電站勵磁系統設計和運用

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1.系統設計

1.1總體設計

由于是改造，所以在總體設計時，除了應滿足勵磁系統應有的功能和規范規定的參數指標要求外，同時必須考慮到電站現場實際情況，主要應注意以下方面：（1）屏柜組合要符合現場的空間要求，原系統由兩柜拼裝，新的勵磁系統也只能按兩柜訂貨，即調節柜一柜，功率整流和滅磁合一柜。同時，屏柜內設備的布置和端子排要考慮到舊控制電纜和動力電纜的長度，充分合理利用。（2）調差系數應能多檔調整，且檔間差別要分得細一點。因為水輪機組同軸有兩臺發電機，也就是有兩套勵磁系統，其無功分配和調差配合的調試會復雜一點。（3）應考慮通訊的穩定和可靠。本電站已實現“無人值班，少人值實”的微機自動化監控，系統應能同監控系統配合，實現遠方閉環和開環調節。（4）屏柜下水輪機層有大電流的發電機出口母排經過，要有防抗電磁干擾的措施，確保系統的可靠安全運行。如柜體、插箱、板件采用就近接地，縮短接地距離；采用多重屏蔽，防止外部干擾和對外干擾等。（5）充分考慮運行、維護的方便，降低工作人員的勞動強度和便于故障的查找。如人機界面要友好，故障錄波功能要在出現故障時及時觸發、容量要足夠大，故障專家診斷功能要完善，不但要給出故障的種類，也要給出原因及維護方法等。

1.2主要功能設計

（1）勵磁調節器采用PID＋PSS調節規律，PID參數要具有足夠的可調增益，通過改變可控硅整流器的觸發角度，精確快速地調節同步發電機的機端電壓和無功功率，保證發電機按要求升壓、并網、增減無功負荷及解列后逆變停機，保證發電機穩定運行于空載、發電、停機的工況。（2）通道冗余。為保證系統的安全運行，勵磁系統應設置兩套勵磁調節控制單元，一套為主，一套跟蹤熱備用。每套調節器均作為一個獨立的調節通道，可獨立承擔所有的調節任務，互不公用，互不干擾，一套故障時，自動切換到另一套運行，故障套調節器不會影響正常套調節器的正常工作。（3）完善的限制功能能確保機組和系統之間的安全穩定運行。如應具備以下限制器：轉子過流過熱限制器、過勵延時限制器、欠勵瞬時限制器、V/Hz限制器、瞬時強勵頂值限制器、功率柜故障限制器。（4）要有零起升壓、軟起勵、自動初值起勵升壓方式可選，以滿足機組各種運行工況的需要。（5）勵磁系統要具備開機保護、空載過電壓、TV斷線防誤強勵的功能，以保證運行機組的安全。（6）為了保證系統的安全和可靠，勵磁系統要具備電源電壓過低過高或消失、TV斷線、可控硅觸發脈沖號及數量、可控硅同步電壓相序及發電機機端電壓相序、控制角度、軟硬件看門狗、通訊故障的自檢和自診斷功能，一旦發生故障和異常時，能進行容錯處理或發出警報，并切換到完好通道運行。（7）要具有容錯控制功能，以便對一些測量參數信息進行分析，從而取得正確的信息來維持勵磁系統的正常運行。如：機端電壓、定子電流、轉子電流、機組頻率、有功和無功功率、增減磁信號、起勵和逆變信號等的容錯。

2系統配置

NES5100勵磁系統的原理方框圖如圖1。

2.1結構配置

根據現場的空間要求，整套勵磁系統采用兩柜拼裝而成。一柜為勵磁調節器柜，一柜為功率整流和滅磁柜。勵磁調節器柜采取分層布置，從上而下配置表計層、A套調節器層、工控機層、以太網交換機層、鍵盤抽屜層、B套調節器層、控制按鈕與旋鈕開關層。功率整流和滅磁柜從上而下包括可控硅整流裝置、滅磁裝置及滅磁開關、陽極開關等。

2.2硬件配置

主要硬件包括以下部分：（1）系統電源板。該板為雙路供電，AC220V、DC220V輸入，+12V、-12V、兩路+5V、兩路24V輸出。（2）脈沖電源板。該板為雙路供電，AC220V、DC220V輸入，24V輸出,作為脈沖電源。（3）模擬量板。該板的主要功能是對機端電壓、系統電壓、同步電壓、定子電流、轉子電流等信號進行調理，將高壓（100V）、大電流（5A）信號進行隔離并轉換為±10V電壓信號，然后傳輸到主CPU板，該板還包括D/A輸出部分，有4路12位的D/A輸出。（4）同步電壓板。該板的主要功能是將整流柜送來的100V同步電壓信號進行變換，然后傳輸到主CPU板，在本板上，要根據同步頻率的不同，選擇不同的跳線和不同的阻容吸收元件參數。（5）開關量板。包括開關量板和擴展開關量板。擴展開關量板和開關量板的硬件功能相同。共有20路開關量輸入通道，通過光耦隔離輸入；16路開關量輸出，經過光耦隔離后通過繼電器節點輸出。每一個開關量的狀態可以通過面板上的指示燈進行顯示。（6）脈沖放大板。該板的主要功能是將CPU板上形成的小脈沖通過光電隔離及電平轉換送至6片CMOS管放大，然后輸出。脈沖切換繼電器主要控制脈沖是否輸出。該板的另一功能是將發出的脈沖進行取樣，并回讀至CPU板，以檢查脈沖是否丟失。脈沖放大板還包括電源檢測和故障開出功能，電源檢測用于對系統的+5V、±12V、24V電源進行檢測，若檢測到本套電源掉電或故障，則立即發出故障信號并進行雙機切換，以保證系統的可靠性。（7）CPU板。CPU板是核心控制板，主要功能有：將模擬量板送來的模擬信號進行A/D采樣、根據A/D采樣的結果及開入信號邏輯判斷進行控制計算，產生控制脈沖、根據邏輯判斷程序實現開關量信號輸出、測頻及脈沖回讀檢測、雙套切換邏輯的實現、通訊功能。示意圖如圖2。

2.3軟件配置

系統軟件包括三個方面：嵌入式操作系統、人機交互程序以及勵磁應用程序。嵌入式操作系統部分包括操作系統本體，硬件底層驅動軟件、系統任務配置、系統中斷配置等。底層驅動包括Flash驅動、以太網驅動等。人機交互程序位于通信報文處理任務中。該任務和網絡通信任務、RS232/RS485通信任務一同構成了整個人機交互的下位機系統。網絡通信任務、RS232/RS485通信任務接收到上位機發出的指令后，將指令發送到一共同的消息隊列中，通信報文處理任務從消息隊列中逐條取出并處理。勵磁應用程序包括兩個方面：主流程和控制調節程序。主流程放置于主任務中，完成勵磁應用程序的初始化以及機組狀態的判斷等功能。控制調節程序放置于3.3ms中斷中，控制周期為3.3ms，完成所有的勵磁控制調節功能，確保了控制調節的快速和精度。結構方框圖如圖3。

3日常使用維護重點

（1）裝置安裝后首次通電投運前，要根據圖紙要求檢查接線正確，要查各構件是否有松動現象；導線，銅排等連接處是否緊固、接觸是否良好；要模擬各信號的動作情況；要經靜態試驗正常后，方可投運進行動態調試，然后再投入運行。（2）每次機組大修或系統停運時間較長時，要查各構件是否有松動現象；導線，銅排等連接處是否緊固、接觸是否良好；要模擬各信號的動作情況。同時要進行除塵、清潔。（3）定期清潔。應根據現場空氣的清潔程度定期對勵磁裝置進行除塵、清潔。清潔時應切斷所有電源，用壓縮空氣機、真空吸塵器或小毛刷等器具對裝置外表及內部器件、導線連接處等易積灰垢的地方，小心仔細進行清掃。對裝置內部器件包括印制線路的清掃，請勿使用任何清潔劑，也不宜使用潮濕的抹布。（4）定期檢測設備。根據現場情況和運行工況，應按表1要求進行定期設備檢查。

4結語

通過現場技術人員和廠家的緊密配合，改造后的勵磁系統經試驗后，各項性能指標達到了設計要求，符合技術規范。如：可控硅控制角α分辨率最高可達40MHz；控制計算調節周期為3.3ms、調壓精度小于0.1%、由軟件設置無功調差率，正負及大小任選，級差為±0.1%、發電機頻率每變化1％，發電機端電壓變化不大于額定值的±0.1%、電壓響應時間上升小于0.08s，下降小于0.15s。同時，經過一年多的運行，證明了系統的勵磁調節精度高、安全可靠，各種維護、操作更加簡單友好，為整個電站安全、穩定、經濟運行提供了強有力的保證。

本文作者：林思攀工作單位：福建省泉州市龍門灘引水工程管理處