火力發電廠AVC系統保護功能的實施策略

易 江 何浩波 張備建 楊杰欽

（1.貴州省習水鼎泰能源開發有限責任公司 2.上海惠安系統控制有限公司）

0 引言

自動電壓控制（AVC）系統，通過實時監測系統電壓和機組無功，自動調節控制運行發電機組，進行無功-電壓優化閉環運行，實現系統電壓合格及無功功率合理分配［1-3］。系統電壓與發電機組機端電壓成近似的線性關系，而機端電壓隨其無功出力變化，無功出力又受其勵磁電流的影響。AVC通過動態調節勵磁調節器的電壓給定值來控制發電機的機端電壓，從而實現發電廠電壓無功自動調控的目的，如圖1所示。

圖1 勵磁電壓與母線電壓的關系圖

1 系統構成

自動電壓控制（AVC）系統，主要由主站AVC系統、子站AVC系統、通信通道等組成［4-5］，如圖2所示。主站AVC系統安裝在調度側，用于實時監測系統電壓和系統無功運行情況，完成AVC系統計算分析及下發控制調節指令等功能，同時接受AVC系統子站設備的反饋信息。子站AVC系統安裝在電廠側，接受并執行調度側控制指令等功能，通過調節機組無功出力，及時調節系統電壓，并反饋相關信息至AVC系統主站。通信通道基于調度數據網，實現主站AVC系統和子站AVC系統的通信及數據傳輸。

圖2 AVC系統構成

2 AVC系統保護試驗

由于AVC系統保護試驗涉及面廣，關系到系統的安全穩定運行，必須成立由調度中心和電廠組成試驗的領導和工作小組，以加強對整個試驗過程的協調和管理，確保試驗過程中機組和電網的安全穩定。

2.1 試驗目的

結合電廠機電設備運行的實際情況和發電機運行參數及機組保護和自動裝置限制值整定，作為試驗驗證范圍，根據整定定值逐一驗證，并詳細記錄試驗過程和試驗數據。驗證AVC系統能夠根據實時指令，正確、及時地將系統母線電壓控制在目標范圍內，驗證保護策略的全面性、響應正確性。

2.2 試驗條件

（1）參加調試的各機組運行正常，機組負荷大于30%PE；

（2）參加調試的各機組勵磁系統運行正常；

（3）AVC系統與電廠設備連接正確；

（4）子站系統軟硬件安裝完畢，軟件模擬測試功能正確；

2.3 試驗準備

（1）檢查子站系統有關的畫面、數據庫、參數修改已經完成；

（2）熟悉AVC系統的運行方式和工作流程，掌握AVC投退流程；

（3）計算機監控系統顯示關鍵數據，如機端電壓、機端電流，勵磁電流、勵磁電流、開關站母線電壓、廠用電壓等進行校核，保證監控參數的準確性；

（4）參加試驗人員和運行人員熟悉試驗方案，了解試驗步驟，對試驗過程中的關鍵控制環節能夠采取有效的控制措施。

3 AVC系統保護策略

AVC系統的運行，必須在保障電廠設備安全的前提下，進一步發揮AVC系統的優勢，避免系統的誤控、不控等異常情況。所以實施AVC系統保護功能，顯得尤為重要。

3.1 整定AVC保護定值

發電機出線端處的標準額定功率因數一般為過勵0.8、0.85、0.9，根據制造廠商發電機運行容量曲線P-Q圖及該功率因數確定AVC系統控制機組滯相范圍。根據制造廠商發電機運行容量曲線P-Q圖及發電機進相運行試驗報告，同時參考調控中心對電廠進相運行管理規定，確定AVC系統控制機組調節進相范圍，如圖3所示。

圖3 機組進相范圍整定

同時，AVC系統控制過程中，合理整定AVC運行定值，是非常重要的一個環節，是保障機組安全和電網穩定的基礎。涉及系統母線電壓、機端電壓、廠用母線電壓、機組無功是必須進行設置，并嚴格計算整定。根據現場實際調節，可將勵磁電壓、勵磁電流、380V母線電壓作為AVC系統控制的可選保護條件。

3.2 AVC系統與DCS系統調節互鎖

AVC系統調節過程中，需要實現AVC自動調節勵磁和DCS手動調節勵磁的唯一性，避免多方控制，出現重復調節、反復調節、超調等異常現象。所以DCS側必須實現互鎖邏輯閉鎖控制，并建立AVC系統與DCS之間的信息交互，如圖4所示。

圖4 AVC與DCS信息交互

DCS側互鎖邏輯功能實施要求如下：

當DCS側檢測勵磁開關為合位，并操作DCS畫面上的“允許”按鈕時，DCS發送允許信號為1至AVC系統；當DCS側監測勵磁開關為分位，或操作DCS畫面上的“禁止”按鈕時，DCS發允許信號為0至AVC系統。

當機組DCS接收到機組“AVC投退”信號為1時，閉鎖機組DCS畫面上的手動增、減磁控制按鈕；當機組DCS接收到機組“AVC投退”信號為0時， DCS按照原有手動方式調節。

當機組“AVC投退”與機組“AVC增磁”條件同時成立時，DCS輸出增磁至AVR，增磁脈寬為固定脈寬寬度，或等同于接收到AVC增磁脈沖寬度。

當機組“AVC投退”與機組“AVC減磁” 條件同時成立時，DCS輸出減磁至AVR，減磁脈寬為固定脈寬寬度，或等同于接收到AVC減磁脈沖寬度。

3.3 AVC系統脈寬整定

AVC系統控制輸出方式分為：脈沖調節、脈寬調節和模擬量調節。對于采用脈沖調節、脈寬調節的機組，由專用AVC控制輸出板將模擬量轉換為脈沖或脈寬方式調節勵磁調節器。對于需要模擬量調節的機組，通過數模轉換，將AVC調節指令（數值）輸出4～20mA模擬量進行調節，目前多采用固定脈沖或可變脈寬方式。

為保證AVC系統快速響應、并實現穩定控制，必須對AVC系統輸出脈寬進行整定。AVC系統控制出口一般采用可變脈寬或固定脈寬方式，由于國內勵磁調節器多數采用恒壓方式，所以密切關注機端電壓的變化范圍，合理整定脈寬大小與機端電壓的變化關系，即能保證快速響應調節，又能避免或減少超調現象，達到快速、穩定調節控制。

3.4 AVC系統數據異常自動退出

當出現勵磁系統異常或故障等情況時，影響電廠機組安全運行，需實現AVC系統自動退出功能。當發電機正常停機或事故停機時，無需參與AVC系統調節，同樣也需要實現AVC自動退出功能。當出現涉及影響電網穩定、機組安全運行等緊急情況時，可手動退出AVC控制，避免事故范圍的擴大。

3.5 AVC系統數據異常停止調節

AVC系統運行過程中，實時監視系統母線電壓、發電機有功功率、發電機無功功率、發電機定子電壓、廠用母線電壓、勵磁電壓、勵磁電流等AVC系統相關重要數據，當數據長時間不刷新、或數據質量標志位異常，需要實現AVC系統停止調節功能，避免AVC系統無法監測到真實數據出現誤控，影響設備安全。當相關重要數據恢復后，AVC系統能自動恢復控制。

AVC系統控制過程中，由于系統擾動、廠站端大型設備啟停等原因造成無功、電壓等量測的突變，可能出現反調現象。當出現反調現象時，AVC系統能立即告警響應，并停止調節，避免繼續調節，影響電網穩定、機組設備安全。

3.6 AVC系統單向閉鎖保護

當出現系統母線電壓、發電機無功功率、發電機定子電壓、廠用母線電壓、勵磁電壓、勵磁電流、380V母線電壓等AVC系統相關重要數據，超過設置定值時，AVC系統必須即能保證設備安全，又能繼續有效控制。即當實測越設置上限定值時，AVC系統停止執行增磁命令，但可繼續執行減磁命令。當實測越設置下限定值時，AVC系統停止執行減磁命令，但可繼續執行增磁命令。

勵磁調節器過勵、欠勵信號也是非常關鍵的運行參數，當過勵時，AVC系統停止執行增磁命令，但可繼續執行減磁命令，當欠勵時，AVC系統停止執行減磁命令，但可繼續執行增磁命令。

3.7 AVC系統反拉功能

當出現發電機無功、發電機定子電壓、廠用母線電壓、380V母線電壓等AVC系統相關重要數據越限時，由于系統影響及勵磁恒壓方式的運行，這些重要數據可能出現進一步超限運行，影響機組運行安全。所以需要實現AVC系統對重要數據的反拉功能，并合理設置反拉定值及反拉結束定值，將數據反拉到可控范圍內，同時需要實現反拉數據的雙向閉鎖定值，避免數據異常造成異常反拉，保障設備安全和機組安全穩定運行。由于系統母線電壓為某一區域電網運行工況，不建議實現系統母線電壓的反拉功能，避免通過調節某臺機組，影響系統穩定運行。

實現重要數據的反拉功能時，反拉定值設置需要遵循如下原則：

雙邊閉鎖上限值>反拉上限值>反拉上限結束值>單邊閉鎖上限值

雙邊閉鎖下限值>反拉下限值>反拉下限結束值>單邊閉鎖下限值

由于發電機無功根據發電機有功的變化，滯相定值和進相定值跟隨變動，無功反拉定值及無功雙邊閉鎖定值需要具備自動計算功能，并遵循反拉定值設置原則。

反拉功能設置定值舉例，如發電機定子電壓額定運行參數為20kV，單向閉鎖上限為21kV，單向閉鎖下限為19kV，設置反拉上限為21.2kV，反拉至21.1kV，設置反拉下限為18.8kV，反拉至18.9kV，雙向閉鎖上限22.2kV，雙向閉鎖下限17.8kV，統計表如表1所示。

表1 反拉功能設置定值表

3.8 控制繼電器粘連防護

當AVC系統控制繼電器出現粘連，且勵磁調節器無過濾有效脈沖保護時，極易出現機組異常停機等重大事故。所以防止繼電器粘連，可采用雙控制板串聯輸出，將概率降低一般，如圖5所示。同時，需要采用合格的繼電器，統計繼電器的動作次數，達到壽命年限，定期更換。

圖5 雙控制板接線圖

3.9 機組無功調節無效性判別

AVC系統運行過程中，可能會出現AVC系統控制板故障、硬接線通道故障、或控制勵磁調節器的出口繼電器故障等原因，導致機組無功始終無法調節到位，AVC系統需要具備機組無功調節無效個數統計。當調節無效個數達到限值時，AVC系統實現自動告警提醒功能或自動退出AVC功能，提醒運維人員及時發現并查清故障，盡快恢復AVC系統正常運行。

3.10 指令有效性判別

AVC系統需支持多種指令類型控制，常用的控制指令類型包括系統電壓絕對值方式、電壓增量編碼值方式、全廠總無功方式、單機無功方式等。當系統電壓指令（或無功指令）越限值、越最大調節步長時，AVC系統具備對有效指令識別功能，對正確指令立即執行，對非法指令拒絕執行功能。

3.11 本地計劃曲線控制功能

AVC系統具備288點本地計劃曲線控制功能，或帶寬控制功能，滿足不同調度機構對本地方式控制的要求。當運行在本地計劃曲線方式時，AVC系統每5min自動更新電壓控制指令。當運行在本地帶寬方式時，軟件自動識別有效的可控上限曲線和下限曲線，當系統電壓運行在限值以內，AVC停止對勵磁系統的控制，當系統電壓超過限值，立即進行有效控制，將系統電壓反拉至限值內。

3.12 遠方指令不更新判斷處理

AVC系統運行過程中，可能出現調度指令長時間不更新，一般設置判斷時間15min。若調度要求，當子站AVC系統長時間未收到調度的合法指令時，需自動切換到AVC就地方式運行。所以需合理設置AVC就地曲線、控制上限曲線、控制下限曲線，并定期維護，避免指令異常時，進行無效控制。

3.13 雙控主機的運行處理

無論一體化AVC系統配置或獨立AVC系統配置，目前趨勢都是采用雙主機運行，但需要實現只有其中一臺為主控主機，將指令發給AVC系統控制模塊，避免雙主機同時將控制指令下發，出現重復調節、超調等異常現象，造成系統電壓波動。

4 結束語

經過現場實施與設計經驗表明：AVC系統在電網運行中發揮著顯著作用，為保證AVC系統穩定、可靠運行，積極發揮AVC系統在電網中的作用，在實施AVC系統保護時必須采取可靠措施，值得我們不斷的探討與研究。