基于RTDS的电厂侧AVC系统的测试方法

范宏，周德生，潘爱强，陈超

(1.上海电力学院电气工程学院，上海 200090;2.上海市电力公司电力科学研究院，上海 210000;3.安徽立卓智能电网科技有限公司，安徽 合肥 230031)

0 引言

电力系统无功功率优化与补偿是电力系统安全经济运行的重要组成部分［1-2］，电厂侧自动电压控制系统(Automatic Voltage Control，简称AVC)是利用先进的电子、网络通讯与自动控制技术，在线接收省电力调度中心下发的母线电压指令，自动对发电机无功出力或高压侧母线电压进行实时跟踪调控。该系统可有效地控制区域电网无功的合理流动，增强电力系统运行的稳定性和安全性，保证电压质量，改善电网整体供电水平，减少电网有功网损，充分发挥电网的经济效益，同时降低运行人员的劳动强度，在各大电厂都有广泛应用［3-5］。目前，关于电厂侧自动电压控制系统的应用研究已经很多，如，文献［6］提出了自动电压控制系统的公共信息模型;文献［7］提出了一种新的自适应变步长电压控制方法，可根据目标电压与实际电压差值采用快速逼近法实现电压跟踪调节;文献［8］提出了将梯级电站集控中心作为电厂侧AVC子站，根据高压母线电压目标值自动调整各电站和各机组的无功出力，同时，省地调直控变电站及电厂侧AVC系统相互协调运行。本文在实时仿真系统中建立了模拟电厂现场运行的一次系统，利用实时数字仿真系统的闭环在线运行的特点，建立了电厂侧AVC系统与实时数字仿真系统的闭环运行系统，通过模拟电厂侧AVC系统的在线运行方式，对电厂侧AVC系统功能进行测试。

1 电厂侧AVC系统介绍

1.1 系统结构

AVC系统包含AVC主站和AVC子站。AVC主站在区域电网调度中心，子站在发电厂侧。AVC主站根据系统无功优化潮流的计算，将节点电压控制命令下发到子站，并接收子站反馈的状态信息。AVC子站在功能上又分为上位机和下位机。上位机又称为中控单元，包含主机和备机，负责AVC主站指令的接收和当前运行工况分析，并进行运算和任务处理。下位机，又称执行终端，是系统调控的执行机构，接收来自于中控单元的指令，向发电机发出调节指令和辅助指令，并接受来自于发电机DCS监控系统的控制指令。

1.2 控制方法

本文的被测AVC系统采用三级电压控制方式。一级电压控制为单元控制。控制器为发电机励磁调节器，控制时间常数一般为毫秒～秒级，在一级控制中，控制设备通过保持输出变量尽可能的接近设定值补偿电压快速和随机的变化，其作用是保证机端电压等于给定值。二级电压控制为本地控制，时间常数约为秒～分钟级，控制器为电压无功自动调控装置，控制的主要目的是协调本地的一级控制器，保证母线电压或全厂总无功等于设定值，如果控制目标产生偏差，二级电压控制器则按照预定的控制规律改变一级电压控制器的设定值。三级电压控制是全局控制，时间常数约为分钟～小时级，它以全系统的安全、经济运行为优化目标，给出各厂站的优化结果，并下达给二级控制器，作为二级控制器的跟踪目标。

2 AVC系统闭环测试原理

基于实时数字仿真系统的AVC系统闭环检测试验平台由实时数字仿真系统、AVC系统、远动终端三部分组成。实时数字仿真系统的系统建模包含系统平台模型和中央控制系统模型，通过实时仿真系统的电力与运行系统元件构建。实时数字仿真系统输出电压和电流量，通过远动终端实时采集并转换成IEC104规约数据，再通过数据总线传输给AVC子站控制系统，经AVC系统计算得到控制策略后，将控制指令返回到实时数字仿真系统实现闭环运行。基于实时仿真系统的AVC系统闭环测试原理示意图如下图1所示。

图1 电厂侧AVC系统闭环测试原理图

在图1中，实时数字仿真系统用来模拟被控发电场的电气变化特性，主要包含三个部分:一是进行发电厂的电气系统模拟，即以发电厂模型和参数为基础实时模拟发电厂的电气特性;二是进行机组AVC监控系统模拟，即模拟DCS中发电厂的电压无功控制监视系统;三是提供实时仿真系统与RTU和AVC装置之间的通信接口。

3 远动终端RTU

在闭环测试中，远动终端RTU主要用于发电机模拟量的计算、转换和编码，它接受来自于实时数字仿真系统传送的发电厂电压、电流模拟量和是否并网的开关量，计算得到电压、电流有效值和有功、无功量，并对这些模拟量和开关量进行编码，通过IEC104规约下发至AVC子站系统的上位机。它包含通信管理机和监控单元两部分，各监控单元负责采集电压和电流等模拟量数据，并送到通信管理机对所有数据进行集中处理和转换，并由通信管理机对转换好的数据下发到AVC系统。

4 系统建模

4.1 一次系统建模

本文选择某发电厂电气系统作为研究对象，在实时数字仿真系统的软件平台中搭建一次系统模型，该一次系统模型中包含发电机模型、两绕组变压器模型、负荷模型、等值电源模型、断路器模型。该模型包含四台发电机、四台两绕组变压器、两条500 kV母线、两个等值电源和一个动态负荷。图2为本文的电力系统网架结构图。

图2 某发电厂电气系统接线示意图

4.2 控制系统建模

控制系统模型包含对发电机的励磁系统和机组AVC增减磁控制系统进行控制。发电机励磁系统的控制，包括发电机增磁和减磁信号的接受和控制逻辑，一方面可通过手动调节增减磁信号实现控制，另一方面可通过接受外部的AVC下发的增减磁指令来实现控制;控制系统还可以对发电机的有功出力和无功出力进行控制，由中央控制系统的用户输入指令实现控制。完成上述系统平台模型和相应的子模型及参数配置之后，即可编译模型，仿真电厂的系统运行。机组AVC增减磁控制系统，由于AVC系统的增减磁控制信号同时送入AVR，设置控制回路判断增减磁信号。

4.3 运行系统建模

运行系统模型是模拟电厂的集控中心，由实时数字仿真系统的运行元件建设完成。中央控制系统模型可实时显示系统运行数据，包含显示各母线电压、各发电机的有功/无功功率、各变压器各绕组有功/无功功率、各台发电机的增减磁信号状态等。此外，可通过调节各台发电机的相角，实现改变各台发电机的有功出力和无功出力，从而改变系统的运行状态，还可以手动触发发电机的增减磁信号，检测励磁控制系统模型的有效性。

5 AVC系统闭环试验方法

AVC系统的测试包含参数设定、基本功能试验、安全特性试验三部分。以下列举一些相关试验内容。

5.1 机组无功调节装置脉冲宽度整定试验

此试验为参数设定试验之一。该试验通过调节AVC子站输出脉冲宽度来设定“无功输出设置”中机组信号输出间隔、信号最大宽度、信号最小宽度和斜率等重要参数，为现场试验和参数整定积累经验。

5.2 机组间无功分配调节性能试验

此试验为基本功能试验之一(见表1～表4)。设置AVC系统的“母线电压调控”方式，测试AVC子站在调节过程中各机组无功分配的合理性，即测试四种分配方法，如:等功率因素无功分配、等裕度无功分配、等容量无功分配、无功平均分配，查看各种无功分配方法的分配效果。

5.3 机组无功反调试验

该试验为基本功能试验之一。测试AVC系统调节过程中无功越限反调并合理分配无功的能力。首先设定“母线电压调控”方式，主站下发指令减磁至机组无功越下限，查看AVC子站装置的无功反调过程。或者，主站下发指令增磁至机组无功越上限，查看AVC子站装置的无功反调过程。

表1 等功率因数分配原则调控试验记录

表2 等裕度分配原则调控试验记录

表3 等容量分配原则调控试验记录

表4 平均分配原则调控试验记录

5.4 机端电压反调试验

该试验为基本功能试验之一(见表5)。测试AVC子站装置调节过程中机端电压越限反调并合理分配无功的能力。首先设定“母线电压调控”方式，主站下发指令减磁至机组机端电压越下限，查看AVC子站装置的电压反调过程。或者，主站下发指令减磁至机组机端电压越上限，查看AVC子站装置的电压反调过程。

表5 反调试验记录

5.5 AVC主站与AVC子站通信中断试验

该试验为安全特性试验之一。测试AVC主站与子站通信中断时，AVC子站装置的动作情况。方法是断开AVC主站与子站装置之间的接线，然后查看AVC子站装置的动作。

5.6 AVC子站与RTU通信中断试验

该试验为安全特性试验之一。测试AVC子站装置与RTU通信完全中断时，查看AVC子站装置的动作情况。方法是断开AVC子站的上位机与RTU通信管理机间的接线，然后查看AVC子站装置的动作。

5.7 闭锁试验

该试验为安全特性试验之一。测试AVC子站装置在检测到遥测数据超出闭锁限制时的动作情况。主要包含母线电压机组有功/无功、机端电压、机端电流、厂用电等遥测数据闭锁。

6 结束语

电厂侧AVC系统是实现无功优化控制的重要方法，是保证系统稳定运行必要条件。本文提出的基于实时数字仿真系统的电厂侧AVC系统的闭环测试方法为电厂侧AVC系统进行试验室的离线实时检测奠定了基础。本文所提出的测试平台能对电厂AVC系统各项功能进行全面考核和评价，所得研究结果对电厂侧AVC系统的系统结构、功能及性能有重要的指导作用。

［1］周宇华，翟伟翔，马平.火电厂自动电压控制(AVC)系统方案设计［J］.电力系统保护与控制，2012，40(9):128-132.

［2］吴兆文.电厂侧 AVC子站系统的研制［D］.合肥:合肥工业大学，2007.

［3］殷俊.无功自动调控装置在AVC系统中的应用［J］.华东电力，2005，33(9):64-66.

［4］唐建惠，张立港，赵晓亮.自动电压控制系统(AVC)在发电厂侧的应用［J］.电力系统保护与控制，2009，37(4):32-35.

［5］谢锋，工学民.电厂侧AVC子站安全约束控制策略优化［J］.电力系统保护与控制，2010，38(16):147-149.

［6］郭庆来，孙宏斌，张伯明，等.自动电压控制系统的公共信息模型扩展［J］.电力系统自动化，2006，30(21):11-15.

［7］李志恒，付红军，孙建华，等.电厂侧自动电压控制系统电压控制策略的改进［J］，电力系统自动化，2011，35(9):95-99.

［8］唐茂林，庞晓艳，李旻，等.计及梯级电站的省地一体化AVC系统研究及实现方案［J］.电力自动化设备，2009，29(6):119-122.