励磁系统开关柜培训资料分解.docx
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励磁系统开关柜培训资料分解
发电机数字励磁调节装置
第一节RCS-9410型数字励磁调节器
1#、2#、3#发电机机励磁柜均采用南瑞RCS-9410型数字励磁调节装置，励磁调节器柜是由2个RCS-9410数字励磁调节装置组成，每个调节装置作为一个独立的调节通道，可独立承担所有的励磁调节任务，各装置互为主从，组成冗余的两通道或多通道系统。
各励磁调节通道间既可采用主备运行方式，也可采用并列运行方式。
励磁调节器功能
序号
功名能
功能说明
备注
1
通道配置
完全独立双通道，单通道能满足所有运行方式的运行要求
2
调节规律
符合IEEE标准模型的PID调节
自适应的宽补偿范围的PSS-II
自动投切
调差功能
3
运行方式
恒机端电压
主运行方式
恒转子电流
恒控制角度
恒无功
可选
恒功率因数
可选
4
开机升压方式
定电压起励
程控软起励
零起升压起励
5
限制功能
最大励磁电流限制
励磁过流过热限制
无功过励限制
滞相定子过电流限制
过励限制
最小励磁电流限制
无功欠励限制
进相定子过电流限制
欠励限制
V/F限制
过磁通限制
6
保护功能
PT断线保护（专利）
空载过电压保护
过励保护
欠励保护
V/F保护
低周波保护
7
故障检测
同步信号故障检测
PT信号断线检测
电源故障检测
脉冲丢失检测
脉冲计数检测
8
告警检测
同步信号相位不对称
同步信号测频错误
定子电压信号相位不对称
定子电压信号测频错误
9
容错功能
模拟量测量容错：
定子电压测量容错
定子电流测量容错
励磁电流测量容错
有功功率测量容错
无功功率测量容错
开关量输入容错：
励磁启停信号输入容错
励磁增减信号输入容错
出口开关信号输入容错
发电机工况容错
10
辅助功能
辅助分析系统
故障定位系统
超前预警系统
试验或故障自动录波
事件顺序记录
11
人机接口
液晶显示加键盘人机接口
后台工控机人机接口
12
对外通讯接口
以太网接口
485/232接口
GPS对时接口
现场总线接口
规约可适应现场设备的要求
第二节RCS-9410型数字励磁调节装置功能配置
1.重要的功能配置简介
1.1基本的调节和控制功能
调节规律：
PID+PSS；
运行控制方式：
恒机端电压闭环方式、恒转子电流闭环方式、恒无功功率运行；投励升压方式：
手动零起升压、自动软起励升压、自动初值起励升压；另外，还配置了调差功能。
调节规律PID+PSS传递函数框图如下图所示
1.2辅助的限制和保护功能
装置配置了限制和保护功能，保证运行中机组的安全，保证机组与系统之间的运行稳定性。
主要有：
•负载最小励磁电流瞬时限制
•无功功率欠励瞬时限制
•进相定子过电流瞬时限制
•负载最大励磁电流瞬时限制
•场磁过电流反时限制
•滞相定子过流过热限制
•无功功率过励延时瞬时限制
•伏赫兹（V/F）限制
•空载最大励磁电流限制
•励磁功率柜过电流限制及保护
•空载过电压限制及保护
•TV断线限制及保护
•低励磁保护
•过励磁保护
•伏赫兹（V/F）过磁通保护
•转子过热限制及保护
1.3自检自诊断
为了保证励磁系统的运行可靠性，励磁调节装置不间断地检测自身各重要环节的状况，对异常或发生错误的环节进行及时的容错处理，对冗余的系统，闭锁发生异常或错误的通道。
具体的自检和自诊断内容有：
•电源电压过低、过高、或消失的检测
•TV断线的检测
•可控硅同步电压相序及发电机机端电压相序的检测
•交流采样检测
•可控硅触发脉冲序号及数量的检测
•控制角度的检测
•双机通讯故障的检测
•硬件和软件看门狗（WatchDog）检测
1.4容错控制
根据调节装置自检的结果，对各种信息进行分析，取得正确的信息维持励磁系统的正常运行。
具体有：
•机端电压测量容错
•定子电流测量容错
•转子电流测量容错
•发电机频率测量容错
•有功功率及无功功率测量容错
•投励令及逆变令容错
•增、减磁信号容错
•主断路器信号容错
1.5录波和记忆功能
调节装置配置了录波功能，每组波形记录所有模拟量和所有的开关量20秒内的数值及变位信息，装置内存可最大储存多达8组的波形,停电不丢失，且记录波形实时上送给后台储存，永不丢失。
录波保存有3种形式，分别是：
•故障或异常自动保存：
由故障信号和异常信号自动保存，记录在故障或异常发生前5秒和后15秒的波形和异常状态，完全保护故障现场，有利于故障的分析和事故的追忆；
•手动保存：
由人为操作，记录及显示任何一段20秒时间内的数据；
•试验自动保存：
由阶跃实验、发电机甩负荷试验自动保存，记录试验过程的机组参数数据；
•操作信号记忆：
自动记录输入命令及输出信号信息，自动记录128路信号，1024组操作信息，包括操作方向及操作时间。
2、技术参数
2.1额定电气参数
（1）电源参数
•交、直流并联供电。
交流输入220V±15%，直流输入220V±20%，或110V±20%
•稳压电源：
A套和B套的电源各自独立。
每套电源配置如下：
1路CPU工作电源：
+5V，+15V，-15V
1路开出继电器电源：
+24V
1路光耦输入电源：
+24V
1路脉冲电源：
+24V
（2）模拟量输入参数（20通道）
•机端电压Ug3相交流，线电压额定值100V
•系统电压Usys单相交流，线电压额定值100V
•同步电压Usyn3相交流，线电压额定值100V
•定子电流Ig3相交流，输入范围：
0～5A
•励磁电流If3相方波，输入范围：
0～5A（交流侧，由励磁变压器低压侧的电流互感器来）
•励磁电压Uf直流，0～5V或4～20mA
•白噪声信号0～5V
（3）数模转换器输出
•模拟通道：
4路12位D/A转换，可编程定义输出信号
•输出参数范围：
4～20mA
（4）开关量输入输出容量
•24路光电隔离输入，输入回路电源24V由调节器提供；
•8路继电器输出，信号输出为干节点，节点容量1A/DC220V；
（5）输出参数
•输出脉冲：
可供三相全控整流桥用的六相双脉冲
•触发功率：
每相脉冲可驱动10组脉冲变压器。
2.2主要技术指标
•可控硅控制角α分辨率：
最高可达40MHz，即0.00045度/码
•A/D转换量分辨率：
14位采样，分辨率为：
2-14标幺/每码；
•采样方式：
直接交流采样，20路同步采样，每周期采样36点；
•控制计算调节速度：
20毫秒（典型）；
•调压范围：
5%～130%；
•调压精度：
<0.1%；
•移相范围：
0-180度，上下限值可程序设置；
•调差：
由软件设置无功调差率，正负及大小任选，级差为±0.1%；
•频率特性：
发电机频率每变化1%，发电机端电压变化不大于额定值的±0.1%；
•调节速度：
可整定，满足不大于1%每秒，不小于0.3%每秒；
•电压响应时间：
上升<0.08S，下降<0.15S；
•频率响应范围：
5～500Hz；
•故障和试验自动记录波形性能参数：
步长：
20ms（典型）
录波模拟量通道数：
模拟量（23路）
录波开关量通道数：
全部开入、开出、限制、故障和告警信号（128路）
事故前记录时间：
5s
事故后记录时间：
15s
3、装置基本原理
励磁调节装置的主要任务是维持发电机机端电压水平稳定，从而维持机组的一定的负荷水平，同时对发电机定子及转子侧各电气量的负荷进行限制和保护处理，励磁调节装置还要对自己进行不断的自检和自诊断，发现异常和故障，及时报警并切换到备用通道。
励磁调节装置完成的主要工作如下：
3.1模拟量采集
采集发电机机端交流电压Uga、Ugb、Ugc，定子交流电流Iga、Igb、Igc，励磁电流Ifa、Ifb、Ifc，转子电压Ufd等模拟量，计算出发电机定子电压、发电机定子电流、发电机有功功率、发电机无功功率、发电机功率因数、发电机励磁电流、发电机转子电压。
具体如下：
调节器通过模拟信号板将高压（100V）、大电流（5A）信号进行隔离并转换为±10V电压信号，然后传输到主CPU板上的A/D转换器，将模拟信号转换为数字信号。
一个周波内（20ms）采样36个点，计算出机端电压基波的幅值及频率、有功、无功，及转子电流。
3.2闭环调节
励磁调节装置工作的目标是保证被调节量实时跟踪对应的参考量，也就是说，通过闭环控制使被调节量测量值随其参考值增大而增大，随其参考值减小而减小，从而达到调节发电机工况的目的。
闭环调节的基本规律为PID调节规律。
程序的计算模块根据控制调节方式，对被调测量值与其参考值的差值进行PID计算，得到所需要的触发角度，最终控制励磁系统的输出。
3.3脉冲输出
闭环调节模块计算得到的触发角度，经相控脉冲形成环节、产生所要求触发角度的相控脉冲，由功率放大环节放大后输出至整流桥。
3.4限制和保护
调节装置将采样及计算所得到的机组参数模拟量测量值，与调节装置预先整定的限制保护值相比较，分析发电机组的实时工况，判断发电机的工作区域，对过负荷和欠负荷工况进行限制，防止发电机进入不安全或不稳定区域，从而保护机组的安全可靠运行。
3.5逻辑判断
在正常运行时，励磁调节装置不断地根据现场输入的操作命令和状态信号进行逻辑组合，辨识励磁系统的工作状态或识别现场的控制需求，并自动做出相应的处理：
•是否进入励磁运行；
•是否进行逆变灭磁；
•是否进行增磁或减磁；
•是空载还是负载状态；
•是否进行系统电压跟踪；
•是否切换闭环控制方式；
•是否投入PSS附加控制；
3.6参考值设定
正常运行时，励磁调节装置不断地检测增减控制命令，并按照增减的控制命令持续时间、励磁闭环控制方式、发电机工况和预置的增减速度等要求，修改被调节量的参考值，从而实现被调节量的增加或减小。
3.7双机通讯
从通道自动跟踪主通道的被调节量的参考值和输出的控制值。
正常运行中，一个自动通道为主通道运行，另外自动通道为从通道运行，为保证通道间切换时无扰动，从通道通过双机通讯，交换控制信息，自动跟踪主通道的工况。
基本原理为：
主通道将本通道的被调节量的参考值和输出的控制值由通讯口发出，从通道接收双机通讯来的参考值和输出控制值，再通过容错处理，作为从通道的控制信息。
通过双机通讯，从通道不间断的跟踪主通道的运行工况和控制信息，实现在任何方式下进行主从通道切换，发电机工况均无波动。
3.8自检和自诊断
励磁调节装置在运行中，不间断地对装置硬件和软件进行自检和自诊断，及时的发现故障或异常，并做出容错处理，发出告警信息及切换至完好的从通道运行。
具体来讲，调节装置对电源、硬件、软件、信号进行检测，自动对异常或故障进行判断和处理，防止因励磁系统异常导致发电机事故的发生。
3.9人机对话
励磁调节装置设置了中文人机界面实现人机信息交换，该人机对话界面提供数据读取、励磁定值修改、试验操作、录波自动或手动保存等功能。
通过这样的人机界面，可以获取调节装置所有的模拟量数据信息，获取所有的开关量信息，获取调节装置当前的自检和自诊断结果信息，也可读取和修改调节装置的所有的限制和保护定值。
3.10对外通讯
励磁调节装置对外通讯接口包括以太网和RS232/RS485，并适用多种通讯协议。
4、功能配置
4.1励磁控制闭环方式
励磁控制闭环方式决定励磁调节装置调节的电气量，即励磁调节装置根据该电气量的变化，按照一定规律进行计算，得到所需的触发角度，从而使得该电气量与参考值的偏差逐渐减小，直至该电气量稳定在参考目标值上不变，最终达到该电气量可调可控的目标。
本励磁调节装置共设置五种方式：
电压闭环、励磁电流闭环、恒输出调节、恒无功功率调节、恒功率因数调节，具体使用哪一种调节方式要根据现场要求确定。
（1）机端电压闭环调节
电压闭环调节方式是最基本、最常用的励磁控制方式，也是励磁运行的主要运行方式，
电压闭环调节方式以发电机端电压作为调节变量，调节目的是维持发电机端电压与电压参考值一致，而电压参考值则主要由增磁命令（远方或就地）和减磁命令（远方或就地）进行增加或减小。
发电机空载时，电压参考变化，使机端电压也随之变化；发电机负载时，电压参考值变化仍然使发电机电压随之变化，同时引起发电机无功功率更大范围变化。
（2）励磁电流闭环调节
励磁电流闭环调节方式是常规励磁控制方式，主要在励磁试验时或电压环故障（TV断线）时使用，励磁电流闭环调节方式以发电机励磁电流作为调节变量，调节目的是维持发电机励磁电流与电流参考值一致，而励磁电流参考值则主要由增磁命令（远方或就地）和减磁命令（远方或就地）进行增加或减小。
（3）恒输出调节方式
恒输出调节方式实际是一种开环调节方式，它不以任何的电气量为调节对象，不管发电机工况如何变化，总是维持恒定的输出，输出变化主要由增磁命令（远方或就地）和减磁命令（远方或就地）进行增加或减小。
实际上，恒输出调节方式仅作为现场他励零起升压和零起升流试验使用，静态调试也作为匹配同步补偿角的手段来使用。
恒输出调节方式没有调节参考值，变化大小仅取决于增（减）磁命令的时间。
（4）恒无功功率调节方式
恒无功功率闭环调节方式与前面所述的机端电压闭环调节方式及励磁电流闭环调节方式不同，恒无功功率调节调节采用双环调节（无功环作为外环，电压环作为内环）的方式，无功功率的变化，经计算后作用于电压参考值变化，再经电压调节TGR环节计算，输出控制脉冲。
无功闭环调节方式保证发电机稳态保持一定的无功功率不变，暂态时保持一定的电压水平不变，从而保证在不改变发电机对电网电压水平支撑能力的前提下，发电机保持相对恒定的无功功率输出。
（5）恒功率因数调节方式
恒功率因数调节方式与恒无功功率调节方式基本相同，均采用双环调节模式，功率因数环作为外环，电压环作为内环。
4.2调差功能
发电机无功调差功能是励磁调节发电机无功出力的重要参数，尤其是扩大单元接线的多台发电机运行，则更为重要。
发电机无功调差有两方面作用：
一方面确定共母线机组稳态时无功按比例分配；一方面在系统波动时确定发电机组无功出力增量按比例分配。
对于单元接线的发电机组，由于主变压器自然调差系数（变压器阻抗）较大，为了提高发电机组对系统的电压（无功）支撑能力，一般励磁调节装置中无功调差系数选择为负值（正值、零均可以），即补偿主变压器电压降，但补偿压降不能超过主变实际压降。
对于扩大单元接线的各发电机，励磁调节装置中无功调差系数必须选择为正值，且各发电机无功调差系数要保持一致。
4.3低励磁限制及保护
发电机励磁不足反映在各个电气参量中，主要表现为：
励磁电流低、进相深度大（负无功功率大）和定子电流增大，为保证发电机安全运行，针对反映低励磁的主要电气量有相应的限制手段，主要包括：
最小励磁电流限制（MFCL）、无功功率欠励限制（QUEL）和进相定子过电流限制（IUEL）。
（1）最小励磁电流限制
当发电机有功功率较小时，即使无功功率进相未至失稳的深度，但当发电机励磁电流小到一定值时，由于发电机转子电磁转矩与励磁电流的关系，此时发电机将不能维持足够的电磁转矩，发电机也将失去稳定。
最小励磁电流限制原理为：
调节装置检测发电机励磁电流，当励磁电流低于最小励磁电流限制整定值，即以励磁电流作为被调节量，参考值即为最小励磁电流限制整定值，从而保证励磁电流不会低于该整定值。
（2）无功功率欠励限制
发电机实际运行范围比发电机运行安全范围小得多，总留有足够的安全裕度，即实际的无功欠励限制曲线比进相允许曲线（弧线）低得多。
一般地，无功欠励曲线为直线或折线方式，本励磁调节装置无功欠励曲线为四点折线，如右图所示。
图中OABCDE围成的区域为进相允许范围，外部橙色区域为深度进相，发电机正常运行应避免进入该范围。
无功功率欠励限制原理为：
装置实时检测发电机有功功率和无功功率，根据点与直线位置计算公式，判断实际运行点离欠励限制曲线的远近（模值）和内外（符号），当运行点越过欠励限制曲线进入图中橙色区域，装置即以无功功率作为被调节量，调节偏差即为运行点至欠励曲线的距离，从而保证发电机运行点回到安全运行区域。
另外，根据发电机进相运行控制原理，发电机允许进相范围与发电机端电压成一定比例关系，为了保证发电机任何时候都具有足够的安全裕度，欠励限制曲线也按照相似的关系，根据发电机电压进行调整。
（3）进相定子过电流限制
发电机进相运行时，随着进相深度增加，发电机定子电流随之增大，因此，发电机进相运行时，发电机定子电流也是决定发电机失稳的一个判据，只要有效限制进相定子电流的幅值，就能限制发电机进相深度，防止发电机失稳，同时，进相定子过流限制也作为无功欠励限制的后备。
进相定子过电流限制工作原理为：
装置检测发电机定子电流，当进相定子电流大于限制整定值，即以定子电流作为被调节量，参考值即为进相定子过电流限制整定值，从而保证进相定子电流不会高于该整定值。
（4）低励磁保护
如果励磁调节装置控制失灵，发电机励磁电流下降，进入进相运行，即使低励磁限制功能正确动作，也无法将发电机从低励磁工况调节回正常工况，此时，故障励磁装置必须退出运行，同时将调节器主通道切换至另外的完好调节装置，从而保证发电机及励磁系统安全稳定运行。
低励磁保护整定值比低励磁限制整定值要低，主要以励磁电流为判据，当励磁电流低于低励磁保护整定值，低励磁保护启动并进行计时，延时时间到后，低励磁保护动作出口，调节器执行主从切换，闭锁故障通道输出。
4.4过励磁限制及保护
发电机过激磁也反映为各个电气参量变化，主要表现为：
励磁电流高、无功率功率过负荷和定子过电流，为保证发电机安全运行，针对反映过励磁的主要电气量有相应的限制手段，主要包括：
最大励磁电流限制（MaxXL）、励磁过流过热限制（InvXL）、无功功率过励限制（QOXL）和滞相定子过电流限制（IOXL）。
（1）最大励磁电流限制
最大励磁电流限制分为两种：
一种为防止发电机过电压的空载最大励磁电流限制；另一种为防止励磁绕组侧过电流的负载最大励磁电流限制。
空载最大励磁电流限制主要目的为有效防止发电机空载误强励情况发生。
发电机空载误强励危害很大，一方面易造成发电机及变压器（主变或励磁变）过电压损坏，尤其是机端励磁变励磁系统，励磁变过电压又进一步提高误强励倍数；另一方面空载误强励致使发电机磁场深饱和，磁场绕组储存能量极大，容易造成灭磁系统故障损坏，延长误强励持续时间，造成事故扩大。
负载最大励磁电流限制主要目的为防止发电机转子侧故障发生强励电流，发电机运行过程中，励磁功率柜直流侧发生故障或磁场绕组发生匝间短路，发电机励磁电流迅速上升，如果不对该电流进行有效的抑制，故障点会进一步扩大，发展为电弧短路，将对发电机造成更大危害，同时故障电流也会损坏励磁系统的设备。
最大励磁电流限制与一般过电流限制不同，为瞬时动作限制。
空载最大限制电流限制与负载最大励磁电流限制除整定值不同外，其动作原理、动作时间均相同。
动作原理为：
励磁装置检测发电机励磁电流，当励磁电流超过最大励磁电流限制整定值时，该限制立即动作，将发电机励磁电流作为被调节量，参考值即为最大励磁电流整定值，最大励磁电流限制增益系数较大，因此，励磁调节装置在偏差很小时就可发出强减脉冲，从而限制发电机最大励磁电流不超过整定值。
（2）励磁过流过热限制
励磁过流过热限制也称为励磁过电流反时限制。
发电机磁场过流过热是发电机运行过程中常见工况，当系统电压较低时，发电机输出无功过大，发电机励磁电流超过其最大允许长期连续运行电流，必须对励磁电流进行限制，防止长时过流导致过热损坏发电机励磁绕组。
励磁绕组发热与励磁电流平方和维持时间的乘积成正比关系，即磁场电流及其允许运行时间成反时曲线，如右图所示，图中纵坐标为过电流倍数，横坐标为允许运行时间（秒）电流越小，允许运行时间越长。
发电机磁场热量的累积需要一定的时间，同样，磁场热量的散发（冷却）也需要一定的时间。
发电机磁场发生过电流过热，励磁调节装置磁场电流反时限制动作，将磁场电流迅速调节到长期允许运行值，磁场电流降低，磁场电流反时限制返回。
磁场电流虽然下降至安全值，但由于过流造成的热积聚短时内还没有回到长期允许安全值，即磁场未冷却到过流发生前的水平，如果此时由于某种原因，发电机磁场又发生过电流，励磁调节装置仍按照上图曲线所确定的时间控制，则发电机组磁场所累积的热量将超出磁场允许的热量，磁场将由于过热损坏。
因此，当两次过电流间隔时间小于磁场冷却时间时，磁场过电流允许时间必须相应减小，以有效防止磁场过热。
励磁过电流反时限制动作原理如下：
励磁装置检测发电机励磁电流，当励磁电流超过励磁电流过流反时限制启动值时，励磁装置根据励磁电流进行计时，当励磁热容超过磁场绕组允许热容量时，限制动作，将发电机励磁电流调节至长期运行允许值；当励磁电流低于启动值后，励磁装置根据励磁电流计算其冷却速度，并计算剩余能容，如果剩余能容不为零时，励磁电流再次超过启动电流时，则动作时间要相应缩短，以保证发电机磁场绕组不因过热而损坏。
（3）无功功率过励延时限制
发电机无功功率过励区域与无功功率欠励区域一样，均比发电机运行安全范围小得多，总留有足够的安全裕度，即实际的无功功率过励限制曲线比过励允许曲线（弧线）低。
一般地，无功功率过励曲线为直线或折线方式，本励磁调节装置无功功率过励曲线为四点折线，如右图所示。
图中OABCDE围成的区域为实际允许运行范围，外部橙色区域为过励范围，发电机正常运行应避免进入长时间停留在该范围。
无功功率过励限制为延时限制，一般动作延时时间为20秒。
无功功率过励限制原理为：
装置实时检测发电机有功功率和无功功率，根据点与直线位置计算公式，判断实际运行点离过励限制曲线的远近（模值）和内外（符号），当运行点越过过励限制曲线进入图中橙色区域，过励限制即启动计时，延时时间到后，装置即以无功功率作为被调节量，调节偏差即为运行点至欠励曲线的距离，从而保证发电机运行点回到安全运行区域内。
（4）滞相定子过电流限制
滞相定子过电流限制也是一种典型的过流过热限制，限制原理可以采用定时延时限制，也可以采用反时延时限制。
本装置中滞相定子过电流限制采用反时延时限制方式，动作原理与励磁过电流反时限制一致，这里不再重复，他们不同之处在于各自的整定值不同。
（5）过励磁保护
如果励磁调节装置控制失灵，导致可控硅整流桥全开通，发电机励磁电流急剧上升，进入过励运行，即使各种过励磁限制功能正确动作，也无法将发电机从过励磁工况调节回正常工况，此时，故障励磁装置必须退出运行，同时将调节器主通道切换至另外的完好励磁调节装置，从而保证发电机及励磁系统安全稳定运行。
过励磁保护整定值比过励磁限制整定值要高，主要以励磁电流为判据，当励磁电流高于过励磁保护整定值，过励磁保护启动并进行计时，延时时间到后，过励磁保护动作出口，调节器执行主从通道切换，闭锁故障调节装置通道输出。
4.5伏赫兹（V/F）限制及保护
（1）伏赫兹（V/F）限制
发电机运行时，发电机端电压与发电机频率的比值有一个安全工作范围，当伏赫兹比值超过安全范围时，容易导致发电机及主变过激磁和过热现象，因此当伏赫兹比值超出安全范围时，必须限制发电机端电压幅值，控制发电机端电压随发电机频率变化而变化，维持伏赫兹比值在安全范围内，此项功能称为伏赫兹限制（HXL）。
实际应用中取一般取1.1为伏赫兹比值安全范围，当伏赫兹比值超出1.1时，伏赫兹限制启动，调低发电机端电压并预留一定的安全裕度（1.05）。
另外，发电机空载时，当发电机频率低于整定值时
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