水電廠在線自動(dòng)電壓控制及其對(duì)策

【摘要】水電廠一般距離負(fù)荷中心比較遠(yuǎn)，正是這種遠(yuǎn)距離輸電方式使得電網(wǎng)電壓無(wú)功的情況比較明顯，因此，如何有效實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)在線自動(dòng)電壓控制成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。本文主要從水電廠在線自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)工作的基本原理入手，重點(diǎn)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)電壓無(wú)功情況、區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)電壓和無(wú)功控制系統(tǒng)的可靠性及安全性要求進(jìn)行了分析和闡述，并有針對(duì)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(dòng)；電壓控制系統(tǒng)

1、引言

就目前而言，水電廠電壓無(wú)功問(wèn)題十分突出，如何有效實(shí)現(xiàn)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的在線自動(dòng)電壓控制（AVC）受到了普遍關(guān)注。一般來(lái)說(shuō)，水力發(fā)電廠均遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，且在整個(gè)電力系統(tǒng)中起到調(diào)峰、調(diào)頻的功用，這種周期性負(fù)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(shí)超高壓線路中會(huì)周期性有過(guò)?；蛉鄙贌o(wú)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(wú)功也無(wú)法實(shí)現(xiàn)就地平衡。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，很多電廠都裝置了自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，且依據(jù)恒定機(jī)端電壓的方式在運(yùn)行，只有很少一部分電廠開(kāi)始了離線按母線電壓曲線運(yùn)行的方式。所以，當(dāng)前水電廠需要一種自動(dòng)電壓與無(wú)功控制系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)狀態(tài)，對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓以及輸出無(wú)功功率進(jìn)行調(diào)整，為整個(gè)系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和無(wú)功平衡打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2、基本原理

眾所周知，電網(wǎng)電壓水平與無(wú)功功率密切相連，相輔相成。為增強(qiáng)電力系統(tǒng)電壓的可靠性和穩(wěn)定性，可以使用發(fā)電機(jī)無(wú)功功率調(diào)節(jié)、調(diào)相機(jī)無(wú)功功率調(diào)節(jié)、無(wú)功功率自動(dòng)補(bǔ)償、變壓器有載調(diào)壓、電網(wǎng)運(yùn)行方式調(diào)整、以及自動(dòng)低壓減負(fù)荷等相關(guān)的控制方式。近年來(lái)，電力系統(tǒng)逐步朝著大電網(wǎng)互聯(lián)、大機(jī)組發(fā)電的方向發(fā)展，簡(jiǎn)單的電壓控制方案已經(jīng)無(wú)法對(duì)電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性予以有效維護(hù)，也無(wú)法對(duì)無(wú)功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行及時(shí)調(diào)節(jié)，所以，很多水電廠開(kāi)始應(yīng)用電網(wǎng)自動(dòng)電壓控制系統(tǒng)，并運(yùn)用閉環(huán)控制原理，有效達(dá)到電壓優(yōu)質(zhì)以及網(wǎng)損最小的目標(biāo)。

2.1 無(wú)功電壓自動(dòng)控制

作為電力系統(tǒng)的一項(xiàng)重要技術(shù)，無(wú)功電壓自動(dòng)控制能夠?qū)σ蛳到y(tǒng)電壓波動(dòng)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(yùn)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(jì)損失，減輕值班人員工作壓力，為確保電網(wǎng)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。水電廠在線自動(dòng)控制系統(tǒng)工作流程如圖1所示。

圖1 電網(wǎng)電壓自動(dòng)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(cè)數(shù)據(jù)，具體內(nèi)容主要有節(jié)點(diǎn)電壓、保護(hù)及斷路器的實(shí)際動(dòng)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(wú)功電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)中，通過(guò)對(duì)優(yōu)化技術(shù)的使用來(lái)尋求最優(yōu)解，并對(duì)方案加以優(yōu)化，同時(shí)將經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的系統(tǒng)無(wú)功潮流以及相關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓等傳輸?shù)较到y(tǒng)中，運(yùn)用遙控、遙調(diào)全面實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以使用閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(guò)自身的調(diào)節(jié)作用來(lái)保持穩(wěn)定。運(yùn)用閉環(huán)控制系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于能夠充分發(fā)揮反饋的重要作用，并對(duì)相關(guān)不確定因素加以排除，使得校正行動(dòng)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(wú)功情況概述

首先來(lái)對(duì)各類無(wú)功可控設(shè)備進(jìn)行分析，它們的特點(diǎn)及控制能力存在較大差異，在實(shí)際操作過(guò)程中，如果僅僅依靠數(shù)學(xué)手段來(lái)對(duì)復(fù)雜的實(shí)際因素進(jìn)行協(xié)調(diào)非常困難，具體可以運(yùn)用無(wú)功可控設(shè)備特點(diǎn)以及其相關(guān)的調(diào)節(jié)性能，對(duì)各類可控設(shè)備的功用加以規(guī)定，從而對(duì)其行為加以協(xié)調(diào)。通常情況下，常見(jiàn)無(wú)功可控設(shè)備主要分為以下幾種情況：一是發(fā)電機(jī)或者調(diào)相機(jī)，主要作為系統(tǒng)中的重要無(wú)功源而存在，其能夠?qū)ο到y(tǒng)中無(wú)功電壓的擾動(dòng)予以及時(shí)、快速響應(yīng)；二是并聯(lián)電容器，主要作為一種重要無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備而存在，其有一定的投切次數(shù)約束，通過(guò)一定投切補(bǔ)償來(lái)確保各個(gè)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)的發(fā)電機(jī)的無(wú)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(wú)功控制系統(tǒng)的可靠性及安全性要求

在整個(gè)區(qū)域電網(wǎng)內(nèi)，水電廠AVC以及最優(yōu)無(wú)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(shí)際操作過(guò)程中，必須對(duì)電力系統(tǒng)的可靠性與安全性加以考慮，具體來(lái)說(shuō)，其安全可靠性要求可以表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：第一，在通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障的狀況下，整個(gè)控制系統(tǒng)不得對(duì)任何電力設(shè)備造成威脅或者惡化電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)；第二，在具體調(diào)節(jié)過(guò)程中，發(fā)電機(jī)組需要在可監(jiān)測(cè)和控制的條件下進(jìn)行工作，確保各項(xiàng)操作與安全規(guī)定相符；第三，在中心計(jì)算機(jī)的指導(dǎo)下，控制系統(tǒng)具有電壓和最優(yōu)無(wú)功控制的功能，在中心計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，控制系統(tǒng)仍然具有電壓和最優(yōu)無(wú)功控制等一系列功能；第四，控制系統(tǒng)可以選擇時(shí)間較長(zhǎng)的周期，以便快速消除自動(dòng)電壓調(diào)整帶來(lái)的影響；第五，在通信系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，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(shí)，控制系統(tǒng)不能對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)予以惡化。

5、改善對(duì)策

從大量實(shí)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(shí)際控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖2。

作為一個(gè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)（EMS）和分布式智能自動(dòng)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(jìn)行分析，從而對(duì)發(fā)電機(jī)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(jì)算機(jī)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(lái)說(shuō)，水電站監(jiān)控系統(tǒng)的AVC模塊具有對(duì)最優(yōu)系統(tǒng)狀態(tài)值進(jìn)行分析和計(jì)算的功能。控制系統(tǒng)不會(huì)完全依賴計(jì)算分析結(jié)果，但也會(huì)將計(jì)算結(jié)果當(dāng)做一個(gè)期望值，并在條件允許的情況盡可能接近期望值。

水電廠機(jī)組的無(wú)功調(diào)節(jié)范圍主要受定子電流、勵(lì)磁電流、機(jī)端電壓、進(jìn)相運(yùn)行允許值的限制，其范圍是動(dòng)態(tài)變化的，隨有功負(fù)荷的變化，其無(wú)功調(diào)節(jié)范圍也將發(fā)生變化。在目前廣泛使用AGC進(jìn)行有功負(fù)荷自動(dòng)分配的情況下，必須考慮AGC和AVC的協(xié)調(diào)運(yùn)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(wú)功分配隨機(jī)組有功變化不斷進(jìn)行優(yōu)化，避免有功負(fù)荷變化后，無(wú)功不能隨之變化導(dǎo)致低勵(lì)限制頻繁動(dòng)作，AVC自動(dòng)退出的情況，從而保證良好的電壓動(dòng)態(tài)品質(zhì)和電壓穩(wěn)定裕度。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，控制系統(tǒng)的應(yīng)用可以分為以下幾個(gè)步驟：第一，選擇一個(gè)具有進(jìn)相能力和就地AVC功能的水電廠來(lái)作為基本的控制對(duì)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(jìn)行連接，從而有效實(shí)現(xiàn)了與EMS的通信。其中，廠級(jí)AVC系統(tǒng)能夠?qū)Ρ緩S站各電壓母線的電壓、無(wú)功設(shè)備輸出無(wú)功出力以及各線路的潮流情況進(jìn)行采集，并經(jīng)由遠(yuǎn)動(dòng)通信將數(shù)據(jù)有效傳輸給電網(wǎng)調(diào)度中心EMS。同時(shí)，在電網(wǎng)全局約束下，EMS能夠?qū)δ繕?biāo)電壓控制值進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)中心點(diǎn)電壓、無(wú)功出力以及要求控制的電壓值的差進(jìn)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(jìn)一步調(diào)整，并由EMS下發(fā)命令。一般來(lái)說(shuō)，控制周期為三十分鐘，當(dāng)無(wú)功出力和電壓均滿足要求時(shí)，可以完成電壓、無(wú)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?jiǎn)栴}比較嚴(yán)重，尤其是深夜低谷調(diào)壓?jiǎn)栴}十分突出。在采用上述的控制模式下，可以運(yùn)用當(dāng)前一部分發(fā)電機(jī)由遲相運(yùn)行逐步向進(jìn)相運(yùn)行，從而能夠?qū)^(guò)剩的無(wú)功功率予以吸收，不僅能夠減輕該工況時(shí)運(yùn)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(yǔ)

總而言之，整個(gè)電網(wǎng)的AVC系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中還有許多問(wèn)題存在，本文主要對(duì)適合處于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的水電廠在線電壓和最優(yōu)無(wú)功控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和探討，并有針對(duì)性地提出了一系列改善策略，對(duì)明顯改善電壓品質(zhì)，降低電網(wǎng)損耗有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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