南瑞NES5100励磁调节器作业指导书.docx

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南瑞NES5100励磁调节器作业指导书

NES5100发电机励磁调节器

作业指导书

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第一章软件系统

1.1概述

软件组成包括三个方面：

嵌入式操作系统、人机交互程序以及励磁应用程序。

嵌入式操作系统部分包括操作系统本体，还包括硬件底层驱动软件、系统任务配置、系统中断配置等。

底层驱动包括Flash驱动、以太网驱动等。

人机交互的核心程序位于通信报文处理任务中。

该任务和网络通信任务、RS232/RS485通信任务一同构成了整个人机交互的下位机系统。

网络通信任务、RS232/RS485通信任务接收到上位机发出的指令后，将指令发送到一共同的消息队列中，通信报文处理任务从消息队列中逐条取出并处理。

励磁应用程序包括两个部分：

主流程和控制调节程序。

主流程放置于主任务中，约每160ms运行一次，完成励磁应用程序的初始化以及机组状态的判断等功能；控制调节程序放置于3.3ms中断中，完成所有的励磁控制调节功能，确保了控制调节的快速和精度。

1.2调节控制程序

如图1.1所示：

图1.1NES5100控制调节程序示意图

1.2.1模拟量测量和A/D变换

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（整流桥阳极电流），同步电压Usyna、Usynb、Usync等模拟量，计算出发电机定子电压、发电机定子电流、同步电压、发电机有功功率、发电机无功功率、发电机功率因数、发电机励磁电流等。

具体如下：

调节器通过模拟量板和同步电压板将高压（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。

1.2.2给定调节

利用开关量输入信号或者通过通讯线路，可控制AVR给定值的增、减或预置。

给定值有最大上限和最小下限。

给定的变化速度可通过软件设定。

NES5100调节器的自动通道有电压给定和电流给定两个给定单元，分别用于恒机端电压调节和恒励磁电流调节。

恒机端电压调节称为AVR调节方式，恒励磁电流调节称为FCR调节方式。

发电机起励建压后，两种运行方式是相互跟踪的，即备用方式跟踪运行方式，跟踪的依据是两种调节输出相等，且这种跟踪关系是不能人工解除的。

1.2.3调差

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，则尤为重要。

发电机无功调差有两方面作用：

一方面是确定共母线机组稳态时无功按比例分配；另一方面是在系统电压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，一般励磁调节器中无功调差系数选择为负值（零也可以），小机组还可以设置为正值，来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，励磁调节器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整定。

1.2.4软起励

软起励功能是为了在起励时防止机端电压超调。

励磁接收到开机令后即开始起励升压，当机端电压大于10%额定值后，调节器以一个可调整的速度逐步增加给定值使发电机电压逐渐上升直到设定值。

1.2.5自动跟踪

自动跟踪功能保证了从自动电压调节（AVR）模式到磁场电流调节（FCR）模式、A通道到B通道的平稳切换。

切换可能是由于故障（如PT断线）引起的自动切换或人工切换。

跟踪指两个独立的自动通道之间的跟踪，跟踪信号来源于运行通道控制信号和备用通道控制信号的差值。

双通道切换逻辑框图如图1.2：

图1.2双通道切换逻辑框图

1.2.6闭环调节

励磁调节器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。

程序的计算模块根据控制调节方式，对被调节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。

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的机端电压作为调节变量，调节目的是维持发电机的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）或减磁命令（远方或就地）进行增加或减小。

发电机空载时，电压参考值变化，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。

在NES5100励磁调节器中，电压闭环调节方式遵循的调节规律可以通过内部软开关来选择，一种为IEEE标准模式，即串联PID模型，也称为暂态增益衰减模型，如图1.3所示：

图1.3电压闭环暂态增益衰减模型

另一种为并联PID模型，即按偏差的比例、积分和微分进行控制的PID调节器，如1.4所示：

图1.4电压闭环并联PID模型

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（PT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）或减磁命令（远方或就地）进行增加或减小。

NES5100励磁调节器中励磁电流闭环调节方式采用的是并联PID模型，如图1.5所示：

图1.5电流闭环并联PID模型

1.2.7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。

1.3限制及保护程序

调节器将采样及计算所得到的相关数值，与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。

图1.6给出了在额定机端电压下凸极同步发电机的典型功率圆图及对应的运行限值。

图1.6典型的凸极同步发电机功率圆图

限制器的目的是维护发电机的安全稳定运行，以避免由于保护继电器的动作而出现的事故停机。

所有限制器都有一个实际值和一个预置值，实际值代表被限制的数值，而限制器应在预置值处激活（即起作用）。

每个限制器都产生一个误差信号Δ，来源于实际值和预置值之间的差值。

当过励限制器起作用时，它将把励磁减少到最大允许的水平上，而当欠励限制器起作用时，它将把励磁增加到所需要的最小水平上。

在正常运行过程中，发电机在功率圆的允许范围内工作。

PID控制器的输入是机端电压偏差信号

即主误差信号。

如果由于某些运行的原因，过励限制器的误差信号

变得低于主误差信号，那么它就优先于主误差信号。

这种原理也同样适用于欠励限制的情况，但显然在另一个方向上。

过励限制器的误差信号

、欠励限制器的误差信号

和主误差信号

都输出到优先权选择器，决定这些信号的优先权。

1.3.1低励磁限制

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，在NES5100调节器中，用P/Q限制来实现。

P/Q限制器本质上是一个欠励限制器，用于防止发电机进入不稳定运行区域。

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低得多。

一般地，无功欠励曲线为直线或折线方式，NES5100励磁调节器为五点折线，用五个无功功率值对应五个有功功率水平来设定限制曲线。

如图1.7所示，图中0ABCDEF围成的区域为进相允许范围，超出0ABCDEF区域为深度进相，发电机正常运行应避免进入该范围。

图1.7欠励P/Q曲线图

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，判断实际允许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，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，从而保证发电机允许点回到安全允许区域。

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。

图1.8低励限制模型

1.3.2过励磁限制

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：

励磁过流过热限制、无功功率过励限制、瞬时强励限制和伏赫兹（V/Hz）限制。

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限制，主要用来防止转子回路过热。

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，电流越小，允许允许时间越长。

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集聚短时内还没有回到长期允许安全值，即磁场未冷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以前限制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启动值时，励磁装置根据励磁电流进行计时，当励磁热容量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。

过励过程可能是一种近似恒定过励过程，例如调节器故障引起过励，有可能是这种过程，过渡过程结束后，励磁电流

为固定值。

过励也可能是一种逐步发生、逐步增大过励值的慢过程。

如系统电压逐步下降，可以导致发电机的

从小于

到等于

，再大于

。

过励值也在不断变化。

限制器动作后，应保持发电机转子电流小于

，以便把过励过程中产生的过多的热量释放出去。

一般取0.90∽0.95

。

无功功率过励延时限制

在NES5100调节器中，无功功率过励延时限制亦通过P/Q限制来实现。

发电机无功功率过励区域与无功功率欠励区域一样，均比发电机允许安全范围小得多，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低。

一般地，无功功率过励曲线为直线或折线方式，NES5100励磁调节装置无功功率过励曲线为五点折线，如图1.9所示。

图中0ABCDEF围成的区域为实际运行允许范围，外部为过励范围，发电机应避免长时间停留在该范围。

图1.9过励限制曲线图

无功功率过励限制为延时限制，一般动作延时时间为5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过励区域，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过励曲线的距离，从而保证发电机运行点回到安全运行区域内。

图1.10P/Q过励限制模型

瞬时强励限制

瞬时过励限制，或者称为强励顶值限制。

其作用是防止在调节过程中发电机转子电流瞬时超过容许的强励顶值。

其与前述过励限制有两点不同：

其定值是强励容许值，不是长期允许值；

动作是瞬时的，不是按发热积累考虑的延时。

伏赫兹（V/Hz）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（V/Hz）限制。

实际应用中一般取1.06为伏赫兹比值安全范围，当伏赫兹比值超出1.06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。

另外，发电机空载时，当发电机频率低于整定值时（45Hz），实际发电机组不允许继续维持机端电压，此时，需发出逆变脉冲，励磁系统逆变灭磁。

伏赫兹（V/Hz）限制动作条件为过电压或低频率。

发电机负载时，由于发电机频率即为系统频率，实际负载伏赫兹（V/Hz）限制主要为过电压限制。

发电机空载时，由于发电机电压和频率的比值与发电机励磁电流成比例关系，实际空载伏赫兹（V/Hz）限制主要为过电流限制。

图1.11伏赫兹（V/Hz）限制示意图

在NES5100励磁调节装置中，伏赫兹（V/Hz）限制器的输出是叠加到AVR电压叠加点，实现减少励磁的目的。

1.3.3PT断线保护

发电机机端PT断线为电厂常见故障之一，同时PT断线也是误强励发生的主要诱因之一。

励磁系统对PT断线的处理要求要迅速又要准确，如果判断时间过长，实际PT断线时，如果不能及时进行容错控制，发电机励磁电流很快上升直至强励。

NES5100励磁装置对PT断线判断采用三种方法：

双PT比较法、负序比较法和冗余判别法，保证各种PT断线均能被正确而迅速地判别出，PT断线保护采用两种方法：

主从切换和控制方式切换。

双PT比较方法是常规PT断线判断方法，即同时测量两个PT的测量值，正常情况下，两个输出值基本相同，一旦两个输出值差别较大，则判断输出低的PT断线。

负序比较法主要针对单PT或双PT同时断线而设计，采样系统计算发电机定子三相电压的正序分量和负序分量，定子三相电流的正序分量和负序分量，当PT断线时，出现电压负序分量，但没有电流负序分量。

冗余判别法针对自并励机组的PT全部断线，当定子电压没有测量值，转子电流和定子电流均正常，可以判断为PT信号丢失（短路试验时通过置“试验方式”标志可以退出）。

1.3.4电力系统稳定器（PSS）

电力系统稳定器（PSS）是NES5100励磁调节器的一个标准功能。

PSS的目的是通过引入一个附加的反馈信号，增加弱阻尼或负阻尼控制系统的正阻尼系数，以抑制同步发电机的低频振荡，提高发电机组（线路）最大输出能力，有助于整个电网的稳定性。

PSS的控制算法是以IEEEStd421.5-2005中PSS2B为基础的。

NES5100励磁调节器中PSS2B附加的反馈信号为机组的加速功率（由电功率信号和转子角频率信号综合而产生的），其数学模型如图1.12所示：

图1.12PSS2B传递函数图

1.3.5逻辑判断

正常运行时，NES5100励磁调节器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

是否切换闭环运行方式

是否投入PSS附加控制

1.3.6参考值设定

正常运行时，NES5100励磁调节器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。

1.3.7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，另一个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，从通道接受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，从通道不间断地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。

1.3.8自检和自诊断

NES5100励磁调节器在运行中，不间断地对装置硬件和软件进行自检和自诊断，及时地发现故障或异常，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，调节器对电源、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。

1.3.9人机对话

NES5100采用NES－HMI励磁智能监控软件系统作为人机对话，该软件系统由励磁智能监控软件和通讯中间件OPCServerforNES5100组成。

NES_HMI开发基于Windows2000，采用先进的面向对象的设计方法。

用VisualBasic和VisualC++开发而成。

系统通讯效率高，占用CPU资源小，可运行在Windows2000和WindowXP操作系统下。

NES_HMI由以下几个模块组成：

系统拓扑视图、故障日志、参数设置、过欠励曲线、试验录波、采样示波器、阶跃试验、参数比较、通讯变量组态等模块组成，可充分满足微机励磁调节器的运行监控和调试需求。

1.3.10对外通讯

励磁调节装置对外通讯接口包括以太网、RS232/RS485和CAN总线接口，并适用于多种通讯协议。

1.4NES-HMI励磁智能监控软件安装及界面配置

1.4.1界面程序安装配置

1.4.1.1程序安装

得到NES51001.2.1版界面程序后，先确认下位机程序和逻辑组态程序与之相配套。

如果计算机已经安装过NES5100界面程序，请确认C：

\opcconfig文件夹中opc.mdb文件是否需要进行存档。

如需存档，可将该文件夹重命名或保存到其他路径下。

开始执行安装。

双击Setup.exe。

图1.13安装过程1

点击“下一步”。

图1.14安装过程2

选择“我同意以上条款”“下一步”。

图1.15安装过程3

确认安装路径，点击浏览可以选择界面主程序安装的位置。

点击“下一步”。

图1.16安装过程4

点击“下一步”。

图1.17安装过程5

如出现如图1.17所示弹出窗口，说明本计算机中该系统文件比安装包中系统文件新，请点击“否”，继续执行安装进程。

安装结束，弹出如下界面：

图1.18安装过程6

点击“完成”即结束安装（可以不重启）。

1.4.1.2文件配置

安装结束后，系统生成两个相关文件夹，A文件夹：

C：

\opcconfig和B文件夹：

C:

\ProgramFiles\南瑞电控公司\NARINES_HMI励磁智能监控系统软件，A文件夹中有两个文件：

opc.mdb和config.ini文件。

图1.19opcconfig文件夹

双击config.ini文件，在图1.20所示位置修改电厂名称，修改调节器套数，并根据套数和下位机程序，修改下位机IP地址。

图1.20config.ini文件

B文件夹为界面主文件夹，包含客户端程序及相关工具。

界面安装后，在桌面上会出现一个Client.exe快捷方式，该快捷方式默认为自并激3个功率柜界面。

现场人员可以针对不同工程，选择不同的客户端文件并将其改为client.exe，并替换掉桌面的快捷方式。

图1.21不同励磁方式及功率柜个数界面选择

4.4.1.3OPC注册

点击“开始”菜单，选择“程序”“南瑞励磁智能监控系统”“快捷方式register.exe”，弹出如下窗口。

输入注册码，点击“确定”，提示“注册成功！

”。

图4.22OPC注册

在桌面上或者在B文件夹中双击opc.exe或opc（DEMO）.exe，启动opc的过程为上位机与下位机数据传输过程，速度视数据量及计算机性能定。

注意到正常启动状态时，启动页面右侧和下端滚动条会自动收缩。

若启动不正常，请确认与下位机网络连接是否正常，或检查config.ini中套数和IP是否设置正确。

启动完成后，opc.exe会自动最小化到屏幕右下任务栏。

鼠标双击点开opc页面，如图4.23所示：

图1.23OPC服务器注册

点击“OPC服务器”菜单栏中“OPC服务器注册”，弹出“OPC服务器注册成功”提示。

单击确定，然后关闭OPC服务器。

重新启动OPC后即完成注册。

图1.24注册成功提示

至此，已经完成界面安装，启动步骤是先启桌面或B文件夹中的opc.exe（注意：

如未连调节器仍需启动主界面，可以启动opc（DEMO）.exe。

如果有网络连接，可以点击client.exe；如果没有，可以点击client（DEMO）.exe即可启动主界面），opc起来后，点击桌面或者opc.exe中client.exe即可启动主界面。

1.4.2参数文件生成

在config.ini中修改style=99，运行client.exe（此时无需启动opc），或者启动主界面，点击界面左侧“工具”栏，点击“下载文件生成”，如图1.26所示。

即启动参数生成画面。

图1.25系统拓扑

参数生成画面如下所示：

图1.26下载文件生成

点击“读取保存数据按钮”，弹出“参数转换工具”，如图1.27所示：

图1.27参数转换工具

在该界面中填写电厂名称、机组号、投运人（方便数据存档）。

填写该机组相关机组参数，确认后点击“保存当前数据”（该步一定要执行），数据保存完成后，点击“参数生成”按钮。

此时，界面程序自动根据填写的机组参数计算出初始参数，并显示在“下载文件生成”页面中，如图1.28所示：

图1.28保存当前数据

参数生成后，点击“保存当前数据”（该步一定要执行），按提示完成数据保存。

然后点击“生成下载文件”，提示成功后，可以在A文件夹找到刚生成的两个数据文件，如图1.29，这两个文件就是需要下发给下位机的参数文件。

图1.29参数文件

参数文件可以通过A文件夹中的励磁参数文件下发工具下发。

4.4.3参数存档

本界面程序可以在静调或投运完成后将现场设置的参数进行存档，除过欠励参数外，其他参数存档在“参量比较”界面完成。

如图1.30所示：

图1.30参数比较

点击“参数比较”弹出“参量比较”页面，如图1.31：

图1.31参量比较

填写电厂名称、机组号和投运人。

点击“Flash回读”，在表格中会显示下位机当前设置参数值，此时“*套存档”按钮变亮。

对参数进行确认后，点击“A套存档”、“B套存档”或“C套存档”对当前设置数据进行存档。

过欠励曲线数据存档在“过欠励曲线”界面中完成，如图1.32所示：

图1.32过欠励设置

点击右上角“数据存档”按钮，提示保存成功，即可完成过欠励曲线参数的存档。

所有的存档数据保存在A文件夹中opc.mdb文件中flash标签项里。

1.5NES-HMI励磁智能监控界面介绍

NES5100励磁调节器配备1台液晶工控机、1台D-LINK交换机、3根网线。

操作系统为WindowsXP。

3根网线分别连接工控机、A套调节器、B套调节器。

1.5.1界面启动前的设置

NES5100上位机和下位机的通讯采用的是以太网通讯。

1.5.1.1OPC服务器启动前的检查

看config.ini文件设置是否正确，具体含义如图1.33：

图1.33config.ini文件配置

style置1表示正常调试，置99表示脱