UNITROL5000系统仿真机的研制与应用

张云斌，王建伟

（华电潍坊发电有限公司，山东 潍坊 261204）

0 引言

励磁系统在电厂二次设备中属于较为复杂的系统，除了调节发电机电压，还有转子接地保护、交流侧阻容吸收回路、轴电压吸收回路、过励／低励限制器保护、电力系统稳定器等诸多功能。目前全国大部分600 MW及以上机组配置UNITROL5000励磁系统，设备及其配套资料和调试软件未汉化，且只能在检修时才能对设备进行调试和人员培训，对电厂工程人员掌握技术造成了一定的困难。2015年初，华电潍坊发电有限公司4号机组因励磁调节器故障导致机组非计划停运2次，因技术人员对设备性能不够熟悉，在分析处理事故时十分被动［1］。

为解决此问题，利用机组更换下的励磁调节器卡件，并外购部分卡件和仪器，与上海设备成套院合作研制UNTROL5000励磁调节器模拟机，为励磁专业人员提供UNTROL5000励磁调节器培训平台，对于学习、掌握发电机励磁系统技术，增强技术人员技术素养，熟悉掌握励磁系统调试方法，提高励磁系统检修质量和分析问题的能力等方面具有非常重要的意义。

1 UNTROL5000仿真机的原理

当励磁系统工作在自动方式时，其控制的对象为发电机电压，MUB板卡经发电机电压互感器采集到电压，传送给COB板卡；COB板卡比较实际的电压与给定值的偏差，再将此偏差与各低励限制器、过励限制器比较，计算出三相全控整流桥所需的脉冲触发角度，并传送给CIN板卡；CIN板卡则确认当前整流柜内各元件的状态是否正常，若无故障，即将COB传来触发脉冲进行微调处理（整流桥智能均流）后传送给GDI板卡；62.5 kHz的脉冲电压经GDI板卡脉冲变压器放大后进入可控硅晶闸体，就此在转子正负极产生励磁电压，形成励磁电流［2］。

如图1所示，PSI板卡的功能是采样励磁电流、励磁电压和同步电压3个量供COB板卡计算参考。EGC板卡作为后备手动通道，在2个主通道都失去作用的时候会启动，继续维持励磁电流的稳定，实现恒励磁电流模式运行，使整个系统不致进入混乱运行状态。Q02为磁场断路器，紧急情况下断路器会跳闸并将转子中的能量经由F02跨接器装置导入灭磁电阻，保护并维持转子的整体性能。A03起励回路模块的作用是在发电机还未产生电压并且没有残压的时候，给转子提供一个约60 A的直流电流，在发电机电压达到额定电压的30%后即切除。

2 UNTROL5000仿真机的设计要求

励磁仿真机系统为性能可靠的单通道数字装置，带手动和自动控制方式，并具备与外部设备通信的硬件接口。

励磁仿真机系统具备反时限励磁电流限制及保护，瞬间过励磁电流保护，过励磁限制；过励磁保护；低励磁限制；功率因数控制器；电压互感器断线保护；定子电流限制；励磁电流限制；电力系统稳定器（PSS）；电压／频率限制及保护等；强励顶值限制；远方和就地控制等功能。

励磁仿真机系统在受到现场任何电气操作、雷电、静电及无线电收发信机等电磁干扰时不发生误动、拒动等情况，满足有关标准要求［3］。

励磁仿真机系统能够对发电机电压、电流进行采样，发电机电压的分辨率不小于0.2%，采样精度不低于0.5%。

励磁仿真机系统能够对励磁电压、同步电压进行采样，励磁电压与同步电压采用分压式采样法。

励磁仿真机系统能够对三相全控可控硅整流桥进行控制，根据触发角度发出62.5 kHz的触发脉冲列，以驱动可控硅整流桥工作。

励磁仿真机系统具有模拟量输入、输出，数字量输入、输出接口，能够正常接收和发送信号。

图1 UNITROL 5000励磁系统原理

励磁仿真机系统使用220 V交流电源即可正常运行，须配置1个电源模块，可将220 V交流电源转换为24 V直流电源，以供控制板卡及其他元件使用。

励磁仿真机系统使用三相全控整流桥能够满足假负载试验要求，交流进线电源可承受400 V／50 Hz检修电源，并具备一定的通流能力。

励磁仿真机系统配置一个珐琅电阻负载用来进行假负载试验，电阻为1.5 kΩ，容量为300 W。

励磁仿真机系统配置1个接触器作为磁场断路器，此接触器合闸所需的电压脉冲应不大于2 s。接触器须配置一个锁扣器用来机械保持，即接触器合闸后，无需通电保持。

励磁仿真机系统须由金属横梁与面板搭建，整体结构应小巧紧凑、方便携带。

据此，设计的UNITROL5000励磁仿真机如图2所示，采取单通道（-A10）的结构，通道主要由控制板（COB）和测量单元板（MUB）构成，形成一个独立的处理系统。通道含有发电机端电压调节、磁场电流调节、励磁监测／保护功能和可编程逻辑控制的软件。除励磁调节器外，一些接口电路如快速输入／输出（FIO）模块和功率信号接口模块（PSI）也被用来提供测量和控制信号的电隔离。此外，每个可控硅整流桥都配备1套整流器接口电路，包括整流器接口单元（CIN）、门极驱动接口单元（GDI）。

图2 UNITROL5000系统仿真机制造方案

3 UNTROL5000仿真机功能

研制的UNITROL5000系统仿真机如图3所示，接线原理如图4所示。

图3 UNITROL5000系统仿真机

3.1 常规检查训练

励磁仿真机模拟现场机组实际运行方式进行配置，通过仿真机学习，励磁技术人员可对UNITROL5000系统硬件组成、通信方式、控制方式、电源分配方式以及励磁系统工作原理等有一定了 解［4］。

通过检查仿真机各板卡、扁平线、同轴电缆、连接线外观，查阅图纸梳理扁平线、同轴电缆、连接线走向，励磁技术人员可具有判断励磁系统内各板卡、扁平线、同轴电缆、接线外观是否良好，是否存在老化、烧焦现象，是否固定、接触良好的能力以及按照图纸，检查所有接线是否正确的能力。

3.2 终端控制系统训练

通过仿真机终端控制工具 LCP／SPA／ECT的实际操作，励磁技术人员可掌握LCP／SPA／ECT 3种终端控制系统工具的使用方法。如操作灭磁开关分、合闸，查看模拟量采样值、开入开出量、系统参数等。

3.3 励磁系统关键部件校验训练

开关量通道校验。励磁仿真机系统具有模拟量输入、输出，数字量输入、输出接口，能够正常接收和发送信号。通过仿真机的开关量通道校验，励磁技术人员可具有判断各回路输入输出环节是否正确、是否可靠、动作时间是否配合的能力。

图4 UNITROL5000系统仿真机接线

模拟量通道校验。通过仿真机的模拟量通道校验，励磁技术人员可具有校验模拟量通道测量精度、线性度和范围（包括定子电压、定子电流等）的能力，具有判断各通道采样是否满足分辨率要求的能力。

电源模块校验。励磁仿真机系统使用220 V交流电源即可正常运行，配置一个电源模块，可将220 V交流电源转换为24 V直流电源，以供控制板卡及其他元件使用。通过仿真机的电源模块校验，励磁技术人员可具有判断电源模块性能是否可以满足励磁系统正常运行的能力。

整流桥性能校验。励磁仿真机系统使用三相全控整流桥能够满足假负载试验要求。将380 V的交流电源直接加在励磁仿真机系统交流输入侧，将负载和直流输出回路连接好，将万用表和示波器与电阻并接。假负载试验数据显示现场的整流桥脉冲触发回路工作正常，用示波器观察模拟负载（RL）两端波形正确，每周期内波形有6个波头，每个波头波形一致性较好，无畸变，符合三相全控整流桥的工作原理。在触发角全开放时，其输出电压符合公式。通过仿真机的假负载试验，励磁技术人员可具有判断各整流桥可控硅、整流桥控制系统工作性能好坏的能力［5］。

3.4 限制器判断训练

励磁仿真机系统模拟设置各限制器定值，在相应模拟量通道分别加入三相电压、电流，并配合相应参数修改，模拟励磁仿真机系统定子电流限制器、电压／频率限制器、欠励限制器、励磁电流限制器等动作正确，实验数据符合规程要求［3］。通过仿真机的限制器试验，技术人员能了解励磁系统限制器与发变组保护的配合情况，并具有判断各限制器是否能够可靠动作的能力，确保并网工作的励磁系统运行安全可靠。

4 结语

电厂新员工多，考虑机组安全生产的原因，新员工动手操作的机会很少，技术进步较慢。利用机组更换下的励磁调节器卡件，并外购部分卡件和仪器，研制UNTROL5000励磁调节器仿真机，为励磁专业人员提供UNTROL5000励磁调节器培训平台，可提高专业励磁技术人员技能水平，确保励磁系统在生产期间的稳定运行，并在励磁系统出现故障时以最快的速度排障消缺，减小因励磁系统故障而导致的损失。