励磁调节器方案.doc

东北电网有限公司科技项目计划申请书（代可行性研究报告）项目名称：水轮发电机组NI cRIO新型励磁调节器研究与开发负责单位：丰满发电厂协作单位：沈阳华易电力科技有限公司 项目类别：综合自动化项目起止年限：2008年01月至2009年01月填报单位： （盖章）填报日期：2007年11月10日一、项目内容、目标和技术指标在目前的水电厂励磁调节器实际应用产品中，主要有以下几种产品在用户的现场中使用：1、进口产品，这包括ABB公司、西门子公司、GE公司等国外大型跨国公司。2、国内则以南自、广科所为代表，也包括河北工业大学、清华吉思等占市场份额不大的中小型公司产品。3、原理上大致分为如下三个体系：1)、以传统PLC为核心的励磁调节器系统，系统特点是有较高的可靠性，但系统时间常数较大。其产品主要针对小型发电机组。2)、以工业控制计算机为核心的励磁调节器，广科所是以104总线工业控制计算机为核心开发的产品，104总线的优点是计算机成本相对较低，传统板卡比较丰富，方便产品开发。但104总线已经是20世纪80年代的技术，相比较当今的科技水平104总线以渐渐淡出工业控制领域。3)、以32位单片机及DSP技术自行开发的励磁调节器产品，这个方面是以南自院的产品最为典型。产品特点是运用了32位单片机及DSP技术，符合当今技术发展趋势，整体的单片机水平完全满足常规励磁调节器的实际应用。但在过去实际应用中频繁出现问题的现象来看，国内自行开发的单片机在原理上是先进的，而在产品的工业化设计和加工中，突出的表现出产品工业化设计和工业化生产方面的滞后，最终导致产品故障率增高，产品没有现场要求的高可靠性能。纵观以上在励磁调节器领域国内外产品的现状，真正在价格上适合国情的产品是国产的产品，同时有较及时的售后服务。而在先进性和可靠性上有突出优点的产品是国外大公司的进口产品，但他们价格昂贵，技术沟通困难。针对这些方面的问题，我们进行了长时间的探索和技术上的论证，试图找到一个两全其美的励磁调节器解决方案。在充分的结合励磁调节器现场实际需要及目前市场成熟技术和产品发展的水平，提出全新的励磁调节器解决方案。目的是超越国内现有产品技术及工业化设计水平，同时考虑未来的全数字化发展及建立复杂数学模型的快速运算能力。下面将论证达到以上目在技术上及后期产品化生产的可行性。在本科研项目中，我们提出建立“水轮发电机组综合数字励磁调节器系统”的概念，其中心思想是使得新一代励磁调节器达到超越国内一线产品、减少与国际上一流产品差距之目的。在本项目中，将以美国 NI cRIO系列模块化工业级数据处理和控制产品为核心，取代传统国内励磁调节器核心控制部件所广泛使用的PC104、DSP及PLC等部件。美国 NI cRIO 是一款嵌入式实时控制器，具有200MHz Pentium级别的处理器，适于确定可靠的实时应用。NI cRIO-9004具有用于文件存储的64MB DRAM内存和512MB非易失的CompactFlash存储介质。具有用于网络编程通信的10/100 Mb/s以太网端口、内置式Web(HTTP)和文件(FTP)服务器。借助远程面板Web服务器，可自动发布LabVIEW实时应用的前面板图形化用户界面，从而实现多用户远程监控。工作电压为9-35 VDC双电源输入，且小功率消耗。美国 NI cRIO系列模块化工业级数据处理和控制产品是高可靠性的工业级产品，国内甚至在军事领域已经在采用。美国NI公司为配套自己独立个性化的产品体系，同步推出了支持NI公司全部硬件标准（同时亦支持满足国际标准的其它公司的硬件）的可视化编程软件NI LabVIEW。经过长期的完善和发展，今天，该软件已经成为广泛用途的工业控制、数据检测和分析领域里的最广泛应用编程工具软件。最突出特点是先进和其所生成的用户程序的高可靠性两方面。由于NI公司过去一直是美国军方供应商，在国内工业上的应用只是在最近几年内才得到一定程度上得到推广在这个项目中，采用美国 NI cRIO系列模块作为励磁调节器的数据采集、触发同步、电流、电压波形还原、数字I/O、人机界面、故障监测、时钟同步、数学模型运算等核心处理功能，且具有高速以太网接口。由于其高速和高时实性能对未来随时增加的复杂数学模型具有极强的适应能力，同时，该硬件体系极高的可靠性避免了过去国内励磁调节器核心部件频繁出现故障的问题。本科研项目最终达到的技术指标如下：1) 按发电机机端电压偏差进行PID调节的自动励磁调节功能；2) 长期运行时，11倍额定励磁电流限制;3) 过励限制；4) 欠励限制；5) V/F限制；6) 电压跟踪;7) 电力系统稳定器(PSS);8) 无功功率调节;9) 恒功率因数调节；10) 定子电流限制；11) 软件移相触发控制；12) 软件调差和调差率大小给定；13) 软件实现发电机机端电压的数字给定；14)故障自动检测和通道自动切换;15) 软件实现PT断相检测及通道自动切换；16) 通道间自动跟踪功能，可保证通道间无扰动切换；17) 调节器具有软起动功能，实现了无超调起励；18) 调节器有自起动与自停功能，接受到开机令时自动升压至给定值，停机后自动返回至空载位置；19) 正常停机时自动逆变灭磁。20)全数字化两通道模拟（有手动功能）通道配置。二、技术分析及论证本项目中，使用了两大关键技术。其一是：美国 NI cRIO系列模块化工业级数据处理和控制产品。其二是：NI LabVIEW软件。前者是美国NI公司已经多年成熟运用在美国军事、航天、IBM公司生产线、惠普公司生产线、福特公司生产线、长春一汽生产线、中国空军等要求极为严格领域的成熟产品，过去一直是美国禁止出售到中国的产品。可见其在技术上的先进程度。在全球范围内，目前尚没有将其用于励磁调节器的应用场合。经综合分析NI公司系列硬件产品，在可靠性方面，所有数据处理模块均以达到或超过PLC的可靠性水平，平均无故障运行时间在15万小时以上。在技术上，NI之PXI总线是PCI总线的工业化产品，软件平台是WINDOWS 操作系统。由于硬件系统是在PC计算机之PCI总线上发展而来，这样，整个硬件系统具备高速数据传输的能力，为高速数据采集、同步数据采集、事故过程的记忆和存储提供了可靠的保障。同时，具有强大的兼容能力，本系统在硬件数据平台的支持下，几乎可以完成现场任何方面数据分析之要求。可视化编程软件NI LabVIEW是美国及欧洲在工业控制领域应用最为成熟和高可靠性的产品。其在全球拥有及其广泛的用户群体。1、 国内外现状及发展趋势：在国内常规电站的设计和已经运行的电站中，几乎无例外的采用的是大家熟知的常规励磁调节系统。而国外大型公司由于其无可比拟的经济及技术实力，他们的励磁调节器系统几乎都是完全自己开发的、技术上封闭的系统，由于他们具备完善的科研、开发、设计、生产能力，所以其产品虽然在技术上并不是十分的超前，但在系统的科学性、实用性、可靠性、安全性、扩展性等诸多方面都给予了最充分的考虑和优化，所以其最终到达用户现场的产品都有极高的可靠性。而国内产品过去由于受技术条件、开发条件及工业化能力限制，长期徘徊在一个初级产品阶段。不同厂家的产品随各有特点，但他们几乎经不起认真的工业化产品推敲，而且产品质量不稳定已经是过去几十年都没有彻底解决的问题。同一个公司在历史的不同阶段所生产的产品其质量差异非常之大，这导致用户频繁的更换厂家，现场设备更新周期缩短，用户设备维护成本显著提高。在这种现状之下，我们试图通过能力，使得励磁调节器在现阶段最新技术条件下，有一个完全彻底的质量上的跨越。这是本项目提出的基本出发点。2、 技术关键分析：本项目需要解决的技术问题有以下几个方面：a) 建立准确、可靠励磁调节器硬件平台，对于硬件系统的合理优化，并根据不同的机组特性进行整合是硬件系统平台成功的关键。b) 在本项目中，将主要完成新一代励磁调节器系统的建立。除常规调节和控制是完全的智能化之外，系统的自动自诊断亦是本项目的重点。系统任何故障都包含在自身的监测系统中。c) 三组励磁调节器系统自动跟踪与智能切换，建立软件级切换人工专家分析模块（软件），几乎达到最优切换。d) 科学的解决测量传感器接口是发挥本系统优势的关键所在。3、技术方案论证和结论意见：本项目在实现方法上，采用的是目前市场上十分成熟的美国NI 公司的硬件产品及软件开发工具，只是我们用完全不同的理念把它用在水轮发电机组励磁调节器系统之中。整个系统无论是硬件还是开发软件，都是经过美国NI公司长期测试和严格生产的产品，有着几乎到达军工标准的产品品质。而我们只要正确的完成现场信号的处理和整合、符合工业标准的抗干扰措施、建立可靠的相应保护及脉冲放大等周围电路，加之高效的后期编程，整个设备将是目前世界上最为先进的水轮发动机组了励磁调节系统。三、经济效益预测1、 直接经济效益：本系统最大的优势是极高的系统集成度、近乎进口产品的稳定性、目前所有励磁调节器中技术最先进的产品。他可以大大的节约现场工作人员的劳动强度，减少设备维护量。在这方面每年每台机组的维护费节约大概在3万以上。全厂平均每年30万元以上的经济效益。2、 间接经济效益和社会效益（包括对电网有关管理、产品质量、安全技术、环境保护等所发挥的作用）该项目的主要作用是提高水轮发电机组励磁调节器可靠性和安全性水平，它将在以下两个方面发挥重要的作用：A) 提高机组运行稳定性，如果加入鲁棒技术，则可大大提高电力系统在出现事故的情况下的稳定性。B) 缩短设备更换周期。C) 以最小的成本与场内已经形成的监控系统进行节点式链接。D) 可随时增加功能的软硬件体系，单纯加入的专家分析软件将使得系统具有更加广泛的使用范围。提高了励磁调节系统的可升级性能，这是目前任何励磁调节器所不具备的。四、经费1、经费和进度：年度自筹局投资进度备注2008年1-6280000元方案论证，确定模型和控制算法、部分硬件采购。2007年6月-2007年11月120000元系统开发、部分硬件采购2007年11月12月90000元系统考核及鉴定合计490000元2、经费预算：PC机，显示器 20000元机柜 9000元NI产品组件 190000元NI LabVIEW软件 56000元 一次性传感器接口 50000元系统硬件调试 30000元控制算法确定 10000元调研费 30000元系统开发 60000万协作、会议及旅差费 50000元合计： 490000元五、承担项目的技术人员分 工姓名单 位职称项目负责人宋伟新劳国强丰满发电厂总工东北公司科技部处长高工高工成员高潮王力赵启程王科峰张石佘力煌刘子平丰满发电厂副总工程师丰满发电厂生技处处长丰满发电厂生技处专工丰满发电厂生技处专工东北大学信息学院东北大学信息学院沈阳华易电力科技有限公司教高高工高工高工教授副教授高工六、本单位审查意见： 该项目经本单位技术人员长期论证，在技术与工艺上都是可行的，其最终产品在电厂的使用意义重大，并能有效的解决长期困扰发电机