电站励磁系统设计和运用

1.系统设计

1.1总体设计

由于是改造，所以在总体设计时，除了应满足励磁系统应有的功能和规范规定的参数指标要求外，同时必须考虑到电站现场实际情况，主要应注意以下方面：（1）屏柜组合要符合现场的空间要求，原系统由两柜拼装，新的励磁系统也只能按两柜订货，即调节柜一柜，功率整流和灭磁合一柜。同时，屏柜内设备的布置和端子排要考虑到旧控制电缆和动力电缆的长度，充分合理利用。（2）调差系数应能多档调整，且档间差别要分得细一点。因为水轮机组同轴有两台发电机，也就是有两套励磁系统，其无功分配和调差配合的调试会复杂一点。（3）应考虑通讯的稳定和可靠。本电站已实现“无人值班，少人值实”的微机自动化监控，系统应能同监控系统配合，实现远方闭环和开环调节。（4）屏柜下水轮机层有大电流的发电机出口母排经过，要有防抗电磁干扰的措施，确保系统的可靠安全运行。如柜体、插箱、板件采用就近接地，缩短接地距离；采用多重屏蔽，防止外部干扰和对外干扰等。（5）充分考虑运行、维护的方便，降低工作人员的劳动强度和便于故障的查找。如人机界面要友好，故障录波功能要在出现故障时及时触发、容量要足够大，故障专家诊断功能要完善，不但要给出故障的种类，也要给出原因及维护方法等。

1.2主要功能设计

（1）励磁调节器采用PID＋PSS调节规律，PID参数要具有足够的可调增益，通过改变可控硅整流器的触发角度，精确快速地调节同步发电机的机端电压和无功功率，保证发电机按要求升压、并网、增减无功负荷及解列后逆变停机，保证发电机稳定运行于空载、发电、停机的工况。（2）通道冗余。为保证系统的安全运行，励磁系统应设置两套励磁调节控制单元，一套为主，一套跟踪热备用。每套调节器均作为一个独立的调节通道，可独立承担所有的调节任务，互不公用，互不干扰，一套故障时，自动切换到另一套运行，故障套调节器不会影响正常套调节器的正常工作。（3）完善的限制功能能确保机组和系统之间的安全稳定运行。如应具备以下限制器：转子过流过热限制器、过励延时限制器、欠励瞬时限制器、V/Hz限制器、瞬时强励顶值限制器、功率柜故障限制器。（4）要有零起升压、软起励、自动初值起励升压方式可选，以满足机组各种运行工况的需要。（5）励磁系统要具备开机保护、空载过电压、TV断线防误强励的功能，以保证运行机组的安全。（6）为了保证系统的安全和可靠，励磁系统要具备电源电压过低过高或消失、TV断线、可控硅触发脉冲号及数量、可控硅同步电压相序及发电机机端电压相序、控制角度、软硬件看门狗、通讯故障的自检和自诊断功能，一旦发生故障和异常时，能进行容错处理或发出警报，并切换到完好通道运行。（7）要具有容错控制功能，以便对一些测量参数信息进行分析，从而取得正确的信息来维持励磁系统的正常运行。如：机端电压、定子电流、转子电流、机组频率、有功和无功功率、增减磁信号、起励和逆变信号等的容错。

2系统配置

NES5100励磁系统的原理方框图如图1。

2.1结构配置

根据现场的空间要求，整套励磁系统采用两柜拼装而成。一柜为励磁调节器柜，一柜为功率整流和灭磁柜。励磁调节器柜采取分层布置，从上而下配置表计层、A套调节器层、工控机层、以太网交换机层、键盘抽屉层、B套调节器层、控制按钮与旋钮开关层。功率整流和灭磁柜从上而下包括可控硅整流装置、灭磁装置及灭磁开关、阳极开关等。

2.2硬件配置

主要硬件包括以下部分：（1）系统电源板。该板为双路供电，AC220V、DC220V输入，+12V、-12V、两路+5V、两路24V输出。（2）脉冲电源板。该板为双路供电，AC220V、DC220V输入，24V输出,作为脉冲电源。（3）模拟量板。该板的主要功能是对机端电压、系统电压、同步电压、定子电流、转子电流等信号进行调理，将高压（100V）、大电流（5A）信号进行隔离并转换为±10V电压信号，然后传输到主CPU板，该板还包括D/A输出部分，有4路12位的D/A输出。（4）同步电压板。该板的主要功能是将整流柜送来的100V同步电压信号进行变换，然后传输到主CPU板，在本板上，要根据同步频率的不同，选择不同的跳线和不同的阻容吸收元件参数。（5）开关量板。包括开关量板和扩展开关量板。扩展开关量板和开关量板的硬件功能相同。共有20路开关量输入通道，通过光耦隔离输入；16路开关量输出，经过光耦隔离后通过继电器节点输出。每一个开关量的状态可以通过面板上的指示灯进行显示。（6）脉冲放大板。该板的主要功能是将CPU板上形成的小脉冲通过光电隔离及电平转换送至6片CMOS管放大，然后输出。脉冲切换继电器主要控制脉冲是否输出。该板的另一功能是将发出的脉冲进行取样，并回读至CPU板，以检查脉冲是否丢失。脉冲放大板还包括电源检测和故障开出功能，电源检测用于对系统的+5V、±12V、24V电源进行检测，若检测到本套电源掉电或故障，则立即发出故障信号并进行双机切换，以保证系统的可靠性。（7）CPU板。CPU板是核心控制板，主要功能有：将模拟量板送来的模拟信号进行A/D采样、根据A/D采样的结果及开入信号逻辑判断进行控制计算，产生控制脉冲、根据逻辑判断程序实现开关量信号输出、测频及脉冲回读检测、双套切换逻辑的实现、通讯功能。示意图如图2。

2.3软件配置

系统软件包括三个方面：嵌入式操作系统、人机交互程序以及励磁应用程序。嵌入式操作系统部分包括操作系统本体，硬件底层驱动软件、系统任务配置、系统中断配置等。底层驱动包括Flash驱动、以太网驱动等。人机交互程序位于通信报文处理任务中。该任务和网络通信任务、RS232/RS485通信任务一同构成了整个人机交互的下位机系统。网络通信任务、RS232/RS485通信任务接收到上位机发出的指令后，将指令发送到一共同的消息队列中，通信报文处理任务从消息队列中逐条取出并处理。励磁应用程序包括两个方面：主流程和控制调节程序。主流程放置于主任务中，完成励磁应用程序的初始化以及机组状态的判断等功能。控制调节程序放置于3.3ms中断中，控制周期为3.3ms，完成所有的励磁控制调节功能，确保了控制调节的快速和精度。结构方框图如图3。

3日常使用维护重点

（1）装置安装后首次通电投运前，要根据图纸要求检查接线正确，要查各构件是否有松动现象；导线，铜排等连接处是否紧固、接触是否良好；要模拟各信号的动作情况；要经静态试验正常后，方可投运进行动态调试，然后再投入运行。（2）每次机组大修或系统停运时间较长时，要查各构件是否有松动现象；导线，铜排等连接处是否紧固、接触是否良好；要模拟各信号的动作情况。同时要进行除尘、清洁。（3）定期清洁。应根据现场空气的清洁程度定期对励磁装置进行除尘、清洁。清洁时应切断所有电源，用压缩空气机、真空吸尘器或小毛刷等器具对装置外表及内部器件、导线连接处等易积灰垢的地方，小心仔细进行清扫。对装置内部器件包括印制线路的清扫，请勿使用任何清洁剂，也不宜使用潮湿的抹布。（4）定期检测设备。根据现场情况和运行工况，应按表1要求进行定期设备检查。

4结语

通过现场技术人员和厂家的紧密配合，改造后的励磁系统经试验后，各项性能指标达到了设计要求，符合技术规范。如：可控硅控制角α分辨率最高可达40MHz；控制计算调节周期为3.3ms、调压精度小于0.1%、由软件设置无功调差率，正负及大小任选，级差为±0.1%、发电机频率每变化1％，发电机端电压变化不大于额定值的±0.1%、电压响应时间上升小于0.08s，下降小于0.15s。同时，经过一年多的运行，证明了系统的励磁调节精度高、安全可靠，各种维护、操作更加简单友好，为整个电站安全、稳定、经济运行提供了强有力的保证。

本文作者：林思攀工作单位：福建省泉州市龙门滩引水工程管理处