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1、基于FDCS的发电厂分布式AVC控制及仿真研究焦邵华1，张乐斌2，梁福波2，张 伟1(1.四方电气（集团）有限公司 北京 100084； 2.东北电力大学 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系统框架下采用分布式AVC控制器和AVC协调控制器实现大型电厂多台机组的全厂AVC控制，采用IEC61131-3语言开发了AVC控制功能块族，完成了控制工艺，通过CyberSIM发电厂仿真平台在实现发电厂运行仿真的基础上与AVC控制系统实现闭环仿真控制，通过实时仿真验证了AVC控制的有效性和可靠性。关键词: 发电厂；自动无功控制；IEC 61131-3；闭环仿真0.引 言无功电压控制和电压稳定是电力系统运行的重要内容，发电厂是输电网主要的无功电
5、源，随着电网的发展和电源点数量的增长，AVC控制逐步从面向机组转变为面向发电厂实现，因此实现发电厂全厂的AVC控制是电网AVC的基础之一。另一方面，发电机组励磁是电力系统重要的控制手段，尤其对于电网暂态控制，通过发电厂AVC子站可以实现对励磁控制器（AVR）控制行为的监测，对电网调度有重要意义。发电厂自动化由统一的分布式过程控制系统实现，即DCS系统。随着现场总线及工业网络通信技术的发展，具有更好分布性能且兼容传统DCS测控方式的FDCS（Field-bus Distributed Control System）系统成为发电厂自动化系统的发展方向。AVC是电厂最高层次的全厂级协调控制之一，通过
6、FDCS系统实现面向机组的AVC控制，同时将机组励磁系统（AVR）最为单元层IED设备纳入FDCS系统，体现了电厂运行的电气热工一体化。AVC系统是典型的面向对象的分层分布式控制，它由一个厂级的AVC协调控制器及多个单元机组级AVC控制器组成，机组AVC控制器纳入机组FDCS系统。全厂协调AVC控制器通过远动接受调度控制，经控制算法实现对单元机组的无功电压调节1-5。本文讨论了如何在发电厂自动化系统中配合电网调度实现电厂AVC控制及励磁监测，提出了一种在FDCS系统框架下由分层分布式控制器组完成的AVC方案。基于四方公司CSPA-2000（FDCS）系统平台，开发了发电厂AVC协调控制器和机组
7、控制器，利用IEC61131-3标准1的FBD语言在CyberLogic环境下开发了AVC控制器功能块组和控制逻辑，结合CSPA-2000系统的发电厂实时仿真机（CyberSIM），开发了电厂AVC功能的仿真控制闭环系统，并完成了AVC功能的闭环动态试验，经几个月的连续运行，检验了AVC控制的有效性和可靠性。1.电厂分布式AVC系统1.1 FDCS系统结构发电厂常规的AVC控制功能通过DCS经DI、DO、AI、AO硬接线实现对励磁系统的简单测控，通过PID控制实现机组的无功输出，缺乏实现多台机组的无功电压协调控制功能，也不能实现对机组AVR调节行为的监测。基于FDCS的电厂AVC控制通过设置全
8、厂AVC协调控制器、机组控制器实现分层分布式控制。机组AVC控制器同时作为一个DPU纳入机组FDCS系统。AVC协调控制器的控制功能属于全厂级协调控制。AVC协调控制器基于冗余配置的DPU实现，处理调度指令和实现目标无功计算、分配及下发到各台机组AVC控制器，实现机组间的无功优化和协调控制。机组AVC控制器实现对机组AVR的监测，通过向AVR发送调节励磁指令实现对机组的无功调节。机组范围内的各种约束条件均由机组AVC控制器处理，机组之间的约束条件由协调AVC控制器实现。1.2单元机组FDCS及全厂AVC发电厂的生产控制是过程自动化，发电厂的电气控制由功能独立的电气自动装置分布式实现，包括机组保
9、护、励磁、和厂用电源的保护和控制等等。FDCS系统要实现发电厂全厂一体化控制必需将电厂纳入过程自动化系统2，AVC功能的实现充分体现了这一原则。单元机组的AVC控制器是机组FDCS的一个DPU，机组的无功出力参数调整的管理都在FDCS中实现3。图1示意了有四台机组基于FDCS发电厂AVC控制系统结构图。图1.基于FDCS的电厂AVC控制系统结构图Fig 1. Diagram of Power Plant AVC System FabricFDCS中AVC的实现方式：机组AVC控制器按协调AVC控制器的控制命令实现对机组励磁的调节，实时检测机组的约束关系，当约束条件成立时，停止对该机组的无功调节
10、，并反馈协调控制器1-6。这些增减无功的约束是：(1) P- Q 曲线的限制( 最大最小无功限制) ；(2) 最大最小励磁电流限制（欠励、过励限制）；(3) 机端电压限制( 0.95-1.05 UN) ；(4) 最大定子电流限制；(5) 其它限制, 例如厂用电压限制。2AVC控制器的控制逻辑实现 2.1电厂AVC控制原理与实现电厂协调AVC功能实现的步骤如下：计算分配调度下发的指令值。根据母线电压目标值计算电厂总无功的目标值。首先要通过升压站AVC控制器，估算电网侧的等值阻抗，如公式1： -（1）；式中，分别为前一次计算系统阻抗时的母线电压和母线送出的总无功：，分别为本次计算系统阻抗时的母线电
11、压和母线送出的总无功。计算电厂发出无功的目标值。根据式(1)算得的系统阻抗，计算本厂应向系统送的目标无功如公式2：-(2) ；确定协调AVC分配给各台机组的目标无功。若某台机组运行在极限状态，该台机组就定为不可调机组。在预测出的系统无功中扣除不可调机组的无功，加上所有可调机组的主变压器无功损耗,得到目标无功如公式3：-(3) ；利用每台可调机组当前运行点的无功上下限与；得到单台机组可调上下限如公式4： 4；- (4)；按等功率因数原则分配各机组无功，第m台运行机组分配的无功如公式5：- (5)根据电厂协调AVC的控制原理，得出的电厂协调AVC无功分配流程图如图2所示。图2.电厂AVC无功分配流
12、程图Fig 2. Flow Diagram of Power Plant AVC2.2逻辑实现与功能块介绍本文用基于IEC 61131-3标准1的逻辑编译软件CyberLogic完成了电厂AVC控制逻辑的开发，CyberLogic环境提供了丰富的标准函数库，并具有一套完整的逻辑功能算法。每一段代码均可采用最适合的语言进行编程，在编辑、调试和运行时所需要的所有工具均可以5种语言中的任何一种来使用。本文中FDCS 软件编程采用功能块图（FBD）方式, FBD图库中有自定义的常用运算和逻辑模块, 因此用次方法对逻辑编程十分简捷, 而且可以方便地实现在线、离线模拟程序运行，便于实现在线逻辑更新和维护工
13、作。作者针对电厂AVC控制逻辑开发了一些专门的逻辑功能块，并由功能块组合构建出能灵活适应现场需求的功能。电厂AVC逻辑由全厂AVC投入逻辑、全厂无功计算逻辑、机组间最优分配逻辑、机组AVC控制逻辑等组成。电厂AVC协调控制器的逻辑如图3所示。由公式2得出图3计算系统发无功功能块。公式3和公式5得出了无功分配功能块。计算出各台机组目标无功值后，将正确指令值输出到机组AVC控制器。逻辑块中变量名是实际的变量，为表达方便引脚名称改成了变量描述。图3. 电厂协调AVC控制器逻辑图Fig 3. Diagram of Power Plant correspond AVC controller Logic图
14、4. 单元机组AVC控制器逻辑图Fig 4. Diagram of Unit-Generator controller Logic图4表示单元机组AVC控制器对AVR增减励磁控制的逻辑图。公式1表达为图4的电力系统电抗计算模块。公式4表示计算当前无功上下限功能块。由励磁电流、厂用电等约束条件构成机组AVC执行励磁增减的先决条件功能块。在编程中将功能块组合起来，并考虑机组约束条件，构成了机组励磁系统实现自动电压控制逻辑。由于电厂AGC与电厂AVC的控制逻辑有很多相似之处，本文涉及的逻辑块对AGC同样适用，只须将功能块管脚变量改为AGC的控制量即可。另外，将电厂AGC/AVC纳入电厂FDCS中，这
15、体现了电厂机炉电控制一体化，能够加快捷地实现对全厂机组的调控。3AVC控制的仿真3.1 CyberSim发电厂仿真机CyberSim图模库一体化通用仿真支撑平台是由四方公司专门针对发电厂实时仿真系统开发的一套模型侧建模平台。CyberSim 平台主要由模型侧建模系统、CyberControl 组态软件（HMI）两部分组成7。CyberSim软件系统结构图如图5所示。CyberSim软件主要软件由模型组态、模块定义、模型运行、联盘等部分构成。各部分实现的功能如下：图5. CyberSim软件系统结构图Fig 5. Diagram of CyberSIM software fabric模型组态：通
16、过图形化的方式，用模块、联线、变量搭建模型，可编辑多幅画面，可起停模型运行，可进行抽点、回退，可动态查看变量的数值和趋势；模块定义：定义模块的输入、输出、参数个数；管脚个数；关联的算法；关联的图例等；模型运行：作为后台程序，由模型组态在工具条“模型启动、停止”控制。实现对仿真模型工程中的功能块的计算，实现对算法库的调用；运行期间，存储趋势曲线的数据断面。联盘：实现模型运行时的联盘、托盘。通过和实时库通讯完成模型和HMI部分的通讯。 HMI I/O数据跟踪，跟踪HMI中的AI、DI变化，以操作序列的形式显示在模型组态窗口中。实现电厂AVC实时仿真实验需要建立发电机模型、励磁系统模型、负荷模型等7
17、，电厂仿真模型部分主要包括了机组锅炉主体及辅机系统，汽轮机主体及辅机系统，发电机主体及励磁系统，模拟实际电厂生产流程及动态运行参数监视，为FDCS测试系统提供模拟实际设备运行实时数据。励磁参数参考哈尔滨电机厂生产的型号为QFSN6002YHG的600MW机组。仿真模型统计用了19540个功能块实例，其中电气部分4718个功能块实例。发电机部分主要功能块包括发电机功率模块，发电机电压模块，发电机电流模块，励磁机模块，功角模块，发电机损耗发模块。发电机内部通过gspq模块连接，输入为发电机电势、母线电压、电网电压、发电机功角、各系统有功、各系统无功、断路器状态等，输出为发电机有功、发电机无功等。励
18、磁系统部分励磁机接收机组AVC的增减励磁信号。仿真模型数据通过Cyberdb数据库与控制系统进行数据交换。3.2 AVC控制的闭环实时仿真测试平台搭建工作主要由FDCS平台部分和发电机模型连接FDCS部分构成。FDCS平台部分包括：控制逻辑编写与调试、HMI实点建立与导入、HMI操作画面制作、HMI与逻辑点的关联、HMI与转发HMI的通信。发电机模型连接FDCS部分主要是发电机仿真模型与MMI转发器的关联。将两者的数据点关联并调试通过即可。全部完成后开始进行实时闭环仿真。本文实现的是多台机组的仿真。电厂分布式AVC控制和仿真模型构成了闭环。仿真平台由2部分组成：发电机及励磁系统模型和FDCS系
19、统。发电机模型与FDCS站内通信采用的是现场总线结构，通过IO板卡连接。FDCS监控后台采用的是北京四方公司的CyberControl软件，画面嵌入在控制系统界面之中。电厂AVC在FDCS中实现仿真平台如图6所示。电厂协调AVC实时仿真的控制对象为电厂的四台发电机。通过转发服务器，将仿真的四台机组模型里的无功模拟量发送给电厂 AVC协调控制器及机组AVC控制器，电厂协调 AVC控制器将根据省中调指令值计算总目标无功，再按照等功率因数原则分配到发电机仿真模型。仿真模型励磁系统根据当前无功值与目标无功值比较做出增减无功指令，采用逐次逼近方法，直至当前值与目标值的差值小于0.3kV，跟踪采样间隔为1
20、6ms。4. 仿真数据与分析。图6. 电厂AVC在FDCS中实现仿真平台Fig 6. Diagram of Power Plant AVC System Simulation4. 仿真实验与数据分析4.1电厂AVC仿真试验电厂AVC有三种控制方式：远方、计划、就地，分别对应三个控制状态。远方是指按省调指令运行，它是AVC的默认工作方式；计划是指按照调度事先给定的计划曲线发无功，机组每间隔100ms采样一次；就地是指转为人工控制，人工调整母线电压设定值或者总无功目标值。以远方控制方式下的目标电压调节为例介绍。设当前电压目标值为 ，经现场总线传给电厂AVC控制器，并在其中计算出母线目标电压，并将它
21、折算成目标无功后下发给发电机仿真模型，经模型后无功值发生变化，母线电压也变化为。把及其它遥测、遥信量等送到电厂协调AVC控制器，与目标值比较，若当前值与目标值差距大于0.3kV，则继续增加励磁直到差值小于动作死区。4.2实验数据分析仿真实验过程中，可以方便查询实时仿真曲线，观察控制效果。实验结束后从CyberControl软件的历史数据库里中调出仿真的数据或者曲线，来观察和分析电厂AVC控制效果。下面是仿真曲线及分析。图7是远方控制方式下应用电厂AVC系统后#2机组2009-8-2上午6-12h的实时的无功曲线。从图中可以看出，电厂AVC处于远方控制下，机组无功始终跟踪协调AVC的指令值。增加
22、了电厂AVC后，机组无功目标值变化较原来斜率变小，使机组能够平稳的实现无功调节。图7. 应用电厂AVC 后2#机6h无功变化曲线Fig 7. Reactive Power Curve of adopting Power Plant AVC 图8是2009-8-2上午6-12h母线电压指令及实时母线电压曲线。母线电压基本运行在合格水平，这表明在增加了电厂AVC后，当前母线电压能够比原来电压合格率有所提高，快速而平稳地实现电压目标。图8. 应用电厂AVC后6h母线电压变化曲线Fig8. Voltage Change Curve of adopting Power Plant AVC表1为四台600
23、MW机组处于远方控制控方式下的总目标无功、各台机组无功及母线电压实验结果。表1.电厂AVC控制远方运行仿真结果Tab 1. Table of Power Plant AVC Remote Run-Mode Simulation Result 系统目标功(MVar)1#机组无功2#机组无功3#机组无功4#机组无功母线电压 (MVar) (MVar) (MVar) (MVar)(kV)960.0239.5240.1240.4240.7530.84820.0205.5204.4205.2205.8528.39800.0199.4199.9199.6199.9527.63605.0151.6151.2
24、151.3151.6526.57本文仿真实验实现了AVC控制的功能；实现了电厂多台机组的AVC协调控制；经过长期运行表明，AVC系统稳定可靠。仿真平台为电厂其它闭环控制子系统提供了试验手段。仿真实验过程中，机组运行模拟量、励磁调节器状态、AVC投退状态等各值能准确上送，采集到各遥测量与发电机模型中实际设定值误差小于1%，这表明遥控操作可以准确动作，仿真实验效果良好。该闭环测试系统连续运行2个月，性能稳定，控制功能可靠。5. 结语本文在FDCS系统的通用框架下开发了单元机组AVC控制器和电厂AVC协调控制器，实现电厂AVC控制。利用FBD语言开发了AVC的功能块组和控制逻辑。为了验证AVC控制功
25、能，本文基于火电厂实时仿真平台开发了AVC仿真控制闭环测试系统，测试了AVC的闭环调节效果，经长期运行考验了系统的稳定性。试验证明AVC控制达到预期效果，运行稳定可靠。本文的分布式AVC控制适用于火电厂、水电站和核电站，具有一定的通用性。参 考 文 献1 IEC 61131-3 Programmable Controllers Part :Programming Language M，Geneve (Switzerland) : International Electro Technical Commission，2003. 2 焦邵华，李 娟，；李 卫，刘 勇. 大型火力发电厂电气控制系统的
26、实现模式J，电力系统自动化,2005, 29 (15)：81-85. 3 雷春明, 张晓东.华能岳阳电厂AVC 在DCS 中的实现J.华中电力, 4 何南强，刘予丹.具有自辨识功能的模糊自动电压无功控制装置.电网技术J，2000，24(4): 53-54.5 Xie Bangpeng, Hu Wei. The Development and Field Experiment ofPower Plant Subsystem of the HAVC System. IEEE.20066 郭文宁，张 群，蒋建民. 电网电压/无功自动调控及在电厂侧的调控方式J，东北电力技术，2007，3：8-10.2007 ,20（3）：57-59.7 CyberSim 图模库一体化通用仿真支撑平台，四方公司产品说明书，2008.作者简介：焦邵华（1972），男，吉林市人，博士，从事发电厂自动化及工业过程自动化领域的研究 Email: jiaoshsf-张乐斌（1982），男，河北石家庄人，硕士研究生，从事电力系统自动控制与仿真研究.Email: zhanglebiner