莲花发电厂机组励磁系统改造研究

2010-03-17冯亚新吴保金

黑龙江水利科技 2010年1期

冯亚新，吴保金

(牡丹江水力发电总厂，黑龙江牡丹江157000)

莲花发电厂位于黑龙江牡丹江流域下游林口与海林交界处，距牡丹江市200 km，是黑龙江省目前最大的一座常规水电厂。莲花发电厂共装有4台机组，单机容量137.5 MW，总装机容量550 MW。莲花发电厂主要承担电力系统调峰任务，担负电力系统内事故备用。莲花发电厂是一座以计算机监控为主，牡丹江梯调控制中心遥控“无人值班”(少人值守)的现代化水力发电厂。

莲花水电站远离负荷中心，负荷主要送往东北电网，送出工程属于典型的机组快速励磁系统、远距离送电的高压输电网络。莲花机组为混流式水轮发电机组，励磁采用可控硅快速自并励励磁系统，并配置电力系统稳定器(PSS)改善机组和系统的阻尼特性，莲花励磁系统性能直接影响机组和系统的安全运行。

经过多年运行，莲花发电厂励磁系统元器件老化，备品采购困难，两功率柜电流不均衡的现象越来越突出。为确保机组和电网的安全稳定运行，通过多次技术分析论证和专家审查，将机组励磁系统改造为EXC9000型数字式调节器。通过调试和运行考验，改造后励磁系统解决了原励磁装置存在的问题，经试验和运行，调节器、整流桥等均具有良好的性能指标。

1 改造前的励磁系统

莲花发电厂原励磁系统为自并励可控硅励磁系统，采用双通道微机励磁调节器，励磁变采用三相干式变，整流桥为两桥并联。自1996年投运以来，由于当时技术水平，励磁调节器软硬件档次较低，人机对话界面差，软件功能不全，无事件记录，不便于运行维护，励磁调节器还存在电压和无功调节波动大，PSS调节不能投运等问题，影响发电质量。功率柜的设计复杂，增加了主回路的复杂性和检修维护的工作量;同时两柜并联运行，没有任何均流措施，造成两柜输出电流越差越多，威胁着机组的安全运行。

2 励磁系统的选型配置原则

在励磁系统的选型配置中，要求其运行可靠性高，励磁系统的各个部分均能实现智能检测、智能显示、智能控制、信息智能传输和智能测试，可控硅整流桥采用先进的动态均流技术、完善的通讯功能和智能化的调试手段，能提高机组自动化及经济运行水平，满足计算机监控系统数据采集与数据处理以及实际运行监视、报警、自动电压控制(AVC)等功能的要求，确保机组和电网的安全运行，以及满足现代化管理技术需要。

经过认真考察和总结经验后，确定选型配置原则为:新励磁系统采用EXC9000系统，它主要由调节器、人机界面、对外接口、功率柜、灭磁及过压保护、励磁变压器等组成。该系统吸收了目前数字控制领域先进的研究成果和工艺，增添了新的精巧的解决方案和手段，如DSP数字信号处理技术、可控硅整流桥动态均流技术、高频脉冲列触发技术、低残压快速起励技术、完善的通讯功能和智能化的调试手段等。采用CAN总线(控制器局域网)用于励磁系统的各个部分进行控制和信息交换，使EXC9000系统成为一个有机的、完整的整体。减少了柜间接线，提高了工艺水平，也提高系统运行可靠性。CAN总线属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。CAN总线通信的实时性很好，通信速度也较快，硬件也比较简单，特别适合于工业过程监控设备的互联。

3 励磁系统的系统结构

3.1 控制系统结构框图

控制系统结构框图见图1。

图1 控制系统结构框图

3.2 励磁系统工作原理

EXC9000型励磁调节器的调节通道采用微机/微机/模拟三通道双模冗余结构，由两个自动电压调节通道(A，B)和1个手动调节通道(C)组成，这3个通道从测量回路到脉冲输出回路完全独立。调节通道以主从方式工作，其中1个自动电压调节通道作为主通道，另1个自动电压调节通道作为第一备用通道，手动调节通道作为第二备用通道。如图2所示。

调节器采用PID+PSS调节规律，可以有效地抑制电力系统低频振荡，提高系统输送能力。调节器硬件采用多CPU模式，主CPU用于调节和逻辑控制，高速DSP芯片用于交流采样，CPU之间通过双口RAM交换数据。这种硬件模式可保证程序运行可靠，电气量采集计算速度快，抗干扰能力强。调节器具有完善的故障检测功能，检测范围覆盖电源系统、硬件系统、软件系统，确保故障检测和通道切换万无一失。采用内部现场总线互联技术，提高了励磁系统数字化程度，实现了分层分布控制，提高了系统可靠性和工艺水平，便于维护。柔性的智能接口电路，以多种方式实现与电站控制系统连接。调节器具有优良的人机界面，采用一体化的工控机，全中文界面，软面板技术，具有在线帮助系统、故障记录、故障追忆、智能测试等功能。调节器在电路设计、工艺结构等方面采取了多种抗干扰措施，显著降低了调节器的故障率。专用的WINDOWS版本调试软件，具有操作、试验、故障记录、追忆、事故录波、远程诊断、参数设定、数据自动记录、在线帮助等功能，减少了试验和整理试验记录的工作量，实现了智能化调试。

图2 励磁调节器控制原理框图

在每个功率柜内设计有一套智能控制系统，该系统包括智能检测单元、通讯接口、传感器、LCD显示器、以及相应的输入输出接口电路等。取消了常规表计和指示灯，功率柜的操作、控制、状态监视、信息传递、信息显示等均实现了智能化。在每个功率柜柜门上，安装了一个带触摸键的LCD显示器，用于显示该功率柜的各种状态及实现相关操作。信息传输实现智能化。将现场总线技术用于智能化功率柜，功率柜的开关量信号和模拟量信号均通过现场总线传递到调节柜，也可直接传递到电站控制系统。这不仅提高了信息传输量，也大大减少了柜间接线，提高了系统运行可靠性。

4 功能及特点

4.1 主要功能

4.1.1 在励磁控制中实现复杂的控制策略

除了可以实现模拟式调节器的 PID(Proportion Integral Differential)调节、PSS附加控制和线性最优控制外，还可实现模拟式调节器难以实现的自校正调节、非线性控制、自适应控制及模糊控制。随着微分几何等现代数学理论的发展，非线性控制理论趋于成熟，它与近代微分几何方法的结合，形成了一门新的学科体系，即非线性控制系统几何结构理论体系，提出对仿射型非线性控制系统实现大范围精确线性化，从而解决了电力系统遭受大干扰的稳定问题。

4.1.2 调节准确、精度高、在线改变参数方便

在数字式励磁调节器中，信号处理、调节控制规律都由软件来完成。简化了控制装置，信号处理能力强和控制精度高。电压给定、放大倍数、时间常数等控制参数都由数字设定，调整参数更准确，稳定性高，调节方便，速度快。

4.1.3 保护功能完善，操作检修简单

可以在励磁控制中实现完备的限制及保护功能、通用而灵活的系统功能、简单的操作以及智能化的维修和试验手段。励磁系统的现地调节和人机接口都采用小键盘和LED或LCD显示器，操作简单直观。

4.1.4 可靠性高，无故障工作时间长

硬件结构简单可靠。调节器由专用的高速可编程控制器或高速微处理器及必要的输入输出电路构成，省掉了大量的逻辑控制继电器，而且易于采用冗余容错硬件结构方式，其可靠性大大提高。由于可以采用双微机自动跟踪，两个通道互为热备用，可实现自动切换。可在正常运行情况下检修备用机，在软件中实现自诊断和自复归功能。由于调节控制规律由软件实现，减少了硬件电路，减少了因调节器故障维修而带来的停机时间。

4.1.5 通信方便

可以通过通信总线、串行接口或常规模拟量方式方便灵活地接入电厂的励磁系统，便于远方控制和实现发电机组的计算机综合协调控制。上位计算机可直接改变机组给定电压值，非常简便地实现全厂机组的无功成组调节及母线电压的实时控制。为了方便地实现励磁系统与电站监控系统的控制及数据交换，可根据用户的要求设置串行通讯或网络通信接口。便于在远方了解励磁系统的运行情况，还可对励磁系统的参数进行修改和设置，有利于电站实现少人值守、无人值班。

4.2 主要特点

4.2.1 系统数字化

EXC9000系统的主要特点是功能软件化、系统数字化。EXC9000系统的数字化不仅体现在调节器，也体现在功率柜。通过调试软件在线控制调节器进行模拟量采样整定，取消了常规的电位器整定方式;通过调试软件在线控制调节器进行相关的功能试验，如零起升压、短路试验、阶跃试验、PSS试验等，可以自动记录试验结果，基本上不用再外接测试设备，大大减轻了试验的工作量;在线设定各个输出开关量的定义，无须修改软件，实现了输出接点的柔性定义;对智能化的功率柜进行在线调试，无须修改软件，取消了常规的电位器整定方式。

4.2.2 系统智能化

励磁系统的各个部分均能实现智能检测、智能显示、智能控制、信息智能传输和智能测试，极大地提高了装置的可靠性和工艺水平。在人机界面和调试软件中置入了在线帮助系统，可针对不同的功能和不同的故障提供详尽的帮助信息和处理方法。

4.2.3 采用先进成果和工艺

该系统吸收了目前数字控制领域先进的研究成果和工艺，增添了新的精巧的解决方案和手段，如DSP数字信号处理技术、可控硅整流桥动态均流技术、高频脉冲列触发技术、低残压快速起励技术、完善的通讯功能和智能化的调试手段等。

4.2.4 采用CAN总线(控制器局域网)

采用CAN总线(控制器局域网)用于励磁系统的各个部分进行控制和信息交换，使EXC9000系统成为一个有机的、完整的整体。CAN总线用于励磁系统内部进行控制和信息交换，减少了柜间接线，提高了工艺水平，也提高系统运行可靠性。

CAN总线属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通讯网络。CAN总线的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，因而被称之为多主总线。CAN总线通信的实时性很好，通信速度也较快，硬件也比较简单，特别适合于工业过程监控设备的互联，被认为是最有前途的现场总线之一，近几年在自动化领域得了广泛的应用。