豐滿水電站勵磁控制系統淺析

孟繁欣，王振羽，張 蕾，宋明鈺，柳志敏

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豐滿水電站勵磁控制系統淺析

孟繁欣1，王振羽1，張 蕾1，宋明鈺1，柳志敏2

（1. 豐滿大壩重建工程建設局，吉林 吉林 132108；2. 廣州擎天實業有限公司，廣州 510860）

本文結合豐滿水電站勵磁系統的設計與選型，介紹了豐滿水電站全智能型勵磁系統的眾多先進技術及特點，如多CPU架構、光纖脈沖傳輸技術、殘壓起勵技術、智能均流技術等。針對目前智能化水電廠所提出的勵磁系統與監控系統之間IEC61850通訊，提出了新的設計方法，為智能化水電站勵磁系統設計提出了新思路。

CPU+FPGA；1+冗余系統；光纖；智能均流；殘壓起勵；IEC61850

0 前言

EXC9200型勵磁設備是廣州擎天實業有限公司最新一代勵磁產品，可適用于各種不同類型同步發電機組。其依托高性能、高可靠的嵌入式計算機和實時操作系統平臺；采用分布式控制架構，實現勵磁系統的操作、顯示、狀態和故障監測等智能一體化。

1 豐滿水電站勵磁系統簡介

豐滿水電站全面治理（重建）工程是按恢復電站原任務和功能，在原大壩下游120m處新建一座大壩，并利用三期工程，安裝6臺單機容量為200MW的水輪發電機組，利用三期2臺單機容量140MW的機組，總裝機容量1480MW。

電站發電機勵磁系統是采用廣州擎天實業有限公司新一代EXC9200型勵磁產品。本項目勵磁系統主要由勵磁調節器、整流單元、滅磁及過壓保護單元、起勵單元、勵磁變壓器及其它輔助設備等組成。

1.1 勵磁調節器

勵磁調節器由3個微機（全數字）通道組成，其從測量回路到脈沖輸出回路完全獨立。調節通道以主從方式工作，其中一個自動通道作為主通道（含自動和手動單元），其余通道作為備用通道。備用通道在脈沖輸出級跟蹤運行通道，保證通道間平穩、無擾動切換。

1.2 勵磁整流單元

勵磁功率柜采用智能功率柜，單柜額定電流3000A，強勵電流5000A。選用3個功率柜并聯運行，功率柜設計原則按－1考慮冗余，一橋故障時能滿足發電機所有運行工況要求[1]。

硅元件采用瑞士ABB生產的硅元件，其通態平均峰值電流為3170A，斷態不重復峰值電壓為4200V。采用集中式阻容保護，可以有效保護硅元件不受損害[2]。

1.3 勵磁滅磁及過壓保護單元

豐滿水電站勵磁系統在正常停機和事故分別采用逆變滅磁和跳滅磁開關（將能量轉移到滅磁電阻進行滅磁）兩種方式。

滅磁開關采用瑞士Secheron 公司生產的UR40型直流單斷口滅磁開關。滅磁開關分閘線圈有兩路，從而保證系統發生事故時滅磁開關的可靠跳閘。

滅磁電阻采用的是ZNO滅磁電阻，用于事故滅磁和轉子側過壓保護。

轉子正反向過壓保護采用可控硅跨接器+ZnO滅磁電阻的方式，整定簡單，不需要維護[3]。

1.4 勵磁起勵單元

豐滿水電站起勵裝置有直流電源起勵、交流電源起勵和殘壓起勵三種方式。在起勵過程中首先進行殘壓起勵，在整流橋陽極電壓足夠高的情況下，高頻脈沖列連續觸發可控硅直至其能夠正常工作；如果殘壓起勵不成功，則投入直流/交流電源起勵電源回路進行起勵。

2 豐滿水電站勵磁控制系統的技術特點

2.1 采用CPU+FPGA平臺

調節器采用CPU+FPGA的架構平臺，其結構緊湊，關鍵信號獨立采樣和隔離，其功能清晰，軟、硬件結構簡單明了，高效率運行，所有調節運算（包括PSS2B、PSS4B、PSVR和NR-PSS）可達到1000次/秒。

CPU采用運行主頻率800MHz以上的32位高性能處理器，采用 RISC 架構，帶雙精度（64位）浮點運算器，用于完成復雜邏輯控制、復雜運算和通信。

FPGA內部更集成了大容量RAM和多路DSP，可完成多單元并行浮點運算，非常適合做數字信號處理。在數字信號處理部分FPGA發揮了非常重要的作用，它完成了同步采集控制、同步交流采樣及算法實現、頻率補償、同步信號檢測、脈沖形成以及CPU接口等功能。

2.2 冗余的1+i通道勵磁調節器

勵磁調節器為豐滿水電站配置1+（=2）冗余系統，通道間主/從工作方式，具備完善的故障檢測方式和處理方法，實現對通道自身工作狀況的評估，確定通道運行狀態級別，實現各通道間的對等冗余，使調節器間熱備用更加合理、更加智能。

通道之間以優先級的方式運行，根據勵磁系統內部故障對設備運行的重要性進行優先級設定，優先級從高到低分別為3、2、1、0，當備用通道優先級比運行通道高時，將自動切換到備用通道。（見表1）

表1 調節通道的可用狀態級別定義

通道間的跟蹤目標是實現通道切換前與通道切換后，勵磁系統輸出一致。使得切換過程中，系統輸出無波動。要實現這兩點，需要做到：

（1）雙通道的模擬量采集系統一致性好，在全范圍內的采集結果基本相同。

（2）同步移相環節一致性好，可以保證兩套調節器控制信號相同時輸出脈沖一致。

通道跟蹤接口提供了同步相位差測量、脈沖相位差測量功能，由備用通道根據跟蹤算法對自身的脈沖輸出做出調整，使得備用通道的脈沖輸出的移相角大小與運行通道的保持一致。

同時，切換邏輯使用了優化電路，可以保證切換過程中脈沖連續。

2.3 內部通訊采用光纖通訊

勵磁系統通過使用光纖通訊作為系統內部的通信網絡，能夠監視和控制勵磁系統各關鍵部分的運行狀態，并能夠進行報警和自動采取措施，這樣提高了設備的可靠性和安全性[4]。使用光纖通信網絡后，勵磁系統內部各種模擬量和數字量都能夠被采集，包括整流橋的狀態量、調節器的狀態量、滅磁及過壓保護單元和電源監視等（如圖1所示）。

圖1 光纖通訊示意圖

光纖通訊因其通訊速率高、抗干擾能力強得到了廣泛應用。光纖網絡通信的優點主要有[5]:

（1）抗電磁干擾能力強：光纖是非金屬的介質材料，它耐腐蝕性強，且不受電氣化鐵路饋電線和高壓設備等工業電器的干擾。

（2）傳輸容量大：比傳統的電介質的數據傳輸容量提高幾十甚至上千倍以上。

（3）光纜代替電纜，避免了電纜端子接線松動引起的發熱、開路和短路等危險，提高了勵磁系統整體安全運行水平。

2.4 可控硅脈沖光纖傳輸

在大型發電機機組的勵磁系統里，因功率柜數量比較多，采用扁平電纜傳輸脈沖存在抗干擾能力差的問題。為了增強勵磁系統抗干擾性能，本項目觸發脈沖傳輸介質采用光纖，取消了扁平電纜傳輸脈沖。調節器輸出的觸發脈沖經過光纖分別傳送至各個整流橋（如圖2所示）。

圖2 脈沖光纖傳輸原理圖

2.5 智能均流技術

EXC9200智能化勵磁系統實現了功率柜間的橋臂智能均流。而且，當一個功率柜退出后，運行的功率柜仍可實現智能均流[6]。采用智能均流技術，不需要采用其它輔助措施就能保證均流系數大于97%。

均流自動調節器由包括：脈沖區間形成、區間前沿斜坡處理、本柜電流偏差放大、脈沖區間移相處理、脈沖投切控制、高頻脈沖發生器、脈沖列形成、脈沖功放等（如圖3所示）。

圖3 自動均流調節器框圖

2.6 殘壓起勵技術

本項目勵磁系統中,發電機起勵方式有直流電源起勵、交流電源起勵及殘壓起勵三種。

殘壓起勵是當整流橋陽極電壓達到一定值時，利用殘壓起勵裝置，在無需外界助磁的情況下，發電機自動建壓的過程[7]。在殘壓起勵過程中，在晶閘管整流橋的輸入端僅需要約8V~12V的電壓即可正常工作。如果電壓低于8V~12V，晶閘管整流橋就會被連續地觸發（二極管工作模式）并輸出直流電流到轉子，經旋轉的轉子和定子之間產生的電磁反應，使發電機產生定子電壓，以使得整流橋輸入電壓達到該值。

起勵時的整流橋陽極電壓不能太小，否則將不能維持晶閘管的持續導通，這時候就必須采用外部輔助電源起勵，這時勵磁系統通過起勵電源給轉子線圈注入直流電流（一般小于10%空載勵磁電流）。

3 IEC61850通訊接口技術

我國的電站自動化技術經過多年的發展，絕大部分電站已采用基于計算機的監控系統。但目前在我國電站使用各種各樣的通信規約，使得各種自動化系統之間信息的收集、處理及傳送變得十分困難，且站內數目眾多的模擬量信號，使得監控系統接收到的信號可能會受到電磁干擾，影響電站的安全運行。隨著設備廠家技術的不斷發展、光纖通訊的廣泛運用、IEC61850協議的實施，智能化的電站問世條件已經具備[8]。

IEC61850通信標準做為一項國際標準，在智能化變電站中擁有大量的工程實踐，并取得巨大成功，說明其能夠將各個廠家的設備有效地聯接成一個整體，使這些設備之間具備優良的互操作性。因此IEC61850是智能化發電站建設過程中通信標準的首選[9]。

EXC9200勵磁系統通過IEC61850通信協議能夠滿足智能電站的通訊要求。但是我們需要在未來從以下幾個方面進行改進：

（1）勵磁內部：隨著應用的發展，未來可以將IEC61850協議應用到勵磁系統內部各單元之間通信中，使系統內部和外部使用同樣的通信協議，可以大大提高數據傳輸的實時性。

（2）勵磁外部：隨著電子式電流互感器、電子式電壓互感器、智能化開關、智能在線檢測設備等進一步技術發展，未來發電廠的所有電氣設備二次側不再存在有模擬量信號，所有數據均按IEC61850通信協議進行傳輸。

4 結論

基于CPU+FPGA構架平臺、首創的通道切換基于優先級方式、創新開發的內部光纖通訊、脈沖光纖傳輸、成熟的智能均流和殘壓起勵技術等，使得EXC9200勵磁控制系統技術先進、性能優越，部分性能達到國際先進水平，可滿足于各種不同類型同步發電機，特別是大中型以上的發電機組。在常規設計的基礎上，增加IEC61850接口通訊，可使勵磁系統滿足智能化電廠的運行要求。

[1] 李基成. 現代同步發電機勵磁系統設計應用（第二版）[M]. 北京:中國電力出版社,2009.

[2] 廖瑞金,等. 勵磁系統換向過電壓阻容保護裝置的仿真研究[J]. 高電壓技術,2007,33(7).

[3] 孫新志,等. 錦屏一級水電站勵磁系統及其主要特點[J]. 四川水力發電,2015,34(1)

[4] 劉德明. 光纖光學與光纖通信基礎教程[M]. 華中科技大學出版社, 2009.

[5] 王德宏. IEC61850 及數字化水電廠的概念與前景[J]. 水電站機電技術, 2010, 33(3).

[6] 陸繼明,等. 勵磁功率柜智能均流暫態過程分析[J]. 華中科技大學學報( 自然科學版), 2005, (11)．

[7] 張興旺. 發電機殘壓起勵的研究與實現[J]. 電機電器技術, 2003, (2).

[8] 王德寬. IEC61850及數字化水電廠的概念與前景[J]. 水電站機電技術,2010,33(3).

[9] 薛林峰,等. IEC61850 通信在勵磁系統中的應用[C]. 發電機勵磁系統學術年會, 2012.

Analysis of Excitation Control System of Fengman Hydro-power Station

MENG Fanxin1, WANG Zhenyu1, ZHANG Lei1, SONG MingYu1, LIU Zhimin2

(1. Fengman Dam Reconstruction and Project Construction Bureau, Jilin 132108, China;2. Guangzhou Kinte Industrial Co., Ltd., Guangzhou 510860, China)

Combined with the design and type selection of the excitation system of Fengman hydro-power station, this paper introduced various advanced technologies and features of the fully intelligent excitation system in Fengman hydro-power station, such as CPU structure, optical fiber pulse transmission technology, residual voltage starting up technology, intelligent current sharing technology etc. Regarding the IEC61850 communication between the excitation and monitoring system of the intelligent hydro-power station, it puts forward a new design and provided a new thought for the design of the intelligent hydro-power station.

CPU+FPGA; 1+redundancy system; optical fiber;intelligent current; residual pressure; IEC61850

TM621.6

A

1000-3983(2017)06-0071-03

2016-11-06

孟繁欣（1978-），2001年6月畢業于武漢大學電子信息學院測控技術及儀器專業，現從事水電自動控制專業技術研究工作，高級工程師。