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大型发电机励磁系统的研制罗景华汪大卫李宇俊鲁勇勤周平况明伟杨伟（东方电机控制设备有限公司）摘要本文通过对励磁系统特点的论述，介绍了新型励磁系统的优点，尤其是在励磁系统结构、控制器和软件设计上的进步。关键词发电机励磁系统设计1引言我国生产励磁系统已有30多年的历史，在产业结构上已初步形成规模化、标准化的体系。国内已有数家公司具备提供各种规格和型号励磁系统的能力，有些公司的产品还具有较强的市场竞争实力。但这些产品多是针对中小型发电机组而言，产品的制造工艺、技术水平与国外知名厂家相比还存在较大的差距，而能够对大型发电机组提供全套励磁设备的厂家则是凤毛麟角。目前由国内开发的励磁产品主要存在下述问题。首先，自主开发的控制器档次偏低，且更新换代比较困难。虽然自主开发能使硬件成本降低，但由于开发队伍的局限，使得控制器的技术起点低，开发出来的控制器使用范围窄、可靠性和稳定性差，难以大量推广，不能形成一定的生产规模。其次，自主开发系统的软件平台多采用汇编语言或C语言。使用这样的平台来进行软件产品的开发，不但费时费力，而且通用性差。而国外则采用功能块图形化语言进行开发，开发速度快、周期短、通用性强。国内不少项目采用散件进口，国内整机组装的途径生产励磁系统，这样势必长期依赖外国公司并受制于人，产品的大部份利润将被国外公司或散件供货商所获得，我们便无法掌握核心技术，也无法在控制设备领域掌握主动权。我公司在引进三峡电厂水轮发电机组励磁设备的基础上开展了对大型发电机励磁系统的研制，希望能够通过项目的引进，掌握国外先进设计技术、制造工艺，进一步了解国外的最新标准，通过全球采购的模式，采购世界上一流的电器部件或组件及核心控制器，使我们的技术始终保持在一个较高水平，同时又可提高产品的可靠性、降低制造成本。此外，通过开发系统的远程调试和维护工具软件，提高产品的竞争力。2励磁系统研制的主要内容(1)励磁系统由励磁调节器、可控硅整流装置及灭磁装置组成,其中励磁调节器是整个系统的控制中心，而控制器则是调节器的核心。通过对国际上各类控制器技术性能和价格的综合比对，我们选择了一款具有较高性价比的核心控制器。(2)通过研究ABB和Siemens公司励磁系统的控制软件，使用新型软件设计平台，将三峡励磁调节器的控制软件国产化；设计并完善励磁系统动态试验软件,以便于对进行装置调试和维护；开发基于Internet的励磁系统远程调试和维护工具软件，提高产品的竞争力。(3)通过与专业研发公司合作，设计开发融通讯、脉冲触发、智能均流为一体的可控硅整流装置专用控制器，提高可控硅整流装置智能化和可靠性。(4)对试验方法和手段进行改进，通过建立数字仿真系统，对大型发电机组进行仿真研究，通过试验来选取最佳的励磁调节参数。(5)研究目前国际国内可控硅整流装置所采用的各种冷却方式，针对大型机组的实际情况确定最佳冷却方式，提出结构设计方案。3励磁系统研制3.1励磁系统结构（1）励磁系统的结构框图，见图1。监控系统励磁变压器1000V0-20mA励磁电压0-20mA励磁电流6000ABAGIUUU脉冲同步反馈调节器工作站调试计算机继电器隔离开入开出UI脉冲反馈同步UUU同步反馈脉冲U励磁电压励磁电流手动显示控制站自动均流显示操作图1励磁系统框图励磁调节器是整个系统的控制中心，励磁系统的可靠性及先进性在很大程度上取决于调节器，而控制器则是调节器的核心。本设计方案设计了具有A、B、C三个控制通道的励磁调节器。A、B控制通道是从信号采集到脉冲输出完全独立的两套主调节控制通道，C通道独立具备从励磁电流信号采集到脉冲输出功能。工作时C通道实时自动监测发电机运行工况，当A、B通道均发生故障时，C通道将完成无扰动切换，以恒励磁电流方式独立完成所有的模拟和逻辑控制，满足发电机的基本运行，减少强迫停机率，提高系统的运行可靠性。（2）励磁系统采用分层控制，如图2所示。电站监控系统励磁系统工作站三通道控制器整流柜专用控制器MODBUSMODBUSA通道控制器B通道控制器C独立手动控制器功率柜1功率柜2功率柜n灭磁柜ModemInternetEarthnetPulseBus图2励磁系统分层控制图（3）励磁系统工业以太网络通讯在励磁系统中，存在多台控制器，因此，在系统设计中，采用以网络为中心的设计原则，各控制器的信息在网络上进行交换。在网络设计时侧重于下面几个原则：a.网络冗余设计，实现冗余工业以太网，互为备用，任何一路网络故障，不影响励磁系统的调节控制。b.网络抗干扰，满足恶劣的工业环境的要求，工作温度提高到－40－＋85℃，电磁兼容EMC符合EN50081-2工业级和EN50082-2工业级标准。c.在可靠性上，采用双电源24V，提高电源可靠性；采用工业级耐腐蚀、防尘、防水材料；MTBF提高到十年。d.实时性问题，为了防止以太网通讯的不确定性，采用MODBUSTCP协议，增加实时响应能力。e.为了解决MODBUS的主从控制问题，采用同一端口的多线程控制，在多线程的控制下，同一端口同时为MODBUS的主从控制器，解决控制器冗余控制的问题。f.为了防止某一个站点过多的占用通讯带宽，对每个站点都有带宽限制，防止一个站点的故障影响其余站点的通讯。3.2控制器实践经验证明，具备高速运行指标、高可靠性的先进的工控机，才能满足励磁调节器的要求。A、B控制通道的控制器选择了3UCompactPCI总线式控制器，它具有以下特点：（1）采用开放的工业标准与结构。机箱采用抗电磁干扰技术设计，具有较高的电磁兼容能力，而且抗冲击、抗震动。（2）底板完全由无源器件组成，没有任何有源器件。为板卡提供的垂直散热系统能保证板卡安全工作。（3）采用机箱后端走线的连接方式，非常方便板卡的插入和拔出，易于维护，极大减少了平均故障维修时间。（4）板卡采用满足欧洲标准的2mm针孔连接器，确保连接的绝对可靠，同时支持容错冗余和板卡的带电热拔插。（5）板卡的选择具备实用性、通用性，配置灵活且具有很强的扩展性。由于极高的系统宽带，坚固、模块化设计的欧规卡封装以及开放的软件支持，使得CompactPCI总线式控制器成为国防、航空、通讯、电力系统自动化等应用领域的理想平台。3.2.1电源系统控制器内部电源为CPS-H325电源模块，输入电压24V，电源功率250W。该电源兼容PICMG2.11规范，采用无风扇设计；抗干扰能力强、可靠性高、可进行带电热插拔，支持N+1冗余结构；具备过电压保护、过温度保护、短路保护和状态指示，能自恢复。3.2.2CPU模块CPU模块为CPCI-3500A,兼容PICMG2.0规范。采用无风扇设计，支持热插拨功能；低功耗、嵌入式CPUPentium-MMX166/266MHz，板载RAM256MB，数据处理效率、可靠性高；内置双USB口，两串口、一并口，板载Intel8255910/100Mb以太网口；一个板载144MDiskOnChip。3.2.3模拟量采样模块模拟量采样模块为CPCI9112/R高速智能多功能A/D卡，它兼容PICMG2.0规范，可以通用于CPCI总线工控机上。具备16路模拟量输入通道，12位分辨率，100kHz的A/D采样率，板载1KFIFO存贮器，实现智能采样，满足交流采样的通道数和精度要求；具备软件触发、定时触发、外部脉冲触发等三种触发功能，适应不同的要求；2路12位D/A通道，可用于自诊断或PSS调试输出。3.2.4脉冲形成模块脉冲形成模块为CPCI8554/R，32位总线的10通道定时/计数器，它兼容PICMG2.0规范，可以通用于CPCI总线工控机上。4块板载82C54可编程芯片，满足脉冲形成的要求；10通道16位减法计数器，8MHz系统时钟，满足移相范围和精度的要求；抗干扰滤波电路可以防止谐波的影响。3.2.5数字I/O模块数字I/O模块为CPCI7432/R多通道光电隔离开入、开出板，它兼容PICMG2.0规范，可以通用于CPCI总线工控机上。具有独立的32路输入和32路输出光电隔离通道；隔离绝缘电压达2500V。3.3外围电路外围电路主要包含模拟信号处理和逻辑信号的处理。模拟信号处理模块主要致力于信号的转换和传输送，模拟信号变送的关键是隔离器件要集成度高、快速交流采样和高精度。特别需要注意的是由于同步信号上有很大的干扰毛刺，所以对干扰毛刺滤波和抑制是非常重要的。另外，励磁电压和电流是含有直流分量的变量，特别是励磁电压属高压系统，部件的电气耐压能力又是一个大问题，变送起来就很困难。根据电磁规律作用选取合适的电气变送部件可以解决这个问题。逻辑信号的处理也需要考虑滤波和适应不同现场的要求。外部系统提供的电压不一致，因此逻辑处理也要分别对待，外围逻辑信号的采集和转换采用模块化设计，可减少故障，方便联接。3.4励磁系统软件励磁系统软件是整个励磁控制系统的核心，主要包括微机系统软件、基础软件、应用软件、调试软件和开发软件。3.4.1微机系统软件对微机系统软件的要求是可靠性高、运行速度快和启动时间短，具有中断功能、分时任务调度功能、磁盘管理功能、串口通讯功能、以太网通讯功能和文件管理功能。我们的系统软件采用VCE和标准的IEC61131-3编程集成开发环境，支持图形化的功能组态，可以确保控制程序高可靠运行，而且维护方便；根据上述要求，我们对微机系统软件进行了二次开发，实现定时1ms中断，作为系统的基本时钟；将任务分成1ms、5ms、10ms、20ms、40ms、100ms等不同的任务群，进行分时任务调度，确保既能高速地执行关键任务，又可以使多种任务在有限的时间里不冲突，合理调配；实现多看门狗功能，以便系统死机时，能够迅速重新启动；实现快速重启，使启动时间限制在200ms以内；实现系统格式化，满足对DOC芯片的要求；实现各种通讯接口功能，如RS232、RS485、RS422和以太网等。3.4.2基础软件基础软件具备功能完备、设计简捷、运行可靠、维护和调试方便的特点。（1）数据结构：根据不同的功能要求，每一个功能分配一个组，每一个组安排100个数组变量，共设计了100个组。这100个组以及其中任何一个变量都是全局变量，可以由任何功能调用，也可以调试软件修改和观察，使得整个应用软件就成为可视化软件，做到变量可观察、参数可修改。100个组分成二大类，一类是变量，另一类是参数。变量类只可观察，不可修改；参数类可观察，可修改。（2）功能块：功能块是为完成一些功能而设计的基本函数，它主要由输入信号、输出信号和函数体组成，功能块编程的优点是程序一目了然，可靠性高。我们编写了40多个功能块，主要包括积分、微分、最大值、最小值、数据转换、滤波、特定的逆函数、多路开关、单稳电路、R-S触发器、正弦、余弦、UVW到dq轴坐标变换、频率测量、线性插值、波形发生器、三相交流采样、有功和无功测量、开关投延时功能、开关切延时功能、低门坎触发器、高门坎触发器、PI调节器、PID调节器、计数器、存贮器、录波器等，上述功能均由功能块实现。（3）信号处理：自动电压调节器的任务是精确高速控制发电机机端电压和无功功率，因此，机端电压要实时与给定电压进行比较，经调节计算后，输出相应脉冲去迅速调整同步发电机励磁电压。通过对发电机的机端电压、机端电流、电网电压、励磁电压、励磁电流以及发电机的频率进行数据采集和数字化，通过数字化和相应的计算，得到机端电压、机端电流、机端频率、有功功率、无功功率、励磁电压和励磁电流。机端电压是三相交流量，首先对其进行数字滤波，然后进行坐标变换，得到相应的d、q分量，最后乘得发电机电压有效值；机端电流的处理与机端电压相同，不仅要测量机端电流的有效值，还要测量相对于机端电压的相位角；有功功率和无功功率是通过将机端电压、电流变换到d、q坐标系后求得，这比传流算法精度要高，响应速度快；机端频率的测量采用电压信号经累计计算而得，而没有采用中断响应的方法，提高了可靠性；励磁电压和励磁电流信号是由霍耳变送器的感应信号，经过数字滤波、校标、去除偏置影响后得到的。3.4.3应用软件对基础软件进行模拟信号数字化后，通过十个程序来完成励磁的各种控制、