蓮花發(fā)電廠機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)改造研究

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(tái)機(jī)組，單機(jī)容量137.5 MW，總裝機(jī)容量550 MW。蓮花發(fā)電廠主要承擔(dān)電力系統(tǒng)調(diào)峰任務(wù)，擔(dān)負(fù)電力系統(tǒng)內(nèi)事故備用。蓮花發(fā)電廠是一座以計(jì)算機(jī)監(jiān)控為主，牡丹江梯調(diào)控制中心遙控“無人值班”(少人值守)的現(xiàn)代化水力發(fā)電廠。

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

經(jīng)過多年運(yùn)行，蓮花發(fā)電廠勵(lì)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(xiàn)象越來越突出。為確保機(jī)組和電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，通過多次技術(shù)分析論證和專家審查，將機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)改造為EXC9000型數(shù)字式調(diào)節(jié)器。通過調(diào)試和運(yùn)行考驗(yàn)，改造后勵(lì)磁系統(tǒng)解決了原勵(lì)磁裝置存在的問題，經(jīng)試驗(yàn)和運(yùn)行，調(diào)節(jié)器、整流橋等均具有良好的性能指標(biāo)。

1 改造前的勵(lì)磁系統(tǒng)

蓮花發(fā)電廠原勵(lì)磁系統(tǒng)為自并勵(lì)可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)，采用雙通道微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，勵(lì)磁變采用三相干式變，整流橋?yàn)閮蓸虿⒙?lián)。自1996年投運(yùn)以來，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)水平，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟硬件檔次較低，人機(jī)對(duì)話界面差，軟件功能不全，無事件記錄，不便于運(yùn)行維護(hù)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器還存在電壓和無功調(diào)節(jié)波動(dòng)大，PSS調(diào)節(jié)不能投運(yùn)等問題，影響發(fā)電質(zhì)量。功率柜的設(shè)計(jì)復(fù)雜，增加了主回路的復(fù)雜性和檢修維護(hù)的工作量;同時(shí)兩柜并聯(lián)運(yùn)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(jī)組的安全運(yùn)行。

2 勵(lì)磁系統(tǒng)的選型配置原則

在勵(lì)磁系統(tǒng)的選型配置中，要求其運(yùn)行可靠性高，勵(lì)磁系統(tǒng)的各個(gè)部分均能實(shí)現(xiàn)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(jìn)的動(dòng)態(tài)均流技術(shù)、完善的通訊功能和智能化的調(diào)試手段，能提高機(jī)組自動(dòng)化及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平，滿足計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理以及實(shí)際運(yùn)行監(jiān)視、報(bào)警、自動(dòng)電壓控制(AVC)等功能的要求，確保機(jī)組和電網(wǎng)的安全運(yùn)行，以及滿足現(xiàn)代化管理技術(shù)需要。

經(jīng)過認(rèn)真考察和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)后，確定選型配置原則為:新勵(lì)磁系統(tǒng)采用EXC9000系統(tǒng)，它主要由調(diào)節(jié)器、人機(jī)界面、對(duì)外接口、功率柜、滅磁及過壓保護(hù)、勵(lì)磁變壓器等組成。該系統(tǒng)吸收了目前數(shù)字控制領(lǐng)域先進(jìn)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(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、可控硅整流橋動(dòng)態(tài)均流技術(shù)、高頻脈沖列觸發(fā)技術(shù)、低殘壓快速起勵(lì)技術(shù)、完善的通訊功能和智能化的調(diào)試手段等。采用CAN總線(控制器局域網(wǎng))用于勵(lì)磁系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行控制和信息交換，使EXC9000系統(tǒng)成為一個(gè)有機(jī)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(yùn)行可靠性。CAN總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN總線通信的實(shí)時(shí)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(shè)備的互聯(lián)。

3 勵(lì)磁系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 勵(lì)磁系統(tǒng)工作原理

EXC9000型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)通道采用微機(jī)/微機(jī)/模擬三通道雙模冗余結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)通道(A，B)和1個(gè)手動(dòng)調(diào)節(jié)通道(C)組成，這3個(gè)通道從測量回路到脈沖輸出回路完全獨(dú)立。調(diào)節(jié)通道以主從方式工作，其中1個(gè)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)通道作為主通道，另1個(gè)自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)通道作為第一備用通道，手動(dòng)調(diào)節(jié)通道作為第二備用通道。如圖2所示。

調(diào)節(jié)器采用PID+PSS調(diào)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(diào)節(jié)器硬件采用多CPU模式，主CPU用于調(diào)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(shù)據(jù)。這種硬件模式可保證程序運(yùn)行可靠，電氣量采集計(jì)算速度快，抗干擾能力強(qiáng)。調(diào)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(nèi)部現(xiàn)場總線互聯(lián)技術(shù)，提高了勵(lì)磁系統(tǒng)數(shù)字化程度，實(shí)現(xiàn)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(hù)。柔性的智能接口電路，以多種方式實(shí)現(xiàn)與電站控制系統(tǒng)連接。調(diào)節(jié)器具有優(yōu)良的人機(jī)界面，采用一體化的工控機(jī)，全中文界面，軟面板技術(shù)，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(diào)節(jié)器在電路設(shè)計(jì)、工藝結(jié)構(gòu)等方面采取了多種抗干擾措施，顯著降低了調(diào)節(jié)器的故障率。專用的WINDOWS版本調(diào)試軟件，具有操作、試驗(yàn)、故障記錄、追憶、事故錄波、遠(yuǎn)程診斷、參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄、在線幫助等功能，減少了試驗(yàn)和整理試驗(yàn)記錄的工作量，實(shí)現(xiàn)了智能化調(diào)試。

圖2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制原理框圖

在每個(gè)功率柜內(nèi)設(shè)計(jì)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(yīng)的輸入輸出接口電路等。取消了常規(guī)表計(jì)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(shí)現(xiàn)了智能化。在每個(gè)功率柜柜門上，安裝了一個(gè)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(shí)現(xiàn)相關(guān)操作。信息傳輸實(shí)現(xiàn)智能化。將現(xiàn)場總線技術(shù)用于智能化功率柜，功率柜的開關(guān)量信號(hào)和模擬量信號(hào)均通過現(xiàn)場總線傳遞到調(diào)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(yùn)行可靠性。

4 功能及特點(diǎn)

4.1 主要功能

4.1.1 在勵(lì)磁控制中實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制策略

除了可以實(shí)現(xiàn)模擬式調(diào)節(jié)器的 PID(Proportion Integral Differential)調(diào)節(jié)、PSS附加控制和線性最優(yōu)控制外，還可實(shí)現(xiàn)模擬式調(diào)節(jié)器難以實(shí)現(xiàn)的自校正調(diào)節(jié)、非線性控制、自適應(yīng)控制及模糊控制。隨著微分幾何等現(xiàn)代數(shù)學(xué)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(jié)合，形成了一門新的學(xué)科體系，即非線性控制系統(tǒng)幾何結(jié)構(gòu)理論體系，提出對(duì)仿射型非線性控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)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(diào)節(jié)準(zhǔn)確、精度高、在線改變參數(shù)方便

在數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中，信號(hào)處理、調(diào)節(jié)控制規(guī)律都由軟件來完成。簡化了控制裝置，信號(hào)處理能力強(qiáng)和控制精度高。電壓給定、放大倍數(shù)、時(shí)間常數(shù)等控制參數(shù)都由數(shù)字設(shè)定，調(diào)整參數(shù)更準(zhǔn)確，穩(wěn)定性高，調(diào)節(jié)方便，速度快。

4.1.3 保護(hù)功能完善，操作檢修簡單

可以在勵(lì)磁控制中實(shí)現(xiàn)完備的限制及保護(hù)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(yàn)手段。勵(lì)磁系統(tǒng)的現(xiàn)地調(diào)節(jié)和人機(jī)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(shí)間長

硬件結(jié)構(gòu)簡單可靠。調(diào)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(gòu)成，省掉了大量的邏輯控制繼電器，而且易于采用冗余容錯(cuò)硬件結(jié)構(gòu)方式，其可靠性大大提高。由于可以采用雙微機(jī)自動(dòng)跟蹤，兩個(gè)通道互為熱備用，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換。可在正常運(yùn)行情況下檢修備用機(jī)，在軟件中實(shí)現(xiàn)自診斷和自復(fù)歸功能。由于調(diào)節(jié)控制規(guī)律由軟件實(shí)現(xiàn)，減少了硬件電路，減少了因調(diào)節(jié)器故障維修而帶來的停機(jī)時(shí)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(lì)磁系統(tǒng)，便于遠(yuǎn)方控制和實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的計(jì)算機(jī)綜合協(xié)調(diào)控制。上位計(jì)算機(jī)可直接改變機(jī)組給定電壓值，非常簡便地實(shí)現(xiàn)全廠機(jī)組的無功成組調(diào)節(jié)及母線電壓的實(shí)時(shí)控制。為了方便地實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁系統(tǒng)與電站監(jiān)控系統(tǒng)的控制及數(shù)據(jù)交換，可根據(jù)用戶的要求設(shè)置串行通訊或網(wǎng)絡(luò)通信接口。便于在遠(yuǎn)方了解勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行情況，還可對(duì)勵(lì)磁系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行修改和設(shè)置，有利于電站實(shí)現(xiàn)少人值守、無人值班。

4.2 主要特點(diǎn)

4.2.1 系統(tǒng)數(shù)字化

EXC9000系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是功能軟件化、系統(tǒng)數(shù)字化。EXC9000系統(tǒng)的數(shù)字化不僅體現(xiàn)在調(diào)節(jié)器，也體現(xiàn)在功率柜。通過調(diào)試軟件在線控制調(diào)節(jié)器進(jìn)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(diào)試軟件在線控制調(diào)節(jié)器進(jìn)行相關(guān)的功能試驗(yàn)，如零起升壓、短路試驗(yàn)、階躍試驗(yàn)、PSS試驗(yàn)等，可以自動(dòng)記錄試驗(yàn)結(jié)果，基本上不用再外接測試設(shè)備，大大減輕了試驗(yàn)的工作量;在線設(shè)定各個(gè)輸出開關(guān)量的定義，無須修改軟件，實(shí)現(xiàn)了輸出接點(diǎn)的柔性定義;對(duì)智能化的功率柜進(jìn)行在線調(diào)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(lì)磁系統(tǒng)的各個(gè)部分均能實(shí)現(xiàn)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(jī)界面和調(diào)試軟件中置入了在線幫助系統(tǒng)，可針對(duì)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(jìn)成果和工藝

該系統(tǒng)吸收了目前數(shù)字控制領(lǐng)域先進(jìn)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(shù)字信號(hào)處理技術(shù)、可控硅整流橋動(dòng)態(tài)均流技術(shù)、高頻脈沖列觸發(fā)技術(shù)、低殘壓快速起勵(lì)技術(shù)、完善的通訊功能和智能化的調(diào)試手段等。

4.2.4 采用CAN總線(控制器局域網(wǎng))

采用CAN總線(控制器局域網(wǎng))用于勵(lì)磁系統(tǒng)的各個(gè)部分進(jìn)行控制和信息交換，使EXC9000系統(tǒng)成為一個(gè)有機(jī)的、完整的整體。CAN總線用于勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)部進(jìn)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(yùn)行可靠性。

CAN總線屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN總線的一個(gè)最大特點(diǎn)是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，因而被稱之為多主總線。CAN總線通信的實(shí)時(shí)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(shè)備的互聯(lián)，被認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場總線之一，近幾年在自動(dòng)化領(lǐng)域得了廣泛的應(yīng)用。

5 結(jié)語

蓮花發(fā)電廠通過勵(lì)磁系統(tǒng)的更新改造工作，大大提高了機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的安全運(yùn)行水平。從目前的運(yùn)行狀況來看，勵(lì)磁系統(tǒng)性能穩(wěn)定，動(dòng)作準(zhǔn)確可靠，為發(fā)揮水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的作用，以及實(shí)現(xiàn)無人值班(少人值守)打下了基礎(chǔ)，保障了黑龍江東部電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

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