抽水蓄能機(jī)組勵磁系統(tǒng)測試軟件的實(shí)現(xiàn)

姜 濤，鄭堯山，徐東海，魏盛夏子

（1.安徽響水澗抽水蓄能有限公司，安徽省蕪湖市 241000；2.國電南瑞科技股份有限公司，江蘇省南京市 210032）

0 引言

大型蓄能電站具備調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、事故備用和蓄洪補(bǔ)枯等多種用途，而且運(yùn)行靈活、反應(yīng)迅速。與常規(guī)水電機(jī)組相比，抽水蓄能機(jī)組工況復(fù)雜，且抽水蓄能機(jī)組起停頻繁，起停過程相關(guān)的設(shè)備較多，因此勵磁系統(tǒng)的安全性越來越顯得特別重要。在靜態(tài)調(diào)試試驗(yàn)以及機(jī)組大修試驗(yàn)等階段，需要對抽蓄勵磁系統(tǒng)進(jìn)行總體、全面的檢驗(yàn)試驗(yàn)，確保在抽蓄機(jī)組運(yùn)行期間勵磁系統(tǒng)能完成其應(yīng)有的作用。目前勵磁系統(tǒng)試驗(yàn)時，通常采用人機(jī)界面操作勵磁調(diào)節(jié)器完成相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)操作復(fù)雜，對試驗(yàn)人員的專業(yè)要求很高。試驗(yàn)過程中，需要根據(jù)不同的試驗(yàn)項(xiàng)目外接不同的試驗(yàn)接線，需要按照步驟流程操作，試驗(yàn)過程中需要記錄數(shù)據(jù)、錄制波形，容易遺漏步驟或者數(shù)據(jù)，完成后需要撰寫試驗(yàn)報告。這些都難以滿足抽水蓄能電站的需要。因此，有必要對勵磁測試系統(tǒng)軟件做研究，以期簡化試驗(yàn)操作，提高勵磁測試系統(tǒng)軟件的智能化程度，提高抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

1 勵磁測試的試驗(yàn)項(xiàng)目

勵磁系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)一般將試驗(yàn)分為型式試驗(yàn)、出廠試驗(yàn)、交接試驗(yàn)和大修試驗(yàn)幾個階段。勵磁測試系統(tǒng)的軟件主要應(yīng)用于大修試驗(yàn)的階段。大修試驗(yàn)是一種運(yùn)行維護(hù)范圍內(nèi)的試驗(yàn)，也稱預(yù)防性試驗(yàn)和定期試驗(yàn)。大修試驗(yàn)對一般性能以及更改和消除缺陷的部分進(jìn)行檢查。一些實(shí)際運(yùn)行期間未表現(xiàn)，但是有可能在非正常運(yùn)行時表現(xiàn)的勵磁系統(tǒng)功能和參數(shù)也需要在大修試驗(yàn)階段進(jìn)行檢查[1]。大修試驗(yàn)與勵磁調(diào)節(jié)器操作相關(guān)的重要的試驗(yàn)有如下幾個試驗(yàn)：

1.1 小電流試驗(yàn)

勵磁系統(tǒng)小電流試驗(yàn)是勵磁系統(tǒng)靜態(tài)試驗(yàn)的重要試驗(yàn)項(xiàng)目之一，試驗(yàn)方式是在整流柜的陽極輸入側(cè)外加交流電壓，直流輸出接電阻負(fù)載，調(diào)整觸發(fā)角，觀察和記錄負(fù)載電壓波形和幅值。試驗(yàn)的目的是創(chuàng)造一個模擬的環(huán)境，驗(yàn)證勵磁調(diào)節(jié)器控制功能、脈沖觸發(fā)功能、功率柜晶閘管功能的完好性。

1.2 模擬量校驗(yàn)

模擬量校驗(yàn)的試驗(yàn)方式是，用三相保護(hù)校驗(yàn)儀給調(diào)節(jié)器送入電壓電流，模擬發(fā)電機(jī)勵磁專用PT、儀用PT、系統(tǒng)PT、發(fā)電機(jī)定子CT、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子CT、同步變壓器二次側(cè)輸入，調(diào)整調(diào)節(jié)器各個模擬量的采樣系數(shù)，使調(diào)節(jié)器測量的模擬量精度滿足要求。試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證勵磁調(diào)節(jié)器各個模擬量采樣通道的功能完好性。

1.3 功能模擬

功能模擬的試驗(yàn)方式是，用三相保護(hù)校驗(yàn)儀給調(diào)節(jié)器送入電壓電流，模擬發(fā)電機(jī)勵磁專用PT、儀用PT、發(fā)電機(jī)定子CT、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子CT、同步變壓器二次側(cè)輸入，模擬可能出現(xiàn)的工況，檢驗(yàn)勵磁調(diào)節(jié)器控制功能是否工作正常。

1.4 開機(jī)試驗(yàn)

開機(jī)試驗(yàn)包括零起升壓試驗(yàn)和短路升流試驗(yàn)，試驗(yàn)方式是設(shè)置調(diào)節(jié)器至合適的工作方式，設(shè)置調(diào)節(jié)器參數(shù)，勵磁調(diào)節(jié)器開機(jī)，逐漸増磁，使發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓或者定子電流逐漸升高至試驗(yàn)值。開機(jī)試驗(yàn)是發(fā)電機(jī)本體試驗(yàn)，并非考驗(yàn)調(diào)節(jié)器的性能。

2 勵磁測試系統(tǒng)框架

2.1 硬件結(jié)構(gòu)

勵磁測試系統(tǒng)充分利用勵磁調(diào)節(jié)器柜內(nèi)現(xiàn)有的硬件設(shè)備，相關(guān)的設(shè)備有：勵磁調(diào)節(jié)器裝置、交換機(jī)、工控機(jī)。勵磁調(diào)節(jié)器型號是NES6100，硬件方面：獨(dú)立的32路采樣通道，并配有獨(dú)立的勵磁電壓測量通道。電氣量采樣速度快，抗干擾能力強(qiáng)，硬件結(jié)構(gòu)簡單。另配有4路試驗(yàn)通道，可配置為±5V或 4～20mA的模擬量采集，應(yīng)用于轉(zhuǎn)子電流直采和噪聲信號的采集。具有4路D/A輸出，可通過軟件配置為±5V、±10V或 4～20mA輸出。工控機(jī)采用TPC-1250，鋁鎂外殼緊湊設(shè)計(jì)，帶有觸摸屏，適合安裝在調(diào)節(jié)器柜中。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)圖Fig．1 Hardware structure diagram

2.2 軟件結(jié)構(gòu)

軟件組成包括3個方面：通用系統(tǒng)程序、勵磁應(yīng)用程序以及人機(jī)交互程序。

通用系統(tǒng)程序包括以管理監(jiān)視為方向的功能，PPC管理、監(jiān)視裝置所有插件的運(yùn)行，使裝置管理功能通用，具備適應(yīng)不同應(yīng)用的通用性，基于該部分軟件平臺運(yùn)行的CPU間以CAN進(jìn)行通信，每個CPU均有系統(tǒng)程序支持應(yīng)用運(yùn)行，該部分軟件平臺稱之為通用系統(tǒng)程序；通用系統(tǒng)程序完成了勵磁調(diào)節(jié)器的任務(wù)管理、SOE事件記錄、參數(shù)管理、錄波、對外MODBUS、IEC61850或IEC103通信、LCD屏管理、開關(guān)量組態(tài)、GPS對時等功能。

勵磁應(yīng)用程序包括兩個部分：AD采樣程序和控制調(diào)節(jié)程序。AD采樣程序運(yùn)行周期短，每238μs運(yùn)行一次，實(shí)現(xiàn)對勵磁系統(tǒng)相關(guān)模擬量的快速采集。控制調(diào)節(jié)程序放置于1.6ms中斷中，完成所有的勵磁控制調(diào)節(jié)功能，確保了控制調(diào)節(jié)的快速和精度。

人機(jī)交互程序運(yùn)行于工控機(jī)。人機(jī)交互程序的功能需要包括電廠的勵磁系統(tǒng)常規(guī)試驗(yàn)，如小電流試驗(yàn)、模擬量校驗(yàn)、功能模擬、零起升壓、短路升流等。人機(jī)交互程序分為兩個部分，一是與勵磁調(diào)節(jié)器的通信程序，負(fù)責(zé)讀取模擬量、開關(guān)量、讀寫參數(shù)、上傳波形等功能；二是軟件界面，顯示信息并接收操作命令。人機(jī)交互程序采用的開發(fā)環(huán)境是Qt。Qt是一個跨平臺C++圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架。Qt是面向?qū)ο蟮目蚣埽褂锰厥獾脑獙ο缶幾g器（Meta Object Compiler，MOC）以及一些宏，易于擴(kuò)展，允許組件編程。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立藝術(shù)級的圖形用戶界面所需的所有功能。Qt具有面向?qū)ο蟮奶匦裕琎t的良好封裝機(jī)制使得Qt的模塊化程度非常高，可重用性較好，對于用戶開發(fā)來說是非常方便的。Qt提供了一種稱為“信號（signals）”和“槽（slots）”的機(jī)制，這使得各個元件之間的協(xié)同工作變得十分簡單[2-4]。軟件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3 軟件功能設(shè)計(jì)

3.1 小電流試驗(yàn)

小電流試驗(yàn)軟件的功能按照試驗(yàn)的步驟設(shè)計(jì)：

（1）開始試驗(yàn)，將勵磁調(diào)節(jié)器的控制方式切換至定角度控制模式，即開環(huán)控制模式。

圖2 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig．2 Software structure diagram

（2）設(shè)置觸發(fā)角，將調(diào)節(jié)器的觸發(fā)角度調(diào)整至設(shè)置值。

（3）設(shè)置補(bǔ)償角，軟件根據(jù)輸入的負(fù)載電壓，提示補(bǔ)償角度。

（4）試驗(yàn)和記錄，改變設(shè)置的觸發(fā)角度進(jìn)行多次試驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)。

（5）結(jié)束試驗(yàn)，將勵磁調(diào)節(jié)器的控制方式切換至電壓閉環(huán)模式。

小電流試驗(yàn)軟件的關(guān)鍵點(diǎn)有：

（1）軟件采用試驗(yàn)向?qū)У姆绞剑苊庠囼?yàn)步驟的順序被人為顛倒，消除誤操作的可能性。

（2）采用開始試驗(yàn)和結(jié)束試驗(yàn)的方式切換調(diào)節(jié)器的控制模式，使軟件功能人性化，不需要人工思考選擇控制模式。

（3）使調(diào)節(jié)器的觸發(fā)角度可以設(shè)置，簡化人工手動增磁和減磁的操作，提高試驗(yàn)的效率。

（4）軟件根據(jù)輸入的負(fù)載電壓，計(jì)算并提示補(bǔ)償角度，減少人工計(jì)算補(bǔ)償角的工作量。

3.2 模擬量校驗(yàn)

模擬量校驗(yàn)軟件的功能有：

（1）模擬量顯示，顯示各個模擬量的采樣值、百分值和一次值。

（2）采樣系數(shù)的顯示和修改，顯示各個模擬量的采樣系數(shù)并可以修改。

（3）采樣系數(shù)的計(jì)算，軟件根據(jù)輸入的期望值計(jì)算采樣系數(shù)。

模擬量校驗(yàn)軟件的關(guān)鍵點(diǎn)有：

（1）校驗(yàn)量可以選擇，保護(hù)校驗(yàn)儀模擬量通道有限，通常一次只校驗(yàn)一種或兩種模擬量。

（2）采樣系數(shù)的計(jì)算，軟件可以根據(jù)輸入的期望值，自動計(jì)算采樣系數(shù)，減少人工計(jì)算采樣系數(shù)的工作量。

（3）采樣系數(shù)的容錯，當(dāng)采樣系數(shù)超出正常范圍時，軟件需要容錯功能。

3.3 功能模擬

功能模擬軟件的功能有：

（1）PT斷線，模擬勵磁調(diào)節(jié)器PT回路斷線的情況，包含單PT斷線和雙PT斷線。

（2）V/Hz限制，模擬發(fā)電機(jī)電壓升高或者頻率減低發(fā)生V/Hz限制的情況。

（3）過欠勵限制，模擬發(fā)電機(jī)無功出現(xiàn)過大或者過小的情況。

（4）強(qiáng)勵反時限限制，模擬發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流長時間過大的情況。

功能模擬軟件的關(guān)鍵點(diǎn)有：

（1）各個工況的模擬提示，選擇模擬不同的功能時，顯示不同的試驗(yàn)提示。

（2）過欠勵限制曲線的顯示，軟件要顯示功率圓，可以在功率圓上功率運(yùn)行點(diǎn)和過欠勵曲線，方便試驗(yàn)。

3.4 開機(jī)試驗(yàn)

開機(jī)試驗(yàn)的功能有：

（1）零起升壓試驗(yàn)，退出勵磁系統(tǒng)軟起勵功能，并且將電壓給定降低至空載電壓給定最小值。

（2）短路升流試驗(yàn)，切換至定角度模式并且軟壓板短路升流使能置1。

開機(jī)試驗(yàn)軟件的關(guān)鍵點(diǎn)有：

（1）軟件功能的人性化，一鍵式設(shè)置，即按一個按鈕，軟件同時處理多個任務(wù)，將調(diào)節(jié)器切換至需要的狀態(tài)。

（2）試驗(yàn)結(jié)束的恢復(fù)，試驗(yàn)后點(diǎn)擊結(jié)束試驗(yàn)按鈕，將調(diào)節(jié)器切換至正常待機(jī)狀態(tài)，必須滿足下一次正常開機(jī)的條件。

4 軟件實(shí)現(xiàn)

根據(jù)軟件的功能設(shè)計(jì)，在Qt框架下開發(fā)出勵磁測試系統(tǒng)軟件。軟件運(yùn)行在工控機(jī)上，與勵磁調(diào)節(jié)器裝置通過網(wǎng)絡(luò)通信。

小電流試驗(yàn)軟件的界面如圖3所示。軟件界面中可以顯示小電流試驗(yàn)的接線原理圖和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便試驗(yàn)過程中查看信息。軟件操作步驟分為五步，采用試驗(yàn)向?qū)У姆绞剑乖囼?yàn)變得簡單，并且消除了誤操作的可能性。開始試驗(yàn)和結(jié)束試驗(yàn)，只需點(diǎn)擊按鈕，即可完成切換調(diào)節(jié)器的控制模式，使軟件功能人性化。試驗(yàn)中觸發(fā)角度采用設(shè)置值的方式改變，避免了手動增減磁操作，提高了試驗(yàn)效率。可以在界面記錄數(shù)據(jù)，方便后續(xù)軟件生產(chǎn)報告。

圖3 小電流試驗(yàn)界面Fig．3 Small current test interface

模擬量校驗(yàn)軟件的界面如圖4所示。模擬量校驗(yàn)軟件的分為五步：選擇模擬量、設(shè)置期望值、計(jì)算參數(shù)、下載參數(shù)和記錄數(shù)據(jù)。

圖4 模擬量校驗(yàn)界面Fig．4 Analog calibration interface

功能模擬軟件的界面如圖5所示。功能模擬中過欠勵限制功能的頁面可以顯示曲線，修改參數(shù)。

零起升壓的界面如圖6所示。

短路升流的界面如圖7所示。

5 與常規(guī)試驗(yàn)對比

測試軟件簡化了試驗(yàn)步驟，與常規(guī)試驗(yàn)相比減少了人工工作量。

圖5 功能模擬界面Fig．5 Functional simulation interface

圖6 零起升壓界面Fig．6 Zero lifting pressure interface

圖7 短路升流界面Fig．7 Short circuit upflow interface

以模擬量校驗(yàn)試驗(yàn)功能為例，使用測試軟件時，調(diào)試人員只需要按順序用按鈕操作三步：設(shè)置期望值、計(jì)算參數(shù)、下載參數(shù)。調(diào)試人員只需要手動輸入期望值數(shù)據(jù)1個，并點(diǎn)擊按鈕2次即可完成。

如果采用常規(guī)試驗(yàn)方式，步驟是：人工查看相關(guān)數(shù)據(jù)、人工計(jì)算參數(shù)，設(shè)置參數(shù)，下載參數(shù)。調(diào)試人員需要觀察當(dāng)前采樣值、當(dāng)前采樣系數(shù)和保護(hù)校驗(yàn)儀值，并根據(jù)3個數(shù)據(jù)量人工計(jì)算新的采樣系數(shù)，計(jì)算完成后，將新的采樣系數(shù)手動輸入并下發(fā)，再次檢查確認(rèn)。

以機(jī)端電壓三相校驗(yàn)為例，對兩套調(diào)節(jié)器試驗(yàn)，總共需要校驗(yàn)6個數(shù)據(jù)量，不采用測試軟件，人工需要查看18個數(shù)據(jù)量，計(jì)算6次，手動輸入6次新的采樣系數(shù)。采用測試軟件，人工需要查看3個數(shù)據(jù)量，手動輸入1個數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊兩次按鈕即可。

6 結(jié)束語

根據(jù)勵磁試驗(yàn)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了勵磁測試系統(tǒng)軟件的功能。在Qt框架下開發(fā)了勵磁測試系統(tǒng)軟件，實(shí)現(xiàn)了軟件的功能。勵磁測試系統(tǒng)軟件的應(yīng)用，可以簡化試驗(yàn)操作，防止試驗(yàn)中的誤操作，大幅降低勵磁現(xiàn)場試驗(yàn)的復(fù)雜程度，提高勵磁測試系統(tǒng)軟件的智能化程度。提高抽水蓄能電站勵磁系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

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