CN102064610A - 一种基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统，适用于电力系统的发电厂内的自动电压控制。所述子站系统由AVC工作站、协调控制装置和多个执行控制装置组成。为了方便就地的监控，配置了平板电脑作为就地的操作面板。本发明充分满足了发电厂高压母线自动电压控制的要求，具有通用性强、可靠性高、控制精度高的特点。本发明实现了发电厂自动电压控制AVC子站的高压母线电压控制功能，适用于火电、水电、核电、风电领域，对于所需实时数据的获取，支持通信方式和直接采集方式。在硬件上采用了工业嵌入式装置实现，采用电源冗余、控制器冗余、双网冗余的设计，在软件控制算法上，考虑了各种安全约束条件，提高了系统的可靠性和抗干扰功能。

Description

一种基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统

技术领域

本发明属于工业控制技术领域，具体地涉及一种发电厂自动电压控制(AVC)子站的实现方案。

背景技术

随着电力系统规模的不断发展，电网对电能质量的要求越来越高，调度中心对电网电压合格率的考核也越来越严格，发电厂自动电压控制(AVC)系统在电厂的作用也越来越大，对其调节精度、调节时间及其稳定性、可靠性的要求也越来越高。

市场现有的AVC子站产品的上位机采用工控机来实现，与采用基于实时嵌入式操作系统的工业嵌入式装置来实现所有AVC控制装置的功能相比，在可靠性、抗干扰性、可扩展性、运算速度、运行指标、EMC、低功耗等方面都具有明显的劣势。

市场现有的AVC子站产品在下位机冗余性上考虑不足，没有对重要的环节采用双冗余配置，例如电源冗余、控制器冗余、双网冗余的设计，存在着系统的可靠性不高的问题；

市场现有的AVC子站产品上位机与下位机之间一般采用串口通信，难以保证数据传输的实时性、可靠性；

现有的AVC子站产品缺乏很好的仿真调试手段，存在着无法进行AVC装置离线闭环测试的问题；

现有的AVC子站产品的HMI功能有限，在实时曲线、历史曲线、事件记录、操作日志、报警查询、报表自动生成、数据统计、历史数据全息存储方面功能有限，缺乏便捷的数据分析手段。

发明内容

为了解决现有技术中存在的以上问题，本发明公开了一种基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统(即AVC控制子站系统)，所述分散式发电厂自动电压控制子站系统包含1台自动电压控制AVC工作站、1台用于发电厂内协调控制的独立的自动电压控制AVC协调控制装置、若干用于机组执行控制的独立的自动电压控制AVC执行控制装置；其特征在于：

所述自动电压控制AVC工作站、自动电压控制AVC协调控制装置、自动电压控制AVC执行控制装置之间通过冗余的通信网络进行数据交互；

自动电压控制AVC协调控制装置配置冗余的通信插件与远动装置及调度端的自动电压控制AVC主站进行数据交互；

自动电压控制AVC协调控制装置接收调度端的自动电压控制AVC主站或操作员通过所述自动电压控制AVC工作站下发的电压目标指令，通过与升压站高压母线电压比较，计算出发电厂应发的目标无功，并按照设定的无功分配策略计算出各个投入自动电压控制功能的机组的目标无功；

所述若干自动电压控制AVC执行控制装置接收自动电压控制AVC协调控制装置下发的机组目标无功指令，产生脉宽可调或脉宽恒定的增减磁脉冲与机组的励磁调节器AVR接口，使机组的实发无功达到目标值。

所述AVC协调控制装置负责与远动装置和调度中心通信，接收遥调、遥控指令，上送遥测、遥信信息。同时通过以太网与AVC执行控制装置交互信息，AVC子站系统所需遥测、遥信量既可通过通信方式从测控装置或远动装置获取，也可采用直接采集的方式获得。为发电厂提供AVC、AGC、NCS、ECS一体化解决方案。同时，AVC装置为用户提供对装置的本地操作接口，包括LCD显示屏、LED指示灯以及操作按键。人机接口插件采用内部通信方式与CPU插件进行数据交换。

分散式发电厂自动电压控制AVC子站系统对于重要的电源模块、CPU模块均作了冗余配置，电源模块以双电源冗余工作方式运行，并支持无扰切换；双电源模块同时运行，正常工作时互为冗余的电源模块处于均流状态；若一个电源模块损坏，则另一个电源模块满负荷输出，以保证装置的正常运行；电源模块的告警监视功能可通过继电器触点及时地提供电源故障信号，电源模块具有清晰的LED状态显示；各装置的CPU模块选配冗余功能，CPU模块通过设置实现冗余运行方式，双CPU模块同时运行相同应用逻辑，当主CPU模块出现故障退出运行后，备CPU模块自动投入运行，达到无扰切换目的，不影响控制逻辑的正常运行；支持热拔插功能，能够在线更换，且在更换时对同一系统其他插件的功能实现不会产生影响；支持数据同步功能，为了实现冗余CPU模块的无扰切换，主CPU模块应将数据点的状态定期同步传送给备CPU模块。

本发明具有以下优点：

1、所述AVC子站系统的设计结合了PLC和电力系统继电保护及安全自动装置的优点，采用通用的软硬件平台，运行稳定、可靠，软件基于IEC61131-3标准，按不同功能组态设置AVC工作站、AVC协调控制装置以及AVC执行控制装置的控制逻辑，本发明还提供了对装置的本地操作接口，包括LCD显示屏、LED指示灯以及操作按键，使用方便，全汉化界面，人机交互简单、方便；通过装置本身的LCD显示屏、LED指示灯可以就地监视装置本身运行情况及相关系统的运行工况。每个装置对于重要的电源模块、CPU模块均作了冗余配置，电源模块以双电源冗余工作方式运行，并支持无扰切换；模块同时运行，正常工作时互为冗余的电源模块处于均流状态；若一个电源模块损坏，则另一个电源模块满负荷输出，以保证装置的正常运行；电源模块的告警监视功能可通过继电器触点及时地提供电源故障信号，电源模块具有清晰的LED状态显示；装置的CPU模块选配冗余功能，CPU模块通过设置实现冗余运行方式，双CPU模块同时运行相同应用逻辑，当主CPU模块出现故障退出运行后，备CPU模块自动投入运行，达到无扰切换目的，不影响控制逻辑的正常运行；支持热拔插功能，能够在线更换，且在更换时对同一系统其他插件的功能实现不会产生影响；支持数据同步功能，为了实现冗余CPU模块的无扰切换，主CPU模块应将数据点的状态定期同步传送给备CPU模块，且能实现逻辑控制闭锁功能，在备CPU模块发出控制指令，下方板卡不响应。

2、当前已有的发电厂自动电压协调控制(AVC)系统，通常采用PC机配置的上位机与调度及远动进行通讯，获取系统目标值及系统母线电压值进行调节控制，其通讯的实时性及可靠性常常影响到整个系统的安全稳定运行，本发明技术方案采用冗余的专用的工业级的通讯插件(相当于通讯管理机)替代当前常用的PC机与远动及调度端通讯，大大提升通讯实时性与可靠性，AVC协调控制装置内的专用通讯插件基于嵌入式设计，采用多CPU并行处理模式，以高性能PowerPC通讯处理器作为主CPU，辅以专用的通信协处理器，配有大容量的程序存储器、数据存储器，处理速度快、运算能力强。强大的通信处理能力大容量实时数据库和工业通信机制，保证了数据处理和通信实时性，丰富的通信接口和通信规约可灵活配置，这样的设计充分满足了工程实时性和灵活性需求。以商业化的嵌入式实时操作系统为软件平台开发具有高可靠性和实时性，确保了系统安全可靠。在调度远方控制的运行方式下，系统的安全运行不受AVC工作站或上位机运行状态的影响。

3、所述发电厂自动电压协调控制(AVC)子站系统的整个系统设计采用一个AVC协调控制装置与远动装置和调度中心通信，接收遥调、遥控指令，上送遥测、遥信信息，并按照一定的分配策略计算出各个投入AVC功能的机组的目标无功，协调控制多个分散的独立的AVC执行装置调节各台机组的无功功率，各装置之间通过通信网络传送各种数据，整个系统功能分散、信息共享、协调工作，以完成系统总的控制调节功能。每个装置对于重要的电源模块、CPU模块均作了冗余配置，AVC协调控制装置的负责与与远动装置和调度中心通信的专用通讯插件也作了冗余配置，这样的结构设计保证了在单台机组或单个AVC装置不能参与系统调节时，不影响整个电厂其它机组的无功调节功能；为了保证系统通讯的可靠，整个系统采用双网完全冗余的设计；

4、本发明通用性强，体现在三个方面，数据获取支持通信方式和直接采集方式；支持与可变脉宽与恒定脉宽的励磁调节器进行接口；通信接口支持IEC870-5-104规约、IEC870-5-101规约、部颁CDT规约。

5、本发明提供了很好的仿真调试手段，可以进行AVC装置离线闭环测试

6、算法的专业性，现有AVC子站的控制原理都涉及到系统阻抗的计算，系统阻抗计算的稳定性直接影响到AVC调节的动态性能，本发明采用了递归最小二乘法进行处理，提高了数据的容错能力和系统阻抗计算的稳定性。

7、本发明采用了符合IEC61131-3标准的图形化可编程逻辑组态，组态灵活方便、易维护、易扩建，支持用户开发自定义的专用算法模块；

8、本发明图形组态软件提供了丰富的应用工具，实时曲线、历史曲线、事件记录、操作日志、报警查询、报表自动生成、数据统计等应用功能，历史数据全息存储、长时间录波、2年以上数据存储，提供便捷的数据分析手段；

这样的设计充分的满足了目前电力系统发电厂的自动电压控制要求，并且大大提高了系统电压调节的质量及系统本身的可靠性。

附图说明

图1是本发明的系统结构图；

图2是典型AVC子站系统实现方案图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明的技术方案进一步说明。

如图1所示为本发明的基于装置的分散式发电厂自动电压控制AVC子站系统结构图。一种基于装置的分散式发电厂自动电压控制AVC子站系统，所述分散式发电厂自动电压控制子站系统包含1台AVC工作站、1台用于发电厂内协调控制的独立的AVC协调控制装置、若干用于机组执行控制的独立的AVC执行控制装置；所述AVC工作站、AVC协调控制装置、AVC执行控制装置之间通过冗余的通信网络进行数据交互；

AVC协调控制装置配置冗余的通信插件与远动机及调度端的AVC主站进行数据交互；AVC协调控制装置接收调度端的AVC主站或操作员通过所述AVC工作站下发的电压目标指令，通过与升压站高压母线电压比较，计算出发电厂应发的目标无功，并按照设定的分配策略计算出各个投入自动电压控制功能的机组的目标无功；所述若干AVC执行控制装置接收AVC协调控制装置下发的机组目标无功指令，产生脉宽可调或脉宽恒定的增减磁脉冲与机组的励磁调节器AVR接口，直到机组的实发无功达到目标值。

所述AVC协调控制装置负责与远动装置和调度中心通信，接收遥调、遥控指令，上送遥测、遥信信息。同时通过以太网与AVC执行控制装置交互信息，AVC子站系统所需遥测、遥信量既可通过通信方式从测控装置或远动装置获取，也可采用直接采集的方式获得。为发电厂提供AVC、AGC、NCS、ECS一体化解决方案。同时，AVC装置为用户提供对装置的本地操作接口，包括LCD显示屏、LED指示灯以及操作按键。人机接口插件采用内部通信方式与CPU插件进行数据交换。

分散式发电厂自动电压控制AVC子站系统对于重要的电源模块、CPU模块均作了冗余配置，电源模块以双电源冗余工作方式运行，并支持无扰切换；双电源模块同时运行，正常工作时互为冗余的电源模块处于均流状态；若一个电源模块损坏，则另一个电源模块满负荷输出，以保证装置的正常运行；电源模块的告警监视功能可通过继电器触点及时地提供电源故障信号，电源模块具有清晰的LED状态显示；各装置的CPU模块选配冗余功能，CPU模块通过设置实现冗余运行方式，双CPU模块同时运行相同应用逻辑，当主CPU模块出现故障退出运行后，备CPU模块自动投入运行，达到无扰切换目的，不影响控制逻辑的正常运行；支持热拔插功能，能够在线更换，且在更换时对同一系统其他插件的功能实现不会产生影响；支持数据同步功能，为了实现冗余CPU模块的无扰切换，主CPU模块应将数据点的状态定期同步传送给备CPU模块。

AVC子站系统由AVC工作站、协调控制装置和多个执行控制装置组成。为了方便就地的监控，配置了平板电脑作为就地的操作面板。典型AVC子站系统实现方案构成如图2所示。

对于整个发电厂只需要配置1台AVC工作站、1台协调控制装置。对于每台机组都需要配置1台执行控制装置，他们之间通过冗余的通信网络进行数据交互。协调控制器通过通信的方式和远动机及调度端的AVC主站进行数据交互。

AVC子站通过直采或通信方式获得母线电压、机组有功、无功、定子电压、定子电流、励磁电压、励磁电流等实时数据，计算出电厂侧的系统阻抗和设定目标电压值下应从母线注入电网的无功，考虑机组安全运行的各种限制，并将无功变化量合理分配至各在线可调机组，从而实现对母线电压的调节功能，主要包含以下算法：

■拓扑关系识别：识别机组和母线的关联关系；

AVC子站根据已采集的当前与发电机及母线相连的相关发电厂一次设备隔离开关、断路器的位置信号，软件采用逻辑算法，能够自动识别电厂发电机当前运行的拓扑结构，从而实现运行方式异常时AVC子站能够可靠地实现闭锁。

■系统阻抗计算：计算出电厂侧的系统阻抗；

系统阻抗反映了发电厂与电力系统电气连接的密切程度，AVC子站通过计算系统阻抗，预测目标无功，系统阻抗计算结果的稳定性和准确性对AVC子站的调节性能影响很大，本发明采用了基于递归最小二乘法的原理进行系统阻抗的计算。

■预测系统无功：根据目标电压指令，预测系统目标无功；

■无功功率分配：根据目标无功，进行可调机组无功功率分配；

AVC子站系统提供了三种无功分配策略

(1)等功率因数

这种方式使得各可调机组具有相同的功率因数

(2)等比例法

该方法可使所有发电机的无功运行点及其无功上、下限的距离有相同的百分比。

(3)相似裕度法

使用该方法，当需要机组增加无功时，可使所有发电机的无功运行点距离其无功上限的距离有相同的百分比。当需要机组减少无功时，可使所有发电机的无功运行点距离其无功下限的距离有相同的百分比。

■安全约束条件：利用安全约束条件，对分配策略进行约束；

为了保证机组安全、稳定运行，无功功率分配时考虑以下因素：

发电机机端电压约束：

静态稳定因素的约束；

无功功率上下限约束；

发电机定子电流约束；

发电机转子电流约束。

■逻辑关系闭锁：AVC控制器投退条件及增、减磁闭锁；

AVC执行控制器投入条件：

机组励磁调节器AVR自动位，且无故障

发电机组在发电态

无发变组保护信号

运行方式正常

AVC执行控制器增无功指令闭锁条件：

执行控制器AVC功能退出

定子电流越上限

转子电流越上限

机端电压越上限

机组无功越上限

母线电压越上限

AVC执行控制器减无功指令闭锁条件：

执行控制器AVC功能退出

定子电流越下限

转子电流越下限

机端电压越下限

机组无功越下限

母线电压越下限

在本发明实施例中，发电厂自动电压控制(AVC)子站HMI后台监控界面，实现了AVC子站的监视、控制、数据分析，主要功能包括AVC实时监视、历史曲线、报警、报表、系统设置(运行方式、电压\无功计划曲线、定值参数)、系统工具等。

在本发明实施例中，针对不同AVC控制装置的定值、曲线下装设计

每个控制装置支持最多200个定值，600个参数。

定值、参数与逻辑的交互

通过驱动将定值、参数数据提供给逻辑。

定值驱动名称：″SfSet″，参数1：定值数据总长度。

参数驱动名称：″SfPara″，参数1：参数数据总长度。

逻辑地址驱动说明：定值和参数一样的处理方式，每个数据，不论什么类型，都占四个字节，逻辑根据具体类型定义。在数据区前预留四个字节作为有效无效标识区，该标识为一字节。

定值、参数通过0-Net与HMI交互。

通道：采用2008数据通道

通信规约：定值下装、定值切换、定值固化、定值召唤，参数的下装和召唤与定值的主功能码相同，通过描述符区分。

参数召唤功能码0x1A，描述符0x07

参数下装功能码0x74，描述符0x01

定值、参数的主备同步

对上位机的下装和切换等命令，控制器的CM主动将接收的命令同步给对端CM(不论下装的是主或是备)。过程中定时检测主备CM的定值、参数CRC，不相同时告警。

定值、参数都采用整区下装、召唤。

定值、参数写入NVRAM区保存，实现掉电保持功能，保证了装置的可靠性

AVC实现计划曲线的功能，既能够人工下发，又可以自动下发

AVC子站电压调节功能通过控制机组AVR来实现，既要满足控制脉冲的精度要求，又要兼容不同类型的励磁调节器对控制脉冲的技术要求：

AVC子站执行控制器接收协调控制器下发的机组目标无功指令，按照一定的策略产生脉宽可调或脉宽恒定的增、减磁脉冲与机组的励磁调节器AVR接口，直到机组的实发无功达到目标值。

励磁增、减脉冲通过以下参数可以实现机组无功调节的动态特性的调整：

无功调节脉冲间隔ms：AVC执行控制器发出的励磁增、减脉冲之间的时间间隔

无功调节最大脉宽ms：AVC执行控制器发出的励磁增、减脉冲的最大脉冲宽度

无功调节最小脉宽ms：AVC执行控制器发出的励磁增、减脉冲的最小脉冲宽度

无功调节系数Mvar/ms：发电机组无功给定值与实发无功1Mvar的无功偏差与对应的脉冲宽度之比。

AVC控制器能够根据目标值与实测值的偏差动态调整控制脉冲的宽度，如果AVR需要恒定脉宽输出，将最大脉宽和最小脉宽设置为恒定脉宽即可。

通过以上参数的设置，有效满足了AVC与AVR接口调试中动态特性的要求，又能够与可变脉冲与恒定脉冲的两种类型励磁调节器的有效兼容。

AVC控制脉冲的宽度满足AVR 50ms～1s的控制脉冲的精度要求。

协调控制装置与通信插件之间、协调控制装置与执行控制装置之间采用Cnet规约进行通信

AVC控制装置与AVC工作站、就地操作面板之间采用Onet规约进行通信

通信插件与NCS及远动之间支持IEC870-5-104规约

通信插件是AVC子站与外部系统的通信接口，AVC子站可以通过通信插件获取测控装置的遥测、遥信数据，同时又通过通信插件接收调度中心的遥调、遥控指令，上送AVC子站的遥信、遥测等信息给调度中心。AVC子站采用两个通信插件，两者是热备关系。系统设计中对于参与通信的每个数据都给出了质量码，表示其通信状态的正常与否，AVC逻辑侧据此选择使用正确的测点信息。

为了提高AVC子站系统的运行可靠性，硬件结构上采用电源冗余、AVC控制器主备冗余、双网冗余的方案

AVC子站的协调控制装置和执行控制装置都采用主备冗余的配置方案，能够实现主备冗余、无扰切换，以保证AVC子站系统运行的可靠性。

当AVC控制装置中的主CPU通过检测电路检测自身当前处于工作状态时，会通过指定信号发送给AVC控制装置中的备CPU，当检测电路检测到当前控制装置中的主CPU状况异常(包括通信异常)时，AVC控制装置中的主CPU停止发送信号，AVC控制装置中的备CPU自动切换为主CPU，从而完成AVC控制装置内部主备CPU的主备切换。

为了完成AVC控制装置内部主备CPU的无扰切换，需要对主备CPU进行数据同步。正常工作时，备CPU处于热备用状态，主CPU通过以太网实时向备CPU发送同步数据，备CPU收到同步数据后对自身数据库进行更新以保持和主CPU同步。当主CPU出现异常时将停止发送信号，备CPU检测到主CPU信号停止，根据以太网收到的同步数据，转为主CPU工作模式，而原主CPU则退出工作。

Claims (9)

1.一种基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统，所述分散式发电厂自动电压控制子站系统包含1台自动电压控制AVC工作站、1台用于发电厂内协调控制的独立的自动电压控制AVC协调控制装置、若干用于机组执行控制的独立的自动电压控制AVC执行控制装置；其特征在于：

所述自动电压控制AVC工作站、自动电压控制AVC协调控制装置、自动电压控制AVC执行控制装置之间通过冗余的通信网络进行数据交互；

自动电压控制AVC协调控制装置配置冗余的通信插件与远动装置及调度端的自动电压控制AVC主站进行数据交互；

自动电压控制AVC协调控制装置接收调度端的自动电压控制AVC主站或操作员通过所述自动电压控制AVC工作站下发的电压目标指令，通过与升压站高压母线电压比较，计算出发电厂应发的目标无功，并按照设定的无功分配策略计算出各个投入自动电压控制功能的机组的目标无功；

所述若干自动电压控制AVC执行控制装置接收自动电压控制AVC协调控制装置下发的机组目标无功指令，产生脉宽可调或脉宽恒定的增减磁脉冲与机组的励磁调节器AVR接口，使机组的实发无功达到目标值。

2.根据权利要求1所述的基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统，其特征在于：

所述自动电压控制AVC协调控制装置与调度端自动电压控制AVC主站及远动通讯是采用冗余的工业级的通讯插件。

3.根据权利要求1或2所述的基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统，其特征在于：

所述自动电压控制AVC协调控制装置负责与远动装置和调度中心通信，接收遥调、遥控指令，上送遥测、遥信信息，通过以太网与自动电压控制AVC执行控制装置交互信息；

所述遥测、遥信量既可通过通信方式从测控装置或远动装置获取，也可采用直接采集的方式获得。

4.根据权利要求1或2所述的基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统，其特征在于：

所述自动电压控制子站系统电源模块采用双电源冗余方式配置，双电源模块同时运行，正常工作时互为冗余的电源模块处于均流状态；若其中一个电源模块损坏，则另一个电源模块满负荷输出，以保证所述子站系统的正常运行。

5.根据权利要求1或2所述的基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统，其特征在于：

所述自动电压控制子站系统中自动电压控制AVC工作站、自动电压控制AVC协调控制装置、自动电压控制AVC执行控制装置采用主CPU模块和备CPU模块冗余配置，主CPU模块和备CPU模块同时运行相同应用逻辑，主CPU模块将数据点的状态定期同步传送给备CPU模块，当主CPU模块出现故障退出运行后，备CPU模块自动投入运行。

6.根据权利要求1或2所述的基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统，其特征在于：

在计算所述目标无功时，为了提高计算的稳定性和容错性，还进一步包括采用递归最小二乘法原理对电厂侧的系统阻抗进行计算。

7.根据权利要求1或2所述的基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统，其特征在于：

所述设定的无功分配策略为等功率因数法，即使得各可调机组具有相同的功率因数。

8.根据权利要求1或2所述的基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统，其特征在于：

所述设定的无功分配策略为等比例法，即使得使各机组的无功运行点及其无功上、下限的距离有相同的百分比。

9.根据权利要求1或2所述的基于装置的分散式发电厂自动电压控制子站系统，其特征在于：

所述设定的无功分配策略为相似裕度法，即当需要机组增加无功时，使所有发电机的无功运行点距离其无功上限的距离有相同的百分比；当需要机组减少无功时，使所有发电机的无功运行点距离其无功下限的距离有相同的百分比。

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