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電壓無功的情況比較明顯，因此，如何有效實現區域電網內在線自動電壓控制成為人們關注的焦點。本文主要從水電廠在線自動電壓控制系統工作的基本原理入手，重點對區域電網內電壓無功情況、區域電網內電壓和無功控制系統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。

【關鍵詞】水電廠；在線；自動；電壓控制系統

1、引言

就目前而言，水電廠電壓無功問題十分突出，如何有效實現區域電網內的在線自動電壓控制（AVC）受到了普遍關注。一般來說，水力發電廠均遠離負荷中心，且在整個電力系統中起到調峰、調頻的功用，這種周期性負荷變化極易導致系統電壓出現變化，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狀態。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，致使電網中的電壓周期性出現起伏變化，無功也無法實現就地平衡。在實際應用過程中，很多電廠都裝置了自動勵磁調節器，且依據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，當前水電廠需要一種自動電壓與無功控制系統的跟蹤系統狀態，對發電機機端電壓以及輸出無功功率進行調整，為整個系統的電壓穩定性和無功平衡打下堅實基礎。

2、基本原理

眾所周知，電網電壓水平與無功功率密切相連，相輔相成。為增強電力系統電壓的可靠性和穩定性，可以使用發電機無功功率調節、調相機無功功率調節、無功功率自動補償、變壓器有載調壓、電網運行方式調整、以及自動低壓減負荷等相關的控制方式。近年來，電力系統逐步朝著大電網互聯、大機組發電的方向發展，簡單的電壓控制方案已經無法對電網電壓穩定性予以有效維護，也無法對無功電壓自動控制系統進行及時調節，所以，很多水電廠開始應用電網自動電壓控制系統，并運用閉環控制原理，有效達到電壓優質以及網損最小的目標。

2.1 無功電壓自動控制

作為電力系統的一項重要技術，無功電壓自動控制能夠對因系統電壓波動導致的停電事故發生頻率起到一定的降低作用，大大提升了電氣設備運行的安全性以及電網供電質量，明顯減少因事故造成的經濟損失，減輕值班人員工作壓力，為確保電網運行的可靠性與穩定性打下堅實基礎。水電廠在線自動控制系統工作流程如圖1所示。

圖1 電網電壓自動控制系統流程

基本原理：第一，調控中心從電力系統獲取遙信以及遙測數據，具體內容主要有節點電壓、保護及斷路器的實際動作狀態、支路功率等數據信息；第二，將這部分基礎數據有效傳輸到無功電壓自動控制系統中，通過對優化技術的使用來尋求最優解，并對方案加以優化，同時將經過計算得出的系統無功潮流以及相關節點電壓等傳輸到系統中，運用遙控、遙調全面實現對電力系統的遠程監控。

2.2 閉環控制系統

在實際應用過程中，可以使用閉環控制系統對電網電壓進行監測。在閉環控制系統中，即便是有干擾因素存在，其也能夠通過自身的調節作用來保持穩定。運用閉環控制系統的優勢在于能夠充分發揮反饋的重要作用，并對相關不確定因素加以排除，使得校正行動更加有力、更加準確，但預防性較差。

3、區域電網內電壓無功情況概述

首先來對各類無功可控設備進行分析，它們的特點及控制能力存在較大差異，在實際操作過程中，如果僅僅依靠數學手段來對復雜的實際因素進行協調非常困難，具體可以運用無功可控設備特點以及其相關的調節性能，對各類可控設備的功用加以規定，從而對其行為加以協調。通常情況下，常見無功可控設備主要分為以下幾種情況：一是發電機或者調相機，主要作為系統中的重要無功源而存在，其能夠對系統中無功電壓的擾動予以及時、快速響應；二是并聯電容器，主要作為一種重要無功補償設備而存在，其有一定的投切次數約束，通過一定投切補償來確保各個區域電網內的發電機的無功裕度，有效提升了電壓的安全性；三是變壓器有載調壓分接頭，其主要作為系統中調壓設備而存在，具有一定的調節次數約束。

4、區域電網內電壓和無功控制系統的可靠性及安全性要求

在整個區域電網內，水電廠AVC以及最優無功控制應該從區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為以下幾個方面：第一，在通信系統出現故障的狀況下，整個控制系統不得對任何電力設備造成威脅或者惡化電力系統的運行狀態；第二，在具體調節過程中，發電機組需要在可監測和控制的條件下進行工作，確保各項操作與安全規定相符；第三，在中心計算機的指導下，控制系統具有電壓和最優無功控制的功能，在中心計算機出現故障時，控制系統仍然具有電壓和最優無功控制等一系列功能；第四，控制系統可以選擇時間較長的周期，以便快速消除自動電壓調整帶來的影響；第五，在通信系統出現故障時，控制系統仍然具備電壓控制等功能；第六，在電力系統模型精度處于較低狀態時，控制系統不能對電力系統的運行狀態予以惡化。

5、改善對策

從大量實踐中可以看出，要求電廠與調度中心之間具有可靠、穩定的通信通道，這就需要通信協議雙方予以共同制定。實際控制系統的結構詳見圖2。

作為一個完全分散的系統，控制系統主要包括電網調度中心控制計算機系統（EMS）和分布式智能自動電壓控制器（AVC）。每座水電站監控系統的AVC模塊都能夠對本區域的系統狀態進行分析，從而對發電機組的命令執行情況加以確定。一旦電網調度中心的通信系統或者控制計算機出現故障，那么水電站監控系統的AVC模塊則可以發揮大部分功能。具體來說，水電站監控系統的AVC模塊具有對最優系統狀態值進行分析和計算的功能。控制系統不會完全依賴計算分析結果，但也會將計算結果當做一個期望值，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節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，其范圍是動態變化的，隨有功負荷的變化，其無功調節范圍也將發生變化。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的協調運行，即考慮AGC有功出力分配的電壓安全穩定協調控制策略，使AVC無功分配隨機組有功變化不斷進行優化，避免有功負荷變化后，無功不能隨之變化導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品質和電壓穩定裕度。

在實際應用過程中，控制系統的應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系統主要采用的是2Mbk/s微波通道與電網調度中心的通信管理服務器進行連接，從而有效實現了與EMS的通信。其中，廠級AVC系統能夠對本廠站各電壓母線的電壓、無功設備輸出無功出力以及各線路的潮流情況進行采集，并經由遠動通信將數據有效傳輸給電網調度中心EMS。同時，在電網全局約束下，EMS能夠對目標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，則使用閉環控制系統。如果差值比較大，則需要進一步調整，并由EMS下發命令。一般來說，控制周期為三十分鐘，當無功出力和電壓均滿足要求時，可以完成電壓、無功的閉環控制。

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，尤其是深夜低谷調壓問題十分突出。在采用上述的控制模式下，可以運用當前一部分發電機由遲相運行逐步向進相運行，從而能夠對過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，還能確保電壓品質和電網的可靠性。

6、結語

總而言之，整個電網的AVC系統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無功控制系統進行了分析和探討，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，降低電網損耗有著重要的現實意義。

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