三峽電廠勵磁軟件結(jié)構(gòu)框圖及其特色分析

1、三峽電廠勵磁軟件結(jié)構(gòu)框圖及其特色分析陳小明1，胡先洪1，霍乾濤2，章俊1（1：三峽水力發(fā)電廠；2：國電自動化研究院）摘要 本文介紹了三峽左岸電廠SIEMENS勵磁調(diào)節(jié)器硬軟件，詳細分析了其軟件結(jié)構(gòu)框圖和主要限制器特性曲線，并探討國外勵磁軟件特色。關(guān)鍵詞 SIEMENS，THYRIPOL，SIMADYN-D，STRUC G，IBS，勵磁軟件。0 勵磁調(diào)節(jié)器硬軟件簡介三峽左岸電站的勵磁系統(tǒng)采用德國SIEMENS公司生產(chǎn)的THYRIPOL靜止式可控硅自并勵勵磁設備，由11面柜組成，如圖1所示，從左到右分別是：調(diào)節(jié)器柜、輔助控制柜、5屏晶閘管整流柜、2屏滅磁開關(guān)柜、過電壓保護和滅磁電阻柜、電制動整流柜

2、。整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復雜，器件眾多，外觀漂亮，運行可靠。圖1 THYRIPOL勵磁裝置SIEMENS THYRIPOL全數(shù)字式微機勵磁調(diào)節(jié)器，硬件由兩套完全獨立的SIMADYN D全數(shù)字控制器組成。每套控制器包括3塊32位的CPU 控制板，以及各種數(shù)字模擬信號輸入及輸出接口板，耦合存儲模塊，擴展模塊以及通訊接口模塊，所有的模塊集成于一個機箱中，組成一個完整的勵磁調(diào)節(jié)通道。勵磁調(diào)節(jié)器兩通道采用熱備用的運行方式，同時接受輸入控制并執(zhí)行操作與調(diào)節(jié)，但只有處于工作狀態(tài)的通道有輸出，并對可控硅進行觸發(fā)。當工作通道發(fā)生故障時則備用通道自動投入運行，并閉鎖故障通道。通道內(nèi)部各模塊之間以及通道和通道之間實時通信跟蹤

3、，并及時上傳數(shù)據(jù)到面板顯示屏和監(jiān)控系統(tǒng)，保證系統(tǒng)無擾動切換。在整套勵磁裝置盤面上，只有勵磁調(diào)節(jié)器有兩個可操作器件：遠方現(xiàn)地切換控制鎖和西門子OP2N操作面盤。勵磁調(diào)節(jié)器編輯軟件采用的STRUC G邏輯功能圖語言，屬于可編程邏輯圖語言（組態(tài)語言）。STRUC G是SIEMENS公司專門針對SIMADYN D硬件平臺開發(fā)的結(jié)構(gòu)化圖形語言，主要編輯邏輯功能圖，并通過存儲卡讀寫器將軟件寫入存儲卡中。三峽勵磁SIMADYN D有三塊CPU板，故需要插入三個程序存儲卡。STRUC G基于SCO UNIX3.0版以上操作系統(tǒng)、具有形象直觀、可讀性強、編寫靈活方便等優(yōu)點，但UNIX操作系統(tǒng)學習與使用難度較大。

4、勵磁調(diào)試軟件IBS，即系統(tǒng)監(jiān)視軟件，也是SIEMENS公司專門針對SIMADYN D硬件平臺軟件。IBS基于Windows98操作系統(tǒng)，通過PC機的RS232串口與SIMADYN D的SS4上的RS232串口進行連接，使個人計算機與SIMADYN D系統(tǒng)連接進行數(shù)據(jù)交換，可以進行邏輯功能圖連接的改變，軟件狀態(tài)變量的讀取和賦值等調(diào)試監(jiān)視工作。1FP LTSCHR D_L6勵磁功率柜風機投運切換邏輯軟件(PAGE 4)MFP0F 647I B1 B1 QT TF 1 （信號輸入端） MFP_1 800T4 （信號輸出端） D_L6 820T4DFR 657I B1 B1 QD QNSR DBE_E

5、R3.Q5/1.2 (S102 is ON) 96 ms （投自用電風機）NTHYB.I9/13.4 0 （通道之間通訊） （另一通道已投廠用電風機） （投廠用電風機） （注：T4=48ms） 圖2 勵磁功率柜風機投運切換邏輯軟件示意圖為了更直觀的介紹STRUC G邏輯圖軟件，現(xiàn)將勵磁功率柜風機投運切換邏輯截取一小段置于圖2中。這是寫入CPU1（1FP）中命名為LTSCHR功能包、涉及名為MFP_1和D_L6兩個邏輯模塊。1FP LTSCHR的掃描工作時間為T4=48ms，即每48ms循環(huán)工作一次，這里的工作順序是先MFP_1（800T4）后D_L6（820T4）。MFP_1是一個脈沖發(fā)生模塊

6、（MFP0F），相當于一個瞬時動作延時返回的時間繼電器；D_L6是D型觸發(fā)器（DFR）。邏輯塊中的B1（二進制）、Q（二進制）、TF(時間)表示變量的類型。在圖2中，左邊為輸入信號，右邊為輸出信號，當BE_ER3.Q5/1.21時，即交流滅磁開關(guān)S102合閘時，觸發(fā)MFP_1并產(chǎn)生一個96ms寬的脈沖經(jīng)Q端觸發(fā)D_L6 D型觸發(fā)器，D型觸發(fā)器按照其真值表使Q（投自用電風機）和QN（投廠用電風機）交替等于1，即交流滅磁開關(guān)每合閘一次，也就是勵磁每啟動一次，勵磁功率柜風機就交替切換一次。1 勵磁調(diào)節(jié)器軟件結(jié)構(gòu)三峽勵磁調(diào)節(jié)器軟件由25個軟件功能包組成，分配在三個CPU中，其中CPU1主管計算和調(diào)節(jié)控

7、制，CPU2主管操作顯示和通訊，CPU3主管脈沖移相輸出。表1總結(jié)了三峽水力發(fā)電廠（TGHP）勵磁軟件功能包。表1 TGHP勵磁軟件功能包簡介軟件包名稱及運行周期軟件功能包功能簡介PQISTX（CPU1）T1=3ms機端電壓電流交流采樣；計算有功、無功、機端電壓電流頻率，不平衡電壓電流等。FEHL1（CPU1）T4=48 msCPU1自檢；電池電源檢測。REGEL（CPU1）T3=12 ms自動電壓控制(AVR)；過勵限制；定子電流限制；欠勵限制。QREG（CPU1）T4=48 msQ模式設置與控制。SWREG（CPU1）T4=48ms電壓電流給定斜坡函數(shù)設定；階躍設定；V/Hz限制；勵磁電流

8、快速限制值設定。LTSCHR（CPU1）T4=48m s內(nèi)部開關(guān)量輸入；整流柜故障檢測；風機切換控制。ANZ2（CPU1）T4=48 ms轉(zhuǎn)子溫度計算；模擬量4-20 mA輸出設置。PDG（CPU1）T1=3ms內(nèi)部PSS-2A模型；外置PSS-2A控制。VORORT（CPU1）T4=48msOP2N顯示面板控制；OP2N顯示信息。KOM1（CPU1）T3=12msT4=48 ms T5=192 ms與監(jiān)控裝置同步時鐘設置。（未用）；CPU2調(diào)試軟件設置XS1.COM（CPU1）T4=48 msOP2N和IBS（調(diào)試）通訊設置。XE2.COM（CPU2）T5=48ms設置Profibus接受命

9、令；設置它通道信息接受命令；設置OP2N顯示接受命令。NACH（CPU2）T5=48ms雙機通訊設置；雙機通訊量設置。STROM（CPU2）T4=24 ms模擬量輸入；功率柜風速狀態(tài)輸入；試驗用模擬量輸出。OP2（CPU2）T5=48msOP2N操作顯示；OP2N記錄（未用）。SWLOG （CPU2）T5=48ms運行模式選擇；自動手動切換；起勵操作；故障檢測；開環(huán)控制。ANZ（CPU2）T5=48ms開關(guān)量輸入輸出；模擬量輸出；Profibus通訊量輸入輸出。KOM2（CPU2）T5=48msIBS設置（CPU2調(diào)試軟件設置）ANZ3（CPU2）T5=48ms內(nèi)部重要開關(guān)量輸入；X4開關(guān)量輸

10、出；內(nèi)部開環(huán)控制。TRACE （CPU2）T3=12 ms記錄或者錄波量功能（未用）。FEHL2（CPU2）T5=48 msCPU2自檢。XS2.COM（CPU2）T5=48ms設置Profibus發(fā)送命令；設置它通道信息發(fā)送命令；設置OP2N顯示發(fā)送命令。STRST1（CPU3）I1=3.3 ms數(shù)字移相器功能；勵磁電流測量及控制；勵磁電壓測量及控制。FEHL3（CPU3）T5=48 msCPU3處理器自檢。KOM3（CPU3）T5=48 msIBS設置（CPU3調(diào)試軟件設置）從表1中我們可以看出，除了移相脈沖軟件STRST1是同步電壓中斷程序外（I1=3.3ms），其余都是時間中斷程序，中

11、斷時間按照任務的重要性安排，最快的是機端電壓電流交流采樣計算和PSS軟件（3ms），最慢的是與監(jiān)控裝置同步時鐘通訊設置（192ms）。表1給我們的另一個感覺是軟件功能包任務分配凌亂。事實上也是如此，當我們查看某一勵磁軟件時，會從一個軟件包，跳到另一個軟件包，相當麻煩。三峽勵磁調(diào)節(jié)器軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，由自動電壓調(diào)節(jié)（AVR）、勵磁電流調(diào)節(jié)（ECR）、無功模式（Q模式）、勵磁電壓調(diào)節(jié)控制器和移相脈沖觸發(fā)器等組成。調(diào)節(jié)器控制規(guī)律采用PI+PSS控制理論。THYRIPOL勵磁調(diào)節(jié)器軟件結(jié)構(gòu)圖30.陽極電壓測量29.勵磁電壓電流測量28.遠方控制27.現(xiàn)地或遠方控制26.定子電壓電流交流采樣計算U

12、g Ig fug fig P Q Ip Iq cos 增磁 減磁 ON OFF 增1 減1 ON1 OFF1 Uf If Ut fut注釋：fug：定子電壓頻率；fig：定子電流頻率；fut：同步電壓頻率；Ip：有功電流；Iq：無功電流；Ut同步電壓。增磁1 減磁1 增磁 減磁 Ig Iq 增磁 減磁 增減 ONOFF ONOFF26.軟啟動設定值25%,25S19.定子電流Ig限制器25.強勵、負載、空載、選擇13.勵磁電流設定值（Ifref斜坡函數(shù)）TF=100S1.機端電壓設定值（Ugref斜坡函數(shù)）TF=200S17.無功設定值(Qref斜坡函數(shù))TF=60S增減 14.階躍函數(shù)11.

13、AVR/ECR模式切換12.制動電流設定值Ibref Qrefi Q ON1 試驗 Ugrefi 試驗 Ifrefi AVR 2.階躍函數(shù)18.Q模式控制(Q1%，PWM輸出) - + ECR fut ECR 10.AVR/ECR模式切換20.V/Hz限制器15.MIN函數(shù)3.Ugref限幅器 上限 AVRUf 23.過勵磁電流限制器(反時限)7.勵磁電壓控制器（KP=1 Ki=0） Ip Iq Ugref If + - If - + 21.調(diào)差(無功補償器)4.AVR信號綜合及放大器（KP=10）16.ECR信號綜合放大器（KP=10, Ki=0） + Ug Ug(q) P Pref fut

14、24.PSS2A（KP=10）8.勵磁電壓控制限幅器 - 上下限 Ug Ip Iq Ifreg 6.AVR信號綜合及比例積分器（KP=1Ki=1.5s）5.AVR控制信號切換選擇（MAX函數(shù)）22.欠勵限制器（KP=5） - Ufreg Ut 9.數(shù)字移相觸發(fā)器及脈沖放大輸出電路 + Ureg 圖3 THYRIPOL勵磁調(diào)節(jié)器軟件結(jié)構(gòu)圖在圖3中，AVR由16模塊組成，ECR由1216模塊組成，Q模式由1718模塊組成，勵磁電壓控制器和移相脈沖觸發(fā)器由79模塊組成，1926是AVR模式中的各種限制器。AVR以發(fā)電機機端電壓和其設定值的差值作為PI（比例積分）調(diào)節(jié)器的輸入，以脈沖輸出控制整流柜的輸

15、出電流，從而保持機端電壓為恒定值。AVR是勵磁調(diào)節(jié)器的基本和主要調(diào)節(jié)方式。勵磁系統(tǒng)的其它高層控制功能和限制模塊，如PSS，無功控制以及過勵、欠勵限制器等，都在AVR方式中實現(xiàn)。ECR是以發(fā)電機勵磁電流和其設定值的差值作為P（比例）調(diào)節(jié)器的輸入，以保持勵磁電流為恒定值的方式控制發(fā)電機的運行。機組正常運行時以AVR方式為主，在調(diào)試或系統(tǒng)某些特殊工況需要時，可采用ECR調(diào)節(jié)方式運行，在PT斷線等異?；蚬收瞎r下，系統(tǒng)自動切換到ECR調(diào)節(jié)方式運行。AVR和ECR信號經(jīng)AVR/ECR模式切換邏輯進入勵磁電壓控制器和ECR綜合放大器。其中10模塊切換的是勵磁電壓設定值，11模塊切換的是勵磁電流設定值。勵磁

16、電壓設定值在勵磁電壓控制器中同勵磁電壓測量值進行比較放大，其輸出再同勵磁電壓設定值相加后給勵磁電壓控制限幅器。勵磁電流設定值在ECR綜合放大器中同勵磁電流測量值進行比較放大，其輸出作為上下限給勵磁電壓控制限幅器。盡管勵磁電壓控制器的放大倍數(shù)為1，但由于勵磁電壓的變化快于其它電參數(shù)（比如勵磁電流）的變化，其負反饋對于穩(wěn)定勵磁電壓具有很大作用，因而也被稱謂鎮(zhèn)定器。移相脈沖觸發(fā)器9模塊在同步脈沖的中斷下，根據(jù)勵磁電壓控制信號Ureg的大小產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，當勵磁電流等于零后閉鎖脈沖輸出。Q模式以發(fā)電機無功和其給定值的差值作為脈寬調(diào)制模塊的輸入，當二者相差大于1時則通過脈寬調(diào)制器模塊產(chǎn)生脈沖，增減AVR模

17、式的機端電壓設定值，使其上升下降，以使在某一范圍內(nèi)的無功功率保持不變。在此范圍內(nèi)，AVR響應系統(tǒng)電壓的變化，并以自動電壓調(diào)節(jié)的方式保持系統(tǒng)的穩(wěn)定。無功功率控制方式只有在機組并網(wǎng)后才起作用。上述三種工作模式的調(diào)節(jié)范圍如下。AVR：70UgnU g110Ugn；ECR： 10IfnIf68Ifn（空載運行）；10IfnIf110Ifn（負載運行）Q模式：-150Mvar Q +500Mvar三峽左岸電站的勵磁裝置同時也是機組電氣制動系統(tǒng)的一部分，當機組轉(zhuǎn)速降至50額定轉(zhuǎn)速和發(fā)電機出口制動開關(guān)合上后，勵磁調(diào)節(jié)器按照ECR模式起勵，勵磁電流設定值等于制動電流設定值（12模塊）且不能改變直至機組速降至1

18、5即電氣制動結(jié)束。圖10是西門子公司提供的三峽左岸電站勵磁摸型，圖下表格是模型參數(shù)。pKFFVHEFDVAVERRVAmaxVAminVFE VFEmax:VAmax1VFE VFEmax:VAmax2VFE 0:VAmin = 0VFE 0 VRmin = 0*) VRSV: 整流器電源電壓KBVREFVRminVRmaxV*)RSVVRVTVs*)*) Vs: PSS輸出圖10 西門子公司提供的三峽左岸電站勵磁摸型及參數(shù)TF1 =1500 msTF2 =100 msTR =20 msKF =18 msTA =1 msKA =4000 EFDmax=8,31p.u.VAmax2 =8,31p

19、.u.VAmax1 =2,76p.u.VRmax =8,31p.u.VRmin =-6,65p.u.KB =1KFF =1VFEmax=4,54p.u. 將參數(shù)帶入圖10，得到圖11三峽左岸電站勵磁摸型。該模型同本文中的THYRIPOL勵磁調(diào)節(jié)器軟件結(jié)構(gòu)圖是一致的。在2005年11月，國家調(diào)度中心、中國電科院以及三峽電廠對三峽西門子勵磁調(diào)節(jié)器的模型及其參數(shù)進行了測試，其結(jié)論是：西門子公司提供的三峽機組AVR模型和參數(shù)與實際的AVR模型參數(shù)之間存在一點差異，且這種差異沒有影響到整個勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這個差異的最大點是：勵磁電壓反饋時間常數(shù)TF2測試結(jié)果是0.02S，而西門子公司提供的是0.1S三

20、峽左岸電站勵磁摸型及參數(shù)。圖11就是考慮測試結(jié)果并對西門子模型進行簡化所得到的簡化模型。 110.02S 400010.01S0.015S11.5S 110.1SKB=1KFF=1機端電壓UgPSS輸出Upss機端電壓設定Ugref比例環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)勵磁電壓反饋勵磁電壓Uf測量環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)Ug圖11三峽左岸電站勵磁摸型KFF=1勵磁電壓Uf 1100(1+ ) 1.5SUg放大環(huán)節(jié)KB=1比例積分環(huán)節(jié) 110.02S圖12三峽左岸電站勵磁簡化摸型2 勵磁限制器特性曲線為了保護系統(tǒng)、機組及勵磁裝置本身的安全，三峽勵磁調(diào)節(jié)器設計了下列限制器?，F(xiàn)按限制器在AVR工作流程中的位置，依次介紹它們的特性曲線

21、以及輸出值的數(shù)學表達式。這些表達式主要包涵動作整定值和延時時間。值得注意的是，限制器在軟件結(jié)構(gòu)框圖中的位置，也就決定了它們的限制優(yōu)先級，在軟件結(jié)構(gòu)圖最后的其限制優(yōu)先級最高，比如PSS和過勵限制器等。21 定子電流限制器：Stator current limiter為了支持電網(wǎng)穩(wěn)定和機組滿負荷運行的需要，我們一般允許發(fā)電機定子電流短時過負荷，但同時應采取措施限制將定子電流，防止定子繞組過熱。勵磁調(diào)節(jié)器的定子電流限制就是在定子電流過流情況下通過調(diào)節(jié)勵磁電流使其減小的限制器。定子電流限制器是基于Q-P功率限制曲線來設計的，定子電流限制器整定值及限制曲線如圖4所示。當發(fā)電機電流超過了限制區(qū)，如果此時機

22、組在進相運行（Q動作區(qū)），則限制器動作，增加機端電壓設定值使勵磁電流增加；如果此時機組在遲相運行（Q動作區(qū)），則限制動作，減少機端電壓設定值使勵磁電流減少。不管怎樣，其結(jié)果都是調(diào)節(jié)定子電流的無功分量，從而使發(fā)電機電流回到限制區(qū)以內(nèi)運行。對勵磁系統(tǒng)而言，定子電流限制器只能減少發(fā)電機電流的無功分量，對有功分量卻無能為力。當發(fā)電機在功率因數(shù)cos=1附近（10死區(qū)）運行時，無論定子電流是否超過了限制區(qū)，限制器都不動作。 Ip（P） Q動作區(qū) Q動作區(qū)（增磁區(qū)） （減磁區(qū)） Ig Iq（Q）死區(qū)10定子電流限制器特性曲線 Q區(qū)輸出電壓U( p.u.)-1/330t MINIg( p.u.)-1.12,

23、Iq( p.u.)-0.1dxQ區(qū)輸出電壓U( p.u.)1/330t MINIg( p.u.)-1.12,Iq( p.u.)+0.1dx Ugref（p.u.） 110 Ugrefmax 100 90 70 Ugrefmin F（Hz） 45Hz 47.5Hz 50HzU/F(V/HZ)限制器特性曲線圖4 定子電流限制器特性曲線 圖5 V/Hz限制器特性曲線如果不設置調(diào)節(jié)死區(qū)，限制器在此區(qū)域內(nèi)參與調(diào)節(jié)將會影響機組的有功穩(wěn)定運行。當發(fā)電機電流在死區(qū)內(nèi)超過了限制區(qū)域時，應由機組調(diào)速器進行調(diào)節(jié)，通過關(guān)閉導葉來降低發(fā)電機電流的有功分量，使發(fā)電機電流回到限制區(qū)域以內(nèi)。22 伏/赫(V/Hz)限制器：V

24、/Hz limiter對于AVR模式來說，當機組頻率降低時，機端電壓依舊會保持恒定，勵磁系統(tǒng)將會增加勵磁電流，這樣會使發(fā)電機及所有與之相連的變壓器出現(xiàn)過磁通現(xiàn)象，從而對這些設備成損壞。為此，應設立電壓/頻率（U/F）限制即伏/赫限制器，三峽電廠伏/赫限制特性曲線如圖5所示。 Ug 2（勵磁調(diào)節(jié)器負調(diào)差特性曲線）100 （無差特性曲線） 1（發(fā)電機調(diào)差特性曲線） 3（發(fā)電機自然調(diào)差特性曲線） Q（Iq）調(diào)差特性曲線調(diào)差環(huán)節(jié)輸出電壓Ug(q) (p.u.)= Ug-0.055Iq(p.u.) Ip（P） D C 欠勵 B 過勵 A Iq（Q）欠勵限制器特性曲線 p.u.ABCD欠勵設定值Q=-0.

25、2p.u. Ug( p.u.)-0.2777.81p.u.-155.56MVAR，欠勵輸出電壓U( p.u.)5(-0.2 p.u. Ug( p.u.)-Q( p.u.)P 0 0.5 1.0 1.8 Q -0.2-0.2-0.20 圖6 無功補償器特性曲線 圖7 欠勵限制器特性曲線在軟件結(jié)構(gòu)圖中，V/Hz限制動作后則降低機端電壓設定值上限，這樣，圖5中的實線就是電壓最大設定值隨頻率變化的曲線。由于電壓最小設定值是一個固定值，因此，對應于下列機組頻率，機端電壓設定值Ugref的范圍就會因V/Hz限制器而改變：F50Hz，Ugref70110；F47.5Hz，Ugref70100；F45Hz，U

26、gref7090。在空載狀態(tài)，當機組頻率進一步下降，勵磁調(diào)節(jié)器的低頻退勵磁環(huán)節(jié)啟動，逆變滅磁。在我國勵磁技術(shù)習慣中，V/Hz限制器主要應用在機組空載狀態(tài)，而三峽勵磁調(diào)節(jié)器出廠設定是負載狀態(tài)，并且強調(diào)負載狀態(tài)更需要V/Hz限制器，這顯然不同于我國的技術(shù)規(guī)范和三峽電廠的實際需要，我們擬改為無論空載和負載都將投入V/Hz限制器。23 無功補償（調(diào)差）器：Reactive current compensater為了合理分配并聯(lián)機組的無功和改善機端電壓隨無功變化的特性，三峽勵磁調(diào)節(jié)器配置有無功補償器。無功補償器又稱為調(diào)差單元，其原理示意圖如圖6所示。 在勵磁調(diào)節(jié)器沒有無功補償功能即勵磁調(diào)節(jié)器調(diào)差系數(shù)等于

27、零（無差）的情況下，發(fā)電機調(diào)差特性是自然調(diào)差特性，即隨著無功的增加，機端電壓逐步下降，如曲線3所示。考慮到三峽發(fā)電機組的自然調(diào)差率太大，因此勵磁調(diào)節(jié)器的調(diào)差系數(shù)設置為負調(diào)差，如曲線2所示。綜合曲線3和2，曲線1就是發(fā)電機組實際調(diào)差特性。24 欠勵限制器：Under excitation limite為了防止發(fā)電機進相運行時容性無功過負荷，引起發(fā)電機端部發(fā)熱而造成損傷，勵磁調(diào)節(jié)器都應配置欠勵限制器。欠勵限制器參數(shù)的設定，應按發(fā)電機制造廠給出的P-Q曲線和失磁保護的動作時限綜合考慮。在軟件結(jié)構(gòu)圖中，AVR控制信號切換是按最大值（MAX）函數(shù)選擇的，正常運行時欠勵限制器輸出負值，而AVR信號綜合及放

28、大器輸出正值，欠勵限制器不動作；當機組進相運行且無功超過整定值時，欠勵限制器輸出正值即動作，從而升高定子電壓，以使機組運行點回到允許的允許范圍之內(nèi)。三峽電廠低勵限制器特性曲線如圖7所示。欠勵限制器按限制曲線A-B-C-D設定，改變圖7中表格的Q，就可設計欠勵限制特性曲線。SIEMENS欠勵限制器比較特殊，其設定值還與機端電壓相關(guān)聯(lián)，電壓高，欠勵的設定值也高，反之亦然。欠勵限制器將發(fā)電機無功和欠勵設定值的差值放大輸出，動作后整個勵磁調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)相當于Q模式運行，使機組無功穩(wěn)定在欠勵限制設定值范圍內(nèi)。25 過勵限制器：Over excitation limiter過勵限制的功能是防止發(fā)電機勵磁繞組電流

29、過流。三峽勵磁調(diào)節(jié)器過勵限制有兩種：慢速（Slow field current limiter）過勵限制（反時限）和快速（Fast field current limiter）過勵限制，其特性曲線如圖8所示。反時限過勵限制線 T（s）強勵限制線 50S 40S 30S 20S If（p.u.） 1.0 1.15 1.5 2.0過勵磁電流限制器特性曲線反時限過勵輸出電壓U( p.u.)-(1.15-If)+ 1/50t (1.15-If)dx)圖8 過勵限制器特性曲線 圖9 電科院雙輸入電力系統(tǒng)穩(wěn)定器模型在軟件結(jié)構(gòu)圖中，模塊23是反時限過勵限制器，它是AVR方式下級別較高的限制器，無論是正常運行

30、還是前面其它限制器動作，致使勵磁電流超過115額定值，過勵限制器經(jīng)一定延時后就能將勵磁電流限制到115額定值以內(nèi)。正是由于這種延時特性，所以又稱為慢速過勵限制器。快速過勵限制器，是軟件結(jié)構(gòu)圖中的25模塊，它是AVR方式下級別最高的限制器，因為其輸出直接控制勵磁電壓限幅器?？焖龠^勵限制器的設定值有4個，它根據(jù)運行條件進行自我選擇：正常負載運行（包括一個整流柜退出）選擇強勵限制，整定值是2.085Ifn；負載運行時兩個整流柜退出，選擇負載限制，整定值是1.15Ifn；空載運行則選擇空載限制，整定值是0.68Ifn。圖3中的26是軟啟動設定值模塊，選擇軟起勵，設定值從25%Ifn按照25S時間常數(shù)上

31、升至100Ifn。圖3中的15是最小函數(shù)模塊，從其兩個輸入中選擇一個較小值送至ECR綜合放大器。在特性曲線8中，給出的只是強勵限制線，其它三條特性曲線也都是垂直于X軸的直線?？焖龠^勵限制器動作沒有時限，動作后也不顯示或報警，其明顯特征是UgrefUgn。25 電力系統(tǒng)穩(wěn)定器：PSSPSS基本功能是通過引入附加信號控制勵磁，以提供正的阻尼矩陣，抑制電力系統(tǒng)的低頻振蕩，提高機組的靜穩(wěn)特性。為了滿足三峽巨型機組的安全穩(wěn)定運行和PSS應在0.1Hz2.0Hz頻率段內(nèi)能提供正阻尼的要求，三峽勵磁PSS從仿真、試驗和運行都經(jīng)歷了一個較長過程，僅其數(shù)學模型就從剛開始的PSS1A，到試驗中的PSS3B，再到運

32、行中的PSS2A。目前，三峽電廠前期投運的機組使用外置附加的PSS裝置，由中國電力科學院研制。這是一個雙輸入信號加速功率型PSS模型，即PSS2A模型，如圖9所示。后期投運的機組使用西門子軟件PSS，其模型和參數(shù)同電科院的PSS完全一樣。二者的使用選擇很方便，其運行情況都很穩(wěn)定。三峽左岸電廠的PSS的參數(shù)如下：Tw1=Tw2=Tw3=T7=10.0s,T1=0.51s, T2=2.27s,T3=T5=0.4s,T4=T6=0.04s,T8=0.6s, T9=0.12s, M=5, N=1,K3=K4=1.0，K1=5-6.5。3 勵磁調(diào)節(jié)器軟件特色對照我國大中型水輪發(fā)電機機組部分自并勵勵磁軟件

33、，我們發(fā)現(xiàn)SIEMENS勵磁調(diào)節(jié)器軟件在下列環(huán)節(jié)中，明顯不同于國內(nèi)勵磁軟件，具有鮮明的國外特色。31 勵磁電壓穩(wěn)定控制器：在自并勵勵磁控制程序中，SIEMENS勵磁調(diào)節(jié)器設置勵磁電壓負反饋控制環(huán)節(jié)，既有利于勵磁電壓的快速穩(wěn)定，又相應提高了自動電壓調(diào)節(jié)響應速度。從這一點看，勵磁電壓負反饋環(huán)節(jié)，相當于勵磁控制中的一個微分I環(huán)節(jié)。如果勵磁調(diào)節(jié)中引入勵磁電壓反饋量，就可以利用Uf/If來計算實時轉(zhuǎn)子電阻，從而按照已知的20C 時的轉(zhuǎn)子繞組電阻，以及銅導體的電阻隨溫度線性變化的曲線，計算出轉(zhuǎn)子繞組運行溫度。一旦轉(zhuǎn)子繞組溫度過高，就發(fā)報警信號。三峽勵磁調(diào)節(jié)器的這個新功能很有實用價值。SIEMENS勵磁利用

34、勵磁電壓反饋量，還設計了一個勵磁電壓強勵時間限制器：當勵磁電壓強勵值達到80誤強勵值且時間超過20秒，就進行通道切換。分析這個功能，可以說是一個誤強勵限制器。32 通訊： 在勵磁調(diào)節(jié)器的一個通道中，共有四個通訊口：本通道同操作顯示面板的通訊；本通道同調(diào)試計算機的通訊；兩個通道之間的通訊；本通道同監(jiān)控系統(tǒng)的通訊。前三個采用RS232，后一個采用PROFIBUS。通訊口多，而且通訊數(shù)據(jù)大，是SIEMENS勵磁調(diào)節(jié)器的重要特色。 勵磁調(diào)節(jié)器的兩個通道分別接入整個監(jiān)控系統(tǒng)PROFIBUS環(huán)型網(wǎng)的兩個節(jié)點之中。勵磁調(diào)節(jié)器的PROFIBUS通訊設計是雙向通訊，既可接受機組監(jiān)控裝置的命令，還能向監(jiān)控反饋調(diào)節(jié)

35、器運行狀態(tài)。實際運行中，只采用單向通訊，只向監(jiān)控反饋勵磁運行狀態(tài)和參數(shù)。這些參數(shù)包括：機端電壓電流、勵磁電壓電流、無功的測量和設定值等8個模擬量和勵磁投切等4個字節(jié)的開關(guān)量。 勵磁調(diào)節(jié)器同監(jiān)控裝置依然保留傳統(tǒng)的點對點控制方式，并且再用420mA變送器向監(jiān)控裝置傳遞PROFIBUS通訊中的所有模擬量。這種同監(jiān)控裝置雙重化的通訊的實用價值值得探討。33 跟蹤與切換：在雙通道配置中，跟蹤是指兩個獨立的通道之間的跟蹤，其目的是為了通道之間、運行模式之間的平穩(wěn)切換。跟蹤數(shù)據(jù)多，方式切換邏輯復雜，也是SIEMENS勵磁調(diào)節(jié)器的特色之一。通道之間互相跟蹤的模擬量有6個：AVR控制信號Ureg、勵磁電壓控制器

36、輸出信號Ufreg、軟起勵值Ifsoft以及限制器測量值等。前兩個信號的含義見軟件結(jié)構(gòu)框圖3，后三個信號是起勵過程和限制器動作中通道切換用。通道之間互相跟蹤的開關(guān)量有6個字節(jié)之多，主要包括控制命令、運行狀態(tài)和重要故障信息等。SIEMENS勵磁調(diào)節(jié)器通道切換方式也不同于我國勵磁習慣：切換命令由工作通道發(fā)出，但由備用通道執(zhí)行。更為重要的是，備用通道時刻監(jiān)視工作通道的運行情況，一旦發(fā)現(xiàn)工作通道不正常，就強行切換。運行模式之間的切換，就是AVR和ECR之間的切換以及Q模式的投切。為了保證平穩(wěn)切換，最主要方法是即將投運模式的設定值跟蹤當前運行值，此外，切換條件的確立也非常重要和復雜。在ECR切至AVR瞬

37、間，SIEMENS勵磁調(diào)節(jié)器除了采取設定值跟蹤實際值外，還在AVR控制值Ureg上采用措施：在ECR模式下，AVR的Ureg總是等于實際勵磁電壓與勵磁電壓控制器輸出值的平均值，這樣，ECR切至AVR瞬間，其控制電壓也只是在上述Ureg基礎(chǔ)上變化，對勵磁電壓的擾動就很小。34 硬軟件自診斷：由于SIEMENS勵磁裝置輔助控制器件多，不得不設置一個輔助控制柜。為了有效的檢測這些器件的狀態(tài)，本調(diào)節(jié)器硬軟件自診斷功能強大，很有特色。初步統(tǒng)計三峽勵磁系統(tǒng)中自診斷器件：保險和開關(guān)約50個，接觸器和繼電器約80個，變送器和傳感器約20個。對于上述任何一個元件的狀態(tài)都進行檢測，從而得出正常與否，并作出報警、切

38、換、甚至跳閘等相應的處理。在三峽勵磁投運操作中，如果發(fā)生操作漏項現(xiàn)象，調(diào)節(jié)器就會報警并顯示，方便了電廠運行人員進行勵磁操作。SIMADYN D控制器還有強大自檢功能，也方便了電廠維護人員進行勵磁檢修。比如，在勵磁投運試驗期間，某機組PLC故障，其CPU板上的數(shù)碼LED立即顯示出故障類型，并指出故障模板位置?？梢哉f，SIEMENS勵磁調(diào)節(jié)器自診斷功能，使其初步具備勵磁狀態(tài)檢修能力。35 現(xiàn)場試驗與維護：國外勵磁軟件一般都采用可編程邏輯功能圖語言，給工程技術(shù)人員的學習和維護工作帶來了極大的方便。不僅如此，三峽勵磁軟件因其考慮周全，完全滿足了三峽巨型水輪發(fā)電機組復雜的現(xiàn)場試驗。比如在發(fā)電機升流升壓試

39、驗和繼電保護現(xiàn)場試驗中，THYRIPOL勵磁系統(tǒng)不僅要從自并勵工作方式轉(zhuǎn)變?yōu)樗鼊罘绞?，而且還要修改很多限制參數(shù)，對此，僅使用SIEMENS勵磁調(diào)試軟件IBS即可。在SIEMENS勵磁軟件中，專門備有現(xiàn)場試驗錄波用的D/A通道，可以方便錄取調(diào)節(jié)器運行中的有功、無功、勵磁電壓電流等10個模擬量。另外， 在PSS程序中設置有正弦波信號發(fā)生器，可以進行發(fā)電機有功功率幅頻特性試驗。在三峽勵磁裝置運行中，對于一些不完善和不符合我國技術(shù)習慣的軟件進行了改進：比如按照我國技術(shù)習慣考慮三個功率柜故障、閉鎖PROFIBUS故障后AVR切ECR、將打開功率柜門就跳閘改為報警等。盡管技術(shù)改進即簡單又方便，但我們首先要

40、同VOITH SIEMENS深入溝通，交換意見后再進行。SIEMENS勵磁調(diào)節(jié)器采用OP2N顯示面板，相對于國內(nèi)部分產(chǎn)品采用觸摸屏計算機而言，尺寸小，數(shù)據(jù)顯示和通訊能力不夠強大，使其在現(xiàn)場試驗和故障錄波分析方面有所欠缺。但簡單的顯示和操作界面，對于電廠運行和維護人員是合適的。在這個顯示面板，有一個百分數(shù)轉(zhuǎn)換鍵DIM，能夠?qū)@示的電氣實際值與標么值進行轉(zhuǎn)換，非常實用。4結(jié)束語三峽左岸勵磁裝置于2003年7月投入運行，截至2005年7月，已有13臺勵磁系統(tǒng)運行，其運行情況很好。SIEMENS公司于1996年推出具有32位的CPU處理技術(shù)，主頻為32MHz的SIMADYN D型控制器，采用高速、高精

41、度的數(shù)據(jù)采樣以及穩(wěn)定可靠的硬件環(huán)境，制作工藝精良，運行可靠，深受三峽電廠的好評。SIEMENS勵磁調(diào)節(jié)器具有豐富的限制和保護功能，以及完善的自檢互檢功能，所有的操作和控制都能夠通過軟件實現(xiàn)，真正做到了勵磁系統(tǒng)的免維護。整個調(diào)節(jié)器操作簡單、維護方便，大大減輕了運行和維護人員的工作量，適應了現(xiàn)代化電廠“無人值班、少人值守”的要求。參考文獻1 竺士章發(fā)電機勵磁系統(tǒng)試驗中國電力出版社：2005，22 本文調(diào)節(jié)器模型的簡化得到電科院劉增煌教授的指導。作者簡介陳小明（1959-），男，高級工程師，從事發(fā)電廠勵磁設備檢修與維護工作，。胡先洪（1965-），男，工程師，從事水電廠測控設備檢修與維護工作。The

42、 analysis about software configuration flow charting and characteristic of TGHP Excitation systemCHEN Xiao-ming，HU Xian-hong，ZHANG jun（Three gorges hydropower plant, Yichang, Hubei, 443113）Abstract：This article introduce the hardware and software of SIEMENS excitation system regulator in Three Gorge

43、s Hydropower Plant(TGHP) . In this article , the author analysis the software configuration flow charting and characteristic curve of each limiter in detail and discuss the characteristic of overseas excitation software .Key Words:SIEMENS，THYRIPOL，SIMADYN-D，STRUC，IBS，software of excitationAs of Microsoft Internet Explorer 4.0, you can applmultimedia-style effects to your W