摘 要：自動電壓控制(AVC)是電網安全、優質和經濟運行的重要手段。針對現有的無AVC功能的勵磁系統，通過分散控制系統（DCS）中的軟硬件，接受電網調度能量管理系統（EMS）來的電壓指令實現相關的調節邏輯，輸出脈沖指令來增減勵磁電流，改變發電機無功，從而實現電網自動電壓控制。這一方法不僅有效降低電網電壓波動幅度和頻率，而且簡單實用、節約成本，減輕了操作強度。
關鍵詞：自動電壓控制 分散控制系統 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
電力系統向大機組、大電網、高電壓和遠距離輸電發展，給電力系統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。電力系統對電網中的電源品質要求越來越高，因此對電力的頻率、電壓等波動要求越來越嚴格，從而對電壓穩定性的研究具有重要意義。1-3某發電廠300MW發電機組為東方電機廠生產，型號為QFSN-300-2-20。于1997年投產，以前未設計AVC（Automatic Voltage Control）調節裝置。為了在不增加成本的同時滿足用戶對電源質量的要求，利用DCS（Distributed Control System）中現有的軟件和硬件實現AVC調節功能是可行的，經過運行檢驗，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，發電機勵磁調節器采用ABB生產的UNITROL-F系列雙通道微機勵磁調節器，硬件型號為AFT-O/C7P3-D300，目前運行情況良好。雖然其具有對外數據接口，但AVC功能沒有應用先例，目前仍然以開關量的方式來增減磁。如果利用RTU(遠動裝置)接受EMS(能源管理系統)發來的AVC電壓指令，熱工DCS系統作為數據采集和處理的平臺，原有的勵磁調節器僅作為最終的執行元件，就可以實現調節勵磁系統勵磁電流，改變發電機的無功，使發電機電壓與EMS發來的AVC指令相符，最終實現電網電壓的調節。這一方案需要更換部分原有的數據采集變送器，還要增加DCS系統的數據處理和執行模件。DCS系統本身有可靠性高的優點，并具備與勵磁調節器純干接點強電接口功能，抗干擾能力強。
1 AVC的設計原理和工作方式
1.1 AVC 工作原理
電網調度中心強調AVC需以系統母線電壓作為發動機勵磁調節的目標，而實際運行中，發電廠則通過調節發電機出口電壓來間接實現母線電壓的控制。在并網運行中，發電機電壓與系統母線電壓間并沒有線性關系，所以在執行電壓目標追蹤過程中，只好采用逐次逼近，大閉環調節的方法，即勵磁調節器對發電機端電壓實現小閉環調節，而AVC通過調節勵磁調節器的給定對母線電壓實現大閉環調節。
AVC程序可以工作在“遙控/REMOTE”和“就地/LOCAL”兩種方式，允許通過軟件開關進行切換。當AVC程序置于遙控方式時，電壓調整的目標值按中調AVC自動下達的指定值執行，如發生遠傳通道故障或有調度口頭命令后，可以將遙控方式人工切換為就地方式。由于就地方式目標值可以繼續跟蹤遠方原先下達的指令值，所以切換時不會出現電壓波動。切換后，運行人員可以按調令設置新的目標值，也可以繼續按原來的目標值運行。
為確保機組運行的平穩和安全，AVC采取了幾道預防措施，當用于判別和限制的模擬量采樣出現錯誤時， AVC將保持當前目標值并自動退出運行，發出警告信號，在處理后可以人工再次投入。當新的指令值超出AVC調整范圍或者與當前目標值比較出現較大波動時，新的指令值將不被接受，仍將保持原目標值不變。
此外，AVC程序可以通過軟件開關實現“投入”和“退出”的操作，為便于調試，還設置有控制最終輸出到調節級的硬操作“投入”和“退出”開關。
控制邏輯圖及DCS組態圖分別見圖1（Fig.1）和圖2（Fig.2）。
1.2 AVC工作方式及實現
1.2.1 數據采集部分
通過RTU與中調的通信通道，接受來自調度的“電壓指令值”和“指令有效信號”,并在RTU中將“電壓指令值”轉換為4-20mA模擬信號，將“指令有效信號”轉換為開關量信號。利用遠動裝置及熱工DCS系統與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”開關量讀入DCS中。同時讀入DCS的還有發電機組當前的運行參數，如本地與調節有關的發電機端電壓、220kV母線電壓、發電機定子電流、轉子電流、勵磁調節器輸出電流、發電機無功、發電機有功等，以及與調節有關的一些約束條件，如端電壓限制、定子電流限制等等。當完成所需模擬量數據的采集后，DCS系統就進入判斷和執行程序。
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，與當前運行的目標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置為當前目標值。為防止運行電壓變化頻繁，造成勵磁調節器過度調節，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值。這一延時可以根據需要加以調整），利用定時觸發器予以解決。
電壓的任何調節只有在“UZ有效”時才開放，當運行于就地方式時，指令有效信號自動生成，運行人員根據調度命令手動設定目標值，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
在下發升壓脈沖之前，還需要進一步檢查相關的約束是否滿足，例如發電機端電壓限制、發電機轉子電流限制、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，例如發電機轉子電流限制，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，但都能反映發電機勵磁水平。任何一個測量不準或者測量回路斷線，都不會導致增減磁失去限制。此外，在升壓過程中如果系統無功缺額大，仍有可能在機端電壓上升不多的情況下，發電機無功變化很快，因此在無功變化速率超過預期時，將終止本次升壓操作。
考慮到發電機并網前，發電機增磁對母線電壓無影響，此時應限制AVC進行調壓，以避免開環調節時發電機運行于過電壓，因此增設發電機各相電流不小于500A這一操作閉鎖條件，作為判斷發電機是否并網的判據。
在以上條件都滿足時，則發出增磁脈沖，驅動增磁繼電器增磁。任一條件不滿足，發出禁止增磁警告信號并直接送中調。在驅動增磁的同時啟動10秒計時器，10秒計時結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，將目標電壓UZ與母線電壓Um進行比較，當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）。
發電機進行降電壓的允許條件為發電機端電壓，母線電壓不低于預設的下限值。為防止失磁，增設發電機轉子電流應大于輕載（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，發出減磁脈沖，驅動減磁繼電器減磁。任一條件不滿足，也發出禁止減磁警告信號并直接發送中調。在驅動減磁同時啟動10秒計時器，10秒計時結束后才允許接受下一次的減磁命令。
1.3 應對異常情況的措施
1）模件硬件故障。模擬量和開關量采樣回路的故障可以通過自檢發現，檢出故障立刻強制退出程序運行，同時發出本地“AVC故障退出”信號，并向中調發送“AVC停止運行”信號。在此過程中，程序自行保持當前運行值不變。當出現這類情況時，應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。通過設定條件比較可以檢出，此時程序將保持當前目標值不變，直到遠方指令電壓合格后，程序自動按遠方電壓指令執行。
3）達到任何限制條件時，程序驅動“禁止增”或者“禁止減”繼電器，同時將向遠方發送“禁止增”或者“禁止減”信號。繼電器常閉觸點串聯在增減磁回路中，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，保證不發生過壓或者失磁現象。
4）為便于在AVC出現異常的情況下進行人工干預，增加了調節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致連續增減磁從而造成過壓或者失磁，增加了連續增減磁時間超過1.5秒自動退出的功能，1.5秒內不會對發電機電壓造成明顯的影響。
6）如果禁止增減磁失效，當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）為防止測量偏差導致誤調節，應取消原來的兩個額定負載為250Ω的送入熱控數據采集系統（DAS）和調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于2004年11月8日與調度中心聯調，通過近3年的運行調試，AVC達到了設計要求：1、減少了電網區域間的無功竄動，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。
從系統電壓的時域圖可以明顯看到投運AVC前后，電壓穩定的效果。
通過對圖3和圖4的對比分析得到以下結論：1、未投AVC調節時系統線路電壓波動約為2KV，投運AVC后系統線路電壓明顯減小，僅為1KV，波動幅值相應減小50%，2、投運AVC后的系統線路電壓波動的頻率明顯減小，提高了供電電壓品質。
3 結論
利用DCS系統硬件和軟件，適當改動、添加少量數據處理和執行模件就可以實現發電廠側電網電壓自動控制（AVC），技術改造成本很低。同時開發了DCS中發電機控制部分的功能。AVC系統的投運，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。
參考文獻
[1] 段獻忠, 何仰贊, 陳德樹. 電力系統電壓穩定性的研究現狀. 電網技術, 1995,19(4): 20-24.
DUAN Xianzhong, HE Yangzan, ChEN Deshu. Review of Voltage Stability in Electric Power System,Power System Technology, 1995,19(4): 20-24.
[2] 陳劍鋒, 樊福而. 一種新的電壓自動調節方法. 湖南電力, 2003,23(4): 55-56.
CHEN Jianfeng, FAN Fu'er. A New Method for Voltage Automatic Control. Hu Nan Power, 2003,23(4): 55-56.
[3] 孫靜, 余一平, 鄭廣君等. 在線電壓安全評估在北京電網中的應用. 電力系統自動化 2007,31(12): 92-95.
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工作。Email：steven5725@tom.com，辦公電話：0732-5203182．
