專利名稱：發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種電網(wǎng)電壓自動(dòng)控制裝置，是一種發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)器。
背景技術(shù)：
目前，我國電力系統(tǒng)電壓調(diào)整與控制是由電網(wǎng)調(diào)度部門憑運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，將不同季節(jié)電網(wǎng)對無功電源的需求，分解制定每個(gè)發(fā)電廠的日無功負(fù)荷曲線，并提前下發(fā)給發(fā)電廠，發(fā)電廠通過兩種控制方式實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)整與控制，一是利用發(fā)電機(jī)組本身勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)以機(jī)端電壓為目標(biāo)的自動(dòng)負(fù)反饋控制；二是跟蹤電網(wǎng)調(diào)度部門下達(dá)的無功電壓曲線實(shí)施人為的勵(lì)磁調(diào)節(jié)。以上兩種控制模式的實(shí)質(zhì)都是以高壓母線或機(jī)端電壓為控制目標(biāo)。
2003年8月14日，美國和加拿大發(fā)生了大面積停電事故，歷時(shí)幾個(gè)月的事故調(diào)查報(bào)告指出，導(dǎo)致事故發(fā)展的重要原因之一就是局部電網(wǎng)電壓崩潰。此次事故調(diào)查結(jié)論公布之后，引起了我國政府高層領(lǐng)導(dǎo)和國內(nèi)電網(wǎng)專家們的高度重視，電力系統(tǒng)電壓穩(wěn)定及其控制問題已成為我國電力工業(yè)極為關(guān)注的重大可題。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提出一種發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)器，提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度，用于有效預(yù)防和控制由于電網(wǎng)電壓崩潰而引發(fā)的大面積停電。
本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)器，在于每臺發(fā)電機(jī)裝有一塊智能測量模塊，把發(fā)電機(jī)的電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)接于其中，測量值經(jīng)串口服務(wù)器和以太網(wǎng)交換機(jī)連接給平板電腦；用兩臺平板電腦備用，設(shè)置的切換部件為兩臺電腦共用一套顯示器、鍵盤及打印機(jī)。
平板電腦調(diào)節(jié)命令經(jīng)串口服務(wù)器傳接給可編程控制器PLC，PLC的增、減無功功率從DO接口連接增減勵(lì)磁繼電器，再由繼電器的輸出接點(diǎn)連接發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。
發(fā)電機(jī)控制臥盤上設(shè)置了禁止遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)把手。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)與效果是1.電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)無功優(yōu)化與控制，減少一次網(wǎng)損的0.5％-1.0％，提高220kV系統(tǒng)電壓合格率。
2.電網(wǎng)事故且局部電網(wǎng)電壓陡降時(shí)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)或局部電壓的緊急控制，提高電網(wǎng)事故狀態(tài)下電壓穩(wěn)定裕度。
3.提供電力市場無功輔助服務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
4.本實(shí)用新型“等間隔變寬”的調(diào)節(jié)方式具有滿足調(diào)節(jié)速度和避免超調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)調(diào)節(jié)。
5.電網(wǎng)若日均網(wǎng)供電量約為2750×104kW.h，全網(wǎng)每日一次網(wǎng)損電量按網(wǎng)供電量的1.5％計(jì)算，實(shí)施全網(wǎng)無功優(yōu)化與控制后按減少網(wǎng)損0.8％計(jì)算，電價(jià)按0.38元/kW.h計(jì)算，則本項(xiàng)目每年直接經(jīng)濟(jì)效益為E＝21750×104(kwh)×1.5％×0.8％×365天×0.38元kwh＝362萬元。從較保守的計(jì)算中可以看到，每年電網(wǎng)由此可減少一次網(wǎng)損而獲得的直接經(jīng)濟(jì)效益就有三百多萬元。如果考慮到本項(xiàng)目完成后可以進(jìn)一步提高全網(wǎng)的電壓質(zhì)量，提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度，有效預(yù)防和控制由于電網(wǎng)電壓崩潰而引發(fā)的大面積停電事故，具有更加大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。


圖1為本實(shí)用新型的電網(wǎng)無功優(yōu)化與控制原理圖；圖2為本實(shí)用新型的無功功率調(diào)節(jié)器(FWT)結(jié)構(gòu)原理圖；圖3為本實(shí)用新型的無功功率調(diào)節(jié)器(FWT)無功調(diào)整流程圖；圖4為本實(shí)用新型的無功功率調(diào)節(jié)器(FWT)工作原理圖；圖5為本實(shí)用新型的數(shù)字電位器接口方案示意圖；圖6為本實(shí)用新型的繼電器干接點(diǎn)方案示意圖。
具體實(shí)施方式
如圖1所示是電網(wǎng)電壓優(yōu)化與控制系統(tǒng)的原理示意圖，其中全網(wǎng)無功優(yōu)化應(yīng)用系統(tǒng)是該系統(tǒng)的核心，它運(yùn)行于CC-2000平臺中，是CC-2000平臺中EMS的重要組成部分；滿足系統(tǒng)需要的發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是該系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。
圖2是fWT裝置結(jié)構(gòu)原理圖。
調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)向發(fā)電廠發(fā)出的無功功率(或電壓)調(diào)節(jié)指令是調(diào)整每臺發(fā)電機(jī)應(yīng)發(fā)的無功功率(或機(jī)端電壓)，該無功功率調(diào)節(jié)指令通過前置機(jī)、下行通道、遠(yuǎn)方數(shù)據(jù)采集終端(RTU)形成下發(fā)指令子系統(tǒng)，RTU裝置將該指令轉(zhuǎn)換成4～20mA模擬量，并輸出下達(dá)給無功功率調(diào)節(jié)器(FWT)。
TH-Q型分布式發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)器FWT，接收電網(wǎng)調(diào)度中心下達(dá)的增、減無功功率(Q)指令(或機(jī)端電壓V的指令)，按照一定的調(diào)節(jié)規(guī)律和限制條件對每臺發(fā)電機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)發(fā)出相應(yīng)的增、減無功功率(Q)指令(或機(jī)端電壓V的指令)，以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)無功功率的遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)。
圖2表示的是1臺發(fā)電機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)圖，每臺發(fā)電機(jī)有一塊智能測量模塊(儀表)，把發(fā)電機(jī)的電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)接于其中，該測量儀表便可以測出該臺發(fā)電機(jī)的有功功率(P)、無功功率(Q)、定子電流(I)、定子電壓(V)、功率因數(shù)(COSφ)、頻率(f)，以上各測量值經(jīng)串口服務(wù)器和以太網(wǎng)交換機(jī)輸出給平板電腦，便可以生成無功功率調(diào)節(jié)規(guī)律及各種限制條件。
為了提高可靠性，使用了兩臺平板電腦，形成雙機(jī)熱備用。圖中的KVM是為了兩臺電腦共用一套顯示器、鍵盤及打印機(jī)而設(shè)置的切換部件。
平板電腦生成的調(diào)節(jié)命令，經(jīng)串口服務(wù)器后，下傳給可編程控制器PLC，PLC產(chǎn)生的增、減無功功率的命令從DO接口去控制增減勵(lì)磁繼電器，再由繼電器的輸出接點(diǎn)去對發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)。RTU的調(diào)節(jié)命令(4～20MA)首先經(jīng)PLC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字量后再經(jīng)串口服務(wù)器，以太網(wǎng)交換機(jī)輸出給電腦。
為了在緊急情況下或人為要求停止調(diào)節(jié)時(shí)，而專門設(shè)置了“禁止遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)把手”，禁止遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)時(shí)，把手的信息經(jīng)PLC之后，一方面輸出給平板電腦，終止電腦的調(diào)節(jié)命令；另一方面輸出給RTU(遙信)，告訴上級調(diào)度部門，這臺發(fā)電機(jī)已處于禁止遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)狀態(tài)。
發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)器(FWT)系統(tǒng)流程圖(圖3)系統(tǒng)開始運(yùn)行→設(shè)置發(fā)電機(jī)臺數(shù)→判斷是否已超過設(shè)定的臺數(shù)(如已超過、則結(jié)束)→讀取RTU下發(fā)數(shù)據(jù)→判斷RTU的下發(fā)數(shù)據(jù)是否在允許波動(dòng)的范圍之內(nèi)(如果是，則回到起始狀態(tài))→計(jì)算無功功率下發(fā)值與實(shí)際值之差值→查找機(jī)組所對應(yīng)的AVR及通道→判斷禁止遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)把手所處的位置(如禁止遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)，則回到起始狀態(tài))→判斷主通道工作狀態(tài)(如有故障，則轉(zhuǎn)入主通道故障計(jì)數(shù)單元)→讀取無功功率實(shí)際值→判斷無功功率給定值與實(shí)際值之差值→如差值大于無功功率的最小允許值(即“死區(qū)”)(否則，作記錄后，轉(zhuǎn)入流程起始階段)→判斷發(fā)電機(jī)組是否允許調(diào)節(jié)(如不允許調(diào)節(jié)，作記錄后轉(zhuǎn)入流程起始階段)→下發(fā)無功功率調(diào)節(jié)命令，并作記錄→主通道故障計(jì)數(shù)器置零，并轉(zhuǎn)入流程起始點(diǎn)。
一旦主通道出現(xiàn)故障，系統(tǒng)流程自動(dòng)切換到輔助通道一側(cè)，同時(shí)主通道故障計(jì)數(shù)增加1→處理主通道報(bào)警→查找機(jī)組對應(yīng)的測量儀表及通道→判斷測量儀表工作狀態(tài)(如不正常，則流程轉(zhuǎn)入主輔通道損壞報(bào)警，并記錄)→讀取測量儀表，采集數(shù)據(jù)→判斷無功功率是否在機(jī)組誤差之內(nèi)(如在誤差之內(nèi)，則轉(zhuǎn)入起始狀態(tài)，等待下一次調(diào)整)→判斷機(jī)組是否允許調(diào)整(如不允許調(diào)整，記錄不允許調(diào)整日記后流程轉(zhuǎn)入起始狀態(tài))→查找無功功率給定值與實(shí)發(fā)值的差值與調(diào)節(jié)脈沖寬度的對照表→下發(fā)無功功率調(diào)節(jié)命令，并記錄→等待發(fā)電機(jī)組完成本次調(diào)節(jié)，然后轉(zhuǎn)入下一次循環(huán)調(diào)節(jié)。
無功功率調(diào)節(jié)器(FWT)功能及調(diào)節(jié)規(guī)律(見圖4)FWT可以根據(jù)電網(wǎng)或發(fā)電廠的需要以“等間隔變寬”方式改變無功功率的調(diào)節(jié)速度，并提供“等間隔”值的人一機(jī)修改接口，即調(diào)節(jié)脈沖之間的時(shí)間間隔t也是可以改變的。在一個(gè)調(diào)節(jié)過程中FWT可以根據(jù)調(diào)度中心下發(fā)的無功功率目標(biāo)值Qm與實(shí)發(fā)值Qs之間的差值ΔQ大小，決定第一個(gè)調(diào)節(jié)脈沖的寬度ΔT1，當(dāng)ΔQ大時(shí)，ΔT1就大，反之則小。隨著調(diào)節(jié)過程的進(jìn)行，ΔQ會逐漸變小，調(diào)節(jié)脈沖的寬度ΔT也逐漸變小，即ΔT0≥ΔT1≥ΔT2≥ΔT3≥ΔT4...........。ΔT與ΔQ之間的變化關(guān)系也可以從人—機(jī)接口進(jìn)行確定。
這種“等間隔變寬”的調(diào)節(jié)方式具有滿足調(diào)節(jié)速度和避免超調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)快速平穩(wěn)調(diào)節(jié)。當(dāng)ΔQ＝Qm-Qs＞0時(shí)，為增加無功功率調(diào)節(jié)；當(dāng)ΔQ＜0時(shí)為減無功功率調(diào)節(jié)；當(dāng)ΔQ≤Qmin時(shí)便進(jìn)入了“死區(qū)”(此死區(qū)ΔQmin可人工設(shè)定)。
為確保發(fā)電機(jī)及相關(guān)設(shè)備安全運(yùn)行，F(xiàn)WT設(shè)計(jì)以下安全約束(1)強(qiáng)勵(lì)動(dòng)作時(shí)禁止FWT調(diào)節(jié)；(2)低勵(lì)磁動(dòng)作時(shí)禁止FWT調(diào)節(jié)；(3)頻率限制動(dòng)作時(shí)禁止FWT調(diào)節(jié)；(4)無功功率達(dá)到下限時(shí)，禁止FWT減無功功率；(5)無功功率達(dá)到上限時(shí)，禁止FWT增加無功功率；(6)定子電流達(dá)到額定值時(shí)，禁止FWT增加無功功率；(7)機(jī)端電壓達(dá)到105％Ve時(shí)(Ve為額定電壓)，禁止增加無功功率；(8)機(jī)端電壓低于95％Ve時(shí)，禁止減少無功功率；(9)功率因素COSφ超出最大值(例如0.98)時(shí)，不允許減小無功功率；COSφ低于最小值(例如0.86)時(shí)，不允許增加無功功率；(10)轉(zhuǎn)子電流達(dá)到額額定值時(shí)，不允許增加無功功率；(11)發(fā)電機(jī)啟機(jī)及停機(jī)過程中FWT不參加調(diào)節(jié)。上述限制條件中除第(11)項(xiàng)由值班員通過禁調(diào)把手實(shí)現(xiàn)外，其于各限制條件均由人—機(jī)接口預(yù)先輸入，實(shí)際值均可由測量模塊產(chǎn)生。實(shí)際值與設(shè)定值進(jìn)行比對后便可生成限制條件。通過人——機(jī)接口可以方便地對以上限制條件進(jìn)行設(shè)定和修改，程序中設(shè)有修改人的權(quán)限登記。
輸出接口電路設(shè)計(jì)由于各個(gè)發(fā)電廠現(xiàn)已運(yùn)行的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)種類繁雜，廠家很多。要實(shí)現(xiàn)對各種勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的可靠控制，輸出接口的設(shè)計(jì)與選擇就十分重要了。我們在對十多個(gè)發(fā)電廠幾十臺機(jī)組的勵(lì)磁器進(jìn)行研究和試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三類輸出接口電路，現(xiàn)分別給予說明。
數(shù)字接口電路，這種接口電路適用于發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)器FWT與AVR之間幾何距離較遠(yuǎn)、AVR是數(shù)字式，且對AVR的系統(tǒng)較熟悉的情況。否則，若AVR生產(chǎn)廠家不配合，實(shí)現(xiàn)困難，且費(fèi)用高。
數(shù)字電位器電路(圖5)數(shù)字電位器電路的輸出值是模擬量的電壓值，它適應(yīng)于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)的增減勵(lì)磁給定信號是電壓值(模擬量)的情況，即人工給定是經(jīng)過電位器來實(shí)現(xiàn)的。這時(shí)應(yīng)解決好如下問題①當(dāng)由手動(dòng)調(diào)節(jié)切換到由FWT進(jìn)行遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)時(shí)，數(shù)字電位器(SDWC)應(yīng)自動(dòng)跟蹤手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器的給定電壓值，實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換；②當(dāng)由遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)切換到手動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)保證不產(chǎn)生過大的干擾。當(dāng)自檢到SDWC輸出值與手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器給定值相差過大時(shí)，SDWC應(yīng)自動(dòng)閉鎖切換過程。從數(shù)字電位器接口方案圖中我們可以清楚地看到，該方案有如下幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)(1)數(shù)字電位器SDWC中的單片機(jī)DPJ與發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)FWT之間通過RS-485接口或光通信接口(圖中沒畫)，DPJ可以接收FWT的調(diào)節(jié)命令，并把發(fā)電機(jī)的若干運(yùn)行參數(shù)(有功功率、無功功率、定子電壓、定子電流等)傳送給SDWC。
(2)DPJ接收手調(diào)電位器的電壓值作為自動(dòng)跟蹤手調(diào)電位器的信號，以現(xiàn)實(shí)手動(dòng)→自動(dòng)的無擾動(dòng)切換。
(3)在值班員控制屏上裝設(shè)一個(gè)切換把手，以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)調(diào)節(jié)自動(dòng)調(diào)節(jié)兩種方式的相互切換、數(shù)字電位器SDWC中的單片機(jī)DPJ接收到切換指令后，其中的可編程控制器PLC(用單片機(jī)和微型繼電器也可以)便動(dòng)作繼電器Z1和Z2(Z1斷開、Z2閉合)，完成由手動(dòng)調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器AVR變?yōu)橛蒄WT自動(dòng)調(diào)節(jié)AVR。
當(dāng)切換把手由自動(dòng)位置切至手動(dòng)位置時(shí)，通過與上面相反的過程、可實(shí)現(xiàn)從由FWT自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換到由手調(diào)電位器調(diào)節(jié)。在此切換過程中，為避免無功功率過大的變化，在SDWC中設(shè)置了閉鎖條件，也就是數(shù)字電位器輸出電壓值V2與手動(dòng)電位器輸出電壓值V1相差較大(例如大于5％)時(shí)，DPJ自動(dòng)閉鎖PLC，拒絕切換。此時(shí)值班員可以手調(diào)電位器，使V1接近V2、，以完成從自動(dòng)調(diào)節(jié)→手動(dòng)調(diào)節(jié)的無擾動(dòng)切換。
(4)在某些特殊情況下(例如繼電器Z2接點(diǎn)打不開)為保證安全性，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)強(qiáng)行斷開開關(guān)(見圖)，值班員可以手動(dòng)把此開關(guān)切換到手動(dòng)一側(cè)，便可恢復(fù)由常規(guī)的手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)。
繼電器干接點(diǎn)接口電路(圖6)繼電器干接點(diǎn)電路，它不僅適用于新型數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，也適用于模擬式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。當(dāng)發(fā)電機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)采用把手(或按鈕)進(jìn)行時(shí)，便可以采用這種接口方式，繼電器干結(jié)點(diǎn)電路具有經(jīng)濟(jì)、可靠、便于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。當(dāng)FWT與AVR相距較遠(yuǎn)(如大于100～150米)時(shí)，為了保證可靠性及節(jié)約電纜投資，應(yīng)當(dāng)把FWT的執(zhí)行元件(含接口電路)放置在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器(AVR)機(jī)柜附近。
權(quán)利要求1.發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)器，其特征在于每臺發(fā)電機(jī)裝有一塊智能測量模塊，把發(fā)電機(jī)的電壓互感器PT和電流互感器CT接于其中，測量值經(jīng)串口服務(wù)器和以太網(wǎng)交換機(jī)聯(lián)接給平板電腦；用兩臺平板電腦備用，設(shè)置的切換部件為兩臺電腦共用一套顯示器、鍵盤及打印機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)器，其特征在于平板電腦調(diào)節(jié)命令經(jīng)串口服務(wù)器傳接給可編程控制器PLC，PLC的增、減無功功率從DO接口聯(lián)接增減勵(lì)磁繼電器，再由繼電器的輸出接點(diǎn)聯(lián)接發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)器，其特征在于發(fā)電機(jī)控制臥盤上設(shè)置了禁止遠(yuǎn)方調(diào)節(jié)把手。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種電網(wǎng)電壓自動(dòng)控制裝置，是一種發(fā)電機(jī)無功功率調(diào)節(jié)器。每臺發(fā)電機(jī)裝有一塊智能測量模塊，把發(fā)電機(jī)的電壓互感器(PT)和電流互感器(CT)接于其中，測量值經(jīng)串口服務(wù)器和以太網(wǎng)交換機(jī)連接給平板電腦，用兩臺平板電腦備用，設(shè)置的切換部件為兩臺電腦共用一套顯示器、鍵盤及打印機(jī)。平板電腦生成的調(diào)節(jié)命令經(jīng)串口服務(wù)器傳接給可編程控制器PLC，PLC的增、減無功功率從DO接口連接增減勵(lì)磁繼電器，再由繼電器的輸出接點(diǎn)連接發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。本產(chǎn)品可提高電網(wǎng)的電壓質(zhì)量和電網(wǎng)電壓穩(wěn)定裕度，用于有效預(yù)防和控制由于電網(wǎng)電壓崩潰而引發(fā)的大面積停電。
文檔編號H02J3/38GK2836302SQ20052009212
公開日2006年11月8日 申請日期2005年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月10日
發(fā)明者蔣建民 申請人:蔣建民