基于廠級(jí)調(diào)度的發(fā)電廠優(yōu)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(xué)，北京110000)

隨著廠網(wǎng)分開(kāi)、競(jìng)價(jià)上網(wǎng)等一系列改革措施的實(shí)施，發(fā)電端將擁有更大的自主權(quán)來(lái)實(shí)現(xiàn)全廠的優(yōu)化控制。而實(shí)現(xiàn)全廠優(yōu)化控制，首先必須改變電網(wǎng)對(duì)機(jī)組的調(diào)度方式，即由直調(diào)改為廠級(jí)調(diào)度。對(duì)于電廠而言，接收中調(diào)總的有功指令和電壓目標(biāo)值，根據(jù)各臺(tái)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分配。廠級(jí)負(fù)荷分配是根據(jù)電網(wǎng)的負(fù)荷要求和全廠各機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況，在線擬合機(jī)組煤耗量與負(fù)荷的特性曲線，實(shí)施計(jì)算各機(jī)組的經(jīng)濟(jì)負(fù)荷，并將結(jié)果作為機(jī)組的目標(biāo)負(fù)荷調(diào)節(jié)值直接送至協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全廠總負(fù)荷在各機(jī)組之間的實(shí)時(shí)分配[1]；電廠側(cè)電壓無(wú)功控制系統(tǒng)則是接收中調(diào)實(shí)時(shí)下發(fā)的母線電壓目標(biāo)指令，結(jié)合本地實(shí)測(cè)母線及全廠各發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行情況，按照既定的分配策略將系統(tǒng)所需要的無(wú)功合理分配給相應(yīng)機(jī)組，快速準(zhǔn)確的跟蹤中調(diào)的電壓指令目標(biāo)值，提高火電廠高壓母線的電壓水平，改善地區(qū)電網(wǎng)電能質(zhì)量[2]。在以往的系統(tǒng)中這2個(gè)系統(tǒng)完全獨(dú)立，分別安裝在監(jiān)控信息系統(tǒng)（SIS）和電氣網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)（NCS）中，這樣的配置當(dāng)電廠側(cè)從直調(diào)改為廠級(jí)調(diào)度時(shí)，將加大施工的難度，而將這2個(gè)優(yōu)化系統(tǒng)放在一起可以最大限度地實(shí)現(xiàn)兩者的信息交互，更好地進(jìn)行有功和無(wú)功的優(yōu)化。

1 發(fā)電廠綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

廠級(jí)控制設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與常規(guī)控制有很大的不同，它關(guān)注的重點(diǎn)是整個(gè)廠的整體控制結(jié)構(gòu)、操作點(diǎn)和被控變量的選取、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)中包含了2個(gè)設(shè)計(jì)理念，一是至上而下，一是自底而上[3，4]。發(fā)電廠綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。按照廠級(jí)控制的方法將其分為4個(gè)控制層次，分別為EMS的調(diào)度層控制、NCS的監(jiān)控層控制、包含廠級(jí)負(fù)荷分配和電壓無(wú)功控制優(yōu)化控制層以及處于底層的常規(guī)控制層。

圖1 發(fā)電廠綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

調(diào)度層中安裝了自動(dòng)發(fā)電控制系統(tǒng)（AGC）和自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)（AVC），負(fù)責(zé)電網(wǎng)的有功和無(wú)功的自動(dòng)調(diào)節(jié)；NCS監(jiān)控層負(fù)責(zé)接收中調(diào)下發(fā)的有功指令和電壓目標(biāo)指令，同時(shí)采集發(fā)電廠電氣控制需要的數(shù)據(jù)，以及廠級(jí)負(fù)荷分配進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算的必需數(shù)據(jù)和電廠側(cè)電壓無(wú)功控制系統(tǒng)所需要的數(shù)據(jù)，并將優(yōu)化結(jié)果下發(fā)給下位機(jī)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，NCS系統(tǒng)采用RCS-9700系統(tǒng)，它是基于SCADA/EMS一體化平臺(tái)開(kāi)發(fā)而成；廠級(jí)負(fù)荷分配和電壓無(wú)功控制系統(tǒng)都作為高級(jí)應(yīng)用模塊嵌入在NCS系統(tǒng)中；下位機(jī)的測(cè)控裝置可同時(shí)滿足NCS系統(tǒng)對(duì)有功和無(wú)功的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)常規(guī)控制層的控制要求。勵(lì)磁系統(tǒng)是電廠側(cè)AVC的最終執(zhí)行端，在NCS中建立勵(lì)磁控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。勵(lì)磁系統(tǒng)是電廠側(cè)AVC的系統(tǒng)模型，將有助于提高AVC控制的準(zhǔn)確性和安全性，將更多的勵(lì)磁系統(tǒng)的信息上送給調(diào)度端。同時(shí)系統(tǒng)還可將環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入到NCS系統(tǒng)中，作為廠級(jí)負(fù)荷分配評(píng)價(jià)各臺(tái)機(jī)組的環(huán)境保護(hù)指標(biāo)的一個(gè)因素。

2 廠級(jí)負(fù)荷分配與電壓無(wú)功優(yōu)化控制

2.1 廠級(jí)負(fù)荷分配

廠級(jí)負(fù)荷優(yōu)化分配的研究大部分都建立在機(jī)組煤耗特性曲線的基礎(chǔ)上，煤耗曲線的準(zhǔn)確性直接影響廠級(jí)負(fù)荷優(yōu)化分配的實(shí)用化，因此需要根據(jù)機(jī)組的運(yùn)行情況實(shí)時(shí)更新各臺(tái)機(jī)組的煤耗曲線。采用反平衡法計(jì)算機(jī)組的發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤耗率bi和標(biāo)準(zhǔn)煤耗量Bi的公式如下所示[5]：

式中：qi為第i臺(tái)機(jī)組的熱耗率；Q0為標(biāo)準(zhǔn)煤的低位發(fā)熱量；ηi為第i臺(tái)機(jī)組的鍋爐效率；pi為第i臺(tái)機(jī)組的輸出功率。pi可以從發(fā)電機(jī)采集接入NCS系統(tǒng)中，qi，Q0，ηi則可以通過(guò)DCS取得；此外，各臺(tái)機(jī)組的實(shí)時(shí)燃煤量也需要送到NCS系統(tǒng)中。根據(jù)這些數(shù)據(jù)就可以完成各機(jī)組煤耗量與負(fù)荷特性曲線的在線擬合和實(shí)時(shí)修正。由于各臺(tái)機(jī)組的環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)接入到NCS系統(tǒng)，在制定分配策略時(shí)可以適當(dāng)考慮機(jī)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(jī)組功率分配策略。

在直調(diào)方式下，發(fā)電廠各機(jī)組的有功指令是中調(diào)通過(guò)RTU發(fā)送給各臺(tái)機(jī)組的AGC測(cè)控裝置，測(cè)控裝置再將其轉(zhuǎn)換成4～20 mA模擬信號(hào)輸出給機(jī)組的DCS。當(dāng)發(fā)電廠由機(jī)組的直調(diào)方式改為廠級(jí)負(fù)荷分配時(shí)，而負(fù)荷分配軟件采用嵌入NCS系統(tǒng)的方案，那么原來(lái)直調(diào)方式下的AGC配置可以完全保持不變，只需將中調(diào)下發(fā)的總廠級(jí)負(fù)荷指令通過(guò)RTU送給NCS系統(tǒng)，然后廠級(jí)負(fù)荷分配軟件再根據(jù)各個(gè)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況將負(fù)荷指令分配給各臺(tái)運(yùn)行機(jī)組的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。這樣既可節(jié)省改造成本，又可實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠機(jī)組負(fù)荷的廠級(jí)分配。

2.2 電壓無(wú)功優(yōu)化控制

發(fā)電廠電壓無(wú)功優(yōu)化控制是保證區(qū)域電網(wǎng)電壓質(zhì)量和無(wú)功平衡，提高電網(wǎng)可靠性與經(jīng)濟(jì)性必不可少的措施?；赗CS-9700發(fā)電廠網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠電壓無(wú)功控制系統(tǒng)，可最大限度利用NCS的數(shù)據(jù)和信息采集，利用現(xiàn)有NCS的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制。系統(tǒng)具體的實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：省調(diào)AVC系統(tǒng)將電廠的優(yōu)化電壓值以命令的方式下發(fā)到電廠的AVC系統(tǒng)中，AVC決策單元通過(guò)在線辨識(shí)獲取整個(gè)電廠的系統(tǒng)阻抗，結(jié)合電廠本地實(shí)測(cè)母線電壓和省調(diào)下發(fā)的電壓命令值，計(jì)算出電廠端所要增加或減少的無(wú)功總量。根據(jù)當(dāng)前機(jī)組的運(yùn)行情況，考慮機(jī)組的各種約束限制，得到可控機(jī)組的運(yùn)行信息，然后根據(jù)既定的分配策略，在各機(jī)組間進(jìn)行無(wú)功的合理分配。可以選擇采用等功率因數(shù)控制、相似視在功率、等無(wú)功備用、相似調(diào)整裕度4種控制分配策略。

2.3 廠級(jí)負(fù)荷分配與電壓無(wú)功控制的協(xié)調(diào)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)勢(shì)就在于廠級(jí)負(fù)荷分配系統(tǒng)與電廠側(cè)AVC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互，由于2個(gè)應(yīng)用模塊都集成在NCS平臺(tái)上，因此可以共享網(wǎng)絡(luò)上的所有數(shù)據(jù)，兩者的計(jì)算和分析結(jié)果被對(duì)方直接使用。除此之外，由于將環(huán)保監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)接入到NCS系統(tǒng)中，系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取各臺(tái)機(jī)組排煙量、二氧化硫以及氮氧化物的信息，通過(guò)在線辨識(shí)得到各臺(tái)機(jī)組有功、無(wú)功與這些環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單模型，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)值可只作為參考值，也可參與到2個(gè)應(yīng)用模塊的策略計(jì)算，形成約束條件。勵(lì)磁系統(tǒng)是電廠AVC控制中的最終執(zhí)行端，而調(diào)度系統(tǒng)的模型都是按照公共信息模型（CIM）標(biāo)準(zhǔn)建立，為了保證AVC控制的準(zhǔn)確性和安全性，方便與調(diào)度端系統(tǒng)進(jìn)行信息交互，有必要在NCS系統(tǒng)中建立基于CIM的勵(lì)磁系統(tǒng)模型。

3 基于CIM的勵(lì)磁系統(tǒng)控制

IEC61970-301標(biāo)準(zhǔn)定義了能量管理系統(tǒng)的應(yīng)用程序接口（API），CIM作為此標(biāo)準(zhǔn)中的重要組成部分之一，規(guī)定了API的語(yǔ)義。在CIM中同步電機(jī)模型與其他模型的簡(jiǎn)化關(guān)系如圖2所示。從圖中可以看到與同步電機(jī)緊密相關(guān)的勵(lì)磁系統(tǒng)，并沒(méi)有包含在CIM中。為了在電廠側(cè)AVC控制系統(tǒng)中更多地獲取勵(lì)磁系統(tǒng)的信息，方便調(diào)度端獲取勵(lì)磁系統(tǒng)模型信息，同時(shí)也能更好地保證AVC控制的安全性，有必要在CIM中建立勵(lì)磁系統(tǒng)的模型。

圖2 CIM中的同步電機(jī)模型

3.1 基于CIM的勵(lì)磁系統(tǒng)模型

在現(xiàn)有的CIM中，包含的控制和調(diào)節(jié)信息的類都從調(diào)節(jié)設(shè)備類中派生而來(lái)，每個(gè)調(diào)節(jié)設(shè)備類和1個(gè)控制類相關(guān)聯(lián)，控制類包括了和控制相關(guān)的所有描述；此外，1個(gè)設(shè)定的調(diào)節(jié)計(jì)劃也是調(diào)節(jié)設(shè)備類不可缺少的部分，如圖3所示。因此，可以將勵(lì)磁系統(tǒng)模型與原有CIM的關(guān)系表述如下：勵(lì)磁系統(tǒng)類從調(diào)節(jié)設(shè)備類派生出來(lái)，這樣就可以繼承有關(guān)控制信息的描述，同時(shí)在模型中加入了調(diào)節(jié)計(jì)劃的描述。

圖3 勵(lì)磁系統(tǒng)模型在CIM中的描述

根據(jù)CIM面向?qū)ο蟮慕７椒ê徒?zhǔn)則，結(jié)合勵(lì)磁系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)特點(diǎn)，建立勵(lì)磁系統(tǒng)的詳細(xì)模型[6]，其關(guān)系圖表述如圖4所示。勵(lì)磁系統(tǒng)根據(jù)勵(lì)磁方式不同分為他勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)和自勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)，前者需要交流副勵(lì)磁機(jī)來(lái)提供勵(lì)磁電流，因此要建立1個(gè)勵(lì)磁機(jī)類；后者除了通過(guò)變壓器從發(fā)電機(jī)端或廠用母線取得勵(lì)磁電流外，還通過(guò)變流器從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)或出線側(cè)獲得勵(lì)磁電流，借用CIM中的變壓器類類，并專門建立1個(gè)變流器類。此外，無(wú)論是他勵(lì)系統(tǒng)，還是自勵(lì)系統(tǒng)，都有整流器，因此需要建1個(gè)整流器類；對(duì)于勵(lì)磁系統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)，電力系統(tǒng)中普遍采用AVR＋PSS的控制模式，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)了勵(lì)磁電壓的自動(dòng)調(diào)節(jié)，電力系統(tǒng)穩(wěn)定器借助于勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制勵(lì)磁機(jī)的輸出，來(lái)阻尼同步電機(jī)的功率振蕩，因此需要建立自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器類和1個(gè)電力系統(tǒng)穩(wěn)定器類。至此完整的勵(lì)磁系統(tǒng)模型就建立完畢，可以將其應(yīng)用到電廠側(cè)AVC控制系統(tǒng)中。

圖4 勵(lì)磁系統(tǒng)模型的詳細(xì)描述

3.2 基于CIM勵(lì)磁模型的電壓無(wú)功控制

在發(fā)電廠綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)中，廠級(jí)負(fù)荷優(yōu)化分配模塊進(jìn)行10多年的發(fā)展和研究，無(wú)論從算法還是模型都已經(jīng)相當(dāng)完善；而電廠側(cè)AVC控制系統(tǒng)還有很多方面值得深入研究。在電廠AVC控制中，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)，勵(lì)磁系統(tǒng)是由一些典型的控制環(huán)節(jié)組成，其中還存在一些非線性環(huán)節(jié)，如限幅環(huán)節(jié)、勵(lì)磁機(jī)的飽和等，控制器采用簡(jiǎn)單的PI控制[7]，在AVC軟件中建立勵(lì)磁系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型的模型庫(kù)，模型庫(kù)包含了主要?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，對(duì)于不同電廠的勵(lì)磁系統(tǒng)，可以通過(guò)選擇相匹配的模型來(lái)確定AVC系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型，結(jié)合CIM的勵(lì)磁系統(tǒng)模型，通過(guò)對(duì)模型的離線學(xué)習(xí)和在線辨識(shí)獲取模型各個(gè)環(huán)節(jié)的參數(shù)。然后再根據(jù)參數(shù)來(lái)確定AVC模型控制系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)，如系統(tǒng)反饋系數(shù)、發(fā)電機(jī)反饋系數(shù)、系統(tǒng)阻抗、無(wú)功調(diào)節(jié)量等[8]，這樣就可以獲得勵(lì)磁系統(tǒng)完整的數(shù)學(xué)模型?；贑IM的勵(lì)磁系統(tǒng)模型為整個(gè)過(guò)程提供了運(yùn)算和存儲(chǔ)的載體。利用勵(lì)磁系統(tǒng)的模型，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)電廠AVC的仿真系統(tǒng)，使運(yùn)行人員通過(guò)這樣的系統(tǒng)更加了解電廠AVC的控制方式和執(zhí)行情況，建立起電廠電壓無(wú)功控制的培訓(xùn)仿真環(huán)境。

4 結(jié)束語(yǔ)

發(fā)電廠綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)是將原來(lái)SIS中的廠級(jí)負(fù)荷分配和NCS中的電廠側(cè)AVC控制系統(tǒng)，統(tǒng)一放在NCS監(jiān)控系統(tǒng)平臺(tái)上，作為NCS系統(tǒng)的2個(gè)高級(jí)應(yīng)用模塊。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在：（1）當(dāng)發(fā)電廠由中調(diào)直調(diào)方式改為廠級(jí)負(fù)荷分配時(shí)，該設(shè)計(jì)方式可以最大限度地節(jié)省改造費(fèi)用和成本，更好地利用原來(lái)的設(shè)備，同時(shí)也降低了改造的難度。（2）2個(gè)模塊在完成各自功能的同時(shí)，還可以相互交換信息，從而提高各自的控制和優(yōu)化水平。采用一體化的設(shè)計(jì)思想，使得信息的獲取和命令的執(zhí)行更加順暢。（3）在電廠AVC中嵌入勵(lì)磁系統(tǒng)的控制模型，通過(guò)辨識(shí)方法獲取更加準(zhǔn)確的模型參數(shù)，為AVC系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)置提供依據(jù)；在勵(lì)磁系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上，開(kāi)展電廠AVC的仿真培訓(xùn)功能，使運(yùn)行人員能更好地理解和認(rèn)識(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行和事故處理。

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