三峽電廠勵(lì)磁軟件結(jié)構(gòu)框圖及其特色分析

1、三峽電廠勵(lì)磁軟件結(jié)構(gòu)框圖及其特色分析陳小明1，胡先洪1，霍乾濤2，章俊1（1：三峽水力發(fā)電廠；2：國電自動(dòng)化研究院）摘要 本文介紹了三峽左岸電廠SIEMENS勵(lì)磁調(diào)節(jié)器硬軟件，詳細(xì)分析了其軟件結(jié)構(gòu)框圖和主要限制器特性曲線，并探討國外勵(lì)磁軟件特色。關(guān)鍵詞 SIEMENS，THYRIPOL，SIMADYN-D，STRUC G，IBS，勵(lì)磁軟件。0 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器硬軟件簡介三峽左岸電站的勵(lì)磁系統(tǒng)采用德國SIEMENS公司生產(chǎn)的THYRIPOL靜止式可控硅自并勵(lì)勵(lì)磁設(shè)備，由11面柜組成，如圖1所示，從左到右分別是：調(diào)節(jié)器柜、輔助控制柜、5屏晶閘管整流柜、2屏滅磁開關(guān)柜、過電壓保護(hù)和滅磁電阻柜、電制動(dòng)整流柜

2、。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件眾多，外觀漂亮，運(yùn)行可靠。圖1 THYRIPOL勵(lì)磁裝置SIEMENS THYRIPOL全數(shù)字式微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，硬件由兩套完全獨(dú)立的SIMADYN D全數(shù)字控制器組成。每套控制器包括3塊32位的CPU 控制板，以及各種數(shù)字模擬信號(hào)輸入及輸出接口板，耦合存儲(chǔ)模塊，擴(kuò)展模塊以及通訊接口模塊，所有的模塊集成于一個(gè)機(jī)箱中，組成一個(gè)完整的勵(lì)磁調(diào)節(jié)通道。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器兩通道采用熱備用的運(yùn)行方式，同時(shí)接受輸入控制并執(zhí)行操作與調(diào)節(jié)，但只有處于工作狀態(tài)的通道有輸出，并對可控硅進(jìn)行觸發(fā)。當(dāng)工作通道發(fā)生故障時(shí)則備用通道自動(dòng)投入運(yùn)行，并閉鎖故障通道。通道內(nèi)部各模塊之間以及通道和通道之間實(shí)時(shí)通信跟蹤

3、，并及時(shí)上傳數(shù)據(jù)到面板顯示屏和監(jiān)控系統(tǒng)，保證系統(tǒng)無擾動(dòng)切換。在整套勵(lì)磁裝置盤面上，只有勵(lì)磁調(diào)節(jié)器有兩個(gè)可操作器件：遠(yuǎn)方現(xiàn)地切換控制鎖和西門子OP2N操作面盤。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器編輯軟件采用的STRUC G邏輯功能圖語言，屬于可編程邏輯圖語言（組態(tài)語言）。STRUC G是SIEMENS公司專門針對SIMADYN D硬件平臺(tái)開發(fā)的結(jié)構(gòu)化圖形語言，主要編輯邏輯功能圖，并通過存儲(chǔ)卡讀寫器將軟件寫入存儲(chǔ)卡中。三峽勵(lì)磁SIMADYN D有三塊CPU板，故需要插入三個(gè)程序存儲(chǔ)卡。STRUC G基于SCO UNIX3.0版以上操作系統(tǒng)、具有形象直觀、可讀性強(qiáng)、編寫靈活方便等優(yōu)點(diǎn)，但UNIX操作系統(tǒng)學(xué)習(xí)與使用難度較大。

4、勵(lì)磁調(diào)試軟件IBS，即系統(tǒng)監(jiān)視軟件，也是SIEMENS公司專門針對SIMADYN D硬件平臺(tái)軟件。IBS基于Windows98操作系統(tǒng)，通過PC機(jī)的RS232串口與SIMADYN D的SS4上的RS232串口進(jìn)行連接，使個(gè)人計(jì)算機(jī)與SIMADYN D系統(tǒng)連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以進(jìn)行邏輯功能圖連接的改變，軟件狀態(tài)變量的讀取和賦值等調(diào)試監(jiān)視工作。1FP LTSCHR D_L6勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)投運(yùn)切換邏輯軟件(PAGE 4)MFP0F 647I B1 B1 QT TF 1 （信號(hào)輸入端） MFP_1 800T4 （信號(hào)輸出端） D_L6 820T4DFR 657I B1 B1 QD QNSR DBE_E

5、R3.Q5/1.2 (S102 is ON) 96 ms （投自用電風(fēng)機(jī)）NTHYB.I9/13.4 0 （通道之間通訊） （另一通道已投廠用電風(fēng)機(jī)） （投廠用電風(fēng)機(jī)） （注：T4=48ms） 圖2 勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)投運(yùn)切換邏輯軟件示意圖為了更直觀的介紹STRUC G邏輯圖軟件，現(xiàn)將勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)投運(yùn)切換邏輯截取一小段置于圖2中。這是寫入CPU1（1FP）中命名為LTSCHR功能包、涉及名為MFP_1和D_L6兩個(gè)邏輯模塊。1FP LTSCHR的掃描工作時(shí)間為T4=48ms，即每48ms循環(huán)工作一次，這里的工作順序是先MFP_1（800T4）后D_L6（820T4）。MFP_1是一個(gè)脈沖發(fā)生模塊

6、（MFP0F），相當(dāng)于一個(gè)瞬時(shí)動(dòng)作延時(shí)返回的時(shí)間繼電器；D_L6是D型觸發(fā)器（DFR）。邏輯塊中的B1（二進(jìn)制）、Q（二進(jìn)制）、TF(時(shí)間)表示變量的類型。在圖2中，左邊為輸入信號(hào)，右邊為輸出信號(hào)，當(dāng)BE_ER3.Q5/1.21時(shí)，即交流滅磁開關(guān)S102合閘時(shí)，觸發(fā)MFP_1并產(chǎn)生一個(gè)96ms寬的脈沖經(jīng)Q端觸發(fā)D_L6 D型觸發(fā)器，D型觸發(fā)器按照其真值表使Q（投自用電風(fēng)機(jī)）和QN（投廠用電風(fēng)機(jī)）交替等于1，即交流滅磁開關(guān)每合閘一次，也就是勵(lì)磁每啟動(dòng)一次，勵(lì)磁功率柜風(fēng)機(jī)就交替切換一次。1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件結(jié)構(gòu)三峽勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件由25個(gè)軟件功能包組成，分配在三個(gè)CPU中，其中CPU1主管計(jì)算和調(diào)節(jié)控

7、制，CPU2主管操作顯示和通訊，CPU3主管脈沖移相輸出。表1總結(jié)了三峽水力發(fā)電廠（TGHP）勵(lì)磁軟件功能包。表1 TGHP勵(lì)磁軟件功能包簡介軟件包名稱及運(yùn)行周期軟件功能包功能簡介PQISTX（CPU1）T1=3ms機(jī)端電壓電流交流采樣；計(jì)算有功、無功、機(jī)端電壓電流頻率，不平衡電壓電流等。FEHL1（CPU1）T4=48 msCPU1自檢；電池電源檢測。REGEL（CPU1）T3=12 ms自動(dòng)電壓控制(AVR)；過勵(lì)限制；定子電流限制；欠勵(lì)限制。QREG（CPU1）T4=48 msQ模式設(shè)置與控制。SWREG（CPU1）T4=48ms電壓電流給定斜坡函數(shù)設(shè)定；階躍設(shè)定；V/Hz限制；勵(lì)磁電流

8、快速限制值設(shè)定。LTSCHR（CPU1）T4=48m s內(nèi)部開關(guān)量輸入；整流柜故障檢測；風(fēng)機(jī)切換控制。ANZ2（CPU1）T4=48 ms轉(zhuǎn)子溫度計(jì)算；模擬量4-20 mA輸出設(shè)置。PDG（CPU1）T1=3ms內(nèi)部PSS-2A模型；外置PSS-2A控制。VORORT（CPU1）T4=48msOP2N顯示面板控制；OP2N顯示信息。KOM1（CPU1）T3=12msT4=48 ms T5=192 ms與監(jiān)控裝置同步時(shí)鐘設(shè)置。（未用）；CPU2調(diào)試軟件設(shè)置XS1.COM（CPU1）T4=48 msOP2N和IBS（調(diào)試）通訊設(shè)置。XE2.COM（CPU2）T5=48ms設(shè)置Profibus接受命

9、令；設(shè)置它通道信息接受命令；設(shè)置OP2N顯示接受命令。NACH（CPU2）T5=48ms雙機(jī)通訊設(shè)置；雙機(jī)通訊量設(shè)置。STROM（CPU2）T4=24 ms模擬量輸入；功率柜風(fēng)速狀態(tài)輸入；試驗(yàn)用模擬量輸出。OP2（CPU2）T5=48msOP2N操作顯示；OP2N記錄（未用）。SWLOG （CPU2）T5=48ms運(yùn)行模式選擇；自動(dòng)手動(dòng)切換；起勵(lì)操作；故障檢測；開環(huán)控制。ANZ（CPU2）T5=48ms開關(guān)量輸入輸出；模擬量輸出；Profibus通訊量輸入輸出。KOM2（CPU2）T5=48msIBS設(shè)置（CPU2調(diào)試軟件設(shè)置）ANZ3（CPU2）T5=48ms內(nèi)部重要開關(guān)量輸入；X4開關(guān)量輸

10、出；內(nèi)部開環(huán)控制。TRACE （CPU2）T3=12 ms記錄或者錄波量功能（未用）。FEHL2（CPU2）T5=48 msCPU2自檢。XS2.COM（CPU2）T5=48ms設(shè)置Profibus發(fā)送命令；設(shè)置它通道信息發(fā)送命令；設(shè)置OP2N顯示發(fā)送命令。STRST1（CPU3）I1=3.3 ms數(shù)字移相器功能；勵(lì)磁電流測量及控制；勵(lì)磁電壓測量及控制。FEHL3（CPU3）T5=48 msCPU3處理器自檢。KOM3（CPU3）T5=48 msIBS設(shè)置（CPU3調(diào)試軟件設(shè)置）從表1中我們可以看出，除了移相脈沖軟件STRST1是同步電壓中斷程序外（I1=3.3ms），其余都是時(shí)間中斷程序，中

11、斷時(shí)間按照任務(wù)的重要性安排，最快的是機(jī)端電壓電流交流采樣計(jì)算和PSS軟件（3ms），最慢的是與監(jiān)控裝置同步時(shí)鐘通訊設(shè)置（192ms）。表1給我們的另一個(gè)感覺是軟件功能包任務(wù)分配凌亂。事實(shí)上也是如此，當(dāng)我們查看某一勵(lì)磁軟件時(shí)，會(huì)從一個(gè)軟件包，跳到另一個(gè)軟件包，相當(dāng)麻煩。三峽勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，由自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)（AVR）、勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)（ECR）、無功模式（Q模式）、勵(lì)磁電壓調(diào)節(jié)控制器和移相脈沖觸發(fā)器等組成。調(diào)節(jié)器控制規(guī)律采用PI+PSS控制理論。THYRIPOL勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件結(jié)構(gòu)圖30.陽極電壓測量29.勵(lì)磁電壓電流測量28.遠(yuǎn)方控制27.現(xiàn)地或遠(yuǎn)方控制26.定子電壓電流交流采樣計(jì)算U

12、g Ig fug fig P Q Ip Iq cos 增磁 減磁 ON OFF 增1 減1 ON1 OFF1 Uf If Ut fut注釋：fug：定子電壓頻率；fig：定子電流頻率；fut：同步電壓頻率；Ip：有功電流；Iq：無功電流；Ut同步電壓。增磁1 減磁1 增磁 減磁 Ig Iq 增磁 減磁 增減 ONOFF ONOFF26.軟啟動(dòng)設(shè)定值25%,25S19.定子電流Ig限制器25.強(qiáng)勵(lì)、負(fù)載、空載、選擇13.勵(lì)磁電流設(shè)定值（Ifref斜坡函數(shù)）TF=100S1.機(jī)端電壓設(shè)定值（Ugref斜坡函數(shù)）TF=200S17.無功設(shè)定值(Qref斜坡函數(shù))TF=60S增減 14.階躍函數(shù)11.

13、AVR/ECR模式切換12.制動(dòng)電流設(shè)定值Ibref Qrefi Q ON1 試驗(yàn) Ugrefi 試驗(yàn) Ifrefi AVR 2.階躍函數(shù)18.Q模式控制(Q1%，PWM輸出) - + ECR fut ECR 10.AVR/ECR模式切換20.V/Hz限制器15.MIN函數(shù)3.Ugref限幅器 上限 AVRUf 23.過勵(lì)磁電流限制器(反時(shí)限)7.勵(lì)磁電壓控制器（KP=1 Ki=0） Ip Iq Ugref If + - If - + 21.調(diào)差(無功補(bǔ)償器)4.AVR信號(hào)綜合及放大器（KP=10）16.ECR信號(hào)綜合放大器（KP=10, Ki=0） + Ug Ug(q) P Pref fut

14、24.PSS2A（KP=10）8.勵(lì)磁電壓控制限幅器 - 上下限 Ug Ip Iq Ifreg 6.AVR信號(hào)綜合及比例積分器（KP=1Ki=1.5s）5.AVR控制信號(hào)切換選擇（MAX函數(shù)）22.欠勵(lì)限制器（KP=5） - Ufreg Ut 9.數(shù)字移相觸發(fā)器及脈沖放大輸出電路 + Ureg 圖3 THYRIPOL勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件結(jié)構(gòu)圖在圖3中，AVR由16模塊組成，ECR由1216模塊組成，Q模式由1718模塊組成，勵(lì)磁電壓控制器和移相脈沖觸發(fā)器由79模塊組成，1926是AVR模式中的各種限制器。AVR以發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和其設(shè)定值的差值作為PI（比例積分）調(diào)節(jié)器的輸入，以脈沖輸出控制整流柜的輸

15、出電流，從而保持機(jī)端電壓為恒定值。AVR是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的基本和主要調(diào)節(jié)方式。勵(lì)磁系統(tǒng)的其它高層控制功能和限制模塊，如PSS，無功控制以及過勵(lì)、欠勵(lì)限制器等，都在AVR方式中實(shí)現(xiàn)。ECR是以發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流和其設(shè)定值的差值作為P（比例）調(diào)節(jié)器的輸入，以保持勵(lì)磁電流為恒定值的方式控制發(fā)電機(jī)的運(yùn)行。機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)以AVR方式為主，在調(diào)試或系統(tǒng)某些特殊工況需要時(shí)，可采用ECR調(diào)節(jié)方式運(yùn)行，在PT斷線等異?；蚬收瞎r下，系統(tǒng)自動(dòng)切換到ECR調(diào)節(jié)方式運(yùn)行。AVR和ECR信號(hào)經(jīng)AVR/ECR模式切換邏輯進(jìn)入勵(lì)磁電壓控制器和ECR綜合放大器。其中10模塊切換的是勵(lì)磁電壓設(shè)定值，11模塊切換的是勵(lì)磁電流設(shè)定值。勵(lì)磁

16、電壓設(shè)定值在勵(lì)磁電壓控制器中同勵(lì)磁電壓測量值進(jìn)行比較放大，其輸出再同勵(lì)磁電壓設(shè)定值相加后給勵(lì)磁電壓控制限幅器。勵(lì)磁電流設(shè)定值在ECR綜合放大器中同勵(lì)磁電流測量值進(jìn)行比較放大，其輸出作為上下限給勵(lì)磁電壓控制限幅器。盡管勵(lì)磁電壓控制器的放大倍數(shù)為1，但由于勵(lì)磁電壓的變化快于其它電參數(shù)（比如勵(lì)磁電流）的變化，其負(fù)反饋對于穩(wěn)定勵(lì)磁電壓具有很大作用，因而也被稱謂鎮(zhèn)定器。移相脈沖觸發(fā)器9模塊在同步脈沖的中斷下，根據(jù)勵(lì)磁電壓控制信號(hào)Ureg的大小產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，當(dāng)勵(lì)磁電流等于零后閉鎖脈沖輸出。Q模式以發(fā)電機(jī)無功和其給定值的差值作為脈寬調(diào)制模塊的輸入，當(dāng)二者相差大于1時(shí)則通過脈寬調(diào)制器模塊產(chǎn)生脈沖，增減AVR模

17、式的機(jī)端電壓設(shè)定值，使其上升下降，以使在某一范圍內(nèi)的無功功率保持不變。在此范圍內(nèi)，AVR響應(yīng)系統(tǒng)電壓的變化，并以自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)的方式保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。無功功率控制方式只有在機(jī)組并網(wǎng)后才起作用。上述三種工作模式的調(diào)節(jié)范圍如下。AVR：70UgnU g110Ugn；ECR： 10IfnIf68Ifn（空載運(yùn)行）；10IfnIf110Ifn（負(fù)載運(yùn)行）Q模式：-150Mvar Q +500Mvar三峽左岸電站的勵(lì)磁裝置同時(shí)也是機(jī)組電氣制動(dòng)系統(tǒng)的一部分，當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速降至50額定轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)出口制動(dòng)開關(guān)合上后，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器按照ECR模式起勵(lì)，勵(lì)磁電流設(shè)定值等于制動(dòng)電流設(shè)定值（12模塊）且不能改變直至機(jī)組速降至1

18、5即電氣制動(dòng)結(jié)束。圖10是西門子公司提供的三峽左岸電站勵(lì)磁摸型，圖下表格是模型參數(shù)。pKFFVHEFDVAVERRVAmaxVAminVFE VFEmax:VAmax1VFE VFEmax:VAmax2VFE 0:VAmin = 0VFE 0 VRmin = 0*) VRSV: 整流器電源電壓KBVREFVRminVRmaxV*)RSVVRVTVs*)*) Vs: PSS輸出圖10 西門子公司提供的三峽左岸電站勵(lì)磁摸型及參數(shù)TF1 =1500 msTF2 =100 msTR =20 msKF =18 msTA =1 msKA =4000 EFDmax=8,31p.u.VAmax2 =8,31p

19、.u.VAmax1 =2,76p.u.VRmax =8,31p.u.VRmin =-6,65p.u.KB =1KFF =1VFEmax=4,54p.u. 將參數(shù)帶入圖10，得到圖11三峽左岸電站勵(lì)磁摸型。該模型同本文中的THYRIPOL勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件結(jié)構(gòu)圖是一致的。在2005年11月，國家調(diào)度中心、中國電科院以及三峽電廠對三峽西門子勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的模型及其參數(shù)進(jìn)行了測試，其結(jié)論是：西門子公司提供的三峽機(jī)組AVR模型和參數(shù)與實(shí)際的AVR模型參數(shù)之間存在一點(diǎn)差異，且這種差異沒有影響到整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這個(gè)差異的最大點(diǎn)是：勵(lì)磁電壓反饋時(shí)間常數(shù)TF2測試結(jié)果是0.02S，而西門子公司提供的是0.1S三

20、峽左岸電站勵(lì)磁摸型及參數(shù)。圖11就是考慮測試結(jié)果并對西門子模型進(jìn)行簡化所得到的簡化模型。 110.02S 400010.01S0.015S11.5S 110.1SKB=1KFF=1機(jī)端電壓UgPSS輸出Upss機(jī)端電壓設(shè)定Ugref比例環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)勵(lì)磁電壓反饋勵(lì)磁電壓Uf測量環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)Ug圖11三峽左岸電站勵(lì)磁摸型KFF=1勵(lì)磁電壓Uf 1100(1+ ) 1.5SUg放大環(huán)節(jié)KB=1比例積分環(huán)節(jié) 110.02S圖12三峽左岸電站勵(lì)磁簡化摸型2 勵(lì)磁限制器特性曲線為了保護(hù)系統(tǒng)、機(jī)組及勵(lì)磁裝置本身的安全，三峽勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)了下列限制器。現(xiàn)按限制器在AVR工作流程中的位置，依次介紹它們的特性曲線

21、以及輸出值的數(shù)學(xué)表達(dá)式。這些表達(dá)式主要包涵動(dòng)作整定值和延時(shí)時(shí)間。值得注意的是，限制器在軟件結(jié)構(gòu)框圖中的位置，也就決定了它們的限制優(yōu)先級(jí)，在軟件結(jié)構(gòu)圖最后的其限制優(yōu)先級(jí)最高，比如PSS和過勵(lì)限制器等。21 定子電流限制器：Stator current limiter為了支持電網(wǎng)穩(wěn)定和機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行的需要，我們一般允許發(fā)電機(jī)定子電流短時(shí)過負(fù)荷，但同時(shí)應(yīng)采取措施限制將定子電流，防止定子繞組過熱。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的定子電流限制就是在定子電流過流情況下通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使其減小的限制器。定子電流限制器是基于Q-P功率限制曲線來設(shè)計(jì)的，定子電流限制器整定值及限制曲線如圖4所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)電流超過了限制區(qū)，如果此時(shí)機(jī)

22、組在進(jìn)相運(yùn)行（Q動(dòng)作區(qū)），則限制器動(dòng)作，增加機(jī)端電壓設(shè)定值使勵(lì)磁電流增加；如果此時(shí)機(jī)組在遲相運(yùn)行（Q動(dòng)作區(qū)），則限制動(dòng)作，減少機(jī)端電壓設(shè)定值使勵(lì)磁電流減少。不管怎樣，其結(jié)果都是調(diào)節(jié)定子電流的無功分量，從而使發(fā)電機(jī)電流回到限制區(qū)以內(nèi)運(yùn)行。對勵(lì)磁系統(tǒng)而言，定子電流限制器只能減少發(fā)電機(jī)電流的無功分量，對有功分量卻無能為力。當(dāng)發(fā)電機(jī)在功率因數(shù)cos=1附近（10死區(qū)）運(yùn)行時(shí)，無論定子電流是否超過了限制區(qū)，限制器都不動(dòng)作。 Ip（P） Q動(dòng)作區(qū) Q動(dòng)作區(qū)（增磁區(qū)） （減磁區(qū)） Ig Iq（Q）死區(qū)10定子電流限制器特性曲線 Q區(qū)輸出電壓U( p.u.)-1/330t MINIg( p.u.)-1.12,

23、Iq( p.u.)-0.1dxQ區(qū)輸出電壓U( p.u.)1/330t MINIg( p.u.)-1.12,Iq( p.u.)+0.1dx Ugref（p.u.） 110 Ugrefmax 100 90 70 Ugrefmin F（Hz） 45Hz 47.5Hz 50HzU/F(V/HZ)限制器特性曲線圖4 定子電流限制器特性曲線 圖5 V/Hz限制器特性曲線如果不設(shè)置調(diào)節(jié)死區(qū)，限制器在此區(qū)域內(nèi)參與調(diào)節(jié)將會(huì)影響機(jī)組的有功穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)電流在死區(qū)內(nèi)超過了限制區(qū)域時(shí)，應(yīng)由機(jī)組調(diào)速器進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過關(guān)閉導(dǎo)葉來降低發(fā)電機(jī)電流的有功分量，使發(fā)電機(jī)電流回到限制區(qū)域以內(nèi)。22 伏/赫(V/Hz)限制器：V

24、/Hz limiter對于AVR模式來說，當(dāng)機(jī)組頻率降低時(shí)，機(jī)端電壓依舊會(huì)保持恒定，勵(lì)磁系統(tǒng)將會(huì)增加勵(lì)磁電流，這樣會(huì)使發(fā)電機(jī)及所有與之相連的變壓器出現(xiàn)過磁通現(xiàn)象，從而對這些設(shè)備成損壞。為此，應(yīng)設(shè)立電壓/頻率（U/F）限制即伏/赫限制器，三峽電廠伏/赫限制特性曲線如圖5所示。 Ug 2（勵(lì)磁調(diào)節(jié)器負(fù)調(diào)差特性曲線）100 （無差特性曲線） 1（發(fā)電機(jī)調(diào)差特性曲線） 3（發(fā)電機(jī)自然調(diào)差特性曲線） Q（Iq）調(diào)差特性曲線調(diào)差環(huán)節(jié)輸出電壓Ug(q) (p.u.)= Ug-0.055Iq(p.u.) Ip（P） D C 欠勵(lì) B 過勵(lì) A Iq（Q）欠勵(lì)限制器特性曲線 p.u.ABCD欠勵(lì)設(shè)定值Q=-0.

25、2p.u. Ug( p.u.)-0.2777.81p.u.-155.56MVAR，欠勵(lì)輸出電壓U( p.u.)5(-0.2 p.u. Ug( p.u.)-Q( p.u.)P 0 0.5 1.0 1.8 Q -0.2-0.2-0.20 圖6 無功補(bǔ)償器特性曲線 圖7 欠勵(lì)限制器特性曲線在軟件結(jié)構(gòu)圖中，V/Hz限制動(dòng)作后則降低機(jī)端電壓設(shè)定值上限，這樣，圖5中的實(shí)線就是電壓最大設(shè)定值隨頻率變化的曲線。由于電壓最小設(shè)定值是一個(gè)固定值，因此，對應(yīng)于下列機(jī)組頻率，機(jī)端電壓設(shè)定值Ugref的范圍就會(huì)因V/Hz限制器而改變：F50Hz，Ugref70110；F47.5Hz，Ugref70100；F45Hz，U

26、gref7090。在空載狀態(tài)，當(dāng)機(jī)組頻率進(jìn)一步下降，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的低頻退勵(lì)磁環(huán)節(jié)啟動(dòng)，逆變滅磁。在我國勵(lì)磁技術(shù)習(xí)慣中，V/Hz限制器主要應(yīng)用在機(jī)組空載狀態(tài)，而三峽勵(lì)磁調(diào)節(jié)器出廠設(shè)定是負(fù)載狀態(tài)，并且強(qiáng)調(diào)負(fù)載狀態(tài)更需要V/Hz限制器，這顯然不同于我國的技術(shù)規(guī)范和三峽電廠的實(shí)際需要，我們擬改為無論空載和負(fù)載都將投入V/Hz限制器。23 無功補(bǔ)償（調(diào)差）器：Reactive current compensater為了合理分配并聯(lián)機(jī)組的無功和改善機(jī)端電壓隨無功變化的特性，三峽勵(lì)磁調(diào)節(jié)器配置有無功補(bǔ)償器。無功補(bǔ)償器又稱為調(diào)差單元，其原理示意圖如圖6所示。 在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器沒有無功補(bǔ)償功能即勵(lì)磁調(diào)節(jié)器調(diào)差系數(shù)等于

27、零（無差）的情況下，發(fā)電機(jī)調(diào)差特性是自然調(diào)差特性，即隨著無功的增加，機(jī)端電壓逐步下降，如曲線3所示。考慮到三峽發(fā)電機(jī)組的自然調(diào)差率太大，因此勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差系數(shù)設(shè)置為負(fù)調(diào)差，如曲線2所示。綜合曲線3和2，曲線1就是發(fā)電機(jī)組實(shí)際調(diào)差特性。24 欠勵(lì)限制器：Under excitation limite為了防止發(fā)電機(jī)進(jìn)相運(yùn)行時(shí)容性無功過負(fù)荷，引起發(fā)電機(jī)端部發(fā)熱而造成損傷，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器都應(yīng)配置欠勵(lì)限制器。欠勵(lì)限制器參數(shù)的設(shè)定，應(yīng)按發(fā)電機(jī)制造廠給出的P-Q曲線和失磁保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限綜合考慮。在軟件結(jié)構(gòu)圖中，AVR控制信號(hào)切換是按最大值（MAX）函數(shù)選擇的，正常運(yùn)行時(shí)欠勵(lì)限制器輸出負(fù)值，而AVR信號(hào)綜合及放

28、大器輸出正值，欠勵(lì)限制器不動(dòng)作；當(dāng)機(jī)組進(jìn)相運(yùn)行且無功超過整定值時(shí)，欠勵(lì)限制器輸出正值即動(dòng)作，從而升高定子電壓，以使機(jī)組運(yùn)行點(diǎn)回到允許的允許范圍之內(nèi)。三峽電廠低勵(lì)限制器特性曲線如圖7所示。欠勵(lì)限制器按限制曲線A-B-C-D設(shè)定，改變圖7中表格的Q，就可設(shè)計(jì)欠勵(lì)限制特性曲線。SIEMENS欠勵(lì)限制器比較特殊，其設(shè)定值還與機(jī)端電壓相關(guān)聯(lián)，電壓高，欠勵(lì)的設(shè)定值也高，反之亦然。欠勵(lì)限制器將發(fā)電機(jī)無功和欠勵(lì)設(shè)定值的差值放大輸出，動(dòng)作后整個(gè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)相當(dāng)于Q模式運(yùn)行，使機(jī)組無功穩(wěn)定在欠勵(lì)限制設(shè)定值范圍內(nèi)。25 過勵(lì)限制器：Over excitation limiter過勵(lì)限制的功能是防止發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組電流

29、過流。三峽勵(lì)磁調(diào)節(jié)器過勵(lì)限制有兩種：慢速（Slow field current limiter）過勵(lì)限制（反時(shí)限）和快速（Fast field current limiter）過勵(lì)限制，其特性曲線如圖8所示。反時(shí)限過勵(lì)限制線 T（s）強(qiáng)勵(lì)限制線 50S 40S 30S 20S If（p.u.） 1.0 1.15 1.5 2.0過勵(lì)磁電流限制器特性曲線反時(shí)限過勵(lì)輸出電壓U( p.u.)-(1.15-If)+ 1/50t (1.15-If)dx)圖8 過勵(lì)限制器特性曲線 圖9 電科院雙輸入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型在軟件結(jié)構(gòu)圖中，模塊23是反時(shí)限過勵(lì)限制器，它是AVR方式下級(jí)別較高的限制器，無論是正常運(yùn)行

30、還是前面其它限制器動(dòng)作，致使勵(lì)磁電流超過115額定值，過勵(lì)限制器經(jīng)一定延時(shí)后就能將勵(lì)磁電流限制到115額定值以內(nèi)。正是由于這種延時(shí)特性，所以又稱為慢速過勵(lì)限制器?？焖龠^勵(lì)限制器，是軟件結(jié)構(gòu)圖中的25模塊，它是AVR方式下級(jí)別最高的限制器，因?yàn)槠漭敵鲋苯涌刂苿?lì)磁電壓限幅器?？焖龠^勵(lì)限制器的設(shè)定值有4個(gè)，它根據(jù)運(yùn)行條件進(jìn)行自我選擇：正常負(fù)載運(yùn)行（包括一個(gè)整流柜退出）選擇強(qiáng)勵(lì)限制，整定值是2.085Ifn；負(fù)載運(yùn)行時(shí)兩個(gè)整流柜退出，選擇負(fù)載限制，整定值是1.15Ifn；空載運(yùn)行則選擇空載限制，整定值是0.68Ifn。圖3中的26是軟啟動(dòng)設(shè)定值模塊，選擇軟起勵(lì)，設(shè)定值從25%Ifn按照25S時(shí)間常數(shù)上

31、升至100Ifn。圖3中的15是最小函數(shù)模塊，從其兩個(gè)輸入中選擇一個(gè)較小值送至ECR綜合放大器。在特性曲線8中，給出的只是強(qiáng)勵(lì)限制線，其它三條特性曲線也都是垂直于X軸的直線。快速過勵(lì)限制器動(dòng)作沒有時(shí)限，動(dòng)作后也不顯示或報(bào)警，其明顯特征是UgrefUgn。25 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器：PSSPSS基本功能是通過引入附加信號(hào)控制勵(lì)磁，以提供正的阻尼矩陣，抑制電力系統(tǒng)的低頻振蕩，提高機(jī)組的靜穩(wěn)特性。為了滿足三峽巨型機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行和PSS應(yīng)在0.1Hz2.0Hz頻率段內(nèi)能提供正阻尼的要求，三峽勵(lì)磁PSS從仿真、試驗(yàn)和運(yùn)行都經(jīng)歷了一個(gè)較長過程，僅其數(shù)學(xué)模型就從剛開始的PSS1A，到試驗(yàn)中的PSS3B，再到運(yùn)

32、行中的PSS2A。目前，三峽電廠前期投運(yùn)的機(jī)組使用外置附加的PSS裝置，由中國電力科學(xué)院研制。這是一個(gè)雙輸入信號(hào)加速功率型PSS模型，即PSS2A模型，如圖9所示。后期投運(yùn)的機(jī)組使用西門子軟件PSS，其模型和參數(shù)同電科院的PSS完全一樣。二者的使用選擇很方便，其運(yùn)行情況都很穩(wěn)定。三峽左岸電廠的PSS的參數(shù)如下：Tw1=Tw2=Tw3=T7=10.0s,T1=0.51s, T2=2.27s,T3=T5=0.4s,T4=T6=0.04s,T8=0.6s, T9=0.12s, M=5, N=1,K3=K4=1.0，K1=5-6.5。3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件特色對照我國大中型水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組部分自并勵(lì)勵(lì)磁軟件

33、，我們發(fā)現(xiàn)SIEMENS勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件在下列環(huán)節(jié)中，明顯不同于國內(nèi)勵(lì)磁軟件，具有鮮明的國外特色。31 勵(lì)磁電壓穩(wěn)定控制器：在自并勵(lì)勵(lì)磁控制程序中，SIEMENS勵(lì)磁調(diào)節(jié)器設(shè)置勵(lì)磁電壓負(fù)反饋控制環(huán)節(jié)，既有利于勵(lì)磁電壓的快速穩(wěn)定，又相應(yīng)提高了自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)響應(yīng)速度。從這一點(diǎn)看，勵(lì)磁電壓負(fù)反饋環(huán)節(jié)，相當(dāng)于勵(lì)磁控制中的一個(gè)微分I環(huán)節(jié)。如果勵(lì)磁調(diào)節(jié)中引入勵(lì)磁電壓反饋量，就可以利用Uf/If來計(jì)算實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)子電阻，從而按照已知的20C 時(shí)的轉(zhuǎn)子繞組電阻，以及銅導(dǎo)體的電阻隨溫度線性變化的曲線，計(jì)算出轉(zhuǎn)子繞組運(yùn)行溫度。一旦轉(zhuǎn)子繞組溫度過高，就發(fā)報(bào)警信號(hào)。三峽勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的這個(gè)新功能很有實(shí)用價(jià)值。SIEMENS勵(lì)磁利用

34、勵(lì)磁電壓反饋量，還設(shè)計(jì)了一個(gè)勵(lì)磁電壓強(qiáng)勵(lì)時(shí)間限制器：當(dāng)勵(lì)磁電壓強(qiáng)勵(lì)值達(dá)到80誤強(qiáng)勵(lì)值且時(shí)間超過20秒，就進(jìn)行通道切換。分析這個(gè)功能，可以說是一個(gè)誤強(qiáng)勵(lì)限制器。32 通訊： 在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的一個(gè)通道中，共有四個(gè)通訊口：本通道同操作顯示面板的通訊；本通道同調(diào)試計(jì)算機(jī)的通訊；兩個(gè)通道之間的通訊；本通道同監(jiān)控系統(tǒng)的通訊。前三個(gè)采用RS232，后一個(gè)采用PROFIBUS。通訊口多，而且通訊數(shù)據(jù)大，是SIEMENS勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的重要特色。 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的兩個(gè)通道分別接入整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)PROFIBUS環(huán)型網(wǎng)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之中。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的PROFIBUS通訊設(shè)計(jì)是雙向通訊，既可接受機(jī)組監(jiān)控裝置的命令，還能向監(jiān)控反饋調(diào)節(jié)

35、器運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)際運(yùn)行中，只采用單向通訊，只向監(jiān)控反饋勵(lì)磁運(yùn)行狀態(tài)和參數(shù)。這些參數(shù)包括：機(jī)端電壓電流、勵(lì)磁電壓電流、無功的測量和設(shè)定值等8個(gè)模擬量和勵(lì)磁投切等4個(gè)字節(jié)的開關(guān)量。 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器同監(jiān)控裝置依然保留傳統(tǒng)的點(diǎn)對點(diǎn)控制方式，并且再用420mA變送器向監(jiān)控裝置傳遞PROFIBUS通訊中的所有模擬量。這種同監(jiān)控裝置雙重化的通訊的實(shí)用價(jià)值值得探討。33 跟蹤與切換：在雙通道配置中，跟蹤是指兩個(gè)獨(dú)立的通道之間的跟蹤，其目的是為了通道之間、運(yùn)行模式之間的平穩(wěn)切換。跟蹤數(shù)據(jù)多，方式切換邏輯復(fù)雜，也是SIEMENS勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的特色之一。通道之間互相跟蹤的模擬量有6個(gè)：AVR控制信號(hào)Ureg、勵(lì)磁電壓控制器

36、輸出信號(hào)Ufreg、軟起勵(lì)值Ifsoft以及限制器測量值等。前兩個(gè)信號(hào)的含義見軟件結(jié)構(gòu)框圖3，后三個(gè)信號(hào)是起勵(lì)過程和限制器動(dòng)作中通道切換用。通道之間互相跟蹤的開關(guān)量有6個(gè)字節(jié)之多，主要包括控制命令、運(yùn)行狀態(tài)和重要故障信息等。SIEMENS勵(lì)磁調(diào)節(jié)器通道切換方式也不同于我國勵(lì)磁習(xí)慣：切換命令由工作通道發(fā)出，但由備用通道執(zhí)行。更為重要的是，備用通道時(shí)刻監(jiān)視工作通道的運(yùn)行情況，一旦發(fā)現(xiàn)工作通道不正常，就強(qiáng)行切換。運(yùn)行模式之間的切換，就是AVR和ECR之間的切換以及Q模式的投切。為了保證平穩(wěn)切換，最主要方法是即將投運(yùn)模式的設(shè)定值跟蹤當(dāng)前運(yùn)行值，此外，切換條件的確立也非常重要和復(fù)雜。在ECR切至AVR瞬

37、間，SIEMENS勵(lì)磁調(diào)節(jié)器除了采取設(shè)定值跟蹤實(shí)際值外，還在AVR控制值Ureg上采用措施：在ECR模式下，AVR的Ureg總是等于實(shí)際勵(lì)磁電壓與勵(lì)磁電壓控制器輸出值的平均值，這樣，ECR切至AVR瞬間，其控制電壓也只是在上述Ureg基礎(chǔ)上變化，對勵(lì)磁電壓的擾動(dòng)就很小。34 硬軟件自診斷：由于SIEMENS勵(lì)磁裝置輔助控制器件多，不得不設(shè)置一個(gè)輔助控制柜。為了有效的檢測這些器件的狀態(tài)，本調(diào)節(jié)器硬軟件自診斷功能強(qiáng)大，很有特色。初步統(tǒng)計(jì)三峽勵(lì)磁系統(tǒng)中自診斷器件：保險(xiǎn)和開關(guān)約50個(gè)，接觸器和繼電器約80個(gè)，變送器和傳感器約20個(gè)。對于上述任何一個(gè)元件的狀態(tài)都進(jìn)行檢測，從而得出正常與否，并作出報(bào)警、切

38、換、甚至跳閘等相應(yīng)的處理。在三峽勵(lì)磁投運(yùn)操作中，如果發(fā)生操作漏項(xiàng)現(xiàn)象，調(diào)節(jié)器就會(huì)報(bào)警并顯示，方便了電廠運(yùn)行人員進(jìn)行勵(lì)磁操作。SIMADYN D控制器還有強(qiáng)大自檢功能，也方便了電廠維護(hù)人員進(jìn)行勵(lì)磁檢修。比如，在勵(lì)磁投運(yùn)試驗(yàn)期間，某機(jī)組PLC故障，其CPU板上的數(shù)碼LED立即顯示出故障類型，并指出故障模板位置?？梢哉f，SIEMENS勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自診斷功能，使其初步具備勵(lì)磁狀態(tài)檢修能力。35 現(xiàn)場試驗(yàn)與維護(hù)：國外勵(lì)磁軟件一般都采用可編程邏輯功能圖語言，給工程技術(shù)人員的學(xué)習(xí)和維護(hù)工作帶來了極大的方便。不僅如此，三峽勵(lì)磁軟件因其考慮周全，完全滿足了三峽巨型水輪發(fā)電機(jī)組復(fù)雜的現(xiàn)場試驗(yàn)。比如在發(fā)電機(jī)升流升壓試

39、驗(yàn)和繼電保護(hù)現(xiàn)場試驗(yàn)中，THYRIPOL勵(lì)磁系統(tǒng)不僅要從自并勵(lì)工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)樗鼊?lì)方式，而且還要修改很多限制參數(shù)，對此，僅使用SIEMENS勵(lì)磁調(diào)試軟件IBS即可。在SIEMENS勵(lì)磁軟件中，專門備有現(xiàn)場試驗(yàn)錄波用的D/A通道，可以方便錄取調(diào)節(jié)器運(yùn)行中的有功、無功、勵(lì)磁電壓電流等10個(gè)模擬量。另外， 在PSS程序中設(shè)置有正弦波信號(hào)發(fā)生器，可以進(jìn)行發(fā)電機(jī)有功功率幅頻特性試驗(yàn)。在三峽勵(lì)磁裝置運(yùn)行中，對于一些不完善和不符合我國技術(shù)習(xí)慣的軟件進(jìn)行了改進(jìn)：比如按照我國技術(shù)習(xí)慣考慮三個(gè)功率柜故障、閉鎖PROFIBUS故障后AVR切ECR、將打開功率柜門就跳閘改為報(bào)警等。盡管技術(shù)改進(jìn)即簡單又方便，但我們首先要

40、同VOITH SIEMENS深入溝通，交換意見后再進(jìn)行。SIEMENS勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用OP2N顯示面板，相對于國內(nèi)部分產(chǎn)品采用觸摸屏計(jì)算機(jī)而言，尺寸小，數(shù)據(jù)顯示和通訊能力不夠強(qiáng)大，使其在現(xiàn)場試驗(yàn)和故障錄波分析方面有所欠缺。但簡單的顯示和操作界面，對于電廠運(yùn)行和維護(hù)人員是合適的。在這個(gè)顯示面板，有一個(gè)百分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)換鍵DIM，能夠?qū)@示的電氣實(shí)際值與標(biāo)么值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，非常實(shí)用。4結(jié)束語三峽左岸勵(lì)磁裝置于2003年7月投入運(yùn)行，截至2005年7月，已有13臺(tái)勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行，其運(yùn)行情況很好。SIEMENS公司于1996年推出具有32位的CPU處理技術(shù)，主頻為32MHz的SIMADYN D型控制器，采用高速、高精

41、度的數(shù)據(jù)采樣以及穩(wěn)定可靠的硬件環(huán)境，制作工藝精良，運(yùn)行可靠，深受三峽電廠的好評(píng)。SIEMENS勵(lì)磁調(diào)節(jié)器具有豐富的限制和保護(hù)功能，以及完善的自檢互檢功能，所有的操作和控制都能夠通過軟件實(shí)現(xiàn)，真正做到了勵(lì)磁系統(tǒng)的免維護(hù)。整個(gè)調(diào)節(jié)器操作簡單、維護(hù)方便，大大減輕了運(yùn)行和維護(hù)人員的工作量，適應(yīng)了現(xiàn)代化電廠“無人值班、少人值守”的要求。參考文獻(xiàn)1 竺士章發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)中國電力出版社：2005，22 本文調(diào)節(jié)器模型的簡化得到電科院劉增煌教授的指導(dǎo)。作者簡介陳小明（1959-），男，高級(jí)工程師，從事發(fā)電廠勵(lì)磁設(shè)備檢修與維護(hù)工作，。胡先洪（1965-），男，工程師，從事水電廠測控設(shè)備檢修與維護(hù)工作。The

42、 analysis about software configuration flow charting and characteristic of TGHP Excitation systemCHEN Xiao-ming，HU Xian-hong，ZHANG jun（Three gorges hydropower plant, Yichang, Hubei, 443113）Abstract：This article introduce the hardware and software of SIEMENS excitation system regulator in Three Gorge

43、s Hydropower Plant(TGHP) . In this article , the author analysis the software configuration flow charting and characteristic curve of each limiter in detail and discuss the characteristic of overseas excitation software .Key Words:SIEMENS，THYRIPOL，SIMADYN-D，STRUC，IBS，software of excitationAs of Microsoft Internet Explorer 4.0, you can applmultimedia-style effects to your W