基于PAC的發(fā)電機同期過程監(jiān)測裝置

1 應用背景

　發(fā)電機啟動后，經(jīng)調(diào)速系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)的綜合控制，使發(fā)電機機端輸出達到額定電壓后，即開始同期并網(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(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，將在發(fā)電機和電網(wǎng)間出現(xiàn)無功性質(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°時沖擊電流最大，會產(chǎn)生巨大的電動力和引起發(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：電壓差時大時小成了拍振電壓，拍振電流也時大時小，并出現(xiàn)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，頻差大時，由于轉(zhuǎn)子磁極和電樞磁場間相對速度過大，很難拉入同步。

(4) 相序不同：發(fā)電機永遠不能拉入同步，在并列時還將產(chǎn)生很大的相當于相間短路的環(huán)流，強大的電動力可能使發(fā)電機遭受嚴重的損壞。一般在發(fā)電機安裝過程中，相序都已經(jīng)認真核查正確。
　實際工作中，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°。目前國內(nèi)同期裝置的生產(chǎn)廠家都按國家標準進行生產(chǎn)，并允許用戶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間后，要進行生產(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(xiàn)場完成)，合格后再次并網(wǎng)發(fā)電。此時，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(tǒng)強行帶入電網(wǎng)的情況時有發(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)電機組整套啟動并網(wǎng)試驗前需要對同期裝置進行動、靜態(tài)調(diào)試[2]。

　一般監(jiān)視以下幾個電氣量：(1)發(fā)電機機端電壓；(2)系統(tǒng)電壓；(3)同期裝置（微機）輸出開關量端口(發(fā)出合閘指令)； (4)合閘斷路器狀態(tài)(實際合閘動作)。一般在合閘指令發(fā)出時，通過監(jiān)視發(fā)電機機端電壓和系統(tǒng)電壓的壓差、頻率差和相位差以及實際合閘動作時間(通常在合閘指令發(fā)出后30 ms左右)來判斷同期系統(tǒng)的工作狀況。筆者根據(jù)需求，經(jīng)過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開發(fā)了多功能電氣參數(shù)測試儀，并且完整地實現(xiàn)了發(fā)電機同期觀察過程的檢測。

2 應用設備概況

2.1 ADAM-5550KW

　ADAM-5550KW是一款8槽可編程自動化控制器(PAC)，其硬件系統(tǒng)主要包括兩個部分：主機箱和I/O模塊。主機箱包括：一塊CPU卡、一個電源模塊、一塊8 槽無源底板和4個串行通信接口。內(nèi)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(shù)據(jù)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端口的實時、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。既能通過軟邏輯軟件KW-Multiprog采用PLC的編程語言進行編程，也可以用.NET或eVC來編程，還可以將這兩者結合起來同時使用。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(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；采用2 個同步采樣A/D 電路，每個電路處理6 路同步采樣信號，2 個電路之間實現(xiàn)同步，這樣就實現(xiàn)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(jiān)視同期的目標，首先要從發(fā)電機和系統(tǒng)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。可進一步使用120/7的電量變送器,將PT二次側電壓轉(zhuǎn)換到ADAM-5017S的輸入范圍。

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

3.2 微機開出端口和斷路器端口狀態(tài)（開關量）

　在同期裝置的微機開關量輸出端口中，可以監(jiān)測到合閘指令發(fā)出動作。在合閘斷路器處，可以監(jiān)測到實際合閘動作。

　這里有兩個需要注意的地方：(1)動作時間差在毫秒級；(2)根據(jù)現(xiàn)場情況的不同，實際合閘動作的開關處可能是無源節(jié)點也可能是有源節(jié)點。

　由于ADAM 5000系列沒有達到毫秒級的開關量監(jiān)測模塊，因此在電路中，可將開關狀態(tài)轉(zhuǎn)換為模擬量，即斷開狀態(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(jù)電壓水平判斷動作時間。

　考慮有源和無源節(jié)點的差異，準備2路有源節(jié)點和2路無源節(jié)點，這樣需要用掉ADAM-5017S的4個同步采樣通道。

3.3 其他電氣量

　在其他應用場合，也可能需要同時采集發(fā)電機的轉(zhuǎn)子勵磁電壓和勵磁電流。需要用掉ADAM-5017s的2個同步采樣通道。也可以將3個系統(tǒng)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(jiān)測等相關實驗。

4 系統(tǒng)結構設計

4.1 現(xiàn)有設備問題

　由現(xiàn)場PT、CT輸出的電量信號經(jīng)電量變送器轉(zhuǎn)化為-10 V～+10 V范圍內(nèi)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）送回上位機，以監(jiān)測和分析同期過程中每個時刻所有電氣參數(shù)的瞬時值。

　基本思路如下：

(1) 假定Multiprog負責5017S數(shù)據(jù)采樣的Task周期設置為8 ms，以保證兩個相鄰訪問周期中，F(xiàn)IFO中的數(shù)據(jù)能形成連貫的正弦波形。可以通過程序判斷FIFO中哪些是新到數(shù)據(jù)，哪些是上個周期已經(jīng)讀過的數(shù)據(jù)。

(2) Modbus/TCP使上位機可以通過Modbus空間訪問到瞬時數(shù)據(jù)，但由于交互命令的速度無法保證兩次訪問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MultiProg將數(shù)據(jù)保存下來。但MultiProg能訪問的最大地址空間為64 KB[4]，12個通道按1 kb/s的采樣速率,幾秒鐘后就沒有空間可存放數(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#等高級語言開發(fā)驅(qū)動軟件，訪問MultiProg所管理的Modbus空間。因此考慮在WinCE中開發(fā)一個中間軟件,將數(shù)據(jù)從有限的Modbus空間快速復制到5550KW的128 MB內(nèi)存空間中，然后通過TCP/IP協(xié)議送往上位機。

4.2 系統(tǒng)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)議實現(xiàn),采集數(shù)據(jù)的上行通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

4.3 系統(tǒng)總體設計思路

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

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

5 系統(tǒng)功能展現(xiàn)

　本系統(tǒng)設定采樣速率為1 600 Hz，經(jīng)測試，數(shù)據(jù)可以穩(wěn)定地在數(shù)據(jù)采樣的同時,通過TCP/IP協(xié)議上傳到上位機，在上位機實現(xiàn)有效值、相位等信息的即時計算。采樣結束后，圖形可以立即展示出來，無需長時間等待。

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

　停止同期觀察過程，顯示結果如圖4所示。界面右端顯示：Us為系統(tǒng)電壓，Ug為發(fā)電機機端電壓，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，開始錄波時，壓差很大。隨著調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)整，壓差逐漸減小，從瞬時值的包絡線和壓差有效值曲線都可以觀察到這個過程。

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

圖6所示為放大合閘動作發(fā)出的瞬間?？梢杂^察到合閘指令在錄波開始后5 278.9 ms發(fā)出，合閘繼電器在5 308.3 ms合閘成功，時間差為30 ms。此時電壓差、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設計的多功能電氣參數(shù)測試儀所開發(fā)的發(fā)電機同期過程觀察已經(jīng)通過相關電力測試，并且在電場得到應用，運行穩(wěn)定。

　發(fā)電機同期過程觀察只是用ADAM-5550KW和ADAM-5017S開發(fā)的多功能電氣參數(shù)測試儀的一個子功能。使用該系統(tǒng)還可以完成小電流試驗、勵磁系統(tǒng)升壓、起勵、滅磁和并網(wǎng)等多項發(fā)電機檢修后必須進行的電氣參數(shù)測量實驗。此外，與變壓器相關的各項電氣參數(shù)實驗也可以使用本系統(tǒng)完成。