NES5100介紹-職業(yè)教育-在線

NES5100勵磁系統(tǒng)介紹南瑞集團電氣控制分公司2008-07-25勵磁調(diào)節(jié)器運行在自動方式和手動方式的基本工原理相同，即通過比較測量反饋值與參考值（有別設(shè)定值）的誤差，計算出控制電壓（自動方式下還過一個欠勵限制環(huán)節(jié)），再經(jīng)過轉(zhuǎn)子電壓反饋產(chǎn)生控硅的控制角，輸出相對于同步電壓理想自然換流有一定相位滯后的觸發(fā)脈沖。一、勵磁調(diào)節(jié)器基本工作原理、勵磁調(diào)節(jié)器自動調(diào)節(jié)功能勵磁調(diào)節(jié)器自動方式的閉環(huán)控制對象為機端電壓。當(dāng)調(diào)節(jié)器運在自動方式且沒有發(fā)生欠勵限制時，如果發(fā)電機的機端電壓高參考值，則調(diào)節(jié)器減小控制電壓，進而增大可控硅的控制角，得發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓下降，減小發(fā)電機勵磁電流，使發(fā)電機機端壓回到參考值；如果發(fā)電機機端電壓低于參考值時，調(diào)節(jié)器增控制電壓，進而減小可控硅的控制角，使得發(fā)電機轉(zhuǎn)子電壓上，增大發(fā)電機勵磁電流，維持發(fā)電機機端電壓為參考值。其控簡圖如圖1所示。圖中Ugset為發(fā)電機機端電壓設(shè)定值，Ugact發(fā)電機端電壓實際值，Uk為控制電壓，Vs為勵磁電源電壓，T為發(fā)電機端電壓采樣時間常數(shù)，TF為發(fā)電機勵磁電壓反饋時間數(shù)，PI為比例-積分控制，TSCR、Tg分別為可控硅整流橋等效間常數(shù)和發(fā)電機等效時間常數(shù)。圖1發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器自動控制原理簡圖三、勵磁調(diào)節(jié)器手動調(diào)節(jié)功能勵磁調(diào)節(jié)器手動調(diào)節(jié)的閉環(huán)控制對象為勵磁電流。當(dāng)調(diào)節(jié)器運行在手動方式時，如果發(fā)電機的勵磁電流高于設(shè)定值，則調(diào)節(jié)器減小控制電壓，既增大可控硅的控制角，進

而減小發(fā)電機勵磁電流，使發(fā)電機勵磁電流回到設(shè)定值；如果發(fā)電機勵磁電流低于設(shè)定值時，調(diào)節(jié)器增大控制電壓，既減小可控硅的控制角，增大發(fā)電機勵磁電流，維持發(fā)電機勵磁電流為設(shè)定值。其控制簡圖如圖2所示。圖中Ifset和Ifact分別表示發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流的設(shè)定值和實際值。圖2發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器手自動控制原理簡圖全冗余結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制器，最大可以配置三個軟、硬件配置相同且互相獨立工作的控制單元，可配置多達8臺大功率可控硅整流柜，為發(fā)電機組提供勵磁功率每套勵磁調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)電源和脈沖電源完全獨立，且均采用交直流雙路供電，交、直流任一路掉電均可保證系統(tǒng)工作電源和脈沖電源的無擾動。每套勵磁調(diào)節(jié)器所有組件均完全獨立，互不公用，互不干擾。保證一套調(diào)節(jié)器發(fā)生任意故障時不會影響其它調(diào)節(jié)器的正常工作，從而保證系統(tǒng)的可靠運行四、NES5100勵磁調(diào)節(jié)器硬件平臺全冗余結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制器，最大可以配置三個軟、硬件配置相同且互相獨立工作的控制單元，可配置多達8臺大功率可控硅整流柜，為發(fā)電機組提供勵磁功率每套勵磁調(diào)節(jié)器的系統(tǒng)電源和脈沖電源完全獨立，且均采用交直流雙路供電，交、直流任一路掉電均可保證系統(tǒng)工作電源和脈沖電源的無擾動。每套勵磁調(diào)節(jié)器所有組件均完全獨立，互不公用，互不干擾。保證一套調(diào)節(jié)器發(fā)生任意故障時不會影響其它調(diào)節(jié)器的正常工作，從而保證系統(tǒng)的可靠運行NES5100勵磁調(diào)節(jié)控制單元以ARM芯片為自動通道計算控制核，F(xiàn)PGA為I/O中心、DSP為純手動通道計算控制核心，構(gòu)成了三U系統(tǒng)。以ARM為主，配置A/D、D/A、FPGA、ETHNET、FLASH、N、DSP從而構(gòu)成勵磁調(diào)節(jié)CPU板；加上模擬量板、開關(guān)量板、步板、脈沖放大板，電源板等構(gòu)成勵磁調(diào)節(jié)控制單元。外部電流和電壓輸入經(jīng)模擬量板的隔離互感器隔離變換后，由

通濾波器輸入至模數(shù)變換器，經(jīng)采樣處理后，形成各種采集量。制信號、現(xiàn)場狀態(tài)信號由開關(guān)量板進入，經(jīng)光電隔離后形成可信號。出狀態(tài)信號由開關(guān)量板繼電器輸出。制脈沖由脈沖板隔離放大后輸出。ARM為中心的CPU板完成勵磁調(diào)節(jié)器的對外通訊功能，包括

485、RS232、LAN等。ARM和DSP之間通過串口交換信息。通道間通過雙CAN網(wǎng)絡(luò)通訊，雙CAN網(wǎng)絡(luò)互為熱備用。板間通過總線板交換信息，有部分使用SPI通訊?？驁D見圖3圖3

NES5100勵磁調(diào)節(jié)控制單元硬件框圖板件布置NES5100

單通道的單板插件圖單板編號單板名稱EX01脈沖電源板EX02系統(tǒng)電源板EX03CPU板EX04模擬量板EX05同步電壓板EX06開關(guān)量板EX07擴展開關(guān)量板EX08脈沖放大板軟件構(gòu)架五、NES5100勵磁調(diào)節(jié)器軟件構(gòu)架自動通道軟件組成包括三個方面：嵌入式操作系統(tǒng)、人機交互程序以及勵磁應(yīng)用程序。嵌入式操作系統(tǒng)部分包括操作系統(tǒng)本體，還包括硬件底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)任務(wù)配置、系統(tǒng)中斷配置等。人機交互的核心程序主要處理通信任務(wù)。勵磁應(yīng)用程序包括兩個部分：主流程和控制調(diào)節(jié)程序。主流程完成勵磁應(yīng)用程序的初始化以及機組狀態(tài)的判斷等功能；控制調(diào)節(jié)程序完成所有的勵磁控制調(diào)節(jié)功能，確保了控制調(diào)節(jié)的快速和精度。1、勵磁應(yīng)用程序主流程主流程完成機組狀態(tài)的判斷以及各狀態(tài)下的初始化功能。程序中，機組狀態(tài)分為：空閑、等待、開機、停機四種狀態(tài)。程序根據(jù)上一次流程判斷出機組的運行狀態(tài)，對各狀態(tài)進行相應(yīng)的初始化，同時再次判斷機組狀態(tài)，以便下一次流程中使用。主流程框圖見圖4圖4主流程框圖2、勵磁應(yīng)用程序控制調(diào)節(jié)程序NES5100勵磁調(diào)節(jié)器的主要任務(wù)是維持發(fā)電機機端電壓水平穩(wěn)定，從而維持機組的一定的負(fù)荷水平，同時對發(fā)電機定子和轉(zhuǎn)子側(cè)各電氣量的進行測量及限制、保護處理，并對自己進行不斷的自檢和自診斷，發(fā)現(xiàn)異常和故障，及時報警并切換到備用通道。勵磁控制調(diào)節(jié)程序是勵磁調(diào)節(jié)器的核心程序，完成了上述的任務(wù)。六、NES5100勵磁調(diào)節(jié)器軟件功能1、軟件變送器√高速的交流采樣√先進的數(shù)字計算方法√采樣冗余檢測精巧復(fù)雜的軟件變送系統(tǒng)是形成NES5000高性能的關(guān)鍵。發(fā)電機的電壓互感器（PT）是（發(fā)電機端電壓）自動調(diào)節(jié)器，大多數(shù)限制器，以及保護功能所需的控制信號源。該系統(tǒng)以高速的同時對交流波形采樣，并且軟件中采用先進的數(shù)字計算方法，以數(shù)字形式得出所需的各種變量。2、電壓給定和調(diào)節(jié)√PID控制器√調(diào)差功能√自動跟蹤√起勵發(fā)電機勵磁不足反映在各個電氣參量中，主要表現(xiàn)為：勵磁電流低、進相深度大（負(fù)無功功率大）和定子電流增大，為保證發(fā)電機安全運行，針對反映低勵磁的主要電氣量有相應(yīng)的限制手段勵磁過流過熱限制也稱為勵磁過電流反時限限制，主要用來防止轉(zhuǎn)子回路過熱。發(fā)電機磁場過流過熱是發(fā)電機運行過程中常見工況，當(dāng)系統(tǒng)電壓較低時，發(fā)電機輸出無功過大，發(fā)電機勵磁電流超過其最大允許長期連續(xù)運行電流，必須對勵磁電流進行限制，防止長時過流導(dǎo)致過熱損壞發(fā)電機勵磁繞組。勵磁繞組發(fā)熱與勵磁電流平方和維持時間的乘積成正比關(guān)系，即磁場電流及其允許運行時間成反時曲線，電流越小，允許允許時間越長瞬時過勵限制，或者稱為強勵頂值限制。其作用是防止在調(diào)節(jié)過程中發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流瞬時超過容許的強勵頂值。其與前述過勵限制有兩點不同：1．其定值是強勵容許值，不是長期允許值；2．動作是瞬時的，不是按發(fā)熱積累考慮的延時。發(fā)電機運行時，發(fā)電機端電壓與發(fā)電機頻率的比值有一個安全工作范圍，當(dāng)伏赫茲比值超過安全范圍時，容易導(dǎo)致發(fā)電機及主變過激磁和過熱現(xiàn)象，因此當(dāng)伏赫茲比值超出安全范圍時，必須限制發(fā)電機端電壓幅值，控制發(fā)電機端電壓隨發(fā)電機頻率變化而變化，維持伏赫茲比值在安全范圍內(nèi)3、限制器√低勵限制器√轉(zhuǎn)子過流過熱限制器√無功功率過勵限制器√瞬時強勵限制器√V/Hz限制器過欠勵限制器取低值電力系統(tǒng)穩(wěn)定器取高值機端電壓SAVR整定值欠勵限制器過勵限制器PID本功能將測量的三相反饋電壓與PPT（勵磁變壓器）副邊來三相電壓進行比較以及與儀表用PT電壓比較，并通過正負(fù)序檢測判斷單相故障。如果測量的電壓消失，或者它是單相的，這時就會切換到手動調(diào)節(jié)模式，并提供一個報警輸出。如果功率模塊（即整流橋）的輸入電源是從某一廠用母線段到來，則必須提供某種其他的三相電源的作為參考，該電源直接與運行的發(fā)電機端電壓相關(guān)。4、保護器√PT斷線√過電壓保護√低勵保護√過激磁保護PSS的控制算法是以IEEE

Std.421-5中PSS1A和PSS2A為基礎(chǔ)的，2種PSS可選，信號輸出通道可選，便于試驗5、附加控制器PSS電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）的目的是通過引入一個附加的反饋信號，增加弱阻尼或負(fù)阻尼控制系統(tǒng)的正阻尼系數(shù)，以抑制同步發(fā)電機的低頻振蕩，提高發(fā)電機組（線路）最大輸出能力，有助于整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性。模型見圖5圖5

PSS模型人機接口(HMI)負(fù)責(zé)勵磁系統(tǒng)的信息顯示及作為操作人員的維護操作接口，HMI系統(tǒng)硬件由一臺觸摸式平板電腦組成，采用windows

xpe

或windows2000操作系統(tǒng)，軟件為配套開發(fā)的勵磁監(jiān)控專用軟件。HMI系統(tǒng)采用了OPC（OLEfor

ProcessControl）技術(shù)，OPC作為一個有效的數(shù)據(jù)交換工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，在工業(yè)控制中獲得了廣泛的應(yīng)用。OPC技術(shù)為HMI系統(tǒng)帶來了良好的擴展性和可靠性。在電廠內(nèi)部局域網(wǎng)中，操作和管理人員可通過勵磁監(jiān)控專用軟件或web瀏覽器授權(quán)訪問勵磁調(diào)節(jié)器的實時數(shù)據(jù)。四、NES5100調(diào)節(jié)器智能維護顯示系統(tǒng)主界面由系統(tǒng)的拓?fù)鋱D及常用信息顯示模塊組成。拓?fù)鋱D由工程實施人員根據(jù)現(xiàn)場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用各個已開發(fā)完畢的元件模塊組態(tài)生成，無需再進行編碼。當(dāng)系統(tǒng)某個元件故障時，對應(yīng)模塊出現(xiàn)文字提示并閃爍。鼠標(biāo)移至元件上雙擊即可進入查看該元件詳細(xì)信息。需切換到其它界面時，用Alt+F2鍵召喚出導(dǎo)航條。智能維護和顯示系統(tǒng)1、主界面系統(tǒng)拓?fù)浣缑嬗梢幌盗凶孕虚_發(fā)的發(fā)電機系統(tǒng)部件控件組成。如定子控件、轉(zhuǎn)子控件、功率柜控件、數(shù)據(jù)流覽控件、AVR控件、PT控件、CT控件、勵磁變控件、主勵磁機控件、副勵磁機控件、整流橋控件、可根據(jù)這些控件靈活組態(tài)出電廠的不同勵磁形式而無需編碼。圖是三機系統(tǒng)的拓?fù)浣缑?。系統(tǒng)拓?fù)浣缑嬷?，發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子、功率柜、勵磁變、AVR控件雙擊可進入具體界面查看詳細(xì)信息。當(dāng)勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)相應(yīng)故障、限制或告警時，拓?fù)湟晥D中AVR控件會分別以紅、黃、紫三色閃爍并有相應(yīng)文字提示。PT斷線故障時，PT控件以紅色閃爍并相應(yīng)文字提示。智能維護和顯示系統(tǒng)主界面調(diào)節(jié)器界面分為數(shù)據(jù)顯示、參數(shù)設(shè)置、系統(tǒng)報警三大模塊。數(shù)據(jù)顯示模塊顯示與調(diào)節(jié)器相關(guān)的模擬量、頻率、狀態(tài)、開關(guān)量等信息。參數(shù)設(shè)置允許授權(quán)人員對軟壓板，采樣系數(shù)等參數(shù)進行設(shè)置。為方便使用，設(shè)置的值能以百分值、實際值、碼值三種方式來設(shè)定。智能維護和顯示系統(tǒng)2、AVR界面調(diào)節(jié)器元件中的系統(tǒng)報警模塊顯示勵磁系統(tǒng)的告警、故障、限制信息。為方便用戶進行故障診斷和維護，當(dāng)鼠標(biāo)移至故障處，出現(xiàn)相應(yīng)的故障原因和解決措施。智能維護和顯示系統(tǒng)3、AVR界面信息顯示有圖形和表格兩種顯示方式，重要數(shù)據(jù)用圖形顯示。表格中顯示的數(shù)據(jù)和該數(shù)據(jù)是否能被設(shè)置均在工程實施階段組態(tài)設(shè)定，無需編碼。由于通信協(xié)議具有自解釋功能，表格中數(shù)據(jù)顯示能方便地以百分值、實際值、碼值三種方式顯示。當(dāng)組態(tài)設(shè)定某參數(shù)能被設(shè)定時，運行時該參數(shù)授權(quán)后能被寫入。智能維護和顯示系統(tǒng)4、功率柜界面故障日志由OPC

Server記錄，當(dāng)設(shè)定的故障、限制、報警點由0置1或由1返回時，OPC

Server記錄并存儲，NES_HMI負(fù)責(zé)查詢顯示可設(shè)定區(qū)間，AB套，故障類型進行查詢，當(dāng)查詢記錄超過1000條時，故障日志模塊只顯示最近日期的1000條記錄智能維護和顯示系統(tǒng)5、故障日志參數(shù)設(shè)置模塊對勵磁系統(tǒng)定義的參數(shù)進行設(shè)置，如PID參數(shù)，過欠勵參數(shù)等。雙擊表格中的設(shè)置值欄，初次進入的話將彈出授權(quán)窗口，只有用戶名和密碼正確后才能進行參數(shù)設(shè)置。參數(shù)可以百分值、實際值、碼值三種形式來設(shè)置，系統(tǒng)自動計算轉(zhuǎn)換成碼值。參數(shù)設(shè)置成功后，點擊“參數(shù)寫入A套flash”按鈕或“參數(shù)寫入B套flash”，參數(shù)將燒入相應(yīng)flash，今后調(diào)節(jié)器重新啟動后，參數(shù)能保持當(dāng)前設(shè)定值。寫入到Flash過程中，會暫時關(guān)閉中斷，請確保寫入的是從套調(diào)節(jié)器。智能維護和顯示系統(tǒng)6、參數(shù)設(shè)置界面下端用tab控件分成4部分，分別為過勵曲線、欠勵1段、欠勵2段、欠勵3段曲線。界面上端直觀地圖示了根據(jù)機組參數(shù)計算出來的各條過欠勵參考曲線（機組參數(shù)的輸入見通訊變量組態(tài)生成模塊）。此外，當(dāng)機端電壓超過90％時，系統(tǒng)開始計算當(dāng)前運行點，并以動畫形式顯示在坐標(biāo)圖上，用戶可直觀了解當(dāng)前發(fā)電機的運行工況。每條曲線有5個控制按鈕，分別為“采用自動數(shù)據(jù)”，“四點擬合”，“A套回讀”，“B套回讀”，“下發(fā)Flash”。對應(yīng)過勵曲線，單

擊“采用自動數(shù)據(jù)”按鈕將把轉(zhuǎn)子熱穩(wěn)定曲線作為數(shù)據(jù)源。對應(yīng)欠勵1段曲線，單擊“采用自動數(shù)據(jù)”按鈕將把考慮靜穩(wěn)裕量的穩(wěn)定邊界2和失磁配合圓的右端邊界作為數(shù)據(jù)源。欠勵2段和欠勵3段則將欠勵1段曲線相應(yīng)平移而得。電廠較常使用的情況是用4點擬合法得到過欠勵曲線。為此各條曲線均設(shè)置了“四點擬合”按鈕。單擊按鈕，彈出四點擬合窗口。欠勵1段曲線的窗口界面如圖。按照電廠的使用習(xí)慣，四點擬合的無功、有功坐標(biāo)點均采用實際值，單位分別為Mvar，MW，同時要求有功是逐漸遞增。智能維護和顯示系統(tǒng)7、機組運行點顯示以及PQ曲線設(shè)置試驗錄波是勵磁調(diào)節(jié)器現(xiàn)場試驗的重要部分，導(dǎo)航條中單擊“錄波”圖標(biāo)，進入試驗錄波模塊。由于錄波過程是手動停止，需要了解勵磁調(diào)節(jié)器的一些重要參數(shù)的變化情況，因此錄波界面設(shè)置了數(shù)據(jù)流覽分頁窗口。智能維護和顯示系統(tǒng)8、錄波以及分析為方便進行系統(tǒng)故障診斷，NES_HMI提供了采樣示波器模塊。該模塊以100ms的刷新頻率對勵磁調(diào)節(jié)器24個采樣通道進行數(shù)據(jù)采集和圖形顯示。用戶能方便地查看A套或B套調(diào)節(jié)器的任意通道的采樣實時數(shù)據(jù)。智能維護和顯示系統(tǒng)9、采樣示波器智能維護和顯示系統(tǒng)10、階躍試驗該模塊供調(diào)試人員在現(xiàn)場調(diào)試時對調(diào)節(jié)器的控制模式進行切換，以檢驗調(diào)節(jié)器的切換特性。調(diào)節(jié)器內(nèi)部的控制模式有：電壓閉環(huán)、電流閉環(huán)、定角度、無功閉環(huán)、功率因數(shù)閉環(huán)幾種。智能維護和顯示系統(tǒng)11、模式切換勵磁調(diào)節(jié)器的變量（包括模擬輸入量、開關(guān)輸入量以及程序內(nèi)部臨時變量）間的邏輯關(guān)系隨電廠環(huán)境不同而變化，且經(jīng)常需要工程人員在現(xiàn)場修改源碼。現(xiàn)場直接修改源程序容易導(dǎo)致程序版本過多及核心程序泄密的問題。因此，國電自動化研究院電氣控制研究所/南京南