王新華 馮伯晨 劉 韞
[摘 要]本文著重探討發(fā)電廠無功電壓遠方自動控制（AVC）系統(tǒng)中無功指令(計劃)的下達和接收、實時數(shù)據(jù)的采集、閉環(huán)控制的設備及方式、無功的控制方式及無功功率的調節(jié)范圍等幾個重要環(huán)節(jié)方面的技術問題，最后提出了針對實際情況的發(fā)電廠無功電壓遠方自動控制（AVC）系統(tǒng)方案。
[關鍵詞]發(fā)電廠無功電壓遠方自動控制（AVC） 系統(tǒng)方案 探討
1 概述
AVC的全稱為發(fā)電廠無功電壓遠方自動控制。即中調通過對各發(fā)電廠的發(fā)電機組的無功功率進行遠方控制，提高各發(fā)電廠高壓母線的電壓水平，從而達到提高本地區(qū)的供電電壓水平，改善地區(qū)電網的電能質量的目的。
近年來電力系統(tǒng)為提高電能質量，特別是為改善用戶的用電壓水平，做了大量的工件，進行了大量的投資。但由于電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，電網的電壓等級不斷提高，同時新建發(fā)電廠的投產，使發(fā)電廠的密度不斷增大，系統(tǒng)內各發(fā)電廠之間的電氣距離越來越小，使通過調節(jié)個別機組或個別發(fā)電廠的無功出力來改善系統(tǒng)及地區(qū)電壓水平變得十分困難，甚至使用單個發(fā)電機組或單電廠已不能有效控制系統(tǒng)的電壓。如淮北地區(qū)的二個大型火電廠，在部分時段的一個廠無功進相至力率范圍的極限時，而地區(qū)的電壓仍然較偏高。因此只有在中調的統(tǒng)一調度的前提下，同時改變多臺發(fā)電機組（或多個發(fā)電廠）的無功出力才能使系統(tǒng)及地區(qū)的電壓處在一個較好的水平。
2 AVC系統(tǒng)方案的選擇確定
AVC自動控制的流程為: 從中調所下達無功指令開始，到各發(fā)電廠所對應機組無功功率的閉環(huán)自動調節(jié)為止的整個控制過程。在這個控制過程中主要涉及無功指令(計劃)的下達和接收、實時數(shù)據(jù)的采集、閉環(huán)控制的設備及方式、無功的控制方式及無功功率的調節(jié)范圍等幾個方面。
因發(fā)電廠中機組的勵磁系統(tǒng)是本來以已具有的，而各發(fā)電廠的勵磁調節(jié)系統(tǒng)的模式是多樣且不能改變的，發(fā)電廠的AVC方案只能在不改變現(xiàn)有勵磁系統(tǒng)調節(jié)的模式下進行，且應適應全省各大型發(fā)電機組的多種勵磁系統(tǒng)，即通用性要強。
同時發(fā)電機的無功調節(jié)范圍是由機組的性能來決定的，各大型發(fā)電機的無功調節(jié)范圍是相對固定不變的，所以此部分在本方案比較中不考慮。
綜上所述: 在這幾個功能模塊中，只需考慮無功指令(計劃)的下達和接收、實時數(shù)據(jù)的采集、閉環(huán)控制的設備及方式這三個功能模塊的模式及作用。
2.1無功指令（計劃）的下達和接收方式
根據(jù)電力系統(tǒng)的要求和具體情況，可將無功指令（計劃）的下達和接收分為以下幾種方式:
2.1.1選用AGC方式:
即調度中心通過遠動通道將機組的無功發(fā)電指令下到發(fā)電廠的遠動裝置（RTU）中，RTU根據(jù)指令大小將其變?yōu)?~20MA的電流信號，傳送到勵磁調節(jié)裝置，勵磁調節(jié)裝置將其變?yōu)閿?shù)據(jù)量，并依其為閉環(huán)自動調節(jié)機組的無功出力。當勵磁調節(jié)裝置不具備閉環(huán)調節(jié)機組的無功出力時，也可通過DCS 閉環(huán)控制勵磁調節(jié)裝置來調節(jié)機組的無功出力。
特點: 系統(tǒng)簡單，易于實現(xiàn)，由于AGC的技術已十分成熟，且省內大機組多數(shù)都具有了AGC功能，在技術上較有保障。
缺點: 由于全省各發(fā)電廠的自動化程度不同，省內仍部分發(fā)電機組沒有進行DCS改造，此方法將使全省的AVC的調節(jié)方式多樣化。其次當遠動通道出現(xiàn)異常時，RTU輸出的電流信號保持不變，機組的無功出力不變，此時有可能使系統(tǒng)電壓越限。
2.1.2選用下行通道下達全廠總無功計劃至AVC上位機:
和非AGC機組的有功負荷控制方式相同，即中調定時通過遠動下行通道將全廠（或部分機組組合）的無功功率計劃下達到發(fā)電廠的AVC上位機（AVC調節(jié)系統(tǒng)專用），AVC上位機根據(jù)各機組的開停、所帶有功功率情況及原定的無功功率分配原則，來分配各機組的無功發(fā)電計劃，并將各機組的無功發(fā)電計劃發(fā)送到該機組的AVC調節(jié)裝置中， AVC調節(jié)裝置閉環(huán)控制勵磁調節(jié)裝置來調節(jié)機組的無功出力。
特點: 下達全廠無功計劃由值長根據(jù)廠內機組情況調配各機組的無功功率，即在廠內進行各機組的無功功率的優(yōu)化調度。
缺點: 增加一臺AVC上位機用于值長的無功調度，并為此開發(fā)一套軟件，費用較高，無功再分配對發(fā)電廠來說經濟效益并不明顯，同時增加了值長及現(xiàn)場運行人員的工作量。
2.1.3選用下行通道下達單機無功指令于至當?shù)貙崟r監(jiān)控系統(tǒng)中
此模式為以上兩方式的結合，即中調定時通過遠動下行通道將單機的無功功率指令下達到發(fā)電廠的當?shù)毓δ芟到y(tǒng)中，當?shù)毓δ芟到y(tǒng)將無功指令轉發(fā)到各機組的AVC調節(jié)裝置中， AVC調節(jié)裝置閉環(huán)控制勵磁調節(jié)裝置來調節(jié)機組的無功出力。
特點: 系統(tǒng)簡單，只在原當?shù)毓δ苤性黾硬糠止δ�，費用最低。易于實現(xiàn)，由于當?shù)毓δ艿能浖揭话爿^高，同時由于AVC調節(jié)所需要的實時數(shù)據(jù)，均在當?shù)毓δ艿臄?shù)據(jù)采集范圍內，不需另配裝置來進行數(shù)據(jù)采集。
缺點: 不能進行無功功率的二次分配，增加當?shù)毓δ艿呢摀�，由于當�(shù)毓δ芤话阊b在主控室，而勵磁調節(jié)裝置一般安裝在機爐集控室，二者相距較遠，受數(shù)據(jù)傳輸距離的時限制，且易受到外界干擾。
2.1.4選用下行通道下達單機組無功指令至AVC上位機:
此種方式類似與方式3，只是用AVC上位機來代替當?shù)毓δ苤械倪@部分功能。即中調定時通過遠動下行通道將單機的無功功率指令下達到發(fā)電廠的AVC上位機，AVC上位機將無功指令轉發(fā)到各機組的AVC調節(jié)裝置中， AVC調節(jié)裝置閉環(huán)控制勵磁調節(jié)裝置來調節(jié)機組的無功出力。
特點: 系統(tǒng)簡單，只需增加一臺AVC上位機，由于AVC上位機的功能單一，軟件易開發(fā)，與其它方案相靠性較高。
缺點: 不能進行無功功率的二次分配。由于當?shù)毓δ芤话阊b在主控室，而勵磁調節(jié)裝置一般安裝在機爐集控室，二者相距較遠，受數(shù)據(jù)傳輸距離的時限制，且易受到外界干擾。由于增加一臺AVC上位機來轉發(fā)機組的無功功率，并為此開發(fā)一套軟件，費用較方式3高。
總之，以上四種指令下達/接收方式均能滿足AVC調節(jié)的功能和可靠性的要求。其中方式3的費用及設備較其它方式少。
2.2實時數(shù)據(jù)的采集方式
AVC控制系統(tǒng)運行的前提保持電力系統(tǒng)中的各發(fā)電機均應運行在額定功率、功率因數(shù)、電壓、電流的范圍內，并保持發(fā)電廠高壓母線電壓在允許范圍內。
2.2.1實時數(shù)據(jù)采集范圍
為此在AVC調節(jié)系統(tǒng)中必須采集所有參與AVC調節(jié)的各機組的有功功率、無功功率、發(fā)電機定子電壓、發(fā)電機定子電流及發(fā)電廠高壓母線電壓（正常是采集的Ⅰ母線電壓，在Ⅰ母線電壓不正常時，自動切換為Ⅱ母線電壓）。
2.2.2實時數(shù)據(jù)采集作用
采集無功功率是實現(xiàn)機組AVC閉環(huán)自動調節(jié)的依據(jù)，采集機組的有、無功功率是為了計算機組的功率因數(shù)，作為使機組運行在額定的功率因數(shù)范圍內的閉鎖條件; 采集發(fā)電機定子電壓、電流的作用是作為無功調節(jié)一個閉鎖條件，以防止機組運行在超出機組額定參考范圍之外。
采集發(fā)電廠高壓母線電壓數(shù)據(jù)，在AVC正常的方式下作為調節(jié)無功功率的閉鎖條件，控制機組運行，使發(fā)電廠高壓母線電壓在系統(tǒng)要求的范圍內; 在AVC系統(tǒng)與中調的通信異常時作為發(fā)電廠高壓母線電壓控制（機組無功）的調節(jié)依據(jù)。
2.2.3實時數(shù)據(jù)的采集方法
①、使用DCS采集的實時數(shù)據(jù): 當AVC調節(jié)方式為使用DCS來閉環(huán)控制機組的無功出力時，可使用DCS采集機組的實時數(shù)據(jù)。AVC所需的實時數(shù)據(jù)DCS本身均已采集，
特點: 數(shù)據(jù)的采集閉環(huán)控制均由DCS獨立完成，對外界的依賴性小。
缺點: 目前省內仍有部分機組未能進行DCS改造，部分機組暫不能進行AVC調節(jié)，或使用其它方式進行AVC調節(jié)，這樣就使全省的發(fā)電機組的AVC調節(jié)模式不統(tǒng)一。采集到的實時數(shù)據(jù)與中調進行無功功率計算的數(shù)據(jù)不同源， 即數(shù)據(jù)有可能會不一致，存在一定的誤差，使發(fā)電廠內高壓母線電壓控制不理想。同時由于數(shù)據(jù)不一致可能影響中調對發(fā)電廠的電壓考核。DCS所采集的母線電壓為本機組所連接的高壓母線的電壓，并非中調對發(fā)電廠考核的母線電壓，兩個數(shù)據(jù)可能取自母線電壓而不是同一條母線，這兩條母線測量電壓常有所差別。
�、�、使用勵磁調節(jié)裝置采集的實時數(shù)據(jù): 當AVC調節(jié)方式為使用勵磁調節(jié)系統(tǒng)來閉環(huán)控制機組的無功出力時，勵磁調節(jié)系統(tǒng)應具有實時數(shù)據(jù)采集能力。
特點: 數(shù)據(jù)的采集閉環(huán)控制均由勵磁調節(jié)裝置獨立完成，對界的依賴性小，此方式是最簡單，也是費用最小的一種方式。
缺點: 目前多數(shù)發(fā)電機組暫不能接收AVC指令。采集到的實時數(shù)據(jù)與中調進行無功功率計算的數(shù)據(jù)不同源，即數(shù)據(jù)有可能會不一致，存在一定的誤差，使發(fā)電廠內高壓母線電壓控制不理想。同時由于數(shù)據(jù)不一致可能影響中調對發(fā)電廠的電壓考核。勵磁調節(jié)裝置所采集的母線電壓為本機組所連接的母線電壓，并非中調對發(fā)電廠考核的母線電壓，兩個數(shù)據(jù)可能取自母線電壓而不是同一條母線，這兩條母線測量電壓常有所差別。
�、�、使用AVC調節(jié)裝置采集機組的實時數(shù)據(jù)。安徽電力中心試驗研究所研制開發(fā)的AVC調節(jié)裝置本身具有模/數(shù)轉換能力，為采集這些信息需要在電壓、電流回路中接入變送器，將需采集的實時信息變?yōu)橹绷餍盘査腿階VC調節(jié)器裝置中。每套AVC調節(jié)裝置配套5只變送器（有功、無功、電壓、電流、發(fā)電廠高壓母線電壓）
特點: 使用這種方式時數(shù)據(jù)的采集、閉環(huán)控制均由AVC調節(jié)裝置獨立完成，對界的依賴性小，由于采集的信息量小，實時數(shù)據(jù)刷新快，對控制比較有利。
缺點: 采集到的實時數(shù)據(jù)與中調進行無功功率計算的數(shù)據(jù)不同源。即數(shù)據(jù)的有可能會不一致; 另需在二次回路中增加五只變送器，增加二次回路的負擔，也增加了額外費用。
2.2.4共享遠動裝置已采集的實時數(shù)據(jù)，由于AVC調節(jié)所需的信息遠動裝置均以采集，可在AVC接收指令的前置機中增加一個串口，這臺前置機即接收AVC調節(jié)指令，又接收遠動裝置發(fā)出的實時數(shù)據(jù)。在這種方式中可使用AVC上位機或當?shù)毓δ軄斫邮者h動裝置中的實時數(shù)據(jù)。
特點: 能與中調所接收的數(shù)據(jù)保持一致，對考核較為有利和發(fā)電廠高壓母線電壓控制有利。
缺點: 對遠動裝置的依賴性大，數(shù)據(jù)更新較方式3慢。
綜上所述，以上4種實時數(shù)據(jù)采集方式，方式4所采集的數(shù)據(jù)與中調的數(shù)據(jù)一致，對發(fā)電廠的考核比較有利。
2.3AVC閉環(huán)自動控制模式
對發(fā)電機組的無功功率的閉環(huán)控制是AVC的最重要的環(huán)節(jié)，它是通過對采集實發(fā)功率與接收到的計劃（指令）進行比較，根據(jù)比較的結果來調節(jié)機組無功的出力，使機組的無功出力運行在中調要求的范圍內。
目前現(xiàn)有的可用于閉環(huán)控制無功出力的設備有: 勵磁調節(jié)系統(tǒng)、DCS系統(tǒng), 增加一臺專用AVC調節(jié)裝置。
2.3.1勵磁調節(jié)系統(tǒng): 由于目前系統(tǒng)內的多數(shù)機組的勵磁調節(jié)系統(tǒng)不具備對計劃指令的接收功能，只能接收功率調節(jié)的加、減信號，對無功功率的控制多采用手動或由DCS閉環(huán)控制的方式。
2.3.2DCS系統(tǒng): 使用DCS來控制機組的無功出力是一種較可靠的控制方法，DCS本身的功能較強，增加AVC功能較方便。但采用DCS方式只施用于AGC模式下的AVC控制。
AVC調節(jié)裝置: 增加外部設備來對機組無功出力運行閉環(huán)控制。它不改變原有的系統(tǒng)的配置和功能，系統(tǒng)具有相對獨立、對原有的系統(tǒng)影響小，可靠性高的特點。
用于閉環(huán)控制的設備應具有以下功能: 采集或接收AVC指令、實時無功出力，能對出力偏差進行計算。能根據(jù)機組的運行情況進行控制閉鎖等功能，AVC系統(tǒng)對原有系統(tǒng)影響要小，系統(tǒng)的可行性要高，同時在全省系統(tǒng)中的方式應統(tǒng)一。根據(jù)以上要求和系統(tǒng)中的運行現(xiàn)狀。使用AVC調節(jié)裝置是一種較理想的方式。
2.4AVC方案的確定
2.4.1控制模式
由于系統(tǒng)中的部分發(fā)電機組尚未進行DCS改造。為使全省具有相同AVC模式，應不考慮使用DCS來參于AVC的閉環(huán)控制。
由于各發(fā)電機組的勵磁調節(jié)系統(tǒng)的性能和方式不同，又由于部分勵磁調節(jié)系統(tǒng)不能接收外部的計劃指令，所以應在勵磁調節(jié)系統(tǒng)的前部加裝一臺AVC調節(jié)裝置，用于數(shù)據(jù)采集、計劃的接收、和閉環(huán)控制。即選擇外加的AVC調節(jié)裝置來用作AVC閉環(huán)控制。
2.4.2實時數(shù)據(jù)采集模式
為使實時數(shù)據(jù)與中調所收到的數(shù)據(jù)相一致，AVC調節(jié)所采用遠動裝置所采集的實時數(shù)據(jù)作為調節(jié)的依據(jù)，這樣就不需再增加變送器來進行實時數(shù)據(jù)采集，使系統(tǒng)簡單，減少費用、施工和維護的工作量。
2.4.3控制指令的下達和接收模式
由于發(fā)電廠中各發(fā)電機接入系統(tǒng)的方式不同（系統(tǒng)中的發(fā)電機有經二繞組變壓器直接接入高壓系統(tǒng)，有經三繞組變壓器接入高壓、中壓二個系統(tǒng)）。使用總無功計劃可能在對高壓母線的電壓進行調節(jié)時對主變中壓側接入的系統(tǒng)電壓產生影響，并使高壓母線的電壓控制不理想。為使系統(tǒng)簡單，更好、更直接地控制發(fā)電廠各母線的電壓，同時為以后參于AVC的機組 加入方便，中調應選擇直接下達單機組的無功計劃/指令，即直接對單機組的無功功率進行控制。
由于中調對各發(fā)電機直接下達AVC調節(jié)指令，AVC前置部分只是將AVC指令轉發(fā)到AVC調節(jié)裝置。功能實現(xiàn)簡單，易于實現(xiàn)。為節(jié)約費用，同時使當?shù)氐倪\行人員更好地了解本機組無功調節(jié)所處狀態(tài)，即在遠動的當?shù)毓δ苤袑VC的調節(jié)狀態(tài)正確的反映出來。AVC指令和實時數(shù)據(jù)的轉發(fā)功能應由遠動當?shù)毓δ軄沓袚?BR> 當?shù)毓δ艿那爸脵C為采集多個裝置的信息，均采用多串口方式（使用1: 4、1: 8串口板或多串口終端服務器）。與AVC調節(jié)裝置的通信也采用這種方式。即每套AVC裝置與當?shù)毓δ芮爸脵C的一個串口通信，只要增加幾個串口即實現(xiàn)了與AVC裝置的通信。
2.4.4無功電壓自動調節(jié)（AVC）系統(tǒng)的最終方案為:
中調所根據(jù)系統(tǒng)電壓的情況通過遠動下行通道向發(fā)電廠的遠動當?shù)毓δ芟逻_參加AVC調節(jié)機組的無功指令。遠動當?shù)毓δ軐⒅姓{下達參加AVC調節(jié)機組的無功指令及將遠動裝置RTU采集到的機組實時數(shù)據(jù)轉發(fā)到對應機組的AVC無功調節(jié)裝置中。AVC無功調節(jié)裝置利用收到的指令及實時無功功率等數(shù)據(jù)對發(fā)電機組無功功率進行計算、處理，來閉環(huán)控制勵磁調節(jié)系統(tǒng)，調節(jié)機組的無功出力。以達到系統(tǒng)電壓的目的，網絡圖如下:
AVC調節(jié)原理圖
3 此方案下的相關部分詳釋
3.1 AVC系統(tǒng)的通信部分
3.1.1調度中心至發(fā)電廠下行通信（中調至發(fā)電廠的當?shù)毓δ埽┎捎脤Ｓ猛ǖ阑蚓W絡通信，下達AVC指令，并返送各發(fā)電廠參與AVC調節(jié)的各發(fā)電機組的無功功率，用來與當?shù)毓δ懿杉降膶崟r數(shù)據(jù)相比較，當二者不一致時判斷為通信故障，規(guī)約為省調下行規(guī)約。
3.1.2 AVC調節(jié)裝置與當?shù)毓δ芮爸脵C通信
AVC調節(jié)裝置與當?shù)毓δ芮爸脵C通信采用RS-232方式，對于距離較遠者可在中間采用光隔離長線收發(fā)器以提高驅動和抗干擾能力。為減輕當?shù)毓δ艿呢摀�，簡化當�(shù)毓δ艿某绦�，對具有多套AVC調節(jié)裝置的系統(tǒng)，當?shù)毓δ軐⑺械腁VC信息集中，向各個AVC調節(jié)裝置發(fā)送，即向各AVC調節(jié)裝置發(fā)送的信息相同，各AVC調節(jié)裝置根據(jù)規(guī)約從這此信息中提出需要部分。
3.1.3AVC調節(jié)裝置與勵磁調節(jié)裝置的通信
由于各勵磁調節(jié)裝置接收調節(jié)指令的方式不同，因而AVC調節(jié)裝置向勵磁調節(jié)下達的無功增、減指令的方法也不完全相同。由于系統(tǒng)內多數(shù)機組采用增、減脈沖信號控制的方式，即采用四線結構，一對為正脈沖信號即加負荷信號，另一對為負脈沖信號即減負荷信號，勵磁調節(jié)裝置根據(jù)AVC調節(jié)裝置的脈沖信號指令調節(jié)機組的無功功率。
3.2 AVC實時數(shù)據(jù)采集的技術要求
3.2.1數(shù)據(jù)量
AVC自動調節(jié)的數(shù)據(jù)量為: 參與AVC調節(jié)的機組的有、無功功率，發(fā)電機的定子電壓、電流及220kV母線電壓。這些數(shù)據(jù)量由遠動的專用電量變送器將其變?yōu)?~20mA（或0~5V）的直流信號，此信號被送入遠動裝置，由遠動裝置（RTU）采集，變?yōu)閿?shù)字信號，并將其發(fā)送到中調所及遠動的當?shù)毓δ苤腥ィ鳛锳VC調節(jié)的依據(jù)。
3.2.2信號量
①AVC投停信號。此信號是由勵磁調節(jié)系統(tǒng)提供。意義為機組的無功處于遠方還是就地控制。（當勵磁系統(tǒng)無法實現(xiàn)無功調節(jié)遠方與就地方式的切換時，可改為由DCS來實現(xiàn)遠方、就地控制方式的切換，并向外部提供此信號）。此信號為兩付常開接點信號，分另提供給AVC調節(jié)裝置和遠動裝置。此接點閉合為設備處于遠方控制狀態(tài)。
②AVC裝置異常信號: 此信號由AVC調節(jié)裝置向遠動裝置提供，信號為常開接點信號，此接點閉合為AVC裝置工作異常。如DCS能實現(xiàn)自動切換，此接點信號同時送往勵磁調節(jié)系統(tǒng)（或DCS）。
AVC調節(jié)處于遠方/就地控制方式，AVC調節(jié)裝置是否工作正常的信號由遠動裝置采集，并發(fā)送到中調所及遠動當?shù)毓δ堋?BR> 同時，在AVC調節(jié)裝置異�；蛑姓{至發(fā)電廠下行通信異常時，當?shù)毓δ艿默F(xiàn)場工作站及時發(fā)出語音報警，并向AVC調節(jié)裝置發(fā)送異常信息，使運行人員及時采取措施，恢復AVC調節(jié)系統(tǒng)的運行，提出高AVC的運行率。
發(fā)電廠AVC調節(jié)接線原理圖
4 結束語
本發(fā)電廠無功電壓自動控制（AVC）系統(tǒng)方案將AVC自動調節(jié)與現(xiàn)有的實時監(jiān)控系統(tǒng)有機的結合起來，充分發(fā)揮了原有的實時監(jiān)控系統(tǒng)功能的強大優(yōu)勢，減少了現(xiàn)場硬件設備的數(shù)量，提高了現(xiàn)有設備的利用率，降低了現(xiàn)場運行人員的勞動強度，使得廠站端的自動化水平邁上了新的臺階。⊙
作者簡介
王新華: 工程師，淮北發(fā)電廠從事遠動專業(yè)工作;
馮伯晨: 工程師，淮北發(fā)電廠從事遠動專業(yè)工作;
劉 韞: 工程師，淮北第二發(fā)電廠信息中心主管，從事MIS、遠動及通信專業(yè)工作.
