PSVR100发电机励磁调节装置应用的可行性研究

PSVR100发电机励磁调节装置应用的可行性研究朱红伟（国电南京自动化股份有限公司）刘文俊（新疆华电韦湖梁发电有限责任公司）摘要：本文介绍了新一代发电机励磁调节装置PSVR100在华电集团电气热控技术中心首个示范工程中的成功应用，着重说明了该装置的特点和系统功能及其优越性，分析了装置的高可靠性及稳定性的特点。关键字：PSVR100；励磁调节装置；发电机；示范工程一、前言发电机励磁调节装置的主要任务是维持机端电压恒定，满足发电机正常发电的需要，控制发电机组之间无功功率的合理分配，同时提高电力系统的稳定性，以满足电力系统安全稳定运行的需要[1]。新疆华电苇湖梁发电有限责任公司2台发电机组是燃煤汽轮机发电机组。发电机的励磁方式采用的是350Hz副励磁机、100Hz主励磁机及发电机的三机同轴励磁系统。其励磁调节装置于1998年年投入运行以来，在2000年、2002年、2005年多次发生误发信号、输出晃动及偏差大、死机等其它不同原因引起的切柜现象，引起发电机跳闸事故，威胁机组安全运行。为解决励磁系统的设备运行隐患，保证电网安全稳定运行，2006年9月决定对该励磁控制系统进行了技术改造。改造机组的励磁调节装置。经过多方面的综合考虑，昀后选用了国电南京自动化股份有限公司研制的具有自主知识产权的新一代发电机励磁调节装置PSVR100。2台机分别于2006年10月和2007年3月完成改造工作。经过一年多的运行表明，改造十分成功，装置完全能满足发电机组及电网的要求，且运行稳定可靠。同时该项目作为华电集团电气热控技术中心首个示范工程，有很大的技术通用性，值得在华电集团电厂进行推广使用。二、改造过程1、原励磁调节装置存在的问题a）调节器为双柜并列运行方式，由2套调节装置同时进行调节，平时较容易发生均流越限，当任何一套有故障时即不能进行正常调节。尤其当一套死机后，误强励不可避免。b）元器件老化，抗干扰能力差。现场发生多起调节器功能紊乱现象，经分析主要为干扰问题。c）参数不能在线修改，无事件及事故记录，不利于对事故的分析。d）调试、维护不方便。由于设计上的原因，造成励磁柜内元器件多而无序，不仅使调试、维修不方便，更重要的是降低了设备运行的可靠性。改造前控制系统结构示意图见图1[2]。图1改造前控制系统示意图2、改造方案改造方案主要是更换励磁系统中的励磁调节装置，基本原则为；①以解决原微机励磁调节器为首要任务，保留原50Hz手励，②应考虑未来机组对提高电力系统稳定性（PSS）的要求：③处理好新、旧设备间的接口连接及信号的配合，做到界面明确。83具体方案是将原有励磁控制系统励磁调节装置，由WKKL型改为PSVR100型励磁调节装置，运行方式由并列运行改为主从运行，保留50Hz手动励磁设备，使之与新励磁调节器自动部分之间建立相互跟踪、切换的逻辑关系。这样，励磁系统改造后，将有2个自动通道和1个手动通道。正常时有2个通道运行，其中一个自动通道作为主通道，另一自动通道作为热备用通道，50Hz手动通道作为后备通道，可以实现无扰动切换,此方案参见图2[3]。图2改造后控制系统示意图三、改造后的励磁系统1、主要调节及控制功能◆恒发电机机端电压的PID调节规律◆恒发电机转子电流的PID调节规律◆采用转子电压负反馈减小励磁机时间常数◆无功调差，调差参数灵活设置◆电力系统稳定器（PSS）新增其他功能及保护：软件的数字给定和冗错处理、与计算机监控系统通信、完善的事件和故障记录；电源越限或掉电保护、同步信号检测和保护、脉冲丢失检测和保护、测量信号冗错检测和保护。2、高可靠性设计◆控制模件采用高性能32位双核浮点CPU和16位的AD转换系统，辅以大规模可编程逻辑器件FPGA，采用总线不出芯片的混合型芯片技术，使产品的稳定性、运算速度以及响应速度得到极大的提升和保证。◆高度集成的接口电路。PSVR100发电机励磁调节装置，将同步沿捕获、测频、测相位、AD器件操作、脉冲形成、脉冲检测、脉冲切换、CPU监控以及双机通信、切换等事务性功能全部集成在FPGA大规模可编程器件中，构成励磁外设管理器。与传统电路比较，不但简化了外围电路，而且将CPU中断次数降低到传统方式的六分之一以下，从而保证了CPU系统的稳固性、平稳性。◆先进的交流量测量方式。采用无相差、高速、高分辨率的16位A/D转换系统，对励磁系统变量，实现每周波36点采样，保证了测量的高精度。另外测量回路采用专用的传感器、无源滤波技术等也大大增加了测量的可靠性。◆交、直流双路供电技术，任何一路电压消失不影响正常工作。◆在硬件结构上，各控制模件实现了真正的模块化，即插即用，随时升级；控制器采用全密封背插设计，不仅使外界灰尘难以进入，而且有效地屏蔽了空间电磁辐射，具有很强的抗震动能力和抗电磁干扰能力。◆在软件控制上，A、B两套系统之间不但有通信网络联结，信息交换及时、可靠，而且在通信故障时直接通过对励磁系统状态进行实时跟踪，使得双通道控制系统间的通信更全面而真实，控制系统结构简单但冗余度和可靠性更高。3、使用简单、可操作性强和现场免维护概念◆智能化操作设计，支持本地和远方操作。◆工业级大屏幕液晶显示器，汉化树形菜单。可方便显示励磁系统参数、故障报告、告警信息、定值整定、录波图形、装置内部的测量值、参数、状态等，包括开入开出，电压电流的有效值、相位、功率、触发角、各种限制保护标志等。采用八健组合键盘，对装置操作自如、易学易用。◆可视化的励磁控制软件包，励磁上位机控制软件SGVIEW，作为励磁的专用软件产品，提供了各种励磁调节控制，限制保护，人机接口，通信规约，调试诊断，动态录波等模块。◆调试维护手段丰富，能迅速地对电源、硬件、软件的故障进行自诊断及处理，并可连续进行500个事件的记录和50以上故障录波。◆完善的自诊断功能。4、PSVR100与其它厂商的励磁调节装置的主要不同点◆励磁外设管理器设计技术励磁外设管理器由一块大规模逻辑可编程器件FPGA加上少量的外围电路构成，可灵活配置，用全硬件操作的方式完成励磁外设管理，它集开84关逻辑控制、高速16位AD控制、测频、测速、相位跟踪、同步捕捉、脉冲触发、脉冲检测和对包括CPU等重要硬件的监视等各种处理功能于一体，硬件结构简单可靠，实时性强。◆多变量跟踪切换技术本装置采用多变量跟踪切换技术。从套跟踪主套控制量、机端电压、励磁电压、励磁电流、有功无功。正常运行时，从套可跟踪主套控制量进行切换；当主套发生故障时，从套跟踪系统相关的物理量，可以避免由于主套故障产生的不利影响◆图形化配置与编程技术装置开发专有的图形化逻辑绘图软件平台，模拟量输入、通讯、开关量输入、输出接点定义采用硬件配置编程技术；定值设置、标志量设置、测量值设置采用软件配置编程技术，可方便地根据不同励磁系统的需求进行灵活应用。同时，通过把成熟、通用的算法和逻辑控制技术封装成算法逻辑图，通过配置逻辑图完成励磁控制过程，缩短软件的开发周期，提高软件的可维护性。◆无源信号处理技术对所有模拟量采集全部采用无源互感器、无源RC滤波、高灵敏施密特比较器、高阻抗AD等；取消转子电压、转子电流有源变送器，通过对励磁机（或励磁变）定子侧PT、CT信号高速交流采样的方式计算出转子电压和转子电流。◆闭环实时自检技术通过对实时采样回路、脉冲触发回路、控制规律回路等整个闭环系统的所有单元实时监视和综合保护判断，有效防止励磁系统失磁和误强励。◆实时异常状态检测和诊断PSVR100每次上电时，系统会自动对整个装置进行自检，装置正常运行中，也会定时对整个系统进行自检，用户也可以手动自动自检，当在自检过程中发生异常时，自动报警，提醒检修人员。这些自检项目包括：◆CPU系统检查◆AD系统检测◆外围电路检测◆交流模拟量的频率、相位、相序检测◆电源系统故障或电源电压过低的检测◆可控硅的同步信号消失，同步信号相位、相序异常检测◆可控硅的脉冲丢失、脉冲断线、脉冲角度出错等◆超级看门狗电路检测主CPU◆开出异常检测◆内部所有定值错误自检◆通信检测◆软件运行状况检测四、改造后的应用情况2006.10.10新疆韦湖梁电厂2#机组大修后启动时，对PSVR100进行了动态空载和并网试验。通过空载试验，修正了控制器的PID参数及转子负反馈放大倍数；通过并网负载试验，确定了PSS参数，并投入。并网负荷下进行主、备通道切合试验，无功无扰动，切换正常。1、改造后励磁系统性能指标◆调节装置精度，交流电流、电压：±0.1％；功率：±0.2％；频率：±0.01Hz；调压精度：0.2%：◆调压范围：5%～130%◆调差：由软件设置无功调差率,正负、大小可任意设置，精度±0.01%◆频率特性：频率每变化1%，发电机端电压变化不大于额定值的±0.25%◆整定值调节速度：可任意设置，满足不大于1%每秒，不少于0.3%每秒◆励磁系统响应时间：2倍/秒◆10%阶跃响应试验：超调量小于10%，振荡次数小于2次，调整时间小于2秒◆主/从、手/自动切换：无扰动2、安全运行分析自2006年10月10日#2机组励磁系统改造工作结束并投运以来，至今已安全稳定运行1年有余，其间还进行了#2发电机PSS试验，并满足了电网安全运行的要求，未出现任何影响机组安全稳定运行的故障。设备改造后的运行和使用情况说明，改造后的励磁系统具有以下优点：装置运行稳定、可靠，无故障发生；实现自动录波功能，便于调试与故障分析；运行中，励磁柜的各输出参数均较为稳定，未出现波动现象：主、从套跟踪，手动跟踪情况很好，满足了无扰切换的要求；低励限制功能正常，满足了机组进相运行的需要。在2007年3月1#机励磁装置也已投入运行。到目前为止，韦湖梁电厂的PSVR100装置的投运率为100%，其效果是令人满意的，它大大提高了85励磁系统的运行可靠性及稳定性，基本达到了预期效果。五、示范工程成功经验新疆华电韦湖梁电厂在励磁改造过程中，主要采用以下一些方面来保证整个示范工程的可靠性及稳定性。1、在确定改造计划后，首先对可选厂商提供的产品进行详尽的考察了解，确定产品供方及型号。在订货期间，双方签订供货合同，明确装置的有关技术条件，签订详细的技术协议。同时合同中还规定产品出厂试验前，厂商必须安排需方的有关技术人员到场参与设备出厂调试，调试中有与合同及现场不符之处，责令供方进行修改，尽量在设备方面不要产生问题。2、装置到需方现场就位安装时，要求安装人员首先对装置进行全面检查，检查元器件是否缺失、损坏或松动，如有现场不可解决的问题，需提前通知供方技术人员。3、所铺设的控制电缆全部采用屏蔽电缆，并且两端屏蔽层同时接地。4、电缆接线全部完成后，从终端加入信号或从调节器发出指令，查看各光字牌和指示是否正确，检查完毕后，所有的孔洞要封堵好，以免鼠害，确保安全。5、PSVR100调试投运前，调试单位根据供方提供的现场调试说明书，结合现场情况进行删减，以符合现场的试验方案。同时根据说明书进行试验，力求全面、充分的检测检验励磁调节装置的各种性能指标，以满足发电机组的要求。六、结束语PSVR100发电机励磁调节装置装置软、硬件均采用模块化结构,功能齐全、操作简便、工作可靠、调节平稳。PSVR100发电机励磁调节装置采用励磁外设管理器设计技术，多变量跟踪切换技术，图形化配置与编程技术，无源信号处理技术，闭环实时自检技术，实时异常状态检测和诊断等6项先进技术，使整套励磁装置体现出很高的智能性，其性能指标显著高于国内外同类产品。在电力体制深化改革的今天，降低发电成本，降低事故率，对企业的生存至关重要。因此，对电厂而言，一套性价比高的励磁设备，将会给企业带来各方面的收益。本次示范工程表明PSVR100发电机励磁调节装置,在发电机机组的技术改造中应用良好，配套效果不错，值得在华电电厂推广使用。参考文献：[1]竺士章.发电机励磁系统试验，中国电力出版社,2005.[2]南京电力自动化设备总厂，WKKL-1、2系列同步发电机三机交流微机励磁调节装置技术说明书[3]国电南京自动化股份有限公司，PSVR100发电机励磁调节装置技术说明书86