李永忠，李福龍，李小軍，徐玉滔，李松

（1.貴州電力試驗(yàn)研究院，貴陽(yáng) 550000；2.北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100094）

0 引言

目前，我國(guó)電網(wǎng)已進(jìn)入超高壓、遠(yuǎn)距離、大容量、大機(jī)組、交直流混合互聯(lián)電網(wǎng)的新階段，發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)決定著電網(wǎng)是否能夠安全、穩(wěn)定運(yùn)行，而發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著重要影響。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷應(yīng)用研究?jī)?nèi)容為：建立發(fā)電廠勵(lì)磁系統(tǒng)故障診斷模型，建立系統(tǒng)指標(biāo)評(píng)價(jià)模型，分析機(jī)網(wǎng)特性相互耦合性，建立相應(yīng)的評(píng)估系統(tǒng)和專家決策系統(tǒng)；以設(shè)備在線監(jiān)測(cè)為手段，搭建涉網(wǎng)設(shè)備的預(yù)警監(jiān)測(cè)平臺(tái)，遠(yuǎn)程對(duì)涉網(wǎng)設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的因素，對(duì)電源側(cè)引起的低頻振蕩發(fā)出提示并進(jìn)行抑制或切除，保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行；對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行記錄，方便進(jìn)行事故分析，通過(guò)系統(tǒng)研究總結(jié)出反事故措施并提出技術(shù)管理規(guī)范［1］。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)

在電廠側(cè)電子間部署CSC-800M分布式數(shù)據(jù)采集與通信管理機(jī)，獲取火電廠分散控制系統(tǒng)（DCS）或水電站監(jiān)控系統(tǒng)中勵(lì)磁相關(guān)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給CSC-850勵(lì)磁系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷裝置；對(duì)存儲(chǔ)后的勵(lì)磁數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、計(jì)算，判斷故障現(xiàn)象、類型并錄波，將錄波數(shù)據(jù)加時(shí)標(biāo)后發(fā)送給部署在集控室的站端展示工作站，進(jìn)行站端的分析、計(jì)算及顯示。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷應(yīng)用研究共分5個(gè)模塊：發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估功能模塊；勵(lì)磁系統(tǒng)異常和故障類型的統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)功能模塊；調(diào)節(jié)器比例-積分-微分（PID）性能監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)功能模塊；調(diào)節(jié)器電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）抑制低頻振蕩能力的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)功能模塊；勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部限制與保護(hù)定值的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)功能模塊。

CSC-850發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷裝置對(duì)電廠電壓互感器（PT）、電流互感器（CT）等模擬量直接采樣，對(duì)采集的原始數(shù)據(jù)中的模擬量進(jìn)行有效值計(jì)算，計(jì)算機(jī)端電壓、機(jī)端電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流、有功功率及無(wú)功功率的標(biāo)幺值，并對(duì)模擬量進(jìn)行異常數(shù)據(jù)的判別和剔除，如圖2所示。

根據(jù)CSC-850的板卡采集的數(shù)值，計(jì)算機(jī)端電壓Ut、儀表電壓（勵(lì)磁變壓器高壓側(cè)電壓）U1、陽(yáng)極電壓（勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)電壓）Usync、機(jī)端電流（定子電流）It、勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)電流I2、發(fā)電機(jī)頻率fr、發(fā)電機(jī)有功功率Pe、發(fā)電機(jī)無(wú)功功率Qe、勵(lì)磁電壓Ud、勵(lì)磁電流Id、功角和發(fā)電機(jī)角速度，供5個(gè)高級(jí)應(yīng)用模塊使用。

圖2 異常數(shù)據(jù)的判別和剔除

1.1 發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與評(píng)估功能模塊

以CSC-850勵(lì)磁系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷裝置預(yù)處理的I／O板卡采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)預(yù)設(shè)定的分析評(píng)估規(guī)則對(duì)電廠發(fā)電機(jī)組相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)（如圖3所示），在高級(jí)應(yīng)用展示工作站實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及波形。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)是否正常，若出現(xiàn)非正?，F(xiàn)象則進(jìn)行報(bào)警／越限、錄波，同時(shí)將錄波文件上送站端，進(jìn)行高級(jí)應(yīng)用分析。

圖3 發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)評(píng)估規(guī)則

1.2 勵(lì)磁系統(tǒng)異常和故障類型的統(tǒng)計(jì)評(píng)價(jià)功能模塊

基于CSC-850發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷裝置從現(xiàn)場(chǎng)傳感器直接采集的勵(lì)磁相關(guān)數(shù)據(jù)，建立電廠機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和診斷系統(tǒng)。通過(guò)判斷DCS及CSC-850分析得到的開(kāi)關(guān)量、報(bào)警量和過(guò)電壓吸收情況等，當(dāng)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障、告警等非正常運(yùn)行現(xiàn)象（勵(lì)磁系統(tǒng)有開(kāi)關(guān)量報(bào)警變位）時(shí)，對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的故障類型進(jìn)行打分處理，并能自動(dòng)將異常時(shí)的重要模擬量和主要開(kāi)關(guān)量進(jìn)行錄波，形成錄波文件。在高級(jí)應(yīng)用展示工作站實(shí)時(shí)顯示評(píng)分及評(píng)估結(jié)果，并通過(guò)短信的方式告知相關(guān)技術(shù)人員。如果勵(lì)磁系統(tǒng)的狀態(tài)評(píng)估分?jǐn)?shù)高于設(shè)置的分?jǐn)?shù)，則在高級(jí)應(yīng)用展示工作站發(fā)出“勵(lì)磁系統(tǒng)存在異常，必須檢修”的提示信息；如均低于設(shè)置的分?jǐn)?shù)，則分?jǐn)?shù)較高的優(yōu)先安排檢修。勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。

表1 勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài)評(píng)估分?jǐn)?shù)

1.3 調(diào)節(jié)器PID性能監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)功能模塊

在CSC-850發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷裝置中建立各勵(lì)磁廠家的調(diào)節(jié)器PID控制模型及控制參數(shù)知識(shí)庫(kù)，目前，貴州電網(wǎng)所采用的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器型號(hào)包括：廣州電器科學(xué)研究院EXC 9000，ABB公司unitrol 5000／unitrol 6000，南京南瑞集團(tuán)公司電氣控制分公司NES 5100及北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司GEC-300系列。通過(guò)選擇PID模型及控制方式，可得到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器PID的傳遞函數(shù)。當(dāng)勵(lì)磁系統(tǒng)在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將CSC-850發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷裝置采集的機(jī)端電壓Ut與給定電壓Ur代入PID傳遞函數(shù)中，可計(jì)算得到勵(lì)磁調(diào)節(jié)器（AVR）輸出控制電壓Uc1；同時(shí)，通過(guò)采集的勵(lì)磁電壓Ud與交流陽(yáng)極電壓Uab可反算出控制電壓Uc2，公式如下

式中：k為系數(shù)。

Uc1與 Uc2相差10%以上，說(shuō)明勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的PID性能達(dá)不到要求，需對(duì)其進(jìn)行錄波分析；相差10%以下，證明調(diào)節(jié)器的PID性能良好。調(diào)節(jié)器PID性能判斷規(guī)則如圖4所示（圖中：U2為發(fā)電機(jī)空載時(shí)可控硅的陽(yáng)極電壓；Ud0為發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁電壓；α為可控硅觸發(fā)角）。

1.4 調(diào)節(jié)器PSS抑制低頻振蕩能力的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)功能模塊

在CSC-850發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷裝置中建立PSS模型及控制參數(shù)知識(shí)庫(kù)，PSS模型劃分為PSS1A（單輸入），PSS2A（雙輸入），PSS2B（雙輸入）和PSS4B（多頻段），根據(jù)實(shí)際控制方式選擇其PSS模型［2］。通過(guò)CSC-850發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷裝置從現(xiàn)場(chǎng)傳感器直接采集勵(lì)磁相關(guān)數(shù)據(jù)以及接收與DCS通信得到的勵(lì)磁相關(guān)數(shù)據(jù)，可計(jì)算得到PSS輸出量Urpss，當(dāng)Urpss大于設(shè)定值時(shí)，錄制發(fā)電機(jī)有功功率的波形，上傳到子站計(jì)算發(fā)電機(jī)有功功率振蕩曲線的阻尼比，與子站中無(wú)PSS時(shí)相同頻率下的低頻振蕩阻尼比相比較，若投PSS算得擾動(dòng)響應(yīng)曲線的阻尼比大于無(wú)PSS時(shí)的阻尼比，則PSS對(duì)抑制低頻振蕩有顯著效果。調(diào)節(jié)器PSS抑制低頻振蕩能力判斷規(guī)則如圖5所示。此功能對(duì)于評(píng)價(jià)PSS的動(dòng)作性能意義重大，并可為將來(lái)的PSS參數(shù)優(yōu)化積累基礎(chǔ)資料。

1.5 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部限制與保護(hù)定值的監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)功能模塊

在CSC-850發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷裝置中建立各勵(lì)磁廠家勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的內(nèi)部保護(hù)、限制邏輯模型及參數(shù)知識(shí)庫(kù)，基于CSC-850同步采集的發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓、機(jī)端電流、勵(lì)磁電壓、勵(lì)磁電流等模擬量，以及滅磁開(kāi)關(guān)常開(kāi)節(jié)點(diǎn)、過(guò)電壓保護(hù)動(dòng)作節(jié)點(diǎn)、啟勵(lì)接觸器動(dòng)作節(jié)點(diǎn)等開(kāi)關(guān)量，根據(jù)已選擇的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的內(nèi)部保護(hù)和限制邏輯模型（包括低勵(lì)報(bào)警／限制、強(qiáng)勵(lì)報(bào)警／限制、伏赫茲報(bào)警／限制、定子過(guò)電流報(bào)警、PT斷線等）進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的判斷結(jié)果，與DCS上傳的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的保護(hù)與限制動(dòng)作開(kāi)關(guān)量進(jìn)行對(duì)比，判斷勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是否存在誤動(dòng)、拒動(dòng)現(xiàn)象［3］。

通過(guò)CSC-850發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷裝置，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器相關(guān)電氣量運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中包括PT斷線預(yù)警（在PT斷線未動(dòng)作之前，勵(lì)磁PT與儀表PT采樣之差大于3%小于10%）、強(qiáng)勵(lì)預(yù)警（發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流大于1.0 p.u.而未達(dá)到1.1 p.u.，時(shí)間超過(guò)1min）、定子過(guò)電流預(yù)警（定子電流大于1.0 p.u.而未達(dá)到1.1 p.u.，時(shí)間超過(guò)1min），如圖6所示。

圖4 調(diào)節(jié)器PID性能判斷規(guī)則

圖5 調(diào)節(jié)器PSS抑制低頻振蕩能力判斷規(guī)則

圖6 調(diào)節(jié)器內(nèi)部限制與保護(hù)定值判斷規(guī)則

2 子站展示與評(píng)估

勵(lì)磁系統(tǒng)的5個(gè)高級(jí)應(yīng)用功能模塊如滿足條件，則在CSC-850發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)監(jiān)測(cè)診斷裝置形成錄波文件，上傳到子站進(jìn)行顯示、處理。子站的顯示、處理是在機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷信息系統(tǒng)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用的一個(gè)重要功能項(xiàng)，開(kāi)發(fā)過(guò)程依托北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司的CyberControl工業(yè)自動(dòng)化軟件平臺(tái)，該平臺(tái)軟件是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與過(guò)程控制的專用系統(tǒng)軟件，支持大容量?jī)?nèi)存數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，具有良好的安全性、穩(wěn)定性、開(kāi)放性和可擴(kuò)展性。

在CyberControl軟件平臺(tái)的支持下，勵(lì)磁高級(jí)應(yīng)用各模塊功能首先對(duì)電廠子站各機(jī)組的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理，在實(shí)時(shí)服務(wù)器和歷史服務(wù)器上建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)擴(kuò)展插件APP應(yīng)用接口完成數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、運(yùn)算和分析，最后輸出有效的數(shù)據(jù)信息和方法，展示在軟件平臺(tái)的人機(jī)交互界面上，供專業(yè)人員查看和使用。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)診斷裝置，是通過(guò)對(duì)涉及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)各種狀態(tài)量的采集、統(tǒng)計(jì)、分析及評(píng)估方法進(jìn)行研究，建立了相應(yīng)的分析評(píng)估模型，全面覆蓋了勵(lì)磁系統(tǒng)各個(gè)方面的內(nèi)容，保證發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行；同時(shí)，全面評(píng)估勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)設(shè)備進(jìn)行專業(yè)評(píng)價(jià)，協(xié)助相關(guān)人員掌握發(fā)電機(jī)勵(lì)磁設(shè)備的運(yùn)行狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中可能存在的安全隱患，進(jìn)行預(yù)警及專業(yè)的診斷分析，為生產(chǎn)管理決策和設(shè)備狀態(tài)檢修提供技術(shù)支撐。

［1］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2002.

［2］方思立，朱方.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的原理及其應(yīng)用［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1996.

［3］劉取.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2007.