基于PAC的發(fā)電機(jī)同期過(guò)程監(jiān)測(cè)裝置

1 應(yīng)用背景

　發(fā)電機(jī)啟動(dòng)后，經(jīng)調(diào)速系統(tǒng)和勵(lì)磁系統(tǒng)的綜合控制，使發(fā)電機(jī)機(jī)端輸出達(dá)到額定電壓后，即開(kāi)始同期并網(wǎng)的準(zhǔn)備工作。同期并網(wǎng)的理論條件是：待并發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)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(jī)和電網(wǎng)間出現(xiàn)無(wú)功性質(zhì)的環(huán)流，該環(huán)流將對(duì)發(fā)電機(jī)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(jī)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(jī)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(xiàn)有功分量。該有功分量電流在機(jī)軸上產(chǎn)生變換方向的力矩，使發(fā)電機(jī)振動(dòng)，頻差大時(shí)，由于轉(zhuǎn)子磁極和電樞磁場(chǎng)間相對(duì)速度過(guò)大，很難拉入同步。

(4) 相序不同：發(fā)電機(jī)永遠(yuǎn)不能拉入同步，在并列時(shí)還將產(chǎn)生很大的相當(dāng)于相間短路的環(huán)流，強(qiáng)大的電動(dòng)力可能使發(fā)電機(jī)遭受嚴(yán)重的損壞。一般在發(fā)電機(jī)安裝過(guò)程中，相序都已經(jīng)認(rèn)真核查正確。
　實(shí)際工作中，由于干擾和采樣精度等客觀條件的影響,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(guó)內(nèi)同期裝置的生產(chǎn)廠家都按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行生產(chǎn)，并允許用戶設(shè)定更為理想的同期合閘條件。

　然而發(fā)電機(jī)投入運(yùn)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(yàn)研究院在現(xiàn)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(shè)備也存在不同程度的老化，同期性能可能已經(jīng)達(dá)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(jī)被系統(tǒng)強(qiáng)行帶入電網(wǎng)的情況時(shí)有發(fā)生，這對(duì)發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)運(yùn)行都存在不良影響,所以在發(fā)電機(jī)組整套啟動(dòng)并網(wǎng)試驗(yàn)前需要對(duì)同期裝置進(jìn)行動(dòng)、靜態(tài)調(diào)試[2]。

　一般監(jiān)視以下幾個(gè)電氣量：(1)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓；(2)系統(tǒng)電壓；(3)同期裝置（微機(jī)）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(jiān)視發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和系統(tǒng)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(tǒng)的工作狀況。筆者根據(jù)需求，經(jīng)過(guò)多種方案的對(duì)比選擇，最終選定臺(tái)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(shù)測(cè)試儀，并且完整地實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)同期觀察過(guò)程的檢測(cè)。

2 應(yīng)用設(shè)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(tǒng)主要包括兩個(gè)部分：主機(jī)箱和I/O模塊。主機(jī)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(nèi)置兩塊CPU,上層AMD GeodeTM GX533M CPU負(fù)責(zé)相當(dāng)于PC機(jī)部分的工作，如HMI軟件、數(shù)據(jù)庫(kù)支持，強(qiáng)大的運(yùn)算能力等。下層ARM7 CPU負(fù)責(zé)底層I/O模塊的操作和控制,保證I/O端口的實(shí)時(shí)、穩(wěn)定、可靠操作。配置有128 MB DDR SDRAM內(nèi)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(tǒng)，內(nèi)嵌ProConOS內(nèi)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(jié)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(shè)備交換數(shù)據(jù)。

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類型的輸入緩沖區(qū))；單通道最快3 kHz采樣速率，輸入為±10 V、±5 V等雙極性信號(hào)；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(hào)，2 個(gè)電路之間實(shí)現(xiàn)同步，這樣就實(shí)現(xiàn)了12 路同步采樣。

3 需要采集的電氣量標(biāo)準(zhǔn)

3.1 電壓信號(hào)（模擬量）

　為達(dá)到監(jiān)視同期的目標(biāo)，首先要從發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)連接的PT二次側(cè)獲得電壓信號(hào)。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，PT二次側(cè)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(cè)電壓轉(zhuǎn)換到ADAM-5017S的輸入范圍。

　如有必要可同時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)機(jī)端和系統(tǒng)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(jī)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(jī)開(kāi)關(guān)量輸出端口中，可以監(jiān)測(cè)到合閘指令發(fā)出動(dòng)作。在合閘斷路器處，可以監(jiān)測(cè)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(jí)；(2)根據(jù)現(xiàn)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(jié)點(diǎn)也可能是有源節(jié)點(diǎn)。

　由于ADAM 5000系列沒(méi)有達(dá)到毫秒級(jí)的開(kāi)關(guān)量監(jiān)測(cè)模塊，因此在電路中，可將開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為模擬量，即斷開(kāi)狀態(tài)對(duì)應(yīng)5 V，合閘狀態(tài)對(duì)應(yīng)0 V，將其送入ADAM-5017S中與電壓量同步采樣，由軟件根據(jù)電壓水平判斷動(dòng)作時(shí)間。

　考慮有源和無(wú)源節(jié)點(diǎn)的差異，準(zhǔn)備2路有源節(jié)點(diǎn)和2路無(wú)源節(jié)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(yīng)用場(chǎng)合，也可能需要同時(shí)采集發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓和勵(lì)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(tǒng)電壓通道換成采集發(fā)電機(jī)三相電流,可做并網(wǎng)后的功率輸出監(jiān)測(cè)等相關(guān)實(shí)驗(yàn)。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 現(xiàn)有設(shè)備問(wèn)題

　由現(xiàn)場(chǎng)PT、CT輸出的電量信號(hào)經(jīng)電量變送器轉(zhuǎn)化為-10 V～+10 V范圍內(nèi)的電壓信號(hào)送入ADAM-5017S。在KW-Multiprog軟件的編程中，按照設(shè)定的采樣頻率用ADAM-5017S對(duì)信號(hào)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(tǒng)要求，必須將采集的電壓電流波形數(shù)據(jù)（ms級(jí)）送回上位機(jī)，以監(jiān)測(cè)和分析同期過(guò)程中每個(gè)時(shí)刻所有電氣參數(shù)的瞬時(shí)值。

　基本思路如下：

(1) 假定Multiprog負(fù)責(zé)5017S數(shù)據(jù)采樣的Task周期設(shè)置為8 ms，以保證兩個(gè)相鄰訪問(wèn)周期中，F(xiàn)IFO中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，哪些是上個(gè)周期已經(jīng)讀過(guò)的數(shù)據(jù)。

(2) Modbus/TCP使上位機(jī)可以通過(guò)Modbus空間訪問(wèn)到瞬時(shí)數(shù)據(jù)，但由于交互命令的速度無(wú)法保證兩次訪問(wèn)Modbus空間的間隙中不丟失數(shù)據(jù)(即使得波形不連續(xù))，因此必須通過(guò)MultiProg將數(shù)據(jù)保存下來(lái)。但MultiProg能訪問(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(shù)據(jù)。

(3) 但ADAM-5550KW的WinCE5.0操作系統(tǒng)支持使用Window.Net 環(huán)境下的C#等高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)軟件，訪問(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(shù)據(jù)從有限的Modbus空間快速?gòu)?fù)制到5550KW的128 MB內(nèi)存空間中，然后通過(guò)TCP/IP協(xié)議送往上位機(jī)。

4.2 系統(tǒng)組成原理

上位機(jī)和下位機(jī)之間的信號(hào)(狀態(tài)信號(hào)、控制信號(hào))通信由Modbus/TCP協(xié)議實(shí)現(xiàn),采集數(shù)據(jù)的上行通過(guò)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

4.3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

　按照數(shù)據(jù)流程，將整個(gè)系統(tǒng)劃分為三個(gè)功能模塊：(1)下位機(jī)數(shù)據(jù)提取模塊;(2)下位機(jī)數(shù)據(jù)收集與上傳模塊;(3)上位機(jī)數(shù)據(jù)接收與分析處理模塊。

　Modbus空間的作用如圖2所示，下位機(jī)數(shù)據(jù)提取模塊在Multiprog 中編程實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)將5017S FIFO中的數(shù)據(jù)送到Modbus空間；下位機(jī)數(shù)據(jù)收集與上傳模塊在WinCE下編程實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)從Modbus空間中收集數(shù)據(jù)，并在采集結(jié)束時(shí)(采樣頻率非常高，數(shù)據(jù)量巨大時(shí))或者在采集過(guò)程中(采樣頻率一般，數(shù)據(jù)量不大時(shí))上傳到上位機(jī)；上位機(jī)數(shù)據(jù)接收與分析處理模塊在收到下位機(jī)的上傳請(qǐng)求時(shí)接收數(shù)據(jù)并緩存起來(lái)以供分析處理。

5 系統(tǒng)功能展現(xiàn)

　本系統(tǒng)設(shè)定采樣速率為1 600 Hz，經(jīng)測(cè)試，數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定地在數(shù)據(jù)采樣的同時(shí),通過(guò)TCP/IP協(xié)議上傳到上位機(jī)，在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)有效值、相位等信息的即時(shí)計(jì)算。采樣結(jié)束后，圖形可以立即展示出來(lái)，無(wú)需長(zhǎng)時(shí)間等待。

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

　停止同期觀察過(guò)程，顯示結(jié)果如圖4所示。界面右端顯示：Us為系統(tǒng)電壓，Ug為發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，Us _Ug為電壓差。從整體圖形上可以觀察到，由于相位差的顯著影響，開(kāi)始錄波時(shí)，壓差很大。隨著調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)整，壓差逐漸減小，從瞬時(shí)值的包絡(luò)線和壓差有效值曲線都可以觀察到這個(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(tǒng)電壓、發(fā)電機(jī)機(jī)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。可以觀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(tǒng)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(shè)計(jì)的多功能電氣參數(shù)測(cè)試儀所開(kāi)發(fā)的發(fā)電機(jī)同期過(guò)程觀察已經(jīng)通過(guò)相關(guān)電力測(cè)試，并且在電場(chǎng)得到應(yīng)用，運(yùn)行穩(wěn)定。

　發(fā)電機(jī)同期過(guò)程觀察只是用ADAM-5550KW和ADAM-5017S開(kāi)發(fā)的多功能電氣參數(shù)測(cè)試儀的一個(gè)子功能。使用該系統(tǒng)還可以完成小電流試驗(yàn)、勵(lì)磁系統(tǒng)升壓、起勵(lì)、滅磁和并網(wǎng)等多項(xiàng)發(fā)電機(jī)檢修后必須進(jìn)行的電氣參數(shù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。此外，與變壓器相關(guān)的各項(xiàng)電氣參數(shù)實(shí)驗(yàn)也可以使用本系統(tǒng)完成。