馮亞新，吳保金

(牡丹江水力發(fā)電總廠，黑龍江牡丹江157000)

蓮花發(fā)電廠位于黑龍江牡丹江流域下游林口與海林交界處，距牡丹江市200 km，是黑龍江省目前最大的一座常規(guī)水電廠。蓮花發(fā)電廠共裝有4臺機組，單機容量137.5 MW，總裝機容量550 MW。蓮花發(fā)電廠主要承擔電力系統(tǒng)調峰任務，擔負電力系統(tǒng)內事故備用。蓮花發(fā)電廠是一座以計算機監(jiān)控為主，牡丹江梯調控制中心遙控“無人值班”(少人值守)的現代化水力發(fā)電廠。

蓮花水電站遠離負荷中心，負荷主要送往東北電網，送出工程屬于典型的機組快速勵磁系統(tǒng)、遠距離送電的高壓輸電網絡。蓮花機組為混流式水輪發(fā)電機組，勵磁采用可控硅快速自并勵勵磁系統(tǒng)，并配置電力系統(tǒng)穩(wěn)定器(PSS)改善機組和系統(tǒng)的阻尼特性，蓮花勵磁系統(tǒng)性能直接影響機組和系統(tǒng)的安全運行。

經過多年運行，蓮花發(fā)電廠勵磁系統(tǒng)元器件老化，備品采購困難，兩功率柜電流不均衡的現象越來越突出。為確保機組和電網的安全穩(wěn)定運行，通過多次技術分析論證和專家審查，將機組勵磁系統(tǒng)改造為EXC9000型數字式調節(jié)器。通過調試和運行考驗，改造后勵磁系統(tǒng)解決了原勵磁裝置存在的問題，經試驗和運行，調節(jié)器、整流橋等均具有良好的性能指標。

1 改造前的勵磁系統(tǒng)

蓮花發(fā)電廠原勵磁系統(tǒng)為自并勵可控硅勵磁系統(tǒng)，采用雙通道微機勵磁調節(jié)器，勵磁變采用三相干式變，整流橋為兩橋并聯(lián)。自1996年投運以來，由于當時技術水平，勵磁調節(jié)器軟硬件檔次較低，人機對話界面差，軟件功能不全，無事件記錄，不便于運行維護，勵磁調節(jié)器還存在電壓和無功調節(jié)波動大，PSS調節(jié)不能投運等問題，影響發(fā)電質量。功率柜的設計復雜，增加了主回路的復雜性和檢修維護的工作量;同時兩柜并聯(lián)運行，沒有任何均流措施，造成兩柜輸出電流越差越多，威脅著機組的安全運行。

2 勵磁系統(tǒng)的選型配置原則

在勵磁系統(tǒng)的選型配置中，要求其運行可靠性高，勵磁系統(tǒng)的各個部分均能實現智能檢測、智能顯示、智能控制、信息智能傳輸和智能測試，可控硅整流橋采用先進的動態(tài)均流技術、完善的通訊功能和智能化的調試手段，能提高機組自動化及經濟運行水平，滿足計算機監(jiān)控系統(tǒng)數據采集與數據處理以及實際運行監(jiān)視、報警、自動電壓控制(AVC)等功能的要求，確保機組和電網的安全運行，以及滿足現代化管理技術需要。

經過認真考察和總結經驗后，確定選型配置原則為:新勵磁系統(tǒng)采用EXC9000系統(tǒng)，它主要由調節(jié)器、人機界面、對外接口、功率柜、滅磁及過壓保護、勵磁變壓器等組成。該系統(tǒng)吸收了目前數字控制領域先進的研究成果和工藝，增添了新的精巧的解決方案和手段，如DSP數字信號處理技術、可控硅整流橋動態(tài)均流技術、高頻脈沖列觸發(fā)技術、低殘壓快速起勵技術、完善的通訊功能和智能化的調試手段等。采用CAN總線(控制器局域網)用于勵磁系統(tǒng)的各個部分進行控制和信息交換，使EXC9000系統(tǒng)成為一個有機的、完整的整體。減少了柜間接線，提高了工藝水平，也提高系統(tǒng)運行可靠性。CAN總線屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網絡。CAN總線通信的實時性很好，通信速度也較快，硬件也比較簡單，特別適合于工業(yè)過程監(jiān)控設備的互聯(lián)。

3 勵磁系統(tǒng)的系統(tǒng)結構

3.1 控制系統(tǒng)結構框圖

控制系統(tǒng)結構框圖見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)結構框圖

3.2 勵磁系統(tǒng)工作原理

EXC9000型勵磁調節(jié)器的調節(jié)通道采用微機/微機/模擬三通道雙模冗余結構，由兩個自動電壓調節(jié)通道(A，B)和1個手動調節(jié)通道(C)組成，這3個通道從測量回路到脈沖輸出回路完全獨立。調節(jié)通道以主從方式工作，其中1個自動電壓調節(jié)通道作為主通道，另1個自動電壓調節(jié)通道作為第一備用通道，手動調節(jié)通道作為第二備用通道。如圖2所示。

調節(jié)器采用PID+PSS調節(jié)規(guī)律，可以有效地抑制電力系統(tǒng)低頻振蕩，提高系統(tǒng)輸送能力。調節(jié)器硬件采用多CPU模式，主CPU用于調節(jié)和邏輯控制，高速DSP芯片用于交流采樣，CPU之間通過雙口RAM交換數據。這種硬件模式可保證程序運行可靠，電氣量采集計算速度快，抗干擾能力強。調節(jié)器具有完善的故障檢測功能，檢測范圍覆蓋電源系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)，確保故障檢測和通道切換萬無一失。采用內部現場總線互聯(lián)技術，提高了勵磁系統(tǒng)數字化程度，實現了分層分布控制，提高了系統(tǒng)可靠性和工藝水平，便于維護。柔性的智能接口電路，以多種方式實現與電站控制系統(tǒng)連接。調節(jié)器具有優(yōu)良的人機界面，采用一體化的工控機，全中文界面，軟面板技術，具有在線幫助系統(tǒng)、故障記錄、故障追憶、智能測試等功能。調節(jié)器在電路設計、工藝結構等方面采取了多種抗干擾措施，顯著降低了調節(jié)器的故障率。專用的WINDOWS版本調試軟件，具有操作、試驗、故障記錄、追憶、事故錄波、遠程診斷、參數設定、數據自動記錄、在線幫助等功能，減少了試驗和整理試驗記錄的工作量，實現了智能化調試。

圖2 勵磁調節(jié)器控制原理框圖

在每個功率柜內設計有一套智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括智能檢測單元、通訊接口、傳感器、LCD顯示器、以及相應的輸入輸出接口電路等。取消了常規(guī)表計和指示燈，功率柜的操作、控制、狀態(tài)監(jiān)視、信息傳遞、信息顯示等均實現了智能化。在每個功率柜柜門上，安裝了一個帶觸摸鍵的LCD顯示器，用于顯示該功率柜的各種狀態(tài)及實現相關操作。信息傳輸實現智能化。將現場總線技術用于智能化功率柜，功率柜的開關量信號和模擬量信號均通過現場總線傳遞到調節(jié)柜，也可直接傳遞到電站控制系統(tǒng)。這不僅提高了信息傳輸量，也大大減少了柜間接線，提高了系統(tǒng)運行可靠性。

4 功能及特點

4.1 主要功能

4.1.1 在勵磁控制中實現復雜的控制策略

除了可以實現模擬式調節(jié)器的 PID(Proportion Integral Differential)調節(jié)、PSS附加控制和線性最優(yōu)控制外，還可實現模擬式調節(jié)器難以實現的自校正調節(jié)、非線性控制、自適應控制及模糊控制。隨著微分幾何等現代數學理論的發(fā)展，非線性控制理論趨于成熟，它與近代微分幾何方法的結合，形成了一門新的學科體系，即非線性控制系統(tǒng)幾何結構理論體系，提出對仿射型非線性控制系統(tǒng)實現大范圍精確線性化，從而解決了電力系統(tǒng)遭受大干擾的穩(wěn)定問題。

4.1.2 調節(jié)準確、精度高、在線改變參數方便

在數字式勵磁調節(jié)器中，信號處理、調節(jié)控制規(guī)律都由軟件來完成。簡化了控制裝置，信號處理能力強和控制精度高。電壓給定、放大倍數、時間常數等控制參數都由數字設定，調整參數更準確，穩(wěn)定性高，調節(jié)方便，速度快。

4.1.3 保護功能完善，操作檢修簡單

可以在勵磁控制中實現完備的限制及保護功能、通用而靈活的系統(tǒng)功能、簡單的操作以及智能化的維修和試驗手段。勵磁系統(tǒng)的現地調節(jié)和人機接口都采用小鍵盤和LED或LCD顯示器，操作簡單直觀。

4.1.4 可靠性高，無故障工作時間長

硬件結構簡單可靠。調節(jié)器由專用的高速可編程控制器或高速微處理器及必要的輸入輸出電路構成，省掉了大量的邏輯控制繼電器，而且易于采用冗余容錯硬件結構方式，其可靠性大大提高。由于可以采用雙微機自動跟蹤，兩個通道互為熱備用，可實現自動切換?？稍谡＿\行情況下檢修備用機，在軟件中實現自診斷和自復歸功能。由于調節(jié)控制規(guī)律由軟件實現，減少了硬件電路，減少了因調節(jié)器故障維修而帶來的停機時間。

4.1.5 通信方便

可以通過通信總線、串行接口或常規(guī)模擬量方式方便靈活地接入電廠的勵磁系統(tǒng)，便于遠方控制和實現發(fā)電機組的計算機綜合協(xié)調控制。上位計算機可直接改變機組給定電壓值，非常簡便地實現全廠機組的無功成組調節(jié)及母線電壓的實時控制。為了方便地實現勵磁系統(tǒng)與電站監(jiān)控系統(tǒng)的控制及數據交換，可根據用戶的要求設置串行通訊或網絡通信接口。便于在遠方了解勵磁系統(tǒng)的運行情況，還可對勵磁系統(tǒng)的參數進行修改和設置，有利于電站實現少人值守、無人值班。

4.2 主要特點

4.2.1 系統(tǒng)數字化

EXC9000系統(tǒng)的主要特點是功能軟件化、系統(tǒng)數字化。EXC9000系統(tǒng)的數字化不僅體現在調節(jié)器，也體現在功率柜。通過調試軟件在線控制調節(jié)器進行模擬量采樣整定，取消了常規(guī)的電位器整定方式;通過調試軟件在線控制調節(jié)器進行相關的功能試驗，如零起升壓、短路試驗、階躍試驗、PSS試驗等，可以自動記錄試驗結果，基本上不用再外接測試設備，大大減輕了試驗的工作量;在線設定各個輸出開關量的定義，無須修改軟件，實現了輸出接點的柔性定義;對智能化的功率柜進行在線調試，無須修改軟件，取消了常規(guī)的電位器整定方式。

4.2.2 系統(tǒng)智能化

勵磁系統(tǒng)的各個部分均能實現智能檢測、智能顯示、智能控制、信息智能傳輸和智能測試，極大地提高了裝置的可靠性和工藝水平。在人機界面和調試軟件中置入了在線幫助系統(tǒng)，可針對不同的功能和不同的故障提供詳盡的幫助信息和處理方法。

4.2.3 采用先進成果和工藝

該系統(tǒng)吸收了目前數字控制領域先進的研究成果和工藝，增添了新的精巧的解決方案和手段，如DSP數字信號處理技術、可控硅整流橋動態(tài)均流技術、高頻脈沖列觸發(fā)技術、低殘壓快速起勵技術、完善的通訊功能和智能化的調試手段等。

4.2.4 采用CAN總線(控制器局域網)

采用CAN總線(控制器局域網)用于勵磁系統(tǒng)的各個部分進行控制和信息交換，使EXC9000系統(tǒng)成為一個有機的、完整的整體。CAN總線用于勵磁系統(tǒng)內部進行控制和信息交換，減少了柜間接線，提高了工藝水平，也提高系統(tǒng)運行可靠性。

CAN總線屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通訊網絡。CAN總線的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數據塊進行編碼，因而被稱之為多主總線。CAN總線通信的實時性很好，通信速度也較快，硬件也比較簡單，特別適合于工業(yè)過程監(jiān)控設備的互聯(lián)，被認為是最有前途的現場總線之一，近幾年在自動化領域得了廣泛的應用。

5 結語

蓮花發(fā)電廠通過勵磁系統(tǒng)的更新改造工作，大大提高了機組勵磁系統(tǒng)的安全運行水平。從目前的運行狀況來看，勵磁系統(tǒng)性能穩(wěn)定，動作準確可靠，為發(fā)揮水電廠計算機監(jiān)控系統(tǒng)的作用，以及實現無人值班(少人值守)打下了基礎，保障了黑龍江東部電網的穩(wěn)定運行。

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