基于PLC冗余控制的微機勵磁調節控制系統設計

周 濤，李兼伐，劉電波，季 銳，陳炳森，劉奇波

（1.廣西水利電力職業技術學院， 南寧 530023；2.南寧精能發電設備有限公司， 南寧 530033）

0 引言

水輪發電機勵磁系統是水電站自動化控制系統的重要組成部分，通過調節控制進入發電機轉子的勵磁電流，實現對發電機端電壓、輸出無功功率及發電機功率因數的調節控制。優良的勵磁系統可以維持發電機端電壓穩定，實現并網運行發電機間無功功率合理分配[1]，還可提高電力系統運行的穩定性。

現代水輪發電機勵磁系統大多采用自并勵工作方式，勵磁主電源取自發電機出口，經勵磁變降壓、晶閘管可控整流，再經勵磁開關后送至發電機轉子線圈，從而實現對發電機工作磁場的調節控制[2]。隨著計算控制技術的發展，現代水輪發電機勵磁系統均已采用計算機作為控制器，通過檢測發電機端電壓和輸出電流、發電機出口斷路器位置信號、勵磁操作控制信號以及相關設備位置及控制信號，經PID調節運算后，形成對主回路晶閘管的同步觸發控制信號，實現對發電機勵磁電流的調節控制。

中小型水輪發電機組單機容量小，受單位成本限制，發電機勵磁調節裝置多采用單片機或PLC作為控制器。相比單片機，PLC 具有優異的工業過程控制性能，不僅能完成邏輯控制，而且還集成了PID控制功能，具備復雜算術運算和數據處理能力，其出色的可靠性和穩定性，便捷的網絡組態應用，簡單的編程調試方法，使其在中小型水電站水輪發電機組自動控制、水輪機調速器和發電機勵磁調節控制中得到廣泛應用。

PLC 雖然具有較高的可靠性和穩定性，但單CPU 的PLC 控制系統仍然存在CPU 內部故障導致系統意外停機，引發機組事故的重大風險，無法滿足智能化水電站建設對控制系統高可靠性的要求。

為解決單CPU 的PLC 勵磁調節控制系統存在可靠性問題，采用西門子S7-1500R 系列具有冗余功能的PLC設計了水輪發電機勵磁調節控制系統。

1 微機勵磁調節控制系統硬件設計

1.1 勵磁調節控制系統電氣主回路設計

圖1虛線框內為發電機勵磁系統電氣主回路設備。發電機采用自并勵工作方式，機端輸出的交流電經勵磁變高壓側隔離開關QS1、熔斷器FU1～FU3、勵磁變TSH、勵磁變低壓側隔離開關QS5、主 回 路 快 速 熔 斷 器F10～FU12、晶 閘 管VS1～VS6進行三相全橋可控整流后，再經勵磁開關QFM送至發電機轉子勵磁線圈，從而形成發電機工作所需要的可調節磁場。為保證發電機殘壓（發電機利用轉子磁極剩磁建立起來的電壓，簡稱“殘壓”）不足時能實現機組自動開機建壓，設計了一路由站用DC220V系統來的直流電源作為發電機外部起勵電源，經斷路器QF1、限流電阻R7、接觸器KM1、勵磁開關QFM給發電機勵磁線圈通入起勵直流電，增強發電機建壓所需要的初始磁場。當發電機自并勵建壓成功后，即可跳開接觸器KM1，斷開外部起勵電源[3]。圖1 中VD1 二極管用于防止發電機起勵建壓后，其脈動直流電反向影響到站用直流系統。

圖1 勵磁調節控制系統電氣主回路原理圖

通常情況下，發電機采用逆變滅磁方式，停機時并不跳開QFM，而是通過控制VS1～VS6進入逆變工作狀態，將發電機轉子勵磁線圈的能量逆變至勵磁變和發電機定子繞組的方式實現滅磁。當發電機發生嚴重事故，保護動作迅速跳開QFM，此時，發電機轉子勵磁線圈的能量通過QFM 常閉觸點和滅磁電阻RFD 實現滅磁。此外，發電機還設置了由RV1～RV7組成的勵磁回路過壓保護，由勵磁電壓表PV1、勵磁電流表PA1 以及勵磁電壓變送器BV、勵磁電流變送器BA組成的勵磁測量變送回路。

1.2 勵磁調節控制系統設計

以PLC 作為控制器的發電機勵磁控制系統如圖2 所示。除前述勵磁電氣主回路外，還包括了PLC 勵磁調節控制系統及其輸入輸出回路、與上位機通信回路、發電機電量測量轉換回路、晶閘管控制的同步及移相脈沖回路、PLC 輸出至晶閘管的控制脈沖輸出回路和勵磁控制系統雙電源自動切換回路等。

圖2 發電機PLC勵磁控制系統示意圖

為測量發電機輸出電壓及獲得晶閘管控制所需的同步信號，發電機勵磁系統需要配置發電機出口端電壓互感器TV，將發電機輸出的高電壓按變比轉換成0～100V電壓輸入至勵磁系統。為避免發電機工作過程TV 及其回路故障，引起至勵磁系統的電壓突然消失或缺相，造成勵磁系統誤動作，在發電機出口端配置了TV1、TV2兩組電壓互感器，TV1向勵磁系統提供發電機測量電壓，TV2 向勵磁系統提供晶閘管同步移相控制的基準電壓。勵磁調節控制系統以TV2提供的電壓信號過零時為基準，加上勵磁調節控制系統PID運算所得的導通控制角和勵磁變Dy11接線形成的偏移角，最后形成勵磁主回路各晶閘管的觸發控制脈沖信號經隔離放大后輸出至各晶閘管控制極，從而實現對晶閘管的調節控制。如在發電機工作過程中，突然檢測兩個TV 輸出電壓不一樣并有一個TV 輸出電壓發生突變，可判定為TV回路故障，不再將具有故障的TV輸出電壓作為調節控制依據，以免發生誤動而造成事故。

此外，為了測量發電機工作時所輸出的無功功率及功率因數，配置發電機出口端電流互感器TA，將發電機輸出的大電流按變比轉換成0～5A的電流再輸入至勵磁系統電量測量回路，通過電壓、電流的測量，可計算出發電機輸出的無功功率及功率因數。為提升發電機開機并網效率，配置了電網端的電壓互感器TV3，當發電機已起勵建壓且發電機出口斷路器QF 未合上時，勵磁調節控制系統以TV3輸出的電壓為發電機電壓調節給定值，自動調節控制發電機輸出電壓，快速跟蹤電網電壓變化，保持QF兩端電壓達到或接近同期并列的要求，從而提高發電機開機并網速度，提升效率。一旦發電機并網成功，QF 處于合位，QF 兩端電壓相等，此時勵磁調節控制系統退出自動跟蹤電網電壓狀態，并以額定電壓作為給定值進行勵磁調節控制。

為保證勵磁控制系統工作電源的可靠性，配置了AC220V 和DC220V 兩路電源，并在內部設置了雙電源自動切換電路，正常工作時以AC220V 電源為主，當AC220V 電源電壓下降至200V 及以下時，自動切換至DC220V電源工作。電源切換過程對勵磁控制系統供電不中斷，不影響系統的正常工作。

1.3 勵磁調節控制系統PLC冗余應用設計

水輪發電機勵磁調節控制系統輸入輸出信號不多，控制計算以PID運算為主，處理的數據量不大，在滿足智能化水電站對發電機勵磁調節控制器可靠性和調節計算性能基礎上，選用經濟性較好的西門子S7-1500R 系列PLC 來組建具有冗余功能的發電機勵磁調節控制器（如圖3所示），設備清單見表1。

表1 基于CPU 1513R-1 PN的勵磁調節控制器設備清單

圖3 基于CPU 1513R-1 PN的勵磁調節控制器

圖3中，PC為水輪發電機組控制用的上位計算機，通過交換機與發電機勵磁調節控制器進行以太網通信。Panel為西門子觸摸屏，用于勵磁系統的人機交互及參數設定。ET200SP是一個可擴展分布式I/O系統，通過現場總線將4個I/O接口模塊，共8路模擬量輸入（8AI）、4 路模擬量輸出（4AQ）、16 路開關量輸入（16DI）、16 路開關量輸出（16DQ）信號與CPU連接并處理。I/O模塊基座單元用于安裝4個I/O接口模塊，電源模塊用于給CPU、ET200SP、XC208等提供24VDC工作電源。

勵磁控制冗余系統內配置2 臺相同的CPU（內配4M存儲卡，每個CPU均設有[X1,P1]和[X1,P2]2個以太網接口），工作時一個CPU將執行控制角色（主CPU，輸出控制信號），另一個CPU 將作為跟隨CPU（備用CPU，在工作但不輸出控制信號），如果主CPU突然發生故障中斷工作，則備用CPU將在中斷處作為新的主CPU立即輸出控制信號，繼續過程控制。為在冗余PLC 主備之間實現組態、程序、數據同步及CPU 故障快速切換，必須將系統中2 臺PLC安裝在支持MRP功能的PROFINT環網中，如圖3使用網線將2臺PLC的[X1,P2]連接起來，此外，還得使用具有MRP 冗余環網功能的XC208 工業以太網交換機，按圖3 接線將PLC、IO 接口、觸摸屏及上位機連接起來。兩臺CPU 通過MRP 冗余環網共享分布式I/O系統。

1.4 勵磁調節控制系統PLC的I/O設計

發電機勵磁調節控制系統PLC的I/O信號設計見表2，分別占用開關量輸入模塊的I0.0～I1.5接口，開關量輸出模塊的Q0.0～Q0.5 接口，模擬量輸入的AIW0～AIW10通道，模擬量輸出的AQW0通道。

表2 勵磁調節控制系統PLCI/O分配表

2 微機勵磁調節控制系統軟件設計

勵磁調節控制軟件包括主程序、初始化子程序、循環中斷服務子程序（PID 運算）及相關控制與故障處理等子程序，勵磁調節控制主要流程見圖4。

圖4 勵磁調節控制主要流程

主程序首先對系統進行初始化，檢測是否存在系統故障，寫入相關初始值，判斷運行操作模式，打開定時循環中斷用于調用勵磁調節PID 運算，之后進入循環執行機組勵磁狀態判別、故障檢測、終端顯示、人機接口命令的流程。

機組勵磁狀態判別首先判斷是否有停機令或開機令。如是開機令，還需等待發電機起勵建壓指令并且機組轉速達到95%額定轉速時才會執行起勵建壓命令；其次判斷機組是否是負載狀態，否則執行開機前設置命令。機組負載狀態是以發電機出口斷路器QF 為合位且發電機電流大于3%額定電流為判據，為避免斷路器QF 位置輔助觸點故障誤發信號，當發電機電壓大于80%額定電壓且發電機電流大于10%額定電流時，可判定機組處于帶負載運行態。

勵磁故障檢測主要檢測并判斷是否出現TV斷線故障、晶閘管觸發控制脈沖故障、勵磁電源故障、晶閘管觸發脈沖同步信號故障。通過對比圖2 中TV1、TV2 的電壓可判斷是否發生了TV 斷線故障，以避免勵磁調節控制誤動作。

在勵磁控制調節程序中，只要機組在正常帶負載運行狀態，即在每一次定時循環中斷中調用電壓調節計算子程序，通過電量采樣測量發電機電壓U和電流I，計算發電機有功功率P 和無功功率Q，進行調差計算并利用PLC 內部集成且具有抗積分飽和的PID控制器（可避免積分項無限增長，提高系統響應速度和穩定性）進行PID運算，計算出晶閘管的控制角，與同步信號合成后，經過控制脈沖輸出回路實現對圖1 中晶閘管VS1～VS6 的控制，從而實現對發電機勵磁的調節控制。

3 結語

采用具備冗余功能的西門子S7-1500R 系列PLC 設計了中小型水輪發電機組勵磁調節控制系統，利用PLC雙CPU冗余配置及調節控制無擾動自動切換功能，全面提升了勵磁調節控制器的可靠性，有效解決了單CPU的PLC控制器“死機”故障可能引起的發電機失控嚴重事故。設計已經過樣機試驗，各項調節性能指標達到了中小型發電機勵磁系統的技術要求。