同步发电机

LF2000系列 同步发电机 全数码励磁装置 原理及使用说明 北京重型电机厂 威望博尔（北京）科技发展有限公司 二零零五年四月 公司简介 威望博尔（北京）科技发展有限公司由北京重型电机厂和北京华明海博尔控制技术有限公司共同投资成立的股份公司，是北京市高新技术产业办公室认定的高新技术企业，并通过ISO9000质量体系认证，是专业从事电力系统自动化及节能产品的研究开发、生产销售及售后服务的高科技公司。 公司遵循“开拓、敬业、创新、务实”的企业精神，以技术为先导、以质量求生存、以客户的需求为己任，以适应市场变化求发展。公司现有员工100人，拥有一批以学术、学科带头人为主的中、高级专业技术人员、精明干练的管理队伍和熟练的技术员工。 公司拥有大型的现代化厂房及先进的生产和测试设备，拥有自己的动态模拟实验室，属国内一流的专业电力自动化设备的供应商。公司自成立以来，其业务范围遍及能源、冶金、石油、化工、化肥、水利、环保等领域，并取得了丰硕的业绩。 威望博尔（北京）科技发展有限公司欢迎各界朋友前来进行广泛的技术交流与合作，欢迎同行及专家莅临指导。 公司主导产品： · LF2000系列同步发电机全数码励磁装置 · LD2000 系列同步电动机全数码励磁装置及改造装置 · KBLD系列同步电动机励磁装置及改造装置 · HAS1000系列电机节能软启动器 · GWK200系列同步发电机及变压器微机保护装置 · MWK210系列异步电动机微机综合保护装置 · LWK520系列微机线路保装置 · 代理国外知名牌变频器产品，承揽变频工程 目 录 第一章 概述………………………………………………………………………….1 1.1、主要特点………………………………………………………………………1 1.2、主要技术指标及功能………………………………………………………..3 1.3、型号及使用范围……………………………………………………………..4 第二章 系统配置…………………………………………………………………….5 2.1、硬件组成... ..…………………………………………………………………..5 2.2、主控单元硬件组成…………………………………………………………….5 2.2.1、可编程计算机控制器PCC.………………………………………….6 2.2.2、高性能16位嵌入式微控制器.…………………………………….7 2.2.3、先进32位嵌入式微控制器………..………………………………8 2.2.4、可编程控制器PLC.………………………………………………….9 2.3、功率单元…………………..……………………………………………….10 2.4、操作逻辑………………………..………………………………………….10 2.5、软件结构……………………..…………………………………………….10 2.5.1、软件设计方法………………………………………………………11 2.5.2、主控制程序…………………………………………………………14 2.5.3、主要保护功能………………………………………………………15 第三章 基本原理……………………………………………………………………18 3.1、概述………………………………………………………………………….18 3.2、工作原理…………………………………………………………………….19 3.3、单板原理…………………………………………………………………….20 3.4、励磁方式…………………………………………………………………….21 3.4.1、自并励静止励磁系统……………………………………………..21 3.4.2、三机静止励磁系统………………………………………………..21 3.4.3、具有直流励磁机的间接自励系统………………………………..22 3.4.4、开关管式励磁系统………………………………………………..22 第四章 操作说明…………………………………………………………………..23 4.1、人机界面操作与显示……………………………………………………….23 4.1.1、开机屏幕显示……………………………………………………..23 4.1.2、正常工作时屏幕显示……………………………………………..23 4.1.3、参数菜单显示……………………………………………………..23 4.1.4、菜单详解…………………………………………………………..24 4.2、就地操作说明………………………………………………………………..27 4.3、主控操作说明………………………………………………………………..27 4.4、运行指南……………………………………………………………………..28 4.4.1、运行方式…………………………………………………………..28 4.4.2、正常运行的操作…………………………………………………..28 第五章 其它………………………………………………………………………..30 5.1、结构介绍…………………………………………………………………….30 5.2、使用条件…………………………………………………………………….30 5.3、订货须知…………………………………………………………………….30 5.4、附录………………………………………………………………………….30 第一章 概述 随着电力系统的发展，发电机单机容量的增加，对发电机励磁控制系统提出了更高的要求。除维持发电机电压水平外，还要求励磁控制系统能对电力系统的静态和暂态稳定起作用。在提高励磁控制系统的可靠性及实现复杂控制规律方面，全数码励磁装置具有明显的优势。近年来数码控制技术发展迅速，应用技术日趋成熟，为全数码型自动励磁装置的开发提供了坚实的技术基础。 目前，在我国中小型同步发电机组中，采用的励磁方式大致有两种：一种是采用直流励磁机励磁方式，这是一种较为古老的方式，虽然原理简单，但运转噪音高，反应速度慢，故障率高，整流子和炭刷维护困难，而且维修期长，已远远不能满足现代电网对发电机励磁提出的要求，目前已有逐渐被取代的趋势；另一种方式是以半导体整流器为励磁功率单元，与调节器共同组成的所谓半导体励磁系统。采用此种方式，使用灵活，反应速度快，便于维修，它已成为同步发电机励磁的发展方向。目前，我国正在生产和使用的半导体励磁装置大多采用七十年代的模拟控制技术，设计线路复杂，元件较多，装置的整体性能不高，调试步骤繁多，参数难以精确整定，且存在无法解决的零漂温漂等问，维修困难，必须由具有相当专业素质的人员才能胜任这些工作。为尽快提高我国发电机组的运行水平，满足越来越大的电网对励磁系统所提出的越来越高的要求，我们研制了LF2000系列同步发电机全数码励磁装置。该励磁装置综合运用了同步发电机的现代励磁控制理论，采用目前国际上较流行的全数码控制技术及半导体可控整流技术，完全不同于以前采用模拟控制技术的励磁装置。其主控单元通过对同步发电机的运行参数、运行曲线及特性曲线进行优化处理，达到了对同步发电机运行的最佳控制。 LF2000系列全数码励磁装置已有五十多套运行于大、中、小型水、火电机组上，运行时间已超过七年，从未发生过因为励磁故障而造成停机事故，为企业创造了良好的社会效益和经济效益。 1.1、主要特点 * 控制速度快、精度高： 采用多处理器系统、哈佛结构、并行处理技术、多级流水线、高速DSP内核，数据处理速度和精度大大提高。 * 多功能： PID调节、非线性最优、线性最优、电力系统稳定器、模糊逻辑等控制方式可选。 * 全数字化、高可靠性： 主控单元采用进口高性能的数字式控制单元（LF21□□型采用可编程计算机控制器PCC，LF22□□型采用高性能16位嵌入式微控制器MCU，LF23□□型采用高速32位DSP控制器DSP，LF24□□型采用可编程控制器PLC），励磁装置的操作逻辑，机械或电子的电压整定机构都可以简化或取消。实现全交流采样技术，采用大规模集成芯片，装置可靠性大大提高。 * 表面贴工艺，多层印刷电路板，军品级芯片，重要芯片均采用国内外知名企业的成熟产品。保证装置平均无故障时间达100000小时。 * 独特的软件设计方法： 采用美国CMX公司推出的微控制器实时多任务操作系统RTOS及其功能强大的专家库函数，面向任务的程序设计风格，按全优先服务方式进行资源管理、任务调度、异常处理等工作，工作极为可靠，也使微控制器的性能得以最大程度的发挥；采用C语言或梯形图（PLD）、指令表（IL）、Basic、结构文本（ST）、顺序功能图（SFC）、数据模块编辑器、数据类型编辑器等编程，执行速度快，可读性好，易于扩展和移植。 * 采用快闪存储器（Flash ROM），支持自举载入程序及远程维护。 * 通讯和网络功能： 提供非常开放的通讯接口和网络接口，具有的RS232/485/422或高速现场总线CANBUS、TCP/IP或MODEM等实现网络通讯。非常方便地与其它设备或网络联接，实现设备控制、管理的自动化、信息化（可选）。 * 方便直观的人机接口： 采用触摸屏或中文文本显示器(可选)显示，汉化界面，数据显示直观明了，信息量大。非常直观地在线选择、切换工作方式，设置、修改参数和对运行状态监控。可以做到无需说明手册而操作。 * 对于无刷励磁系统，具有旋转整流盘故障监测功能。 * 可靠的灭磁系统： 可选用阻容无触点的静态灭磁方法（我公司专利技术），无噪音、无操作过电压，可靠、平稳，也可选用传统的灭磁开关和灭磁电阻的灭磁方法。 * 完善的自检及控制、保护功能，用于保护励磁装置本身和同步发电机的安全运行： 具有误强励、过励反时限、欠励、PT断线、V/HZ保护、失脉冲、均流越限检测及保护、过流、过压等保护功能。 * 控制单元采用西门子结构、加强型单元机箱、插拔式模块，独特的抗干扰设计，抗干扰能力强。整流桥及风机单元都采用模块化结构，安装、更换方便。可以不停机、不减载在线更换控制单元及风机单元。 * 主回路可采用自并励、他励、三机励磁、带直流励磁机的间接自励及无刷励磁系统等各种形式。 * 具有手动、自动（恒机端电压、恒功率因数、恒无功功率）调节励磁功能，相互切换无扰动。 * 双通道互为备用工作方式： 根据用户需要，可以采用单通道工作方式或双通道互为备用工作方式。双通道无扰动自动切换（可选）。 * 故障数据录波及事故记忆功能（可选）： 记忆故障前1秒，故障后19秒的检测数据，包括励磁电流、功率因数、有功功率、无功功率、定子电流、定子电压、三相交流电压、脉冲触发角、频率及时间等。 按照先进先出的原则记录20组操作信号、故障信号、保护动作信号发生的时间。记录的数据可以用打印机输出或向上位机传送。 * 强大试验功能，通过控制器上的键盘操作，方便的进行调节器的各项试验，如开关量传动试验、过励限制、欠励限制、阶跃响应试验，交流励磁机时间常数试验等。 * 装置电源采用双路供电，一路来自于直流蓄电池电源，另一路来自机端变或厂用交流电降压整流。两路电源经二极管并联运行，互为冗余，提高了装置的可靠性。 1.2、主要技术指标及功能 1、调压精度：≤0.5％。 2、调压范围：5％ ～ 130％。 3、调差范围：±30％，级差1％。 4、调节频率：不低于300次/秒。 5、晶闸管控制角α的分辨率：0.0048度/位码。 6、A/D转换：16路输入，分辨率16位、14位或12位。 7、A/D转换速率：200K/S。 8、移相范围：10～150度，上下限制可设定。 9、开关量I/O：24路开关量输入，16路开关量输出，均采用光电隔离。 10、阶跃特性：10％阶跃超调量<20％，振荡次数小于2次，调节时间小于5秒。 11、电源的适应性：电源电压变化范围±50％。 12、调节器输入电气量： 定子电压：量测PT、3相；仪表PT、3相。 定子电流：3相。 转子电流信号。 同步电压信号：3相。 13、电源功率：小于200W。 1.3、型号及使用范围 LF2 □ □ □ / □ 第二章 系统配置 2.1、硬件组成 针对用户的具体要求和不同的发电机组，LF2000励磁装置的配置可以采用单通道（即一套主控单元、一套功率单元）或双通道运行（即二套主控单元、二套功率单元）或混合模式（即二套主控单元、一套功率单元或一套主控单元、二套功率单元），双通道工作模式配备完全独立的两个控制柜，两套系统并列运行，每套系统均能满足包括强励在内的发电机各种运行工况对励磁调节特性及可靠性的要求，每柜均含以下几个主要部分。 主控制单元： 可编程计算机控制器PCC（LF2100型）、高性能的16位嵌入式微控制器MCU（LF2200型）、先进32位嵌入式微控制器MCU（LF2300型）、可编程控制器PLC（LF2400型） 功率单元： 可控硅全控或半控桥整流电路或开关管方式，其参数依工 程而定 控制电源： 交直流双路供电，采用进口高可靠电源模块 操作逻辑： 西门子SIEMENS可编程控制器S7-200或进口继电器控制逻辑 人机接口： 触摸屏或文本显示器，汉化界面（用户选择） 2.2、主控单元硬件组成 发电机励磁调节器是一个高度集成化的控制器，包含了从开关电源到脉冲放大等几乎所有的功能插件。每一个控制通道具体包括： 1、 开关电源组件1（+5V，±15V） 2、 开关电源组件2（24V1，24V2） 3、 主机板 4、 开关量输入输出板 5、 脉冲放大板 6、 模拟量信号处理板 7、 PT/CT及同步变压器板 8、 总线后底板 9、 键盘及液晶显示面板 LF2000系列不同型号的励磁装置其主控单元的主机板组成不同：分别是可编程计算机控制器PCC、高性能16位嵌入式微控制器MCU、先进32位嵌入式微控制器MCU、可编程控制器PLC。 2.2.1、可编程计算机控制器PCC LF2100系列主控单元基本配置包括6种控制模块，它们分别是中央控制器模块（CPU）7CP476.60-1，模拟量/数字量转换模块（A/D）3AI351.70，开关量输入输出模块（DIO）7DM465.7，脉冲形成模块（PULSE）7DO135.70，模拟量变送模块（PTCT）ATA8383，高速计数模块（COUNTER）7DI135.70，人机接口模块（DISPLAY）：用户可以选用紧凑型文本显示器（B&R PANELWARE）PP127或触摸屏式显示器（B&R POWERPANEL） PP120。 CPU：7CP476.60-1（B&R2003 CPU模块） 中央处理器：B&R2003 CPU 指令周期：0.5μS（平均时间为70％开关量和30％的模拟量处理） 存储容量：750KB SRAM，1.5MB Flash PROM 实时时钟分辨率：1S 串行口：一个RS232，一个CANBUS（电隔离） A/D：7AI1351.70（B&R2003模拟量模块） 分辨率：12位＋符号位 转换时间：不大于0.2mS 范围：±10V或0～20mA DIO：7DM465.7（B&R2003数字量混合模块） 点数：16入/16出 输入：24VDC，4mA，1mS输入延迟 输出：24VDC，0.5A，450μS输出延迟 COUNTER：7DI135.70（B&R2003高速计数模块） 输入、输出点数：4路高速数字输入、1路微秒级比较器输出 输入电压：24VDC 输入延迟：最大值为3μS 输入频率：100KHZ PULSE：7DO135.70（B&R2003数字量输出模块） 输出点数：4路输出 类型：FET 开关电压：12－24VDC 开关电流：最大0.1A 开关滞后：小于2.4μS DISPLAY： 紧凑型文本显示器（B&R PANELWARE）PP127 显示范围：最小LCD 4×20，最大128×240象素的图形终端（16×40字符） 按键：最多47个键，部分LED指示 保护：IP65 触摸屏式显示器（B&R POWERPANEL）PP120 显示：5.7"LCD单彩1/4VGA、5.7"LCD彩色1/4VGA、10.4"TFT液晶屏 触摸屏：电阻型 处理器：GEODE SC2200 233MHZ 接口：RS232 2.2.2、高性能16位嵌入式微控制器 LF2200型主控单元基本配置包括6种控制模块，它们分别是中央控制器模块（CPU）CKK9601（含人机接口模块（DISPLAY）KCD2864），模拟量/数字量转换模块（A/D）ATD8386，开关量输入输出模块（DIO）DIO1616，模拟量变送模块（PTCT） ATA8383，继电器报警输出模块（SSR） DEL1616，脉冲放大模块（PULSA）MCF2406。 CPU：CKK9601 中央处理器：MCS8098/80C196KB/80C196KC，16位 工频频率： 12MHZ/16MHZ/20MHZ 存储容量： EPROM 16KB/RAM 72KB/E2PROM 2KB 高速输入： 4HSI 高速输出： 6HSO 定时器： 2个硬件定时器加4个软件定时器，16位 串行口： 全双工，9600/19200 BPS A/D：ATD8316 A/D芯片： ADS774 分辨率： 12位 转换时间： 8.5μS 通道数： 8/16通道同时采样保持 电源： 自带DC/DC隔离电源 功率消耗： 5VDC，50mA DIO：DIO1616 点数： 光电隔离式16入/16出 输入阻抗： 2KΩ 输出驱动： 50VDC，200mA 延迟时间： 不大于10μS 功率消耗： 5VDC，60mA PTCT：ATA8383 模拟通道数：12通道电压，4通道电流 输入： 电压100VAC，电流5A 输出： 0～5VAC 时间延时： 10mS 功率消耗： 5VDC，100mA SSR：DEL1616 控制点数： 16点，共16个端子 直流输入： 30VDC～220VDC 节点电流： 最大2A 功率消耗： 5VDC，100mA PULSA：MCF2406 脉冲点数： 6路 输入： 光电隔离 输出： 脉冲变压器隔离 电源： ＋24VDC 功率消耗： 24VDC，200mA DISPLAY：KCD2864 可显示文字种类：汉字、英文或图形 点阵数：128×64 点大小：0.39×0.55 尺寸：78.0×70.00 2.2.3、先进32位嵌入式微控制器 LF2300型主控单元基本配置为6种控制模块，除中央控制器模块（CPU）CKK6832（含人机接口模块（DISPLAY）KCD6448）不同外，其余5种模块与LF2200型主控单元配置基本相同。 CPU：CKK6832 中央处理器：MC68332 工作频率：16MHZ/20MHZ/25MHZ 存储容量：1M Flash ROM、1M SRAM 定时器：2个定时器加16个独立的可编程通道，每通道可执行任意的定时功能，包括输入捕捉、输出比较、PWM调制输出 串行口：1个RS232接口，1个SPI接口，1个BDM接口 DISPLAY：KCD6448 可显示文字种类：汉字、英文或图形 分辨率：122×32（单显）、128×64（单显）、240×128（单显）、320×240（单显）、640×480（彩显） 键盘：8×8矩形键盘（包括8个数码管） 2.2.4、可编程控制器PLC LF2400型主控单元基本配置包括8种控制模块，它们分别是中央控制器模块（CPU）FP2－C1A，模拟/数字转换模块（A/D）FP2－AD8，开关量输入输出模块（DIO）FP2－X16D2、FP2－Y16R，脉冲形成模块（PULSA）MCF2416，电源模块（POWER）FP2－PSA3，模拟量变送模块（PTCT）AT8383，人机界面（DISPLAY）GT10。 CPU：FP2－C1A（FP2型可编程控制器CPU单元） 程序容量：48K步 运算速度：0.35μS（顺序指令） 内部继电器：4048点 定时器/计数器：共1024点 串行口：1个RS232C和1个高级通讯接口（可联接调制解调器） AD：FP2－AD8（FP2型可编程控制器模拟量单元） 分辨率：16位（±10V） 转换时间：0.5mS/通道 通道数：8通道 总精确度：±1.0％F.S.（0－55摄氏度） DIO：FP2－X16D2、FP2－Y16R（FP2型可编程控制器输入、输出单元） 点数：FP2－X16D2：16点直流输入，FP2－Y16R：16点继电器输出 输入阻抗：3KΩ 输出驱动：250VAC，2A 延迟时间：输入0.2mS以下，输出10mS以下 电源模块：FP2－PSA3（FP2型可编程控制器电源单元） 输入：100～240VAC 电流消耗：0.7A以下（100VAC），0.4A以下（200VAC） 输出：5VDC，5A（最大） DISPLAY：GT10（FP2型可编程控制器触摸屏） 显示元素：STN单色LCD 可显示文字种类：汉字、英文或图形 点阵数：160（W）×64（H）点阵 触摸分辨率：分辨数20（W）×8（H） 通讯规格：RS232C标准 2.3、功率单元 功率单元可采用可控硅三相全控桥整流电路或其它电路形式。可控硅三相全控桥整流电路，共采用了6个可控硅单元，每个SCR上均有RC吸收回路，整流电源由励磁机供给，交流侧装有的空气开关以及快速熔断器作为电源开关及保护。在整流桥的直流侧接有直流电流表及直流电压表，以监视整流桥的直流输出。整流桥的输出通过开关与发电机的励磁绕组相连接。对于电阻电感负载，不同的α角时输出的直流电压为： Uf-整流桥输出的直流电压 UZ-直流桥输入的交流线电压 全控桥要求有6个相同的移相触发脉冲，为保证触发的可靠性，LF2000采用的相差60°电角度的双脉冲触发，触发脉冲幅值为24V，宽度为18°，α角的变化范围可以从10°～150°（若考虑强励顶值倍数限制，αmin要予以限制）。 2.4、操作逻辑 数码励磁由于大部分功能均由软件实现，外部逻辑回路就显得非常简单，主要是用若干直流220V继电器完成外部开关量信号的隔离以及节点的扩展，从现场来的灭磁开关、主油开关、增、减磁节点，均经过直流220V继电器隔离，因为这些信号一般传送距离较远，且混在强电电缆沟里，直流220V操作有利于提高抗干扰能力。经隔离后的继电器节点经光隔后读入主控单元，由此可见，开关量经过电磁与光电双重隔离，并保证柜外均是强电接口，柜内24V电源不引出柜体，从而保证可靠性。 2.5、软件结构 全数码励磁装置的软件由主程序和中断服务程序两部分组成。主程序控制数码励磁装置的主要工作流程，完成数据处理、控制规律的计算、控制命令的发出及限制、保护等功能；中断服务程序则用于实现交流信号的采样及数据处理、触发脉冲的软件分相和机端电压的频率测量等功能。 本系统的总体软件设计如图2.1所示。除主程序外，软件中还有三个起不同作用的中断服务子程序。分别用于交流信号的采样（流程图如图2.2所示）、触发脉冲的软件分相和机端电压的频率测量（流程图如图2.3所示）以及由WATCHDOG发出的中断（流程图如图2.4所示）。 主程序包括以下几个模块： （1） 控制调节软件。包括发电机端电压调节、励磁电流调节、无功/功率因数调节以及各种附加控制等所使用的控制规律的调节模块。 （2） 限制及保护模块。包括励磁电流及整流桥、风机工作情况、系统工作情况的监视与保护。 （3） 数据采集及信号处理模块。包括16路电压、电流信号的采集与处理，并且由电压、电流信号计算出功率信号。 （4） 移相及触发脉冲模块，包括控制角α的延时触发、分相触发以及同步电压信号的频率测量。 （5） 手动/自动跟踪、系统电压跟踪模块。 （6） 通信模块。 通过丰富灵活的软件系统和与之相配合的硬件，全数码励磁装置可以实现下述励磁调节控制功能： （1） 可选择多种运行方式。空载跟踪系统电压；恒机端电压（自动）运行；恒励磁电流（手动）运行；恒无功功率运行；恒功率因数运行等运行方式。 （2） 可供选择的PID、PSS、LOEC、NEC、FLEC等调节控制规律。 （3） 软件无功调差功能，调差系数的正负及大小可任选。 （4） 运行参数可选择显示并在线修改。主要参数有：电压给定、励磁电流给定、各调节控制规律的有关参数、调差系数、阶跃响应设定、各种限制、保护的整定值等。 （5） 软件实现数字给定及其平稳调整。 （6） 多种励磁限制。如最大励磁电流瞬时限制、发电机过励反时限延时限制、欠励瞬时限制、晶闸管整流柜故障、停风、部分柜切除时的励磁电流限制、电压/频率（V/HZ）限制等。 （7） 电压互感器（PT）断线检测及保护。 （8） 手动/自动运行方式的相互跟踪，要求跟踪精度高、切换无波动。 （9） 独立的后备通道，自动跟踪工作通道，切换无波动。 （10） 励磁系统出现失磁、失控故障或软件连续几次出轨而自复归无效时，自动切换到备用通道工作。 （11） 软件具有自诊断、自恢复功能。 2.5.1、软件设计方法 LF2000全数码励磁装置软件设计满足可靠性、可测试性、可维护性的要求，采用结构化和模块化设计方法。采用了五种基本结构，即： （1）顺序结构（DO结构）； （2）选择结构（IF结构）； （3）当结构（WHILE结构）； （4）重复结构（REPEAT结构）； （5）循环结构（FOR结构）。 在进行软件设计时，遵循以下原则： （1）独立性原则。即对问题、任务进行分解时，应使各任务之间最大地无关，而在同一个子任务内的内容应强相关，这样，程序各模块的独立性高，模块之间耦合弱，接口关系简单。 （2）简单性原则。即一个模块应在一页纸内写完，也就是一个模块的语句数最好不超过50句，因为语句多了，可读性、可理解性就差了。 （3）单入口、单出口原则。即一个模块只允许有一个入口和一个出口，不允许从模块的外部直接跳到模块的内部。也不允许从模块的内部直接跳到模块的外部。一个模块只能通过CALL调用，用RET返回。在一个模块内则可以用JUMP指令跳转。 （4）流水线原则。即对于顺序连接的模块，前一模块的输出应尽可能直接地作为下一个模块的输入，避免再进行额外的格式转换。 （5）可测试性原则。软件的错误具有积累性和放大性，前一阶段的错误会使后一阶段工作中产生相应的错误，甚至造成后一阶段几个错误的出现，因此要及早发现错误，越早修正，所花的代价越小。因此软件从一开始就应可测试，并在每一阶段中引入计算审核和错误反馈，使得错误能尽早发现并修正。 （6）最后，建立完备的软件文档。软件不单单是程序，往往软件设计思想的文档比程序清单更重要。一个模块完成后，至少应提供三份文档：①含有简单说明的程序清单；②该程序模块的流程图；③该程序的设计思想、变量说明、实现原理、数据结构及参考文献等。 编程语言采用C语言和汇编语言相结合，这主要是考虑快速运算的要求。由于汇编语言编程较困难。而C语言具有结构化设计的特点，语言简洁紧凑，使用方便灵活，有丰富的库函数和较好的调试手段，所以可用C语言和汇编语言结合进行混合编程。可在C语言中内嵌汇编指令，也可用汇编语言调用C函数，或用C语言调用汇编子程序。 2.5.2、主控制程序 主控制程序每个周波执行六次（由锁相环控制精确均匀进行），主要完成下列功能。 1、 模拟量采集 模拟输入量有发电机量测PT输出电压和仪表PT输出电压以及发电机定子电流（均为三相），另外还有转子电流以及励磁装置的输出电流等，在主控制程序中进行模拟量的采样。 2、 数据处理 计算发电机电压，有功功率和无功功率等。 3、 调差计算 按照设定好的调差系数和调差极性进行调差计算。 4、 控制规律的实现 按照给定的控制规律和运行参数进行控制量计算。 5、 自动输出操作 在自动运行方式下主控制程序按照控制量计算值执行自动输出操作。 6、给定子程序，设定发电机在不同的运行工况下的参考电压或参考转子电流值。在自动运行方式下，按下置位按钮，在设定的时间内电压给定值增加到95％额定，并且置位功能闭锁。 7、起励控制 对于自励系统，由于发电机残压不足以建压，所以必须加装起励回路，当起励按钮按下且机端电压低于20％时，由程序控制将起励接触器闭合，起励回路工作，同时开始计时，当在设定时间内电压达到20％，立即跳开起励接触器，如果超过设定的起励时间，电压仍没有建起，则跳开起励接触器，同时发起励失败信号。 8、跟踪切换 手动运行方式时，自动通道实时跟踪发电机电压；自动运行时，手动通道延时20秒跟踪转子电流（或输出电流）。两种运行方式之间能进行无扰动切换。 通道之间通过调整跟踪系数，即自动运行时调整跟踪系数1，手动运行时调整跟踪系数2，使得两个通道显示的触发角大致相等，当进行切换时，就不会产生波动。 2.5.3、主要保护功能 为了保证发电机的安全稳定运行，LF2000全数码励磁装置具有全面的保护功能，所有限制保护功能的定值和时间均能在现场进行设定。 1、低励限制和保护 如果bP－cQ>D1（第I条线），则判定为低励，发低励信号（面板低励指示灯亮，低励限制继电器动作）闭锁减励。并自动进行增磁操作直到低励故障消失。 如果bP－cQ>D2（第II条线），则除执行上述操作外，延时1S切手动（面板上“手动”指示灯亮，切手动继电器动作），励磁装置转为手动运行。限制和保护线见下图。 2、过励限制和保护 最大励磁电流限制采用反时限特性，模拟转子的发热模型ΣI2rt，其允许的过励时间t是随发电机励磁电流的大小而变化的。如图所示曲线，过励限制和保护按照下列原则： （a）转子电流Ifd>2.25时，瞬时封锁脉冲退出运行； （b）Ifd>1.06，Ifd<1.0时计算反时限等效时间： detg=Σ(Ifd2-1) 注：detg为转子电流反时限积分值； （c）1.01.3的情况下执行限制转子电流操作，把转子电流控制在1.3以下；在If<1.3的情况下，自动执行减励操作直至满足If≤1.04； （f）如detg≥9S，延时1S切脉冲退出运行。 3、V/HZ限制和保护 V/HZ限制和保护的原则是: （a） 当V/HZ>1.15时，发过V/HZ信号（面板V/HZ故障指示灯亮，过V/HZ继电器动作）闭锁增励，自动减励至过V/HZ故障消除。 （b） 当V/HZ>1.25时，除执行上面的动作过程外，延时1S后切手动（面板上“手动”指示灯亮，切手动继电器动作），励磁装置转为手动运行。 4、误强励保护 在双柜均流运行时，如果检测到本柜误强励，发误强励信号（误强励继电器动作），本柜退出运行；如果检测到它柜发生误强励，发误强励信号，它柜退出运行。 5、PT熔丝断 如果检测到仪表PT熔丝断，发PT熔丝断信号（PT熔丝断继电器动作），如果是量测PT熔丝断，则除发PT熔丝断信号外，切手动继电器动作，面板显示切手动故障，励磁装置转手动运行。 6、失脉冲检测 当检测到失脉冲故障后，失脉冲继电器动作面板显示失脉冲相。同时通道退出运行。 7、均流越限检测 在双柜均流运行时，如果两柜电流差超过两柜电流和的25％，发均流越限信号（面板均流越限故障指示灯亮，均流越限继电器动作）；如果两柜电流差超过两柜电流和的75％则退出均流运行。 8、系统自检功能 系统自检功能含存储器校验、电源检测、可控硅故障等，当有故障发生时，发硬件故障信号，同时本通道退出运行。对于双通道系统，备用通道自投。 9、故障录波 记录故障前1秒，故障后19秒所有采集到的模拟量数据，故障录波的触发量为通道故障退出信号。 10、事件记忆 按照时间的先后记录20组事件发生的时间，包括：运行操作信号如通道投入、退出；开关量输入信号，如：油开关的合、分闸；以及其它故障信号，如硬件故障等。 第三章 基本原理 3.1、概述 同步电机的励磁系统是同步发电机的重要组成部分，它是供给同步发电机励磁电源的一套系统。励磁系统一般由两部分组成：一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流，以建立直流电场，通常称作励磁功率输出部分(或称功率单元)。另一部分用于在正常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分(或称主控单元)。 励磁控制是一种控制系统，它控制同步发电机发出的电势，所以它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机的无功功率，功率因数和电流等参量。由于大型机组的这些参量直接影响系统的运行状态，因此在某种程度上也可以说，励磁装置也控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定和励磁控制方式密切相关。 励磁控制器由基本控制和辅助控制两大部分组成。基本控制由测量比较、综合放大和移相触发三个主要单元构成，实现电压调节和无功功率分配等基本调节功能。辅助控制是为了满足发电机不同工况，改善电力系统稳定性，改善励磁控制系统动态性能而设置的单元，包括励磁系统稳定器，电力系统稳定器及励磁限制、保护器等。 测量比较单元的作用是测量发电机的端电压，综合无功调差信号后与给定的基准电压相比较，得出电压的偏差信号，供后级环节使用。测量比较电路应具有足够高的灵敏度与优良的动态性能，即要求测量精确、反应迅速、电路的时间常数要小。测量比较单元的性能如何将直接影响到发电机电压调节精度与励磁系统的动态性能。 综合放大单元对测量单元输出的电压偏差起综合和放大的作用。为了得到调节系统良好的静态和动态性能，除了由电压测量比较单元来的电压偏差信号外，有时还根据要求综合来自其他装置的信号，如励磁系统稳定器信号、最大、最小励磁限制信号等。放大的作用是为了消除电压的静态偏差，改善励磁系统的动态性能。综合放大后的控制信号输出到移相触发单元。 移相触发单元包括同步、移相、脉冲形成及放大环节。移相触发环节根据输入控制信号(Uc)的大小，改变输送到晶闸管的脉冲触发角α，以控制晶闸管整流电路的输出，从而调节发电机的励磁电流。为了使触发脉冲能可靠地工作，还需采用脉冲放大环节。移相触发单元和整流桥相当于信号转换、功率放大及控制器的执行机构。 在LF2000励磁装置中,以上几个部分大部分由软件编程来实现，省略了很多硬件环节，提高了整个装置的可靠性。 3.2、工作原理 附录1、2、3为LF2000系列全数码励磁装置的系统原理图。励磁装置主控单元的输入电气信号有发电机量测PT电压，仪表PT电压及从发电机电流互感器来的三相定子电流信号（9个交流信号）。直流信号有发电机转子电流及励磁装置输出电流。各路信号经各自的信号处理及变换电路（传感器、变送器）对信号滤波、隔离放大，变换成适合于A/D采样的信号。送入主控单元A/D变换器，由程序控制依次转换成数字量，存放在存储器中供软件使用。 利用以上采集到的数据，通过软件计算可以得到发电机的运行工况、励磁系统参数、励磁装置输出参数等全部信息，如发电机三相电压平均值、三相电流平均值、有功功率P、无功功率Q、转子电流（励磁装置输出电流）、功率因数角、频率、可控硅控制角等供励磁装置各软件功能模块使用。 主控室对励磁系统工作方式的选择、增、减励磁操作、油开关和灭磁开关等状态量作为开关量输入信号以及故障报警等开关量输出信号，在主控单元内经过光电隔离。 功率输出部件可选择为晶闸管三相全控桥整流电路或其它方式。晶闸管根据发电机的容量选择快速风冷方式或水冷方式，晶闸管接有阻容保护，快速熔丝保护及过电压吸收部件，熔丝熔断有报警信号。为了保证其输出直流电压连续可调及逆变运行，要求控制角α在10～150度之间变化。由脉冲同步电路来保证各晶闸管的依次导通。 在定时中断控制程序中，计算发电机电压与参考电压之差，并按控制

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进行运算后，综合其他附加控制信号及附加调差信号得到一个控制量去改变晶闸管的导通角，双窄脉冲经脉冲变压器隔离去触发晶闸管，这就是励磁调节系统的主调节环。控制参数的正确选择，附加控制信号的大小将直接影响励磁系统的静态和动态特性。 励磁装置中的保护功能模块如失脉冲检测、低励磁限制、过励限制、V/HZ限制、PT断线保护等都是用软件来实现的。 励磁装置的安装地点环境比较恶劣，电磁干扰相当严重，抗干扰能力是十分重要的。全数码励磁装置采用独特的抗干扰措施，如主控单元核心部件采用双层屏蔽，每个输入、输出电路均采用光电或电磁隔离电路等措施。 励磁装置的前面设有操作显示面板供人机对话用。人机界面采用触摸屏或中文文本显示器（用户自选），全汉化界面，便于运行人员的监视。另外开关量输入的实时状态显示、开关量强制输出、控制和保护参数设定、运行方式的切换、故障录波数据的提取等功能均可在此人机对话窗口上实现。 励磁装置主控单元的工作电源也是独立的。输出电压有四种：＋5V、±15V供模拟通道使用；24VI供脉冲回路；24VII供继电器及操作回路用。电源采用两路供电：一路来自蓄电池直流电源，另一路来自厂用交流电或机端交流电压经降压整流成直流电源。两路直流电源通过二极管并联运行，任何一路失电，励磁装置仍能正常工作。 3.3、单板原理 作为同步发电机励磁系统，其可靠性对于机组和电网的安全稳定至关重要，因此LF2000微机励磁调节器在设计时就将系统可靠性作为第一重要的内容，因此搭建一个稳定的硬件测试平台是提高系统可靠性的基础。 LF2000的核心控制器由以下几部分组成： * 电源1 * 电源2 * 计算机主板（CPU） * 开关量输入输出板 * 脉冲放大板 * PT/CT板 * 总线底板 以上几块控制板卡插在一个专用4U机箱内。为了提高系统的抗干扰能力，机箱采用金属屏蔽机箱，所有插件采用欧洲标准的接插件，从设计上保证信号的流向的唯一性，避免了信号之间的串扰，以及强弱电之间的交叉。所有的板卡均采用先进的表贴工艺，底板装在机箱的前部，在面板上镶嵌有一个液晶显示器，进行运行状态的监视，前面板上还有一些重要的状态指示灯。 电源系统 为了提高系统的可靠性，系统的供电电源由两路冗余，来自励磁变压器或厂用电的交流电源经过隔离变压器隔离后，经过整流变为直流，并经过二极管和来自厂用蓄电池的直流电并联运行，共同为机箱内的开关电源供电，为了提高系统的抗干扰能力，按照不同的功能将系统电源分为3部分 1） CPU电源：5V，±15V 2） 操作电源：24VII，用于开关量的输入输出 3） 脉冲电源：24VI，用于脉冲放大和触发回路 以上电源系统相互独立，避免干扰的产生。 计算机主板（CPU） CPU板是励磁控制系统的核心，所有的控制过程都是在该板的指挥下进行，它完成数据的采集处理，控制规律的计算以及脉冲的产生和人机接口（键盘、显示器、打印机）的监控功能和自检功能。CPU板的硬件、软件设计的可靠性是整个控制系统安全运行的关键因素。 模拟量处理板 该板的主要功能是进行电平变换和隔离，由于采用交流采样，所以电流、电压回路经过高精度小CT和PT隔离后，进行滤波和电平转换适配到A/D测量范围内进入主机板。直流量由转子电流经过滤波电平转换后进行采样。同时将同步信号整形为方波，供主机板CPU产生脉冲。 开关量输入继电器输出板 本板将16路开关量输入信号经过光电隔离后，进入测控CPU板，进行状态判断。另外所有的电源检测电路也在这块板上。将16路开关量输出信号经过光电隔离后驱动继电器，进行信号输出。 脉冲放大板 本板将主CPU板产生的双窄脉冲进行功率放大输出，每一路脉冲功率可驱动5组以上并联的可控硅桥。同时本板上有脉冲指示灯，用于显示脉冲是否正常。 PT/CT板 PT/CT板将发电机量测PT、仪表PT、系统PT、同步电压信号采用小型化的电压互感器进行隔离后，适配为A/D量程内的弱电信号。将定子电流互感器来的信号经过内部电流互感器隔离后，适配为A/D量程内的弱电信号。 3.4、励磁方式 3.4.1、自并励静止励磁系统 对于新建的大中型汽轮发电机组，自并励励磁系统是一种良好的选择。因为这种励磁方式具有可以降低厂房造价、减少机组轴系长度、简化励磁系统接线等优点。此外自并励励磁系统为固有高起始响应系统，具有快速响应的性能。自并励励磁系统的典型接线如附图3.1所示。 3.4.2、三机静止励磁系统 对于具有主、副励磁机的他励静止二极管励磁系统，简称三机励磁系统，如附图3.2所示。 三机励磁系统是一种应用较广泛的励磁方式。对早期产品，励磁装置为电磁式结构，惯性时间常数较大，其后改用分立组件的模拟式励磁装置，但由于功能模块数量过多，给调试及维护带来诸多不便。鉴于这种情况，我公司对三机励磁系统进行了研究，并完成了以LF2000系列全数码励磁装置为基础的适用于三机励磁系统的

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。 如果主励磁机采用旋转电枢式，那么主励磁机的电枢绕组和二极管整流桥同发电机转子绕组一起旋转，从而可以去掉发电机转子励磁绕组和二极管整流桥之间的电刷，这种励磁方式即为无刷励磁系统。 3.4.3、具有直流励磁机的间接自励系统 对于具有直流励磁机的水、火电机组，传统上采用电磁型相补偿式励磁装置，由于运行多年，设备有待更新。另外，依据现代电力系统运行的要求，励磁系统应具有较高的励磁电压响应比。针对这一要求，推荐采用间接自励系统进行改造，如附图3.3所示。 间接自励系统的优点是在保留原有设备的基础上，利用自励励磁系统快速性的特点，改善了励磁系统的性能。由于原有的直流励磁机具有功率放大的作用，为此作为自励系统电源的励磁变压器ET其容量是较小的。当直流励磁机具有副励磁机时，亦可采用由副励磁机及间接自励系统复合供给主励磁机励磁的方式。如附图3.4所示。 3.4.4、开关管式励磁系统 作为晶体开关管的电力元件原采用大功率晶体管GTR（Giant Transistor）以及功率场效应管(MOS-Power)、目前则采用性能更加优越的绝缘栅双极型大功率晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)作为开关管元件用。开关管式励磁装置结构简单、易于维护，可用于直流励磁机励磁系统。如附图3.5所示。 第四章 操作说明 4.1、人机界面操作与显示 LF2000系列全数码励磁装置采用触摸屏或中文文本显示器，汉化界面。以下介绍中文文本显示器。如果用户选用触摸屏显示器，其操作方法可参考所选用厂商的触摸屏操作方法并结合以下介绍的文本显示器的操作方法即可。 4.1.1、开机屏幕显示 4.1.2、正常工作时屏幕显示 4.1.3、参数菜单显示 4.1.4、菜单详解 1、开关量输入 实时的显示当前的主要开关状态，如下图显示： page1： page2： 当信号有效时，在该信号的相应位置上显示ON，否则显示OFF。可以通过 ▲ 、 ▼ 键在两屏显示间进行切换。 2、开关量输出 开关量输出功能作为调试专用，发电机开机运行后此功能闭锁，并提示“Debug Only!"信息。调试时通过键盘操作对这些信号进行强制置ˊ1ˊ或强制置ˊ0ˊ，便于进行传动试验。共有16路开关量分为四页显示，如下所示。 page1： page2： page3： page4： 通过 ▲ 、 ▼ 进行翻页，进入某一页后，按 ENTER 键对某一开关 量进行操作,然后用 ▲ 、▼ 来改变其状态为通(ON)或断(OFF)，按 ESC 键退出此开关量的选择，页面右上(下)脚的箭头闪烁说明可以进行上(下)翻页。 3、参数设定 设备运行的参数和保护定值均在此菜单下进行整定，参数设置分十二页来完成。 参数设置对系统的安全运行非常关键，所以进入参数设置必须键入正确的密码。 page1： page2： page3： page4： page5： page6： page7： page8： page9： page10： page11： page12： 部分参数具体说明如下： （1） 功率因数：可以设定恒功率因数运行方式的投退，功率因数的超前、滞后，以及功率因数的大小。 （2） 比例系数0：设定进行闭环PID运算的比例系数。 （3） 积分时间0：设定进行闭环PID运算的积分时间。 （4） 微分系数0：设定进行闭环PID运算的微分系数。 （5） 比例因数：设定恒功率因数附加控制的比例系数。 （6） 功率积分：设定恒功率因数附加控制的积分系数。 （7） 励磁上限：设定励磁电流最大值。 （8） 过励时限：设定过励允许的时间。 （9） 欠励点A：单位取Mvar。 （10） 欠励点B：单位取MW。 （11） V/HZ限制1：伏赫限制的投入与退出设定。 （12） V/HZ限制2：伏赫限制的动作值。 （13） 调差极性：设定无功调差的极性，即正调差或负调差。 （14） 调差系数：设定调差系数的大小，变化范围0～30％，级差1％。 （15） 跟踪系数1：双通道自动运行时通过调整此跟踪系数，使得在工作点上， 两个通道的工作状态一致。 （16） 跟踪系数2：双通道手动运行时，通过调整此跟踪系数，使得在工作点上，两个通道的工作状态一致。 （17） 设定时钟：进入时钟设定页面，进行时间设定，按住 ENTE