燃煤电厂DCS系统中的电压控制节能方法研究

宁玲玲

（山东凯文科技职业学院 机械学院，山东 济南 250200）

燃煤电厂DCS系统中的电压控制节能方法研究

宁玲玲

（山东凯文科技职业学院 机械学院，山东 济南 250200）

对燃煤电厂DCS系统进行节能控制，能够提高DCS系统的安全性，延长了系统中元器件的使用寿命。传统的节能方法无法根据DCS系统中各个控制单元的工作属性，对控制单元的状态和进程进行准确判断，增加了电力系统的能源损耗。提出基于分散电压控制的燃煤电厂DCS系统中的节能方法。对燃煤电厂DCS系统的拓扑结构进行分析，为电压控制节能提供了准确的数据基础；通过对各个控制单元的正向电压和负向电压进行调节，实现了DCS系统的节能。仿真实验结果表明，利用改进算法进行燃煤电厂DCS系统节能，能够提高DCS系统的功率因数，降低无功功率，实现了DCS系统的节能，效果令人满意。

燃煤电厂；DCS系统；电压控制；节能

燃煤电厂利用DCS系统进行发电系统的集控运行，能够提高燃煤发电机组的发电效率和安全性[1]，已成为当前燃煤电厂节能控制方面研究的重要课题。燃煤电厂DCS系统能够实现的主要功能有：1）控制各个发电机组和变电机组的分闸和合闸[2]；2）对发电机组的励磁系统进行自动控制[3]；3）对输电线路进行自动调节控制；4）对各个辅助保护系统进行自动控制[4]。但是，在实际应用中，绝大部分的燃煤电厂DCS系统在电压控制过程中存在着严重的能源损耗[5]，如果不能降低不必要的能源损耗，将会引起热量堆积，造成元器件绝缘性能降低，并缩短使用寿命[6]。因此，如何降低燃煤电厂DCS系统中的能源损耗，已经成为电力领域一个热门研究课题[7]。当前节点，主要的燃煤电厂DCS系统中的节能方法包括基于PLC控制的节能控制方法[8]基于动态电压调节的节能控制方法和基于能量损耗模型的节能控制方法[9]。其中最常用的是基于能量损耗模型的节能控制方法。由于燃煤电厂DCS系统中的节能控制方法在节能减排方面能够发挥巨大的作用，因此，该课题具有广阔的发展前景，受到越来越多人们的重视[10]。

利用传统节能控制方法进行燃煤电厂DCS系统中节能控制的过程中，无法根据DCS系统中各个控制单元的工作属性，推断出系统控制单元的状态和控制进程的精确时间，缺乏协调性，造成能源损耗严重。

针对上述传统方法存在的缺陷，提出一种基于分散电压控制的燃煤电厂DCS系统的节能方法。对燃煤电厂DCS系统的拓扑结构进行分析，为电压控制节能提供了准确的数据基础；通过对各个控制单元的正向电压和负向电压进行调节，实现了DCS系统的节能。仿真实验结果表明了改进算法在燃煤电厂DCS系统节能方面的优越性。

1 DCS系统的电压损耗分析

在燃煤电厂DCS系统中，控制单元接入到DCS系统中出现的问题：1）由于用户负载的变化、用电时间的变化等不确定因素使得DCS系统的输出电压发生变化；2）DCS系统存在电压不平衡引起的损耗。

DCS系统输出有功功率的变化引起电压变化的原因如下所述。

单个控制单元接入到DCS系统中的等效电路如图1所示。

图1 控制单元接入DCS系统的能效电路Fig.1 Energy efficiency circuit with control unit connected to DCS system circuit

设置控制单元正向电压的变化值为dIDG，P=ΔIDG，P+ jδIDG，P，则DCS系统中电压的变化量为

式中：Sd为DCS系统的短路容量；φ为DCS系统的阻抗角；θ为功率因素角；α为相位角。IDG，P的变化造成DCS系统正向电压的变化量能够描述为

由于IDG，N的变化引起DCS系统负向电压的变化，则dUPCC，N为

正向电压的变化值为

图2能够描述IDG，P和IDG，N的变化引起DCS系统正向和负向电压的变化情况，根据图2可知，IDG，P和IDG，N的变化量越大，DCS系统的正向电压和负向电压的变化就越大。

图2 DCS系统正向和负向电压的变化情况Fig.2 DCS system changes of the positive and negative voltage

根据上面阐述的方法，对DCS系统中的电压变化情况进行分析，为电压控制节能提供了准确的数据基础。

2 基于分散电压控制的节能方法

传统的节能方法无法根据DCS系统中各个控制单元的工作属性，推断出系统控制单元的状态和控制进程的精确时间，造成能源损耗严重。提出一种基于分散电压控制的燃煤电厂DCS系统的节能方法。

2.1 燃煤电厂DCS系统的拓扑分析

对DCS系统中的电压进行精确控制是降低DCS系统能源损耗的关键。以燃煤电厂DCS系统的控制电路为例，按照控制单元分布的区域，将电压控制的区域进行了划分。

在图3中，Z1-Z5为不同控制单元的阻抗，U1＜α1，U2＜α2，U3＜α3，U4＜α4，U5＜α5为控制单元PCC1至PCC5的电压，Psl，PS2，Qsl，QS2为DCS系统分配两条馈线的功率，P1，P3，P5，Q1，Q3，Q5为控制单元PCC1、PCC3和PCC5的功率；PDgl-PDG5、QDgl-QDG5为Dgl-DG5的功率，流 入DCS系统为正方向。在进行燃煤电厂DCS系统电压控制的过程中，上述参变量的数值都为正向和反向综合的结果，DG为等效接入的控制单元。

图3 燃煤电厂DCS系统拓扑结构图Fig.3 DCS system topology structure of the coal-fired power plant

2.2 DCS系统中电压控制节能的实现

在燃煤电厂DCS系统中，通过对各个控制单元的电压进行控制，实现了燃煤电厂DCS系统电压控制的节能。具体方法如下所述。

2.2.1 正向电压控制的节能方法

首先，需要对DCS系统分配到控制单元的功率进行计算：

对式（9）进行简化处理，使电压的部分得到保留：

从上述公式能够得知，DCS系统中的电压能够以控制单元输出功率的形式进行表达，而DCS系统电压和其功率具有相同的变化方向，对式（7）在控制单元额定电压处进行线性化处理，可以得到：

通过上述公式能够对DCS系统中的损耗电压进行补偿，同时改善了控制单元的电压水平，实现了DCS系统的分散电压控制的目标。

利用下述公式能够获得控制单元左右电压的参考调整值：

式中：M+5是DCS电压调整对于控制单元电压影响的大小，其取值应该在合理的范围内，即在U+5，P+5，Q+5这几个数值的上和下限：

按照同样的方法，可以得到馈线分区的中的参考电压：

大数据和智慧城市不再是初步的构想，目前，国际上许多发达国家早已将其应用于城乡规划建设中，并取得了十分显著的成效。例如，在阿姆斯特丹地区，智能城市系统和公共照明设施实现了无缝连接，夜晚时，照明传感器会自动感知到光度变化，随后开启照明模式；芝加哥地区则是广泛构建了GPS传感器网络，实现了城市街区的数字化规划；纽约地区在地下水道系统中安装了传感器，极大地增强了城市污水排放和雨水径流水平的检测能力。另外，据证实，法国尼斯智能城市试点项目完全以IP技术为架构，基于经济模式，并利用物联网技术规划未来城市和社会整体效益，形势大好。

2.2.2 负向电压控制的节能方法

DCS系统中控制单元的不对称负荷造成系统中出现负向功率损耗，在进行燃煤电厂DCS系统中的电压调整的过程中，除了对正向电压进行调整，同时需要对负向电压进行调整，降低DCS系统电压的不平衡度。负向电压调整就是调整控制单元输出的负向无功功率，在进行负向电压调整的过程中采用与正向电压调整相同的方法，最后得到的负向电压参考值为

根据上面阐述的方法，通过调整燃煤DCS系统中的正向电压和负向电压进行调整，能够减少正向功率损耗和负向功率损耗，减少了燃煤电厂DCS中的能源损耗，实现了节能的目的。

3 实验结果及分析

3.1 实验参数设置

为了验证改进算法在燃煤电厂DCS系统节能方面的有效性，需要进行一次仿真实验，利用simulin构建燃煤电厂DCS系统节能的仿真实验环境。燃煤DCS系统是由10 kV·A的380 V/220 V变压器和相关控制单元构成。控制单元相关参数如表1所示。

表1 DCS系统相关参数设置Tab.1 DCS system related parameters settings

燃煤电厂DCS系统的节能仿真实验从0时刻开始，为了验证不同电压变化条件下的节能效果，进行不同的控制单元输出功率变化的仿真实验。燃煤电厂DCS系统运行的过程中，控制单元输出功率的参考值设置如表2所示。

表2 控制单元功率参考值变化表Tab.2 Control unit power reference values change table kW

3.2 实验结果对比分析

在进行燃煤电厂DCS系统节能仿真实验的过程中，从0时刻开始，当进行到1 s时刻时，DCS系统中控制单元的输出功率会引起系统电压出现较大的波动，使系统出现较大的能源损耗。表3能够描述采用传统算法和改进算法进行燃煤电厂DCS系统节能控制的效果。

根据表2中的实验结果能够得知，采用改进算法进行燃煤电厂DCS系统电压控制，能够抑制不同控制单元的电压波形，减少电压损耗，使DCS系统中的能源损耗得到抑制，而传统算法由于没有对DCS系统中的各个控制单元进行电压调整，造成DCS系统中的电压波动性较大，无法降低DCS系统中的能源损耗。这充分体现出改进算法在燃煤电厂DCS系统中节能控制方面的有效性。

表3 不同算法电压变化情况对比Tab.3 Comparison of voltage changes under different algorithms

利用不同算法进行燃煤电厂DCS系统中的节能实验，获得DCS系统的无功功率实验结果见图4和图5。

图4 不同算法DCS系统的无功功率比较Fig.4 Comparison of reactive powers of DCS system under different algorithms

图5 不同算法的DCS系统功率因数比较Fig.5 Comparison of power factors of DCS system under different algorithms

从图4 图5的实验结果能够得知，采用改进算法进行燃煤电厂DCS系统中的电压控制，能够使DCS系统中的无功功率得到极大的降低，提高了功率因数，提高了有功功率的输出，降低了系统的能源损耗，而传统算法由于没有充分考虑DCS系统中各个控制单元的工作属性，难以推断出系统控制单元的状态和控制进程的精确时间，无法抑制系统的无功功率。增加了系统的能源损耗。

4 结语

针对传统算法在燃煤电厂DCS系统节能方面的不足，提出一种基于分散电压控制的燃煤电厂DCS系统中的节能方法。对燃煤电厂DCS系统的拓扑结构进行分析，为电压控制节能提供了准确的数据基础；通过对各个控制单元的正向电压和负向电压进行调节，实现了DCS系统的节能。仿真实验结果表明，利用改进算法进行燃煤电厂DCS系统节能，能够提高DCS系统的功率因数，降低无功功率，实现了DCS系统的节能。

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Research on Voltage Control and Energy Saving Method in the Coal-Fired Power Plant DCS System

NING Lingling
（College of Mechanical Engineering，Shandong Kaiwen College of Science and Technology，Jinan 250200，Shandong，China）

The energy-saving control of the DCS system of the coal-fired power plant can enhance the security of the DCS system，and prolong the service 1ife of the components in the system.The traditional energy saving method cannot accurately judge the status and progress of the control unit according to the working properties of each control unit in the DCS system，thereby increasing the energy 1oss of the system.For this，this paper puts forward a kind of coal-fired power plant DCS system based on distributed voltage control method of energy saving.A topology structure analysis of the DCS system in the coal-fired power plant is conducted to provide an accurate data basis for voltage control and energy saving.Through both negative and positive voltage regulations of each control unit，the energy saving of the DCS system is realized.Simulation experiment results show that the improved algorithm used in the DCS system energy-saving of the coal-fired power plant can improve the power factor of the DCS system，reduce reactive power so as to realize the energy saving of the DCS system with satisfactory effects.

2015-03-09。

宁玲玲（1980），女，硕士，讲师，主要研究方向为控制工程。

（编辑 徐花荣）

1674-3814（2015）08-0031-05

TM82

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KEY W0RDS：coal-fired power plants；The DCS system；voltage control；energy saving