基于PAC的發(fā)電機同期過(guò)程監測裝置

1 應用背景

　發(fā)電機啟動(dòng)后，經(jīng)調速系統和勵磁系統的綜合控制，使發(fā)電機機端輸出達到額定電壓后，即開(kāi)始同期并網(wǎng)的準備工作。同期并網(wǎng)的理論條件是：待并發(fā)電機與系統電壓相序、相位、大小相同，頻率相等[1]，原因如下：

(1) 電壓不等并列時(shí)，將在發(fā)電機和電網(wǎng)間出現無(wú)功性質(zhì)的環(huán)流，該環(huán)流將對發(fā)電機繞組產(chǎn)生作用力。

(2) 相位不一致：相位差180°時(shí)沖擊電流最大，會(huì )產(chǎn)生巨大的電動(dòng)力和引起發(fā)電機發(fā)熱，若相位差在0~180°之間，沖擊電流中將包含有功成分，此電流將在發(fā)電機軸上產(chǎn)生沖擊力矩。

(3) 頻率不等：電壓差時(shí)大時(shí)小成了拍振電壓，拍振電流也時(shí)大時(shí)小，并出現有功分量。該有功分量電流在機軸上產(chǎn)生變換方向的力矩，使發(fā)電機振動(dòng)，頻差大時(shí)，由于轉子磁極和電樞磁場(chǎng)間相對速度過(guò)大，很難拉入同步。

(4) 相序不同：發(fā)電機永遠不能拉入同步，在并列時(shí)還將產(chǎn)生很大的相當于相間短路的環(huán)流，強大的電動(dòng)力可能使發(fā)電機遭受?chē)乐氐膿p壞。一般在發(fā)電機安裝過(guò)程中，相序都已經(jīng)認真核查正確。
　實(shí)際工作中，由于干擾和采樣精度等客觀(guān)條件的影響,這些條件都有一定的閾度范圍, 例如允許頻差為±0.1~±1 Hz，允許壓差0~±20%，一般同期繼電器允許環(huán)并合閘角為±20°。目前國內同期裝置的生產(chǎn)廠(chǎng)家都按國家標準進(jìn)行生產(chǎn)，并允許用戶(hù)設定更為理想的同期合閘條件。

　然而發(fā)電機投入運行一定時(shí)間后，要進(jìn)行生產(chǎn)維修，完成后重新檢定(一般由各省電力公司下屬電力試驗研究院在現場(chǎng)完成)，合格后再次并網(wǎng)發(fā)電。此時(shí)，由于同期的繼電器等設備也存在不同程度的老化，同期性能可能已經(jīng)達不到理想水平，甚至可能逼近或甚至超出給定范圍，發(fā)電機被系統強行帶入電網(wǎng)的情況時(shí)有發(fā)生，這對發(fā)電機和電網(wǎng)運行都存在不良影響,所以在發(fā)電機組整套啟動(dòng)并網(wǎng)試驗前需要對同期裝置進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)調試[2]。

　一般監視以下幾個(gè)電氣量：(1)發(fā)電機機端電壓；(2)系統電壓；(3)同期裝置（微機）輸出開(kāi)關(guān)量端口(發(fā)出合閘指令)； (4)合閘斷路器狀態(tài)(實(shí)際合閘動(dòng)作)。一般在合閘指令發(fā)出時(shí)，通過(guò)監視發(fā)電機機端電壓和系統電壓的壓差、頻率差和相位差以及實(shí)際合閘動(dòng)作時(shí)間(通常在合閘指令發(fā)出后30 ms左右)來(lái)判斷同期系統的工作狀況。筆者根據需求，經(jīng)過(guò)多種方案的對比選擇，最終選定臺灣研華公司PAC產(chǎn)品ADAM-5550KW和ADAM-5017S開(kāi)發(fā)了多功能電氣參數測試儀，并且完整地實(shí)現了發(fā)電機同期觀(guān)察過(guò)程的檢測。

2 應用設備概況

2.1 ADAM-5550KW

　ADAM-5550KW是一款8槽可編程自動(dòng)化控制器(PAC)，其硬件系統主要包括兩個(gè)部分：主機箱和I/O模塊。主機箱包括：一塊CPU卡、一個(gè)電源模塊、一塊8 槽無(wú)源底板和4個(gè)串行通信接口。內置兩塊CPU,上層AMD GeodeTM GX533M CPU負責相當于PC機部分的工作，如HMI軟件、數據庫支持，強大的運算能力等。下層ARM7 CPU負責底層I/O模塊的操作和控制,保證I/O端口的實(shí)時(shí)、穩定、可靠操作。配置有128 MB DDR SDRAM內存(其中1 MB具有電池備份功能)以及一塊CompactFlash卡[3]。

　ADAM-5550KW采用WinCE5.0操作系統，內嵌ProConOS內核控制引擎。既能通過(guò)軟邏輯軟件KW-Multiprog采用PLC的編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，也可以用.NET或eVC來(lái)編程，還可以將這兩者結合起來(lái)同時(shí)使用。支持Modbus/TCP和Modbus RTU協(xié)議，方便與不同的第三方Modbus設備交換數據。

2.2 ADAM-5017S

　ADAM-5017S是12路同步高速模擬量輸入模塊，每通道帶1 KB的FIFO(First In First Out類(lèi)型的輸入緩沖區)；單通道最快3 kHz采樣速率，輸入為±10 V、±5 V等雙極性信號；采用2 個(gè)同步采樣A/D 電路，每個(gè)電路處理6 路同步采樣信號，2 個(gè)電路之間實(shí)現同步，這樣就實(shí)現了12 路同步采樣。

3 需要采集的電氣量標準

3.1 電壓信號（模擬量）

　為達到監視同期的目標，首先要從發(fā)電機和系統連接的PT二次側獲得電壓信號。按國家標準，PT二次側電壓有效值一般為100 V?？蛇M(jìn)一步使用120/7的電量變送器,將PT二次側電壓轉換到ADAM-5017S的輸入范圍。

　如有必要可同時(shí)監測發(fā)電機機端和系統的三相電壓，這樣需要用掉ADAM-5017S的6個(gè)同步采樣通道。

3.2 微機開(kāi)出端口和斷路器端口狀態(tài)（開(kāi)關(guān)量）

　在同期裝置的微機開(kāi)關(guān)量輸出端口中，可以監測到合閘指令發(fā)出動(dòng)作。在合閘斷路器處，可以監測到實(shí)際合閘動(dòng)作。

　這里有兩個(gè)需要注意的地方：(1)動(dòng)作時(shí)間差在毫秒級；(2)根據現場(chǎng)情況的不同，實(shí)際合閘動(dòng)作的開(kāi)關(guān)處可能是無(wú)源節點(diǎn)也可能是有源節點(diǎn)。

　由于A(yíng)DAM 5000系列沒(méi)有達到毫秒級的開(kāi)關(guān)量監測模塊，因此在電路中，可將開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉換為模擬量，即斷開(kāi)狀態(tài)對應5 V，合閘狀態(tài)對應0 V，將其送入ADAM-5017S中與電壓量同步采樣，由軟件根據電壓水平判斷動(dòng)作時(shí)間。

　考慮有源和無(wú)源節點(diǎn)的差異，準備2路有源節點(diǎn)和2路無(wú)源節點(diǎn)，這樣需要用掉ADAM-5017S的4個(gè)同步采樣通道。

3.3 其他電氣量

　在其他應用場(chǎng)合，也可能需要同時(shí)采集發(fā)電機的轉子勵磁電壓和勵磁電流。需要用掉ADAM-5017s的2個(gè)同步采樣通道。也可以將3個(gè)系統電壓通道換成采集發(fā)電機三相電流,可做并網(wǎng)后的功率輸出監測等相關(guān)實(shí)驗。

4 系統結構設計

4.1 現有設備問(wèn)題

　由現場(chǎng)PT、CT輸出的電量信號經(jīng)電量變送器轉化為-10 V～+10 V范圍內的電壓信號送入ADAM-5017S。在KW-Multiprog軟件的編程中，按照設定的采樣頻率用ADAM-5017S對信號采樣后送入FIFO中,每通道FIFO大小為64 KB。按所開(kāi)發(fā)的系統要求，必須將采集的電壓電流波形數據（ms級）送回上位機，以監測和分析同期過(guò)程中每個(gè)時(shí)刻所有電氣參數的瞬時(shí)值。

　基本思路如下：

(1) 假定Multiprog負責5017S數據采樣的Task周期設置為8 ms，以保證兩個(gè)相鄰訪(fǎng)問(wèn)周期中，FIFO中的數據能形成連貫的正弦波形?？梢酝ㄟ^(guò)程序判斷FIFO中哪些是新到數據，哪些是上個(gè)周期已經(jīng)讀過(guò)的數據。

(2) Modbus/TCP使上位機可以通過(guò)Modbus空間訪(fǎng)問(wèn)到瞬時(shí)數據，但由于交互命令的速度無(wú)法保證兩次訪(fǎng)問(wèn)Modbus空間的間隙中不丟失數據(即使得波形不連續)，因此必須通過(guò)MultiProg將數據保存下來(lái)。但MultiProg能訪(fǎng)問(wèn)的最大地址空間為64 KB[4]，12個(gè)通道按1 kb/s的采樣速率,幾秒鐘后就沒(méi)有空間可存放數據。

(3) 但ADAM-5550KW的WinCE5.0操作系統支持使用Window.Net 環(huán)境下的C#等高級語(yǔ)言開(kāi)發(fā)驅動(dòng)軟件，訪(fǎng)問(wèn)MultiProg所管理的Modbus空間。因此考慮在WinCE中開(kāi)發(fā)一個(gè)中間軟件,將數據從有限的Modbus空間快速復制到5550KW的128 MB內存空間中，然后通過(guò)TCP/IP協(xié)議送往上位機。

4.2 系統組成原理

上位機和下位機之間的信號(狀態(tài)信號、控制信號)通信由Modbus/TCP協(xié)議實(shí)現,采集數據的上行通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現。系統組成如圖1所示。

4.3 系統總體設計思路

　按照數據流程，將整個(gè)系統劃分為三個(gè)功能模塊：(1)下位機數據提取模塊;(2)下位機數據收集與上傳模塊;(3)上位機數據接收與分析處理模塊。

　Modbus空間的作用如圖2所示，下位機數據提取模塊在Multiprog 中編程實(shí)現，負責將5017S FIFO中的數據送到Modbus空間；下位機數據收集與上傳模塊在WinCE下編程實(shí)現，負責從Modbus空間中收集數據，并在采集結束時(shí)(采樣頻率非常高，數據量巨大時(shí))或者在采集過(guò)程中(采樣頻率一般，數據量不大時(shí))上傳到上位機；上位機數據接收與分析處理模塊在收到下位機的上傳請求時(shí)接收數據并緩存起來(lái)以供分析處理。

5 系統功能展現

　本系統設定采樣速率為1 600 Hz，經(jīng)測試，數據可以穩定地在數據采樣的同時(shí),通過(guò)TCP/IP協(xié)議上傳到上位機，在上位機實(shí)現有效值、相位等信息的即時(shí)計算。采樣結束后，圖形可以立即展示出來(lái)，無(wú)需長(cháng)時(shí)間等待。

　啟動(dòng)同期觀(guān)察過(guò)程后，軟件界面顯示如圖3所示。此時(shí)系統電壓和發(fā)電機電壓的幅值、有效值、頻率和相位(以系統相位為參考)將以0.2 s左右間隔實(shí)時(shí)更新。

　停止同期觀(guān)察過(guò)程，顯示結果如圖4所示。界面右端顯示：Us為系統電壓，Ug為發(fā)電機機端電壓，Us _Ug為電壓差。從整體圖形上可以觀(guān)察到，由于相位差的顯著(zhù)影響，開(kāi)始錄波時(shí)，壓差很大。隨著(zhù)調速系統的調整，壓差逐漸減小，從瞬時(shí)值的包絡(luò )線(xiàn)和壓差有效值曲線(xiàn)都可以觀(guān)察到這個(gè)過(guò)程。

　通過(guò)放大和移動(dòng)功能可以看到，相位差較大時(shí)，系統電壓、發(fā)電機機端電壓和電壓壓差在每個(gè)瞬時(shí)的具體值。如圖5所示。

圖6所示為放大合閘動(dòng)作發(fā)出的瞬間?？梢杂^(guān)察到合閘指令在錄波開(kāi)始后5 278.9 ms發(fā)出，合閘繼電器在5 308.3 ms合閘成功，時(shí)間差為30 ms。此時(shí)電壓差、頻率差和相位差均符合同期條件。同期系統工作狀態(tài)良好。

　使用研華公司的PAC產(chǎn)品ADAM-5550 KW和ADAM-5017S設計的多功能電氣參數測試儀所開(kāi)發(fā)的發(fā)電機同期過(guò)程觀(guān)察已經(jīng)通過(guò)相關(guān)電力測試，并且在電場(chǎng)得到應用，運行穩定。

　發(fā)電機同期過(guò)程觀(guān)察只是用ADAM-5550KW和ADAM-5017S開(kāi)發(fā)的多功能電氣參數測試儀的一個(gè)子功能。使用該系統還可以完成小電流試驗、勵磁系統升壓、起勵、滅磁和并網(wǎng)等多項發(fā)電機檢修后必須進(jìn)行的電氣參數測量實(shí)驗。此外，與變壓器相關(guān)的各項電氣參數實(shí)驗也可以使用本系統完成。