水電廠在線自動電壓控制及其對策

【摘要】水電廠一般距離負荷中心比較遠，正是這種遠距離輸電方式使得電網(wǎng)電壓無功的情況比較明顯，因此，如何有效實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)在線自動電壓控制成為人們關(guān)注的焦點。本文主要從水電廠在線自動電壓控制系統(tǒng)工作的基本原理入手，重點對區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)電壓無功情況、區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)電壓和無功控制系統(tǒng)的可靠性及安全性要求進行了分析和闡述，并有針對性地提出了一系列解決措施，以供同行參考。

【關(guān)鍵詞】水電廠；在線；自動；電壓控制系統(tǒng)

1、引言

就目前而言，水電廠電壓無功問題十分突出，如何有效實現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的在線自動電壓控制（AVC）受到了普遍關(guān)注。一般來說，水力發(fā)電廠均遠離負荷中心，且在整個電力系統(tǒng)中起到調(diào)峰、調(diào)頻的功用，這種周期性負荷變化極易導(dǎo)致系統(tǒng)電壓出現(xiàn)變化，部分超高壓線路能夠周期性承受輕載、滿載、空載或者反向輸電等相關(guān)狀態(tài)。此時超高壓線路中會周期性有過剩或缺少無功功率的情況出現(xiàn)，致使電網(wǎng)中的電壓周期性出現(xiàn)起伏變化，無功也無法實現(xiàn)就地平衡。在實際應(yīng)用過程中，很多電廠都裝置了自動勵磁調(diào)節(jié)器，且依據(jù)恒定機端電壓的方式在運行，只有很少一部分電廠開始了離線按母線電壓曲線運行的方式。所以，當(dāng)前水電廠需要一種自動電壓與無功控制系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)，對發(fā)電機機端電壓以及輸出無功功率進行調(diào)整，為整個系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和無功平衡打下堅實基礎(chǔ)。

2、基本原理

眾所周知，電網(wǎng)電壓水平與無功功率密切相連，相輔相成。為增強電力系統(tǒng)電壓的可靠性和穩(wěn)定性，可以使用發(fā)電機無功功率調(diào)節(jié)、調(diào)相機無功功率調(diào)節(jié)、無功功率自動補償、變壓器有載調(diào)壓、電網(wǎng)運行方式調(diào)整、以及自動低壓減負荷等相關(guān)的控制方式。近年來，電力系統(tǒng)逐步朝著大電網(wǎng)互聯(lián)、大機組發(fā)電的方向發(fā)展，簡單的電壓控制方案已經(jīng)無法對電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性予以有效維護，也無法對無功電壓自動控制系統(tǒng)進行及時調(diào)節(jié)，所以，很多水電廠開始應(yīng)用電網(wǎng)自動電壓控制系統(tǒng)，并運用閉環(huán)控制原理，有效達到電壓優(yōu)質(zhì)以及網(wǎng)損最小的目標(biāo)。

2.1 無功電壓自動控制

作為電力系統(tǒng)的一項重要技術(shù)，無功電壓自動控制能夠?qū)σ蛳到y(tǒng)電壓波動導(dǎo)致的停電事故發(fā)生頻率起到一定的降低作用，大大提升了電氣設(shè)備運行的安全性以及電網(wǎng)供電質(zhì)量，明顯減少因事故造成的經(jīng)濟損失，減輕值班人員工作壓力，為確保電網(wǎng)運行的可靠性與穩(wěn)定性打下堅實基礎(chǔ)。水電廠在線自動控制系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)電壓自動控制系統(tǒng)流程

基本原理：第一，調(diào)控中心從電力系統(tǒng)獲取遙信以及遙測數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容主要有節(jié)點電壓、保護及斷路器的實際動作狀態(tài)、支路功率等數(shù)據(jù)信息；第二，將這部分基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有效傳輸?shù)綗o功電壓自動控制系統(tǒng)中，通過對優(yōu)化技術(shù)的使用來尋求最優(yōu)解，并對方案加以優(yōu)化，同時將經(jīng)過計算得出的系統(tǒng)無功潮流以及相關(guān)節(jié)點電壓等傳輸?shù)较到y(tǒng)中，運用遙控、遙調(diào)全面實現(xiàn)對電力系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。

2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

在實際應(yīng)用過程中，可以使用閉環(huán)控制系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓進行監(jiān)測。在閉環(huán)控制系統(tǒng)中，即便是有干擾因素存在，其也能夠通過自身的調(diào)節(jié)作用來保持穩(wěn)定。運用閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢在于能夠充分發(fā)揮反饋的重要作用，并對相關(guān)不確定因素加以排除，使得校正行動更加有力、更加準(zhǔn)確，但預(yù)防性較差。

3、區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)電壓無功情況概述

首先來對各類無功可控設(shè)備進行分析，它們的特點及控制能力存在較大差異，在實際操作過程中，如果僅僅依靠數(shù)學(xué)手段來對復(fù)雜的實際因素進行協(xié)調(diào)非常困難，具體可以運用無功可控設(shè)備特點以及其相關(guān)的調(diào)節(jié)性能，對各類可控設(shè)備的功用加以規(guī)定，從而對其行為加以協(xié)調(diào)。通常情況下，常見無功可控設(shè)備主要分為以下幾種情況：一是發(fā)電機或者調(diào)相機，主要作為系統(tǒng)中的重要無功源而存在，其能夠?qū)ο到y(tǒng)中無功電壓的擾動予以及時、快速響應(yīng)；二是并聯(lián)電容器，主要作為一種重要無功補償設(shè)備而存在，其有一定的投切次數(shù)約束，通過一定投切補償來確保各個區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電機的無功裕度，有效提升了電壓的安全性；三是變壓器有載調(diào)壓分接頭，其主要作為系統(tǒng)中調(diào)壓設(shè)備而存在，具有一定的調(diào)節(jié)次數(shù)約束。

4、區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)電壓和無功控制系統(tǒng)的可靠性及安全性要求

在整個區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)，水電廠AVC以及最優(yōu)無功控制應(yīng)該從區(qū)域全局的安全約束下采用分散式的控制模式。在實際操作過程中，必須對電力系統(tǒng)的可靠性與安全性加以考慮，具體來說，其安全可靠性要求可以表現(xiàn)為以下幾個方面：第一，在通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障的狀況下，整個控制系統(tǒng)不得對任何電力設(shè)備造成威脅或者惡化電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)；第二，在具體調(diào)節(jié)過程中，發(fā)電機組需要在可監(jiān)測和控制的條件下進行工作，確保各項操作與安全規(guī)定相符；第三，在中心計算機的指導(dǎo)下，控制系統(tǒng)具有電壓和最優(yōu)無功控制的功能，在中心計算機出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)仍然具有電壓和最優(yōu)無功控制等一系列功能；第四，控制系統(tǒng)可以選擇時間較長的周期，以便快速消除自動電壓調(diào)整帶來的影響；第五，在通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，控制系統(tǒng)仍然具備電壓控制等功能；第六，在電力系統(tǒng)模型精度處于較低狀態(tài)時，控制系統(tǒng)不能對電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)予以惡化。

5、改善對策

從大量實踐中可以看出，要求電廠與調(diào)度中心之間具有可靠、穩(wěn)定的通信通道，這就需要通信協(xié)議雙方予以共同制定。實際控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)詳見圖2。

作為一個完全分散的系統(tǒng)，控制系統(tǒng)主要包括電網(wǎng)調(diào)度中心控制計算機系統(tǒng)（EMS）和分布式智能自動電壓控制器（AVC）。每座水電站監(jiān)控系統(tǒng)的AVC模塊都能夠?qū)Ρ緟^(qū)域的系統(tǒng)狀態(tài)進行分析，從而對發(fā)電機組的命令執(zhí)行情況加以確定。一旦電網(wǎng)調(diào)度中心的通信系統(tǒng)或者控制計算機出現(xiàn)故障，那么水電站監(jiān)控系統(tǒng)的AVC模塊則可以發(fā)揮大部分功能。具體來說，水電站監(jiān)控系統(tǒng)的AVC模塊具有對最優(yōu)系統(tǒng)狀態(tài)值進行分析和計算的功能。控制系統(tǒng)不會完全依賴計算分析結(jié)果，但也會將計算結(jié)果當(dāng)做一個期望值，并在條件允許的情況盡可能接近期望值。

水電廠機組的無功調(diào)節(jié)范圍主要受定子電流、勵磁電流、機端電壓、進相運行允許值的限制，其范圍是動態(tài)變化的，隨有功負荷的變化，其無功調(diào)節(jié)范圍也將發(fā)生變化。在目前廣泛使用AGC進行有功負荷自動分配的情況下，必須考慮AGC和AVC的協(xié)調(diào)運行，即考慮AGC有功出力分配的電壓安全穩(wěn)定協(xié)調(diào)控制策略，使AVC無功分配隨機組有功變化不斷進行優(yōu)化，避免有功負荷變化后，無功不能隨之變化導(dǎo)致低勵限制頻繁動作，AVC自動退出的情況，從而保證良好的電壓動態(tài)品質(zhì)和電壓穩(wěn)定裕度。

在實際應(yīng)用過程中，控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以分為以下幾個步驟：第一，選擇一個具有進相能力和就地AVC功能的水電廠來作為基本的控制對象。以某水電廠為例，其AVC系統(tǒng)主要采用的是2Mbk/s微波通道與電網(wǎng)調(diào)度中心的通信管理服務(wù)器進行連接，從而有效實現(xiàn)了與EMS的通信。其中，廠級AVC系統(tǒng)能夠?qū)Ρ緩S站各電壓母線的電壓、無功設(shè)備輸出無功出力以及各線路的潮流情況進行采集，并經(jīng)由遠動通信將數(shù)據(jù)有效傳輸給電網(wǎng)調(diào)度中心EMS。同時，在電網(wǎng)全局約束下，EMS能夠?qū)δ繕?biāo)電壓控制值進行計算，并對中心點電壓、無功出力以及要求控制的電壓值的差進行比較，如果在誤差范圍內(nèi)，則使用閉環(huán)控制系統(tǒng)。如果差值比較大，則需要進一步調(diào)整，并由EMS下發(fā)命令。一般來說，控制周期為三十分鐘，當(dāng)無功出力和電壓均滿足要求時，可以完成電壓、無功的閉環(huán)控制。

以某水電站為例，其在枯水期小方式下的高電壓問題比較嚴重，尤其是深夜低谷調(diào)壓問題十分突出。在采用上述的控制模式下，可以運用當(dāng)前一部分發(fā)電機由遲相運行逐步向進相運行，從而能夠?qū)^剩的無功功率予以吸收，不僅能夠減輕該工況時運行人員工作壓力，還能確保電壓品質(zhì)和電網(wǎng)的可靠性。

6、結(jié)語

總而言之，整個電網(wǎng)的AVC系統(tǒng)在運行過程中還有許多問題存在，本文主要對適合處于遠離負荷中心的水電廠在線電壓和最優(yōu)無功控制系統(tǒng)進行了分析和探討，并有針對性地提出了一系列改善策略，對明顯改善電壓品質(zhì)，降低電網(wǎng)損耗有著重要的現(xiàn)實意義。

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作者簡介：尚廣強，（1981-）男，工程師，本科，主要從事水電廠發(fā)電運行工作。