水轮发电机并网装置通讯与测控软件的开发

胡丽杰，刘 莹，梁 彬，王洪泉，高 尚，韩 波

(哈尔滨大电机研究所，哈尔滨 150040)

前言

随着水电事业的蓬勃发展，机组容量不断增大，机组和电网的安全运行及稳定性问题越来越引起关注。如果发电机由于某种原因运行在非正常情况下，可能会损坏机组，甚至会危及电网运行，以至于造成系统崩溃。这样，对电机设计就有一定的要求。由大电机研究所自主开发研制的水轮发电机电磁模型系统可以进行真机难以进行的各种机网特性的实验，对电机的设计及现场故障有一定的指导作用。

各种机网特性实验皆在发电机侧并到网侧的工况下进行的，而发电机侧并到网侧时有时会发生非准同期并网，对电网造成冲击[1]。本文针对发电机并网时相角差 0°～180°的工况进行试验，而发电机侧并到网侧是由上位计算机基于图形化编程语言 LabVIEW 编写的通讯与测控软件发出设置、控制、监控以及数据处理等各种命令包给并网装置及并网装置接收到命令包后协同工作实现的。首先，由水轮发电机电磁模型测控系统调节发电机侧到额定电压与额定转速（频率）；然后，由上位计算机测控软件遵循 UDP通信协议发送启动命令包启动并网装置。并网装置不仅对发电机侧与网侧进行电压与频率测量，而且对发电机侧的电压与频率进行微调使其与网侧的电压与频率在容错范围内符合并网要求；最后，并网装置不断地检测电机侧与网侧的相角差，在所设置的相角差出现时并网装置自动发出信号，断路器主触点闭合实现发电机并网。

1 UDP协议

UDP协议的全称是用户数据包协议[2]。它具有无连接，通信效率高，一次传送少量数据的特点。而并网装置的通信特点恰好符合UDP协议的特点，在发电机达到额定转速，端部输出额定电压时装置投入工作，通讯与测控软件发出打包指令，装置经CRC校验[3]无误时返回数据包，进行并网过程，此过程数据量不多，并网成功后装置闭锁，工作结束。

1.1 应用LabVIEW编写的UDP通讯程序框图

表1 读寄存器命令帧

表2 无异议应答帧

本文上位计算机与并网装置进行通讯时，上位计算机多是以主态与并网装置进行通讯。上位计算机发送打包命令给并网装置，当并网装置对上位计算机发送来的命令包无异议时会返回应答包。以读寄存器命令为例，上位计算机所发命令帧如表1所示，并网装置无异议应答帧如表2所示。

图1 UDP通讯程序框图

在用LabVIEW编写UDP通讯程序时，要用写入和读取UDP数据通讯控件。将控件调入后，还需编写并网装置所使用的端口9500，与上位计算机通讯可以设置的IP地址192.168.0.150，以及根据UDP协议命令帧格式所发送的数据包。在并网装置接收到上位计算机所发送的数据包后对其进行CRC校验，无异议时向上位计算机返回数据包，上位计算机再对并网装置所返回的数据包进行读取，为了解决整个过程的时序问题，在编写程序时采用顺序结构[4]。UDP通讯程序框图如图1所示。

在CRC校验算法中采用公式节点的程序结构。公式节点基本上弥补了图形化开发语言相对于文本语言的缺陷，其语法与C语言基本相同，图1中CRC算法[5]子程序框图如图2所示。

2 通讯与测控软件结构框图

并网装置通讯与测控软件结构框图如图3所示，包括界面管理模块、初始化模块、运行监视模块、事件读取模块。其中，初始化模块包括装置参数设置模块、同期参数设置模块，此两模块皆复位后方可生效；运行监视模块在并网过程中是核心模块，可以实时监视并网的整个过程；事件读取模块记录并网过程中网侧与发电机侧的电压变化。

图3 并网装置通讯与测控软件框图

3 通讯与测控软件界面

在软件的编程过程中，人机界面非常重要，因为它直接与操作员产生信息交流，友好的人机界面要求能真实再现测控设备的状态以及准确地采集存储所需参数的数据波形，这主要依靠LabVIEW的控件组合及原代码完成。整个人机界面包括误同期并网试验监测系统主控界面、装置参数初始化界面、误同期参数初始化界面、运行监视界面、录波事件界面，各画面间可以相互切换。当然也可根据用户习惯编辑不同的人机界面，具有很好的灵活性。并网装置通讯与测控软件主控界面如图4所示。

图4 并网装置通讯与测控软件主控界面

运行监视界面如图5所示，可以实时监测并网前后的过程，是整个通讯与测控软件的核心部分。最醒目的表盘式同步表被平均分成36份，每份表示相角差为10°。当电机侧频率高于网侧频率时，指针顺时针转；反之，逆时针旋转。同步表左侧的柱状图，可以直观地显示允许频差范围内频差的大小。当频差为正值时，说明电机侧频率高于网侧频率；反之，电机侧频率低于网侧频率。为了防止发电机从网侧吸收有功功率，我们将电机侧频率设置成高于网侧频率[6]。同理，同步表右侧的柱状图显示的是允许压差范围内压差的大小，为了防止发电机从网侧吸收无功功率，将电机侧电压设置成高于网侧电压；同时，显示电机侧、网侧的频率、频差、电压、压差、相角差的数据；并且，可以改变相角差及相角方向，防止设置的相角差及相角方向与所要设置的不同，不仅更新相角差，还要进行相角差的读取。

首先，水轮发电机电磁模型测控系统调节发电机侧到额定电压与额定转速（频率）。其次，投入并网装置，直到“就绪”指示灯亮，按下“启动同期”按钮，一些指示灯会根据当前工况实时显示电机侧或网侧频率、电压的高低。并网装置会根据压差、频差的高低给出调频、调压信号，直到频差、压差在允许范围内，“同期过程中”指示灯亮。等待所设置的相角差出现，同时同步表也实时显示相角差，在所设置的相角差出现时提前断路器合闸时间长并网装置发出合闸信号，待到相角差出现时断路器主触点恰好闭合，并网装置检测到断路器辅助节点合闸的信息后“并网成功”指示灯亮，完成并网。最后，并网装置闭锁，退出系统，完成自己的使命。在下一次并网前，先按下“复位”按钮，对装置进行复位。其他界面不再详述。

图5 并网装置通讯与测控软件运行监视界面

4 试验结果与分析

相角差0°～180°并网装置通讯与测控软件在水轮发电机电磁模型系统中已得到成功应用。由于并网点在电机侧与网侧之间有变压器，所以有30°的相角补偿。选取典型相角差下电压波形图如图6～8。

图6 0o相角差并网电压波形

图7 120°相角差并网电压波形

图8 180o相角差并网电压波形

5 结论

本文在 LabVIEW 软件平台下编写的并网装置通讯与测控软件，在电磁模型系统中的应用表明，此通讯与测控软件具有开发时间短、界面友好、操作简单、模块化、可移植性及应用可靠性等特点。并从相角差0°～180°并网的电压波形可得，不同相角差对网侧及发电机侧的冲击不同，其波形对电站现场故障分析有一定的指导作用。

[1]吴希再, 熊信银, 张国强. 电力工程[M]. 华中科技大学出版社, 1996.

[2]陈锡辉, 张银鸿. LabVIEW8.20程序设计从入门到精通[M]. 清华大学出版社, 2007.

[3]Rick Bitter, Taqi Mohiuddin, Matt Nawrocki,LabVIEW Advanced Programming Techniques[M].CRC Press. 2006.

[4]Jon Conway, Steve Watts. A Software Engineering Approach to LabVIEW[M]. Prentice Hall PTR.2004.

[5]杨乐平, 李海涛, 赵勇. LabVIEW 高级程序设计[M].清华大学出版社, 2003.

[6]Robert J. Best, D. John Morrow, Peter A. Crossley,Out-of-Phase Synchronization of a Small Alternator[J], IEEE Proceedings, Vol. 137, pp 435–443, September 2007;