紫坪铺水电厂3#机组励磁系统升级改造

[摘 要]本文介绍了四川省紫坪铺水电厂3#机组励磁系统升级改造的相关情况，对新系统的主要特点、主要功能等进行了详细阐述，对同类型水轮发电机组励磁系统的改造、试验、升级具有一定的借鉴价值。

[关键词]紫坪铺水电厂；励磁系统；EXC9000；升级改造

中图分类号：TV734 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）27-0152-02

1 引言

励磁系统是供给同步发电机励磁电流的电源及其附属设备的统称。它一般由励磁功率单元和励磁调节器两个主要部分组成。励磁功率单元向同步发电机转子提供励磁电流；而励磁调节器则根据输入信号和给定的调节准则控制励磁功率单元的输出。励磁系统的自动励磁调节器对提高电力系统并联机组的稳定性具有相当大的作用。尤其是现代电力系统的发展导致机组稳定极限降低的趋势，也促使励磁技术不断发展。

紫坪铺水电厂位于岷江上游，距成都市60km，是岷江干流梯级水电厂的最后一级，也是岷江流域最大的水力发电厂。紫坪铺发电厂于2005年11月首台机组投产发电，2006年4月四台机组全部投产。紫坪铺水利枢纽工程是都江堰灌区的主要水源工程。其工程定位以灌溉、城市供水为主，结合防洪、发电和成都市环保用水，是多目标开发、调节利用岷江干流上游水资源的水利工程。该工程总库容为11.12亿m3，具有不完全年调节能力，装机规模为4×190MW，设计多年平均发电量为34亿kWh。该工程社会效益、经济效益和生态环境效益均十分显著。

2 机组及励磁系统器件及参数

紫坪铺水电厂采用中国电器研究院广州擎天实业有限公司生产的EXC9000型励磁系统，由励磁调节器、功率整流器、灭磁及转子过压保护回路、起励单元、测量用电压互感器、电流互感器及励磁变压器6个部分组成。

3 励磁系统现状

紫坪铺水电厂励磁系统（EXC9000）由中国电器科学研究院供货，自2005年10月投产以来，总体运行情况良好，各项技术指标满足电站运行要求。 随着设备的长时间运行，断断续续出现各种故障现象，在2009年至2012年这四年期间，励磁系统设备陆续出现了较多的隐患，多次出现误报警和误强励情况，严重影响了设备的安全稳定运行。励磁系统作为水轮发电机组的重要组成部分，其运行状况直接影响机组可靠性与稳定性，根据电厂2013年机组检修计划时间进行技改工作，汛前对3#机组励磁系统进行升级改造。

3#机组励磁系统近年来出现的各类异常情况统计如下：

（1）3#机励磁系统均多次出现通讯故障；

（2）3#机励磁系统在PT正常的情况下多次出现PT故障报警；

（3）3#机励磁系统在电压正常的情况下，出现误强励动作；

（4）3#机励磁系统在运行中误报“3#整流桥故障、3#功率柜风温过高、3#功率柜快熔熔断”；

（5）3#功率柜；阻熔故障”报警信息；

（6）3#机励磁系统在运行中多次误报“调节器故障”等信号，现地检查励磁系统盘柜上无任何报警信息。

4 励磁系统项目改造的必要性和可行性

4.1 项目的必要性

励磁系统强励是发电机并网运行时因遭受较大扰动如短路故障而导致发电机电压大幅降低时，励磁整流桥全开放输出最大励磁电压的特殊运行方式。发电机强励对保证发电机有功功率送出以提高暂态稳定性和维持系统电压水平以提高电压稳定性有重要作用，同时也为继电保护装置正确判断并切除故障提供条件。但是由于励磁系统故障引起的误强励则会导致发电机定子、转子因过电压发热而降低绝缘严重威胁发电机的安全运行。

4.2 项目的可行性

中国电器科学研究新EXC9000励磁系统是基于老EXC9000励磁系统的升级产品，在硬件和软件上都有很大的改进。此次紫坪铺发电厂励磁系统在硬件和软件上的改进主要方面如下：

4.2.1 硬件改进

1）单片机控制用自带CAN控制器的040芯片取代020；

2）CAN总线T型头接线方式改为端子连接；

3）整合调节器的接口板，由原来的9块减少到4块；

4）对原控制板资源重新进行了调整，对部分硬件电路重新进行了设计；

5）功率柜测温电路改进和重新设计；

6）功率柜脉冲触发板改用SMD贴片件，并增加脉冲指示功能；

7）脉冲信号传输回路进行改进

8）调节柜印制板数量减少，使得调节柜内部结构显得十分简洁；

9）机箱部分设计了面板，视觉效果更美观，防护等级为IP40以上。

4.2.2 软件功能改进

1）提高调试口通讯速度，改善通讯驱动。使调试口达到了每10ms（一个调节周期）传输一组数据包的通讯速度，调试时不使用录波装置也可以观察各变量的细微变化；

2）改善CAN驱动，提高CPU的利用率；

3）使用多流程控制实现正常调节流程、电制动流程、短路干燥试验流程和恒控制角流程，简化现场试验程序；

4）优化程序结构，调节器在停机时不再需要重新启动；

5）增加事件记录功能，可以记录设定状态量的动作和复归时间；

6）改进强励控制算法，增加了误强励和误强减判断逻辑；

7）改进程序下载算法，缩短下载时间，提高下载可靠性；

8）在同一画面中实现波形监视、参数在线修改、录波数据分析和事件监视功能，方便现场试验；

9）波形可以保存为数据文件、彩色图片、黑白图片方便以后分析；

10）程序自动分析两个数据点之间的时间间隔；

11）增强波形分析能力；

12）实现参数分组，并配备配置软件。可以设置参数的限制值和默认值；

13）增加命令功能，可以用调试软件直接控制调节器各种功能的投退；

14）增加事件记录功能，配合调试软件，可以上载调节器内部的事件记录；

15）配备专用工具，可以方便地设置调节器自动录波的触发条件。

4.2.3 单片机软件改进

1）配合硬件，对单片机软件进行优化，整合，减少中间环节，使程序更简洁，运行更可靠；

2）优化起励、风机控制、风温等参数设置画面，使控制更合理，调试更方便；

3）触摸屏上增加如智能均流投退、功率柜投退、灭磁开关分合、PSS闭锁及增加48个IO监视等；

4）改进调节器电源故障切换电路，使通道切换更平稳；

5）改进单柜电流检测，提高电流检测精度；

6）测温电路重新设计，设计更合理，整定更方便，精度更高；

7）修改智能均流硬件电路，增大均流范围；

8）增加继电器输出及脉冲指示，视觉效果美观，方便调试。

5 励磁系统改造方案

电厂根据到中国电器科学研究院和相关电厂运行情况考察后拟定了两套改造方案：

5.1方案一：由中国电器科学研究院技术人员到我厂进行励磁系统各盘柜板卡的安装及调试。将对励磁系统APCI机箱、CPU板、DSP板、I/O板、开关量总线板、模拟量总线板、智能I/O板、单片机系统板、功率柜智能板、功率柜脉冲板、灭磁柜智能板、灭磁柜传感器板、液晶显示器控制板、电源滤波器和高频脉冲变压器板及其柜内相关二次回路接线进行更换。

此种方案的优点在于更换板卡后只对励磁系统内部接线进行更改，不改变盘柜对外接线方式，确保改造后的励磁系统信号采集的准确性。缺点是中国电器科学研究院技术人员在现场进行板卡的安装，由于现场条件有限，安装工艺和安装质量有可能会出现一些小瑕疵，柜内各电器元件已运行较长时间，有可能存在老化现象，且改造所需工时较长，原系统在设计、制造过程中对各个板卡和板块间电磁干扰的认识和采取的措施不够（如板卡间的电缆连接在布置及屏蔽等问题），致使设备在运行过程中产生误报警及通讯故障。所以即使更换板卡，电磁干扰的问题也不能彻底根除。

5.2方案二：由中国电器科学研究院重新组装一面调节柜，整体调试好后运至我厂将调节柜整体更换，功率柜和灭磁柜板卡现场更换。将在广科院内重新组装并调试好一面调节柜，在现场对励磁系统调节柜进行整体更换。

此种方案的优点在于广科院组装及调试场所各条件都较为完备，在其院内安装及调试的设备无论从安装工艺、安装质量和设备整体性能都更加可靠，且改造所需工时较短。励磁系统是一个对可靠性要求非常高的设备，每一个元器件的质量及元器件间的配合都是非常重要，新的调节柜相对旧的调节柜，在设计上，硬件回路更简洁、可靠，抗干扰措施更强，盘柜的接地屏蔽等措施更到位。缺点是更换调节柜需对调节柜整体进行吊装，由于调节柜位于调速器电气柜和励磁系统功率柜之间，且柜体底部与基础槽钢进行了焊接，吊装调节柜存在一定的难度；其次调节柜整体更换后其外部接线需重新核对并接入端子。

经过电厂各部门领导及厂家研究决定，此次励磁系统改造采用方案二。

6 励磁系统的改进

6.1 功能设计

6.1.1更换CUP程序：更换为广州擎天最新的（PID+PSS2A）程序

6.1.2 开关量板：

1）实现各种开关量信号转接；

2）实现脉冲控制，如残压起励、切脉冲、功率柜脉冲投退等；

3）智能均流给定，用于功率柜闭环均流调节；

4）模拟量输出转接，试验用途；

5）DC24V电源检测；

6）通道切换操作；

7）增、减磁操作。

8）A/B通道故障检测及自动切换控制；

9）同步信号及脉冲输出；

6.1.3 模拟量板：

1）对机端PT、CT、系统PT、励磁变副边CT等交流采样电气量实现电气隔离；

2）对模拟量进行信号调理；

3）与DSP板连接，将上述隔离后电气量送入DSP板；

4）过励保护信号测量及整定（晶体管输出）；

5）10%Ug电压信号测量（晶体管输出）；

6）C通道的调节控制及脉冲输出；

7）AVR、PSS环节测试及试验信号输入接口；

8）与开关量总线板连接。

6.1.4 智能IO板：

智能IO板在EXC9000励磁系统智能单元中编号为IIU，本板由单片机、CAN总线接口、光电隔离电路、串行通讯接口、输出继电器及其控制回路等组成。IIU通过CAN总线接收励磁系统信息并将其转换成I/O信号后，一方面通过继电器接点输出，以便电站监控系统以接点方式接入获取励磁系统信息；同时，也可以通过RS485串行通讯口与电站监控系统相连。

6.1.5 现地LOU板：

LOU板是EXC9000励磁系统的操作核心部件，管理CAN总线来的励磁系统状态信息及操作命令，通过CAN总线或转换成I/O信号对系统的部件进行操作。本板完成的操作控制逻辑包括：起励控制、通道跟踪投切控制、系统电压跟踪投切控制、逆变灭磁失败检测、人工投切PSS控制等。

6.1.6 功率柜智能控制板：

该板用于功率柜的智能检测和控制，可以实现功率柜的每个桥臂电流检测、冷却风温检测、快熔监测、阻容保护监测、风压监测、智能均流控制、风机开停控制、功率柜电流显示校准、功率柜设置、CAN通讯等功能。

6.1.7 功率柜智能化控制系统：

在每个功率柜内设计有一套智能控制系统，该系统包括智能检测单元、通讯接口、传感器、LCD显示器、以及相应的输入输出接口电路等。由于引入了智能控制系统，取消了常规表计和指示灯，功率柜的操作、控制、状态监视、信息传递、信息显示等均实现了智能化。

6.1.8 灭磁柜智能控制板：

灭磁柜智能控制板的硬件电路和功率柜智能控制板完全一致。

7 结束语

四川省紫坪铺水电厂在3#机组励磁系统改造后励磁系统各项指标均达到国标要求。功能软件化、系统数字化，在抗干扰能力、软件逻辑设计及元器件制造质量上更加可靠，截止到目前为止，未出现误报警、通信故障及误强励等故障情况，运行基本稳定，可靠，完全符合励磁系统改造后的各项功能指标，对于维持电力系统的稳定运行和电厂的安全经济运行发挥着重要的作用。

参考文献

[1] 《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》―1995.

[2] 《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置运行、检修规程》―1999.

[3] 《继电保护和安全自动装置技术规程》―2006.