中国电力科学研究院 PAC-4000A 发电厂自动电压调控装置 技术说明书

PAC-4000A发电厂自动电压调控装置

技 术 说 明 书 （V1.01）

中国电力科学研究院

CHINA ELECTRIC POWER RESEARCH INSTITUTE

PAC-4000A发电厂自动电压调控装置

目 录

一. 装置概述...................................................................................................................................1 二．装置主要功能...........................................................................................................................3

2.1 电压-无功控制................................................................................................................3 2.2 安全控制..........................................................................................................................3 2.3 测量与显示......................................................................................................................4 2.4 统计与数据存储..............................................................................................................4 三．装置原理...................................................................................................................................5

3.1 AVC控制原理.................................................................................................................5

3.1.1 无功或电压目标的求解.......................................................................................5 3.1.2 无功功率的分解..................................................................................................6 3.1.3 限制条件...............................................................................................................6 3.1.4 发电机功角监测和限制.......................................................................................6 3.2 上位机控制流程图..........................................................................................................7 四．装置结构...................................................................................................................................8

4.1 装置硬件..........................................................................................................................8 4.2 装置软件..........................................................................................................................8 4.3 装置屏体图......................................................................................................................9 4.4 控制机箱插板视图........................................................................................................10 五．整定.........................................................................................................................................12

5.1 整定参数........................................................................................................................12 5.2 系统参数........................................................................................................................12 5.3 其它参数........................................................................................................................12 六．装置技术参数.........................................................................................................................13

6.1 工作环境的大气条件....................................................................................................13 6.2 额定参数........................................................................................................................13

6.2.1 直流电源.............................................................................................................13 6.2.3 交流电源.............................................................................................................13 6.2.3 交流测量回路.....................................................................................................13 6.2.4 直流测量回路.....................................................................................................13 6.3 规格参数........................................................................................................................13

6.3.1 子站配置.............................................................................................................13 6.3.2 模入信号.............................................................................................................14 6.3.3 模出信号.............................................................................................................14 6.3.4 开入信号.............................................................................................................14 6.3.5 开出信号.............................................................................................................14 6.3.6 通信接口.............................................................................................................14 6.3.7 显示器.................................................................................................................14 6.4 功率消耗........................................................................................................................14

6.4.1 测量回路.............................................................................................................14 6.4.2 电源回路.............................................................................................................14

七．装置技术性能指标.................................................................................................................15

7.1 主要功能指标................................................................................................................15

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PAC-4000A发电厂自动电压调控装置

7.1.1 调节精度...............................................................................................................15 7.2 AVR接口.......................................................................................................................15 7.3 通讯接口..........................................................................................................................15 7.4 交流输入........................................................................................................................15

7.4.1 测量范围.............................................................................................................15 7.4.2 测量误差.............................................................................................................15 7.4.3 过载能力.............................................................................................................16 7.5 绝缘性能........................................................................................................................16

7.5.1 介质强度.............................................................................................................16 7.5.2 绝缘电阻.............................................................................................................16 7.6 冲击电压........................................................................................................................16 7.7 耐湿热性能....................................................................................................................16 7.8 电磁兼容性能................................................................................................................16

7.8.1 辐射电磁场抗扰度.............................................................................................16 7.8.2 快速瞬变抗扰度.................................................................................................16 7.8.3 脉冲群抗扰度.....................................................................................................16 7.8.4 静电放电抗扰度.................................................................................................17 7.9 机械性能........................................................................................................................17

7.9.1 振动（正弦）.....................................................................................................17 7.9.2 冲击.....................................................................................................................17 7.9.3 碰撞.....................................................................................................................17

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PAC-4000A发电厂自动电压调控装置

一. 装置概述

1.1 概述

电力系统自动电压控制系统(AVC)是电网调度自动化的有机组成部分，应用先进的电子、网络通讯与自动控制技术，通过AVC对发电机无功出力进行实时跟踪调控，对变电站无功补偿设备及主变分接头进行适时调整，有效地控制区域电网无功的合理流动，优化电网内无功潮流的分布,改善电网整体的供电水平，是提高电压质量，减少网损，降低运行人员的劳动强度的重要手段。

电厂AVC自动调控装置是电网AVC系统的子系统，它既能配合电网调度自动化系统中的电网电压无功综合优化控制，实现对电网的无功优化，显著减少线损，提高电能质量，又能实施电厂的独立控制，以达到厂内降损节能，优化无功出力和改善母线电压水平。通过协调控制每台发电机的无功进相，电厂AVC装置可以实现对高压母线电压的控制，降低对网内无功补偿设备的要求。

PAC-4000A是中国电力科学研究院根据电网需求最新开发完成的电力系统电压自动调控系统的调控执行装置，它安装在发电厂以分布式结构实现对发电机无功出力的调节， PAC-4000A发电厂自动电压控制装置以发电厂高压母线电压或总无功功率为控制目标，通过调节各发电机无功功率来实现电压控制，同时在调节过程中，充分考虑了发电机的各种极限指标，使控制过程中保证发电机在合格的参数下安全、稳定运行。

1.2 PAC-4000A拓扑结构图

电网AVC系统包括装设于省调或地调的AVC主站，装设于发电厂或变电站的AVC子站两个部分。AVC主站在OPF原则下对整个电压控制区域进行软分区，并计算各个关键分区接点或枢纽点的电压目标，通过RTU下发到子站，子站上位机接收主站控制信息并分解到各个执行下位机，下位机将经过安全限制的AVR控制量控制AVR的输出，同时下位机将测量的机端电压，电流及励磁电流通过上位机同时将节点电压及有功无功发送到主站，完成整个闭环控制过程。

PAC-4000A装设于发电厂，采用分布式结构，一台上位机和多台下位机组成站内闭环控制系统。上位机接收来自主站的调控目标，与实时监测的母线电压比较，根据控制策略实时给出个发电机励磁电流调控目标，传送至下位机通过励磁调节器进行励磁调节。上位机完成数据集中以及和主站通讯功能，下位机完成机组级数据采集和控制，上下位机采用CAN总线相连接。

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PAC-4000A发电厂自动电压调控装置

1.3 技术特点

1) 采用国际先进的ARM920T处理器(CPU)配合多个数据信号处理器(DSP)的嵌入式体系结构，及16位A/D转换器件，精确测量计算电压、电流、有功功率、无功功率、功率因数、频率等电气量。

2) 嵌入式实时操作系统及应用支持软件，保证装置可靠运行。

3) 整台装置小于20W低功耗运行。不需要风扇等散热措施即可持续、稳定运行。

4) 12～48个模拟量测量通道、16～64个开关状态测量通道、8～16个控制输出通道、4个模拟输出通道，具有较好的可扩充性。

5) 内嵌式彩色液晶显示屏/触摸屏人机界面，测量数据、调控参数、运行状态一目了然，操作方便。

6) 多种通讯接口方式和接口协议，既可以直接与主站通讯，也可通过RTU与主站通讯。

7) 多种控制算法，适合发电厂或变电站的无功、电压控制策略。

8) 多种励磁调节器接口方式，通过脉冲信号输出调节励磁增减，或通过RS232与DCS接口，或接入励磁调节器手动调节回路仿真人工调节，或其它调节方式。

9) 40G 2.5″硬盘数据存储，可记录长达半年的各种调控曲线、运行曲线等信息。

10) GPS同步数据采样与控制。

11) 可选双上位机配置，增强了控制的灵活性及安全性。

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PAC-4000A发电厂自动电压调控装置

二．装置主要功能

2.1 电压-无功控制

1) 根据电网AVC系统或区域无功系统的不同要求，可以实现电压/无功的当地、遥调和人工优化三种控制模式控制。在通讯故障情况下，装置根据预设的逻辑，实现三种控制模式的无缝切换。

2) 根据发电机组不同情况，可按平均、比例和等功率因数方式为参与调节的不同机组分配无功目标。

3) 按照控制的约束目标，可以选择设定为电压目标或无功目标。

4) 采用就地/远方旋钮控制AVC装置的控制逻辑，如果就地/远方旋钮在远方位置，主站端可以自由切换子站的控制模式，在遥调模式下，如果子站在和主站通讯中断，子站自动从遥调转化为当地模式，按照设定曲线或历史曲线运行，也可接受运行人员干预，按照人工优化的设定目标运行。

遥调 当地 人工优化

远方位置 接收主站控制曲线 历史曲线、设定曲线 设定控制量

就地位置 X

历史曲线、设定曲线 设定控制量

5) 模糊控制。AVC装置采用模糊控制技术，适当把握控制精度和控制频度。设置电压无功控制死区，可通过人机接口（HMI）调节。

6) 投/退切换功能。在AVC下位机装置侧设置投/退旋钮，控制装置对AVR输出的投/退。主站或上位机在HMI上设定投/停下位机的励磁电压控制输出，运行值班人员操作投/退扳手启动/断开AVC下位机和AVR或DCS的连接。

2.2 安全控制

1) 装置自动根据各个上下限制，在满足机组安全运行条件下，对电压/无功进行调节

2) 自动停机检测.AVC装置下位机可自动侦测机组是否停机，并把相应信息反馈给上位机，使上位机能够及时自动修改或调整无功的调整分配方案。 3) 在如下条件下，装置自动闭锁：

a) 当AVC装置异常时，控制器自动闭锁输出。

b) 当母线保护或机组保护动作时,闭锁输出。

c) 在主站和子站通讯中断时，上位机切换到当地控制模式;在上位机

和下位机通讯中断时,闭锁整个子站的AVC装置输出。

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d) 励磁系统非自动方式或励磁系统故障时，闭锁输出。 e) 在系统故障或振荡时，停止控制输出。

f) 在控制次数超过或控制速率超过时，自动采取措施。

4) 报警。当测量数据超限时，显示数据变色报警，并辅之声响提示。 5) 双上位机冗余配置。子站可以配置为双上位机系统，正常情况下，备用上位机处于侦听状态，接收来自主上位机的广播数据和从机的测量数据，当主上位机故障退出时，从上位机接替主上位机功能，直至主上位机恢复。

2.3 测量与显示

1) 装置测量：全厂的有功总加、无功总加、母线电压、功率因数、厂用电电压；每台机组的有功、无功、功率因数、功角、转子电流、定子电流、机端电压；6kV厂用电电压等。

2) 曲线显示。显示机组励磁电压、电流历史调节曲线、目标曲线；母线电压历史调节曲线、目标曲线。

3) 状态显示。显示主站、下位机通讯状况。

4) 上位机显示控制模式，控制原则，约束目标，控制状态。 5) 配置显示。显示与主站通讯速率，下位机的配置图。 6) 参数显示。显示各机组的整定参数（变比、调节上下限）。 7) 输入开关量信息。机组启/停,装置投/退,DCS或AVR状态。

8) 其它显示内容:系统时钟、告警信号、程序升级提示、软件版本提示。

2.4 统计与数据存储

1) 母线电压质量按日、月、年统计，包括电压合格率、超上限率、超下限率、超限时间等。

2) 告警及动作日志记录。装置自动记录系统的调节日志和操作日志并形成文件以备分析和查询。

3) U、I、P、Q、F数据存储。

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三．装置原理

发电机无功出力与机端电压受其励磁电流的影响，当励磁电流发生改变时，发电机的无功出力与机端电压也随之增减。励磁电流的改变则是通过调整励磁调节器的给定值来实现的。

省调度中心AVC主站每隔一段时间（根据实际要求，数分钟不等）对网内具备条件的发电机组下发一个无功目标指令，子站上位机接受主站的无功指令，经过综合运算处理后，将数据通过CAN通讯网络发送至AVC装置下位机。AVC上位机经过计算，并综合考虑系统及设备故障以及AVR各种限制，闭锁条件后，给出当前运行方式下，在发电机能力范围内的调节方案，然后向励磁调节器（也可通过DCS或ECS）发出控制信号，通过增减励磁调节器给定值来改变发电机励磁电流，进而调节发电机无功出力，使其维持在省调下达的无功指令附近。

3.1 AVC控制原理

3.1.1 无功或电压目标的求解

一般来说，电厂的等值图如下图所示：

i

设当前高压侧母线电压为U，母线上所有机组送入系统的总无功为Q。

i

要求调节的高压侧母线电压目标值为U，需向系统送出的总无功为Q。系

j

j

统电抗用X值表示，则机组送入系统的总无功调节目标值为：

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j

j

n

⎛Uj−UiQi⎞i,j

，其中Q=∑Q(i,j)g Q=U∗⎜+i⎟⎟⎜XU⎠g=1⎝

ijQUU因此，根据，，，Q和X即可以确定送入系统的总无功调节目

ij

标值。

3.1.2 无功功率的分解

在保证总调节量的基础上，将其合理的分配给各个机组必须遵循一定的原则。实际运行经验表明：自动控制发电厂无功时，充分考虑每台机组的运行工况，保证每台机的机端电压在合格范围内并有一定的调节裕度是十分重要的。可以考虑按照如下原则分配：

i

KmQmji

Qm=Qm+(Qj−Qi)i

j∑KmQm

其中 Qm表示第m台机组分配的无功目标，Km为第m台机组比例分配无功的权重因子。 3.1.3 限制条件

在电厂母线电压的调节过程中，必须充分的考虑到发电机的各种极限指标，以保证发电机在合格的参数下安全、稳定运行。需要考虑的限制参数包括：励磁电流限制曲线、定子电流限制曲线、无功出力范围、厂用电范围等，如果超过限制值，考虑取得限制点的值作为本机组的调节量值，需要再调整无功分配，重新计算其它机组的调节量，直至满足条件。 3.1.4 发电机功角监测和限制

在现代大电网、大机组条件下，机组功角的稳定关系到系统运行的稳定性，所以在无功调节的过程中，必须充分考虑机组功角的限制值。其中，功角可以采用内电势直接测量法或计算法得出，当发电机功角接近或到达运行警戒值时，停止调节。对于凸极机，直接计算功角的计算公式如下：

rrrrrr

V=EQ−jXqI，其中EQ=Eq−j(Xd−Xq)Id，利用前式可以计算出发电机功角。

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3.2 上位机控制流程图

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四．装置结构

4.1 装置硬件

PAC-4000A自动电压调控装置采用当今流行的嵌入式ARM处理器，结合高速的数字信号处理器DSP和大规模数字可编程模块FPGA，以及实时多任务操作系统实现了装置安全可靠运行。独特的总线结构和接口逻辑保证了多CPU间数据的并行处理，提升了装置的整体性能。采用标准化、模块化、开放式的结构设计，便于装置调试、现场维护和产品升级。

装置的硬件结构框图如下：

SDRAMEEPROM运行参数ADS8364A/D采样16bitFLASH模拟量信号调理液晶显示屏数据记录DSP IDE接口硬盘FPGA模块数据总线电气量计算DSP数据总线ARM CPUlinux for ARM主从USB接口开关量输入光电隔离输出16bit数据锁存数据锁存电气量计算DSPRJ45网络接口AT91RM9200串行接口1pps秒脉冲GPS天线GPS时钟接收模块时钟数据数据总线CAN接口时钟

4.2 装置软件

装置在软件设计上完全采用模块化的软件工程设计方法，按照功能将软件划分为数据采集、无功分配计算与调节、通讯、显示、数据存储及人机接口等软件模块，各模块的关系示意图如下：

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该软件系统具有以下特点：

a) 独特的安全机制，各模块相互独立，单个模块发生异常时不会影响其他模块的正常运行，当监控模块发现某一功能模块异常时，可以将其杀死并重新启动。

b) 各模块可以独立升级。

c) 人机界面、程序界面友好，大屏幕液晶显示，操作简便。

d) 文件系统的支持保证了数据查询的方便、快捷，具备强大的统计分析功能。

e) 具备高速、灵活的通讯功能。

4.3 装置屏体图

具备高速、灵活的通讯功能装置的屏体布置如下图所示，图(a)为屏体的正面图，图(b)为屏体的背面图。

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4.4 控制机箱插板视图

下图1～8为控制机箱插板示意图，分别解释如下：

①：电源插件。为装置提供工作电源及开入开出中间回路的电源。 ②：主控制板。完成装置主要的计算及控制功能。

③：模拟量输出板。与AVR或DCS的模拟量接口。可选。 ④：开关量输入板。 ⑤：开关量输出板。 ⑥：模拟量输入板。

⑦：扩展模拟量输入板。可选。

⑧：盲板。槽位可配置为其它扩展板。

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五．整定

装置参数的整定通过RS232接口在PC侧的HMI接口上上完成，整定参数类型包括：

5.1 整定参数

母线电压上限设置值 母线电压下限设置值 定子电压上限设置值 定子电压下限设置值 转子电压上限设置值 转子电压下限设置值 转子电流上限设置值 无功出力上限设置值 无功出力下限设置值

5.2 系统参数

母线电压PT变比 定子电压PT变比 定子电流CT变比 转子电流CT变比 转子电压PT变比

5.3 其它参数

调控步长 调控限制速率 励磁脉冲宽度

AVC控制装置计算周期

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六．装置技术参数

6.1 工作环境的大气条件

a) 环境温度：－10°C～＋55°C。

b) 相对湿度：5％～95％（在装置内部既无凝露，也不应结冰）。 c) 大气压力：70kPa～106kPa。

6.2 额定参数

6.2.1 直流电源

a) 额定电压：220V；110V。 b) 允许偏差：－20％～＋15％。 c) 纹波系数：不大于5％。

6.2.3 交流电源

a) 额定电压：220V。

b) 允许偏差：－20％～＋15％。 c) 额定频率：50Hz。

6.2.3 交流测量回路

a) 交流电压：100/3V。 b) 交流电流：1A；5A。 c) 额定频率：50Hz。

6.2.4 直流测量回路

a) 直流电压：75mV，强电信号根据工程要求定制。 b) 直流电流：4-20mA，可根据工程要求定制。

6.3 规格参数

6.3.1 子站配置

a) 上位机：1～2台可选，如果选1，则表示上位机配置为单主模式，如果选择2，则表明上位机配置为1主1备模式。

b) 下位机节点数：1～13可选

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6.3.2 模拟量输入信号

a) 通道数量：12～48路可选。

b) 信号类型：交流电压、交流电流、直流电压、直流电流。

6.3.3 模出信号

a) 通道数量：0～4路可选。

b) 信号类型：4～20mA电流输出(或根据用户要求设计)。

6.3.4 开入信号

a) 通道数量：16～64路可选。 b) 信号类型：空接点输入。

6.3.5 开出信号

a) 通道数量：8～12路可选。

b) 信号类型：继电器空触点，接点容量8A/250V/AC或5A/30V/DC或根据用户要求定制。

6.3.6 通信接口

a) TCP/IP网络接口(RJ45或光纤)：1路。 b) RS 232串行接口：3路。 c) CAN总线接口：1路。 b) 从USB设备接口：1路。

6.3.7 显示器

a) 类型：彩色TFT液晶显示屏。 b) 规格：640×480dot。

6.4 功率消耗

6.4.1 测量回路

a) 交流电压回路：当额定电压时，每相不大于0.1VA。

b) 交流电流回路：当额定电流为5A时，每相不大于0.5VA；

当额定电流为1A时，每相不大于0.1VA。

6.4.2 电源回路

a) 直流电源回路：不大于300W。 b) 交流电源回路：不大于300VA。

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七．装置技术性能指标

7.1 主要功能指标

7.1.1 调节精度

a) 母线电压控制精度：与设定值偏差<=1kV b) 调节精度：单步调节量<=1kV

c) AVR调节脉冲2s/次，最大占空比80％ d) 单次最大控制调节时间 2min

7.2 AVR接口

a) 可以通过DCS与AVR接口 b) 独立式AVR接口 c) 半自动式AVR接口

7.3 通讯接口

a) 装置既可以直接与主站通讯，也可以通过RTU与主站通讯

b) 支持以太网RJ45或以太网光纤接口、CAN2.0B、RS232/485、E1/G703

c) 支持TCP/IP、IEC60870-5-103/104、DNP3.0、SC1801数据通讯协议

d) 可根据用户要求自定义数据通讯协议

7.4 交流输入

7.4.1 测量范围

a) 交流电压：0~2.0Un。 b) 交流电流：0~10In。

7.4.2 测量误差

a) 电压幅值：不大于0.2%。 b) 电流幅值：不大于0.2%。 c) 功率： 不大于0.5%。

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7.4.3 过载能力

a) 交流电压：1.2倍额定电压，连续工作；

1.4倍额定电压，允许10s； 2倍额定电压，允许1s。

b) 交流电流： 2倍额定电流，连续工作；

10倍额定电流，允许10s； 40倍额定电流，允许1s。

7.5 绝缘性能

7.5.1 介质强度

在正常试验大气条件下，按GB/T 7261-2000中19.3规定的部位，装置能承受频率为50Hz，有效值为2000V，历时1min的工频耐压试验。

7.5.2 绝缘电阻

在正常试验大气条件下，按GB/T 7261-2000中19.3规定的部位，用开路电压为直流500V的测试仪器测量各回路之间的绝缘电阻不小于20MΩ。

7.6 冲击电压

在正常试验大气条件下，装置的直流电源输入回路、交流输入回路、输出触点回路对地，以及回路之间，能承受GB/T 7261-2000中19.4.3规定的电压等级为5kV的冲击电压。

7.7 耐湿热性能

装置能承受GB/T 7261-2000第20章规定的湿热试验。

7.8 电磁兼容性能

7.8.1 辐射电磁场抗扰度

装置能承受GB/T 14598.9-2002中第4章规定的试验严酷等级的辐射电磁场骚扰试验。

7.8.2 快速瞬变抗扰度

装置能承受GB/T 14598.10-1996中4.1规定的严酷等级为Ⅳ级的快速瞬变干扰试验。

7.8.3 脉冲群抗扰度

装置能承受GB/T 14598.13-1998中3.1.1规定的严酷等级为Ⅲ级的

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1MHz和100kHz的脉冲群干扰试验。

7.8.4 静电放电抗扰度

装置能承受GB/T 14598.14-1998中4.2规定的严酷等级为4级的静电放电试验。

7.9 机械性能

7.9.1 振动（正弦）

a) 振动响应：装置能承受GB/T 11287-2000中3.2.1规定的严酷等级为1级的振动响应试验。

b) 振动耐久：装置能承受GB/T 11287-2000中3.2.2规定的严酷等级为1级的振动耐久试验。

7.9.2 冲击

a) 冲击响应：装置能承受GB/T 14537-1993中4.2.1规定的严酷等级为1级的冲击响应试验。

b) 冲击耐久：装置能承受GB/T 14537-1993中4.2.2规定的严酷等级为1级的冲击耐久试验。

7.9.3 碰撞

装置能承受GB/T 14537-1993中4.3规定的严酷等级为1级的碰撞试验。

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