发电机励磁系统远程监测诊断应用研究

李永忠，李福龙，李小军，徐玉滔，李松

（1.贵州电力试验研究院，贵阳 550000；2.北京四方继保自动化股份有限公司，北京 100094）

0 引言

目前，我国电网已进入超高压、远距离、大容量、大机组、交直流混合互联电网的新阶段，发电机组运行状态决定着电网是否能够安全、稳定运行，而发电机励磁系统对电力系统的稳定性有着重要影响。发电机励磁系统远程监测诊断应用研究内容为：建立发电厂励磁系统故障诊断模型，建立系统指标评价模型，分析机网特性相互耦合性，建立相应的评估系统和专家决策系统；以设备在线监测为手段，搭建涉网设备的预警监测平台，远程对涉网设备运行状况进行实时监测，及时发现影响电网安全、稳定运行的因素，对电源侧引起的低频振荡发出提示并进行抑制或切除，保证电网安全、稳定运行；对系统参数进行记录，方便进行事故分析，通过系统研究总结出反事故措施并提出技术管理规范［1］。

1 远程监测诊断系统

在电厂侧电子间部署CSC-800M分布式数据采集与通信管理机，获取火电厂分散控制系统（DCS）或水电站监控系统中励磁相关的数据，转发给CSC-850励磁系统远程监测诊断装置；对存储后的励磁数据进行分析、计算，判断故障现象、类型并录波，将录波数据加时标后发送给部署在集控室的站端展示工作站，进行站端的分析、计算及显示。发电机励磁系统监测诊断系统总体结构如图1所示。

发电机励磁系统远程监测诊断应用研究共分5个模块：发电机状态监测与评估功能模块；励磁系统异常和故障类型的统计评价功能模块；调节器比例-积分-微分（PID）性能监测评价功能模块；调节器电力系统稳定器（PSS）抑制低频振荡能力的监测评价功能模块；励磁调节器内部限制与保护定值的监测评价功能模块。

CSC-850发电机励磁系统监测诊断装置对电厂电压互感器（PT）、电流互感器（CT）等模拟量直接采样，对采集的原始数据中的模拟量进行有效值计算，计算机端电压、机端电流、励磁电压、励磁电流、有功功率及无功功率的标幺值，并对模拟量进行异常数据的判别和剔除，如图2所示。

根据CSC-850的板卡采集的数值，计算机端电压Ut、仪表电压（励磁变压器高压侧电压）U1、阳极电压（励磁变压器低压侧电压）Usync、机端电流（定子电流）It、励磁变压器低压侧电流I2、发电机频率fr、发电机有功功率Pe、发电机无功功率Qe、励磁电压Ud、励磁电流Id、功角和发电机角速度，供5个高级应用模块使用。

图2 异常数据的判别和剔除

1.1 发电机状态监测与评估功能模块

以CSC-850励磁系统远程监测诊断装置预处理的I／O板卡采集数据为基础，依据预设定的分析评估规则对电厂发电机组相关数据进行监测（如图3所示），在高级应用展示工作站实时显示监测数据及波形。根据监测数据判断发电机运行状态是否正常，若出现非正常现象则进行报警／越限、录波，同时将录波文件上送站端，进行高级应用分析。

图3 发电机状态监测评估规则

1.2 励磁系统异常和故障类型的统计评价功能模块

基于CSC-850发电机励磁系统监测诊断装置从现场传感器直接采集的励磁相关数据，建立电厂机组励磁系统的远程监测和诊断系统。通过判断DCS及CSC-850分析得到的开关量、报警量和过电压吸收情况等，当机组励磁系统出现故障、告警等非正常运行现象（励磁系统有开关量报警变位）时，对励磁系统的故障类型进行打分处理，并能自动将异常时的重要模拟量和主要开关量进行录波，形成录波文件。在高级应用展示工作站实时显示评分及评估结果，并通过短信的方式告知相关技术人员。如果励磁系统的状态评估分数高于设置的分数，则在高级应用展示工作站发出“励磁系统存在异常，必须检修”的提示信息；如均低于设置的分数，则分数较高的优先安排检修。励磁系统状态评估分数见表1。

表1 励磁系统状态评估分数

1.3 调节器PID性能监测评价功能模块

在CSC-850发电机励磁系统监测诊断装置中建立各励磁厂家的调节器PID控制模型及控制参数知识库，目前，贵州电网所采用的励磁调节器型号包括：广州电器科学研究院EXC 9000，ABB公司unitrol 5000／unitrol 6000，南京南瑞集团公司电气控制分公司NES 5100及北京四方继保自动化股份有限公司GEC-300系列。通过选择PID模型及控制方式，可得到励磁调节器PID的传递函数。当励磁系统在自动状态时，将CSC-850发电机励磁系统监测诊断装置采集的机端电压Ut与给定电压Ur代入PID传递函数中，可计算得到励磁调节器（AVR）输出控制电压Uc1；同时，通过采集的励磁电压Ud与交流阳极电压Uab可反算出控制电压Uc2，公式如下

式中：k为系数。

Uc1与 Uc2相差10%以上，说明励磁调节器的PID性能达不到要求，需对其进行录波分析；相差10%以下，证明调节器的PID性能良好。调节器PID性能判断规则如图4所示（图中：U2为发电机空载时可控硅的阳极电压；Ud0为发电机空载励磁电压；α为可控硅触发角）。

1.4 调节器PSS抑制低频振荡能力的监测评价功能模块

在CSC-850发电机励磁系统监测诊断装置中建立PSS模型及控制参数知识库，PSS模型划分为PSS1A（单输入），PSS2A（双输入），PSS2B（双输入）和PSS4B（多频段），根据实际控制方式选择其PSS模型［2］。通过CSC-850发电机励磁系统监测诊断装置从现场传感器直接采集励磁相关数据以及接收与DCS通信得到的励磁相关数据，可计算得到PSS输出量Urpss，当Urpss大于设定值时，录制发电机有功功率的波形，上传到子站计算发电机有功功率振荡曲线的阻尼比，与子站中无PSS时相同频率下的低频振荡阻尼比相比较，若投PSS算得扰动响应曲线的阻尼比大于无PSS时的阻尼比，则PSS对抑制低频振荡有显著效果。调节器PSS抑制低频振荡能力判断规则如图5所示。此功能对于评价PSS的动作性能意义重大，并可为将来的PSS参数优化积累基础资料。

1.5 励磁调节器内部限制与保护定值的监测评价功能模块

在CSC-850发电机励磁系统监测诊断装置中建立各励磁厂家励磁调节器的内部保护、限制逻辑模型及参数知识库，基于CSC-850同步采集的发电机机端电压、机端电流、励磁电压、励磁电流等模拟量，以及灭磁开关常开节点、过电压保护动作节点、启励接触器动作节点等开关量，根据已选择的励磁调节器的内部保护和限制逻辑模型（包括低励报警／限制、强励报警／限制、伏赫兹报警／限制、定子过电流报警、PT断线等）进行计算，得到相应的判断结果，与DCS上传的励磁调节器的保护与限制动作开关量进行对比，判断励磁调节器是否存在误动、拒动现象［3］。

通过CSC-850发电机励磁系统监测诊断装置，根据采集的数据对励磁调节器相关电气量运行趋势进行监测，其中包括PT断线预警（在PT断线未动作之前，励磁PT与仪表PT采样之差大于3%小于10%）、强励预警（发电机励磁电流大于1.0 p.u.而未达到1.1 p.u.，时间超过1min）、定子过电流预警（定子电流大于1.0 p.u.而未达到1.1 p.u.，时间超过1min），如图6所示。

图4 调节器PID性能判断规则

图5 调节器PSS抑制低频振荡能力判断规则

图6 调节器内部限制与保护定值判断规则

2 子站展示与评估

励磁系统的5个高级应用功能模块如满足条件，则在CSC-850发电机励磁系统监测诊断装置形成录波文件，上传到子站进行显示、处理。子站的显示、处理是在机网协调系统远程监测诊断信息系统平台上开发应用的一个重要功能项，开发过程依托北京四方继保自动化股份有限公司的CyberControl工业自动化软件平台，该平台软件是对现场生产数据进行采集与过程控制的专用系统软件，支持大容量内存数据库技术，具有良好的安全性、稳定性、开放性和可扩展性。

在CyberControl软件平台的支持下，励磁高级应用各模块功能首先对电厂子站各机组的实时数据进行采集和处理，在实时服务器和历史服务器上建立稳定的数据库，然后通过扩展插件APP应用接口完成数据的查询、统计、运算和分析，最后输出有效的数据信息和方法，展示在软件平台的人机交互界面上，供专业人员查看和使用。

3 结束语

本文介绍的发电机励磁系统远程监测诊断装置，是通过对涉及发电机励磁系统各种状态量的采集、统计、分析及评估方法进行研究，建立了相应的分析评估模型，全面覆盖了励磁系统各个方面的内容，保证发电机励磁系统安全、稳定运行；同时，全面评估励磁系统的运行状态，对设备进行专业评价，协助相关人员掌握发电机励磁设备的运行状况，及时发现系统中可能存在的安全隐患，进行预警及专业的诊断分析，为生产管理决策和设备状态检修提供技术支撑。

［1］李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用［M］.北京：中国电力出版社，2002.

［2］方思立，朱方.电力系统稳定器的原理及其应用［M］.北京：中国电力出版社，1996.

［3］刘取.电力系统稳定性及发电机励磁控制［M］.北京：中国电力出版社，2007.