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GDER-2032发电机励磁装置

技术说明书

杭州发电设备厂

2006年10月

第一章前言

GDER-2032微机励磁调节器依托中国电力科学研究院的技术，由杭州发电设备厂生产的新一代微机励磁调节器。

它具有完善的调节、控制及限制保护功能，并且在计算速度、抗电磁干扰、可靠性以及使用的方便性上都有了很大的提高。

GDER-2032微机励磁调节器适用于100MW以下机组，从三机励磁到自并励等各种方式的可控硅励磁，是现代中、小型同步发电机理想的励磁调节装置。

GDER-2032发电机励磁调节器采用美国TI公司最新的高速32位DSP作为核心，配以大规模的可编程逻辑器件CPLD作为辅助元件，将控制系统基本缩小为一个片上系统，大大提高了系统的可靠性。

附加外挂的平板机和大屏幕液晶显示器将人机交互提高到了一个更新的高度，给用户的使用提供了极大的方便。

随着全国联网的基本完成，电力系统稳定的要求对励磁系统提出了更高的指标。

GDER-2032采用改进型的PSS-2A电力系统稳定器的模型，完全解决了单一采用电功率信号的PSS-1A模型带来的反调问题。

目前这一技术已经成功投入运行，取得了明显的效果。

本说明书主要介绍了GDER-2032发电机励磁调节器的功能、特点、工作原理等，以便用户有一个全面、详细的了解。

本手册有关技术文件：

（1）《GDER-2032发电机励磁调节器逻辑原理图》

（2）《GDER-2032发电机励磁调节器装置配线图》

（3）《ESMV1.0发电机励磁系统管理软件包使用说明》

第二章装置主要特点

GDER-2032微机励磁调节器作为新一代微机励磁产品，它是将励磁系统的最新研究成果与第一代励磁调节器的多年运行经验相结合，并充分应用了最新的计算机控制技术、数字信号处理器（DSP）技术和先进的网络与通讯技术而研制成功的更新换代产品。

2.1装置特点

GDER-2032具有以下特点：

1、模型清晰、准确

GDER-2032励磁控制系统模型采用串联校正加转子电压硬负反馈，所采用的计算模型均经过计算机仿真和动态信号分析仪的检测，实测证明该模型在离散化过程中误差小，精度高。

2、PSS-2A电力系统稳定器模型成功应用

经过多年研制成功的改进型PSS-2A电力系统稳定器模块在GDER-2032微机励磁调节器上获得了应用，使得GDER-2032微机励磁调节器更有利于抑制电力系统的低频振荡，同时避免了反调现象。

测量精度高

GDER-2032微机励磁调节器采用每周波24点交流采样，快速傅立叶变换，完全消除了零漂等对测量精度的影响，同时采用高速14位A/D变换器，保证了测量通道的精度和快速性。

3、强大的网络功能

GDER-2032发电机励磁调节器具有强大的通讯功能，双通道调节器之间、调节器及功率柜之间通过可靠的现场总线CAN-BUS进行连接，实现数据共享和协调控制。

每个控制通道都提供两个独立并进行隔离的RS232和485接口，非常方便的实现调节器与上位管理机的通讯以及与电厂DCS系统的连接。

4、方便、友好的人机界面

GDER-2032发电机励磁调节器采用大屏幕液晶显示器（240*128），采用树型菜单结构，方便直观，可以结合键盘进行参数整定、测量显示、试验控制等功能，并能在此屏幕上显示故障类型、事件SOE、试验波形和故障波形。

同时选用ESM-V1.0软件包可以在上位机上更加方便的实现上述功能。

5、方便实用的上位机软件

ESM-V1.0为GDER-2032微机励磁调节器专门配套使用的上位机管理软件，该软件实现了励磁系统实时数据显示、参数整定、故障记录、历史趋势曲线显示、故障波形显示、定值报告、试验报告的自动生成及打印输出等系统性功能。

6、高度集成化的硬件设计

GDER-2032采用超大规模逻辑器件CPLD，该器件通过灵活编程能实现传统的数十个芯片组合才能完成的功能，一个芯片即完成了CPU的所有外围电路。

硬件的简单大大的减少了装置的故障点，提高了系统的整体可靠性。

7、美观实用的机箱设计和先进、规范的生产工艺

GDER-2032采用标准的4U机箱，背插结构，使得信号流流向一致，减少了信号交叉的影响，提高了系统的抗干扰能力，机箱采用全封闭结构，机箱内集成了调节器需要的所有板件，自成系统。

主要板件全部采用多层板，表面贴装工艺。

8、独特的抗干扰设计

GDER-2032通过精心的设计，合理地处理了接地、滤波、屏蔽等方面的细节，使得装置的抗干扰能力达到严酷等级四级以上的IEC标准。

2.2装置适用范围

GDER-2032发电机励磁调节器适用于各种可控硅励磁系统，包括自并励励磁系统、二机自并励励磁系统、带永磁机的三机（无刷）励磁系统、二机它励可控硅励磁系统等。

下图给出了几个典型应用的例子。

2.3使用环境

1、海拔高度：

不超过3000米

2、环境温度：

-10℃～40℃

3、相对湿度：

不大于90%

4、没有火灾及爆炸危险的场所

5、无导电尘埃及化学腐蚀气体的场所

6、无强电磁干扰的场所

第三章主要功能及技术指标

3.1装置主要功能

GDER-2032发电机励磁调节器的基本任务是维持发电机的机端电压恒定，通过合理的调差设置来保证并列运行的机组间无功功率的合理分配，通过快速的励磁响应以提高电力系统的暂态稳定和静态稳定。

除了以上基本的控制调节功能外，GDER-2032还具有故障录波、事件记录、系统自检、智能调试等辅助功能。

3.1.1调节及控制功能

1.自动运行方式即发电机恒机端电压PID调节

2.手动运行方式即发电机恒励磁电流PID调节

3.自动/手动之间相互跟踪，实现各种方式下无扰动切换。

4.通道之间相互跟踪，实现通道之间无扰动切换（双通道配置）。

5.发电机恒定触发角运行

6.无功调差调节，可任意设置正、负调差方向，调差系数0-15%任意调节，级差0.1%。

7.静止励磁系统的起励控制

8.完成发电机在空载、负载等工况下机组的稳定运行及无功的平滑调节。

9.参数的在线修改及记录，保证掉电数据不遗失。

10.可通过串行口或以太网将GDER-2032发电机励磁系统接入电厂DCS系统，将调节过程中的数据实时传送到上位机，并接受上位机的控制命令。

11.电力系统稳定器（PSS）附加控制

12.发电机恒功率因数运行（选用）

13.发电机恒无功运行（选用）

14.水轮发电机组电气制动方式停机（选用）

3.1.2限制和保护功能

1、PT断线保护，通过两组PT间进行比较，或同一PT不同相之间的电压比较判断PT断线，励磁PT断线切手动，仪表PT断线发信号。

2、V/Hz保护，防止发电机和主变过磁通，实施V/Hz分段限制和保护。

3、过励限制与保护，为保护发电机转子的安全，分段实施过励磁限制和保护。

4、欠励限制及保护

5、空载过电压保护

6、触发脉冲丢失检测

7、通讯故障检测

8、可控硅故障检测

9、电源检测，监视CPU电源和24V操作电源是否正常。

10、整流柜停风或部分整流柜退出运行时进行励磁电流限制。

11、所有的限制功能和保护定值以及每一种保护的投退均可在现场进行整定。

3.1.3其它辅助功能

1、故障录波功能：

GDER-2032发电机励磁调节器记录故障前10秒，故障后10秒的测量数据，记录量包括，发电机电压UG1、UG2、自动给定值UGREF、手动给定值IFREF、触发角ARF、有功功率P、无功功率Q、转子电压Ufd、转子电流Ifd、发电机频率F0、本柜输出电流ILA、它柜输出电流ILB等，基本涵盖了所有模拟量。

故障波形能够在控制器自带的液晶显示器上显示，也可以通过串口上传到笔记本电脑，通过EMSV1.0软件进行显示、处理并打印。

2、试验录波功能：

GDER-2032发电机励磁调节器能够通过手动启动的方式记录试验时的波形，如10%阶跃响应、灭磁试验、甩负荷试验等波形，记录时间为试验启动前1秒，试验启动后19秒的时间，记录的量同故障录波，显示方式同故障录波。

3、故障记录：

能够按先进先出的原则记录20组故障，内容包括故障时模拟量的动作值、故障发生的时间（精确到毫秒）、故障类型等，所有信息均可在液晶上显示或在上位机上显示。

4、事件记录：

能够按先进先出的原则记录20次事件发生的类型和动作时间（精确到毫秒）例如灭磁开关的分合，通道的投入/退出，运行方式的转换等。

5、通讯功能：

GDER-2032采用标准的MODBUS协议，可以通过灵活的通讯方式，如RS232，RS485，CAN等，进行通道之间的通讯，提供励磁调节器与DCS系统或电厂其它监控系统的接口。

6、软件电位器功能：

所有模拟量的处理回路均取消电位器，使用能够在菜单上整定的软件电位器，调试工作由此变的更加轻松灵活。

7、试验功能：

通过控制器上的键盘操作，方便的进行调节器的各项试验，如开关量传动试验、过励限制、欠励限制、阶跃响应试验、PSS有补偿试验、PSS无补偿试验、交流励磁机时间常数试验等，并能进行自动录波。

8、完善的励磁系统管理软件ESMV1.0：

通过此软件完成励磁系统实时数据显示、故障记录、波形分析、试验向导、报告生成，数据远传、远程诊断等功能。

有关此软件的详细说明见《ESMV1.0发电机励磁系统管理软件包使用说明》。

3.2主要技术指标

3.2.1模数转换器输入参数

A/D采样通道：

16路

模拟量输入一览：

机端电压PT1：

额定值100V（三相）

机端电压PT2：

额定值100V（三相）

系统电压：

额定值100V（可选）

定子电流：

额定值5A/1A

转子电流：

75mv（由分流器来）

转子电压：

实际电压

励磁机励磁电流：

75mv（由分流器来）

备用测试信号：

-2V～+2V（不隔离）

3.2.2开关量输入输出容量

16路光电隔离输入；

10路开关量输出，其中2路光电隔离输出，8路继电器输出，可扩充到18路。

3.2.3输出参数：

触发脉冲：

可供三相全控整流桥用的六相双脉冲，脉冲宽度100uS,可同时触发4组以下并联运行的三相全控桥；

3.2.4网络接口

串口1：

RS-232（隔离）

串口2：

RS-485（隔离）

CAN总线：

CANH、CANL（隔离）

通讯协议：

标准modbus协议

3.2.5电源参数

工作交流电源：

厂用交流220V

工作直流电源：

DC220V±20%或DC110V±20%

辅助交流电源：

厂用AC220V±15%

电源功率：

小于400瓦

3.2.6指标参数

GDER-2032发电机励磁调节器全面满足或优于GB/T7409.3-1997对大、中型同步发电机励磁系统技术要求。

具体指标参数如下：

1.CPU类型：

32位高速DSP芯片

2.CPU速度：

最高150MHz

3.可控硅控制角α分辨率：

0.0048度/码

4.A/D转换量分辨率：

2-14，16路。

5.控制计算调节速度：

3.3毫秒

6.调压范围：

5%～130%

7.调压精度：

<0.5%

8.移相范围：

0～150度，上下限值可程序设置

9.调差：

软件无功调差、正负大小任选级差为±1%。

10.频率特性：

频率每变化1%，发电机端电压变化不大于额定值的±0.25%。

11.整定值调节速度：

可编程，满足不大于1%每秒，不少于0.3%每秒。

12.在空载额定电压情况下，当发电机给定阶跃量为±5%时，发电机电压超调量小于阶跃量的30%，振荡次数小于2次，调节时间小于5秒。

13.当发电机零起升压时，机端电压超调量不超过额定电压的10%，振荡次数小于2次，调节时间小于5秒

14.工作方式：

主备用（双通道）

15.励磁系统装设电力系统稳定器（PSS），其有效频率范围为0.1～2.5Hz.。

同时，设置必要的保护和控制回路。

16.励磁系统的年强行退出比不大于0.05％

17.励磁系统抗国标严酷等级为4级电磁干扰试验标准，在受到上述级别的干扰时不发生误调、失调、误动、拒动等情况。

第四章系统配置

4.1电气配置

GDER-2032微机励磁调节器以简单、可靠为原则，针对不同励磁方式进行相应的励磁系统配置。

本章就以三机励励磁系统为例作详细介绍。

4.1.1励磁系统框图

图4-1是GDER-2032微机励磁调节器应用于三机励磁方式时的系统方框图。

在这种方式下调节器工作在主、备用方式，主、备通道相互通讯，备用通道作为热备用跟踪工作通道，并能进行无扰动切换。

对于三机励磁系统，用户也可以选择将调节器配置为双柜均流方式。

在这种励磁方式下，单柜运行即能满足发电机各种运行工况的要求，双柜均流提高了系统的可靠性。

4.1.2输入输出接口示意图

仪表PTD/A1灭磁开关自动运行

量测PTD/A2置位手动运行

定子电流4-20mA功率柜故障PSS投入

转子电流4-20mA增磁恒无功

转子电压减磁恒功率因数

测试信号RS-232PSS投/退限制保护

系统电压RS-485通道投/退

（可选）CAN运行/跟踪跳开关

脉冲输出

图4-1输入输出接口

模拟量

输入

信号

输出

开关量

输入

开关量

输出

模拟量量程为±5V，操作回路统一使用24V电源。

有关信号示意如下：

4.1.3硬件组成

GDER-2032发电机励磁调节器控制器是一个高度集成化的控制器，包含了从开关电源到脉冲放大等几乎所有的功能插件。

每一个控制通道具体包括：

1、开关电源组件1（+5V，±12V）

2、开关电源组件2（24V1，24V2）

3、主机板

4、开关量输入输出板

5、脉冲放大板

6、模拟量信号处理板

7、PT/CT及同步变压器板

8、总线后底板

9、键盘及液晶显示面板

4.1.4软件组成

GDER-2032发电机励磁调节器控制器有以下两个软件包支持：

1、EXPIDV1.0发电机励磁控制与调节软件包

2、ESMV1.0发电机励磁系统管理软件包

4.2结构配置

4.2.1机柜构成

GDER-2032发电机微机励磁调节装置采用拼装柜结构，柜体平整美观，且柜体强度优于焊接柜，柜体前后设门。

柜体表面采用喷塑工艺，颜色由买方选择色标。

柜内配线走向按强弱电分开，避免相互干扰。

控制电缆电流回路用2.5mm2的导线，其它用1.5mm2导线。

导线颜色按国标规定进行区分，所有的线缆不允许分支和绞接。

所有的线号及号牌用专用的打号机打印，做到整齐一致、有序可查。

水平接地铜母线尺寸不小于6×25mm2，每个屏的接地由螺栓接地母线连至裸露的金属来实现。

在母线两端提供接线柱来连接从电站接地网来的120mm2/2×60mm2（4/OAWG）铜芯接地电缆。

在励磁柜上提供每个屏蔽设备用的接地端子。

柜内可加装防潮加热器以及有门控开关控制的照明设备。

调节器柜带透明玻璃前门，便于监视。

柜内端子排预留20%的空端子。

标准柜体外形尺寸为800mm×650mm×2260mm，柜子设上下通风窗。

4.2.2分层介绍

1、表计层

在柜体的第一层，正面布置的是有关表计，一般装设发电机机端电压表和转子电流表，对于双柜均流的调节器，装设发电机电压表和本柜输出电流表，便于运行或就地试验监视。

表计层的背面，导轨安装信号扩充继电器，用于开关量输出的接点扩充。

2、平板电脑层（选配件）

平板电脑为选配件。

对于选择平板电脑的GDER-2032励磁调节器，将平板电脑安装在本层上。

平板电脑为触摸屏操作，该电脑配以ESMV1.0发电机励磁系统管理软件，很方便的对励磁调节器的运行进行实时监视、故障记录、波形显示、报表生成、打印输出、试验向导等各种功能。

3、操作层

本层安装4个操作开关，用于在现地对调节器进行操作。

通道选择开关用来选择调节器的投入/退出以及当前运行的通道，运行时可以通过此开关进行通道之间无扰动切换。

方式选择用来选择调节器工作方式，包括手动运行/自动运行/自动运行+PSS。

增/减开关为自复归型开关，用来调整发电机电压或无功功率的大小,为了防止增/减磁开关节点粘连,程序设置若连续增/减超过三秒,即闭锁增\减命令,将开关复归一次,闭锁命令方能解除。

主控/就地开关用来选择调节器接受就地命令还是主控的命令，若该开关打到主控位置，上述三个开关作用全部失效，调节器受主控制台上的开关控制；该开关打到就地位置，调节器接受屏上操作开关的命令，主控室相应的操作开关失去作用。

运行中进行主控就地切换操作前，应先将主控和就地相应的开关对应一致。

4、控制层

控制层是GDER-2032发电机微机励磁调节器的核心层（主控单元），它集成了励磁调节器几乎所有的功能板件。

控制器采用4U标准机箱，表面氧化处理，美观大方。

插件板采用背插方式。

图4-3a/b为GDER-2032控制器的前后视图。

在调节器的面板上布置了240*128大屏幕液晶显示器、键盘控制器以及运行指示灯，在面板右下方为RS232接口。

图4-3aGDER-2032微机励磁控制器前面板图

图4-3bGDER-2032微机励磁控制器后面板图

如图4-3a所示主控单元的面板的左上角为调节器的型号标识，左下角为公司名称；中部为大屏幕液晶显示器和操作键盘，具体内容见《第六章键盘、显示及操作》；在面板的右侧为运行指示区，从上到下依次为：

自动运行、手动运行、PSS运行、恒无功、恒功率因数通道故障，以上六个指示灯除了“通道故障”指示灯为红色以外，其余的指示灯正常状态均为绿灯显示。

通道故障指示灯在所有的保护和限制动作时均会动作，具体的动作类型在液晶显示的最上面一行进行显示，如果有几个保护同时动作时，此处只显示最后动作的故障类型，更加详细的动作类型、动作时间以及动作值可以在【菜单→故障追忆】中进行查询。

从图4-3b看出，控制器的插件板从机箱的后部插入，从左至右一共10块独立的插件板组成，其中含可扩展的备板三块。

机箱内的插件板需要严格按顺序插入对应的导轨内，插错顺序，会导致插件板损坏。

5、电源开关层

GDER-2032发电机微机励磁调节器采用双路供电，交、直流2路工作电源分别经过空气开关为控制单元内的开关电源供电。

6、变压器层

包括电源变压器和同步变压器。

电源变压器副边电压为165V±5%，整流后为DC220V，与厂用220V直流经过逆止二极管并联后给调节器提供工作电源。

当厂用直流为110V时，电源变压器副边电压为83V。

对于功率电源电压高于220V的励磁系统，同步信号需经过同步变压器降压，将同步变压器副边电压降为100V，然后此信号作为同步信号进入PTCT卡，同步变压器的接线方式为Y/Y0接线，如果功率电源电压低于220V，则同步信号直接进入控制单元的PTCT卡；在PTCT卡上，有三个小变压器对同步信号进行隔离。

第五章基本原理

5.1基本原理

发电机微机励磁调节器的主要作用是维持发电机的电压稳定，同时可以通过微机励磁调节器的作用，使得并联运行的机组进行无功功率的合理分配；对于电力系统的暂态稳定和动态稳定的提高，励磁调节器的作用同样非常重要。

调节器的输入电气信号有发电机量测PT电压、仪表PT电压及从发电机电流互感器传来的三相定子电流信号。

直流信号有发电机转子电流、调节器输出电流和反映装置电源电压的信号。

各路信号经各自的信号处理及变换电路对信号滤波、隔离放大，变换成适合于A/D采样的信号。

这些信号送入A/D变换器，由程序控制依次进行模数转换成数字量，存放在存贮器中，供调节器使用。

利用以上采集到的数据，通过软件计算可以得到发电机的运行工况、励磁系统参数、调节器输出参数等全部信息，如交流量采用24点快速傅立叶变换（FFT）计算出发电机三相电压有效值、三相电流有效值、有功功率P、无功功率Q等。

主控或就地对调节器工作方式的选择，增、减励磁操作，灭磁开关等状态量作为开关量输入信号以及故障告警等开关量输出信号是经过光电隔离与CPU接口的。

同时反映调节器的状态的运行指示信号，故障指示信号，以开关量输出的方式，经过光耦和继电器隔离后进入电厂的声光报警系统。

同时，调节器提供通讯接口，可以和发电厂的DCS（ECS）系统进行通讯。

GDER-2032发电机励磁调节器共有16路开关量输入，10路开关量输出通道，开关量输入输出的通道数量可以根据用户需要进一步进行扩充。

调节器柜的功率输出部件为三相全控晶闸管整流桥或者单相全（半）控桥。

为了保证其输出直流电压连续可调及逆变运行，要求控制角α在10~170度之间变化。

在上下限的范围内，用户可以根据具体需要，在菜单中进行最大触发角和最小触发角的设置。

调节器中由脉冲同步电路来保证各晶闸管的依次导通，用大规模逻辑器件直接将数字控制量转换成相应控制角α的触发脉冲信号，移相方式采用余弦移相。

300Hz的中断控制程序可计算发电机电压与参考电压之差，并进行PID运算后综合附加调差信号得到一个控制量去改变晶闸管的导通角，这就是励磁调节器的主调节环。

PID参数的正确选择，将直接影响调节器的静态和动态特性。

调节器中的保护功能模块如失脉冲检测、低励磁限制、过励限制、V/Hz限制、PT断线保护等都是用后台软件控制来实现的。

励磁调节器的安装地点环境比较恶劣，电磁干扰相当严重。

对于微机型励磁调节器来说抗干扰能力是十分重要的。

本调节器具有独特的抗干扰措施，如调节器控制板核心部件采用双层屏蔽，每个输入、输出电路均采用光电或电磁隔离电路，电源用开关电源隔离等措施，另外还特设硬件、软件自复归电路。

当程序突然遭受大干扰的作用而跑飞或进入死循环时，该电路将自动复归使程序重新从头开始执行，恢复正常工作状态。

调节器柜的前面板设有操作显示界面供人机对话使用。

人机界面采用液晶显示，汉化菜单，所有计算机采集到的模拟量值均以有名值显示在液晶显示器上，便于运行人员的监视。

另外开关量输入的实时状态显示，开关量强制输出，控制和保护参数设定，故障录波数据的提取和波形显示等功能均可在此人机对话窗口上实现。

调节器的工作电源也是独立的，采用开关电源。

输出电压有四种：

+5V、±12V电源供主机板、运算放大器用；24V1供脉冲回路，24V2供继电器及操作回路用。

电源采用两路供电：

一路来自蓄电池，另一路来自阳极电压整流。

两路电源通过逆止二极管并联运行，任何一路失电，调节器仍能正常工作。

综上所述，本调节器不需要外加变送器，如电压、有功功率、无功功率变送器和任何机械的或电子的电压给定机构，充分利用软件程序自动控制，硬件电路简单，提高了可靠性，便于维护。

5.2单板原理

做为同步发电机励磁系统，其可靠性对于机组和电网的安全稳定至关重要，因此GDER-2032微机励磁调节器在设计时就将系统的可靠性作为第一重要的内容，因此搭建一个稳定的硬件测控平台是提高系统可靠性的基础。

GDER-2032的核心控制器由以下几部分组成：

♦电源1

♦电源2

♦计算机主板（CPU）

♦模拟量处理及旋转二极管检测板

♦开关量输入输出板

♦脉冲放大板

♦PT/CT板

♦总线底板

♦显示面板

以上几块控制板卡如图4-3b插在一个专用的4U机箱内。

为了提高系统的抗干扰能力，机箱采用金属屏蔽机箱，所有插件采用后插式，保证信号流向的唯一性，避免了信号之间的串扰，以及强弱电之间的交叉。

重要的板卡均采用先进的表贴工艺