抽水蓄能机组励磁系统测试软件的实现

姜 涛，郑尧山，徐东海，魏盛夏子

（1.安徽响水涧抽水蓄能有限公司，安徽省芜湖市 241000；2.国电南瑞科技股份有限公司，江苏省南京市 210032）

0 引言

大型蓄能电站具备调峰填谷、调频调相、事故备用和蓄洪补枯等多种用途，而且运行灵活、反应迅速。与常规水电机组相比，抽水蓄能机组工况复杂，且抽水蓄能机组起停频繁，起停过程相关的设备较多，因此励磁系统的安全性越来越显得特别重要。在静态调试试验以及机组大修试验等阶段，需要对抽蓄励磁系统进行总体、全面的检验试验，确保在抽蓄机组运行期间励磁系统能完成其应有的作用。目前励磁系统试验时，通常采用人机界面操作励磁调节器完成相关试验，试验操作复杂，对试验人员的专业要求很高。试验过程中，需要根据不同的试验项目外接不同的试验接线，需要按照步骤流程操作，试验过程中需要记录数据、录制波形，容易遗漏步骤或者数据，完成后需要撰写试验报告。这些都难以满足抽水蓄能电站的需要。因此，有必要对励磁测试系统软件做研究，以期简化试验操作，提高励磁测试系统软件的智能化程度，提高抽水蓄能电站励磁系统运行的可靠性。

1 励磁测试的试验项目

励磁系统标准一般将试验分为型式试验、出厂试验、交接试验和大修试验几个阶段。励磁测试系统的软件主要应用于大修试验的阶段。大修试验是一种运行维护范围内的试验，也称预防性试验和定期试验。大修试验对一般性能以及更改和消除缺陷的部分进行检查。一些实际运行期间未表现，但是有可能在非正常运行时表现的励磁系统功能和参数也需要在大修试验阶段进行检查[1]。大修试验与励磁调节器操作相关的重要的试验有如下几个试验：

1.1 小电流试验

励磁系统小电流试验是励磁系统静态试验的重要试验项目之一，试验方式是在整流柜的阳极输入侧外加交流电压，直流输出接电阻负载，调整触发角，观察和记录负载电压波形和幅值。试验的目的是创造一个模拟的环境，验证励磁调节器控制功能、脉冲触发功能、功率柜晶闸管功能的完好性。

1.2 模拟量校验

模拟量校验的试验方式是，用三相保护校验仪给调节器送入电压电流，模拟发电机励磁专用PT、仪用PT、系统PT、发电机定子CT、发电机转子CT、同步变压器二次侧输入，调整调节器各个模拟量的采样系数，使调节器测量的模拟量精度满足要求。试验的目的是验证励磁调节器各个模拟量采样通道的功能完好性。

1.3 功能模拟

功能模拟的试验方式是，用三相保护校验仪给调节器送入电压电流，模拟发电机励磁专用PT、仪用PT、发电机定子CT、发电机转子CT、同步变压器二次侧输入，模拟可能出现的工况，检验励磁调节器控制功能是否工作正常。

1.4 开机试验

开机试验包括零起升压试验和短路升流试验，试验方式是设置调节器至合适的工作方式，设置调节器参数，励磁调节器开机，逐渐増磁，使发电机机端电压或者定子电流逐渐升高至试验值。开机试验是发电机本体试验，并非考验调节器的性能。

2 励磁测试系统框架

2.1 硬件结构

励磁测试系统充分利用励磁调节器柜内现有的硬件设备，相关的设备有：励磁调节器装置、交换机、工控机。励磁调节器型号是NES6100，硬件方面：独立的32路采样通道，并配有独立的励磁电压测量通道。电气量采样速度快，抗干扰能力强，硬件结构简单。另配有4路试验通道，可配置为±5V或 4～20mA的模拟量采集，应用于转子电流直采和噪声信号的采集。具有4路D/A输出，可通过软件配置为±5V、±10V或 4～20mA输出。工控机采用TPC-1250，铝镁外壳紧凑设计，带有触摸屏，适合安装在调节器柜中。硬件结构图如图1所示。

图1 硬件结构图Fig．1 Hardware structure diagram

2.2 软件结构

软件组成包括3个方面：通用系统程序、励磁应用程序以及人机交互程序。

通用系统程序包括以管理监视为方向的功能，PPC管理、监视装置所有插件的运行，使装置管理功能通用，具备适应不同应用的通用性，基于该部分软件平台运行的CPU间以CAN进行通信，每个CPU均有系统程序支持应用运行，该部分软件平台称之为通用系统程序；通用系统程序完成了励磁调节器的任务管理、SOE事件记录、参数管理、录波、对外MODBUS、IEC61850或IEC103通信、LCD屏管理、开关量组态、GPS对时等功能。

励磁应用程序包括两个部分：AD采样程序和控制调节程序。AD采样程序运行周期短，每238μs运行一次，实现对励磁系统相关模拟量的快速采集。控制调节程序放置于1.6ms中断中，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。

人机交互程序运行于工控机。人机交互程序的功能需要包括电厂的励磁系统常规试验，如小电流试验、模拟量校验、功能模拟、零起升压、短路升流等。人机交互程序分为两个部分，一是与励磁调节器的通信程序，负责读取模拟量、开关量、读写参数、上传波形等功能；二是软件界面，显示信息并接收操作命令。人机交互程序采用的开发环境是Qt。Qt是一个跨平台C++图形用户界面应用程序开发框架。Qt是面向对象的框架，使用特殊的元对象编译器（Meta Object Compiler，MOC）以及一些宏，易于扩展，允许组件编程。它提供给应用程序开发者建立艺术级的图形用户界面所需的所有功能。Qt具有面向对象的特性，Qt的良好封装机制使得Qt的模块化程度非常高，可重用性较好，对于用户开发来说是非常方便的。Qt提供了一种称为“信号（signals）”和“槽（slots）”的机制，这使得各个元件之间的协同工作变得十分简单[2-4]。软件结构图如图2所示。

3 软件功能设计

3.1 小电流试验

小电流试验软件的功能按照试验的步骤设计：

（1）开始试验，将励磁调节器的控制方式切换至定角度控制模式，即开环控制模式。

图2 软件结构图Fig．2 Software structure diagram

（2）设置触发角，将调节器的触发角度调整至设置值。

（3）设置补偿角，软件根据输入的负载电压，提示补偿角度。

（4）试验和记录，改变设置的触发角度进行多次试验并记录数据。

（5）结束试验，将励磁调节器的控制方式切换至电压闭环模式。

小电流试验软件的关键点有：

（1）软件采用试验向导的方式，避免试验步骤的顺序被人为颠倒，消除误操作的可能性。

（2）采用开始试验和结束试验的方式切换调节器的控制模式，使软件功能人性化，不需要人工思考选择控制模式。

（3）使调节器的触发角度可以设置，简化人工手动增磁和减磁的操作，提高试验的效率。

（4）软件根据输入的负载电压，计算并提示补偿角度，减少人工计算补偿角的工作量。

3.2 模拟量校验

模拟量校验软件的功能有：

（1）模拟量显示，显示各个模拟量的采样值、百分值和一次值。

（2）采样系数的显示和修改，显示各个模拟量的采样系数并可以修改。

（3）采样系数的计算，软件根据输入的期望值计算采样系数。

模拟量校验软件的关键点有：

（1）校验量可以选择，保护校验仪模拟量通道有限，通常一次只校验一种或两种模拟量。

（2）采样系数的计算，软件可以根据输入的期望值，自动计算采样系数，减少人工计算采样系数的工作量。

（3）采样系数的容错，当采样系数超出正常范围时，软件需要容错功能。

3.3 功能模拟

功能模拟软件的功能有：

（1）PT断线，模拟励磁调节器PT回路断线的情况，包含单PT断线和双PT断线。

（2）V/Hz限制，模拟发电机电压升高或者频率减低发生V/Hz限制的情况。

（3）过欠励限制，模拟发电机无功出现过大或者过小的情况。

（4）强励反时限限制，模拟发电机转子电流长时间过大的情况。

功能模拟软件的关键点有：

（1）各个工况的模拟提示，选择模拟不同的功能时，显示不同的试验提示。

（2）过欠励限制曲线的显示，软件要显示功率圆，可以在功率圆上功率运行点和过欠励曲线，方便试验。

3.4 开机试验

开机试验的功能有：

（1）零起升压试验，退出励磁系统软起励功能，并且将电压给定降低至空载电压给定最小值。

（2）短路升流试验，切换至定角度模式并且软压板短路升流使能置1。

开机试验软件的关键点有：

（1）软件功能的人性化，一键式设置，即按一个按钮，软件同时处理多个任务，将调节器切换至需要的状态。

（2）试验结束的恢复，试验后点击结束试验按钮，将调节器切换至正常待机状态，必须满足下一次正常开机的条件。

4 软件实现

根据软件的功能设计，在Qt框架下开发出励磁测试系统软件。软件运行在工控机上，与励磁调节器装置通过网络通信。

小电流试验软件的界面如图3所示。软件界面中可以显示小电流试验的接线原理图和试验数据，方便试验过程中查看信息。软件操作步骤分为五步，采用试验向导的方式，使试验变得简单，并且消除了误操作的可能性。开始试验和结束试验，只需点击按钮，即可完成切换调节器的控制模式，使软件功能人性化。试验中触发角度采用设置值的方式改变，避免了手动增减磁操作，提高了试验效率。可以在界面记录数据，方便后续软件生产报告。

图3 小电流试验界面Fig．3 Small current test interface

模拟量校验软件的界面如图4所示。模拟量校验软件的分为五步：选择模拟量、设置期望值、计算参数、下载参数和记录数据。

图4 模拟量校验界面Fig．4 Analog calibration interface

功能模拟软件的界面如图5所示。功能模拟中过欠励限制功能的页面可以显示曲线，修改参数。

零起升压的界面如图6所示。

短路升流的界面如图7所示。

5 与常规试验对比

测试软件简化了试验步骤，与常规试验相比减少了人工工作量。

图5 功能模拟界面Fig．5 Functional simulation interface

图6 零起升压界面Fig．6 Zero lifting pressure interface

图7 短路升流界面Fig．7 Short circuit upflow interface

以模拟量校验试验功能为例，使用测试软件时，调试人员只需要按顺序用按钮操作三步：设置期望值、计算参数、下载参数。调试人员只需要手动输入期望值数据1个，并点击按钮2次即可完成。

如果采用常规试验方式，步骤是：人工查看相关数据、人工计算参数，设置参数，下载参数。调试人员需要观察当前采样值、当前采样系数和保护校验仪值，并根据3个数据量人工计算新的采样系数，计算完成后，将新的采样系数手动输入并下发，再次检查确认。

以机端电压三相校验为例，对两套调节器试验，总共需要校验6个数据量，不采用测试软件，人工需要查看18个数据量，计算6次，手动输入6次新的采样系数。采用测试软件，人工需要查看3个数据量，手动输入1个数据，点击两次按钮即可。

6 结束语

根据励磁试验项目，设计了励磁测试系统软件的功能。在Qt框架下开发了励磁测试系统软件，实现了软件的功能。励磁测试系统软件的应用，可以简化试验操作，防止试验中的误操作，大幅降低励磁现场试验的复杂程度，提高励磁测试系统软件的智能化程度。提高抽水蓄能电站励磁系统运行的可靠性。

[1] 竺士章．发电机励磁系统试验[M]．北京：中国电力出版社，2005．ZHU Shizhang．Test of generator excitation system[M]．Beijing ：China Power Press，2005．

[2] 尉玉龙．基于用户界面中向导的设计原则研究[J]．包装工程，2013，34（16）：70-74．WEI Yulong．Based on the design principles of the wizard in the user interface[J]．Packaging Engineering，2013，34（16）：70-74．

[3] Jasmin Blanchette．C++ GUI Qt4 编程 [M]．北京 ：电子工业出版社，2008．Jasmine Blanchette．C++ GUI Qt4 编程 [M]．北京 ：电子工业出版社，2008．

[4] 张贵明．简约高效人机界面的组织策略[J]．装饰，2013，245：99-100．ZHANG Guiming．The organizational strategy of the simple and efficient human-machine interface[J]．Decoration，2013，245 ：99-100．