NES5100介绍-职业教育-在线

NES5100励磁系统介绍南瑞集团电气控制分公司2008-07-25励磁调节器运行在自动方式和手动方式的基本工原理相同，即通过比较测量反馈值与参考值（有别设定值）的误差，计算出控制电压（自动方式下还过一个欠励限制环节），再经过转子电压反馈产生控硅的控制角，输出相对于同步电压理想自然换流有一定相位滞后的触发脉冲。一、励磁调节器基本工作原理、励磁调节器自动调节功能励磁调节器自动方式的闭环控制对象为机端电压。当调节器运在自动方式且没有发生欠励限制时，如果发电机的机端电压高参考值，则调节器减小控制电压，进而增大可控硅的控制角，得发电机转子电压下降，减小发电机励磁电流，使发电机机端压回到参考值；如果发电机机端电压低于参考值时，调节器增控制电压，进而减小可控硅的控制角，使得发电机转子电压上，增大发电机励磁电流，维持发电机机端电压为参考值。其控简图如图1所示。图中Ugset为发电机机端电压设定值，Ugact发电机端电压实际值，Uk为控制电压，Vs为励磁电源电压，T为发电机端电压采样时间常数，TF为发电机励磁电压反馈时间数，PI为比例-积分控制，TSCR、Tg分别为可控硅整流桥等效间常数和发电机等效时间常数。图1发电机励磁调节器自动控制原理简图三、励磁调节器手动调节功能励磁调节器手动调节的闭环控制对象为励磁电流。当调节器运行在手动方式时，如果发电机的励磁电流高于设定值，则调节器减小控制电压，既增大可控硅的控制角，进

而减小发电机励磁电流，使发电机励磁电流回到设定值；如果发电机励磁电流低于设定值时，调节器增大控制电压，既减小可控硅的控制角，增大发电机励磁电流，维持发电机励磁电流为设定值。其控制简图如图2所示。图中Ifset和Ifact分别表示发电机转子电流的设定值和实际值。图2发电机励磁调节器手自动控制原理简图全冗余结构的数字控制器，最大可以配置三个软、硬件配置相同且互相独立工作的控制单元，可配置多达8台大功率可控硅整流柜，为发电机组提供励磁功率每套励磁调节器的系统电源和脉冲电源完全独立，且均采用交直流双路供电，交、直流任一路掉电均可保证系统工作电源和脉冲电源的无扰动。每套励磁调节器所有组件均完全独立，互不公用，互不干扰。保证一套调节器发生任意故障时不会影响其它调节器的正常工作，从而保证系统的可靠运行四、NES5100励磁调节器硬件平台全冗余结构的数字控制器，最大可以配置三个软、硬件配置相同且互相独立工作的控制单元，可配置多达8台大功率可控硅整流柜，为发电机组提供励磁功率每套励磁调节器的系统电源和脉冲电源完全独立，且均采用交直流双路供电，交、直流任一路掉电均可保证系统工作电源和脉冲电源的无扰动。每套励磁调节器所有组件均完全独立，互不公用，互不干扰。保证一套调节器发生任意故障时不会影响其它调节器的正常工作，从而保证系统的可靠运行NES5100励磁调节控制单元以ARM芯片为自动通道计算控制核，FPGA为I/O中心、DSP为纯手动通道计算控制核心，构成了三U系统。以ARM为主，配置A/D、D/A、FPGA、ETHNET、FLASH、N、DSP从而构成励磁调节CPU板；加上模拟量板、开关量板、步板、脉冲放大板，电源板等构成励磁调节控制单元。外部电流和电压输入经模拟量板的隔离互感器隔离变换后，由

通滤波器输入至模数变换器，经采样处理后，形成各种采集量。制信号、现场状态信号由开关量板进入，经光电隔离后形成可信号。出状态信号由开关量板继电器输出。制脉冲由脉冲板隔离放大后输出。ARM为中心的CPU板完成励磁调节器的对外通讯功能，包括

485、RS232、LAN等。ARM和DSP之间通过串口交换信息。通道间通过双CAN网络通讯，双CAN网络互为热备用。板间通过总线板交换信息，有部分使用SPI通讯。框图见图3图3

NES5100励磁调节控制单元硬件框图板件布置NES5100

单通道的单板插件图单板编号单板名称EX01脉冲电源板EX02系统电源板EX03CPU板EX04模拟量板EX05同步电压板EX06开关量板EX07扩展开关量板EX08脉冲放大板软件构架五、NES5100励磁调节器软件构架自动通道软件组成包括三个方面：嵌入式操作系统、人机交互程序以及励磁应用程序。嵌入式操作系统部分包括操作系统本体，还包括硬件底层驱动软件、系统任务配置、系统中断配置等。人机交互的核心程序主要处理通信任务。励磁应用程序包括两个部分：主流程和控制调节程序。主流程完成励磁应用程序的初始化以及机组状态的判断等功能；控制调节程序完成所有的励磁控制调节功能，确保了控制调节的快速和精度。1、励磁应用程序主流程主流程完成机组状态的判断以及各状态下的初始化功能。程序中，机组状态分为：空闲、等待、开机、停机四种状态。程序根据上一次流程判断出机组的运行状态，对各状态进行相应的初始化，同时再次判断机组状态，以便下一次流程中使用。主流程框图见图4图4主流程框图2、励磁应用程序控制调节程序NES5100励磁调节器的主要任务是维持发电机机端电压水平稳定，从而维持机组的一定的负荷水平，同时对发电机定子和转子侧各电气量的进行测量及限制、保护处理，并对自己进行不断的自检和自诊断，发现异常和故障，及时报警并切换到备用通道。励磁控制调节程序是励磁调节器的核心程序，完成了上述的任务。六、NES5100励磁调节器软件功能1、软件变送器√高速的交流采样√先进的数字计算方法√采样冗余检测精巧复杂的软件变送系统是形成NES5000高性能的关键。发电机的电压互感器（PT）是（发电机端电压）自动调节器，大多数限制器，以及保护功能所需的控制信号源。该系统以高速的同时对交流波形采样，并且软件中采用先进的数字计算方法，以数字形式得出所需的各种变量。2、电压给定和调节√PID控制器√调差功能√自动跟踪√起励发电机励磁不足反映在各个电气参量中，主要表现为：励磁电流低、进相深度大（负无功功率大）和定子电流增大，为保证发电机安全运行，针对反映低励磁的主要电气量有相应的限制手段励磁过流过热限制也称为励磁过电流反时限限制，主要用来防止转子回路过热。发电机磁场过流过热是发电机运行过程中常见工况，当系统电压较低时，发电机输出无功过大，发电机励磁电流超过其最大允许长期连续运行电流，必须对励磁电流进行限制，防止长时过流导致过热损坏发电机励磁绕组。励磁绕组发热与励磁电流平方和维持时间的乘积成正比关系，即磁场电流及其允许运行时间成反时曲线，电流越小，允许允许时间越长瞬时过励限制，或者称为强励顶值限制。其作用是防止在调节过程中发电机转子电流瞬时超过容许的强励顶值。其与前述过励限制有两点不同：1．其定值是强励容许值，不是长期允许值；2．动作是瞬时的，不是按发热积累考虑的延时。发电机运行时，发电机端电压与发电机频率的比值有一个安全工作范围，当伏赫兹比值超过安全范围时，容易导致发电机及主变过激磁和过热现象，因此当伏赫兹比值超出安全范围时，必须限制发电机端电压幅值，控制发电机端电压随发电机频率变化而变化，维持伏赫兹比值在安全范围内3、限制器√低励限制器√转子过流过热限制器√无功功率过励限制器√瞬时强励限制器√V/Hz限制器过欠励限制器取低值电力系统稳定器取高值机端电压SAVR整定值欠励限制器过励限制器PID本功能将测量的三相反馈电压与PPT（励磁变压器）副边来三相电压进行比较以及与仪表用PT电压比较，并通过正负序检测判断单相故障。如果测量的电压消失，或者它是单相的，这时就会切换到手动调节模式，并提供一个报警输出。如果功率模块（即整流桥）的输入电源是从某一厂用母线段到来，则必须提供某种其他的三相电源的作为参考，该电源直接与运行的发电机端电压相关。4、保护器√PT断线√过电压保护√低励保护√过激磁保护PSS的控制算法是以IEEE

Std.421-5中PSS1A和PSS2A为基础的，2种PSS可选，信号输出通道可选，便于试验5、附加控制器PSS电力系统稳定器（PSS）的目的是通过引入一个附加的反馈信号，增加弱阻尼或负阻尼控制系统的正阻尼系数，以抑制同步发电机的低频振荡，提高发电机组（线路）最大输出能力，有助于整个电网的稳定性。模型见图5图5

PSS模型人机接口(HMI)负责励磁系统的信息显示及作为操作人员的维护操作接口，HMI系统硬件由一台触摸式平板电脑组成，采用windows

xpe

或windows2000操作系统，软件为配套开发的励磁监控专用软件。HMI系统采用了OPC（OLEfor

ProcessControl）技术，OPC作为一个有效的数据交换工业标准，在工业控制中获得了广泛的应用。OPC技术为HMI系统带来了良好的扩展性和可靠性。在电厂内部局域网中，操作和管理人员可通过励磁监控专用软件或web浏览器授权访问励磁调节器的实时数据。四、NES5100调节器智能维护显示系统主界面由系统的拓扑图及常用信息显示模块组成。拓扑图由工程实施人员根据现场拓扑结构用各个已开发完毕的元件模块组态生成，无需再进行编码。当系统某个元件故障时，对应模块出现文字提示并闪烁。鼠标移至元件上双击即可进入查看该元件详细信息。需切换到其它界面时，用Alt+F2键召唤出导航条。智能维护和显示系统1、主界面系统拓扑界面由一系列自行开发的发电机系统部件控件组成。如定子控件、转子控件、功率柜控件、数据流览控件、AVR控件、PT控件、CT控件、励磁变控件、主励磁机控件、副励磁机控件、整流桥控件、可根据这些控件灵活组态出电厂的不同励磁形式而无需编码。图是三机系统的拓扑界面。系统拓扑界面中，发电机定子、转子、功率柜、励磁变、AVR控件双击可进入具体界面查看详细信息。当励磁系统出现相应故障、限制或告警时，拓扑视图中AVR控件会分别以红、黄、紫三色闪烁并有相应文字提示。PT断线故障时，PT控件以红色闪烁并相应文字提示。智能维护和显示系统主界面调节器界面分为数据显示、参数设置、系统报警三大模块。数据显示模块显示与调节器相关的模拟量、频率、状态、开关量等信息。参数设置允许授权人员对软压板，采样系数等参数进行设置。为方便使用，设置的值能以百分值、实际值、码值三种方式来设定。智能维护和显示系统2、AVR界面调节器元件中的系统报警模块显示励磁系统的告警、故障、限制信息。为方便用户进行故障诊断和维护，当鼠标移至故障处，出现相应的故障原因和解决措施。智能维护和显示系统3、AVR界面信息显示有图形和表格两种显示方式，重要数据用图形显示。表格中显示的数据和该数据是否能被设置均在工程实施阶段组态设定，无需编码。由于通信协议具有自解释功能，表格中数据显示能方便地以百分值、实际值、码值三种方式显示。当组态设定某参数能被设定时，运行时该参数授权后能被写入。智能维护和显示系统4、功率柜界面故障日志由OPC

Server记录，当设定的故障、限制、报警点由0置1或由1返回时，OPC

Server记录并存储，NES_HMI负责查询显示可设定区间，AB套，故障类型进行查询，当查询记录超过1000条时，故障日志模块只显示最近日期的1000条记录智能维护和显示系统5、故障日志参数设置模块对励磁系统定义的参数进行设置，如PID参数，过欠励参数等。双击表格中的设置值栏，初次进入的话将弹出授权窗口，只有用户名和密码正确后才能进行参数设置。参数可以百分值、实际值、码值三种形式来设置，系统自动计算转换成码值。参数设置成功后，点击“参数写入A套flash”按钮或“参数写入B套flash”，参数将烧入相应flash，今后调节器重新启动后，参数能保持当前设定值。写入到Flash过程中，会暂时关闭中断，请确保写入的是从套调节器。智能维护和显示系统6、参数设置界面下端用tab控件分成4部分，分别为过励曲线、欠励1段、欠励2段、欠励3段曲线。界面上端直观地图示了根据机组参数计算出来的各条过欠励参考曲线（机组参数的输入见通讯变量组态生成模块）。此外，当机端电压超过90％时，系统开始计算当前运行点，并以动画形式显示在坐标图上，用户可直观了解当前发电机的运行工况。每条曲线有5个控制按钮，分别为“采用自动数据”，“四点拟合”，“A套回读”，“B套回读”，“下发Flash”。对应过励曲线，单

击“采用自动数据”按钮将把转子热稳定曲线作为数据源。对应欠励1段曲线，单击“采用自动数据”按钮将把考虑静稳裕量的稳定边界2和失磁配合圆的右端边界作为数据源。欠励2段和欠励3段则将欠励1段曲线相应平移而得。电厂较常使用的情况是用4点拟合法得到过欠励曲线。为此各条曲线均设置了“四点拟合”按钮。单击按钮，弹出四点拟合窗口。欠励1段曲线的窗口界面如图。按照电厂的使用习惯，四点拟合的无功、有功坐标点均采用实际值，单位分别为Mvar，MW，同时要求有功是逐渐递增。智能维护和显示系统7、机组运行点显示以及PQ曲线设置试验录波是励磁调节器现场试验的重要部分，导航条中单击“录波”图标，进入试验录波模块。由于录波过程是手动停止，需要了解励磁调节器的一些重要参数的变化情况，因此录波界面设置了数据流览分页窗口。智能维护和显示系统8、录波以及分析为方便进行系统故障诊断，NES_HMI提供了采样示波器模块。该模块以100ms的刷新频率对励磁调节器24个采样通道进行数据采集和图形显示。用户能方便地查看A套或B套调节器的任意通道的采样实时数据。智能维护和显示系统9、采样示波器智能维护和显示系统10、阶跃试验该模块供调试人员在现场调试时对调节器的控制模式进行切换，以检验调节器的切换特性。调节器内部的控制模式有：电压闭环、电流闭环、定角度、无功闭环、功率因数闭环几种。智能维护和显示系统11、模式切换励磁调节器的变量（包括模拟输入量、开关输入量以及程序内部临时变量）间的逻辑关系随电厂环境不同而变化，且经常需要工程人员在现场修改源码。现场直接修改源程序容易导致程序版本过多及核心程序泄密的问题。因此，国电自动化研究院电气控制研究所/南京南