KLSF—01型可编程微机励磁系统在瓦房城水电站的应用

针对电站老旧励磁系统技术陈旧、设备老化，性能和可靠性差等问题，在项目建设中提出用KLSF-01型可编程微机励磁系统替代原励磁系统的改造方案；并简要介绍了KLSF-01型可编程微机励磁系统的构成、功能、性能和特点。实践证明，微机励磁系统结构简单、功能完善、可靠性高，大大提高了水电站自动化运行和控制水平。

【关键词】KLSF-01型 可编程微机励磁系统 水电站 应用

瓦房城水电站地处甘肃省民乐县南古镇，座落于黑河流域东部支流的大堵麻河上，该河流发源于祁连山北麓的野牛山，多年平均流量2.62m3/s，多年平均年径流量8310万m3，水能蕴藏量3.78万kw。电站始建于1978年，属水库坝后式电站，总装机容量3×500kw，设计年发电量620万kw.h，架设SJ1型主变1台，10kv并网线路1回，发电机出口电压6.3kv。其3台发电机励磁系统均采用TKL-11型晶闸管自并激静止励磁装置，乃上世纪90年代逐渐更新改造后的产品，至今已运行20多年，技术相对落后，元部件老化严重，运行中稳定性差、故障率高，安全无保障。

1 原励磁系统存在的问题

瓦房城水电站的励磁系统经过多年运行，存在着技术陈旧、设备老化、性能和可靠性差， 以及自动化水平低等问题，影响了水电站的安全运行和经济效益。原励磁系统主要存在以下问题：

（1）发电机组励磁系统由于运行年久，设备逐日老化，造成励磁系统调节性能不稳定，故障查找困难。特别是晶闸管整流励磁是比较复杂的技术，在发生故障时，需要经验丰富的资深技术人员和完备仪器，故障排除效果难以保证，有时甚至扩大故障。

（2）励磁元件、部件易发热损坏，多次导致可控硅烧坏，导致事故停机。励磁脉冲、过压、测量放大集成电路插板插脚及励磁调整电位器触头磨损老化严重，时常发生接触不良、励磁失控、调节失灵、灭磁开关不动作、误动作等问题，使机组运行不稳定、不可靠。

（3）TKL-11型产品出厂时隔多年，随着新兴技术的推广，原来的电路板和元配件已淘汰，其备品备件不易购置。

（4）励磁系统中复杂的励磁控制部分电路，故障发生率很高，经常因为某一个小小的元器件损坏而被迫停机，影响了发电运行的安全性和经济效益。

为了改善电站运行条件，提高水电站自动化水平，提高电站综合经济效益，对老的励磁系统改造已成为当务之急。

2 改造方案

2010年瓦房城水电站被国家水利部、发改委列入小水电代燃料建设项目，装机容量扩大至2060kw（2*630+800kw）。为保证电站机组的安全稳定运行，实现水电站“无人值班、少人值守”的建设目标，提高小水电代燃料电站的经济效益，根据瓦房城水电站机组参数配置，经多方研究论证，本着经济实用的原则，决定选用KLSF-01型可编程微机励磁系统替代原励磁系统。改造方案如下：

（1）保留励磁回路全部一、二次电缆。

（2）更换3台发电机励磁系统励磁屏及与其相配套的励磁变压器（用油浸式或干式变压器）。

（3）励磁屏由核心部件PLC（日本进口）可编程微机励磁调节器及相应的仪器仪表和继电保护组成。

（4）配置机端PT（6300/380）9只（单相），机端CT（150/5） 9只。

（5）整流桥选用优质单个可控硅功率整流元件，组成全控桥，单个可控硅功率整流元件采用了热管冷却以及整个功率单元采取低噪声风机冷。

（6）灭磁装置采用快速灭弧直流短路器。

3 KLSF-01型励磁系统构成

KLSF可控硅励磁装置主要由全控桥的励磁功率单元和可编程励磁调节器两部分构成。功率单元主要是励磁变、可控硅整流装置、外接电源起励回路，灭磁开关和灭磁回路等组成。其核心部件是励磁调节器，励磁调节器的作用就是根据发电机运行状态自动调节功率单元输出的励磁电流，达到机组空载并网发电及负载无功的要求，并提供参数、仪表、指示灯等信号给运行人员。

3.1 励磁柜

励磁柜由调节器及功率单元组成。励磁柜内安装调节器、灭磁装置及电阻、功率单元、控制信号设备和所有附件。励磁柜采用通风冷却系统。仪表和操作开关布置在便于监视和操作的位置。励磁柜都设有出口励磁电压和励磁电流出口，在励磁柜上也装设励磁电压表和励磁电流表，以及发电机机端电压表。励磁屏外型尺寸为高2260mm，宽800 mm，深800 mm。

3.2 可编程控制器组成的励磁调节器

可编程逻辑控制器简称PLC，KLSF励磁装置采用原装置日本三菱公司的FX1N系列PLC，其存储介质为EEPROM，程序和数据可在没有电源的情况下长时间保持，而不需要专用电池。

励磁调节器除了作为运算控制核心的PLC外，还设有电源和信号变换模块、信号检测模块、移相触发控制模块。人机对话除设置了必要表计，指示灯，按钮外，还配置了一台汉字液晶触摸屏。

3.3 励磁变压器

励磁变压器直接接于同步发电机机端，组成自并励励磁系统。其高压侧配备隔离刀闸和熔断器。励磁变连接方式为Y/Δ-1，容量：63KVA，变比：6300V/120V。

3.4 可控硅整流装置

整流桥为三相全控整流桥。每一桥臂整流元件串联快速熔断器作为过电流保护，快速熔断器配装有熔断信号器，该快熔熔断时经微动开关发出熔断器熔断信号。在每一桥臂整流元件并联电阻和电容，作为元件换相过电压能量的吸收。功率整流元件采用自然风冷，冷却风机装于柜体的顶端，由功率屏的顶部排出热空气。

3.5 灭磁装置与过电压保护

励磁系统设逆变灭磁和自动灭磁装置灭磁两种方式，机组正常停机一般采用逆变灭磁，事故停机采用自动灭磁装置灭磁。在任何需要灭磁的情况下（包括发电机空载强励）都将保证可靠快速灭磁。endprint

过电压保护装置保证发电机磁绕组两端的电压瞬时值不超过出厂耐压试验时该绕组对地耐压试验电压幅值的70%。

自动灭磁装置，采用快速灭弧直流断路器，最小断流能力不大于额定励磁电流的6%，最大分断电流不小于额定励磁电流的200%，电压大于强行励磁时发电机励磁绕组的顶值电压。其操作电源额定电压为直流220V，操作机构保证断路器可靠合闸和分闸（采用双跳闸线圈），并有电气和机械防跳措施。

3.6 起励装置

起励装置采用残压起励为主、直流起励为辅的起励方式。厂商提供直流起励的成套设备，包括电源进线、开关及内部联接的电线。采用直流起励，电源来自厂用220V直流系统。设有起励后自动退出和起励不成功的控制、信号、保护、闭锁回路。起励电源的电流为15%发电机空载励磁电源。

4 KLSF-01型励磁系统功能、特点及性能

KLSF-01型励磁系统的核心部件是可编程触摸屏微机励磁调节器，其主要功能及特点如下：

4.1 主要功能及要求

（1）发电机电压自动调节。调节规律采用P、PI、PID可选。

（2）励磁电流自动调节。按励磁电流的给定值和实测值偏差进行调节。

（3）手动/自动相互跟踪及切换。正常运行时，两种方式可相互切换。自动故障时自动切换到手动。自动也可用手动方式切换到手动，所有切换均无扰动。

（4）系统电压跟踪。为实现机组与系统的快速同步，励磁系统设置发电机电压跟踪系统电压环节。

（5）过励磁限制及最大励磁限制。应根据磁场绕组的热稳定要求对励磁电流进行限制，按反时限曲线经过规定时间自动将励磁电流限制在额定励磁电流。

（6）欠励限制。根据机组实发有功功率，对发电机励磁电流最小值进行限制，其限制曲线比发电机失磁保护的有功功率—励磁电压判据留有一定裕度，以相互配合。

（7）V/Hz限制。根据发电机电压、频率的大小，调整励磁电流，使发电机电压不超过由频率电压关系所确定的数值，主要用来防止发电机和主变压器过激励、发电机不并网时空载误强励或励磁误调整造成的空载过电压。V/Hz限制将发电机变压器组的V/Hz保护配合，还与正常转速调整范围内的电压调整的频率特性配合，与电压调节范围相配合。

（8）控制参数的在线修改。可在线修改各种控制参数，进行在线修改时，不影响励磁系统的正常运行。

（9）容错功能。对于自动和手动，当发生被调量反馈信号丢失、各种给定指令信号丢失等故障时，首先考虑切换，在不能切换时将有容错功能。当处于容错运行时，仍保证安全运行。

（10）保护功能设置。a.励磁（功率整流）柜的过电流和过电压保护；b.电压互感器断线保护；c.励磁（功率）柜冷却风机故障、电源消失及断相保护。

（11）现地人机联系。在励磁柜上除装设测量仪表和控制信号设备外，还可在线选择显示重要的实时运行参数、给定参数以及计算参数。

（12）通信。备有R485串行通信口，具有和上位计算机通讯的功能。另外，有现地调试、显示通信接口。

（13）自诊断、自恢复。a.能诊断到包括过程通信在内的每一个插件，并能提出故障性质；当硬件故障时，软件可及时发现；b.当电源消失和恢复供电，以及调节器停止后又起动，能够自动按实时状态恢复工作。

（14）励磁调节器具有限制起励超调功能（采用可编程微机励磁调节器）。

4.2 主要特点

（1）多通道模式，无扰动切换。机旁设置双通道模式，恒压，恒流通道。通过与上位机通讯，配合计算机监控可实现多种运行模式。

（2）简洁的硬件结构。调节器由PLC，检测模块，触发模块，电源和信号变换模块组成，结构简单，维护方便。

（3）操作简单。KLSF励磁装置设计了近方，远方操作方式，无论是在现场还是在中控室，均能实现励磁系统的全方位控制。

（4）标准通讯。配置了标准的RS232和RS485通讯接口，把PLC采集的发电机组参数，励磁系统参数实时传送出来，实现计算机监控。

（5）硬件“看门狗”。FX1N系列可编程控制器自带硬件“看门狗”，实现PLC永不“死机”。

（6）美观的人机操作界面。采用大屏幕的液晶触摸屏，方便通过触摸屏监视设备运行状态，在线更改参数。

4.3 主要性能及技术参数

（1）自动励磁调节器保证发电机机端调压精度优于0.5%。

（2）自动励磁调节器保证发电机机端电压调差率整定范围不小于±10%，并按1%的档距分档，调差特性有较好的线性度。

（3）自动励磁调节器能在发电机空载电压40%～110%额定值范围内进行稳定、平滑的调节。

（4）在发电机空载状态下，自动励磁调节器和手动控制单元的整定电压变化速度，不大于额定电压1%/s，不小于额定电压0.3%/s。

（5）自动励磁调节器有自动电压跟踪回路，在机组同期并网之前使机组电压迅速跟踪系统电压。

（6）手动控制单元的调节范围，下限不得高于发电机空载励磁电压的40%，上限不得低于110%额定励磁电压。

（7）发电机空载运行，转速在0.95～1.05额定转速范围内的情况下，突然投入励磁系统，使发电机端电压从零上升至额定值时，电压超调量不大于额定电压的15%，振荡次数不超过3～5次，调节时间不大于5s。

（8）当发电机突然甩掉额定有功负载和额定无功负载后，发电机电压超调量不大于15%～20%额定值，振荡次数不超过3～5次，调节时间不大于5s。

5 KLSF-01型励磁系统工作原理

KLSF-01型励磁系统基于自并激励磁方式，系统的励磁电流取自发电机机端，经过整流变压器降压、三相全控整流桥整流后向发电机供给励磁电流。励磁装置由测量单元、同步单元、放大单元、调差单元、稳定单元、限制单元及一些辅助单元构成。被测量信号（如电压、电流等），经测量单元变换后与给定值相比较，然后将比较结果（偏差）经前置放大单元和功率放大单元放大，并用于控制可控硅的导通角，以达到调节发电机励磁电流的目的。同步单元的作用是使移相部分输出的触发脉冲与可控硅整流器的交流励磁电源同步，以保证可控硅的正确触发，调差单元用于并联运行的发电机能稳定和合理地分配无功负荷，稳定单元用于改善励磁系统的稳定性，限制单元用于防止发电机在过励磁或欠励磁的条件下运。

6 效益

由于瓦房城水电站属于季节性发电的水电站，效益最大化是企业追求的最终目标，争分夺秒发好每一度电是企业员工的责任，再者电力调度对电站上网电能质量考核标准严格，因此水电站系统运行的稳定度和可靠度是实现这一目标的法宝。使用微机励磁系统，通过改善励磁条件，合理调节有、无功比例，解决了电站上网电能质量问题，有效提高了电站经济效益；因调节品质的提高，调整时间缩短，并网更加迅速；节省了购买维修电气元件的材料费和人工修理费。

7 结语

随着电子技术的不断发展，发电机励磁技术也在不断更新和升级，微机励磁装置的性价比逐渐降低，在新建或改扩建小水电站已普遍推广应用。微机励磁系统采用先进技术，按“无人值班、少人值守”的原则设计，具有结构简单、可靠性高、使用维护方便、调节品质优良和功能完善等特点，人性化的人机交换界面，可减小运行人员劳动强度，为电站实现自动化运行并提高经济效益奠定了良好基础。实践证明，微机励磁系统结构简单、功能完善、可靠性高，大大提高了水电站自动化运行和控制水平。

参考文献

[1]王建伟.基于DSP的全数字电气传动控制板的研制[D].天津科技大学，2004.

[2]田炜.基于MSP430单片机中小型水轮机微机调速器的设计与研制[D].武汉大学，2005.

作者简介

李荣（1975-），男，大专学历。现为甘肃省民乐县瓦房城水电站助理工程师，主要从事水电站生产运行及技术处理工作。

作者单位

民乐县瓦房城水电站 甘肃省民乐县 734506endprint