Unitrol 5000 功能说明

UNITROL 5000双通道数字式静态励磁系统功能说明ABB INDUSTRIE AG上海发电设备成套设计研究所ABB UNITROLF/5000数字式励磁调节器简介 ABB_Industrie_AG位于瑞士Tugi,自1908年成功开发世界上第一台电压调节器以来，在设计制造电压调节器和静态励磁设备方面，已有近100年的经验。目前多用途的UNITROL系列数字自动励磁调节器模块，以其卓越的技术、一流的质量和完善的技术服务，每年全球范围内销售业绩近万台，为世界范围内设计和销售励磁电压调节器和静态励磁系统的中心和第一大供应商。1997年，为了引进和消化国外的先进技术进行高起点的发展，上海发电设备成套设计研究所（SPERI）与瑞士ABB公司签订协议进行紧密合作，派遣多批工程技术人员赴瑞进行技术培训，全面掌握了ABB最先进的UNITROL系列励磁系统的软硬件、工程设计方法和现场调试方法。根据双方协议，SPERI作为ABB励磁调节器在中国大陆地区的工程中心和合作生产基地，引进ABB UNITROL系列励磁调节器全套模块部件在上海总装生产（就UNITROL F而言，国产件占总价不超过3，主要为柜体和接线端子等），其制造标准和质量控制均经过瑞士ABB发电机励磁调节器设计生产部门（ABB IAR）的认可，产品主要供应国内和东南亚市场。目前，国内的ABB励磁调节系统，不论是原装还是双方合作生产产品，均由SPERI的经ABB考核认可的工程技术人员承担现场调试和售前售后服务，可使用户得到便捷可靠的技术支持。 UNITROL F和UNITROL 5000型号双通道微机励磁调节器采用了ABB目前最先进技术，应用广泛。在火电机组中，UNITROL F适用于国内600MW及以下机组的三机励磁方式和135MW及以下机组的静态励磁方式（自并励系统），而200MW及以上机组的静态励磁装置则采用UNITROL 5000系统。UNITROL F/5000双通道微机励磁调节器具有很高的可靠性,其最高平均无故障时间为45年，N-1自并励系统的平均无故障时间为25年。另外，SPERI建立有ABB UNITROL系列励磁系统完整的备品备件库。 UNITROL F/5000双通道微机励磁调节器具有响应速度快，调节精度高，调节和保护功能完善，结构紧凑，抗干扰能力强，调试运行维护简便（数字化的免维护特性，系统内无一个可调整电位器），可靠性高等特点。性能指标全面达到并超过GB/T7409.3标准和IEC2A标准要求，发电机自动零起升压过程可做到电压基本无超调、无振荡，并具备下列四种运行方式：机端恒压运行方式、恒励磁电流运行方式、恒无功功率运行方式、恒功率因数运行方式。现在，ABB的UNITROL系列励磁调节器在国内已有一百多台套的投运业绩，而SPERI和ABB合作生产的励磁调节器，订货合同已经超过100多套，投运超过50多套。例如在山东十里泉、上海石洞口一厂、深圳妈湾电厂、浙江镇海电厂、广西桂林电厂、山东邹县电厂、安徽马鞍山万能达电厂、河南姚孟电厂、新乡电厂等几十余家电厂投运至今，最长已经安全运行超过3年。目 录ABB UNITROLF/5000数字式励磁调节器简介21系统概述42机械结构设计73UNITROL 5000型励磁调节器103.1总述103.2配置和机械设计103.3主要的控制单元133.4励磁系统内的通讯153.5人-机界面153.5.1手持编程器（SPA）153.5.2现地控制面板（LCP）153.5.3CMT调试和维护工具163.5.4远程诊断183.6与电站控制系统的接口183.6.1常规I/O接口方式（利用光电耦合输入和继电器输出）183.6.2串行通讯方式194电压调节、监测和保护功能204.1概述204.2发电机电压给定和调节224.3限制器功能234.4由温度决定的励磁电流限制器274.5叠加的无功功率或功率因数控制器284.6电力系统稳定器（PSS）294.7APSS-自适应电力系统稳定器（可选项）294.8手动控制304.9监测和保护功能304.9.1控制板（COB）的软件功能304.9.2其它监测和保护功能335 可控硅整流器345.1电力电子元件345.2双配置结构355.3N-1配置结构355.4整流器接口单元（CIN）355.5门极驱动接口单元（GDI）365.6电流传感器（CUS）365.7整流器显示单元（CDP）366灭磁367起励37 功能说明前言UNITROL 5000 是UNITROL 系列的第五代励磁调节器，用于同步发电机静止励磁系统。UNITROL 5000不仅包含了它的前两代励磁调节器UNITROL F和UNITROL P的核心技术，同时还吸收了目前数字控制领域内最先进的研究成果和工艺，如DSP数字信号处理技术。UNITROL 5000系统由UNITROL F和UNITROL P平台升级而成，增添了新的精巧的解决方案和手段, 例如: 可控硅整流桥动态的、智能化的均流、低残压快速起励、以及完善的通讯功能和多种调试手段，如Windows 界面的应用程序编程（GAD开发工程工具）的软件包以及CMT调试和维护工具包。UNITROL P的ARCnet网络技术也被移植到UNITROL 5000中，用于励磁系统内各个部分的串行通讯。1 系统概述静态励磁系统利用可控硅整流器通过控制励磁电流来调节同步发电机的端电压无功功率根据图一所示的UNITROL 5000 励磁系统的框图，整个系统可以分成四个主要的功能块： 励磁变压器( -T02 ) 两套相互独立的励磁调节器（-A10，-A20） 可控硅整流器单元 G31 -G33 起励单元（-R03，-V03，-Q03）和灭磁单元（-Q02，-F02，-R02）在静态励磁系统（常称自并励或机端励磁）中，励磁电源取自发电机机端。同步发电机的磁场电流经由励磁变压器 T02、磁场断路器 Q02和可控硅整流器 G31G33供给。励磁变压器将发电机端电压降低到可控硅整流器所要求的输入电压、在发电机端电压和场绕组之间提供电绝缘、与此同时起着可控硅整流器的整流阻抗的作用。可控硅整流器G31G33将交流电流转换成受控的直流电流If。在起励过程开始时，充磁能量来源于发电机端残压。可控硅整流器的输入电压达到10V20V后，可控硅整流器和励磁调节器就可以正常工作了。随之而来的是AVR控制的 软起励过程。UNITROL 5000的这种新的起励机理和设计，将在第七章中给以更详细的说明。并网后，励磁系统可以在AVR模式下工作，调节发电机的端电压和无功功率，或者可以在一种叠加的模式下工作，如恒功率因数调节、恒无功调节等。此外，它也可以接受电厂的成组调节指令。灭磁设备的作用是将磁场回路断开并尽可能快地将磁场能量释放掉。灭磁回路主要由磁场断路器-Q02、灭磁电阻R02和晶闸管跨接器F02（以及相关的触发元件）组成。在第六章中还将详细介绍交流灭磁技术。根据系统的要求，励磁调节器可以采取单通道（-A10）的结构或者双通道（-A10和-A20）的结构。一个通道主要由一个控制板（COB）和测量单元板（MUB）构成，形成一个独立的处理系统。每个通道含有发电机端电压调节、磁场电流调节、励磁监测/保护功能和可编程逻辑控制的软件。在单通道结构中，利用一个被称为扩展的门极控制器（EGC）的分离单元作为备用通道，也就是一个手动通道。除励磁调节器外，一些接口电路如快速输入/输出（FIO）模块和功率信号接口模块（PSI）也被用来提供测量和控制信号的电隔离。此外，每个可控硅整流桥都配备一套整流器接口电路包括整流器接口单元（CIN）、门极驱动接口单元（GDI）和整流器显示单元（CDP）。UNITROL 5000还具有强大的串行通讯功能。一方面，它可以通过串行通讯实现与电站监控系统的接口，支持Modbus, Modbus+ 和 Profibus 等协议。 另一方面，在励磁系统内，控制和状态信号的交换是通过ARCnet网实现的。磁场断路器跳闸回路还附加了硬件回路。图1 UNITROL5000 静态励磁系统原理图2 机械结构设计总体UNITROL 5000 励磁系统结构紧凑，它以ABB的模块化的低压配电系统 OJALA 为基础,它的功能单元完全模块化，并根据磁场电流的额定值和顶值参数而将其标准化, 通过引入智能化均流方法而方便了标准化的设计工作。整套设备由模块化的单元组成，这些模块化的单元根据预测在库存中储备。一个典型的励磁系统包括一个励磁调节器柜、一个交流开关柜、多个功率柜和一个灭磁柜等。见图二所示。智能化均流对机械设计的影响直到最近，多个并联的可控硅整流桥间的电流分配仍然还是一个问题。没有任何一个实际的方法是完全有效的，如交流开关位置的设计，在每个桥臂的交流侧套上磁环或用长分布电缆等。在实践中，最好的结果是各个整流桥的电流分配偏差小于额定励磁电流的10%。由于采取了智能化均流措施，近乎相等的电流流经各个整流桥，若额定励磁电流较大，就可以省去一个整流桥，因为不必考虑均流不平衡的问题。此外，交流开关柜的位置无须特别的设计处理，这是因为不必考虑整流变次级线圈到整流桥的接线对均流的影响。因此，整流桥交流侧可以采用标准化的母排连接，简化了工艺，由于设计的标准化，材料的采购和制造变得越来越容易、生产周期越来越短。防护等级面板的防护等级符合IEC529及DIN 400 50标准。通常采用的防护等级有IP21和IP31。对于热带气候条件，设计时还特别考虑了柜体发热、表面防护和密封板等。柜体结构柜体包括钢底架、框架和包覆板。在柜的长度方向有独立的钢轨，以便可以移动柜体。柜体的框架是由2毫米厚的C型电镀槽钢构成的，具有足够的强度。框架上包覆1.5毫米厚的钢板，其作用是隔离和屏蔽（如防尘）。表面涂漆在装配前，柜框架和钢板的表面要经过全面的涂漆处理： 前处理包括去油脂、冲洗、电镀及高压蒸气清洗； 用烘烤磁漆涂底漆； 用RAL7032光亮漆涂面漆涂层的总厚度达555m（底漆+第一道和第二道面漆），而最外面的面漆是光滑的。更高一些的涂层厚度可根据要求提供。门把手门把手采用双销槽形式。作为可选件，可以提供带园柱形锁和双销的T型把手。主回路从交流输入到磁场断路器，包括整流桥间的相互连接，一直到直流输出回路都采用母排的形式。导线采用符合IEC 228等级5的标准的镀锡铜导线。导线的绝缘是阻燃的，不含PVC。这就意味着，即使在燃烧情况下，导线绝缘也不会产生有毒气体。各个印刷电路板之间采用扁平电缆连接。导线线径标准导线线径如下： 控制回路： 1.0 mm2 测量回路： PT回路： 2.5 mm2 CT回路： 2.5 mm2 辅助电源： 2.5 mm2 电力回路：符合相关国际标准的要求。导线颜色蓝色的电缆用于直流控制回路和及其衍生支路。黑色的电缆用于所有其它回路。接地线采用用黄/绿相间的导线。导线标号在接口端子处提供标号。端子测量和电源回路采用凤凰PHOENIX（或魏德米勒）断开式端子，最大线径为2.5mm2。控制和信号回路采用凤凰PHOENIX线夹式端子，线径为2.5 mm2。部件的标识部件的标识符合标准IEC 750和DIN 40719第二部分。图2：柜布置示意图3 UNITROL 5000型励磁调节器3.1 总述UNITROL 5000型励磁调节器是基于微机控制的数字式控制系统，主要用于大型静态励磁系统的控制和调节。UNITROL 5000 的控制电路以UNITROL F和UNITROL P平台为基础，增添了新的精巧的解决方案和手段, 例如: 可控硅整流桥动态的、智能化的均流方法、残压起励、以及完善的通讯功能和多种调试手段。UNITROL 5000还可用于供电电源频率为162/3Hz的励磁装置和供电电源取自于频率高达500Hz的交流励磁机的励磁装置。3.2 配置和机械设计UNITROL 5000型励磁调节器的核心是一块被称作COB的控制板。所有的调节和控制功能以及脉冲生成等均由COB实现。此外，还有一块带数字信号处理器（DSP）的测量单元板（MUB），用于快速处理实际的测量值。这两块板按上下层结构安装，并装入一个金属箱中，形成一个独立的调节通道。在这样的配置中，利用一个扩展的门极控制器（结构上是独立的EGC ）作为备用通道，用于磁场电流调节。另外一种配置是采用两套调节器组成一个完全冗余的系统。两个通道是完全独立的，可以在线维护。每个通道可以控制一个或多个并联的整流桥，输出励磁电流可高达10000A。采用了诸如快速I/O卡和功率柜接口板（CIN）等接口装置，用于电气隔离和信号转换。这些接口装置一般都放置在信号源相近的位置，比如功率柜接口板（CIN）安装在功率柜内。励磁系统内的信号处理，若无需实时处理，则通过ARCnet网执行。基于UNITROLR5000的励磁系统配置灵活，用户有多种选择，如图3至图9所示。图上的缩写如下：AVR 自动电压调节器FCR 励磁电流调节器BFCR 备用励磁电流调节器UG 发电机端电压的测量信号IG 发电机端电流的测量信号IF 发电机场电流的测量信号控制器的两种状态是“on-line”（在线）和“stand-by”（备用）。图3：D5E型 带一个整流器的单通道控制器图3表示了一种最少配置的UNITROLR5000系统。主控制器，即控制板（COB），提供所有调节和控制功能（包括磁场电流调节功能）。备用调节器-即扩展的门极控制器（EGC），跟踪主控制器并在主控制器故障时自动取代主控制器。在这种配置中采用无冗余的一个可控硅整流桥。图4：D5T型带全冗余双整流器的单通道控制器在这种配置中，即所谓的双配置，采用两个全冗余整流器。其中任何一个都可被选为“在线”整流器，而另一个则处于备用“状态”。这种配置通常用于额定输出电流小于2000A的系统。图5：D5S型整流器n-1型配置，调节器为单通道如图5所示，在D5S配置中，所有整流桥都同时工作。在其中一个整流桥故障的情况下，该桥被自动截止，由其余的桥平稳地承接负载。可控硅整流器被设计成，在一个整流桥故障时，能够支持所有的工作条件而无任何限制，被称作是n-1配置。图6：A5E型带单个整流器的全冗余双通道控制器图7：A5T型带双整流器的全冗余双通道控制器图8：A5S型整流器n-1型配置，调节器为双通道在图6至图8所示配置中，均采用了全冗余双通道控制器。每个通道都可以是“在线”或“备用”模式。除自动电压调节功能之外，每个通道还具有PSS、各种限制、保护、监控及手动控制等软件功能。图9：Q5S整流器n-1型配置，带备用磁场电流调节器的全冗余双通道控制器这种配置冗余度最高。每个调节通道的配置也最为齐全，包括独立的磁场电流调节器等许多功能。3.3 主要的控制单元 控制板（COB）在COB中集成了自动电压调节、各种限制、保护和控制功。COB所使用的CPU是增强型的微处理器AN80186AM，在32MHZ时钟下工作。一个专用的集成芯片（ASIC）负责交换和储存数据，控制脉冲生成、A/D和D/A转换以及与励磁系统内的其它装置接口（ARCnet网络控制器）。COB支持与本地控制单元（LCP）、手持编程器（SPA）和CMT工具的通讯。此外，它提供串行端口，具有自诊断功能（看门狗）。为了便于快速诊断和故障查找，COB配有一个七段数码显示管。典型的双通道配置如图10所示。此外，COB还配有一个瞬时记录器和故障记录器。这些记录可通过CMT工具（调试和维护工具）处理。故障记录器和瞬时记录器还可以与实时时钟保持同步。系统的特殊功能和优点在本说明书的各个部分中加以说明。 测量单元板（MUB）测量单元板（MUB）由数字信号处理器（DSP）和IntelDSP 56303构成。它能提供对实际测量值的快速处理、电气隔离以及信号转换。在测量单元板（MUB）上能实现下述功能：- 滤波和数字化交流采样- 计算磁场电流和电压、可控硅整流器的输入电流和电压、有功和无功功率、功率因数和发电机的频率- 以加速功率和频率输入信号的电力系统稳压器（PSS），其控制算法以IEEE Std. 421-2A型为基础- 自适应电力系统稳压器（替代PSS） 扩展的门极控制器（EGC）（可选项）扩展的门极控制器（EGC）在单通道配置中作备用通道，并在额定频率不同于50/60Hz的系统中用于生成脉冲。在后者情况中，它的典型应用是配合供电电源频率高达500Hz的励磁装置生成脉冲。此外，它还用于铁路电网中发电机（16 2/3Hz）的励磁装置。EGC 连同COB、MUB一起安装在金属箱中，但结构上是独立的。EGC还具有下述功能：- 磁场电流调节- 通道跟踪，以便在COB故障时实现平稳的切换- 备用瞬时过电流保护继电器（ANSI 50）- 备用反时限过电流继电器（ANSI 51）- 直流短路保护- 根据波形监测原理进行可控硅整流器导通监视- 自带电源 功率信号接口（PSI）功率信号接口（PSI）用于电气隔离，以及在磁场测量信号被送到测量单元板（MUB）之前将它们转换。 励磁调节器的电源所有的电路板的供电电源取自于24V直流母线。24V直流母线源自于两个全冗余电源组：1: 由直流源供电的DC/DC电源组2: 由励磁变压器的副边供电的AC/DC电源组3.4 励磁系统内的通讯励磁系统内的通讯是通过ARCnet网实现的,例如：这个内部的通讯线路被用于交换来自于或传递到可控硅整流器的控制和状态信号。此外，测得的数值和现地控制面板（LCP）的报警以及本地控制的命令也通过这条通讯线路发送。3.5 人-机界面3.5.1 手持编程器（SPA）多功能的手持编程器（SPA）用于服务和维护的目的。这个面板具有现地操作、设定参数以及应用程序编程的功能。励磁系统的数据（如：发电机端电压、场电流和电压）参数设定和报警可显示出来。此外，它也具有故障记录仪的功能。报警是实时显示的。面板是通过薄膜键来控制的。通过光纤电缆将其与控制板（COB）连接起来。3.5.2 现地控制面板（LCP）现地控制面板（LCP）具有优良的人机界面，可用于对励磁系统进行现地操作和监视。也可将其安装于电站中控室内，用于远方控制。面板提供下述功能： 显示分辨率为240*64，可同时显示8*40个字符。它可同时显示8个模拟量信号，或者以棒图的形式同时显示4个模拟量信号（显示比例从0到120%）。在LCP上可显示多达32个信号。通过功能键可设置显示模式，通过滚动键或翻页键进行信号选择，用光标键可选中某个显示量。 报警通知在出现警报的情况下，励磁系统的报警显示先于测量信号的显示。所显示的报警内容包括报警序号和40个字符的警报描述正文，LCP可按时间先后顺序同时显示8个报警信息。如果出现8个以上的报警，可通过操作滚动键来显示。最多可以显示80个报警信息。在报警功能键上有一个报警指示灯，每次发生报警时它就闪烁。按确认键之后，若警报还存在，指示灯始终发亮。警报消失后，报警指示灯自动熄灭。 信号和报警信息的打印 LCP内存储的信息可通过其串行接口RS-232打印出来。 所选模式的指示 每个被选模式键都配有一个指示灯，用以指示该模式被选中。 现地操作 LCP上有16个功能键用于操作，每个键都配有一个LED用以指示该键的状态。3.5.3 CMT调试和维护工具CMT是基于Windows专用调试软件，用于UNITROL 5000系统的测试、调试和维护。CMT可作为一个单独的软件包来购买，也可以装入PC机中（最好是手提电脑）。随同该软件一并提供一块PCMCIA卡和一条光纤电缆，用于连接到控制板（COB）。CMT具有以下功能：l 模拟现地控制面板对调节器进行操作，参见图13。提供录波功能，用于调试过程中的波形记录和调整AVR的调节参数。事实上，它取代了常规的测试设备如示波器、录波仪等。CMT可同时显示6个测试信号的波形，包括提供信号的缩放比例以及它们的扫描速度。所有的波形可储存、打印。图13用CMT模拟现地控制面板（LCP） 配合调节器控制板（COB）提供故障录波功能，记录故障瞬时测量信号的变化过程，以便于事后更好的分析。CMT可同时记录6个测量信号（6个通道），类似于图13所示的录波功能。每个通道的采样数量为1000个，记录时间取决于扫描速度。故障录波功能可以由故障本身触发，或者当触发信号达到设定值之后才触发。采样信号随后被保存到控制板（COB）的缓冲存储器中。触发事件、触发信号电平、故障前时间以及故障后时间等都可通过CMT设置。触发时间被记录在时间轴上，这个时间是由一个精确的内部石英定时器来确定的，该定时器是控制板（COB）的一个组成部分。通过每小时外部给予的一个脉冲，使石英定时器可以与外界时钟保持同步 。 配合调节器控制板（COB）提供事故记录功能，可记录多达100个事故及时间。也可通过手持编程器（SPA）来获取事故记录。 实时显示软件框图，如逻辑控制、PID调节、限制器、保护和监测等功能模块。这有助于实时地观察某一个具体的功能模块的输入和输出信号，并能修改系统参数（如AVR参数）。 具有编程功能，能够修改应用程序。3.5.4 远程诊断可通过公用电话网（或通过卫星）对前一节所述的CMT工具进行远程控制。为达到远程诊断的目的，应提供两台个人电脑：一台是主PC机，另一台是远程PC机，两台电脑均装有CMT工具、通讯软件和调制解调器。ABB可以提供远程诊断包，包括服务协议。3.6 与电站控制系统的接口3.6.1 常规I/O接口方式（利用光电耦合输入和继电器输出）数字量和模拟量命令以及一些状态信号是通过快速输入/输出板（FIO）传递的。每个快速输入/输出板（FIO）包括：- 16个带光电隔离的数字量输入信号，用于24V回路。- 18个输出继电器，带有转换接点用于状态指示和报警。- 4个多功能模拟量输入，输入信号为 10V 或20 mA- 4个多功能模拟量输出，输出信号为 420 mA- 3个温度测量回路用于励磁变压器温度测量，测温电阻为PTC或PT100每个系统最多可配置两块快速输入/输出板（FIO），这对于大多数系统要求是足够用的。在要求有更多的数字量输入和输出的情况下，可以增加数字量输入接口（DII）和继电器输出接口（ROI）。这两个接口由ARCnet网控制。标准的接口信号定义如表1。表1：标准的远方控制、状态和报警信号表外来命令信号状态和报警信号- 励磁起动- 励磁ON- 励磁停止- 磁场断路器合闸- 磁场断路器ON- 磁场断路器分闸- 磁场断路器OFF- 发电机断路器合闸- AUTO（自动）ON（开）- AUTO（自动）ON- MANUAL（手动）ON（开）- MANUAL（手动）ON- 叠加控制(恒无功或恒功率因数控制)ON（开）- 叠加控制(恒无功或恒功率因数控制)ON- 叠加控制(恒无功或恒功率因数控制)OFF（关）- 给定增- 给定MAX（最大）- 给定减- 给定MIN（最小）- 现地控制ON- 过励限制动作- 欠励限制动作- 跟踪到位自动/手动- 备用控制器（BFCR），如有配备ON- 报警信号ON- 发电机转速 80%励磁系统还提供了两个独立的内部跳闸信号用于发电机保护。来自发电机保护的两个跳闸信号应直接作用于磁场断路器的跳闸回路。3.6.2 串行通讯方式除了常规的I/O接口方式，UNITROL 5000型励磁系统还可配有串行通讯方式用于与更高层次的、不同规约的控制系统通讯。所有运行所需要的信号包括转换的模拟量信号，都可以通过这种方式接收或发送。可利用下述串行接口中的一种来实现与另一个智能系统的串行通讯： NMBA-01，Modbus 适配器 NMBP-01, Modbus Plus适配器 NMBA-02, Profibus适配器 AC70BAS, Advant如有要求还可以提供其它规约，这要经过协商。4 电压调节、监测和保护功能这部分介绍UNITROL 5000的主要控制功能。4.1 概述自动电压调节器（AVR）的主要目的是精确地控制和调节同步发电机的端电压和无功功率。为了实现这个目的，磁场电压必须快速地对运行条件的变化作出反应，即响应时间不超过几毫秒。为此需要一个快速的控制器，它应当不断地将给定值与反馈值进行比较，在尽可能短的时间内进行调节计算，最终去改变可控硅整流器的触发角度。UNITROL 5000型励磁调节器的调节周期相当之短，相对于模拟式励磁调节器而言，其延迟是可忽略的。调节计算完全由软件实现。模拟量信号如端电压和电流，通过模/数转换器被转换成数字信号，模/数转换器是测量单元板（MUB）的一部分。给定值及其上下限也是由软件实现的。图15给出了UNITROL5000的全部软件功能。为了更好地理解这些软件功能，我们将它们分成了不同的功能模块，并在后面加以简短的功能说明。功能模块内的号码与文字说明的号码是相对应的。图15 :UNITROL5000软件功能图4.2 发电机电压给定和调节 给定调节（1）利用数字输入命令或模拟输入信号或者通过串行通讯线路，可控制AVR给定值的增、减或预置。电压偏移时间，在上下限之间是可调整的，与控制点值范围无关。 有功和无功功率补偿（2）(3)为了补偿由单元变压器和/或传输线路上的有功或无功功率引起的电压降，将与静态的有功功率和无功功率成正比的信号叠加到发电机电压给定值。同时，为了保证多台并联运行的发电机组之间的无功功率合理分配，还必须附加调差功能，具体实现方法是将发电机电压给定值减去与静态无功功率增加成正比的信号。功率补偿范围和调差范围在-20%和+20%之间，且是可调的。 V/Hz限制器（4）为了避免发电机组和励磁变压器的铁芯磁通过于饱和，在系统中配置了V/Hz 限制器。在调节器内预置了V/Hz特性曲线，如果发电机电压对某一频率而言太高了，则调节器自动地减小给定值以降低发电机电压使其符合V/Hz特性曲线。 软起励（5）软起励功能是为了在起励时防止机端电压超调。励磁接收到开机令后即开始起励升压，当机端电压大于10%额定值后，调节器以一个可调整的速度逐步增加给定值使发电机电压逐渐上升直到额定值。 自动跟踪（6）自动跟踪功能保证了从自动电压控制模式(AUTO)到磁场电流调节模式(MANUAL)的平稳切换。切换可能是由于故障引起的自动切换（如PT断相）或人工切换。在单通道系统中，AVR的控制信号与FCR的控制信号之间的差值被用作调节器的跟踪控制。（7）在双自动通道配置中，跟踪通常是指两个独立的自动通道之间的跟踪，跟踪信号来源于运行通道控制信号和备用通道控制信号的差值。若两个通道都不能正常工作时，励磁系统就会发出跳闸命令。在单通道附加手动通道的配置中，手动通道（BFCR）自动跟踪控制板（COB）。在控制板（COB）故障时，自动跟踪保证了从控制板（COB）切换到手动通道时波动较小。 限制器的优先权（8）（9）限制功能的优先权是指过励限制或欠励限制的优先权。为了避免两个限制器同时处于激活状态（只有在故障情况下才会出现），可设定一个优先标志，选择哪组限制器（过励限制或欠励限制）先起作用。 PID控制器（11）PID控制器的输入是实际值和给定值之差。PID控制器的输出电压，即是所谓的控制电压UC作为门极控制单元（12）的输入信号。PID控制器的调节参数可以在两组设定值中自动选择，这取决于哪个限制功能是有效的。这有助于同步发电机的瞬时稳定性。4.3 限制器功能限制器的目的是维护发电机的安全稳定运行，以避免由于保护继电器的动作而出现的事故停机。图16给出了在额定端电压下凸极同步发电机的典型功率圆图及对应的运行限值。图16典型的凸极同步发电机功率圆图UNITROLR 5000励磁系统提供下述限制功能：（13）过励限制 最大磁场电流限制器（图17） 定子电流限制器（过励状态下）（图19）（14）欠励限制 P/Q限制器（图20） 定子电流限制器（欠励状态下）（图19） 最小磁场电流限制器（图17）限制器工作原理所有限制器都有一个实际值和一个预置值，实际值代表被限制的数值，而限制器应在预置值处激活（即起作用）。每个限制器都产生一个误差信号，来源于实际值和预置值之间的差值。当过励限制器起作用时，它将把励磁减小到最大允许的水平上，而当欠励限制器起作用时，它将把励磁增加到所需要的最小水平上。在正常运行过程中，发电机在功率图的允许范围内工作。PID控制器的输入是机端电压偏差信号act-ref （Uact-Uref）即主误差信号。如果由于某些运行的原因，过励限制器的误差信号lim-变得低于主误差信号，那么它就优先于主误差信号。也就是说，在这种特殊的情况下，PID控制器将收到最低的误差信号。这种原理也同样适用于欠励限制的情况，但显然在另一个方向上。过励限制器的误差信号lim-、欠励限制器的误差信号lim+和主误差信号act-ref都输出到逻辑门（8）和（9），决定这些信号的优先权。为了在限制器起作用时使发电机能稳定的运行，每个限制器误差信号的增益可以单独地与一个最优值K相匹配。此外，由参数选择器（10）来设定自动电压调节器的PID调节参数。具有反时限特性的最大磁场电流限制器最大磁场电流限制器用于防止转子回路过热。它主要有两个不同的设定值，一个是强励顶值电流限制值，另一个是连续运行允许的过热限制值。过热限制附加两个控制参数分别代表转子过热和冷却的等效时间。从以上内容可以列出下述基本的设定值： 强励顶值电流限制值Imax 1/2 过热限制值Itherm 1/2 转子的等效过热时间常数Tequiv图17最大和最小磁场电流限制器 转子的等效冷却时间常数Tcooling有了这些设定值，最大磁场电流限制器就能够计算励磁绕组最大允许的热能Emax。该限制器的参数设定值和功能框图如图17所示。工作原理：在同步发电机正常运行过程中（无限制器在起作用），最大磁场电流限制器的有效的控制点是强励顶值电流限制值Imax。这说明AVR无论何时需要时都能达到强励顶值电流。现在假定，出现了某一个系统故障，为了消除故障需要强励，只要励磁电流的实际值超出过热限制值，那么调节器就会起动一个过剩电力积分器，它将该电流偏差值i2（其中i=Ifield-Itherm）积分，这个积分的结果与励磁绕组的热能成正比。如果励磁电流高于过热限制值一定时间，那么积分器的输出值i2dt=E将会增加。积分器的输出值一超过Emax，最大磁场电流限制器的限制值将被从Imax减小到Itherm。通过一个过热探测器可以探测到这种条件。如果励磁电流降到它的正常值（在Itherm值以下），那么积分器的输出将开始随着冷却时间常数Tcooling降低。如果系统中出现了另一个故障，强励电流在冷却时间结束之前再次高于Itherm，那么在这个强励电流下所允许的时间显然比第一个故障中的时间短，因为将会较早地达到Emax值。如果冷却时间已经结束（重新设定）了，那么限制器将仅允许励磁场电流在强励允许时间段中保持在顶值水平。过热限制值Itherm可受到外部信号的影响，如代表发电机冷却空气温度的信号。该信号被附加到过热限制值Itherm上。最大磁场电流限制器在两种不同情况下的限制特性如图18所示。图18：最大磁场电流限制器的限制特性 情况一：IfPROSPECTIVE Ifmax 情况二：IfPROSPECTIVE Iftherm由下述表达式给出热限制器的激活时间：t = (Imax1/2 0.9)2/(If 0.9)2 Tequiv最小磁场电流限制器最小磁场电流限制器的主要任务是防止失磁。这个功能通常用于水轮发电机组，它有可能在较深的进相状态下运行，对应的励磁电流有可能接近于零。在这种情况下，最小磁场电流限制器确保励磁场电流不小于最小限制值。该限制值对于维持正常的可控硅整流是有必要的，此外，它可防止转子极靴过热。最小磁场电流限制器只有一个最小限制值，并且立即起作用。该限制器的主要参数设定和功能框图如图17所示。定子电流限制器这个限制器在过励和欠励运行范围内防止发电机定子绕组过热。它的工作原理与最大场电流限制器的工作原理相似。在工作中的主差值与峰值极限（最大定子电流）的设定值有关，没有一个确定的值。理论上，限制曲线对于工作时间接近于零来讲可能达到一个无限大值（Imax=无穷大）。通过适当的确定参数，可以获得反时限特性，接近于定子绕组的最大允许的热能Emax。图19在过励和欠励运行模式下的定子电流限制器两个限制器的实际值是定子电流的平均值。当发电机过励时，欠励限制器被截止，反之亦然。通过考虑到负载功率因数，一个逻辑电路保证了定子电流限制器在两个方向上（过励和欠励）的正确动作。显然，定子电流限制器不能影响有功电流。如果有功电流的数值达到高于定子电流限制器的控制点值的水平，那么为了避免限制器的错误动作无功功率被调整到接近于零。P/Q限制器P/Q限制器本质上是一个欠励限制器，用于防止发电机进入不稳定运行区域。可以用五个无功功率值对应五个有功功率水平（P=0%，P=25%，P=50%，P=75%，P=100%）来设定限制曲线。限制曲线与发电机的电压水平有关，发电机电压变化时，限制特性随之偏移。图20P/Q限制器4.4 由温度决定的励磁电流限制器对于一些励磁系统而言，有必要提供一个磁场电流和/或定子电流限制器，这个限制器依赖于冷却介质的温度。典型的应用是在汽轮机的励磁系统中，在这种应用中冷气体的温度在某些情况下可以变化。结果，最大允许的磁场电流应当被减小。对冷却介质温度的评价是发电机监控设备的一部分。因此，一个控制信号（通常为4 20 mA）被进一步引入到依赖于温度的AVR限制回路中。ABB的GT13E2型汽轮机的典型依赖温度的磁场电流限制器特性如图21所示。图21依赖温度的磁场电流限制器4.5 叠加的无功功率或功率因数控制器无功功率控制（15）或功率因数控制（16）可视作对自动电压调节器的叠加控制。无功功率（Q或Var）控制的调节功能如图22所示，而功率因数（Cosphi）控制的调节功能如图23所示。在这两种情况下，控制信号来源于实际值和被选控制模式的控制点值之间的差值。另外，控制信号通过一个积分器作用到自动电压调节器的求和点上。图22无功功率控制框图所选叠加控制模式的工作点可通过下述方式设定： 通过现地控制面板（LCP）或手持编程器（SPA）； 通过远方增、减命令； 通过远方一个毫安信号设定； 通过远方的串行通讯连接。图23功率因数控制框图4.6 电力系统稳定器（PSS）电力系统稳定器（PSS）是UNITROLR5000系统的一个标准功能。这个功能包含于测量单元板（MUB）的软件中。PSS的目的是通过引入一个附加的反馈信号，以抑制同步发电机的低频振荡，有助于整个电网的稳定性。PSS的控制算法是以IEEE Std.421-2A为基础的。附加的反馈信号为机组的加速功率（由电功率信号和转子角频率信号综合而产生的）。PSS的数字模型如图24所示。图24电力系统稳定器数学模型4.7 APSS-自适应电力系统稳定器（可选项）图25APSS功能框图自适应电力系统稳定器（APSS）可用于替换PSS。APSS用于抑制电力系统中长期存在的有功功率低频振荡。对于以前定义的一种电力系统的线性模型，APSS的作用是提高整个系统的阻尼特性。APSS具有调整自身参数的功能。图25给出了APSS的功能框图。APSS采用了电力系统的3次幂线性模型算法，它在稳压质量和计算时间之间提供了一种折衷。在运行过程中通过估算控制对象的参数，计算闭环控制的特征方程。移动有关的极点改变控制器参数，达到改善阻尼的目的。此外，APSS将白噪声加到励磁系统中，以此来测量系统的参数。白噪声是一种复合频率的信号，幅度相当小且平均值为零。在系统稳定时需要这个信号，因为在电力系统达到稳态时，那么不能从几乎恒定的电力系统输出信号中识别参数。4.8 手动控制手动控制模式（18）主要用于调试（如在设的投运或维护过程中），或者是作为在AVR故障时（如PT故障）的备用控制模式。当手动控制模式下运行时，UNITROLR5000以同步发电机的磁场电流作为反馈量进行调节。手动控制模式的给定功能（17）与AVR控制模式的给定功能相同。可调整最大和最小给定值。在手动模式下运行时，磁场电流的给定值可以通过增、减命令来控制。为了避免在手动模式下突然甩负荷引起的过电压，手动模式具有自动返回空载的功能。在发电机断路器跳闸的情况下，一个脉冲信号传送给调节器，使手动给定值立即恢复到预定值，该预定值一般与同步发电机空载励磁电流的90100%相对应。在需要所谓的手动限制（19）的情况下，手动控制的最小和最大控制点可以按照作为当前有功和无功功率水平的函数，或发电机实际电压的函数来计算。对于手动限制功能，需要从发电机的PT和CT所测得的数值。一个自动跟踪控制器（6）保证了从自动模式向手动模式切换时无扰动。在自动模式下运行时，来自于自动模式和手动模式的控制信号之差，被用于自动跟踪。合成点的输出处的合成误差信号被作用到具有PI特性的滤波回路上。PI滤波器的输出作用于信号选择器（20）上，该信号选择器把AVR（自动模式）的Uc信号或场电流控制器的Uc信号发送到门控制单元，发送哪个信号取决于在逻辑控制中已经选取了哪种控制模式。4.9 监测和保护功能4.9.1 控制板（COB）的软件功能实际值监测（PT故障探查）对PT故障的检测是通过对测量的发电机端电压与励磁变压器副边电压进行比较来实现的。如果这两个电压的差值超过了预先调整的临界值（发电机额定端电压的15%），那么逻辑控制器将会起动切换。如果仅有一组PT是可用的，那么就会从自动模式切换到手动模式运行。在两组PT都是可用的情况下，每个通道可用一组，那么将会从出现错误的通道（如果它处于工作状态）的自动模式切换到备用通道的自动模式。如果，两组PT都出现故障，那么就会切换到手动模式。转子温度测量转子温度测量是通过计算励磁绕组的电阻来实现的，其表达式如下： Uf/pT1 UB if (RB + RL) Rf = if T1 = Tdo/Tdl其中：Uf = 场电压If = 场电流Lf = 场电感UB = 电刷上的压降RB = 电刷电阻RL = 场电压测量点和电刷间的电力导体的电阻Td1 = 等效时间常数Tdo= 场时间常数Tdl = 负载时间常数（在Td和Td0之间）p = 拉普拉斯操作数根据绕组电阻的计算结果，利用下述表达式计算温度： 1Tf = a 其中：Tf = 转子温度Rfo = 0C转子温度a = 场绕组材料的电阻温度系数1/C转子温度的测量结果可以在现地显示和/或远方显示，并可用于报警指示。过流保护过流保护主要包括两个保护功能： 反时限特性的过流保护 瞬时过流保护过流保护与4.3节中所介绍的最大磁场电流限制功能的工作特性是相似的，但过流保护的特性曲线高于最大磁场电流限制器特性曲线。失磁保护（P/Q保护）其目的是在发电机在超出其稳定极限之外工作的情况下，跳开同步发电机。图26是失磁保护的功能框图，利用功率圆图内的五个工作点来设定所需要的工作特征曲线。工作特征曲线相似于P/Q限制器的工作特征曲线。两个特征曲线经调整使P/Q保护特征曲线从P/Q限制器特征曲线向左移动五到十个百分点。由于同步发电机的稳定极限取决于发电机的端电压，所以工作特征曲线也要根据发电机端电压成比例地进行校正。图26失磁保护功能框图发电机的工作点一超过工作特征曲线，一个定时器即被触发，并在一个可调的时间延迟后发出一个跳开发电机的命令。定时器开始信号也可以用于报警的目的。过通量保护（V/Hz继电器）该保护目的是防止同步发电机和变压器的磁通密度过于饱和。保护功能是根据与基准电压的比较来工作的，而基准电压取决于在发电机电压实际值下的发电机的频率。如果实际电压超过基准值，一个定时器将被触发。如果在可调的时间延迟结束后，电压仍没有返回到允许值，那么跳闸信号会被触发。 图27V/Hz保护框图励磁变压器温度测量在UNITROLR5000软件内执行励磁变压器绕组温度的测量。温度的测量来源于PTC或PT100传感器。这些传感器都嵌装在次级线圈内