張河灣抽水蓄能電站AVC子站系統設計及應用實現

單鵬珠，張柏，李勇，宋慶元，羅興锜

（1.南瑞集團公司（國網電力科學研究院），江蘇南京 211106；2.河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050000；3.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048）

張河灣抽水蓄能電站AVC子站系統設計及應用實現

單鵬珠1，張柏1，李勇2，宋慶元1，羅興锜3

（1.南瑞集團公司（國網電力科學研究院），江蘇南京 211106；2.河北張河灣蓄能發電有限責任公司，河北 石家莊 050000；3.西安理工大學 水利水電學院，陜西 西安 710048）

張河灣抽水蓄能電站計算機監控系統為法國阿爾斯通ALSPA P320產品，P320系統因Hydroprocess軟件未進行配置而不具備AVC功能。根據河北省電力調度中心要求，電站增加了一套新的AVC子站系統。詳細介紹了張河灣AVC子站系統的結構配置和功能設計，對試驗過程和試驗結果進行了闡述，并提出了改善AVC子站系統調節精度和調節效果的技術方法。此外，還簡要介紹了AVC子站系統與阿爾斯通ALPHA P320監控系統的數據交互技術。

張河灣抽水蓄能電站；計算機監控系統；AVC；ALSPA

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊井陘縣，電站總裝機容量100萬kW，安裝了4臺250 MW可逆式水泵水輪機組。電站計算機監控系統采用阿爾斯通ALSPA P320產品，ALSPA P320是以計算機技術為基礎的分層分布式計算機監控系統。P320系統主要由與中控室相關的主控級（CENTRALOG層，上位機）和與電站現場自動化相關的現地控制級（CONTROLBLOC層，下位機）組成。阿爾斯通監控系統主網絡為S8000E冗余雙光纖環網，現地控制單元內 部 采 用 FieldBUS現 場 總 線 F8000連 接 。CENTRALOG配置2臺SUN BLADE150網關機實現與華北網調和河北省調的遠動通訊，通訊規約為IEC101和IEC104。

ALSPA P320計算機監控系統在2007投產時Hydroprocess程序沒有配置自動發電控制和自動電壓控制功能[1-2]，電廠運行人員只能根據調度下發的負荷曲線，手動對機組進行負荷的調整。鑒于抽水蓄能機組運行方式靈活，啟動迅速，為充分利用蓄能機組的無功調節能力，發揮大型抽水蓄能電廠在電網中的調節作用，提升河北電網電壓和無功控制水平，提高電壓質量、無功平衡以及電網的可靠性和經濟性[3]，河北省調亟需張河灣電站實現自動電壓控制（AVC）功能。

由于張河灣電站計算機監控系統為法國阿爾斯通較早產品，限于早期計算機自動化水平，其軟件功能現在已經不能滿足調度AVC要求，另一方面阿爾斯通水電業務已經被通用公司收購，后續的技術支持和售后服務難以繼續深入[4]，因此電站最終選擇了南瑞集團公司的AVC子站系統。

1 AVC子站系統與阿爾斯通P320系統的信息交互

AVC子站系統需要從阿爾斯通P320監控系統獲取機組有功功率、系統頻率、機組狀態等AVC相關的重要輸入數據源，因此AVC子站系統與阿爾斯通P320系統的數據通信是AVC子站系統功能實現的基礎。

阿爾斯通ALSPA P320現地控制單元控制器為C80-75 PLC，AVC子站系統配置一臺與C80-75 PLC進行信息交互的數據網關機。數據網關機通過特定通訊協議實現對C80-75 PLC各類型寄存器的讀取和寫入，從而實現AVC子站系統對P320監控系統的數據采集和對勵磁調節器AVR的無功功率控制。

此種信息交互方式的優點是通信安全可靠，數據實時性高。一方面，不需要對阿爾斯通的監控系統做任何改動就可以實現數據的交互，完全保證P320現地控制單元的原廠狀態；另一方面，通信方式可靠性高，而且交互數據的實時性也能得到保證。

2 AVC子站系統功能結構

AVC子站系統采用RedHat Linux操作系統，以南瑞NC2000為軟件開發平臺，硬件配置兩臺AVC服務器、三臺操作員工作站、兩臺網絡交換機和一臺數據網關機。AVC服務器為雙機熱備冗余工作模式，任何一臺服務器故障均可自動無縫切換至另一臺服務器，確保AVC子站系統的正常運行和數據安全。圖1為AVC子站系統結構圖。

圖1 AVC子站系統結構圖Fig.1 System structure diagram of AVC sub station

AVC子站系統接收來自省調AVC主站的遙調控制指令，應用AVC控制策略，并將優化計算的機組無功功率通過數據網關機下發至阿爾斯通P320現地控制單元和勵磁系統AVR，最終由AVR實現機組無功功率的調節。

張河灣抽水蓄能電站發電電動機機組采用單元接線方式，機組經主變升壓后直接與500 kV高壓母線連接。AVC子站系統以500 kV高壓母線電壓作為調節目標，通過調節勵磁系統的無功功率來實現對高壓母線電壓的間接控制，AVC子站采用以母線電壓大閉環和機組無功功率小閉環相結合的控制方式[5-6]。小閉環就是由阿爾斯通P320現地控制單元和機組勵磁系統完成對機組無功功率的閉環控制，大閉環就是由AVC子站系統通過對高壓母線電壓目標值的逐次逼近和精細調節，完成對高壓母線電壓的閉環控制。圖2為AVC子站系統控制邏輯圖。

2.1 AVC運行模式

2.1.1 全廠AVC投入/退出

全廠AVC投入/退出決定了AVC子站系統功能是否生效，只有全廠AVC處于“投入”狀態時，AVC子站系統才會對輸入數據進行合法性判斷，并根據優化控制策略進行無功的分配計算；當全廠AVC處于“退出”狀態時，AVC子站系統不進行實時優化計算，無功分配值自動跟蹤實發值[7]。

圖2 AVC子站系統控制邏輯圖Fig.2 Control logic diagram of AVC sub station

2.1.2 全廠AVC開環/閉環

全廠AVC開環/閉環決定AVC子站系統是否將機組無功分配值輸出至AVR，開環模式下機組的無功分配值僅并在畫面上顯示，但不下發至機組AVR。閉環模式下，機組的無功分配值自動下發至機組AVR進行功率調節。

2.1.3 機組AVC投入/退出

機組AVC投入/退出是指機組是否加入AVC系統成組控制，機組AVC“退出”表示該機組處于單機模式，不參與AVC成組控制；機組AVC“投入”則表示該機組參與AVC成組控制，將執行AVC優化計算出的無功分配值。

2.2 AVC調節模式

2.2.1 AVC電站/調度

AVC電站/調度模式是指AVC子站系統處于電站本地控制還是調度遠方控制狀態。AVC處于電站模式時，AVC子站系統執行電站本地值班人員的手動電壓（無功）設定值，此時調度下發設定值無效。AVC處于調度模式時，AVC子站系統執行調度遠動通訊自動下發的電壓（無功）設定值，此時電站本地電壓（無功）設定值將自動跟蹤實發值。

2.2.2 AVC定值/曲線

AVC定值模式是指AVC子站系統電壓（無功）設定值的數據源取自本地手動設定（AVC處于電站控制）或調度遠方自動設定值（AVC處于調度控制）。AVC曲線模式是指AVC子站系統電壓（無功）設定值的數據源取自當日電壓曲線的實時曲線值。

2.3 AVC無功分配策略

抽水蓄能機組穩定運行工況有發電、發電調相、抽水和抽水調相，各工況機組的物理特性各不相同，因此張河灣AVC子站系統無功功率的分配主要考慮容量等比例和相似裕度兩種方法。

2.3.1 容量等比例

容量等比例是對抽水蓄能機組的可用無功容量依據比例計算。

式中：n為AVC成組的抽蓄機組臺數；QiMax為AVC成組的第i臺抽蓄機組最大可用無功容量；為 AVC成組抽蓄機組的最大可用無功容量之和；QiAVC為AVC成組的第i臺抽蓄機組所分配的無功功率；QAVC為AVC成組的抽蓄機組全廠無功功率分配值。

2.3.2 相似裕度

相似裕度是對抽水蓄能機組的可用無功調節裕量依據比例計算。

式（2）為AVC無功調節向上，式（3）為AVC無功調節向下。

式中：QiMax-Qi、Qi-QiMin為AVC成組的第i臺抽蓄機組無功裕量；為AVC成組抽蓄機組的無功裕量之和；Qi為AVC成組的第i臺抽蓄機組實發無功功率；QiAVC為AVC成組的第i臺抽蓄機組所分配的無功功率；ΔQ為AVC成組的全廠無功功率差額。

2.4 AVC安全閉鎖策略

為保證AVC子站系統的安全穩定運行，AVC子站系統提供必須的保護閉鎖。

2.4.1 AVC控制保護

1）無機組參加AVC成組控制，AVC控制自動退出。

2）電廠發生事故，AVC控制自動退出。

3）高壓母線量測值異常，AVC控制自動退出。

4）系統電壓發生震蕩，AVC控制自動退出。

5）機組無功功率品質壞，AVC控制自動退出。

2.4.2 機組AVC控制保護

1）機組無功PID不可調，機組AVC控制自動退出。

2）機組LCU發生故障，機組AVC控制自動退出。

3）機組勵磁裝置AVR故障，機組AVC控制自動退出。

4）機組無功功率品質壞，機組AVC控制自動退出

2.4.3 其他保護閉鎖

1）AVC調度控制，遠動通訊全部故障，AVC自動切換為電站控制。

2）AVC調度控制，AVC子站系統15分鐘內未收到新的有效調節指令，AVC自動切換為電站控制[8]。

3）AVC調度控制，電站母線電壓（無功功率）設定值自動跟蹤實發值。

2.4.4 AVC增磁/減磁保護

1）高壓母線電壓越限保護；越上限，增磁閉鎖；越下限，減磁閉鎖。

2）機組機端電壓越限保護；越上限，增磁閉鎖；越下限，減磁閉鎖。

3）機組定子電流越限保護，增磁閉鎖。

4）機組有功功率越限保護，增減磁閉鎖。

5）機組無功功率越限保護；越上限，增磁閉鎖；越下限，減磁閉鎖。

6）廠用母線電壓越限保護；越上限，增磁閉鎖；越下限，減磁閉鎖。

3 AVC子站試驗

3.1 AVC遠動信息核對

AVC子站服務器采用IEC104規約，通過電力調度數據網實現與調度AVC主站的雙通道通信，上送電力調度所需AVC子站實時數據，并接收調度下發遙調指令。

河北省調AVC主站下發的500 kV母線電壓設定值采用4位數字的增量方式，即母線電壓設定值與實際量測值的變化量，該調節步長編碼規則如下：

1）千位：千位為調節方向，2表示上調，1表示下調，其他數值為通訊錯誤；

2）百位：百位從1～5循環計數，主站每次下發遙調指令時確保與上次不同，子站據此判斷是否收到新的遙調值。1～5范圍之外的數值為命令非法。

3）十位和個位：共同表示調節變化量的十倍值。

AVC子站遠動信息表如表1所示。

表1 AVC子站遠動信息表Tab.1 Telecontrol information of AVC sub station

3.2 AVC子站靜態調試和參數配置

試驗前需對AVC子站的參數進行配置，配置后就可將參數下裝至AVC服務器。下裝參數是否正確可以從AVC子站的靜態調試工具中查看。AVC子站參數見表2。

AVC子站靜態調試工具可以完成AVC子站的靜態模擬調試，試驗人員可以在靜態調試工具中對組態參數進行模擬設置，并可以對AVC功能和安全閉鎖條件進行靜態模擬調試。通過靜態模擬調試，能夠發現AVC子站系統的運行情況，并對發現的問題進行修正。

表2 AVC子站參數配置表Tab.2 Parameter configuration of AVC sub station

3.3 廠內單機AVC閉環動態試驗

AVC動態試驗首先要對每臺機組進行單機AVC試驗，從而測試單機AVC對指令的響應、無功功率的分配、高壓母線的調節速度和動態偏差以及相關安全閉鎖條件。表3為張河灣1號機組的AVC閉環試驗表，從表中數據可以看出1號機組參加AVC后調節速度和動態偏差均在正常范圍內。

表3 1號機組AVC閉環試驗表Tab.3 AVC closed-loop test of Unit 1#

3.4 廠內多機AVC閉環動態試驗

廠內多機AVC試驗是指多臺機組參與AVC后，測試AVC子站對指令的響應、無功功率的分配、高壓母線的調節速度和動態偏差以及相關安全閉鎖條件。表4為張河灣1號、3號和4號機組的AVC閉環試驗表，從表中數據可以看出三臺機組參加AVC后系統的調節速度和動態偏差均在正常范圍內。

表4 1號、3號、4號機組AVC閉環試驗表Tab.4 AVC closed-loop test of Unit 1#,3#and 4#

4 AVC系統的改進措施

4.1 提高線路電壓和機組無功功率的采集精度

AVC子站系統的調節精度受電壓和功率采集裝置影響較大，此前某電網直調電站多次出現由于高次諧波干擾造成交流采樣裝置采樣波動較大，導致AVC考核不合格的情況，而在更換高精度和可靠性的變送器后，AVC合格率從之前的95%提高到99%。

張河灣AVC子站的電壓和功率采集沒有直接使用原監控系統交采表的采集數據，而是采用了在機組、開關站新增加的電壓和功率變送器的數據，從而提高了AVC子站的調節精度和調節效果[9]。

4.2 AVC子站系統與P320系統的互鎖機制

由于AVC子站與阿爾斯通P320系統都具備對機組無功功率進行調節的權限，為確保調節指令的唯一性，在AVC子站引入調節權的概念，由ALSPA P320系統決定調節權的歸屬。只有調節權限切換至AVC子站后，方可允許AVC子站系統進行調節。

5 結語

我國早期的大型抽水蓄能電站大都隨主機捆綁采購國外監控產品，國外監控系統的AVC功能在投產時基本未進行調試，或者調試后不能滿足電力調度的要求而棄之不用。

本文詳細介紹了張河灣AVC子站系統的功能設計，對試驗結果進行了分析，并提出了改善AVC調節精度和調節效果的技術方法。張河灣AVC子站完成投運后，系統運行良好，功能完全滿足河北省調要求。此外，本文所介紹的AVC子站系統與阿爾斯通ALSPA P320系統的信息交互技術對張河灣電站監控系統國產化改造也可以提供有益的技術參考。

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Design of AVC Sub System and Its Realization for Zhanghewan Pumped Storage Plant

SHAN Pengzhu1，ZHANG Bai1，LI Yong2，SONG Qingyuan1，LUO Xingqi3
（1.NARI Group Corporation（State Grid Electric Power Research Institute），Nanjing 211106，Jiangsu，China；2.Hebei Zhanghewan Pumped Storage Company，Shijiazhuang 050000，Hebei，China；3.Institute of Water Resource and Hydro-Electric Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，Shaanxi，China）

The SCADA of Zhanghewan Pumped Storage Plant adopts the Alston ALSPA P320 system，however，because the hydroprocess software is not configured，the SCADA is not equipped with the AVC function.The new AVC sub system is added according to the requirements of the Hebei electric power dispatching center.In this paper，the configuration and function design for Zhanghewan AVC sub system are introduced in detailed.The paper also describes the test process and results，and puts forward methods to improve the effect of AVC sub system adjusting.In addition，the paper introduces the data exchange technology between the newAVC sub system and Alston P320 SCADA system.

Zhanghewan Pumped Storage Plant；supervisory computer control system；AVC ALSPA

2016-10-21。

單鵬珠（1975—），男，高級工程師，從事抽水蓄能電站自動控制、水電站AGC/AVC控制及梯級水電站經濟運行控制技術的研究開發工作。

（編輯 李沈）

國家自然科學重點基金（51339005）。

Project supported by the National Natural Science Foundation of China（51339005）.

1674-3814（2017）04-0137-06

TM622

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