火电厂厂级负荷和电压一体化自动控制系统

摘要

本发明公开了属于热电厂发电自动控制技术领域的一种火电厂厂级负荷和电压一体化自动控制系统。该一体化自动控制系统由数据采集、监视、控制和通讯网络四部分组成。该系统可同时对厂级负荷进行优化分配和电压自动控制。该系统可无缝嵌入火电厂原分散控制系统和磁力调节系统，调度指令和上传到调度中心的信息，经远程终端，输入/输出模块，数据采集和优化分配控制程序由一套可编程逻辑控制器和若干输入/输出模件实现。该系统的电源，通讯和控制器均为双冗余配置。将LDC和AVC融合为一体化控制系统，节约了场地，投资，安装调试时间和运维费用。该控制策略简单易懂，在线计算量小，保持了全长较好的经济性，可满足多种工况的要求。

说明书

技术领域

本发明属于热电厂发电自动控制技术领域。特别涉及一种火电厂厂级 负荷和电压一体化自动控制系统。

背景技术

目前，火电厂厂级负荷分配系统（简称：LDC）和厂级电压自动控制系 统（简称：AVC）为两套独立运行的系统，每套系统均有独立的数据采 集系统、通讯系统、工业控制计算机和监控组态软件。LDC和AVC虽然 功能不同，但是采集的数据有很大部分重叠，如火电厂各机组发电机 端有功功率、无功功率、母线电压等模拟量数值，又如机组状态、控 制系统投切等开关量，同时这两套系统均需接受电网调度指令。显然 ，两套独立运行LDC和AVC造成了设备的重复配置，浪费了资源，增加 了投资；同时两套独立的系统，也增加了日后运行维护的成本，因此 本发明设计出一种火电厂厂级负荷和电压一体化自动控制系统（简称 ：AGVC）。

发明内容

本发明的目的是针对现有LDC和AVC硬件重复配置和负荷优化分配算法 存在的不足,提出一种火电厂厂级负荷和电压一体化自动控制系统，其 特征在于，该一体化自动控制系统由数据采集、监视、控制和通讯网 络四部分组成；系统结构为：

第一OPC服务器1、第二OPC服务器2、第一机组OPC客户端-第N机组OPC 客户端分别通过第一网线1、第二网线2同第一交换机1、第二交换机2 连接；第一控制器1第二控制器2分别通过第一网线1、第二网线2和第 一交换机1、第二交换机2相连，第一控制器1、第二控制器2分别与第 一CAN总线1、第二CAN总线2连接，第一控制 器1和第二控制器2之间通过通讯电缆3互连；第一输入输出模块7、第 二输入输出模块8、第三输入输出模块9和第三方通讯模块10同时并接 第一CAN总线1、第二CAN总线2上；第一输入输出模块7和第二输入输出 模块8分别通过数据线与远程终端6连接，远程终端6通过通讯光缆4电 网调度中心连接。

所述控制部分由相互冗余的第一控制器1、第二控制器2组成，均为PL C可编程逻辑控制器，实现运算、逻辑控制和通信功能；负责执行优化 分配算法，是核心的控制模件。

所述数据采集系统由第一输入输出模块7、第二输入输出模块8、第三 输入输出模块9和第三方通讯模块10组成，均包含A/D（模/数）转换和 D/A（数/模）转换，将输入模件采集的模拟量转换为数字量，输出模 件输出数字量；上述输入输出模块均有光耦隔离保护，每个模块分别 连接相互冗余的第一CAN总线1、第二CAN总线2，通过CAN总线和控制器 通信。

所述通讯网络由两台交换机和网线、光纤组成，通讯协议为TCP/IP协 议，其中交换机为光口、电口混合；当距离小于75米，使用电口和网 线；大于75米，则使用光纤和光口。

所述监视部分由远程终端、电网调度中心、工控机和安装于工控机上 的监控组态软件构成，监控软件包含人机交互接口，操作员通过人机 交互接口监视现场工况和发出控制指令，组态软件允许具有一定权限 的人员查看控制器中变量的状态，修改下装逻辑组态，对控制逻辑进 行调试。

所述第二OPC服务器2输出与打印机11连接。

所述第一OPC服务器1、第二OPC服务器2相互冗余。

所述第一网线1、第二网线2相互冗余。

所述第一交换机1、第二交换机2相互冗余。

所述第三方通讯模块为通讯协议转换模块，包含A/D模/数转换和D/A数 /模转换，将输入模件采集的模拟量转换为数字量，输出模件输出数字 量；将常用现场总线协议（如MODBUS，PROFIBUS等）转换为机柜内CA N总线协议，以提高AGVC系统的兼容性。

本发明的有益效果是该一体化控制系统可完成厂级负荷自动优化分配 和厂级电压自动控制的功能，实现了厂级负荷/电压一体化控制；特别 是厂级负荷二次调整优化分配策略在提高全厂负荷响应速度的同时， 实现了负荷最优分配，保证全厂较好的经济性。，节约了投资和维护 费用。

附图说明

图1是厂级负荷/电压一体化自动控制系统结构框图。

图2是控制柜结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种火电厂厂级负荷和电压一体化自动控制系统。下面结 合附图和实施例对本发明做进一步说明。

该一体化自动控制系统由数据采集、监视、控制和通讯网络四部分组 成。其系统结构见图1、图2。

相互冗余的第一OPC服务器1和第二OPC服务器2、第一机组OPC客户端至 第N机组OPC客户端分别通过第一网线1、第二网线2同第一交换机1、第 二交换机2连接（N为全厂机组总数），第二OPC服务器2输出与打印机 11连接。在控制柜13内，第一控制器1第二控制器2分别通过第一网线 1、第二网线2和第一交换机1、第二交换机2相连，第一控制器1、第二 控制器2分别与第一CAN总线1、第二CAN总线2连接，第一控制器1和第 二控制器2之间通过通讯电缆3互连；第一输入输出模块7、第二输入输 出模块8、第三输入输出模块9和第三方通讯模块10同时并接第一CAN 总线1、第二CAN总线2上，在控制柜13下部，安装空气开关组，空气开 关组两侧分别安装电源模块，及电压表、电流表、LED指示灯和开关， 分别连接至交流电源1和交流电源2（如图2所示），电源模块输出的电 压由空气开关组连接至相应的部件。第一输入输出模块7和第二输入输 出模块8分别通过数据线与远程终端6连接，远程终端6通过通讯光缆4 电网调度中心连接。远程终端6通过通讯光缆4向电网调度中心12传送 机组信息（104规约），同时也接受调度指令。为了保证调度指令和远 传信息的可靠性，远程终端6通过数据线5和AGVC进行数据交互。

所述控制部分由相互冗余的第一控制器1、第二控制器2组成，均为PL C可编程逻辑控制器，实现运算、逻辑控制和通信功能；负责执行优化 分配算法，是核心的控制模件。

所述数据采集系统由第一输入输出模块7、第二输入输出模块8、第三 输入输出模块9和第三方通讯模块10组成，均包含A/D模/数转换和D/A 数/模转换，将输入模件采集的模拟量转换为数字量，输出模件输出数 字量；上述输入输出模块均有光耦隔离保护，每个模块分别连接相互 冗余的第一CAN总线1、第二CAN总线2，通过CAN总线和控制器通信。

所述通讯网络由两台相互冗余的交换机和相互冗余的网线、光纤组成 ，通讯协议为TCP/IP协议，其中交换机为光口、电口混合；当距离小 于75米，使用电口和网线；大于75米，则使用光纤和光口。

所述监视部分由远程终端、电网调度中心、工控机和安装于工控机上 的监控组态软件构成，监控软件包含人机交互接口，操作员通过人机 交互接口监视现场工况和发出控制指令，组态软件允许具有一定权限 的人员查看控制器中变量的状态，修改下装逻辑组态，对控制逻辑进 行调试。

图1中各机组OPC客户端可选择机组分散控制系统(DCS)历史数据服务器 ，由于 OPC是基于Windows操作系统的分散控制通讯方式。对于非Windows操作 系统可通过第三方通讯模块，使用RS485总线，按照通讯协议实现。

其控制流程为：由输入输出模块现场采集信号（各机组状态）,经两条 互为冗余的CAN总线进入第一控制器1、第二控制器2；调度指令通过通 讯光缆接入远程终端，通过若干数据线进入输入输出模块；通过负荷 优化分配算法和电压自动控制算法，计算出各机组所分配的有功、无 功功率，由输出类I/O模块（AO，DO）进入各机组分散控制系统（DCS ）系统和励磁调节系统（AVR），最终由各机组的执行机构完成负荷、 电压的调整。

关于厂级负荷优化分配算法：

变量声明：P_ref电网调度负荷指令，P_i为第i台机组输出的有功功率，  ΔP_MAX-i，ΔP_MIN-i分别为第i台机组负荷增量的上下限，N为该厂总运行机组 数，f_i(P_i)为第i台机组煤耗曲线。

①根据煤耗有功功率历史数据拟合机组煤耗曲线:(F_i，P_i)_M为第i台机 组M组煤耗功率历史数据，C_i为待求的拟合系数。由最小二乘法曲线拟 合，则二次拟合法方程组为：

$\left(\begin{array}{c}{C}_{i1}M+C_{i2}\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{P}_i^{\left(j\right)}+C_{i3}\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\left(P_i^{\left(j\right)}\right)}^2=\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{F}_i^{\left(j\right)}\\ C_{i1}\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{P}_i^{\left(j\right)}+C_{i2}\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\left(P_i^{\left(j\right)}\right)}^2+C_{i3}\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\left(P_i^{\left(j\right)}\right)}^3=\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{P}_i^{\left(j\right)}{F}_i^{\left(j\right)}\\ C_{i1}\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\left(P_i^{\left(j\right)}\right)}^2+C_{i2}\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\left(P_i^{\left(j\right)}\right)}^3+C_{i3}\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\left(P_i^{\left(j\right)}\right)}^4=\underset{j=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\left(P_i^{\left(j\right)}\right)}^2{F}_i^{\left(j\right)}\end{array}\right)---\left(2.1\right)$

解上述方程，得到第i台机组煤耗曲线：

②经济最优分配：

经济指标函数：$H=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{f}_i\left(P_i\right)---\left(2.3\right)$ 

约束条件为：P_MIN-i≤P_i≤P_MAX-i，

可通过变分法，动态规划法或粒子群算法优化经济性指标，得到各台 机组负荷增量值ΔP_i。本方法采用动态规划算法，其算法为：

变量声明：X_i代表前i台机组总负荷；其他变量符号同以上。

状态转移方程：X_i+1＝X_i+P_i+1；边界条件：X₀＝0最优值函数: 

决策集合：G_i(P_i)＝{P_i|P_min-i≤P_i≤P_max-i，P_i+X_i-1＝X_i}

递推方程：$M_i\left(X_i\right)=\underset{p}{\min }\{M_{i-1}\left(X_{i-1}\right)+f_i\left(P_i\right)\}$

动态规划求解过程：

①顺序造表：

第一步：$\left(\begin{array}{c}{M}_1\left(X_1\right)=f_i\left(P_i\right)\\ X1=P_1\\ P_{\min -1}\le P_1\le P_{\max -1}\end{array}\right)$ 

X₁以一定步长遍历其取值区间[P_min-1，P_max-1]，同时记录有关数据在数据集 合{X₁，P₁，f₁(P₁)}中。第二步：$\left(\begin{array}{c}{M}_2{X}_2=\underset{P_2}{\min }\{M_1\left(X_1\right)+f_2\left(P_2\right)\}\\ X_2=X_1+P_2\\ \underset{i=1}{\overset{2}{\Sigma }}{P}_{\min -1}\le X_2\le \underset{i=1}{\overset{2}{\Sigma }}{P}_{\max -i}\\ P_{\min -2}\le P_2\le P_{\max -2}\end{array}\right)$

X₂以一定的步长遍历其取值区间, 联合一阶段的计算结果, 计算对 应不同X₂时，不同P₂所对应的M₂(X₂)的最优值，同时记录有关数据在 数据集合{X₂，P₂，f₂(P₂)}。

中间步骤：$\left(\begin{array}{c}{M}_j\left(X_j\right)=\underset{P_j}{\min }\{M_{j-1}\left(X_{j-1}\right)+f_j\left(P_j\right)\}\\ X_j=X_{j-1}+P_j\\ \underset{i=1}{\overset{j}{\Sigma }}{P}_{\min -i}\le X_j\le \underset{i=1}{\overset{j}{\Sigma }}{P}_{\max -i}\\ P_{\min -j}\le P_j\le P_{\max -j}\end{array}\right)$

与第2步类似，将相关数据记录在数据集合{X_j，P_j，f_j(P_j)}。

最后一步：由于最后一个阶段已经明确知道X_N，因此不必在像前面那 样计算。可以结合N-1步，直接计算X_N＝P_ref，不用P_N取值时所对应M_N( X_N)的值，最后求出最优值，同时记录在{X_N，P_N，f_N(P_N)}中。

②逆序查表：

对应全厂总负荷为P_ref时，在第N阶段可以直接从表中查到第N台机组所 应承担的优化负荷P_N；在第N-1阶段，查询对应的总负荷为X_N-1＝P_ref-P_N的优化负荷P_N-1；根据状态转移方程X_i＝X_i+1-P_i+1依次类推，即可确定N个 阶段的负荷优化分配结果{P_N，P_N-1，…P₂，P₁}，从而完成整个电厂的 负荷分配。

2、厂级电压自动控制算法

电网调度发出母线电压设定值和电厂母线当前电压经过AI模块进入PL C控制系统，通过“电压/无功转换”模块，转换为全厂需向电网提供 的无功功率。按照全厂等功率因素分配各机组输出的无功功率。

变量声明：Q全厂发出的无功功率，Q_ref-i第i台机组无功功率分配值，Q_i第i台机组无功功率实际输出值，ΔQ_i第i台机组无功功率增量值，Q_ref全厂需发出的无功功率，U_ref母线电压设定值，U当前母线电压，U^k第k 时刻母线电压值，Q^k第k时刻全厂无功值，X系统阻抗辨识值，全厂功 率因素，e_i第i台机组PID控制器偏差。

2.1、电压/无功转换算法：$Q_{\mathrm{ref}}=U_{\mathrm{ref}}(\frac{U_{\mathrm{ref}}-U}{X}+\frac{Q}{U})---\left(3.1\right)$ 

其中： $X=(U^k-U^{k-i})(\frac{\underset{j=1}{\overset{k}{\Sigma }}{Q}^j}{U^k}-\frac{\underset{j=1}{\overset{k-i}{\Sigma }}{Q}^j}{U^{k-i}})---\left(3.2\right)$

在实际使用X计算公式时，对系统阻抗进行工程化处理：设置系统阻抗 上下限。当系统不能辨识系统阻抗时，取上线进行计算。当电压差值 U^k-U^k-i大于0.5%额 定电压时，计算系统阻抗X。

2.2、等功率因素无功分配算法

①计算全厂功率因数：

②根据计算各机组所需发出的无功功率：

③计算各机组无功增量：ΔQ_i＝Q_ref-i-Q_i           （3.5 ）

现有励磁控制器多为比例控制器，但是在发电机启动阶段，励磁电压 和机端电压并不是成比例的，所以比例励磁控制器在机组启动时是有 差的，控制精度低。本系统采用PID控制器，偏差为e_i＝Q_ref-Q_i，PID控 制器中的积分环节可消除机组启动时的动态偏差，提高控制精度，微 分环节可提高控制响应速度。

本发明的有益效果是，将LDC和AVC融合为一体化控制系统，节约了场 地，投资，安装调试时间和运维费用。同时厂级负荷调整优化分配， 厂级电压自动控制系统，可对全长有功功率，无功功率在线优化分配 。该控制策略简单易懂，在线计算量小，保持了全长较好的经济性， 可满足多种工况的要求。