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、事故備用和蓄洪補枯等多種用途，而且運行靈活、反應迅速。與常規(guī)水電機組相比，抽水蓄能機組工況復雜，且抽水蓄能機組起停頻繁，起停過程相關的設備較多，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)試試驗以及機組大修試驗等階段，需要對抽蓄勵磁系統(tǒng)進行總體、全面的檢驗試驗，確保在抽蓄機組運行期間勵磁系統(tǒng)能完成其應有的作用。目前勵磁系統(tǒng)試驗時，通常采用人機界面操作勵磁調(diào)節(jié)器完成相關試驗，試驗操作復雜，對試驗人員的專業(yè)要求很高。試驗過程中，需要根據(jù)不同的試驗項目外接不同的試驗接線，需要按照步驟流程操作，試驗過程中需要記錄數(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)運行的可靠性。

1 勵磁測試的試驗項目

勵磁系統(tǒng)標準一般將試驗分為型式試驗、出廠試驗、交接試驗和大修試驗幾個階段。勵磁測試系統(tǒng)的軟件主要應用于大修試驗的階段。大修試驗是一種運行維護范圍內(nèi)的試驗，也稱預防性試驗和定期試驗。大修試驗對一般性能以及更改和消除缺陷的部分進行檢查。一些實際運行期間未表現(xiàn)，但是有可能在非正常運行時表現(xiàn)的勵磁系統(tǒng)功能和參數(shù)也需要在大修試驗階段進行檢查[1]。大修試驗與勵磁調(diào)節(jié)器操作相關的重要的試驗有如下幾個試驗：

1.1 小電流試驗

勵磁系統(tǒng)小電流試驗是勵磁系統(tǒng)靜態(tài)試驗的重要試驗項目之一，試驗方式是在整流柜的陽極輸入側外加交流電壓，直流輸出接電阻負載，調(diào)整觸發(fā)角，觀察和記錄負載電壓波形和幅值。試驗的目的是創(chuàng)造一個模擬的環(huán)境，驗證勵磁調(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

模擬量校驗的試驗方式是，用三相保護校驗儀給調(diào)節(jié)器送入電壓電流，模擬發(fā)電機勵磁專用PT、儀用PT、系統(tǒng)PT、發(fā)電機定子CT、發(fā)電機轉子CT、同步變壓器二次側輸入，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。試驗的目的是驗證勵磁調(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

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

1.4 開機試驗

開機試驗包括零起升壓試驗和短路升流試驗，試驗方式是設置調(diào)節(jié)器至合適的工作方式，設置調(diào)節(jié)器參數(shù)，勵磁調(diào)節(jié)器開機，逐漸増磁，使發(fā)電機機端電壓或者定子電流逐漸升高至試驗值。開機試驗是發(fā)電機本體試驗，并非考驗調(diào)節(jié)器的性能。

2 勵磁測試系統(tǒng)框架

2.1 硬件結構

勵磁測試系統(tǒng)充分利用勵磁調(diào)節(jié)器柜內(nèi)現(xiàn)有的硬件設備，相關的設備有：勵磁調(diào)節(jié)器裝置、交換機、工控機。勵磁調(diào)節(jié)器型號是NES6100，硬件方面：獨立的32路采樣通道，并配有獨立的勵磁電壓測量通道。電氣量采樣速度快，抗干擾能力強，硬件結構簡單。另配有4路試驗通道，可配置為±5V或 4～20mA的模擬量采集，應用于轉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。工控機采用TPC-1250，鋁鎂外殼緊湊設計，帶有觸摸屏，適合安裝在調(diào)節(jié)器柜中。硬件結構圖如圖1所示。

圖1 硬件結構圖Fig．1 Hardware structure diagram

2.2 軟件結構

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

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行，使裝置管理功能通用，具備適應不同應用的通用性，基于該部分軟件平臺運行的CPU間以CAN進行通信，每個CPU均有系統(tǒng)程序支持應用運行，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、開關量組態(tài)、GPS對時等功能。

勵磁應用程序包括兩個部分：AD采樣程序和控制調(diào)節(jié)程序。AD采樣程序運行周期短，每238μs運行一次，實現(xiàn)對勵磁系統(tǒng)相關模擬量的快速采集?？刂普{(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。

人機交互程序運行于工控機。人機交互程序的功能需要包括電廠的勵磁系統(tǒng)常規(guī)試驗，如小電流試驗、模擬量校驗、功能模擬、零起升壓、短路升流等。人機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，負責讀取模擬量、開關量、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++圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架。Qt是面向對象的框架，使用特殊的元對象編譯器（Meta Object Compiler，MOC）以及一些宏，易于擴展，允許組件編程。它提供給應用程序開發(fā)者建立藝術級的圖形用戶界面所需的所有功能。Qt具有面向對象的特性，Qt的良好封裝機制使得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]。軟件結構圖如圖2所示。

3 軟件功能設計

3.1 小電流試驗

小電流試驗軟件的功能按照試驗的步驟設計：

（1）開始試驗，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 軟件結構圖Fig．2 Software structure diagram

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

（3）設置補償角，軟件根據(jù)輸入的負載電壓，提示補償角度。

（4）試驗和記錄，改變設置的觸發(fā)角度進行多次試驗并記錄數(shù)據(jù)。

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

小電流試驗軟件的關鍵點有：

（1）軟件采用試驗向導的方式，避免試驗步驟的順序被人為顛倒，消除誤操作的可能性。

（2）采用開始試驗和結束試驗的方式切換調(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)角度可以設置，簡化人工手動增磁和減磁的操作，提高試驗的效率。

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

3.2 模擬量校驗

模擬量校驗軟件的功能有：

（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)的計算，軟件根據(jù)輸入的期望值計算采樣系數(shù)。

模擬量校驗軟件的關鍵點有：

（1）校驗量可以選擇，保護校驗儀模擬量通道有限，通常一次只校驗一種或兩種模擬量。

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

（3）采樣系數(shù)的容錯，當采樣系數(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)電機無功出現(xiàn)過大或者過小的情況。

（4）強勵反時限限制，模擬發(fā)電機轉子電流長時間過大的情況。

功能模擬軟件的關鍵點有：

（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行點和過欠勵曲線，方便試驗。

3.4 開機試驗

開機試驗的功能有：

（1）零起升壓試驗，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，切換至定角度模式并且軟壓板短路升流使能置1。

開機試驗軟件的關鍵點有：

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

（2）試驗結束的恢復，試驗后點擊結束試驗按鈕，將調(diào)節(jié)器切換至正常待機狀態(tài)，必須滿足下一次正常開機的條件。

4 軟件實現(xiàn)

根據(jù)軟件的功能設計，在Qt框架下開發(fā)出勵磁測試系統(tǒng)軟件。軟件運行在工控機上，與勵磁調(diào)節(jié)器裝置通過網(wǎng)絡通信。

小電流試驗軟件的界面如圖3所示。軟件界面中可以顯示小電流試驗的接線原理圖和試驗數(shù)據(jù)，方便試驗過程中查看信息。軟件操作步驟分為五步，采用試驗向導的方式，使試驗變得簡單，并且消除了誤操作的可能性。開始試驗和結束試驗，只需點擊按鈕，即可完成切換調(diào)節(jié)器的控制模式，使軟件功能人性化。試驗中觸發(fā)角度采用設置值的方式改變，避免了手動增減磁操作，提高了試驗效率。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 小電流試驗界面Fig．3 Small current test interface

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

圖4 模擬量校驗界面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)試驗對比

測試軟件簡化了試驗步驟，與常規(guī)試驗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

以模擬量校驗試驗功能為例，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：設置期望值、計算參數(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，并點擊按鈕2次即可完成。

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

以機端電壓三相校驗為例，對兩套調(diào)節(jié)器試驗，總共需要校驗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)，點擊兩次按鈕即可。

6 結束語

根據(jù)勵磁試驗項目，設計了勵磁測試系統(tǒng)軟件的功能。在Qt框架下開發(fā)了勵磁測試系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)了軟件的功能。勵磁測試系統(tǒng)軟件的應用，可以簡化試驗操作，防止試驗中的誤操作，大幅降低勵磁現(xiàn)場試驗的復雜程度，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)運行的可靠性。

[1] 竺士章．發(fā)電機勵磁系統(tǒng)試驗[M]．北京：中國電力出版社，2005．ZHU Shizhang．Test of generator excitation system[M]．Beijing ：China Power Press，2005．

[2] 尉玉龍．基于用戶界面中向導的設計原則研究[J]．包裝工程，2013，34（16）：70-74．WEI Yulong．Based on the design principles of the wizard in the user interface[J]．Packaging Engineering，2013，34（16）：70-74．

[3] Jasmin Blanchette．C++ GUI Qt4 編程 [M]．北京 ：電子工業(yè)出版社，2008．Jasmine Blanchette．C++ GUI Qt4 編程 [M]．北京 ：電子工業(yè)出版社，2008．

[4] 張貴明．簡約高效人機界面的組織策略[J]．裝飾，2013，245：99-100．ZHANG Guiming．The organizational strategy of the simple and efficient human-machine interface[J]．Decoration，2013，245 ：99-100．