基于廠級調度的發電廠優化控制

景乾明，郝 飛，劉吉臻

(1.甘肅電力公司，甘肅 蘭州730050；2.南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京211100；3.華北電力大學，北京110000)

隨著廠網分開、競價上網等一系列改革措施的實施，發電端將擁有更大的自主權來實現全廠的優化控制。而實現全廠優化控制，首先必須改變電網對機組的調度方式，即由直調改為廠級調度。對于電廠而言，接收中調總的有功指令和電壓目標值，根據各臺機組的實際運行情況進行經濟分配。廠級負荷分配是根據電網的負荷要求和全廠各機組的實際運行工況，在線擬合機組煤耗量與負荷的特性曲線，實施計算各機組的經濟負荷，并將結果作為機組的目標負荷調節值直接送至協調控制系統，實現全廠總負荷在各機組之間的實時分配[1]；電廠側電壓無功控制系統則是接收中調實時下發的母線電壓目標指令，結合本地實測母線及全廠各發電機組的運行情況，按照既定的分配策略將系統所需要的無功合理分配給相應機組，快速準確的跟蹤中調的電壓指令目標值，提高火電廠高壓母線的電壓水平，改善地區電網電能質量[2]。在以往的系統中這2個系統完全獨立，分別安裝在監控信息系統（SIS）和電氣網絡監控系統（NCS）中，這樣的配置當電廠側從直調改為廠級調度時，將加大施工的難度，而將這2個優化系統放在一起可以最大限度地實現兩者的信息交互，更好地進行有功和無功的優化。

1 發電廠綜合優化控制系統結構

廠級控制設計的重點與常規控制有很大的不同，它關注的重點是整個廠的整體控制結構、操作點和被控變量的選取、設計和實現。在設計中包含了2個設計理念，一是至上而下，一是自底而上[3，4]。發電廠綜合優化控制系統的結構如圖1所示。按照廠級控制的方法將其分為4個控制層次，分別為EMS的調度層控制、NCS的監控層控制、包含廠級負荷分配和電壓無功控制優化控制層以及處于底層的常規控制層。

圖1 發電廠綜合優化控制系統結構

調度層中安裝了自動發電控制系統（AGC）和自動電壓控制系統（AVC），負責電網的有功和無功的自動調節；NCS監控層負責接收中調下發的有功指令和電壓目標指令，同時采集發電廠電氣控制需要的數據，以及廠級負荷分配進行優化計算的必需數據和電廠側電壓無功控制系統所需要的數據，并將優化結果下發給下位機，實現閉環控制，NCS系統采用RCS-9700系統，它是基于SCADA/EMS一體化平臺開發而成；廠級負荷分配和電壓無功控制系統都作為高級應用模塊嵌入在NCS系統中；下位機的測控裝置可同時滿足NCS系統對有功和無功的調節，實現常規控制層的控制要求。勵磁系統是電廠側AVC的最終執行端，在NCS中建立勵磁控制系統的結構。勵磁系統是電廠側AVC的系統模型，將有助于提高AVC控制的準確性和安全性，將更多的勵磁系統的信息上送給調度端。同時系統還可將環保監測數據接入到NCS系統中，作為廠級負荷分配評價各臺機組的環境保護指標的一個因素。

2 廠級負荷分配與電壓無功優化控制

2.1 廠級負荷分配

廠級負荷優化分配的研究大部分都建立在機組煤耗特性曲線的基礎上，煤耗曲線的準確性直接影響廠級負荷優化分配的實用化，因此需要根據機組的運行情況實時更新各臺機組的煤耗曲線。采用反平衡法計算機組的發電標準煤耗率bi和標準煤耗量Bi的公式如下所示[5]：

式中：qi為第i臺機組的熱耗率；Q0為標準煤的低位發熱量；ηi為第i臺機組的鍋爐效率；pi為第i臺機組的輸出功率。pi可以從發電機采集接入NCS系統中，qi，Q0，ηi則可以通過DCS取得；此外，各臺機組的實時燃煤量也需要送到NCS系統中。根據這些數據就可以完成各機組煤耗量與負荷特性曲線的在線擬合和實時修正。由于各臺機組的環保監測數據接入到NCS系統，在制定分配策略時可以適當考慮機組煙氣中二氧化硫、氮氧化物的濃度以及排煙量等信息，形成更加全面的機組功率分配策略。

在直調方式下，發電廠各機組的有功指令是中調通過RTU發送給各臺機組的AGC測控裝置，測控裝置再將其轉換成4～20 mA模擬信號輸出給機組的DCS。當發電廠由機組的直調方式改為廠級負荷分配時，而負荷分配軟件采用嵌入NCS系統的方案，那么原來直調方式下的AGC配置可以完全保持不變，只需將中調下發的總廠級負荷指令通過RTU送給NCS系統，然后廠級負荷分配軟件再根據各個機組的實際運行情況將負荷指令分配給各臺運行機組的協調控制系統。這樣既可節省改造成本，又可實現發電廠機組負荷的廠級分配。

2.2 電壓無功優化控制

發電廠電壓無功優化控制是保證區域電網電壓質量和無功平衡，提高電網可靠性與經濟性必不可少的措施?；赗CS-9700發電廠網絡監控系統實現發電廠電壓無功控制系統，可最大限度利用NCS的數據和信息采集，利用現有NCS的設備進行監視和控制。系統具體的實現過程為：省調AVC系統將電廠的優化電壓值以命令的方式下發到電廠的AVC系統中，AVC決策單元通過在線辨識獲取整個電廠的系統阻抗，結合電廠本地實測母線電壓和省調下發的電壓命令值，計算出電廠端所要增加或減少的無功總量。根據當前機組的運行情況，考慮機組的各種約束限制，得到可控機組的運行信息，然后根據既定的分配策略，在各機組間進行無功的合理分配?？梢赃x擇采用等功率因數控制、相似視在功率、等無功備用、相似調整裕度4種控制分配策略。

2.3 廠級負荷分配與電壓無功控制的協調

該系統設計的一個優勢就在于廠級負荷分配系統與電廠側AVC系統的數據交互，由于2個應用模塊都集成在NCS平臺上，因此可以共享網絡上的所有數據，兩者的計算和分析結果被對方直接使用。除此之外，由于將環保監測的數據接入到NCS系統中，系統可以實時獲取各臺機組排煙量、二氧化硫以及氮氧化物的信息，通過在線辨識得到各臺機組有功、無功與這些環保監測數據的簡單模型，從而可以實現對其的預測，預測值可只作為參考值，也可參與到2個應用模塊的策略計算，形成約束條件。勵磁系統是電廠AVC控制中的最終執行端，而調度系統的模型都是按照公共信息模型（CIM）標準建立，為了保證AVC控制的準確性和安全性，方便與調度端系統進行信息交互，有必要在NCS系統中建立基于CIM的勵磁系統模型。

3 基于CIM的勵磁系統控制

IEC61970-301標準定義了能量管理系統的應用程序接口（API），CIM作為此標準中的重要組成部分之一，規定了API的語義。在CIM中同步電機模型與其他模型的簡化關系如圖2所示。從圖中可以看到與同步電機緊密相關的勵磁系統，并沒有包含在CIM中。為了在電廠側AVC控制系統中更多地獲取勵磁系統的信息，方便調度端獲取勵磁系統模型信息，同時也能更好地保證AVC控制的安全性，有必要在CIM中建立勵磁系統的模型。

圖2 CIM中的同步電機模型

3.1 基于CIM的勵磁系統模型

在現有的CIM中，包含的控制和調節信息的類都從調節設備類中派生而來，每個調節設備類和1個控制類相關聯，控制類包括了和控制相關的所有描述；此外，1個設定的調節計劃也是調節設備類不可缺少的部分，如圖3所示。因此，可以將勵磁系統模型與原有CIM的關系表述如下：勵磁系統類從調節設備類派生出來，這樣就可以繼承有關控制信息的描述，同時在模型中加入了調節計劃的描述。

圖3 勵磁系統模型在CIM中的描述

根據CIM面向對象的建模方法和建模準則，結合勵磁系統的結構及系統特點，建立勵磁系統的詳細模型[6]，其關系圖表述如圖4所示。勵磁系統根據勵磁方式不同分為他勵勵磁系統和自勵勵磁系統，前者需要交流副勵磁機來提供勵磁電流，因此要建立1個勵磁機類；后者除了通過變壓器從發電機端或廠用母線取得勵磁電流外，還通過變流器從發電機中性點側或出線側獲得勵磁電流，借用CIM中的變壓器類類，并專門建立1個變流器類。此外，無論是他勵系統，還是自勵系統，都有整流器，因此需要建1個整流器類；對于勵磁系統的控制調節，電力系統中普遍采用AVR＋PSS的控制模式，自動電壓調節器實現了勵磁電壓的自動調節，電力系統穩定器借助于勵磁調節器控制勵磁機的輸出，來阻尼同步電機的功率振蕩，因此需要建立自動電壓調節器類和1個電力系統穩定器類。至此完整的勵磁系統模型就建立完畢，可以將其應用到電廠側AVC控制系統中。

圖4 勵磁系統模型的詳細描述

3.2 基于CIM勵磁模型的電壓無功控制

在發電廠綜合優化控制系統中，廠級負荷優化分配模塊進行10多年的發展和研究，無論從算法還是模型都已經相當完善；而電廠側AVC控制系統還有很多方面值得深入研究。在電廠AVC控制中，執行機構是發電機的勵磁系統，勵磁系統是由一些典型的控制環節組成，其中還存在一些非線性環節，如限幅環節、勵磁機的飽和等，控制器采用簡單的PI控制[7]，在AVC軟件中建立勵磁系統動態模型的模型庫，模型庫包含了主要勵磁系統的動態模型，對于不同電廠的勵磁系統，可以通過選擇相匹配的模型來確定AVC系統的動態模型，結合CIM的勵磁系統模型，通過對模型的離線學習和在線辨識獲取模型各個環節的參數。然后再根據參數來確定AVC模型控制系統的關鍵參數，如系統反饋系數、發電機反饋系數、系統阻抗、無功調節量等[8]，這樣就可以獲得勵磁系統完整的數學模型?；贑IM的勵磁系統模型為整個過程提供了運算和存儲的載體。利用勵磁系統的模型，進一步開發電廠AVC的仿真系統，使運行人員通過這樣的系統更加了解電廠AVC的控制方式和執行情況，建立起電廠電壓無功控制的培訓仿真環境。

4 結束語

發電廠綜合優化控制系統是將原來SIS中的廠級負荷分配和NCS中的電廠側AVC控制系統，統一放在NCS監控系統平臺上，作為NCS系統的2個高級應用模塊。該設計的優點體現在：（1）當發電廠由中調直調方式改為廠級負荷分配時，該設計方式可以最大限度地節省改造費用和成本，更好地利用原來的設備，同時也降低了改造的難度。（2）2個模塊在完成各自功能的同時，還可以相互交換信息，從而提高各自的控制和優化水平。采用一體化的設計思想，使得信息的獲取和命令的執行更加順暢。（3）在電廠AVC中嵌入勵磁系統的控制模型，通過辨識方法獲取更加準確的模型參數，為AVC系統關鍵參數的設置提供依據；在勵磁系統模型的基礎上，開展電廠AVC的仿真培訓功能，使運行人員能更好地理解和認識系統的運行和事故處理。

[1]曹文亮，王兵樹，高建強，等.火電廠廠級負荷優化分配軟件設計[J].電力系統自動化，2004，28（5）：80-83.

[2]郝 飛，黃 凱，劉吉臻，等.電廠側自動電壓控制系統研究及應用[J].現代電力，2009，26（6）：62-65.

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[7]陸春良，竺士章，陳新琪.發電機勵磁系統實測建模與應用[J].電力系統自動化，2004，28（2）：73-77.

[8]郝 飛，黃 凱，劉吉臻，等.電廠側電壓無功控制系統分析研究[C].電網電能質量控制與檢測學術交流會，2009.