山熱電廠自動電壓控制系統(tǒng)的調(diào)試.......... 1
4.1石景山熱電廠自動電壓控制系統(tǒng)選型概述.......... 18
4.2石景山熱屯廠自動電壓控制系統(tǒng)調(diào)試試驗(yàn).......... 19
4.3石景山熱電廠自動電壓控制系統(tǒng)的運(yùn)行.......... 37
4.4石景山熱電廠投運(yùn)自動電壓控制系統(tǒng)后的收益分析.......... 38
4.5本章小結(jié).......... 39
第5章總結(jié)與展望.......... 40

第4章石景山熱電廠自動電壓控制系統(tǒng)的調(diào)試

4.1石景山熱電廠自動電壓控制系統(tǒng)選型概述
石景山熱電廠自動電壓控制POWER AVC 3000裝置，是安裝于發(fā)電廠通過調(diào)控機(jī)組勵磁，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)電壓、無功優(yōu)化控制的專門裝置。在相關(guān)約束條件下，根據(jù)接受的目標(biāo)電壓指令，調(diào)節(jié)機(jī)組勵磁，從而改變電廠高壓側(cè)母線電壓，達(dá)到控制目標(biāo)。目的是提高電網(wǎng)的可靠性和電網(wǎng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，該裝置可實(shí)現(xiàn)本地和遠(yuǎn)方調(diào)度控制�，F(xiàn)場性能測試是在裝置安裝完畢后，測試包括設(shè)備投入運(yùn)行前的全面檢查、精度測試、可靠性試驗(yàn)、控制邏輯測試及控制器參數(shù)整定，關(guān)系到AVC裝置的正常運(yùn)行、調(diào)節(jié)精度與效能、調(diào)節(jié)速率指標(biāo)，關(guān)系到其在屯網(wǎng)無功優(yōu)化控制中發(fā)揮的作用。POWER AVC 3000軟件根據(jù)北京市調(diào)調(diào)度下發(fā)的220kV四、五母線電壓.目標(biāo)值和石門線目標(biāo)值，分別自動計(jì)算得出1號、2號、3號機(jī)組所要承擔(dān)的總無功出力日標(biāo)位和4號機(jī)組無功出力目標(biāo)值，并根據(jù)設(shè)定的無功功率分配原則，在充分考慮各種約束條件后，將總無功功率合理分配給每臺機(jī)組，并通過AVC設(shè)備發(fā)出控制信號到DCS控制系統(tǒng)，通過DCS控制系統(tǒng)來控制發(fā)電機(jī)組勵磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)AVR,實(shí)現(xiàn)4臺機(jī)組的電壓無功自動控制。勵磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)組無功功率，最終使全廠母線電壓達(dá)到北京市調(diào)調(diào)度所下發(fā)的目標(biāo)值。POWER AVC 3000系統(tǒng)輸出異�；蛘{(diào)節(jié)控制約束條件成立時，POWERAVC3000調(diào)節(jié)功能會自動退出，并有告警顯示功能。

結(jié)論

本文的主要研究工作是石景山熱電廠自動電壓控制系統(tǒng)投運(yùn)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和應(yīng)用。本項(xiàng)工作的主要成果有以下三點(diǎn)：
一是根據(jù)石景山熱電廠現(xiàn)場需求，提出了自動電壓控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，從數(shù)據(jù)采集方式、閉環(huán)控制方式、安全約束策略等多個方面對各種可能的選擇進(jìn)行了分析比較，最終提出了一套適合于石景山熱電廠的方案。石景山熱電廠的設(shè)計(jì)方案對其他需要進(jìn)行AVC系統(tǒng)設(shè)計(jì)或改造的電廠，具有很好的借鑒意義。
二是設(shè)計(jì)了自動電壓控制系統(tǒng)的調(diào)試方案，并通過調(diào)試驗(yàn)證了這套自動電壓控制系統(tǒng)能夠滿足電網(wǎng)和電廠對無功電壓調(diào)節(jié)的需求。調(diào)試方案涵蓋了仿真測試、功能測試、開環(huán)測試、閉環(huán)測試等多方面，并完整復(fù)現(xiàn)了整個調(diào)試的過程，并對各項(xiàng)試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了分析，對于其他電廠自動電壓控制系統(tǒng)的投運(yùn)具有普遍的指導(dǎo)或參考意義。
三是通過投運(yùn)自動電壓控制系統(tǒng)，，為電網(wǎng)和電廠都帶來了收益，提高了電能質(zhì)量，促進(jìn)了電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，也保證了電廠機(jī)組的安全運(yùn)行，并給電廠創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益。
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參考文獻(xiàn)（略）