李永忠，李福龍，李小軍，徐玉滔，李松

（1.貴州電力試驗研究院，貴陽 550000；2.北京四方繼保自動化股份有限公司，北京 100094）

0 引言

目前，我國電網(wǎng)已進入超高壓、遠距離、大容量、大機組、交直流混合互聯(lián)電網(wǎng)的新階段，發(fā)電機組運行狀態(tài)決定著電網(wǎng)是否能夠安全、穩(wěn)定運行，而發(fā)電機勵磁系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有著重要影響。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)遠程監(jiān)測診斷應(yīng)用研究內(nèi)容為：建立發(fā)電廠勵磁系統(tǒng)故障診斷模型，建立系統(tǒng)指標評價模型，分析機網(wǎng)特性相互耦合性，建立相應(yīng)的評估系統(tǒng)和專家決策系統(tǒng)；以設(shè)備在線監(jiān)測為手段，搭建涉網(wǎng)設(shè)備的預(yù)警監(jiān)測平臺，遠程對涉網(wǎng)設(shè)備運行狀況進行實時監(jiān)測，及時發(fā)現(xiàn)影響電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行的因素，對電源側(cè)引起的低頻振蕩發(fā)出提示并進行抑制或切除，保證電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行；對系統(tǒng)參數(shù)進行記錄，方便進行事故分析，通過系統(tǒng)研究總結(jié)出反事故措施并提出技術(shù)管理規(guī)范［1］。

1 遠程監(jiān)測診斷系統(tǒng)

在電廠側(cè)電子間部署CSC-800M分布式數(shù)據(jù)采集與通信管理機，獲取火電廠分散控制系統(tǒng)（DCS）或水電站監(jiān)控系統(tǒng)中勵磁相關(guān)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)給CSC-850勵磁系統(tǒng)遠程監(jiān)測診斷裝置；對存儲后的勵磁數(shù)據(jù)進行分析、計算，判斷故障現(xiàn)象、類型并錄波，將錄波數(shù)據(jù)加時標后發(fā)送給部署在集控室的站端展示工作站，進行站端的分析、計算及顯示。發(fā)電機勵磁系統(tǒng)監(jiān)測診斷系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

發(fā)電機勵磁系統(tǒng)遠程監(jiān)測診斷應(yīng)用研究共分5個模塊：發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與評估功能模塊；勵磁系統(tǒng)異常和故障類型的統(tǒng)計評價功能模塊；調(diào)節(jié)器比例-積分-微分（PID）性能監(jiān)測評價功能模塊；調(diào)節(jié)器電力系統(tǒng)穩(wěn)定器（PSS）抑制低頻振蕩能力的監(jiān)測評價功能模塊；勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部限制與保護定值的監(jiān)測評價功能模塊。

CSC-850發(fā)電機勵磁系統(tǒng)監(jiān)測診斷裝置對電廠電壓互感器（PT）、電流互感器（CT）等模擬量直接采樣，對采集的原始數(shù)據(jù)中的模擬量進行有效值計算，計算機端電壓、機端電流、勵磁電壓、勵磁電流、有功功率及無功功率的標幺值，并對模擬量進行異常數(shù)據(jù)的判別和剔除，如圖2所示。

根據(jù)CSC-850的板卡采集的數(shù)值，計算機端電壓Ut、儀表電壓（勵磁變壓器高壓側(cè)電壓）U1、陽極電壓（勵磁變壓器低壓側(cè)電壓）Usync、機端電流（定子電流）It、勵磁變壓器低壓側(cè)電流I2、發(fā)電機頻率fr、發(fā)電機有功功率Pe、發(fā)電機無功功率Qe、勵磁電壓Ud、勵磁電流Id、功角和發(fā)電機角速度，供5個高級應(yīng)用模塊使用。

圖2 異常數(shù)據(jù)的判別和剔除

1.1 發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測與評估功能模塊

以CSC-850勵磁系統(tǒng)遠程監(jiān)測診斷裝置預(yù)處理的I／O板卡采集數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，依據(jù)預(yù)設(shè)定的分析評估規(guī)則對電廠發(fā)電機組相關(guān)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測（如圖3所示），在高級應(yīng)用展示工作站實時顯示監(jiān)測數(shù)據(jù)及波形。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)判斷發(fā)電機運行狀態(tài)是否正常，若出現(xiàn)非正?，F(xiàn)象則進行報警／越限、錄波，同時將錄波文件上送站端，進行高級應(yīng)用分析。

圖3 發(fā)電機狀態(tài)監(jiān)測評估規(guī)則

1.2 勵磁系統(tǒng)異常和故障類型的統(tǒng)計評價功能模塊

基于CSC-850發(fā)電機勵磁系統(tǒng)監(jiān)測診斷裝置從現(xiàn)場傳感器直接采集的勵磁相關(guān)數(shù)據(jù)，建立電廠機組勵磁系統(tǒng)的遠程監(jiān)測和診斷系統(tǒng)。通過判斷DCS及CSC-850分析得到的開關(guān)量、報警量和過電壓吸收情況等，當(dāng)機組勵磁系統(tǒng)出現(xiàn)故障、告警等非正常運行現(xiàn)象（勵磁系統(tǒng)有開關(guān)量報警變位）時，對勵磁系統(tǒng)的故障類型進行打分處理，并能自動將異常時的重要模擬量和主要開關(guān)量進行錄波，形成錄波文件。在高級應(yīng)用展示工作站實時顯示評分及評估結(jié)果，并通過短信的方式告知相關(guān)技術(shù)人員。如果勵磁系統(tǒng)的狀態(tài)評估分數(shù)高于設(shè)置的分數(shù)，則在高級應(yīng)用展示工作站發(fā)出“勵磁系統(tǒng)存在異常，必須檢修”的提示信息；如均低于設(shè)置的分數(shù)，則分數(shù)較高的優(yōu)先安排檢修。勵磁系統(tǒng)狀態(tài)評估分數(shù)見表1。

表1 勵磁系統(tǒng)狀態(tài)評估分數(shù)

1.3 調(diào)節(jié)器PID性能監(jiān)測評價功能模塊

在CSC-850發(fā)電機勵磁系統(tǒng)監(jiān)測診斷裝置中建立各勵磁廠家的調(diào)節(jié)器PID控制模型及控制參數(shù)知識庫，目前，貴州電網(wǎng)所采用的勵磁調(diào)節(jié)器型號包括：廣州電器科學(xué)研究院EXC 9000，ABB公司unitrol 5000／unitrol 6000，南京南瑞集團公司電氣控制分公司NES 5100及北京四方繼保自動化股份有限公司GEC-300系列。通過選擇PID模型及控制方式，可得到勵磁調(diào)節(jié)器PID的傳遞函數(shù)。當(dāng)勵磁系統(tǒng)在自動狀態(tài)時，將CSC-850發(fā)電機勵磁系統(tǒng)監(jiān)測診斷裝置采集的機端電壓Ut與給定電壓Ur代入PID傳遞函數(shù)中，可計算得到勵磁調(diào)節(jié)器（AVR）輸出控制電壓Uc1；同時，通過采集的勵磁電壓Ud與交流陽極電壓Uab可反算出控制電壓Uc2，公式如下

式中：k為系數(shù)。

Uc1與 Uc2相差10%以上，說明勵磁調(diào)節(jié)器的PID性能達不到要求，需對其進行錄波分析；相差10%以下，證明調(diào)節(jié)器的PID性能良好。調(diào)節(jié)器PID性能判斷規(guī)則如圖4所示（圖中：U2為發(fā)電機空載時可控硅的陽極電壓；Ud0為發(fā)電機空載勵磁電壓；α為可控硅觸發(fā)角）。

1.4 調(diào)節(jié)器PSS抑制低頻振蕩能力的監(jiān)測評價功能模塊

在CSC-850發(fā)電機勵磁系統(tǒng)監(jiān)測診斷裝置中建立PSS模型及控制參數(shù)知識庫，PSS模型劃分為PSS1A（單輸入），PSS2A（雙輸入），PSS2B（雙輸入）和PSS4B（多頻段），根據(jù)實際控制方式選擇其PSS模型［2］。通過CSC-850發(fā)電機勵磁系統(tǒng)監(jiān)測診斷裝置從現(xiàn)場傳感器直接采集勵磁相關(guān)數(shù)據(jù)以及接收與DCS通信得到的勵磁相關(guān)數(shù)據(jù)，可計算得到PSS輸出量Urpss，當(dāng)Urpss大于設(shè)定值時，錄制發(fā)電機有功功率的波形，上傳到子站計算發(fā)電機有功功率振蕩曲線的阻尼比，與子站中無PSS時相同頻率下的低頻振蕩阻尼比相比較，若投PSS算得擾動響應(yīng)曲線的阻尼比大于無PSS時的阻尼比，則PSS對抑制低頻振蕩有顯著效果。調(diào)節(jié)器PSS抑制低頻振蕩能力判斷規(guī)則如圖5所示。此功能對于評價PSS的動作性能意義重大，并可為將來的PSS參數(shù)優(yōu)化積累基礎(chǔ)資料。

1.5 勵磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部限制與保護定值的監(jiān)測評價功能模塊

在CSC-850發(fā)電機勵磁系統(tǒng)監(jiān)測診斷裝置中建立各勵磁廠家勵磁調(diào)節(jié)器的內(nèi)部保護、限制邏輯模型及參數(shù)知識庫，基于CSC-850同步采集的發(fā)電機機端電壓、機端電流、勵磁電壓、勵磁電流等模擬量，以及滅磁開關(guān)常開節(jié)點、過電壓保護動作節(jié)點、啟勵接觸器動作節(jié)點等開關(guān)量，根據(jù)已選擇的勵磁調(diào)節(jié)器的內(nèi)部保護和限制邏輯模型（包括低勵報警／限制、強勵報警／限制、伏赫茲報警／限制、定子過電流報警、PT斷線等）進行計算，得到相應(yīng)的判斷結(jié)果，與DCS上傳的勵磁調(diào)節(jié)器的保護與限制動作開關(guān)量進行對比，判斷勵磁調(diào)節(jié)器是否存在誤動、拒動現(xiàn)象［3］。

通過CSC-850發(fā)電機勵磁系統(tǒng)監(jiān)測診斷裝置，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)對勵磁調(diào)節(jié)器相關(guān)電氣量運行趨勢進行監(jiān)測，其中包括PT斷線預(yù)警（在PT斷線未動作之前，勵磁PT與儀表PT采樣之差大于3%小于10%）、強勵預(yù)警（發(fā)電機勵磁電流大于1.0 p.u.而未達到1.1 p.u.，時間超過1min）、定子過電流預(yù)警（定子電流大于1.0 p.u.而未達到1.1 p.u.，時間超過1min），如圖6所示。

圖4 調(diào)節(jié)器PID性能判斷規(guī)則

圖5 調(diào)節(jié)器PSS抑制低頻振蕩能力判斷規(guī)則

圖6 調(diào)節(jié)器內(nèi)部限制與保護定值判斷規(guī)則

2 子站展示與評估

勵磁系統(tǒng)的5個高級應(yīng)用功能模塊如滿足條件，則在CSC-850發(fā)電機勵磁系統(tǒng)監(jiān)測診斷裝置形成錄波文件，上傳到子站進行顯示、處理。子站的顯示、處理是在機網(wǎng)協(xié)調(diào)系統(tǒng)遠程監(jiān)測診斷信息系統(tǒng)平臺上開發(fā)應(yīng)用的一個重要功能項，開發(fā)過程依托北京四方繼保自動化股份有限公司的CyberControl工業(yè)自動化軟件平臺，該平臺軟件是對現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行采集與過程控制的專用系統(tǒng)軟件，支持大容量內(nèi)存數(shù)據(jù)庫技術(shù)，具有良好的安全性、穩(wěn)定性、開放性和可擴展性。

在CyberControl軟件平臺的支持下，勵磁高級應(yīng)用各模塊功能首先對電廠子站各機組的實時數(shù)據(jù)進行采集和處理，在實時服務(wù)器和歷史服務(wù)器上建立穩(wěn)定的數(shù)據(jù)庫，然后通過擴展插件APP應(yīng)用接口完成數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計、運算和分析，最后輸出有效的數(shù)據(jù)信息和方法，展示在軟件平臺的人機交互界面上，供專業(yè)人員查看和使用。

3 結(jié)束語

本文介紹的發(fā)電機勵磁系統(tǒng)遠程監(jiān)測診斷裝置，是通過對涉及發(fā)電機勵磁系統(tǒng)各種狀態(tài)量的采集、統(tǒng)計、分析及評估方法進行研究，建立了相應(yīng)的分析評估模型，全面覆蓋了勵磁系統(tǒng)各個方面的內(nèi)容，保證發(fā)電機勵磁系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行；同時，全面評估勵磁系統(tǒng)的運行狀態(tài)，對設(shè)備進行專業(yè)評價，協(xié)助相關(guān)人員掌握發(fā)電機勵磁設(shè)備的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中可能存在的安全隱患，進行預(yù)警及專業(yè)的診斷分析，為生產(chǎn)管理決策和設(shè)備狀態(tài)檢修提供技術(shù)支撐。

［1］李基成.現(xiàn)代同步發(fā)電機勵磁系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，2002.

［2］方思立，朱方.電力系統(tǒng)穩(wěn)定器的原理及其應(yīng)用［M］.北京：中國電力出版社，1996.

［3］劉取.電力系統(tǒng)穩(wěn)定性及發(fā)電機勵磁控制［M］.北京：中國電力出版社，2007.