（电力系统及其自动化专业论文）基于ex2100的励磁调节系统的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于e x 2 1 0 0 的励磁调节系统的研 究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 妒) r f - - - - - - - - - - _ 【- - - - - - - - - 一 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：幽： 导师签名： 幺k 玺坯 日 期：苎! z ：! ：坚 华北电力大学工程硕士学位论文 1 1 研究的目的和意义 第一章绪论 随着电力系统单机容量和电网容量的不断扩大，电力系统及发电机组对励磁控 制的快速性、可靠性、多功能性等方面提出了更高的要求，如更优的励磁调节性能、 更多和更灵活的控制、限制、报警等附加功能。显然常规的模拟式调节器难以满足 如此高的性能要求的发展。同时，随着计算机技术的迅猛发展，计算机领域的各项 成果己应用到或正在引入励磁系统中，大大推进了励磁系统的数字化进程，为励磁 系统满足时代的要求提供了可能。 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，直接影响发电机的运行特性。其主要 任务1 1 】是供给同步发电机必需的励磁，维持发电机端电压恒定，提高和改善同步发 电机运行的稳定性。 当数字励磁调节器产生以后，其优良的性能，模块化的结构，高可靠性使得同 步发电机采用数字励磁调节器已成为发展趋势，与模拟式励磁调节器相比，数字励 磁调节器具有以下几个优点： 1 由于数字励磁调节器在软件中采用了模拟式励磁调节器很难或者无法实现 的高级算法，使得励磁调节器的调节性能达到较优的状态，这是数字励磁调节器突 出的优点。 2 数字励磁调节器准确、精度高，在线改变参数方便。 3 数字励磁调节器在硬件上采用了大规模集成电路和微处理器作为它的控制 核心，大大降低了电子元件的使用数量，而模块化的结构使数字励磁调节器的维护 更加方便。 4 数字励磁调节器可以很容易实现通讯功能，使上位机能实时监控励磁调节 器和发电机的运行状况。 5 数字励磁调节器的静态调节精度很高，可以达到0 ，5 以上，并且静态调节 精度不随元件的老化或差异而改变。 综上所述励磁调节系统是电力生产环节中至关重要的控制系统，它的可靠性直 接影响着电力生产的可靠性，因此，研究数字励磁调节系统是很有必要的。 1 华北电力大学工程硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪7 0 年代微型计算机的问世自然而然地引起了励磁装置的数字化浪潮。 8 0 年代中后期，国内厂家如南京自动化研究所和电力科学研究院等已相继有微机励 磁装置投入运行；国际上，a b b 公司也于同期推出了第一代数字式励磁装置 u n i t r o l - d ，大大推进了励磁装置的数字化进程。 ： 微机励磁系统的数字化在硬件上基本分为两个步骤。第一步是在调节运算和移 相角方面实现数字化，解决了参数整定和固化问题。第二步是外围接口，表现在d 转换器件升级后交流采样技术的采用和人机界面的数字化，第二步发展使励磁调节 系统的硬件大为减少，可靠性大为提高。1 9 9 4 年，具有三个热备用通道，通过在每 一个通道内采用双c p u 并行工作来提高运算速度的微机励磁装置在清河电厂 2 1 0 m w 静7 汽轮发电机组投入使用。随着计算机技术的发展，计算机核心部件升级 为3 2 位机( 4 8 6 d x 6 6 ) ，以超小型超低功耗的p ( 2 1 0 4 嵌入式工业总线模块为核心， 辅以少量励磁专用板件组成，克服了以往励磁装置的体积大和计算速度低的缺点。 由于计算机数据位长的增加、主频的提高和硬件浮点处理器的使用，装置的数据处 理能力得到大幅度提高，使得交流采样和数字移相等数字化技术碍以应用，从而大 量减少了构成系统所需的硬件设备，提高了励磁调节系统的基础可靠性和装置的可 用率。 微机励磁装置的可靠性首先依赖于数字集成电路的超大规模集成化带来的元 器件基础可靠性的提高，它使励磁装置的平均寿命大大提高。在弓l 入冗余( 备用) 概念后，一个可在线修复的数字式励磁装备可以通过智能化故障诊断，在线检测到 元件的故障和不正常，及早自我采取保护措旌切换到备用冗余系统继续工作，并将 诊断结果和故障记录输出，在检修时作为故障快速定位和故障原因分析的参考，可 有效地减少维修时问，从而大幅度提高整个装置的平均无故障时间和装置的可用 率。 随着计算机技术发展到网络数字时代，集散型控制系统( d c s ) 技术和嵌入系 统开始引入励磁系统，2 0 世纪9 0 年代中期，g e 公司推出的e x 2 0 0 0 数字式励磁装 置，首先将励磁调节器嵌入励磁功率柜中，用网络将励磁功率柜构造成集散或主从 式调节控制系统。随后g e 公司又推出第三代产品e x 2 1 0 0 ，主要用于g e 公司生产 的新型汽轮机、燃气轮机、水轮机的励磁调节，r o u r o y c e 公司的t m r 励磁 系统【2 】将自动通道设计为计算部件，用r s 4 2 2 接口叠加到桥控单元实现输出控制， a b b 公司的u n i t r o l 系列励磁装置用a r c n e t 或r s 4 8 5 实现通道之间、柜体之间 的通信联络。目前国内还没有厂家生产类似产品，针对这一情况，本文用现场总线 控制系统( f c s ) 的思想，将系统的调节通道和可控硅桥控单元的控制分散重叠列 2 华北电力大学工程硕士学位论文 相应的部件中；输入输出部分分解为若干个独立的智能部件；操作显示部分集中在 就地操作站l p 上，通过c a n 总线使它们之间相连。从而实现全分布式体系结构的 励磁调节系统。可以想象在不久的将来，数字式励磁装置可以通过网络与同型号或 不同型号的装置进行一体化集中控制，通过d c s s c a d a 系统和l c u 单元实现与 制造者、调度中心和管理中心的连接【3 j ，实现跨区域调试和控制，取得更大的发展。 1 3 本论文的主要工作 传统励磁调节系统大多采用多通道冗余的方式来提高可靠性，但同时也增加了 系统的复杂性，也就是说调节系统通道之间、通道与采集模块之间的联络信号会大 大增加。如果采用硬接线的方法，就会带来下面的问题：( 1 ) 系统配置不灵活，设 计一旦完成，几乎就不能再做修改或变动，如果市场要求不同，就得重新设计硬件， 使得产品成本增加。( 2 ) 使得部件之间耦合紧密，如果某一部件出现故障，可能联 带其它部件出现异常，降低了产品的可靠性。( 3 ) 调试不方便，维修困难。 并联通道冗余结构的励磁调节系统一般设置两个或两个以上的通道，当一个或 多于一个通道无故障时，励磁系统维持j 下常工作。这样不易发生调节系统不发出脉 冲、检测失灵或漏检的情况，但是，当其中某个通道发生故障而使本通道脉冲触发 角度前移，其它通道的触发脉冲就会不起作用，使励磁调节系统工作在故障状态： 当某个通道检测失灵，误发信号，就会导致其余通道无法正常工作甚至于全部通道 退出调节，产生重大事故。可见，这种方式的励磁调节系统可减少拒动型故障，但 同时增加了误动的概率，总体可靠性并未得到提高。 为降低系统的误动概率，改善系统的总体可靠性，本文在内蒙古苏里格燃气发 电厂所用e x 2 1 0 0 调节器基础上提出三取二冗余方式实现励磁调节系统自动采用通 道的冗余结构，即设置3 个通道，当且仅当2 个或3 个通道无故障时，系统正常运 行。对三个通道的控制电压进行滤波，使用合理的判断机制对它们进行仲裁，决定 通道的取舍，最后输出。 对于容量较大的发电机组，为能提供出较大的功率，励磁调节系统通常设置多 个并联功率柜。功率柜数量的增多相应地增加了系统的故障点，如果某个功率柜发 生故障，就会关联影响甚至损坏其余功率柜。在功率框中加入智能环节，设置移相、 基本调节功能，每个智能环节只控制一个柜体，故障后只影响自己，将其余自动调 节通道通过网络连接起来，当自动通道故障时还可以接替它们的工作，将会使励磁 调节系统更加可靠。 g e 公司推出的e x 2 1 0 0 带网络的调节器，采用r s 4 8 5 r s 4 2 2 以主从方式实现 3 华北电力大学工程硕士学位论文 通信，存在许多不足，主要表现在： ( 1 ) 只有一个主节点，其余为从节点。无法构成多主或冗余结构的系统，一 旦主节点出现故障，整个系统将处于瘫痪状态。 ( 2 ) 数据通信方式为命令型。每一次数据传输均始于主节点，主节点发出命 令，从节点接到命令后以规定的方式传给主节点。数据传输率低，主节点控制器负 担重，而且当从节点出现异常时，需要等待主节点下达命令，数据不能立即上传。 ( 3 ) 传输速度慢，错误处理力不强。 对于励磁调节系统而言，这意味着实时数据不能得到有效处理。严重时可能造 成重要事故，给用户带来非常大的经济损失。 本论文充分考虑了上述问题，采用现场总线技术，在励磁调节系统中引入了f c s 将采集部件智能化，输入输出部分分解为若于个独立的智能部件，将系统的控制分 散到通道单元和可控硅桥控单元中，用c a n 总线连接起来，使它们可以互相通信， 实现调节系统的冗余设计和调节信息传递功能，大大降低了部件之间相互影响的程 度，能很方便地配置系统，提高了系统的可靠性。论文主要工作如下： 1 对通道冗余方式进行研究，提出三取二多通道冗余策略，设置三个自动通 道( a r u ) 和两个整流桥控制单元( c c u ) ，通过仲裁控制输出，实现励磁调节系 统的通道冗余。 2 将f c s 技术引入励磁调节系统，通过将c a n 通信控制器s j a l 0 0 0 嵌入到 智能部件中，以普通双绞线与媒体连接起来，将励磁调节系统的控制分散到各部件 中，构建基于c a n 现场总线的网络式全分布式励磁调节系统。 3 通过嵌入3 2 位微计算机，构建自动励磁调节单元。 4 构建基于可编程逻辑器件p s d 5 0 1 b 的整流桥桥控单元。 4 华北电力大学工程硕士学位论文 第二章e x 2 10 0 励磁调节系统介绍 e x 2 1 0 0 励磁系统是g e 公司继e x 2 0 0 0 之后推出的第三代数字式静态励磁系 统【4 1 ，主要用于g e 公司的新型汽轮机、燃气轮机、水轮机的励磁调节，如g e 公 司9 f 燃气轮机就采用e x 2 1 0 0 与m k ( 透平控制系统) 配套【鄂。 。 2 1 系统的基本结构 e x 2 1 0 0 可用于直流机励磁和交流静态励磁系统或旋转励磁系统。e x 2 1 0 0 组成的 三机同轴的无刷励磁系统如图2 1 所示： 2 1 1 励磁功率单元 d c 输入 图2 1e x 2 1 0 0 组成的无刷励磁系统 1 j l i j 本单元简略介绍e x 2 1 0 0 励磁系统中励磁功率单元的励磁电源接线方式和整流 回路的整流方式。 接线方式有：1 ) 励磁电源取自发电机机端，经励磁变( p p t ) 降压，再经三相 全控桥式整流的自并励方式。2 ) 励磁电源由电压源与电流源叠加而成，再经三相 全控桥式整流的自复励方式。3 ) 励磁电源由厂用电经励磁变( p p t ) ，再经三相全 控桥式整流的它励方式。由于9 e 燃气轮机采用发电机作电动机运行的变频启动方 式，因此一般以6 k v 厂用电供电的它励方式为主。 整流回路：采用三相桥式全控整流，其单桥形式最大额定电流达2 0 0 0 a ，并可 5 华北电力大学工程硕士学位论文 根据用户需要配备多桥并列，最多6 套，额定电流可达8 0 0 0 a 。 2 1 2 励磁调节器 励磁调节器可选择单套或冗余的微机系统，采用a r c n e t 通讯方式与m a r k v i ( 透 平控制系统) 、h m i ( 操作员界面) 、c o n t r o ls y t e mt o o l ( g e 控制系统工具软件) 、l c i s t a t i cs t a r t e r ( 变频启动装置) 、就地控制中心连接，并可通过r s 2 3 2 m o db u s 接1 2 1 与 用户d c s 连接。每套微机系统包括自动调节器f c r ( 以发电机机端电压为调节对象， p i 调节，调压精度o 2 5 ) 、手动调节器f v r ( 以发电机励磁电压为调节对象，p i 调节，调压精度2 0 ) 。手自动调节器切换有自动、人工两种方式，两者随时相互 跟踪，保证无扰切换，p t 断线时将自动切至手动调节器并闭锁。其辅助及保护功能 主要有电力系统稳定器( p s s ) 、无功电流补偿( r c c ) 、低励限* 0 ( u e l ) 、无功及功率 因数调节( v a r p v ) 、励磁电流调节器( f c r ) 、过励磁保护( 7 6 ) 、发电过电压保护( 2 4 g ) 、 失磁保护( 4 0 ) 、电n 频率限制及保护( 2 4 ，2 4 t ) 、转子线圈超温保护( 4 9 ) 、p t 断线( 6 0 ) 、 相不平衡保护( 2 2 ) 等。 冗余方式的微机系统由套独立的微机系统组成，其中两套配置完全一致，两者 互为备用，用于励磁的调节、控制。另一套作为监控系统，监控- f i 自- - - 者的工作状态， 一有问题就切换至备用。 励磁调节器的控制电源采用两路交流电源或交、直流电源供电，保证控制电源 的安全可靠。 e x 2 1 0 0 软件在原e x 2 1 0 0 的基础上进一步完善，除实现正常的励磁调节及保护 功能外，还具有功能齐全的自诊断系统及模拟器用于快速的安装调试与故障处理， 此外，其操作界面也更加友好、方便。 下面以冗余控制的e x 2 1 0 0 励磁系统为例，对其硬件进行介绍。 2 。2 硬件介绍 e x 2 1 0 0 0 励磁系统一般由励磁变、控制屏，辅助屏，整流屏组成，其主要设备 有： 2 2 1 控制屏 1 ) 就地按键式操作i 豇( k e y p a d ) ：主要有系统运行参数、诊断报警等显示， 启停控制，a v r f v r 调节器切换，参数设定修改等功能。 2 ) 主控模块：冗余方式的主控模块由两套相互独立的主控模块m 1 ，m 2 组成， 6 华北电力大学工程硕士学位论文 插在主板( e b k p ) 的两个独立分区内，各分区皆由控制电源模块独立供电。其中m l 、 m 2 的结构完全一致，用于实现各项调节、控制功能，一般一个工作，一个备用，操 作员可以通过h m i 界面对m l 、m 2 进行选择、切换。 其中m l 、m 2 结构： a 应用层控制卡( a c l a ) ：负责e t h e m c t l a n 通讯，实现自动调节器( a v r ) 、电力 系统稳定器( p s s ) 、低励限制( o e l ) 、无功及功率因数调节( v a r p f ) 功能。 b 数字量处理卡( d s p x ) ：负责实现手动调节器( f v r ) 、励磁电流调节器( f c r ) 、 可控硅触发控制、励磁启停控制、起励控制、报警跳闸逻辑、发电机参数处理、发 电机模拟器功能。 c i s b u s 卡( e i s b ) ：i s b u s 是g e 专利的高速数据总线，用于m l 、m 2 、c 各 模块内部数据传输及与e dc f 、e g d m 卡之间的数据交换以及负责与就地按键式操 作界面、工具软件的通讯。 d 主输入输出卡( e m i o ) ：将来自e p c t 、e a c f 、e x t b 、e c t b 等输入信号进 行处理并根据主控指令输出灭磁开关、起励接触器等分合信号及触发脉冲指令。 c - 触发控制选通卡( e s e l ) ：将e m i o 来的触发脉冲送至触发脉冲放大卡( e g p a ) ， 其选通与否由c 卡控制。 其中主板( e b k p ) ：主板上半部分是m 1 、m 2 、c 的d i n 型插槽，下半部分有外 部i o 卡的d s u b 插口，就地按键式操作晃面插口、电源插口等。 3 ) 控制电源模块：控制电源模块由电源分配卡( e p d m ) 、电源卡主板( e p b p ) 、主 控模块电源供应卡但p s m ) 、整流模块( d a c a ) 组成。励磁接地监测卡( e g d m ) 也插 在电源卡主板上。 a 电源分配卡( e p d m ) ：由1 2 5 v d c 、1 1 5 v a c 双路电源供电，其中1 1 5 v a c 经 d a c a 卡整流成1 2 5v d c 。e p d m 经熔丝、开关将1 2 5v d c 送至触发脉冲放大卡 e g p a 、f o 终端卡( e x t b ) 、电源卡主板( e p b p ) 。 b 主控模块电源供应卡( ep s m ) ：e p s m 将来自e p d m 的1 2 5 v d c 转换成+ 5 v 、 1 5 v 、_ + 2 4 v 、+ 7 0 v 电源供主控模块( m 1 、m 2 、c ) 、灭磁控制模块( e d e x ) 、励磁 接地监测卡( e g d m ) 及输入输出卡等使用。 4 ) i o 终端卡：e x 2 1 0 0 有五种不同的i o 终端卡( e p c t 、e d c f 、e a c f 、e c t b 、 e x t b ) 用于数据采集和控制指令执行。 a e p c t ：采集发电机机端电压、电流； b e c t b ：开关量采集及控制指令输出； c e x t b ：开关量采集及控制指令输出； 7 华北电力大学工程硕士学位论文 d e d c f ：采集励磁电压、电流； c - e a c f ：采集励磁变低压侧电压、电流。 2 2 2 整流屏 1 ) 三相全控整流桥：如图2 1 所示，六个桥臂皆由可控硅( s c r l s c r 6 ) 组成， 可控硅的触发脉冲由触发脉冲放大卡( e g p a ) 提供。冷却方式为强迫风冷，风机位于 整流屏顶部。 2 ) 可控硅的保护： a 快速熔断器：由两只快速熔断器组成，防止励磁回路短路等引起的过流。两 只并联是避免熔断器本身缺陷引起桥臂开路。 b 串联电抗及阻容回路：限制可控硅电流、电压突变、防止可控硅换相过电压。 c 可控硅温度保护：采用r t d 或温度开关方式，7 6 c 报警，8 7 c 剧1 5 闸。 d 冷却风机运行监视：通过风量开关监视冷却风机运行情况，若风机出现故障 则输出报警。 3 ) 触发脉冲放大卡( e g p a ) ： a 根据触发控制选通卡( e s e l ) 的触发指令输出可控硅触发脉冲。 b 将霍尔元件卡( e x c s ) 采集的桥路三相电流逻辑量经过滤后送至主控模块。 c 将r t d 或温度开关信号经处理送至主控模块。 d 将冷却风机运行状态信号经处理送至主控模块。 e 将交流线路滤波器熔丝故障报警信号经处理送至主控模块。 2 2 3 辅助屏 1 ) 交流线路滤波器：由r c 滤波回路及m o v s 组成，用于过滤励磁变( p p n 低 压侧交流电压尖端脉冲并防止外部高压窜入损坏可控硅。 2 ) 轴电压抑制器：通过r c 滤波回路滤掉励磁电压中的高频分量，把转子大轴 感应电压限制在7 v 以下，避免对发电机轴承造成损害。 3 ) 起励模块：当采用自并励方式时，需要通过起励模块提供起励电流用以建立 发电机机端电压。根据实际情况可选择交流或直流起励模块，直流起励由蓄电池供 电，起励接触器的分合由主控模块控制。对交流起励模块而言，只是增加了整流及 滤波回路。对于9 f 燃气轮机来说，由于一般采用它励方式，自然不需要起励模块。 4 ) 励磁接地监测模块：该模块由励磁接地监测卡( e g d m ) 、信号衰减及采样模 块( e x a m ) 组成，主控模块m l 、m 2 分别拥有独立的接地监测卡( e g d mm 1 ，m 2 ) 。 8 华北电力大学工程硕士学位论文 其工作原理是：由e g d mm 1 或e g d mm 2 产生一个5 0 v d c ，0 2 h z 的方波电源， 经信号衰减及采样模块( e x a m ) , t 瞢j l 在发电机转子线圈正负端与地间，当励磁交低 压侧至发电机转子线圈间任一点发生接地时，电流通路即构成，经过采样电阻，主 控模块即可测得该回路一点接地，而该回路的绝缘电阻亦可根据流经采样电阻的泄 漏电流计算而得。e g d mm l ，m 2 ，c 都对该泄漏电流进行实时采样并送至各自主控 模块，计算结果与设定值比较后输出报警或跳闸信号，并经并列通道后出口。该模 块是g e 公司在原有励磁接地监测装置d s 3 8 2 0 n g d b 基础上发展而来，作为冗余方 式的励磁一点接地保护，具有灵敏度高、可靠性好的特点。 5 ) 灭磁模块：通过灭磁可控硅及灭磁电阻( 或电感) 形成灭磁通路，对发电机转 子进行灭磁。该灭磁可控硅的触发控制由灭磁控制模块( e d e x ) 实现，该模块有二路 相互独立的控制回路( 包括控制电源) ，该控制回路以灭磁开关辅助接点、整流桥工 作状态、电气主保护等作为判据，任一路控制回路动作都将输出触发脉冲，保证灭 磁模块的可靠投入。若二路控制回路都意外失灵，还有转子反向过电压作为灭磁可 控硅的触发控制，保证发电机的安全。同时灭磁控制模块( e d e x ) 通过霍尔元件监测 灭磁回路的电流信号并送至主控模块作为灭磁模块动作的反馈。 以上是e x 2 1 0 0 励磁系统的结构及硬件的大致情况，与在国内电厂中大量使用 e x 2 0 0 0 励磁系统相比，e x 2 1 0 0 在安全、可靠性方面有了进一步提高。虽e x 2 1 0 0 的通道冗余采用的是双通道策略，但可靠度相对偏低，本文在通道冗余、数据传输 上作了改进，可靠度进一步提高，可以避免e x 2 1 0 0 常见的因插件接触不良等造成 的励磁系统故障。 9 华北电力大学工程硕士学位论文 第三章自动励磁调节单元冗余结构的研究 本章在e x 2 1 0 0 励磁系统励磁调节单元的双通道的基础上，提出了三取二方式 的多通道冗余策略，并在理论上论证了其可靠性，解决了以往励磁调节系统切换逻 辑繁琐复杂，不易于可靠控制的难题。 ： 3 1 自动励磁调节单元的基本结构 本单元由微型计算机、外围硬件、系统软件和应用软件组成。它的优点是： ( 1 ) 结构简单，软件丰富，功能多，性能好，运行、操作方便。 ( 2 ) 单元的各参数可以在线整定或修改，并可显示出来，调试简单、方便。 ( 3 ) 灵活性大，对不同机组的励磁要求，可在不改动硬件的情况下，通过修 改软件来满足。励磁调节规律可根据需要灵活改变。利用软件也易于实现多种励磁 限制功能。 ( 4 ) 可与上位机通讯，传送数据，接受命令，上位机可直接改变机组给定电 压值，能非常简单地实现全厂机组的无功成组调节和母线电压的实时控制。图3 - 1 为自动励磁调节单元硬件框图的一个例子。 图3 - 1 自动励磁调：肖单元硬件框图举例图 模拟量采集部件中的a d 转换电路将采集的模拟量变为数字量送入微型计算机 供计算和处理；d a 转换电路则将数字量变为模拟量送出。f o 部件可输入、输出 1 0 华北电力大学工程硕士学位论文 数字量和开关量信号。模拟量采集部件及i o 部件是c p u 主机板的基本外围部件， 除此而外还需要其它一些外围硬件。 自动励磁调节单元多采用1 6 位和3 2 位微型计算机，如果8 0 c 1 9 6 或i n t c l l 8 0 4 8 6 ， a ，d 接口电路一般采用1 2 位a d 转换器来提高采样精度。与模拟式半导体励磁调 节器的构成类似，自动励磁调节单元由图3 2 所示的几个基本部分组成，虚线框的 功能由微型计算机实现。 输出 同步电压 l 一1 输入 图3 - 2 自动励磁调节单元的组成 自动励磁调节单元的基本工作原理可由图3 - 1 ，图3 - 2 看出。a 转换电路对 反馈量( 如机端电压) 进行定时采样，c p u 按采样值和调节规律计算出控制量。如 果沿用模拟触发器，此控制量可经d a 转换电路输出，即控制电压，它作用于模拟 移相触发器，发出触发脉冲。如果采用数字触发器，则直接将控制量转换为控制角， 由数字触发器送出控制角为a 的触发脉冲，经脉冲放大后，触发相应的可控硅，形 成闭环励磁调节系统。 全数字化多微机型自动励磁调节系统简化框图如图3 - 3 所示，自动励磁调节系 统设置等于或大于两套自动励磁调节单元，平时一套运行，其它热各。微机之间可 手动或自动切换。这种方案提高了自动励磁调节系统运行的可靠性。 g 图3 3 微机自动励磁调节系统的框图 1 1 、f 华北电力大学工程硕士学位论文 3 2 自动励磁调节单元冗余结构的研究 3 2 1 可靠性概念与本文研究方案 励磁调节系统的可靠性是指系统在规定的条件下和规定的时间( 或操作次数) 内完成规定功能的能力。它的特征量【8 叫如下： ( 1 ) 可靠度r 。指产品在规定条件下的( 0 ，t ) 区间内不发生故障的概率。 通常控制系统的某一部分的可靠度函数服从指数分布即 r = e - l t ( f 0 )( 3 - 1 ) ( 2 ) 不可靠度f ( o 。指产品在规定条件下在( 0 ，f ) 区间内发生首次故障的概 率。 f t ) = i r ”q ( 3 ) 故障率z ( o 。指已工作到时刻f o 的产品，在该时刻后的单位时间内发生 故障的概率。 ( 4 ) 平均无故障时间m t b f 。两次故障间工作时间的平均值。 早期的励磁调节系统只有一个自动调节通道。一旦通道出现故障，整个系统就 切除，致使发电机组被迫停机，往往造成重大事故。如果把通道单元作为子项，则 该系统为串联系统。一般控制系统中各单元的寿命服从指数分布，因此系统的可靠 度可表示如下： r s 似= e l z 传统励磁调节系统多采用并联冗余的方式，即设置两个或两个以上通道， 其中一个通道无故障，系统就可正常工作。系统的可靠度为 ( 3 - 3 ) 只要 r s = l 一朋j 一1 2 0 ， ( r f 1 ) ( 3 4 ) 比较式( 3 - 3 ) 与式( 3 - 4 ) 不难得出：在相同情况下，并联冗余系统的可靠度 高于单通道系统。 随着控制技术的发展，现代励磁调节系统在继承发展原来并联冗余方式的同 时，功能逐渐丰富，自检测、自诊断功能作为一类监视系统逐渐成为它的重要组成 部件。监视系统包括常规的各类安全保护装置和串入一次回路的断路器等设备，它 们在励磁调节系统的正常运行过程中起着重要的作用，但同时也带来潜在的危险。 上述励磁调节系统中，容易发生的故障集中体现在以下几个方面： 当某个通道发生故障而使本通道脉冲触发角度前移，其它通道的触发脉冲就会 1 2 华北电力大学工程硕士学位论文 不起作用，致使励磁调节系统工作在故障状态。 当通道检测失灵，误发信号，就会致使其余通道无法正常工作甚至于全部通道 退出调节。 当机端电压量测故障，容易造成强励、误强减等事故。 当某备用通道受到电磁干扰，有时会造成灭磁开关等设备动作，造成事故。 以上故障大多是由监视系统误动引起的o 这主要因为：在设计监视系统时，设 计者往往以装置故障引起的后果为监视系统的假想监视对象，当电力系统故障引起 的现象与监视系统设计动作条件巧合时，这类监视系统将产生误动作，致使原本没 有故障的装置被错误切除。另一方面，设计控制装置时，通常从提高装置的故意检 出率出发，尽量减少监视系统的拒动率，认为监视功能越多越好，却往往忽视监视 系统的误动率。 在考虑现代励磁调节系统的误动时，可以看出，上述监视系统与通道的连接是 串联逻辑关系，这会造成调节系统误动率的提高，导致系统整体可靠性下降。 本文考虑到上述阀题，借鉴继电控制领域常的冗余方式，提出三取二的冗余策 略，即设置3 个通道，当且仅当2 个或3 个通道无故障时，系统正常运行。这种冗 余方式对误动率与拒动率具有相同效果的抑制作用，可以比较好地解决监视系统的 误动问题门。 随着科学技术的进步，器件的基础可靠性得到了提高，从根本上降低了系统拒 动的发生概率。虽然三取二的冗余方式在误动率降低的同时，也会使拒动率提高， 但是只要保证冗余项的硬件可靠性，就可使拒动率降低。 比较并联冗余系统，传统的三取二的冗余方式的可靠度较低【耐。为此，本文在 仲裁单元中设置并联冗余的、功能简单的调节单元，这样，使励磁调节系统的整体 可靠性得到大大提高。 3 2 2 系统可靠性分析 本文提出励磁调节系统的可靠性原理框图如图3 4 所示，其中，3 个自动调节 单元由a v r 硬件和故障检测组成，桥控单元由双冗余通道a 和b 构成，以通道a 为例，桥控单元a 中设独立于自动调节单元的手动调节单元f c r a 以及按照三取二 冗余原则构建的选择开关s 1 a ，它决定移相触发单元p a 的控制电压由a v r 或f c r a 提供，p a 的输出通过由硬件监视逻辑m a 控制的开关s 2 a 输出到脉冲总线b u s ， 在这里与桥控单元b 的输出并联。 为简化起见，三取二的a v r 用框图c 表达，c 的输出被认为是仲裁s 1 a 仲裁 1 3 华北电力大学工程硕士学位论文 后的输出。假定每个自动调节单元的故障率为f ，则c 的故障率为 f c = 3 ( 1 厕庐+ 矿( 3 5 ) 图3 - 4 本文励磁调节系统的可靠性原理框图 b u s 假定每个自动调节单元的a v r 硬件故障率为n 髓，故障检测的误动切除故障 率为兄“珊，则每个自动调节单元的故障率为 f = f a v r + f m a v g 一乃v rn “v r( 3 6 ) 由于a v r 构成复杂，硬件较多，检测功能多，故故障率乃髓和垤较高。 假定每个f c r 的故障率为f e c r 。p 的故障率为乃，则当f c r 替代自动调节单 元调节时每个桥控单元的硬件故障率为 f a = f f c r + 昂一f f c gf e( 3 7 ) 由于f c r 简单可靠，故其可靠度较a v r 为高，脉冲形成和放大环节包括计数 器、同步变压器，信号处理和计算机接口等硬件，其故障率较高。 仲裁逻辑s 1 分别有误动和拒动两种故障状态，对应s 1 在f c r 状态和a v r 状 态。 硬件监视逻辑m a 非常简单有效，仅考虑拒动故障，且故障率较低。 s 2 开关有误断( 无法接通) 和误合( 接点粘连) 2 种故障状态。s 2 通常是一个 芯片组成的电子开关，故障率较低。 为便于比较不同冗余结构的可靠性，在定性分析时，假定在某时刻系统的故障率如 下： 1 4 华北电力大学工程硕士学位论文 表3 - 1 图3 - 4 系统的故障率假定表 墼互苤堡堕f 垂鲨鲎望! 垫堕奎! 塑 ：! ：q ! 墼互苤堡鱼f 堡垒整垄2 墼堕奎至壁 垒：丝 表3 2 的内容为故障原因列表。表的每一个列表示一个系统元件所处状态的概 率。用“x ”表示故障( 故障率) ，“o ”表示非故障( 可靠度) ，“- ”表示不相关( 全 概率1 ) ，对于涉及故障类型的则用汉字说明。表的每行表示一个故障原因，故障原 因之间无重叠即互不包容。表同行不同列的数据之间是相乘的关系。总的故障率是 各行运算结果相加。 根据表3 - 1 和表3 2 ，计算得系统的总故障率f 1 为 f l 一0 0 1 9( 3 8 ) 表3 2图3 4 系统的故障率原因列表 序，元 c s 1 af c r ap am as 2 as 1 bf c k bp bm bs 2 b 件 lx拒动 - 华北电力大学工程硕士学位论文 生二旦j 塾羔j i 一堕二一：二- 二 1 3o误动xo 非误台误动x 一 其中，系统故障率对s 1 数据不敏感。系统的最大薄弱点在原因第2 4 ，即两个 触发脉冲环节的同时故障上，约占总故障率的4 7 ，其次是2 通道的误动，原因是 第2 1 2 3 ，占1 8 ，再次是原因1 ，s i a 拒动和原因6 ，( 2 个f c r 或p 故障) ，共占 1 1 。大的拒动类故障占5 8 。误动故障占1 8 。总的故障率很低，系统可靠性高。 为进行比较，给出e x 2 1 0 0 的双并联冗余通常可靠性原理框图3 5 所示。图中 m a 为通道监视环节，按照表3 - 1 的取法，取其拒动率为o 0 2 ，表示其不能检测到 硬件故障，误动率0 0 5 ，表明错误的故障判断，其余同表2 - 1 数据。同样列出框图 3 5 的故障原因列表，如表3 3 。 1 6 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 - 5e x 2 1 0 0 励磁调节系统的可靠性原理框图 表3 3图2 - 5 系统的故障率原因列表 根据表3 - 1 及其它数据以及表3 3 ，计算得系统的总故障率f 2 为 f 2 0 0 7 6( 3 9 ) 其中的第5 、7 、9 、1 0 、1 1 项的误动作占2 6 ，拒动的主要因素在于双a v r 故障占5 8 。可见在相同条件下，本文系统的故障率，l 仅是一般系统故障率屁的 1 4 。这是由于3 取2 冗余减少了误动的概率，f c r 的使用减少了拒动的概率。由于 3 取2 系统的a v r 误检测是暂时的，当其自然恢复后，a v r 会自动投入，f c r 的 某些作用只是临时的，考虑这一自动修复因素后，系统的可靠度实际可以达到更高 1 7 华北电力大学工程硕士学位论文 的水平。 3 3 3 三取二冗余的裁决逻辑 图3 - 6 三取二冗余 ：作原理图 1 8 华北电力大学工程硕士学位论文 本文设置三个自动励磁调节单元( a r v ) 和仲裁机构，其中，仲裁机构中设置 两个并联冗余的手动通道。三个a r u 同时投入运行，仲裁机构通过a r u 送出的控 制电压信号进行有效性校验，计算出用于控制整流桥的控制电压并输出，从而实现 本文三取二冗余控制。三取二冗余工作原理如图3 - 6 所示。 仲裁机构有效性校验的原理是：首先将a r u 送出的三个控制电压进行滤波， 求出滤波后三个控制电压的中值和偏差，如果所有偏差均未超过预期值，将3 个a r u 、实时控制电压的算术均值作为最终输出和仲裁机构中通道控制电压的跟踪目标。如 果滤波后三个控制电压中一个与中值的偏差超过预期值，则通知该a r u 单元其控 制电压已被标记为故障，发出“a r u 故障一段”报警，该控制电压被排队在中值判 断和调节控制之外，中值判断改为取余下2 个控制电压的滤波平均值。被标记为故 障的a r u 单元将自动查出控制电压出现偏差的原因并通过跟踪其它两个通道加以 纠正，仲裁枫构随时检查被标记为故障的a r u 单元的控制电压，一旦它与现行滤 波中值之间的偏差回到允许值以内，该通道将重新接纳，其控制电压将重新作用于 励磁调节。如果滤波后三个控制电压中的两个与中值的偏差超过预期值，则直接发 出“a r u 故障二段”报警。 当a r u 送来的数据有两个无效，或两个a r u 单元发生电源故障、两p t 断线 故障、励磁保护动作和a r u 通道硬件模块故障以及软件执行序列故障时，仲裁机 构将自动选择其手动通道运行。 3 4 自动励磁调节单元的硬件结构 自动励磁调节单元是励磁系统的基本控制部分，它的性能直接关系到电力系统 的安全运行及自动化水平的提高。一般来讲，调节系统的设计依赖于硬件的性能， 因此硬件的选择就显得尤为关键。 a r u 由核心部件和外围模拟量采集板组成。核心部件包括中央处理器部件、 a d 转换部件、计数器部件和c a n 网络接口部件。它们之间通过p c 1 0 4 总线连接 在一起，共同完成调节任务。外围模拟量采集板负责对自动励磁调节单元所必需的 反馈量进行采样和适配。 3 4 1 中央处理器部件 中央处理器部件原理如图3 7 所示。 华北电力大学工程硕士学位论文 图3 - 7 中央处理器部件简图 部件中央处理器( c p u ) 的数据长度为3 2 位，在4 0 环境温度和自然冷却条 件下全速运行的工作频率为6 6 m h z 。c p u 的位数表征着c p u 的处理能力，位数的+ 提高带来程序的简化和代码效率的提高、外围芯片存取速度的提升等，对励磁系统 而言，意味着在同样的运算时间内可以设置更多的功能，或对于同样的功能可以显 著减少运算时间。节省的时间可以用于提高励磁系统的智能化程度和信息吞吐能 力、减少计算误差和延迟时间，提高系统的动态品质。数字式励磁装置所需的运算 时间在控制理论中表达为纯延迟，研究表明纯延迟对控制系统是十分有害的，本文 的调节延迟时间己缩短为3 m s ，对于自并激励磁来说已等同于连续调节。 处理器内含的8 0 3 8 7 数据协处理器( n p x ) 可处理双精度浮点数据( 6 4 位长) 和8 0 位扩展精度浮点数据，支持硬件乘法至超越函数的浮点运算，最复杂的 f s i n c o s 只须5 2s ，多数浮点指令可在4 0 个1 5 _ s 的时钟周期内完成，一条双精 度浮点乘法仅须o 2 5 fs 。计算机不是以无限精度来存储数值的，而是以一定数量的 二进制位来存储数值的。存储数据的类型可以是以定点( 整型或长整型) 或浮点( 单 精度、双精度和暂实数) 。励磁调节中参与运算的大部分变量是连续变量，不总是 能用整型数表达，数据的运算多是的积分和微分运算，它们本质上与时间相关联， 在变换为差分方程后，表现为含有除法的迭代过程，即某一个计算结果会参与下一 次运算，周而复始。如果使用整数除法运算，舍去余数就会带来误差。开环仿真试 验说明，定点运算造成p i d 直流增益的误差可达到5 0 以上，在其它一些场合，在 迭代过程中误差的增值甚至会造成数值运算的崩溃( 数据反号或溢出) 。这样的问 题可以追溯到两个非常接近的数相减，其差再被一个大于该差的数除。解决这个问 题，采用浮点计算是最简单的方法，单精度和双精度浮点数一次运算的舍入误差仅 约3 e 4 和5 6 e 。7 ，只要算法不会使n 次运算的舍入误差优先发生在同一个方向，且 2 0 华北电力大学工程硕士学位论文 不发生使舍入误差在一次运算中突然增加的情况，运算就是安全的。本文使用浮点 处理器避免将大的计算误差带入调节控制系统，减少控制系统的不确定性。从而安 全实现标幺制运算、交流采样、余弦移相、励磁限制保护等功能。 为避免出现一般磁盘驱动器因现场场地而震动引起的数据丢失问题，本部件使 用固态盘作为安装d o s 操作系统和运行软件的媒体。 3 4 2 数字采样与a 0 转换 自动励磁调节单元为了实现控制调节和限制保护功能，必须取得必要的反馈信 号，这些信号通常是机组的状态变量及有关运行参量，如发电机的机端电压【，g 、定 子电流j g 、有功功率p 、无功功率q 、转子电流场和频率，等。在数字式励磁装置 中，这些变量是通过测量部件由微型计算机定时采集得到的，测量部件主要有直流 信号采样( 直流采样) 和交流信号采样( 交流采样) 两种。传统的直流变送器的时 间常数通常在l o o m s 左右，为减少采集回路的时间延迟，本文采用霍尔( h a l l ) 传感器作为转子电流如隔离测量部件。根据霍尔原理，励磁电流流过传感器，在传 感器铁心中形成磁场，安装在铁心主磁路气隙中的h a l l 器件将感应出与励磁电流 成正比的电位差，将该电信放大即可得到直流电压输出。传感器的输出经a d 转换 接口电路，由计算机采样。霍尔传感器的特点是响应迅速，响应时间仅1 微秒。 交流采样技术是微机励磁的关键性技术。对于交流信号，本文使用交流适配器 把发电机的电压互感器副边以及电流互感器副边电流信号转换为成比例的、幅值较 低的交流电压，再对这些电压进行采样，并计算出u g 、如、p 、q 等发电机电量。 模拟量采集电路由信号幅度变换、隔离屏蔽、模拟式低通滤波、采样保持器等部分 组成。图3 8 给出的交流适配器是一些前置模拟通道，为减少低通滤波环节附加相 位移对p 、q 测量结果的影响，要求交流电压适配器与交流电流适配器具有相同的 相位移，辅以软件相位补偿措施；另外a d 转换往往是多路开关顺序切换采集的， 它也会影响波形的相位和有功无功计算结果，因此通常需要在a d 转换前设置采样 保持器，在采样前瞬间将关联量同时保持。 卫| 日r ! j r 2卫| | 嘧r 21 r 3 图3 8 - l 交流电压适配器 图3 - 8 交流适配器电路幽 2 1 图3 - 8 - 2 交流【b 流适配器 华北电力大学工程硕士学位论文 a d 转换电路是微机闭环控制系统的一个重要环节。考虑到软件体系的要求， 本部件选择1 0 0 k h z 的采样频率，1 6 路单端输入，以单路转换方式对交流适配器处 理后的信号进行转换。 3 4 3 计算器板部件 a r u 的软件功能需要计算机算法的支持。把数学模型或传递函数表示为计算机 表达式首先需要对包括数据采集和中间运算在内的控制过程进行离散处理，这需要 严格的定时。如果使用机端电压作为定时基准，在电力系统故障造成机端电压振荡 以及机组过速和低速时，定时系统就会紊乱或失去准确性，造成涉及时间常数的设 定参数与实际表现的参数之间出现偏差，影响励磁调节系统在电力系统过渡过程中 的动态调节品质，严重时甚至影响程序任务的执行顺序，带来不可预料的后果。采 用内部时钟进行精确的离散定时，高稳定性的双线性交换作为离散化的工具，励磁 调节的解算过程不依赖于机端电压波形和频率，可以保证调节性能的稳定性和可靠 性。 为产生精准的定时，部件选择a m 9 5 1 3 a 定时控制器作为外部中断源，将它的 输出送到中央处理器部件，产生中断申请。 3 4 4c a n 网络接口部件 为实现本文的网络设计，自动励磁调节单元设置c a n