摘 要：自動(dòng)電壓控制(AVC)是電網(wǎng)安全、優(yōu)質(zhì)和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要手段。針對(duì)現(xiàn)有的無(wú)AVC功能的勵(lì)磁系統(tǒng)，通過(guò)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(lái)的電壓指令實(shí)現(xiàn)相關(guān)的調(diào)節(jié)邏輯，輸出脈沖指令來(lái)增減勵(lì)磁電流，改變發(fā)電機(jī)無(wú)功，從而實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制。這一方法不僅有效降低電網(wǎng)電壓波動(dòng)幅度和頻率，而且簡(jiǎn)單實(shí)用、節(jié)約成本，減輕了操作強(qiáng)度。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)電壓控制 分散控制系統(tǒng) 遠(yuǎn)動(dòng)裝置 勵(lì)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(jī)組、大電網(wǎng)、高電壓和遠(yuǎn)距離輸電發(fā)展，給電力系統(tǒng)安全運(yùn)行帶來(lái)一些新問(wèn)題，其中之一就是電壓崩潰惡性事故。電力系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)中的電源品質(zhì)要求越來(lái)越高，因此對(duì)電力的頻率、電壓等波動(dòng)要求越來(lái)越嚴(yán)格，從而對(duì)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(jī)組為東方電機(jī)廠生產(chǎn)，型號(hào)為QFSN-300-2-20。于1997年投產(chǎn)，以前未設(shè)計(jì)AVC（Automatic Voltage Control）調(diào)節(jié)裝置。為了在不增加成本的同時(shí)滿足用戶對(duì)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(shí)現(xiàn)AVC調(diào)節(jié)功能是可行的，經(jīng)過(guò)運(yùn)行檢驗(yàn)，這一方法具有很好的效果。
該300MW機(jī)組熱工控制采用Infi-90 DCS系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用ABB生產(chǎn)的UNITROL-F系列雙通道微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，硬件型號(hào)為AFT-O/C7P3-D300，目前運(yùn)行情況良好。雖然其具有對(duì)外數(shù)據(jù)接口，但AVC功能沒(méi)有應(yīng)用先例，目前仍然以開(kāi)關(guān)量的方式來(lái)增減磁。如果利用RTU(遠(yuǎn)動(dòng)裝置)接受EMS(能源管理系統(tǒng))發(fā)來(lái)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(tái)，原有的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器僅作為最終的執(zhí)行元件，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)勵(lì)磁系統(tǒng)勵(lì)磁電流，改變發(fā)電機(jī)的無(wú)功，使發(fā)電機(jī)電壓與EMS發(fā)來(lái)的AVC指令相符，最終實(shí)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(diǎn)，并具備與勵(lì)磁調(diào)節(jié)器純干接點(diǎn)強(qiáng)電接口功能，抗干擾能力強(qiáng)。
1 AVC的設(shè)計(jì)原理和工作方式
1.1 AVC 工作原理
電網(wǎng)調(diào)度中心強(qiáng)調(diào)AVC需以系統(tǒng)母線電壓作為發(fā)動(dòng)機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)的目標(biāo)，而實(shí)際運(yùn)行中，發(fā)電廠則通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)出口電壓來(lái)間接實(shí)現(xiàn)母線電壓的控制。在并網(wǎng)運(yùn)行中，發(fā)電機(jī)電壓與系統(tǒng)母線電壓間并沒(méi)有線性關(guān)系，所以在執(zhí)行電壓目標(biāo)追蹤過(guò)程中，只好采用逐次逼近，大閉環(huán)調(diào)節(jié)的方法，即勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓實(shí)現(xiàn)小閉環(huán)調(diào)節(jié)，而AVC通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的給定對(duì)母線電壓實(shí)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(guò)軟件開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。當(dāng)AVC程序置于遙控方式時(shí)，電壓調(diào)整的目標(biāo)值按中調(diào)AVC自動(dòng)下達(dá)的指定值執(zhí)行，如發(fā)生遠(yuǎn)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(yuǎn)方原先下達(dá)的指令值，所以切換時(shí)不會(huì)出現(xiàn)電壓波動(dòng)。切換后，運(yùn)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(lái)的目標(biāo)值運(yùn)行。
為確保機(jī)組運(yùn)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(cuò)誤時(shí)， AVC將保持當(dāng)前目標(biāo)值并自動(dòng)退出運(yùn)行，發(fā)出警告信號(hào)，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(dòng)時(shí)，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(guò)軟件開(kāi)關(guān)實(shí)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(jí)的硬操作“投入”和“退出”開(kāi)關(guān)。
控制邏輯圖及DCS組態(tài)圖分別見(jiàn)圖1（Fig.1）和圖2（Fig.2）。
1.2 AVC工作方式及實(shí)現(xiàn)
1.2.1 數(shù)據(jù)采集部分
通過(guò)RTU與中調(diào)的通信通道，接受來(lái)自調(diào)度的“電壓指令值”和“指令有效信號(hào)”,并在RTU中將“電壓指令值”轉(zhuǎn)換為4-20mA模擬信號(hào)，將“指令有效信號(hào)”轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量信號(hào)。利用遠(yuǎn)動(dòng)裝置及熱工DCS系統(tǒng)與RTU的接口，將實(shí)時(shí)“電壓指令值”4-20mA模擬信號(hào)和“指令有效信號(hào)”開(kāi)關(guān)量讀入DCS中。同時(shí)讀入DCS的還有發(fā)電機(jī)組當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)，如本地與調(diào)節(jié)有關(guān)的發(fā)電機(jī)端電壓、220kV母線電壓、發(fā)電機(jī)定子電流、轉(zhuǎn)子電流、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器輸出電流、發(fā)電機(jī)無(wú)功、發(fā)電機(jī)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(jìn)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(cè)沒(méi)有出現(xiàn)將AVC程序強(qiáng)制退出的信號(hào)，則程序開(kāi)始運(yùn)行，并進(jìn)一步檢測(cè)運(yùn)行方式。當(dāng)程序運(yùn)行于遙控方式時(shí)，讀入遠(yuǎn)方指令值UZ，同時(shí)判斷指令值是否在允許范圍，與當(dāng)前運(yùn)行的目標(biāo)指令的差值是否過(guò)大，以及“指令有效信號(hào)”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(yùn)行電壓變化頻繁，造成勵(lì)磁調(diào)節(jié)器過(guò)度調(diào)節(jié)，考慮兩次采集遠(yuǎn)方指令值有一個(gè)最短時(shí)限要求，即實(shí)際上是每10秒鐘采入一次新值作為目標(biāo)值。這一延時(shí)可以根據(jù)需要加以調(diào)整），利用定時(shí)觸發(fā)器予以解決。
電壓的任何調(diào)節(jié)只有在“UZ有效”時(shí)才開(kāi)放，當(dāng)運(yùn)行于就地方式時(shí)，指令有效信號(hào)自動(dòng)生成，運(yùn)行人員根據(jù)調(diào)度命令手動(dòng)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(guò)程的判斷和限制
在下發(fā)升壓脈沖之前，還需要進(jìn)一步檢查相關(guān)的約束是否滿足，例如發(fā)電機(jī)端電壓限制、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流限制、交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)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(jī)轉(zhuǎn)子電流限制，交流勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電流的限制這兩個(gè)條件，雖然取自不同位置，但都能反映發(fā)電機(jī)勵(lì)磁水平。任何一個(gè)測(cè)量不準(zhǔn)或者測(cè)量回路斷線，都不會(huì)導(dǎo)致增減磁失去限制。此外，在升壓過(guò)程中如果系統(tǒng)無(wú)功缺額大，仍有可能在機(jī)端電壓上升不多的情況下，發(fā)電機(jī)無(wú)功變化很快，因此在無(wú)功變化速率超過(guò)預(yù)期時(shí)，將終止本次升壓操作。
考慮到發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前，發(fā)電機(jī)增磁對(duì)母線電壓無(wú)影響，此時(shí)應(yīng)限制AVC進(jìn)行調(diào)壓，以避免開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)時(shí)發(fā)電機(jī)運(yùn)行于過(guò)電壓，因此增設(shè)發(fā)電機(jī)各相電流不小于500A這一操作閉鎖條件，作為判斷發(fā)電機(jī)是否并網(wǎng)的判據(jù)。
在以上條件都滿足時(shí)，則發(fā)出增磁脈沖，驅(qū)動(dòng)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(hào)并直接送中調(diào)。在驅(qū)動(dòng)增磁的同時(shí)啟動(dòng)10秒計(jì)時(shí)器，10秒計(jì)時(shí)結(jié)束后才允許接受下一次的增磁命令。
1.2.4 降電壓過(guò)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(jìn)行比較，當(dāng)UZ － Um ＝ΔU ＜0時(shí)，判斷為降電壓，按照逐次逼近方法計(jì)算得到降壓操作脈沖寬度同公式（1）。
發(fā)電機(jī)進(jìn)行降電壓的允許條件為發(fā)電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)子電流應(yīng)大于輕載（180MW）最小勵(lì)磁電流和進(jìn)相限制兩個(gè)互為冗余的失磁閉鎖條件。
在以上條件都滿足時(shí)，發(fā)出減磁脈沖，驅(qū)動(dòng)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(hào)并直接發(fā)送中調(diào)。在驅(qū)動(dòng)減磁同時(shí)啟動(dòng)10秒計(jì)時(shí)器，10秒計(jì)時(shí)結(jié)束后才允許接受下一次的減磁命令。
1.3 應(yīng)對(duì)異常情況的措施
1）模件硬件故障。模擬量和開(kāi)關(guān)量采樣回路的故障可以通過(guò)自檢發(fā)現(xiàn)，檢出故障立刻強(qiáng)制退出程序運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出本地“AVC故障退出”信號(hào)，并向中調(diào)發(fā)送“AVC停止運(yùn)行”信號(hào)。在此過(guò)程中，程序自行保持當(dāng)前運(yùn)行值不變。當(dāng)出現(xiàn)這類(lèi)情況時(shí)，應(yīng)由維護(hù)人員排除故障后，才能再次投入。
2）遠(yuǎn)方電壓指令值不合格。通過(guò)設(shè)定條件比較可以檢出，此時(shí)程序?qū)⒈３之?dāng)前目標(biāo)值不變，直到遠(yuǎn)方指令電壓合格后，程序自動(dòng)按遠(yuǎn)方電壓指令執(zhí)行。
3）達(dá)到任何限制條件時(shí)，程序驅(qū)動(dòng)“禁止增”或者“禁止減”繼電器，同時(shí)將向遠(yuǎn)方發(fā)送“禁止增”或者“禁止減”信號(hào)。繼電器常閉觸點(diǎn)串聯(lián)在增減磁回路中，動(dòng)作后立刻終止操作。正常時(shí)繼電器常閉觸點(diǎn)閉合，不參與操作，觸點(diǎn)不易損壞，萬(wàn)一增減磁繼電器觸點(diǎn)卡死，達(dá)到限制條件后將由“禁止增”或者“禁止減”繼電器觸點(diǎn)斷開(kāi)增減磁回路，保證不發(fā)生過(guò)壓或者失磁現(xiàn)象。
4）為便于在AVC出現(xiàn)異常的情況下進(jìn)行人工干預(yù)，增加了調(diào)節(jié)器增減磁操作時(shí)自動(dòng)退出AVC的功能。
5）為防止增減磁中間繼電器觸點(diǎn)粘住導(dǎo)致連續(xù)增減磁從而造成過(guò)壓或者失磁，增加了連續(xù)增減磁時(shí)間超過(guò)1.5秒自動(dòng)退出的功能，1.5秒內(nèi)不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)電壓造成明顯的影響。
6）如果禁止增減磁失效，當(dāng)機(jī)端電壓或者機(jī)組無(wú)功超出機(jī)組允許范圍時(shí)，將自動(dòng)退出AVC功能。
7）為防止測(cè)量偏差導(dǎo)致誤調(diào)節(jié)，應(yīng)取消原來(lái)的兩個(gè)額定負(fù)載為250Ω的送入熱控?cái)?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(gè)額定負(fù)載500Ω的變送器同時(shí)供這兩個(gè)測(cè)量回路，以確保測(cè)量值一致。
2 運(yùn)行情況及效果
該自動(dòng)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(guò)近3年的運(yùn)行調(diào)試，AVC達(dá)到了設(shè)計(jì)要求：1、減少了電網(wǎng)區(qū)域間的無(wú)功竄動(dòng)，降低了線損；2、電壓波動(dòng)幅度小，電壓合格率達(dá)到100%；3、減少運(yùn)行人員的操作量，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。
從系統(tǒng)電壓的時(shí)域圖可以明顯看到投運(yùn)AVC前后，電壓穩(wěn)定的效果。
通過(guò)對(duì)圖3和圖4的對(duì)比分析得到以下結(jié)論：1、未投AVC調(diào)節(jié)時(shí)系統(tǒng)線路電壓波動(dòng)約為2KV，投運(yùn)AVC后系統(tǒng)線路電壓明顯減小，僅為1KV，波動(dòng)幅值相應(yīng)減小50%，2、投運(yùn)AVC后的系統(tǒng)線路電壓波動(dòng)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(dòng)、添加少量數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行模件就可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠側(cè)電網(wǎng)電壓自動(dòng)控制（AVC），技術(shù)改造成本很低。同時(shí)開(kāi)發(fā)了DCS中發(fā)電機(jī)控制部分的功能。AVC系統(tǒng)的投運(yùn)，能夠確保電壓波動(dòng)幅度減小，使電壓合格率達(dá)到100%；減少無(wú)功竄動(dòng)降低線損；減輕操作員勞動(dòng)強(qiáng)度。
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作者簡(jiǎn)介：
彭榮輝（1975~），男，湖南邵陽(yáng)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．
