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。针对现有的无AVC功能的励磁系统，通过分散控制系统（DCS）中的软硬件，接受电网调度能量管理系统（EMS）来的电压指令实现相关的调节逻辑，输出脉冲指令来增减励磁电流，改变发电机无功，从而实现电网自动电压控制。这一方法不仅有效降低电网电压波动幅度和频率，而且简单实用、节约成本，减轻了操作强度。
关键词：自动电压控制 分散控制系统 远动装置 励磁
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
电力系统向大机组、大电网、高电压和远距离输电发展，给电力系统安全运行带来一些新问题，其中之一就是电压崩溃恶性事故。电力系统对电网中的电源品质要求越来越高，因此对电力的频率、电压等波动要求越来越严格，从而对电压稳定性的研究具有重要意义。1-3某发电厂300MW发电机组为东方电机厂生产，型号为QFSN-300-2-20。于1997年投产，以前未设计AVC（Automatic Voltage Control）调节装置。为了在不增加成本的同时满足用户对电源质量的要求，利用DCS（Distributed Control System）中现有的软件和硬件实现AVC调节功能是可行的，经过运行检验，这一方法具有很好的效果。
该300MW机组热工控制采用Infi-90 DCS系统，发电机励磁调节器采用ABB生产的UNITROL-F系列双通道微机励磁调节器，硬件型号为AFT-O/C7P3-D300，目前运行情况良好。虽然其具有对外数据接口，但AVC功能没有应用先例，目前仍然以开关量的方式来增减磁。如果利用RTU(远动装置)接受EMS(能源管理系统)发来的AVC电压指令，热工DCS系统作为数据采集和处理的平台，原有的励磁调节器仅作为最终的执行元件，就可以实现调节励磁系统励磁电流，改变发电机的无功，使发电机电压与EMS发来的AVC指令相符，最终实现电网电压的调节。这一方案需要更换部分原有的数据采集变送器，还要增加DCS系统的数据处理和执行模件。DCS系统本身有可靠性高的优点，并具备与励磁调节器纯干接点强电接口功能，抗干扰能力强。
1 AVC的设计原理和工作方式
1.1 AVC 工作原理
电网调度中心强调AVC需以系统母线电压作为发动机励磁调节的目标，而实际运行中，发电厂则通过调节发电机出口电压来间接实现母线电压的控制。在并网运行中，发电机电压与系统母线电压间并没有线性关系，所以在执行电压目标追踪过程中，只好采用逐次逼近，大闭环调节的方法，即励磁调节器对发电机端电压实现小闭环调节，而AVC通过调节励磁调节器的给定对母线电压实现大闭环调节。
AVC程序可以工作在“遥控/REMOTE”和“就地/LOCAL”两种方式，允许通过软件开关进行切换。当AVC程序置于遥控方式时，电压调整的目标值按中调AVC自动下达的指定值执行，如发生远传通道故障或有调度口头命令后，可以将遥控方式人工切换为就地方式。由于就地方式目标值可以继续跟踪远方原先下达的指令值，所以切换时不会出现电压波动。切换后，运行人员可以按调令设置新的目标值，也可以继续按原来的目标值运行。
为确保机组运行的平稳和安全，AVC采取了几道预防措施，当用于判别和限制的模拟量采样出现错误时， AVC将保持当前目标值并自动退出运行，发出警告信号，在处理后可以人工再次投入。当新的指令值超出AVC调整范围或者与当前目标值比较出现较大波动时，新的指令值将不被接受，仍将保持原目标值不变。
此外，AVC程序可以通过软件开关实现“投入”和“退出”的操作，为便于调试，还设置有控制最终输出到调节级的硬操作“投入”和“退出”开关。
控制逻辑图及DCS组态图分别见图1（Fig.1）和图2（Fig.2）。
1.2 AVC工作方式及实现
1.2.1 数据采集部分
通过RTU与中调的通信通道，接受来自调度的“电压指令值”和“指令有效信号”,并在RTU中将“电压指令值”转换为4-20mA模拟信号，将“指令有效信号”转换为开关量信号。利用远动装置及热工DCS系统与RTU的接口，将实时“电压指令值”4-20mA模拟信号和“指令有效信号”开关量读入DCS中。同时读入DCS的还有发电机组当前的运行参数，如本地与调节有关的发电机端电压、220kV母线电压、发电机定子电流、转子电流、励磁调节器输出电流、发电机无功、发电机有功等，以及与调节有关的一些约束条件，如端电压限制、定子电流限制等等。当完成所需模拟量数据的采集后，DCS系统就进入判断和执行程序。
1.2.2 遥控和就地方式
投入AVC程序后，若程序检测没有出现将AVC程序强制退出的信号，则程序开始运行，并进一步检测运行方式。当程序运行于遥控方式时，读入远方指令值UZ，同时判断指令值是否在允许范围，与当前运行的目标指令的差值是否过大，以及“指令有效信号”是否“有效”。如果以上条件满足，则判断为“UZ有效”，允许将新的指令值设置为当前目标值。为防止运行电压变化频繁，造成励磁调节器过度调节，考虑两次采集远方指令值有一个最短时限要求，即实际上是每10秒钟采入一次新值作为目标值。这一延时可以根据需要加以调整），利用定时触发器予以解决。
电压的任何调节只有在“UZ有效”时才开放，当运行于就地方式时，指令有效信号自动生成，运行人员根据调度命令手动设定目标值，其余与遥控方式完全相同。
1.2.3 升电压过程的判断和限制
在下发升压脉冲之前，还需要进一步检查相关的约束是否满足，例如发电机端电压限制、发电机转子电流限制、交流励磁机励磁电流的限制、定子电流的限制等。主要约束条件具有冗余，例如发电机转子电流限制，交流励磁机励磁电流的限制这两个条件，虽然取自不同位置，但都能反映发电机励磁水平。任何一个测量不准或者测量回路断线，都不会导致增减磁失去限制。此外，在升压过程中如果系统无功缺额大，仍有可能在机端电压上升不多的情况下，发电机无功变化很快，因此在无功变化速率超过预期时，将终止本次升压操作。
考虑到发电机并网前，发电机增磁对母线电压无影响，此时应限制AVC进行调压，以避免开环调节时发电机运行于过电压，因此增设发电机各相电流不小于500A这一操作闭锁条件，作为判断发电机是否并网的判据。
在以上条件都满足时，则发出增磁脉冲，驱动增磁继电器增磁。任一条件不满足，发出禁止增磁警告信号并直接送中调。在驱动增磁的同时启动10秒计时器，10秒计时结束后才允许接受下一次的增磁命令。
1.2.4 降电压过程中的判断和限制
降电压逻辑与升电压逻辑基本相同。在“UZ有效”的情况下，将目标电压UZ与母线电压Um进行比较，当UZ － Um ＝ΔU ＜0时，判断为降电压，按照逐次逼近方法计算得到降压操作脉冲宽度同公式（1）。
发电机进行降电压的允许条件为发电机端电压，母线电压不低于预设的下限值。为防止失磁，增设发电机转子电流应大于轻载（180MW）最小励磁电流和进相限制两个互为冗余的失磁闭锁条件。
在以上条件都满足时，发出减磁脉冲，驱动减磁继电器减磁。任一条件不满足，也发出禁止减磁警告信号并直接发送中调。在驱动减磁同时启动10秒计时器，10秒计时结束后才允许接受下一次的减磁命令。
1.3 应对异常情况的措施
1）模件硬件故障。模拟量和开关量采样回路的故障可以通过自检发现，检出故障立刻强制退出程序运行，同时发出本地“AVC故障退出”信号，并向中调发送“AVC停止运行”信号。在此过程中，程序自行保持当前运行值不变。当出现这类情况时，应由维护人员排除故障后，才能再次投入。
2）远方电压指令值不合格。通过设定条件比较可以检出，此时程序将保持当前目标值不变，直到远方指令电压合格后，程序自动按远方电压指令执行。
3）达到任何限制条件时，程序驱动“禁止增”或者“禁止减”继电器，同时将向远方发送“禁止增”或者“禁止减”信号。继电器常闭触点串联在增减磁回路中，动作后立刻终止操作。正常时继电器常闭触点闭合，不参与操作，触点不易损坏，万一增减磁继电器触点卡死，达到限制条件后将由“禁止增”或者“禁止减”继电器触点断开增减磁回路，保证不发生过压或者失磁现象。
4）为便于在AVC出现异常的情况下进行人工干预，增加了调节器增减磁操作时自动退出AVC的功能。
5）为防止增减磁中间继电器触点粘住导致连续增减磁从而造成过压或者失磁，增加了连续增减磁时间超过1.5秒自动退出的功能，1.5秒内不会对发电机电压造成明显的影响。
6）如果禁止增减磁失效，当机端电压或者机组无功超出机组允许范围时，将自动退出AVC功能。
7）为防止测量偏差导致误调节，应取消原来的两个额定负载为250Ω的送入热控数据采集系统（DAS）和调度的线路电压变送器，改为一个额定负载500Ω的变送器同时供这两个测量回路，以确保测量值一致。
2 运行情况及效果
该自动电压控制系统于2004年11月8日与调度中心联调，通过近3年的运行调试，AVC达到了设计要求：1、减少了电网区域间的无功窜动，降低了线损；2、电压波动幅度小，电压合格率达到100%；3、减少运行人员的操作量，减轻了劳动强度。
从系统电压的时域图可以明显看到投运AVC前后，电压稳定的效果。
通过对图3和图4的对比分析得到以下结论：1、未投AVC调节时系统线路电压波动约为2KV，投运AVC后系统线路电压明显减小，仅为1KV，波动幅值相应减小50%，2、投运AVC后的系统线路电压波动的频率明显减小，提高了供电电压品质。
3 结论
利用DCS系统硬件和软件，适当改动、添加少量数据处理和执行模件就可以实现发电厂侧电网电压自动控制（AVC），技术改造成本很低。同时开发了DCS中发电机控制部分的功能。AVC系统的投运，能够确保电压波动幅度减小，使电压合格率达到100%；减少无功窜动降低线损；减轻操作员劳动强度。
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作者简介：
彭荣辉（1975~），男，湖南邵阳人，工程师，本科，主要从事热工控制技术工作。Email：steven5725@tom.com，办公电话：0732-5203182．
