自动电压控制系统在元宝山发电厂中的应用

王铁军

摘 要：自动电压控制（AVC）是电网安全、优质和经济运行的重要手段，也是大型电网运行管理的必然趋势。该文结合“东北500 kv电网混成自动电压控制（HAVC）系统”项目中元宝山电厂电压、无功控制系统改造工程所取得的建设成果，介绍了自动电压无功调控系统AVC控制的必要性，从自控系统平台建设、设备改造、数据通讯管理等方面，解析了发电厂侧电压、无功控制系统（AVC）的控制基本原理，提出并实施了电厂自动控制方案。自电厂完成自控改造以来，电厂入网电压调节控制过程平稳，应用达到了预期的效果。

关键词：自动电压控制 混成自动电压控制 无功控制 数据传输

中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）12（a）-0083-02

近年来国际上几次重大的电网事故如美加大停电，都有无功电压的问题造成电压崩溃，致使电网瘫痪。随着大功率发电机组的投运和超高压电网的形成，电压指标的重要性也日益突出，无功电压自动控制技术越来越引起重视。有效的无功与电压控制不仅可提高电网的电能质量，增强电力系统运行的安全稳定性，而且能降低网损，充分发挥电网的经济效益。因此电压不仅是电网电能质量的一项重要指标，而且是保证电网安全稳定和经济运行的重要因素。大电网自动电压控制（AVC）[1-2]技术可实现全局多目标优化闭环控制，得到了国内外科研人员及运行管理人员的高度重视，现已在国内主要电网运行控制中得到应用，但是必须注意的是建立一套完善的自动电压控制系统是一项复杂的工程，而且在电站运行控制中也存在诸多问题，这些问题仍需要研究人员、工程技术人员结合设备多样性的区别、区域运行需要以及时段性控制要求对AVC系统进行开发、调试，以满足电力市场的需求。本文以元宝山发电厂自动电压控制系统的开发以及运用为工程背景，基于电厂自动电压控制系统的开发与维护技术解析了电厂自动技术措施以及相关控制指标，为类似工程的建设提供技术参考。

1 发电厂分散管理模式的弊端

元宝山发电有限责任公司是东北电网骨干火力发电厂之一，目前拥有装机容2100 MW，其中#1机组装机容量为300 MW，#2、#3、#4机组装机容量均为600 MW，自电站建成以来已经安全运行30余年。在“东北500 kV电网混成自动电压/无功控制（AVC）”项目实施前，网络调度对电厂无功电压的管理考核方式主要是由调度中心按照高峰、平谷和低谷等不同时段划分母线电压控制范围，按季度向各发电厂下达曲线指标，电厂技术人员则根据曲线要求，实行人工24 h连续监视盘表，及时调节发电机无功出力，以维持母线电压在合格范围内。这种沿用了多年的就地分散控制管理模式，在当前电网结构日益复杂的形势下逐渐暴露出了一些弊端，存在诸多问题如下，

（1）事先给定的电压曲线和无功设备运行计划是离线确定的，并不能反映电网的实际情况，按照这种方式进行调节往往带来安全隐患。

（2）电网运行人员需要时刻监视系统电压无功情况，并进行人工调整，工作强度大，而且往往会造成电网电压波动大。

（3）电厂之间，无功调节对相互母线电压影响大，无功调节矛盾突出。由于各电厂只关注自身母线电压，没有从全局角度协调无功分配，电网无功功率无谓搬运现象突出，经常出现无功环流现象，造成不必要的有功损耗。各厂、站无功电压控制没有进行协调，造成电网运行不经济。

上述问题的存在，既增加机组进相深度，影响机组和电网安全稳定运行，也使网损增加，影响经济性。因此，电厂亟需建设自动电压控制（AVC）系统，从全局对电网无功潮流和发电机组无功功率进行协调控制，实现电厂母线电压和无功功率的自动调控，合理协调电网无功分布，以保证电网安全稳定运行，提高电压质量和减少网损，降低运行人员劳动强度。

2 发电厂自动控制系统改造

2.1 系统改造平台建设

元宝山发电厂并网发电各项技术指标均受到东北电网网络调度控制，因此发电厂的自动控制系统与东北电网的控制系统息息相关。2006年7月东北500 kV电网混成自动电压控制（HAVC）系统投入试运行，该系统一期包括1个主站和3个子站，主站设在东北网调，3个子站分别设在绥中电厂、元宝山电厂和500kV沙岭变电站，在3个子站实现了远方自动闭环调节发电机无功、开环投切低压电抗器和调节变压器分接头，从而实现了电压和无功的自动协调控制。主站AVC软件系统[3-4]将运行于东北电网调度中心的CC-2000系统平台之上，该支撑系统包括数据库系统、人机界面系统、报警系统和报表系统等。AVC系统作为EMS的高级应用，将根据CC-2000提供的系统数据计算系统电压控制指令，并通过CC-2000将指令下达给实际的物理装置。在东北电网调度通信中心实现东北电网静态电压控制功能。东北电网AVC系统主站端的核心软件包括三部分，即AVC核心分析和计算程序，调度自动化支撑平台和操作系统软件。东北电网AVC系统主站端硬件配置使用双机热备用方式运行，即使用一台AVC主站服务器（Alpha DS15）通过网络连接到原有的CC-2000平台中，运行AVC核心软件，加入到CC-2000实时运行环境（RTE）之中，并接受其进程管理。

2.2 电厂自动控制系统改造

（1）原厂电压、无功控制水平

元宝山发电厂现有四台发电机并网运行。#1发电机（300 MW）接入220 kV系统。#2、#3、#4发电机（600 MW）接入500 kV系统。#1、#2发电机采用北京吉思生产的GEC非线性微机励磁控制器，三机静止励磁方式；#3发电机采用电科院研发的WKKL微机励磁控制器，旋转整流无刷励磁方式；#4发电机采用哈电机生产的自并励微机励磁调节器。元宝山电厂原有的调度模式主要以电话调度为主，根据发电机功率圆图和每个季度相应的电压、无功等曲线，手动调节励磁电压，厂内配备有三组低压电抗器。电厂升压站已实现微机监控（NCS），装有远程终端（RTU）及自动发电控制装置（AGC）。endprint

（2）电压、无功控制改造。

根据元宝山电厂现有设备情况和工程技术水平，对电厂自动控制系统进行改造。厂控AVC控制信号通过开通的专用信道（信道为2M带宽）从东北网调下达到元宝山电厂的载波室，载波室再将AVC控制指令和其它信息通过监控系统光纤通道送入元电#2网控室中的监控系统。监控系统将把电厂内的各种测量量和AVC控制指令转发给AVC前置机中的工控机。AVC前置机中的工控机辨识出控制命令后，根据RTU传送的当前各种参数的值判断出命令是否正确，再通过励磁接口器调节相应的励磁机，低压电抗器的调节则通过监控系统来完成。以上所有的参数、参量、控制命令等都将显示在值长室的监控PC机的显示屏上，值长可以详细的了解当前状态和中止控制命令的执行。厂内电压、无功控制系统则根据东北电网电压自动控制工程（AVC工程）的功能要求，按照经远动通道（六路4～20 mA）下达的网调母线电压控制命令来调节发电机输出无功功率，AVC子站通过远动通道返回东北网调五个遥信（AVC子站控制模式、四台机AVC投入、退出状态）；另外每台机送给NCS两个报警遥信（装置故障和越限闭锁）。

（3）运行管理数据传输。

元宝山电厂的AVC系统中主要包括三路数据传输，分别是AVC控制命令从AVC主站通过调度自动化主站和元电改造后的监控系统下发到AVC控制装置中，由元电改造后的监控系统将元电RTU采到的数据送到AVC控制装置中，投切电抗器的命令由AVC控制装置传送到元电改造后的监控系统中。

AVC控制命令的下发：AVC主站服务器生成AVC控制命令后，将这些控制命令存到调度自动化主站的AVC命令数据库中。调度自动化主站读取这些命令数据后，将这些命令数据按照该主站与元电改造后的监控系统（RTU）间的通讯规约（调度自动化主站与目前的元电监控系统间使用的是N4F规约）下发给元电的监控系统收发模块。元电监控系统收发模块收到这些命令数据后，按照命令帧中的设备号来判断此命令是否是发给AVC控制装置的控制命令。目前初步确定的元电改造后监控系统与AVC控制装置间应使用103规约。

RTU数据的传送：元宝山电厂RTU的数据采集模块将各种数据采集到后，将会送给元电监控系统的收发模块，由此模块将这些数据发送给调度自动化主站。对改造后的元电监控系统来说，这个数据收发模块还需要将这些RTU采到的数据发送给AVC装置。目前初步确定的元电改造后监控系统与AVC控制装置间应使用103规约。若最后确定使用103规约，则此控制命令应该使用103规约中规定的问答式传输方式，数据使用09报文（二级数据报文）进行传送。

投切电抗器命令的传送：AVC控制命令下发到元电的AVC控制装置后，AVC控制装置将会判断此命令是何种命令，若是投切电抗器的命令，则会生成一个投切电抗器的命令，通过串口发回给元电改造后的监控系统，由监控系统来负责完成电抗器的投切动作。

3 结语

元宝山发电厂AVC系统实现后可完全代替现场运行人员按照220kV及以上母线电压曲线手动调节发电机励磁系统的工作，接收东北电网调度中心AVC控制系统传送的总无功功率或高压母线电压目标值，同时考虑机组进相运行能力、低励限制、定子及转子电流、厂用电压、功角及无功备用等约束条件，将总无功功率合理分配给每台机组，发出增减励磁指令由励磁系统调节机组无功功率。该系统自2010年底投入运行后，AVC 在发电厂的应用达到了预期的效果，减少了区域间的无功窜动，减少了线损、机组进相运行时间，输出电压波动幅度小，电压合格率达到100%。电压调节控制过程平滑、稳定，应用达到了预期的效果。

参考文献

[1] 吕春泉.实现电网AVC的几个关键问题的探讨[D].山东大学，2007.

[2] 胡伟，卢强，梅生伟，等.混成自动电压控制及其在东北电网的应用[C]//中国电机工程学会、中国电机工程学会电工数学专业委员会.“电力大系统灾变防治和经济运行重大课题”部分专题暨第九届全国电工数学学术年会论文集.中国电机工程学会、中国电机工程学会电工数学专业委员会.2003：7.

[3] 胡伟，梅生伟，卢强，等.东北电网混杂自动电压控制的研究[J].电力系统自动化，2004，（1）：69-73.

[4] 李剑峰，张婷婷.东北电网无功电压多层协调控制研究[J].东北电力技术，2013（8）：3-7.endprint