王新華 馮伯晨 劉 韞
[摘 要]本文著重探討發電廠無功電壓遠方自動控制（AVC）系統中無功指令(計劃)的下達和接收、實時數據的采集、閉環控制的設備及方式、無功的控制方式及無功功率的調節范圍等幾個重要環節方面的技術問題，最后提出了針對實際情況的發電廠無功電壓遠方自動控制（AVC）系統方案。
[關鍵詞]發電廠無功電壓遠方自動控制（AVC） 系統方案 探討
1 概述
AVC的全稱為發電廠無功電壓遠方自動控制。即中調通過對各發電廠的發電機組的無功功率進行遠方控制，提高各發電廠高壓母線的電壓水平，從而達到提高本地區的供電電壓水平，改善地區電網的電能質量的目的。
近年來電力系統為提高電能質量，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。但由于電力系統的快速發展，電網的電壓等級不斷提高，同時新建發電廠的投產，使發電廠的密度不斷增大，系統內各發電廠之間的電氣距離越來越小，使通過調節個別機組或個別發電廠的無功出力來改善系統及地區電壓水平變得十分困難，甚至使用單個發電機組或單電廠已不能有效控制系統的電壓。如淮北地區的二個大型火電廠，在部分時段的一個廠無功進相至力率范圍的極限時，而地區的電壓仍然較偏高。因此只有在中調的統一調度的前提下，同時改變多臺發電機組（或多個發電廠）的無功出力才能使系統及地區的電壓處在一個較好的水平。
2 AVC系統方案的選擇確定
AVC自動控制的流程為: 從中調所下達無功指令開始，到各發電廠所對應機組無功功率的閉環自動調節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、實時數據的采集、閉環控制的設備及方式、無功的控制方式及無功功率的調節范圍等幾個方面。
因發電廠中機組的勵磁系統是本來以已具有的，而各發電廠的勵磁調節系統的模式是多樣且不能改變的，發電廠的AVC方案只能在不改變現有勵磁系統調節的模式下進行，且應適應全省各大型發電機組的多種勵磁系統，即通用性要強。
同時發電機的無功調節范圍是由機組的性能來決定的，各大型發電機的無功調節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、實時數據的采集、閉環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
根據電力系統的要求和具體情況，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電指令下到發電廠的遠動裝置（RTU）中，RTU根據指令大小將其變為4~20MA的電流信號，傳送到勵磁調節裝置，勵磁調節裝置將其變為數據量，并依其為閉環自動調節機組的無功出力。當勵磁調節裝置不具備閉環調節機組的無功出力時，也可通過DCS 閉環控制勵磁調節裝置來調節機組的無功出力。
特點: 系統簡單，易于實現，由于AGC的技術已十分成熟，且省內大機組多數都具有了AGC功能，在技術上較有保障。
缺點: 由于全省各發電廠的自動化程度不同，省內仍部分發電機組沒有進行DCS改造，此方法將使全省的AVC的調節方式多樣化。其次當遠動通道出現異常時，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電廠的AVC上位機（AVC調節系統專用），AVC上位機根據各機組的開停、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電計劃，并將各機組的無功發電計劃發送到該機組的AVC調節裝置中， AVC調節裝置閉環控制勵磁調節裝置來調節機組的無功出力。
特點: 下達全廠無功計劃由值長根據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，并為此開發一套軟件，費用較高，無功再分配對發電廠來說經濟效益并不明顯，同時增加了值長及現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地實時監控系統中
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電廠的當地功能系統中，當地功能系統將無功指令轉發到各機組的AVC調節裝置中， AVC調節裝置閉環控制勵磁調節裝置來調節機組的無功出力。
特點: 系統簡單，只在原當地功能中增加部分功能，費用最低。易于實現，由于當地功能的軟件水平一般較高，同時由于AVC調節所需要的實時數據，均在當地功能的數據采集范圍內，不需另配裝置來進行數據采集。
缺點: 不能進行無功功率的二次分配，增加當地功能的負擔，由于當地功能一般裝在主控室，而勵磁調節裝置一般安裝在機爐集控室，二者相距較遠，受數據傳輸距離的時限制，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上位機來代替當地功能中的這部分功能。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電廠的AVC上位機，AVC上位機將無功指令轉發到各機組的AVC調節裝置中， AVC調節裝置閉環控制勵磁調節裝置來調節機組的無功出力。
特點: 系統簡單，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，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。由于當地功能一般裝在主控室，而勵磁調節裝置一般安裝在機爐集控室，二者相距較遠，受數據傳輸距離的時限制，且易受到外界干擾。由于增加一臺AVC上位機來轉發機組的無功功率，并為此開發一套軟件，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實時數據的采集方式
AVC控制系統運行的前提保持電力系統中的各發電機均應運行在額定功率、功率因數、電壓、電流的范圍內，并保持發電廠高壓母線電壓在允許范圍內。
2.2.1實時數據采集范圍
為此在AVC調節系統中必須采集所有參與AVC調節的各機組的有功功率、無功功率、發電機定子電壓、發電機定子電流及發電廠高壓母線電壓（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實時數據采集作用
采集無功功率是實現機組AVC閉環自動調節的依據，采集機組的有、無功功率是為了計算機組的功率因數，作為使機組運行在額定的功率因數范圍內的閉鎖條件; 采集發電機定子電壓、電流的作用是作為無功調節一個閉鎖條件，以防止機組運行在超出機組額定參考范圍之外。
采集發電廠高壓母線電壓數據，在AVC正常的方式下作為調節無功功率的閉鎖條件，控制機組運行，使發電廠高壓母線電壓在系統要求的范圍內; 在AVC系統與中調的通信異常時作為發電廠高壓母線電壓控制（機組無功）的調節依據。
2.2.3實時數據的采集方法
①、使用DCS采集的實時數據: 當AVC調節方式為使用DCS來閉環控制機組的無功出力時，可使用DCS采集機組的實時數據。AVC所需的實時數據DCS本身均已采集，
特點: 數據的采集閉環控制均由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，或使用其它方式進行AVC調節，這樣就使全省的發電機組的AVC調節模式不統一。采集到的實時數據與中調進行無功功率計算的數據不同源， 即數據有可能會不一致，存在一定的誤差，使發電廠內高壓母線電壓控制不理想。同時由于數據不一致可能影響中調對發電廠的電壓考核。DCS所采集的母線電壓為本機組所連接的高壓母線的電壓，并非中調對發電廠考核的母線電壓，兩個數據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。
②、使用勵磁調節裝置采集的實時數據: 當AVC調節方式為使用勵磁調節系統來閉環控制機組的無功出力時，勵磁調節系統應具有實時數據采集能力。
特點: 數據的采集閉環控制均由勵磁調節裝置獨立完成，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: 目前多數發電機組暫不能接收AVC指令。采集到的實時數據與中調進行無功功率計算的數據不同源，即數據有可能會不一致，存在一定的誤差，使發電廠內高壓母線電壓控制不理想。同時由于數據不一致可能影響中調對發電廠的電壓考核。勵磁調節裝置所采集的母線電壓為本機組所連接的母線電壓，并非中調對發電廠考核的母線電壓，兩個數據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。
③、使用AVC調節裝置采集機組的實時數據。安徽電力中心試驗研究所研制開發的AVC調節裝置本身具有模/數轉換能力，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為直流信號送入AVC調節器裝置中。每套AVC調節裝置配套5只變送器（有功、無功、電壓、電流、發電廠高壓母線電壓）
特點: 使用這種方式時數據的采集、閉環控制均由AVC調節裝置獨立完成，對界的依賴性小，由于采集的信息量小，實時數據刷新快，對控制比較有利。
缺點: 采集到的實時數據與中調進行無功功率計算的數據不同源。即數據的有可能會不一致; 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據，由于AVC調節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調節指令，又接收遠動裝置發出的實時數據。在這種方式中可使用AVC上位機或當地功能來接收遠動裝置中的實時數據。
特點: 能與中調所接收的數據保持一致，對考核較為有利和發電廠高壓母線電壓控制有利。
缺點: 對遠動裝置的依賴性大，數據更新較方式3慢。
綜上所述，以上4種實時數據采集方式，方式4所采集的數據與中調的數據一致，對發電廠的考核比較有利。
2.3AVC閉環自動控制模式
對發電機組的無功功率的閉環控制是AVC的最重要的環節，它是通過對采集實發功率與接收到的計劃（指令）進行比較，根據比較的結果來調節機組無功的出力，使機組的無功出力運行在中調要求的范圍內。
目前現有的可用于閉環控制無功出力的設備有: 勵磁調節系統、DCS系統, 增加一臺專用AVC調節裝置。
2.3.1勵磁調節系統: 由于目前系統內的多數機組的勵磁調節系統不具備對計劃指令的接收功能，只能接收功率調節的加、減信號，對無功功率的控制多采用手動或由DCS閉環控制的方式。
2.3.2DCS系統: 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調節裝置: 增加外部設備來對機組無功出力運行閉環控制。它不改變原有的系統的配置和功能，系統具有相對獨立、對原有的系統影響小，可靠性高的特點。
用于閉環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。能根據機組的運行情況進行控制閉鎖等功能，AVC系統對原有系統影響要小，系統的可行性要高，同時在全省系統中的方式應統一。根據以上要求和系統中的運行現狀。使用AVC調節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
由于系統中的部分發電機組尚未進行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的閉環控制。
由于各發電機組的勵磁調節系統的性能和方式不同，又由于部分勵磁調節系統不能接收外部的計劃指令，所以應在勵磁調節系統的前部加裝一臺AVC調節裝置，用于數據采集、計劃的接收、和閉環控制。即選擇外加的AVC調節裝置來用作AVC閉環控制。
2.4.2實時數據采集模式
為使實時數據與中調所收到的數據相一致，AVC調節所采用遠動裝置所采集的實時數據作為調節的依據，這樣就不需再增加變送器來進行實時數據采集，使系統簡單，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
由于發電廠中各發電機接入系統的方式不同（系統中的發電機有經二繞組變壓器直接接入高壓系統，有經三繞組變壓器接入高壓、中壓二個系統）。使用總無功計劃可能在對高壓母線的電壓進行調節時對主變中壓側接入的系統電壓產生影響，并使高壓母線的電壓控制不理想。為使系統簡單，更好、更直接地控制發電廠各母線的電壓，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。
由于中調對各發電機直接下達AVC調節指令，AVC前置部分只是將AVC指令轉發到AVC調節裝置。功能實現簡單，易于實現。為節約費用，同時使當地的運行人員更好地了解本機組無功調節所處狀態，即在遠動的當地功能中將AVC的調節狀態正確的反映出來。AVC指令和實時數據的轉發功能應由遠動當地功能來承擔。
當地功能的前置機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調節裝置的通信也采用這種方式。即每套AVC裝置與當地功能前置機的一個串口通信，只要增加幾個串口即實現了與AVC裝置的通信。
2.4.4無功電壓自動調節（AVC）系統的最終方案為:
中調所根據系統電壓的情況通過遠動下行通道向發電廠的遠動當地功能下達參加AVC調節機組的無功指令。遠動當地功能將中調下達參加AVC調節機組的無功指令及將遠動裝置RTU采集到的機組實時數據轉發到對應機組的AVC無功調節裝置中。AVC無功調節裝置利用收到的指令及實時無功功率等數據對發電機組無功功率進行計算、處理，來閉環控制勵磁調節系統，調節機組的無功出力。以達到系統電壓的目的，網絡圖如下:
AVC調節原理圖
3 此方案下的相關部分詳釋
3.1 AVC系統的通信部分
3.1.1調度中心至發電廠下行通信（中調至發電廠的當地功能）采用專用通道或網絡通信，下達AVC指令，并返送各發電廠參與AVC調節的各發電機組的無功功率，用來與當地功能采集到的實時數據相比較，當二者不一致時判斷為通信故障，規約為省調下行規約。
3.1.2 AVC調節裝置與當地功能前置機通信
AVC調節裝置與當地功能前置機通信采用RS-232方式，對于距離較遠者可在中間采用光隔離長線收發器以提高驅動和抗干擾能力。為減輕當地功能的負擔，簡化當地功能的程序，對具有多套AVC調節裝置的系統，當地功能將所有的AVC信息集中，向各個AVC調節裝置發送，即向各AVC調節裝置發送的信息相同，各AVC調節裝置根據規約從這此信息中提出需要部分。
3.1.3AVC調節裝置與勵磁調節裝置的通信
由于各勵磁調節裝置接收調節指令的方式不同，因而AVC調節裝置向勵磁調節下達的無功增、減指令的方法也不完全相同。由于系統內多數機組采用增、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，勵磁調節裝置根據AVC調節裝置的脈沖信號指令調節機組的無功功率。
3.2 AVC實時數據采集的技術要求
3.2.1數據量
AVC自動調節的數據量為: 參與AVC調節的機組的有、無功功率，發電機的定子電壓、電流及220kV母線電壓。這些數據量由遠動的專用電量變送器將其變為4~20mA（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，變為數字信號，并將其發送到中調所及遠動的當地功能中去，作為AVC調節的依據。
3.2.2信號量
①AVC投停信號。此信號是由勵磁調節系統提供。意義為機組的無功處于遠方還是就地控制。（當勵磁系統無法實現無功調節遠方與就地方式的切換時，可改為由DCS來實現遠方、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調節裝置和遠動裝置。此接點閉合為設備處于遠方控制狀態。
②AVC裝置異常信號: 此信號由AVC調節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能實現自動切換，此接點信號同時送往勵磁調節系統（或DCS）。
AVC調節處于遠方/就地控制方式，AVC調節裝置是否工作正常的信號由遠動裝置采集，并發送到中調所及遠動當地功能。
同時，在AVC調節裝置異常或中調至發電廠下行通信異常時，當地功能的現場工作站及時發出語音報警，并向AVC調節裝置發送異常信息，使運行人員及時采取措施，恢復AVC調節系統的運行，提出高AVC的運行率。
發電廠AVC調節接線原理圖
4 結束語
本發電廠無功電壓自動控制（AVC）系統方案將AVC自動調節與現有的實時監控系統有機的結合起來，充分發揮了原有的實時監控系統功能的強大優勢，減少了現場硬件設備的數量，提高了現有設備的利用率，降低了現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，淮北發電廠從事遠動專業工作;
馮伯晨: 工程師，淮北發電廠從事遠動專業工作;
劉 韞: 工程師，淮北第二發電廠信息中心主管，從事MIS、遠動及通信專業工作.
