摘 要：自動電壓控制(AVC)是電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟運行的重要手段。針對現(xiàn)有的無AVC功能的勵磁系統(tǒng)，通過分散控制系統(tǒng)（DCS）中的軟硬件，接受電網(wǎng)調(diào)度能量管理系統(tǒng)（EMS）來的電壓指令實現(xiàn)相關(guān)的調(diào)節(jié)邏輯，輸出脈沖指令來增減勵磁電流，改變發(fā)電機無功，從而實現(xiàn)電網(wǎng)自動電壓控制。這一方法不僅有效降低電網(wǎng)電壓波動幅度和頻率，而且簡單實用、節(jié)約成本，減輕了操作強度。
關(guān)鍵詞：自動電壓控制 分散控制系統(tǒng) 遠動裝置 勵磁
Abstract: Automatic Voltage Control (AVC) is an important means for the safety, high quality and economic operation of grid. For the existing excitation system without AVC, through the hardware and software of distributed control system (DCS), the voltage command from power grid control energy management system (EMS) is accepted to achieve voltage regulation related logic. The output pulse excitation command can increase or decrease current to change reactive power, thus to achieve voltage of generator adjusted automatically. This method not only can lower voltage fluctuation amplitude and frequency, but be simple and practical, cost savings, reducing operating intensity.
Key words: Auto voltage control Distributed control system Remote Terminal Unit Excitation
0 引言
電力系統(tǒng)向大機組、大電網(wǎng)、高電壓和遠距離輸電發(fā)展，給電力系統(tǒng)安全運行帶來一些新問題，其中之一就是電壓崩潰惡性事故。電力系統(tǒng)對電網(wǎng)中的電源品質(zhì)要求越來越高，因此對電力的頻率、電壓等波動要求越來越嚴格，從而對電壓穩(wěn)定性的研究具有重要意義。1-3某發(fā)電廠300MW發(fā)電機組為東方電機廠生產(chǎn)，型號為QFSN-300-2-20。于1997年投產(chǎn)，以前未設(shè)計AVC（Automatic Voltage Control）調(diào)節(jié)裝置。為了在不增加成本的同時滿足用戶對電源質(zhì)量的要求，利用DCS（Distributed Control System）中現(xiàn)有的軟件和硬件實現(xiàn)AVC調(diào)節(jié)功能是可行的，經(jīng)過運行檢驗，這一方法具有很好的效果。
該300MW機組熱工控制采用Infi-90 DCS系統(tǒng)，發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器采用ABB生產(chǎn)的UNITROL-F系列雙通道微機勵磁調(diào)節(jié)器，硬件型號為AFT-O/C7P3-D300，目前運行情況良好。雖然其具有對外數(shù)據(jù)接口，但AVC功能沒有應(yīng)用先例，目前仍然以開關(guān)量的方式來增減磁。如果利用RTU(遠動裝置)接受EMS(能源管理系統(tǒng))發(fā)來的AVC電壓指令，熱工DCS系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)采集和處理的平臺，原有的勵磁調(diào)節(jié)器僅作為最終的執(zhí)行元件，就可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)勵磁系統(tǒng)勵磁電流，改變發(fā)電機的無功，使發(fā)電機電壓與EMS發(fā)來的AVC指令相符，最終實現(xiàn)電網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)。這一方案需要更換部分原有的數(shù)據(jù)采集變送器，還要增加DCS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行模件。DCS系統(tǒng)本身有可靠性高的優(yōu)點，并具備與勵磁調(diào)節(jié)器純干接點強電接口功能，抗干擾能力強。
1 AVC的設(shè)計原理和工作方式
1.1 AVC 工作原理
電網(wǎng)調(diào)度中心強調(diào)AVC需以系統(tǒng)母線電壓作為發(fā)動機勵磁調(diào)節(jié)的目標(biāo)，而實際運行中，發(fā)電廠則通過調(diào)節(jié)發(fā)電機出口電壓來間接實現(xiàn)母線電壓的控制。在并網(wǎng)運行中，發(fā)電機電壓與系統(tǒng)母線電壓間并沒有線性關(guān)系，所以在執(zhí)行電壓目標(biāo)追蹤過程中，只好采用逐次逼近，大閉環(huán)調(diào)節(jié)的方法，即勵磁調(diào)節(jié)器對發(fā)電機端電壓實現(xiàn)小閉環(huán)調(diào)節(jié)，而AVC通過調(diào)節(jié)勵磁調(diào)節(jié)器的給定對母線電壓實現(xiàn)大閉環(huán)調(diào)節(jié)。
AVC程序可以工作在“遙控/REMOTE”和“就地/LOCAL”兩種方式，允許通過軟件開關(guān)進行切換。當(dāng)AVC程序置于遙控方式時，電壓調(diào)整的目標(biāo)值按中調(diào)AVC自動下達的指定值執(zhí)行，如發(fā)生遠傳通道故障或有調(diào)度口頭命令后，可以將遙控方式人工切換為就地方式。由于就地方式目標(biāo)值可以繼續(xù)跟蹤遠方原先下達的指令值，所以切換時不會出現(xiàn)電壓波動。切換后，運行人員可以按調(diào)令設(shè)置新的目標(biāo)值，也可以繼續(xù)按原來的目標(biāo)值運行。
為確保機組運行的平穩(wěn)和安全，AVC采取了幾道預(yù)防措施，當(dāng)用于判別和限制的模擬量采樣出現(xiàn)錯誤時， AVC將保持當(dāng)前目標(biāo)值并自動退出運行，發(fā)出警告信號，在處理后可以人工再次投入。當(dāng)新的指令值超出AVC調(diào)整范圍或者與當(dāng)前目標(biāo)值比較出現(xiàn)較大波動時，新的指令值將不被接受，仍將保持原目標(biāo)值不變。
此外，AVC程序可以通過軟件開關(guān)實現(xiàn)“投入”和“退出”的操作，為便于調(diào)試，還設(shè)置有控制最終輸出到調(diào)節(jié)級的硬操作“投入”和“退出”開關(guān)。
控制邏輯圖及DCS組態(tài)圖分別見圖1（Fig.1）和圖2（Fig.2）。
1.2 AVC工作方式及實現(xiàn)
1.2.1 數(shù)據(jù)采集部分
通過RTU與中調(diào)的通信通道，接受來自調(diào)度的“電壓指令值”和“指令有效信號”,并在RTU中將“電壓指令值”轉(zhuǎn)換為4-20mA模擬信號，將“指令有效信號”轉(zhuǎn)換為開關(guān)量信號。利用遠動裝置及熱工DCS系統(tǒng)與RTU的接口，將實時“電壓指令值”4-20mA模擬信號和“指令有效信號”開關(guān)量讀入DCS中。同時讀入DCS的還有發(fā)電機組當(dāng)前的運行參數(shù)，如本地與調(diào)節(jié)有關(guān)的發(fā)電機端電壓、220kV母線電壓、發(fā)電機定子電流、轉(zhuǎn)子電流、勵磁調(diào)節(jié)器輸出電流、發(fā)電機無功、發(fā)電機有功等，以及與調(diào)節(jié)有關(guān)的一些約束條件，如端電壓限制、定子電流限制等等。當(dāng)完成所需模擬量數(shù)據(jù)的采集后，DCS系統(tǒng)就進入判斷和執(zhí)行程序。
1.2.2 遙控和就地方式
投入AVC程序后，若程序檢測沒有出現(xiàn)將AVC程序強制退出的信號，則程序開始運行，并進一步檢測運行方式。當(dāng)程序運行于遙控方式時，讀入遠方指令值UZ，同時判斷指令值是否在允許范圍，與當(dāng)前運行的目標(biāo)指令的差值是否過大，以及“指令有效信號”是否“有效”。如果以上條件滿足，則判斷為“UZ有效”，允許將新的指令值設(shè)置為當(dāng)前目標(biāo)值。為防止運行電壓變化頻繁，造成勵磁調(diào)節(jié)器過度調(diào)節(jié)，考慮兩次采集遠方指令值有一個最短時限要求，即實際上是每10秒鐘采入一次新值作為目標(biāo)值。這一延時可以根據(jù)需要加以調(diào)整），利用定時觸發(fā)器予以解決。
電壓的任何調(diào)節(jié)只有在“UZ有效”時才開放，當(dāng)運行于就地方式時，指令有效信號自動生成，運行人員根據(jù)調(diào)度命令手動設(shè)定目標(biāo)值，其余與遙控方式完全相同。
1.2.3 升電壓過程的判斷和限制
在下發(fā)升壓脈沖之前，還需要進一步檢查相關(guān)的約束是否滿足，例如發(fā)電機端電壓限制、發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流限制、交流勵磁機勵磁電流的限制、定子電流的限制等。主要約束條件具有冗余，例如發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流限制，交流勵磁機勵磁電流的限制這兩個條件，雖然取自不同位置，但都能反映發(fā)電機勵磁水平。任何一個測量不準(zhǔn)或者測量回路斷線，都不會導(dǎo)致增減磁失去限制。此外，在升壓過程中如果系統(tǒng)無功缺額大，仍有可能在機端電壓上升不多的情況下，發(fā)電機無功變化很快，因此在無功變化速率超過預(yù)期時，將終止本次升壓操作。
考慮到發(fā)電機并網(wǎng)前，發(fā)電機增磁對母線電壓無影響，此時應(yīng)限制AVC進行調(diào)壓，以避免開環(huán)調(diào)節(jié)時發(fā)電機運行于過電壓，因此增設(shè)發(fā)電機各相電流不小于500A這一操作閉鎖條件，作為判斷發(fā)電機是否并網(wǎng)的判據(jù)。
在以上條件都滿足時，則發(fā)出增磁脈沖，驅(qū)動增磁繼電器增磁。任一條件不滿足，發(fā)出禁止增磁警告信號并直接送中調(diào)。在驅(qū)動增磁的同時啟動10秒計時器，10秒計時結(jié)束后才允許接受下一次的增磁命令。
1.2.4 降電壓過程中的判斷和限制
降電壓邏輯與升電壓邏輯基本相同。在“UZ有效”的情況下，將目標(biāo)電壓UZ與母線電壓Um進行比較，當(dāng)UZ － Um ＝ΔU ＜0時，判斷為降電壓，按照逐次逼近方法計算得到降壓操作脈沖寬度同公式（1）。
發(fā)電機進行降電壓的允許條件為發(fā)電機端電壓，母線電壓不低于預(yù)設(shè)的下限值。為防止失磁，增設(shè)發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流應(yīng)大于輕載（180MW）最小勵磁電流和進相限制兩個互為冗余的失磁閉鎖條件。
在以上條件都滿足時，發(fā)出減磁脈沖，驅(qū)動減磁繼電器減磁。任一條件不滿足，也發(fā)出禁止減磁警告信號并直接發(fā)送中調(diào)。在驅(qū)動減磁同時啟動10秒計時器，10秒計時結(jié)束后才允許接受下一次的減磁命令。
1.3 應(yīng)對異常情況的措施
1）模件硬件故障。模擬量和開關(guān)量采樣回路的故障可以通過自檢發(fā)現(xiàn)，檢出故障立刻強制退出程序運行，同時發(fā)出本地“AVC故障退出”信號，并向中調(diào)發(fā)送“AVC停止運行”信號。在此過程中，程序自行保持當(dāng)前運行值不變。當(dāng)出現(xiàn)這類情況時，應(yīng)由維護人員排除故障后，才能再次投入。
2）遠方電壓指令值不合格。通過設(shè)定條件比較可以檢出，此時程序?qū)⒈３之?dāng)前目標(biāo)值不變，直到遠方指令電壓合格后，程序自動按遠方電壓指令執(zhí)行。
3）達到任何限制條件時，程序驅(qū)動“禁止增”或者“禁止減”繼電器，同時將向遠方發(fā)送“禁止增”或者“禁止減”信號。繼電器常閉觸點串聯(lián)在增減磁回路中，動作后立刻終止操作。正常時繼電器常閉觸點閉合，不參與操作，觸點不易損壞，萬一增減磁繼電器觸點卡死，達到限制條件后將由“禁止增”或者“禁止減”繼電器觸點斷開增減磁回路，保證不發(fā)生過壓或者失磁現(xiàn)象。
4）為便于在AVC出現(xiàn)異常的情況下進行人工干預(yù)，增加了調(diào)節(jié)器增減磁操作時自動退出AVC的功能。
5）為防止增減磁中間繼電器觸點粘住導(dǎo)致連續(xù)增減磁從而造成過壓或者失磁，增加了連續(xù)增減磁時間超過1.5秒自動退出的功能，1.5秒內(nèi)不會對發(fā)電機電壓造成明顯的影響。
6）如果禁止增減磁失效，當(dāng)機端電壓或者機組無功超出機組允許范圍時，將自動退出AVC功能。
7）為防止測量偏差導(dǎo)致誤調(diào)節(jié)，應(yīng)取消原來的兩個額定負載為250Ω的送入熱控數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAS）和調(diào)度的線路電壓變送器，改為一個額定負載500Ω的變送器同時供這兩個測量回路，以確保測量值一致。
2 運行情況及效果
該自動電壓控制系統(tǒng)于2004年11月8日與調(diào)度中心聯(lián)調(diào)，通過近3年的運行調(diào)試，AVC達到了設(shè)計要求：1、減少了電網(wǎng)區(qū)域間的無功竄動，降低了線損；2、電壓波動幅度小，電壓合格率達到100%；3、減少運行人員的操作量，減輕了勞動強度。
從系統(tǒng)電壓的時域圖可以明顯看到投運AVC前后，電壓穩(wěn)定的效果。
通過對圖3和圖4的對比分析得到以下結(jié)論：1、未投AVC調(diào)節(jié)時系統(tǒng)線路電壓波動約為2KV，投運AVC后系統(tǒng)線路電壓明顯減小，僅為1KV，波動幅值相應(yīng)減小50%，2、投運AVC后的系統(tǒng)線路電壓波動的頻率明顯減小，提高了供電電壓品質(zhì)。
3 結(jié)論
利用DCS系統(tǒng)硬件和軟件，適當(dāng)改動、添加少量數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行模件就可以實現(xiàn)發(fā)電廠側(cè)電網(wǎng)電壓自動控制（AVC），技術(shù)改造成本很低。同時開發(fā)了DCS中發(fā)電機控制部分的功能。AVC系統(tǒng)的投運，能夠確保電壓波動幅度減小，使電壓合格率達到100%；減少無功竄動降低線損；減輕操作員勞動強度。
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SUN Jing, YU Yiping, ZHENG Guang jun, et al. Application of On-line Voltage Security Assessment on Beijing Electric Power Grid, Automation of Electric Power Systems, 2007,31(12): 92-95.
作者簡介：
彭榮輝（1975~），男，湖南邵陽人，工程師，本科，主要從事熱工控制技術(shù)工作。Email：steven5725@tom.com，辦公電話：0732-5203182．
