张河湾抽水蓄能电站AVC子站系统设计及应用实现

2017-06-27单鹏珠张柏李勇宋庆元罗兴锜

电网与清洁能源 2017年4期

单鹏珠，张柏，李勇，宋庆元，罗兴锜

（1.南瑞集团公司（国网电力科学研究院），江苏南京 211106；2.河北张河湾蓄能发电有限责任公司，河北石家庄 050000；3.西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048）

单鹏珠1，张柏1，李勇2，宋庆元1，罗兴锜3

张河湾抽水蓄能电站计算机监控系统为法国阿尔斯通ALSPA P320产品，P320系统因Hydroprocess软件未进行配置而不具备AVC功能。根据河北省电力调度中心要求，电站增加了一套新的AVC子站系统。详细介绍了张河湾AVC子站系统的结构配置和功能设计，对试验过程和试验结果进行了阐述，并提出了改善AVC子站系统调节精度和调节效果的技术方法。此外，还简要介绍了AVC子站系统与阿尔斯通ALPHA P320监控系统的数据交互技术。

张河湾抽水蓄能电站；计算机监控系统；AVC；ALSPA

张河湾抽水蓄能电站位于河北省石家庄井陉县，电站总装机容量100万kW，安装了4台250 MW可逆式水泵水轮机组。电站计算机监控系统采用阿尔斯通ALSPA P320产品，ALSPA P320是以计算机技术为基础的分层分布式计算机监控系统。P320系统主要由与中控室相关的主控级（CENTRALOG层，上位机）和与电站现场自动化相关的现地控制级（CONTROLBLOC层，下位机）组成。阿尔斯通监控系统主网络为S8000E冗余双光纤环网，现地控制单元内部采用 FieldBUS现场总线 F8000连接。CENTRALOG配置2台SUN BLADE150网关机实现与华北网调和河北省调的远动通讯，通讯规约为IEC101和IEC104。

ALSPA P320计算机监控系统在2007投产时Hydroprocess程序没有配置自动发电控制和自动电压控制功能[1-2]，电厂运行人员只能根据调度下发的负荷曲线，手动对机组进行负荷的调整。鉴于抽水蓄能机组运行方式灵活，启动迅速，为充分利用蓄能机组的无功调节能力，发挥大型抽水蓄能电厂在电网中的调节作用，提升河北电网电压和无功控制水平，提高电压质量、无功平衡以及电网的可靠性和经济性[3]，河北省调亟需张河湾电站实现自动电压控制（AVC）功能。

由于张河湾电站计算机监控系统为法国阿尔斯通较早产品，限于早期计算机自动化水平，其软件功能现在已经不能满足调度AVC要求，另一方面阿尔斯通水电业务已经被通用公司收购，后续的技术支持和售后服务难以继续深入[4]，因此电站最终选择了南瑞集团公司的AVC子站系统。

1 AVC子站系统与阿尔斯通P320系统的信息交互

AVC子站系统需要从阿尔斯通P320监控系统获取机组有功功率、系统频率、机组状态等AVC相关的重要输入数据源，因此AVC子站系统与阿尔斯通P320系统的数据通信是AVC子站系统功能实现的基础。

阿尔斯通ALSPA P320现地控制单元控制器为C80-75 PLC，AVC子站系统配置一台与C80-75 PLC进行信息交互的数据网关机。数据网关机通过特定通讯协议实现对C80-75 PLC各类型寄存器的读取和写入，从而实现AVC子站系统对P320监控系统的数据采集和对励磁调节器AVR的无功功率控制。

此种信息交互方式的优点是通信安全可靠，数据实时性高。一方面，不需要对阿尔斯通的监控系统做任何改动就可以实现数据的交互，完全保证P320现地控制单元的原厂状态；另一方面，通信方式可靠性高，而且交互数据的实时性也能得到保证。

2 AVC子站系统功能结构

AVC子站系统采用RedHat Linux操作系统，以南瑞NC2000为软件开发平台，硬件配置两台AVC服务器、三台操作员工作站、两台网络交换机和一台数据网关机。AVC服务器为双机热备冗余工作模式，任何一台服务器故障均可自动无缝切换至另一台服务器，确保AVC子站系统的正常运行和数据安全。图1为AVC子站系统结构图。

图1 AVC子站系统结构图Fig.1 System structure diagram of AVC sub station

AVC子站系统接收来自省调AVC主站的遥调控制指令，应用AVC控制策略，并将优化计算的机组无功功率通过数据网关机下发至阿尔斯通P320现地控制单元和励磁系统AVR，最终由AVR实现机组无功功率的调节。

张河湾抽水蓄能电站发电电动机机组采用单元接线方式，机组经主变升压后直接与500 kV高压母线连接。AVC子站系统以500 kV高压母线电压作为调节目标，通过调节励磁系统的无功功率来实现对高压母线电压的间接控制，AVC子站采用以母线电压大闭环和机组无功功率小闭环相结合的控制方式[5-6]。小闭环就是由阿尔斯通P320现地控制单元和机组励磁系统完成对机组无功功率的闭环控制，大闭环就是由AVC子站系统通过对高压母线电压目标值的逐次逼近和精细调节，完成对高压母线电压的闭环控制。图2为AVC子站系统控制逻辑图。

2.1 AVC运行模式

2.1.1 全厂AVC投入/退出

全厂AVC投入/退出决定了AVC子站系统功能是否生效，只有全厂AVC处于“投入”状态时，AVC子站系统才会对输入数据进行合法性判断，并根据优化控制策略进行无功的分配计算；当全厂AVC处于“退出”状态时，AVC子站系统不进行实时优化计算，无功分配值自动跟踪实发值[7]。

图2 AVC子站系统控制逻辑图Fig.2 Control logic diagram of AVC sub station

2.1.2 全厂AVC开环/闭环

全厂AVC开环/闭环决定AVC子站系统是否将机组无功分配值输出至AVR，开环模式下机组的无功分配值仅并在画面上显示，但不下发至机组AVR。闭环模式下，机组的无功分配值自动下发至机组AVR进行功率调节。

2.1.3 机组AVC投入/退出

机组AVC投入/退出是指机组是否加入AVC系统成组控制，机组AVC“退出”表示该机组处于单机模式，不参与AVC成组控制；机组AVC“投入”则表示该机组参与AVC成组控制，将执行AVC优化计算出的无功分配值。

2.2 AVC调节模式

2.2.1 AVC电站/调度

AVC电站/调度模式是指AVC子站系统处于电站本地控制还是调度远方控制状态。AVC处于电站模式时，AVC子站系统执行电站本地值班人员的手动电压（无功）设定值，此时调度下发设定值无效。AVC处于调度模式时，AVC子站系统执行调度远动通讯自动下发的电压（无功）设定值，此时电站本地电压（无功）设定值将自动跟踪实发值。

2.2.2 AVC定值/曲线

AVC定值模式是指AVC子站系统电压（无功）设定值的数据源取自本地手动设定（AVC处于电站控制）或调度远方自动设定值（AVC处于调度控制）。AVC曲线模式是指AVC子站系统电压（无功）设定值的数据源取自当日电压曲线的实时曲线值。

2.3 AVC无功分配策略

抽水蓄能机组稳定运行工况有发电、发电调相、抽水和抽水调相，各工况机组的物理特性各不相同，因此张河湾AVC子站系统无功功率的分配主要考虑容量等比例和相似裕度两种方法。

2.3.1 容量等比例

容量等比例是对抽水蓄能机组的可用无功容量依据比例计算。

式中：n为AVC成组的抽蓄机组台数；QiMax为AVC成组的第i台抽蓄机组最大可用无功容量；为 AVC成组抽蓄机组的最大可用无功容量之和；QiAVC为AVC成组的第i台抽蓄机组所分配的无功功率；QAVC为AVC成组的抽蓄机组全厂无功功率分配值。

2.3.2 相似裕度

相似裕度是对抽水蓄能机组的可用无功调节裕量依据比例计算。

式（2）为AVC无功调节向上，式（3）为AVC无功调节向下。

式中：QiMax-Qi、Qi-QiMin为AVC成组的第i台抽蓄机组无功裕量；为AVC成组抽蓄机组的无功裕量之和；Qi为AVC成组的第i台抽蓄机组实发无功功率；QiAVC为AVC成组的第i台抽蓄机组所分配的无功功率；ΔQ为AVC成组的全厂无功功率差额。

2.4 AVC安全闭锁策略

为保证AVC子站系统的安全稳定运行，AVC子站系统提供必须的保护闭锁。

2.4.1 AVC控制保护

1）无机组参加AVC成组控制，AVC控制自动退出。

2）电厂发生事故，AVC控制自动退出。

3）高压母线量测值异常，AVC控制自动退出。

4）系统电压发生震荡，AVC控制自动退出。

5）机组无功功率品质坏，AVC控制自动退出。

2.4.2 机组AVC控制保护

1）机组无功PID不可调，机组AVC控制自动退出。

2）机组LCU发生故障，机组AVC控制自动退出。

3）机组励磁装置AVR故障，机组AVC控制自动退出。

4）机组无功功率品质坏，机组AVC控制自动退出

2.4.3 其他保护闭锁

1）AVC调度控制，远动通讯全部故障，AVC自动切换为电站控制。

2）AVC调度控制，AVC子站系统15分钟内未收到新的有效调节指令，AVC自动切换为电站控制[8]。

3）AVC调度控制，电站母线电压（无功功率）设定值自动跟踪实发值。

2.4.4 AVC增磁/减磁保护

1）高压母线电压越限保护；越上限，增磁闭锁；越下限，减磁闭锁。

2）机组机端电压越限保护；越上限，增磁闭锁；越下限，减磁闭锁。

3）机组定子电流越限保护，增磁闭锁。

4）机组有功功率越限保护，增减磁闭锁。

5）机组无功功率越限保护；越上限，增磁闭锁；越下限，减磁闭锁。

6）厂用母线电压越限保护；越上限，增磁闭锁；越下限，减磁闭锁。

3 AVC子站试验

3.1 AVC远动信息核对

AVC子站服务器采用IEC104规约，通过电力调度数据网实现与调度AVC主站的双通道通信，上送电力调度所需AVC子站实时数据，并接收调度下发遥调指令。

河北省调AVC主站下发的500 kV母线电压设定值采用4位数字的增量方式，即母线电压设定值与实际量测值的变化量，该调节步长编码规则如下：

1）千位：千位为调节方向，2表示上调，1表示下调，其他数值为通讯错误；

2）百位：百位从1～5循环计数，主站每次下发遥调指令时确保与上次不同，子站据此判断是否收到新的遥调值。1～5范围之外的数值为命令非法。

3）十位和个位：共同表示调节变化量的十倍值。

AVC子站远动信息表如表1所示。

表1 AVC子站远动信息表Tab.1 Telecontrol information of AVC sub station

3.2 AVC子站静态调试和参数配置

试验前需对AVC子站的参数进行配置，配置后就可将参数下装至AVC服务器。下装参数是否正确可以从AVC子站的静态调试工具中查看。AVC子站参数见表2。

AVC子站静态调试工具可以完成AVC子站的静态模拟调试，试验人员可以在静态调试工具中对组态参数进行模拟设置，并可以对AVC功能和安全闭锁条件进行静态模拟调试。通过静态模拟调试，能够发现AVC子站系统的运行情况，并对发现的问题进行修正。

表2 AVC子站参数配置表Tab.2 Parameter configuration of AVC sub station

3.3 厂内单机AVC闭环动态试验

AVC动态试验首先要对每台机组进行单机AVC试验，从而测试单机AVC对指令的响应、无功功率的分配、高压母线的调节速度和动态偏差以及相关安全闭锁条件。表3为张河湾1号机组的AVC闭环试验表，从表中数据可以看出1号机组参加AVC后调节速度和动态偏差均在正常范围内。

表3 1号机组AVC闭环试验表Tab.3 AVC closed-loop test of Unit 1#

3.4 厂内多机AVC闭环动态试验

厂内多机AVC试验是指多台机组参与AVC后，测试AVC子站对指令的响应、无功功率的分配、高压母线的调节速度和动态偏差以及相关安全闭锁条件。表4为张河湾1号、3号和4号机组的AVC闭环试验表，从表中数据可以看出三台机组参加AVC后系统的调节速度和动态偏差均在正常范围内。

表4 1号、3号、4号机组AVC闭环试验表Tab.4 AVC closed-loop test of Unit 1#,3#and 4#

4 AVC系统的改进措施

4.1 提高线路电压和机组无功功率的采集精度

AVC子站系统的调节精度受电压和功率采集装置影响较大，此前某电网直调电站多次出现由于高次谐波干扰造成交流采样装置采样波动较大，导致AVC考核不合格的情况，而在更换高精度和可靠性的变送器后，AVC合格率从之前的95%提高到99%。

张河湾AVC子站的电压和功率采集没有直接使用原监控系统交采表的采集数据，而是采用了在机组、开关站新增加的电压和功率变送器的数据，从而提高了AVC子站的调节精度和调节效果[9]。

4.2 AVC子站系统与P320系统的互锁机制

由于AVC子站与阿尔斯通P320系统都具备对机组无功功率进行调节的权限，为确保调节指令的唯一性，在AVC子站引入调节权的概念，由ALSPA P320系统决定调节权的归属。只有调节权限切换至AVC子站后，方可允许AVC子站系统进行调节。

5 结语

我国早期的大型抽水蓄能电站大都随主机捆绑采购国外监控产品，国外监控系统的AVC功能在投产时基本未进行调试，或者调试后不能满足电力调度的要求而弃之不用。

本文详细介绍了张河湾AVC子站系统的功能设计，对试验结果进行了分析，并提出了改善AVC调节精度和调节效果的技术方法。张河湾AVC子站完成投运后，系统运行良好，功能完全满足河北省调要求。此外，本文所介绍的AVC子站系统与阿尔斯通ALSPA P320系统的信息交互技术对张河湾电站监控系统国产化改造也可以提供有益的技术参考。

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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。

单鹏珠（1975—），男，高级工程师，从事抽水蓄能电站自动控制、水电站AGC/AVC控制及梯级水电站经济运行控制技术的研究开发工作。

（编辑李沈）