三峡电厂励磁软件结构框图及其特色分析

1、三峡电厂励磁软件结构框图及其特色分析陈小明,胡先洪,章俊(三峡水力发电厂,湖北宜昌市,443113摘要本文介绍了三峡左岸电厂SIEMENS励磁调节器硬软件,详细分析了其软件结构框图和主要限制器特性曲线,并探讨国外励磁软件特色。关键词 SIEMENS,THYRIPOL,SIMADYN-D,STRUC G,IBS,励磁软件。0 励磁调节器硬软件简介三峡左岸电站的励磁系统采用德国SIEMENS公司生产的THYRIPOL静止式可控硅自并励励磁设备,由11面柜组成,如图1所示,从左到右分别是:调节器柜、辅助控制柜、5屏晶闸管整流柜、2屏灭磁开关柜、过电压保护和灭磁电阻柜、电制动整流柜。整套系统结构复杂,

2、器件众多,外观漂亮,运行可靠。 图1 THYRIPOL励磁装置SIEMENS THYRIPOL全数字式微机励磁调节器,硬件由两套完全独立的SIMADYN D全数字控制器组成。每套控制器包括3块32位的CPU 控制板,以及各种数字模拟信号输入及输出接口板,耦合存储模块,扩展模块以及通讯接口模块,所有的模块集成于一个机箱中,组成一个完整的励磁调节通道。励磁调节器两通道采用热备用的运行方式,同时接受输入控制并执行操作与调节,但只有处于工作状态的通道有输出,并对可控硅进行触发。当工作通道发生故障时则备用通道自动投入运行,并闭锁故障通道。通道内部各模块之间以及通道和通道之间实时通信跟踪,并及时上传数据到

3、面板显示屏和监控系统,保证系统无扰动切换。在整套励磁装置盘面上,只有励磁调节器有两个可操作器件:远方现地切换控制锁和西门子OP2N操作面盘。励磁调节器编辑软件采用的STRUC G逻辑功能图语言,属于可编程逻辑图语言(组态语言。STRUC G是SIEMENS公司专门针对SIMADYN D硬件平台开发的结构化图形语言,主要编辑逻辑功能图,并通过存储卡读写器将软件写入存储卡中。三峡励磁SIMADYN D有三块CPU板,故需要插入三个程序存储卡。STRUC G基于SCO UNIX3.0版以上操作系统、具有形象直观、可读性强、编写灵活方便等优点,但UNIX操作系统学习与使用难度较大。励磁调试软件IBS,

4、即系统监视软件,也是SIEMENS公司专门针对SIMADYN D硬件平台软件。IBS基于Windows98操作系统,通过PC机的RS232串口与SIMADYN D的SS4上的RS232串口进行连接,使个人计算机与SIMADYN D系统连接进行数据交换,可以进行逻辑功能图连接的改变,软件状态变量的读取和赋值等调试监视工作。 图2 励磁功率柜风机投运切换逻辑软件示意图为了更直观的介绍STRUC G逻辑图软件,现将励磁功率柜风机投运切换逻辑截取一小段置于图2中。这是写入CPU1(1FP中命名为LTSCHR功能包、涉及名为MFP_1和D_L6两个逻辑模块。1FP LTSCHR的扫描工作时间为T4=48

5、ms,即每48ms循环工作一次,这里的工作顺序是先MFP_1 (800T4后D_L6(820T4。MFP_1是一个脉冲发生模块(MFP0F,相当于一个瞬时动作延时返回的时间继电器;D_L6是D型触发器(DFR。逻辑块中的B1(二进制、Q(二进制、TF(时间表示变量的类型。在图2中,左边为输入信号,右边为输出信号,当BE_ER3.Q5/1.2=1时,即交流灭磁开关S102合闸时,触发MFP_1并产生一个96ms宽的脉冲经Q端触发D_L6 D型触发器,D 型触发器按照其真值表使Q(投自用电风机和QN(投厂用电风机交替等于1,即交流灭磁开关每合闸一次,也就是励磁每启动一次,励磁功率柜风机就交替切换一

6、次。1 励磁调节器软件结构三峡励磁调节器软件由25个软件功能包组成,分配在三个CPU中,其中CPU1主管计算和调节控制,CPU2主管操作显示和通讯,CPU3主管脉冲移相输出。表1总结了三峡水力发电厂(TGHP励磁软件功能包。表1 TGHP励磁软件功能包简介软件包名称及运行周期软件功能包功能简介PQISTX(CPU1T1=3ms机端电压电流交流采样;计算有功、无功、机端电压电流频率,不平衡电压电流等。FEHL1(CPU1T4=48 ms CPU1自检;电池电源检测。REGEL(CPU1T3=12 ms自动电压控制(A VR;过励限制;定子电流限制;欠励限制。QREG(CPU1T4=48 ms Q

7、模式设置与控制。SWREG(CPU1T4=48ms电压电流给定斜坡函数设定;阶跃设定;V/Hz限制;励磁电流快速限制值设定。LTSCHR(CPU1T4=48m s 内部开关量输入;整流柜故障检测;风机切换控制。ANZ2(CPU1T4=48 ms转子温度计算;模拟量4-20 mA输出设置。PDG(CPU1T1=3ms内部PSS-2A模型;外置PSS-2A控制。VORORT(CPU1T4=48ms OP2N显示面板控制;OP2N显示信息。KOM1(CPU1T3=12msT4=48 ms T5=192 ms与监控装置同步时钟设置。(未用;CPU2调试软件设置XS1.COM(CPU1T4=48 ms

8、OP2N和IBS(调试通讯设置。XE2.COM(CPU2T5=48ms设置Profibus接受命令;设置它通道信息接受命令;设置OP2N显示接受命令。NACH(CPU2T5=48ms双机通讯设置;双机通讯量设置。STROM(CPU2T4=24 ms模拟量输入;功率柜风速状态输入;试验用模拟量输出。OP2(CPU2T5=48ms OP2N操作显示;OP2N记录(未用。SWLOG (CPU2T5=48ms运行模式选择;自动手动切换;起励操作;故障检测;开环控制。ANZ(CPU2T5=48ms开关量输入输出;模拟量输出;Profibus通讯量输入输出。KOM2(CPU2T5=48ms IBS设置(C

9、PU2调试软件设置ANZ3(CPU2T5=48ms内部重要开关量输入;X4开关量输出;内部开环控制。TRACE (CPU2T3=12 ms记录或者录波量功能(未用。FEHL2(CPU2T5=48 ms CPU2自检。XS2.COM(CPU2T5=48ms设置Profibus发送命令;设置它通道信息发送命令;设置OP2N显示发送命令。STRST1(CPU3I1=3.3 ms数字移相器功能;励磁电流测量及控制;励磁电压测量及控制。FEHL3(CPU3T5=48 ms CPU3处理器自检。KOM3(CPU3T5=48 ms IBS设置(CPU3调试软件设置从表1中我们可以看出,除了移相脉冲软件STR

10、ST1是同步电压中断程序外(I1=3.3ms,其余都是时间中断程序,中断时间按照任务的重要性安排,最快的是机端电压电流交流采样计算和PSS 软件(3ms,最慢的是与监控装置同步时钟通讯设置(192ms。表1给我们的另一个感觉是软件功能包任务分配凌乱。事实上也是如此,当我们查看某一励磁软件时,会从一个软件包,跳到另一个软件包,相当麻烦。三峡励磁调节器软件结构框图如图3所示,由自动电压调节(AVR、励磁电流调节(ECR、无功模式(Q模式、励磁电压调节控制器和移相脉冲触发器等组成。调节器控制规律采用PI+PSS控制理论。 图3 THYRIPOL励磁调节器软件结构图在图3中,AVR由1-6模块组成,E

11、CR由12-16模块组成,Q模式由17-18模块组成,励磁电压控制器和移相脉冲触发器由7-9模块组成,19-26是AVR模式中的各种限制器。A VR以发电机机端电压和其设定值的差值作为PI(比例积分调节器的输入,以脉冲输出控制整流柜的输出电流,从而保持机端电压为恒定值。A VR是励磁调节器的基本和主要调节方式。励磁系统的其它高层控制功能和限制模块,如PSS,无功控制以及过励、欠励限制器等,都在A VR方式中实现。ECR是以发电机励磁电流和其设定值的差值作为P(比例调节器的输入,以保持励磁电流为恒定值的方式控制发电机的运行。机组正常运行时以A VR方式为主,在调试或系统某些特殊工况需要时,可采用

12、ECR调节方式运行,在PT断线等异常或故障工况下,系统自动切换到ECR调节方式运行。A VR和ECR信号经A VR/ECR模式切换逻辑进入励磁电压控制器和ECR综合放大器。其中10模块切换的是励磁电压设定值,11模块切换的是励磁电流设定值。励磁电压设定值在励磁电压控制器中同励磁电压测量值进行比较放大,其输出再同励磁电压设定值相加后给励磁电压控制限幅器。励磁电流设定值在ECR综合放大器中同励磁电流测量值进行比较放大,其输出作为上下限给励磁电压控制限幅器。尽管励磁电压控制器的放大倍数为1,但由于励磁电压的变化快于其它电参数(比如励磁电流的变化,其负反馈对于稳定励磁电压具有很大作用,因而也被称谓镇定

13、器。移相脉冲触发器9模块在同步脉冲的中断下,根据励磁电压控制信号Ureg的大小产生触发脉冲,当励磁电流等于零后闭锁脉冲输出。Q模式以发电机无功和其给定值的差值作为脉宽调制模块的输入,当二者相差大于1%时则通过脉宽调制器模块产生脉冲,增减A VR模式的机端电压设定值,使其上升下降,以使在某一范围内的无功功率保持不变。在此范围内,AVR响应系统电压的变化,并以自动电压调节的方式保持系统的稳定。无功功率控制方式只有在机组并网后才起作用。上述三种工作模式的调节范围如下。A VR:70%UgnU g110%Ugn;ECR: 10%IfnIf68%Ifn(空载运行;10%IfnIf110%Ifn(负载运行

14、Q模式:-150Mvar Q +500Mvar三峡左岸电站的励磁装置同时也是机组电气制动系统的一部分,当机组转速降至50%额定转速和发电机出口制动开关合上后,励磁调节器按照ECR模式起励,励磁电流设定值等于制动电流设定值(12模块且不能改变直至机组速降至15%即电气制动结束。图10是西门子公司提供的三峡左岸电站励磁摸型,图下表格是模型参数。 图10 西门子公司提供的三峡左岸电站励磁摸型及参数将参数带入图10,得到图11三峡左岸电站励磁摸型。该模型同本文中的THYRIPOL励磁调节器软件结构图是一致的。在2005年11月,国家调度中心、中国电科院以及三峡电厂对三峡西门子励磁调节器的模型及其参数进

15、行了测试,其结论是:西门子公司提供的三峡机组A VR模型和参数与实际的A VR模型参数之间存在一点差异,且这种差异没有影响到整个励磁系统的稳定性。这个差异的最大点是:励磁电压反馈时间常数T F2测试结果是0.02S,而西门子公司提供的是0.1S 三峡左岸电站励磁摸型及参数。图11就是考虑测试结果并对西门子模型进行简化所得到的简化模 图12三峡左岸电站励磁简化摸型2 励磁限制器特性曲线为了保护系统、机组及励磁装置本身的安全,三峡励磁调节器设计了下列限制器。现按限制器在A VR工作流程中的位置,依次介绍它们的特性曲线以及输出值的数学表达式。这些表达式主要包涵动作整定值和延时时间。值得注意的是,限制

16、器在软件结构框图中的位置,也就决定了它们的限制优先级,在软件结构图最后的其限制优先级最高,比如PSS和过励限制器等。2.1 定子电流限制器:Stator current limiter为了支持电网稳定和机组满负荷运行的需要,我们一般允许发电机定子电流短时过负荷,但同时应采取措施限制将定子电流,防止定子绕组过热。励磁调节器的定子电流限制就是在定子电流过流情况下通过调节励磁电流使其减小的限制器。定子电流限制器是基于Q-P功率限制曲线来设计的,定子电流限制器整定值及限制曲线如图4所示。当发电机电流超过了限制区,如果此时机组在进相运行(-Q动作区,则限制器动作,增加机端电压设定值使励磁电流增加;如果此

17、时机组在迟相运行(+Q动作区,则限制动作,减少机端电压设定值使励磁电流减少。不管怎样,其结果都是调节定子电流的无功分量,从而使发电机电流回到限制区以内运行。对励磁系统而言,定子电流限制器只能减少发电机电流的无功分量,对有功分量却无能为力。当发电机在功率因数cos=1附近(±10%死区运行时,无论定子电流是否超过了限制区,限制器都不动作。 如果不设置调节死区,限制器在此区域内参与调节将会影响机组的有功稳定运行。当发电机电流在死区内超过了限制区域时,应由机组调速器进行调节,通过关闭导叶来降低发电机电流的有功分量,使发电机电流回到限制区域以内。2.2 伏/赫(V/Hz限制器:V/H zli

18、miter对于A VR模式来说,当机组频率降低时,机端电压依旧会保持恒定,励磁系统将会增加励磁电流,这样会使发电机及所有与之相连的变压器出现过磁通现象,从而对这些设备成损坏。为此,应设立电压/频率(U/F限制即伏/赫限制器,三峡电厂伏/赫限制特性曲线如图5所示。 图6 无功补偿器特性曲线图7 欠励限制器特性曲线在软件结构图中,V/Hz限制动作后则降低机端电压设定值上限,这样,图5中的实线就是电压最大设定值随频率变化的曲线。由于电压最小设定值是一个固定值,因此,对应于下列机组频率,机端电压设定值Ugref的范围就会因V/Hz限制器而改变:F50H,Ugref=70%110%;zF=47.5H,U

19、gref=70%100%;zF45H,Ugref=70%90%。z在空载状态,当机组频率进一步下降,励磁调节器的低频退励磁环节启动,逆变灭磁。在我国励磁技术习惯中,V/Hz限制器主要应用在机组空载状态,而三峡励磁调节器出厂设定是负载状态,并且强调负载状态更需要V/Hz限制器,这显然不同于我国的技术规范和三峡电厂的实际需要,我们拟改为无论空载和负载都将投入V/Hz限制器。2.3 无功补偿(调差器:Reactive current compensater为了合理分配并联机组的无功和改善机端电压随无功变化的特性,三峡励磁调节器配置有无功补偿器。无功补偿器又称为调差单元,其原理示意图如图6所示。在励磁

20、调节器没有无功补偿功能即励磁调节器调差系数等于零(无差的情况下,发电机调差特性是自然调差特性,即随着无功的增加,机端电压逐步下降,如曲线3所示。考虑到三峡发电机组的自然调差率太大,因此励磁调节器的调差系数设置为负调差,如曲线2所示。综合曲线3和2,曲线1就是发电机组实际调差特性。2.4 欠励限制器:Under excitation limite为了防止发电机进相运行时容性无功过负荷,引起发电机端部发热而造成损伤,励磁调节器都应配置欠励限制器。欠励限制器参数的设定,应按发电机制造厂给出的P-Q曲线和失磁保护的动作时限综合考虑。在软件结构图中,A VR控制信号切换是按最大值(MAX函数选择的,正常

21、运行时欠励限制器输出负值,而A VR信号综合及放大器输出正值,欠励限制器不动作;当机组进相运行且无功超过整定值时,欠励限制器输出正值即动作,从而升高定子电压,以使机组运行点回到允许的允许范围之内。三峡电厂低励限制器特性曲线如图7所示。欠励限制器按限制曲线A-B-C-D设定,改变图7中表格的Q,就可设计欠励限制特性曲线。SIEMENS欠励限制器比较特殊,其设定值还与机端电压相关联,电压高,欠励的设定值也高,反之亦然。欠励限制器将发电机无功和欠励设定值的差值放大输出,动作后整个励磁调节环节相当于Q模式运行,使机组无功稳定在欠励限制设定值范围内。2.5 过励限制器:Over excitation l

22、imiter过励限制的功能是防止发电机励磁绕组电流过流。三峡励磁调节器过励限制有两种:慢速(Slow field current limiter过励限制(反时限和快速(Fast field current limiter过励限制,其特性曲线如图8所示。 图8 过励限制器特性曲线在软件结构图中,模块23正常运行还是前面其它限制器动作,致使励磁电流超过115%额定值,过励限制器经一定延时后就能将励磁电流限制到115%额定值以内。正是由于这种延时特性,所以又称为慢速过励限制器。快速过励限制器,是软件结构图中的25模块,它是AVR方式下级别最高的限制器,因为其输出直接控制励磁电压限幅器。快速过励限制器

23、的设定值有4个,它根据运行条件进行自我选择:正常负载运行(包括一个整流柜退出选择强励限制,整定值是2.085Ifn;负载运行时两个整流柜退出,选择负载限制,整定值是1.15Ifn;空载运行则选择空载限制,整定值是0.68Ifn。图3中的26是软启动设定值模块,选择软起励,设定值从25%Ifn按照25S时间常数上升至100 %Ifn。图3中的15是最小函数模块,从其两个输入中选择一个较小值送至ECR综合放大器。在特性曲线8中,给出的只是强励限制线,其它三条特性曲线也都是垂直于X轴的直线。快速过励限制器动作没有时限,动作后也不显示或报警,其明显特征是UgrefUgn。2.5 电力系统稳定器:PSS

24、PSS基本功能是通过引入附加信号控制励磁,以提供正的阻尼矩阵,抑制电力系统的低频振荡,提高机组的静稳特性。为了满足三峡巨型机组的安全稳定运行和PSS应在0.1Hz2.0Hz频率段内能提供正阻尼的要求,三峡励磁PSS从仿真、试验和运行都经历了一个较长过程,仅其数学模型就从刚开始的PSS1A,到试验中的PSS3B,再到运行中的PSS2A。目前,三峡电厂前期投运的机组使用外置附加的PSS装置,由中国电力科学院研制。这是一个双输入信号加速功率型PSS模型,即PSS2A模型,如图9所示。后期投运的机组使用西门子软件PSS,其模型和参数同电科院的PSS完全一样。二者的使用选择很方便,其运行情况都很稳定。三

25、峡左岸电厂的PSS的参数如下: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 励磁调节器软件特色对照我国大中型水轮发电机机组部分自并励励磁软件,我们发现SIEMENS励磁调节器软件在下列环节中,明显不同于国内励磁软件,具有鲜明的国外特色。3.1 励磁电压稳定控制器:在自并励励磁控制程序中,SIEMENS励磁调节器设置励磁电压负反馈控制环节,既有利于励磁电压的快速稳定,又相应提高了自动电压调节响应速度。从这一点看,励磁电压

26、负反馈环节,相当于励磁控制中的一个微分I环节。如果励磁调节中引入励磁电压反馈量,就可以利用Uf/If来计算实时转子电阻,从而按照已知的20°C 时的转子绕组电阻,以及铜导体的电阻随温度线性变化的曲线,计算出转子绕组运行温度。一旦转子绕组温度过高,就发报警信号。三峡励磁调节器的这个新功能很有实用价值。SIEMENS励磁利用励磁电压反馈量,还设计了一个励磁电压强励时间限制器:当励磁电压强励值达到80%误强励值且时间超过20秒,就进行通道切换。分析这个功能,可以说是一个误强励限制器。3.2 通讯:在励磁调节器的一个通道中,共有四个通讯口:本通道同操作显示面板的通讯;本通道同调试计算机的通讯

27、;两个通道之间的通讯;本通道同监控系统的通讯。前三个采用RS232,后一个采用PROFIBUS。通讯口多,而且通讯数据大,是SIEMENS励磁调节器的重要特色。励磁调节器的两个通道分别接入整个监控系统PROFIBUS环型网的两个节点之中。励磁调节器的PROFIBUS通讯设计是双向通讯,既可接受机组监控装置的命令,还能向监控反馈调节器运行状态。实际运行中,只采用单向通讯,只向监控反馈励磁运行状态和参数。这些参数包括:机端电压电流、励磁电压电流、无功的测量和设定值等8个模拟量和励磁投切等4个字节的开关量。励磁调节器同监控装置依然保留传统的点对点控制方式,并且再用4-20mA变送器向监控装置传递PR

28、OFIBUS通讯中的所有模拟量。这种同监控装置双重化的通讯的实用价值值得探讨。3.3 跟踪与切换:在双通道配置中,跟踪是指两个独立的通道之间的跟踪,其目的是为了通道之间、运行模式之间的平稳切换。跟踪数据多,方式切换逻辑复杂,也是SIEMENS励磁调节器的特色之一。通道之间互相跟踪的模拟量有6个:AVR控制信号Ureg、励磁电压控制器输出信号Ufreg、软起励值Ifsoft以及限制器测量值等。前两个信号的含义见软件结构框图3,后三个信号是起励过程和限制器动作中通道切换用。通道之间互相跟踪的开关量有6个字节之多,主要包括控制命令、运行状态和重要故障信息等。SIEMENS励磁调节器通道切换方式也不同

29、于我国励磁习惯:切换命令由工作通道发出,但由备用通道执行。更为重要的是,备用通道时刻监视工作通道的运行情况,一旦发现工作通道不正常,就强行切换。运行模式之间的切换,就是AVR和ECR之间的切换以及Q模式的投切。为了保证平稳切换,最主要方法是即将投运模式的设定值跟踪当前运行值,此外,切换条件的确立也非常重要和复杂。在ECR切至AVR瞬间,SIEMENS励磁调节器除了采取设定值跟踪实际值外,还在AVR控制值Ureg上采用措施:在ECR模式下,AVR的Ureg总是等于实际励磁电压与励磁电压控制器输出值的平均值,这样,ECR切至AVR瞬间,其控制电压也只是在上述Ureg基础上变化,对励磁电压的扰动就很

30、小。3.4 硬软件自诊断:由于SIEMENS励磁装置辅助控制器件多,不得不设置一个辅助控制柜。为了有效的检测这些器件的状态,本调节器硬软件自诊断功能强大,很有特色。初步统计三峡励磁系统中自诊断器件:保险和开关约50个,接触器和继电器约80个,变送器和传感器约20个。对于上述任何一个元件的状态都进行检测,从而得出正常与否,并作出报警、切换、甚至跳闸等相应的处理。在三峡励磁投运操作中,如果发生操作漏项现象,调节器就会报警并显示,方便了电厂运行人员进行励磁操作。SIMADYN D控制器还有强大自检功能,也方便了电厂维护人员进行励磁检修。比如,在励磁投运试验期间,某机组PLC故障,其CPU板上的数码L

31、ED立即显示出故障类型,并指出故障模板位置。可以说,SIEMENS励磁调节器自诊断功能,使其初步具备励磁状态检修能力。3.5 现场试验与维护:国外励磁软件一般都采用可编程逻辑功能图语言,给工程技术人员的学习和维护工作带来了极大的方便。不仅如此,三峡励磁软件因其考虑周全,完全满足了三峡巨型水轮发电机组复杂的现场试验。比如在发电机升流升压试验和继电保护现场试验中,THYRIPOL励磁系统不仅要从自并励工作方式转变为它励方式,而且还要修改很多限制参数,对此,仅使用SIEMENS励磁调试软件IBS即可。在SIEMENS励磁软件中,专门备有现场试验录波用的D/A通道,可以方便录取调节器运行中的有功、无功

32、、励磁电压电流等10个模拟量。另外,在PSS程序中设置有正弦波信号发生器,可以进行发电机有功功率幅频特性试验。在三峡励磁装置运行中,对于一些不完善和不符合我国技术习惯的软件进行了改进:比如按照我国技术习惯考虑三个功率柜故障、闭锁PROFIBUS故障后AVR切ECR、将打开功率柜门就跳闸改为报警等。尽管技术改进即简单又方便,但我们首先要同VOITH SIEMENS深入沟通,交换意见后再进行。SIEMENS励磁调节器采用OP2N显示面板,相对于国内部分产品采用触摸屏计算机而言,尺寸小,数据显示和通讯能力不够强大,使其在现场试验和故障录波分析方面有所欠缺。但简单的显示和操作界面,对于电厂运行和维护人员是合适的。在这个显示面板,有一个百分数转