自動電壓控制系統在元寶山發電廠中的應用

王鐵軍

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，也是大型電網運行管理的必然趨勢。該文結合“東北500 kv電網混成自動電壓控制（HAVC）系統”項目中元寶山電廠電壓、無功控制系統改造工程所取得的建設成果，介紹了自動電壓無功調控系統AVC控制的必要性，從自控系統平臺建設、設備改造、數據通訊管理等方面，解析了發電廠側電壓、無功控制系統（AVC）的控制基本原理，提出并實施了電廠自動控制方案。自電廠完成自控改造以來，電廠入網電壓調節控制過程平穩，應用達到了預期的效果。

關鍵詞：自動電壓控制 混成自動電壓控制 無功控制 數據傳輸

中圖分類號：TM761 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）12（a）-0083-02

近年來國際上幾次重大的電網事故如美加大停電，都有無功電壓的問題造成電壓崩潰，致使電網癱瘓。隨著大功率發電機組的投運和超高壓電網的形成，電壓指標的重要性也日益突出，無功電壓自動控制技術越來越引起重視。有效的無功與電壓控制不僅可提高電網的電能質量，增強電力系統運行的安全穩定性，而且能降低網損，充分發揮電網的經濟效益。因此電壓不僅是電網電能質量的一項重要指標，而且是保證電網安全穩定和經濟運行的重要因素。大電網自動電壓控制（AVC）[1-2]技術可實現全局多目標優化閉環控制，得到了國內外科研人員及運行管理人員的高度重視，現已在國內主要電網運行控制中得到應用，但是必須注意的是建立一套完善的自動電壓控制系統是一項復雜的工程，而且在電站運行控制中也存在諸多問題，這些問題仍需要研究人員、工程技術人員結合設備多樣性的區別、區域運行需要以及時段性控制要求對AVC系統進行開發、調試，以滿足電力市場的需求。本文以元寶山發電廠自動電壓控制系統的開發以及運用為工程背景，基于電廠自動電壓控制系統的開發與維護技術解析了電廠自動技術措施以及相關控制指標，為類似工程的建設提供技術參考。

1 發電廠分散管理模式的弊端

元寶山發電有限責任公司是東北電網骨干火力發電廠之一，目前擁有裝機容2100 MW，其中#1機組裝機容量為300 MW，#2、#3、#4機組裝機容量均為600 MW，自電站建成以來已經安全運行30余年。在“東北500 kV電網混成自動電壓/無功控制（AVC）”項目實施前，網絡調度對電廠無功電壓的管理考核方式主要是由調度中心按照高峰、平谷和低谷等不同時段劃分母線電壓控制范圍，按季度向各發電廠下達曲線指標，電廠技術人員則根據曲線要求，實行人工24 h連續監視盤表，及時調節發電機無功出力，以維持母線電壓在合格范圍內。這種沿用了多年的就地分散控制管理模式，在當前電網結構日益復雜的形勢下逐漸暴露出了一些弊端，存在諸多問題如下，

（1）事先給定的電壓曲線和無功設備運行計劃是離線確定的，并不能反映電網的實際情況，按照這種方式進行調節往往帶來安全隱患。

（2）電網運行人員需要時刻監視系統電壓無功情況，并進行人工調整，工作強度大，而且往往會造成電網電壓波動大。

（3）電廠之間，無功調節對相互母線電壓影響大，無功調節矛盾突出。由于各電廠只關注自身母線電壓，沒有從全局角度協調無功分配，電網無功功率無謂搬運現象突出，經常出現無功環流現象，造成不必要的有功損耗。各廠、站無功電壓控制沒有進行協調，造成電網運行不經濟。

上述問題的存在，既增加機組進相深度，影響機組和電網安全穩定運行，也使網損增加，影響經濟性。因此，電廠亟需建設自動電壓控制（AVC）系統，從全局對電網無功潮流和發電機組無功功率進行協調控制，實現電廠母線電壓和無功功率的自動調控，合理協調電網無功分布，以保證電網安全穩定運行，提高電壓質量和減少網損，降低運行人員勞動強度。

2 發電廠自動控制系統改造

2.1 系統改造平臺建設

元寶山發電廠并網發電各項技術指標均受到東北電網網絡調度控制，因此發電廠的自動控制系統與東北電網的控制系統息息相關。2006年7月東北500 kV電網混成自動電壓控制（HAVC）系統投入試運行，該系統一期包括1個主站和3個子站，主站設在東北網調，3個子站分別設在綏中電廠、元寶山電廠和500kV沙嶺變電站，在3個子站實現了遠方自動閉環調節發電機無功、開環投切低壓電抗器和調節變壓器分接頭，從而實現了電壓和無功的自動協調控制。主站AVC軟件系統[3-4]將運行于東北電網調度中心的CC-2000系統平臺之上，該支撐系統包括數據庫系統、人機界面系統、報警系統和報表系統等。AVC系統作為EMS的高級應用，將根據CC-2000提供的系統數據計算系統電壓控制指令，并通過CC-2000將指令下達給實際的物理裝置。在東北電網調度通信中心實現東北電網靜態電壓控制功能。東北電網AVC系統主站端的核心軟件包括三部分，即AVC核心分析和計算程序，調度自動化支撐平臺和操作系統軟件。東北電網AVC系統主站端硬件配置使用雙機熱備用方式運行，即使用一臺AVC主站服務器（Alpha DS15）通過網絡連接到原有的CC-2000平臺中，運行AVC核心軟件，加入到CC-2000實時運行環境（RTE）之中，并接受其進程管理。

2.2 電廠自動控制系統改造

（1）原廠電壓、無功控制水平

元寶山發電廠現有四臺發電機并網運行。#1發電機（300 MW）接入220 kV系統。#2、#3、#4發電機（600 MW）接入500 kV系統。#1、#2發電機采用北京吉思生產的GEC非線性微機勵磁控制器，三機靜止勵磁方式；#3發電機采用電科院研發的WKKL微機勵磁控制器，旋轉整流無刷勵磁方式；#4發電機采用哈電機生產的自并勵微機勵磁調節器。元寶山電廠原有的調度模式主要以電話調度為主，根據發電機功率圓圖和每個季度相應的電壓、無功等曲線，手動調節勵磁電壓，廠內配備有三組低壓電抗器。電廠升壓站已實現微機監控（NCS），裝有遠程終端（RTU）及自動發電控制裝置（AGC）。endprint

（2）電壓、無功控制改造。

根據元寶山電廠現有設備情況和工程技術水平，對電廠自動控制系統進行改造。廠控AVC控制信號通過開通的專用信道（信道為2M帶寬）從東北網調下達到元寶山電廠的載波室，載波室再將AVC控制指令和其它信息通過監控系統光纖通道送入元電#2網控室中的監控系統。監控系統將把電廠內的各種測量量和AVC控制指令轉發給AVC前置機中的工控機。AVC前置機中的工控機辨識出控制命令后，根據RTU傳送的當前各種參數的值判斷出命令是否正確，再通過勵磁接口器調節相應的勵磁機，低壓電抗器的調節則通過監控系統來完成。以上所有的參數、參量、控制命令等都將顯示在值長室的監控PC機的顯示屏上，值長可以詳細的了解當前狀態和中止控制命令的執行。廠內電壓、無功控制系統則根據東北電網電壓自動控制工程（AVC工程）的功能要求，按照經遠動通道（六路4～20 mA）下達的網調母線電壓控制命令來調節發電機輸出無功功率，AVC子站通過遠動通道返回東北網調五個遙信（AVC子站控制模式、四臺機AVC投入、退出狀態）；另外每臺機送給NCS兩個報警遙信（裝置故障和越限閉鎖）。

（3）運行管理數據傳輸。

元寶山電廠的AVC系統中主要包括三路數據傳輸，分別是AVC控制命令從AVC主站通過調度自動化主站和元電改造后的監控系統下發到AVC控制裝置中，由元電改造后的監控系統將元電RTU采到的數據送到AVC控制裝置中，投切電抗器的命令由AVC控制裝置傳送到元電改造后的監控系統中。

AVC控制命令的下發：AVC主站服務器生成AVC控制命令后，將這些控制命令存到調度自動化主站的AVC命令數據庫中。調度自動化主站讀取這些命令數據后，將這些命令數據按照該主站與元電改造后的監控系統（RTU）間的通訊規約（調度自動化主站與目前的元電監控系統間使用的是N4F規約）下發給元電的監控系統收發模塊。元電監控系統收發模塊收到這些命令數據后，按照命令幀中的設備號來判斷此命令是否是發給AVC控制裝置的控制命令。目前初步確定的元電改造后監控系統與AVC控制裝置間應使用103規約。

RTU數據的傳送：元寶山電廠RTU的數據采集模塊將各種數據采集到后，將會送給元電監控系統的收發模塊，由此模塊將這些數據發送給調度自動化主站。對改造后的元電監控系統來說，這個數據收發模塊還需要將這些RTU采到的數據發送給AVC裝置。目前初步確定的元電改造后監控系統與AVC控制裝置間應使用103規約。若最后確定使用103規約，則此控制命令應該使用103規約中規定的問答式傳輸方式，數據使用09報文（二級數據報文）進行傳送。

投切電抗器命令的傳送：AVC控制命令下發到元電的AVC控制裝置后，AVC控制裝置將會判斷此命令是何種命令，若是投切電抗器的命令，則會生成一個投切電抗器的命令，通過串口發回給元電改造后的監控系統，由監控系統來負責完成電抗器的投切動作。

3 結語

元寶山發電廠AVC系統實現后可完全代替現場運行人員按照220kV及以上母線電壓曲線手動調節發電機勵磁系統的工作，接收東北電網調度中心AVC控制系統傳送的總無功功率或高壓母線電壓目標值，同時考慮機組進相運行能力、低勵限制、定子及轉子電流、廠用電壓、功角及無功備用等約束條件，將總無功功率合理分配給每臺機組，發出增減勵磁指令由勵磁系統調節機組無功功率。該系統自2010年底投入運行后，AVC 在發電廠的應用達到了預期的效果，減少了區域間的無功竄動，減少了線損、機組進相運行時間，輸出電壓波動幅度小，電壓合格率達到100%。電壓調節控制過程平滑、穩定，應用達到了預期的效果。

參考文獻

[1] 呂春泉.實現電網AVC的幾個關鍵問題的探討[D].山東大學，2007.

[2] 胡偉，盧強，梅生偉，等.混成自動電壓控制及其在東北電網的應用[C]//中國電機工程學會、中國電機工程學會電工數學專業委員會.“電力大系統災變防治和經濟運行重大課題”部分專題暨第九屆全國電工數學學術年會論文集.中國電機工程學會、中國電機工程學會電工數學專業委員會.2003：7.

[3] 胡偉，梅生偉，盧強，等.東北電網混雜自動電壓控制的研究[J].電力系統自動化，2004，（1）：69-73.

[4] 李劍峰，張婷婷.東北電網無功電壓多層協調控制研究[J].東北電力技術，2013（8）：3-7.endprint