丰满水电站励磁控制系统浅析

孟繁欣，王振羽，张 蕾，宋明钰，柳志敏



丰满水电站励磁控制系统浅析

孟繁欣1，王振羽1，张 蕾1，宋明钰1，柳志敏2

（1. 丰满大坝重建工程建设局，吉林 吉林 132108；2. 广州擎天实业有限公司，广州 510860）

本文结合丰满水电站励磁系统的设计与选型，介绍了丰满水电站全智能型励磁系统的众多先进技术及特点，如多CPU架构、光纤脉冲传输技术、残压起励技术、智能均流技术等。针对目前智能化水电厂所提出的励磁系统与监控系统之间IEC61850通讯，提出了新的设计方法，为智能化水电站励磁系统设计提出了新思路。

CPU+FPGA；1+冗余系统；光纤；智能均流；残压起励；IEC61850

0 前言

EXC9200型励磁设备是广州擎天实业有限公司最新一代励磁产品，可适用于各种不同类型同步发电机组。其依托高性能、高可靠的嵌入式计算机和实时操作系统平台；采用分布式控制架构，实现励磁系统的操作、显示、状态和故障监测等智能一体化。

1 丰满水电站励磁系统简介

丰满水电站全面治理（重建）工程是按恢复电站原任务和功能，在原大坝下游120m处新建一座大坝，并利用三期工程，安装6台单机容量为200MW的水轮发电机组，利用三期2台单机容量140MW的机组，总装机容量1480MW。

电站发电机励磁系统是采用广州擎天实业有限公司新一代EXC9200型励磁产品。本项目励磁系统主要由励磁调节器、整流单元、灭磁及过压保护单元、起励单元、励磁变压器及其它辅助设备等组成。

1.1 励磁调节器

励磁调节器由3个微机（全数字）通道组成，其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，其中一个自动通道作为主通道（含自动和手动单元），其余通道作为备用通道。备用通道在脉冲输出级跟踪运行通道，保证通道间平稳、无扰动切换。

1.2 励磁整流单元

励磁功率柜采用智能功率柜，单柜额定电流3000A，强励电流5000A。选用3个功率柜并联运行，功率柜设计原则按－1考虑冗余，一桥故障时能满足发电机所有运行工况要求[1]。

硅元件采用瑞士ABB生产的硅元件，其通态平均峰值电流为3170A，断态不重复峰值电压为4200V。采用集中式阻容保护，可以有效保护硅元件不受损害[2]。

1.3 励磁灭磁及过压保护单元

丰满水电站励磁系统在正常停机和事故分别采用逆变灭磁和跳灭磁开关（将能量转移到灭磁电阻进行灭磁）两种方式。

灭磁开关采用瑞士Secheron 公司生产的UR40型直流单断口灭磁开关。灭磁开关分闸线圈有两路，从而保证系统发生事故时灭磁开关的可靠跳闸。

灭磁电阻采用的是ZNO灭磁电阻，用于事故灭磁和转子侧过压保护。

转子正反向过压保护采用可控硅跨接器+ZnO灭磁电阻的方式，整定简单，不需要维护[3]。

1.4 励磁起励单元

丰满水电站起励装置有直流电源起励、交流电源起励和残压起励三种方式。在起励过程中首先进行残压起励，在整流桥阳极电压足够高的情况下，高频脉冲列连续触发可控硅直至其能够正常工作；如果残压起励不成功，则投入直流/交流电源起励电源回路进行起励。

2 丰满水电站励磁控制系统的技术特点

2.1 采用CPU+FPGA平台

调节器采用CPU+FPGA的架构平台，其结构紧凑，关键信号独立采样和隔离，其功能清晰，软、硬件结构简单明了，高效率运行，所有调节运算（包括PSS2B、PSS4B、PSVR和NR-PSS）可达到1000次/秒。

CPU采用运行主频率800MHz以上的32位高性能处理器，采用 RISC 架构，带双精度（64位）浮点运算器，用于完成复杂逻辑控制、复杂运算和通信。

FPGA内部更集成了大容量RAM和多路DSP，可完成多单元并行浮点运算，非常适合做数字信号处理。在数字信号处理部分FPGA发挥了非常重要的作用，它完成了同步采集控制、同步交流采样及算法实现、频率补偿、同步信号检测、脉冲形成以及CPU接口等功能。

2.2 冗余的1+i通道励磁调节器

励磁调节器为丰满水电站配置1+（=2）冗余系统，通道间主/从工作方式，具备完善的故障检测方式和处理方法，实现对通道自身工作状况的评估，确定通道运行状态级别，实现各通道间的对等冗余，使调节器间热备用更加合理、更加智能。

通道之间以优先级的方式运行，根据励磁系统内部故障对设备运行的重要性进行优先级设定，优先级从高到低分别为3、2、1、0，当备用通道优先级比运行通道高时，将自动切换到备用通道。（见表1）

表1 调节通道的可用状态级别定义

通道间的跟踪目标是实现通道切换前与通道切换后，励磁系统输出一致。使得切换过程中，系统输出无波动。要实现这两点，需要做到：

（1）双通道的模拟量采集系统一致性好，在全范围内的采集结果基本相同。

（2）同步移相环节一致性好，可以保证两套调节器控制信号相同时输出脉冲一致。

通道跟踪接口提供了同步相位差测量、脉冲相位差测量功能，由备用通道根据跟踪算法对自身的脉冲输出做出调整，使得备用通道的脉冲输出的移相角大小与运行通道的保持一致。

同时，切换逻辑使用了优化电路，可以保证切换过程中脉冲连续。

2.3 内部通讯采用光纤通讯

励磁系统通过使用光纤通讯作为系统内部的通信网络，能够监视和控制励磁系统各关键部分的运行状态，并能够进行报警和自动采取措施，这样提高了设备的可靠性和安全性[4]。使用光纤通信网络后，励磁系统内部各种模拟量和数字量都能够被采集，包括整流桥的状态量、调节器的状态量、灭磁及过压保护单元和电源监视等（如图1所示）。

图1 光纤通讯示意图

光纤通讯因其通讯速率高、抗干扰能力强得到了广泛应用。光纤网络通信的优点主要有[5]:

（1）抗电磁干扰能力强：光纤是非金属的介质材料，它耐腐蚀性强，且不受电气化铁路馈电线和高压设备等工业电器的干扰。

（2）传输容量大：比传统的电介质的数据传输容量提高几十甚至上千倍以上。

（3）光缆代替电缆，避免了电缆端子接线松动引起的发热、开路和短路等危险，提高了励磁系统整体安全运行水平。

2.4 可控硅脉冲光纤传输

在大型发电机机组的励磁系统里，因功率柜数量比较多，采用扁平电缆传输脉冲存在抗干扰能力差的问题。为了增强励磁系统抗干扰性能，本项目触发脉冲传输介质采用光纤，取消了扁平电缆传输脉冲。调节器输出的触发脉冲经过光纤分别传送至各个整流桥（如图2所示）。

图2 脉冲光纤传输原理图

2.5 智能均流技术

EXC9200智能化励磁系统实现了功率柜间的桥臂智能均流。而且，当一个功率柜退出后，运行的功率柜仍可实现智能均流[6]。采用智能均流技术，不需要采用其它辅助措施就能保证均流系数大于97%。

均流自动调节器由包括：脉冲区间形成、区间前沿斜坡处理、本柜电流偏差放大、脉冲区间移相处理、脉冲投切控制、高频脉冲发生器、脉冲列形成、脉冲功放等（如图3所示）。

图3 自动均流调节器框图

2.6 残压起励技术

本项目励磁系统中,发电机起励方式有直流电源起励、交流电源起励及残压起励三种。

残压起励是当整流桥阳极电压达到一定值时，利用残压起励装置，在无需外界助磁的情况下，发电机自动建压的过程[7]。在残压起励过程中，在晶闸管整流桥的输入端仅需要约8V~12V的电压即可正常工作。如果电压低于8V~12V，晶闸管整流桥就会被连续地触发（二极管工作模式）并输出直流电流到转子，经旋转的转子和定子之间产生的电磁反应，使发电机产生定子电压，以使得整流桥输入电压达到该值。

起励时的整流桥阳极电压不能太小，否则将不能维持晶闸管的持续导通，这时候就必须采用外部辅助电源起励，这时励磁系统通过起励电源给转子线圈注入直流电流（一般小于10%空载励磁电流）。

3 IEC61850通讯接口技术

我国的电站自动化技术经过多年的发展，绝大部分电站已采用基于计算机的监控系统。但目前在我国电站使用各种各样的通信规约，使得各种自动化系统之间信息的收集、处理及传送变得十分困难，且站内数目众多的模拟量信号，使得监控系统接收到的信号可能会受到电磁干扰，影响电站的安全运行。随着设备厂家技术的不断发展、光纤通讯的广泛运用、IEC61850协议的实施，智能化的电站问世条件已经具备[8]。

IEC61850通信标准做为一项国际标准，在智能化变电站中拥有大量的工程实践，并取得巨大成功，说明其能够将各个厂家的设备有效地联接成一个整体，使这些设备之间具备优良的互操作性。因此IEC61850是智能化发电站建设过程中通信标准的首选[9]。

EXC9200励磁系统通过IEC61850通信协议能够满足智能电站的通讯要求。但是我们需要在未来从以下几个方面进行改进：

（1）励磁内部：随着应用的发展，未来可以将IEC61850协议应用到励磁系统内部各单元之间通信中，使系统内部和外部使用同样的通信协议，可以大大提高数据传输的实时性。

（2）励磁外部：随着电子式电流互感器、电子式电压互感器、智能化开关、智能在线检测设备等进一步技术发展，未来发电厂的所有电气设备二次侧不再存在有模拟量信号，所有数据均按IEC61850通信协议进行传输。

4 结论

基于CPU+FPGA构架平台、首创的通道切换基于优先级方式、创新开发的内部光纤通讯、脉冲光纤传输、成熟的智能均流和残压起励技术等，使得EXC9200励磁控制系统技术先进、性能优越，部分性能达到国际先进水平，可满足于各种不同类型同步发电机，特别是大中型以上的发电机组。在常规设计的基础上，增加IEC61850接口通讯，可使励磁系统满足智能化电厂的运行要求。

[1] 李基成. 现代同步发电机励磁系统设计应用（第二版）[M]. 北京:中国电力出版社,2009.

[2] 廖瑞金,等. 励磁系统换向过电压阻容保护装置的仿真研究[J]. 高电压技术,2007,33(7).

[3] 孙新志,等. 锦屏一级水电站励磁系统及其主要特点[J]. 四川水力发电,2015,34(1)

[4] 刘德明. 光纤光学与光纤通信基础教程[M]. 华中科技大学出版社, 2009.

[5] 王德宏. IEC61850 及数字化水电厂的概念与前景[J]. 水电站机电技术, 2010, 33(3).

[6] 陆继明,等. 励磁功率柜智能均流暂态过程分析[J]. 华中科技大学学报( 自然科学版), 2005, (11)．

[7] 张兴旺. 发电机残压起励的研究与实现[J]. 电机电器技术, 2003, (2).

[8] 王德宽. IEC61850及数字化水电厂的概念与前景[J]. 水电站机电技术,2010,33(3).

[9] 薛林峰,等. IEC61850 通信在励磁系统中的应用[C]. 发电机励磁系统学术年会, 2012.

Analysis of Excitation Control System of Fengman Hydro-power Station

MENG Fanxin1, WANG Zhenyu1, ZHANG Lei1, SONG MingYu1, LIU Zhimin2

(1. Fengman Dam Reconstruction and Project Construction Bureau, Jilin 132108, China;2. Guangzhou Kinte Industrial Co., Ltd., Guangzhou 510860, China)

Combined with the design and type selection of the excitation system of Fengman hydro-power station, this paper introduced various advanced technologies and features of the fully intelligent excitation system in Fengman hydro-power station, such as CPU structure, optical fiber pulse transmission technology, residual voltage starting up technology, intelligent current sharing technology etc. Regarding the IEC61850 communication between the excitation and monitoring system of the intelligent hydro-power station, it puts forward a new design and provided a new thought for the design of the intelligent hydro-power station.

CPU+FPGA; 1+redundancy system; optical fiber;intelligent current; residual pressure; IEC61850

TM621.6

A

1000-3983(2017)06-0071-03

2016-11-06

孟繁欣（1978-），2001年6月毕业于武汉大学电子信息学院测控技术及仪器专业，现从事水电自动控制专业技术研究工作，高级工程师。