乌东德水力发电厂机组分布式励磁控制系统设计

肖权 高向鹏 陈冲 胡先洪 赵先元

摘要：

针对励磁系统集中控制架构中无法实现智能控制的问题，在乌东德水力发电厂机组中，采用点对点光纤分布式励磁控制系统，以嵌入式控制架构为基础，在分布式励磁控制系统中对调节器、功率柜及灭磁柜分别设置了独立分步式控制通道。在调节器中，采用“主用+备用”控制通道方式，控制通道执行励磁系统控制逻辑运算与对外通讯；在功率柜中，控制通道测量阳极电压和阳极电流与调节器控制通道共同调整脉冲触发角，实现控制通道智能均流控制；在灭磁柜中，控制通道监视机组励磁系统运行工况的同时作为第三控制通道。研究成果验证了在乌东德水力发电厂实现点对点光纤通讯分布式励磁控制系统的可靠性与稳定性。

关键词：

励磁控制通道； 点对点光纤通讯； 调节器； 功率柜； 灭磁柜； 乌东德水力发电厂

中图法分类号：TM571

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.03.010

文章编号：1006-0081（2023）03-0058-05

0 引 言

同步發电机励磁控制系统是电厂二次控制系统中的核心设备，该系统硬件以嵌入式为基础，控制软件以发电机控制模型为基础［1-2］。数字式励磁控制系统采用调节器控制通道集中控制，一般采用机箱封装，机箱内部电路板通过板卡连接，模块功能分为供电电源、模量信号采集、开关量输入、开关量输出、逻辑控制及计算测量单元等［3-5］。调节器集中控制一般采用“主用+备用”控制方式，控制通道之间大多采用CAN总线实现数据通讯［4-5］。多个功率柜共用调节器控制通道，由于同一脉冲源硬件参数存在个体差异，导致功率柜励磁电流均流系数低。调节器控制通道不能实时判断功率柜脉冲触发及可控硅的工作状态［6］。

ABB公司Unitrol6000分布式励磁系统实现商业运营，各控制器之间采用光纤通讯。该系统成本高、有技术壁垒、软件底层无法更改，不能从物理上隔离软件攻击的安全风险［7-8］。长江三峡能事达电气股份有限公司在乌东德水力发电厂机组采用光纤分布式励磁控制系统。系统以嵌入式为理论基础［1-2］，从硬件与软件2个层面分层解耦，实现发电机励磁控制通道分布式控制。分布式励磁控制系统优势如下。

（1） 系统依托高冗余的MCU+FPGA嵌入式控制技术，提高测量精度，减小逻辑运算系统响应时间。

（2） 采用点到点的光纤通讯，实现励磁控制系统高冗余，灭磁柜控制通道为励磁系统第三控制通道；各功率柜能自动切换，控制通道独立运行，自动调整脉冲触发角度，实现功率柜智能均流等。

（3） 系统各控制通道之间自动实现故障通道判断及通道切换，系统不会因切换而发生扰动。

本文介绍了点对点光纤分布式励磁控制系统中控制模块硬件架构、机组信号测量与控制、光纤通讯方案，功率柜逻辑控制方法及其独立运行方法，并在乌东德水力发电厂12台机组进行可行性验证。

1 励磁控制通道模块简介

励磁控制模块由供电电源、模拟信号、同步信号测频、通讯、开关量输入、开关量输出等单元组成，励磁控制模块电气原理如图1所示。

励磁控制模块采用MCU+FPGA双核模式；供电电源单元负责将励磁系统中的24 V电源经过隔离、变换后，给励磁控制模块内核单元与外设供电；内核单元由MCU、FPGA、数据存储SRAM组成；MCU负责执行人机界面通讯及励磁控制逻辑程序；模拟信号单元由输入与输出构成，模拟量输入单元可以满足8路模拟信号高速同步采样，模拟量输出4路电压信号；通讯单元由标准RS232串口、RS485串口，CAN总线、10～100 M自适应标准以太网网口及18路光纤收发器组成。

MCU拓展SRAM提高运行速率，拓展NAND FLASH与NOR FLASH存储机组关键报文与机组参数；MCU通过中断定时器实现快速测量机组频率，通过2个32位定时器配合实现6路双窄PWM信号输出；MCU与FPGA之间通过并行总线方式实现数据的高速交互，FPGA处理18路高速光纤数据信号，光纤通讯速率为5 MBd，开关量输入与输出各48路，实现机组的状态监视；MCU以并行总线方式与AD芯片实行数据传输，AD的采样精度16位，最高采样速率200 KHz，可以采集0～10 V双极性信号；模拟量输出芯片经高速数字总线隔离器隔离，输出精度16位的0～10 V单极性信号。

2 调节器控制实现方案

2.1 供电电源单元实现方案

24 V输入电源经共模电感、电容、EMC滤波去耦合给励磁控制通道供电；控制通道内核单元及其外围拓展电路通过电源模块变换成5，3.3 V及±15 V的模拟量输出电源；在通讯功能单元中，RS232与RS485采用隔离电源实现供电电源的独立，18路光纤接发器电源与内核共用5 V电源。

2.2 发电机机端电压、电流测量实现方案

由于励磁控制通道测量模拟量信号0～10 V，发电机机端信号及系统电压的幅值大大超过励磁控制模块的测量范围；同时励磁模块AD采样芯片与MCU之间没有总线隔离，所以励磁控制通道需要使用信号隔离、变换电路按照比例降低信号幅值，滤除信号中的高频干扰。

在机端信号隔离过程中，电压、电流采用高精度的电压型电流互感器，互感器原副边电压隔离等级为5 kV。在乌东德水力发电厂机组励磁系统中，额定机端电压为相电压57.74 V，额定机端电流为相电流1 A，乌东德水力发电厂机组的机端电压和定子电流的测量范围为±10 V信号。从图2可以看出，精密电压型电流互感器和精密电流互感器以及运放采样跟随电路，将输入的高电压大电流信号转换为±10 V可以直接使用的电压信号，同时对信号的输入输出进行了隔离。信号变换后，测量电压信号误差小于0.005%。

2.3 模拟量信号软件实现方案

励磁控制模块有16路双极性，可直采-10～10 V交流信号，在励磁控制模块中，机端电压和定子电流一个周期采用24点，通过傅立叶离散变换，采样数值在一个采样周期内均匀分布，通过定时器记数实现发电机模拟信号采样。

模拟信号输出是机组励磁系统执行逻辑运算，并向监控系统输出机组当前控制角度、PSS反馈输出、机组励磁电流等参数。模拟信号输出值0～32767对应0～10 V电压信号，外扩展变送器变换成4～20 mA电流输出。

2.4 开关量状态监测实现方案

机组开关量输入与输出各48个点，开关量输入信号为24 V或220 V DC信号，48个开关量输出是以继电器无源接点对外输出。

励磁控制模块在自动或手动运行状态时，FPGA的GPIO引脚收到远方监控控制平台或现地控制输入信号以总线方式传输给MCU的GPIO引脚；MCU收到输入信号或MCU执行励磁控制逻辑运算时，判定发电机工作状态以总线方式操控FPGA的GPIO引脚对外发出监视信号。

2.5 点对点光纤实现方案

点对点光纤网络的分布式控制技术如图3所示。调节柜控制通道有2个AVR+FCR自动控制通道，灭磁柜控制通道有1个FCR控制通道，每个功率柜控制通道有1个独立的AVR+FCR自动控制通道，所有控制通道均配备控制核心完全相同的可编程自动化控制通道，所有控制通道硬件和结构上完全互通互用，大大提高了维护效率及备品利用率，控制通道间采用光纤网络点对点通信，取消通信网络中公共节点，消除了传统网络结构中的冗余瓶颈，提高了整个励磁系统内部通信网络的可靠性。

3 功率柜控制实现方案

乌东德水力发电厂左右岸共有12台单机容量850 MW的水轮发电机组，机组采用IAEC-6000分布式励磁控制系统，实现机组励磁系统分布式控制。

3.1 励磁功率柜简介

在功率柜中用环形热管散热实现完全自冷运行冗余设计，当其中1或2个功率柜故障时，可自动闭锁脉冲，并将电流平分到其他功率柜上，保证发电机在所有运行工况下（包括强励）均能正常运行［9］。

每个功率柜都有独立分步式控制通道、信号采集模块及脉冲触发模块，控制通道采用光纤点对点形式将采集数据传送给调节器控制通道。当调节柜两个通道都有故障时，程序自动选择无扰切换至功率柜内的控制运算通道进行独立运行。

功率柜内配置有检测柜内温度的传感器，当柜内温度达到设定温度时，功率柜自动启动交流风机，并报出交流风机启动信号。

3.2 功率柜电源滤波实现方案

功率柜体有独立电源，在交流风机启动与关闭时，220 V交流供电电源过压尖峰差值740 V，直流24 V电压电源过压尖峰差值为32.4 V，尖峰差值超过电源承受范围，在交流风机启动或关闭瞬间控制通道复位。

由于分布式励磁控制系统中控制通道硬件电路对浪涌脉冲比较敏感，所以在交流风机电源回路中加装吸收单元，吸收交流风机启动或关闭时释放产生的脉冲和浪涌，避免控制通道的故障或重启动［10］。交流风机启动与关闭有如下特点。

（1） 对交流风机感性负载在电流瞬变时的感应电动势进行钳位。

（2） 抑制感性电路中因Ui=L·（di/dt）对器件所引起的冲击，其中Ui为电机电感感应电压，L为风机电感量，di/dt为风机电流变化率；在交流风机开通与关断的瞬间，如果感性负载磁通不为零；根据愣次定律，感性磁通会产生自感电动势，对外释放磁场储能；在工业应用中一般采用RC吸收回路，将自感电动势能量以热能的方式消耗掉［11］。

（3） 在RC吸收回路中，电阻R取值能承受交流风机启动或关闭的瞬时反压，R值过小则动态功耗过大，R值过大则达不到保护作用；根据Ii=C（dv/dt），dv/dt为电压变化率，电容C取值在满足电压钳位的同时，还要储存磁能，电容选择电感值比较低的薄膜电容。根据吸收电路缓冲计算公式［12］：

Co=ICEVCE（ton+toff）=3×InVCE（ton+toff）（1）

式中：In为交流风机工作时的线额定电流，A；饱和电流ICE一般为额定电流2～3倍，VCE为交流风机开启与关闭电压值差，V；ton为交流风机工作时间，s；toff为交流风机关闭时间，s。

查阅R4D400-AL17-05《交流风机用户手册》，交流风机额定工作电流为4.89 A。

Co=3InVCE（ton+toff）=3×4.89740=0.02 μF

为了避免高频截止频率信号对控制通道干扰，截止频率f0值越小越好，结合工程中实际情况［6］，取Co=0.1 μF，f0=10 kHz，吸收电阻缓冲计算公式：

Ro=12πf0C0=12×3.14×10×0.1×10－3（2）

Ro=12πf0C0=159 Ω

取Ro=200 Ω，计算截至频率为

f0=12πRoC0=1062×3.14×200×0.1（3）

f0=7.962 kHz

200R/10W功率电阻与0.1 UF/1 600 V薄膜电容串联后与交流风机绕组并联，长时间稳定运行时电阻温升Δt≤25 ℃。

在交流风机绕组加阻容吸收后启动或关闭后，风机电源与控制通道24 V电源电源波形未出现畸变。

在交流风机的绕组上加RC吸收，可以得知滤除脉冲和浪涌实验效果，交流风机启动或关闭时，对交流供电电源与控制通道24 V电源干扰明显减少，控制通道没有出现故障或重启动。

3.3 功率柜控制通道测量及同步冗余实现方案

功率柜控制模块通过采集阳极采样模块实现阳极电压、阳极电流及转子电压信号直接测量，阳极信号与转子经高精度、高耐压的精密互感器与霍尔隔离变换成-10～10 V信号传输给功率柜控制通道，阳极信号变换及同步生成硬件电路如图2所示，控制通道采集信号做功率柜逻辑控制同时，也将功率柜采集參数以点对点通讯方式向调节器发送，经调节器向人机界面发送。

乌东德水力发电厂每套机组励磁系统中有4个功率柜，每个功率柜有3个同步信号，4个柜体12个同步信号通过功率柜模块之间点对点通讯方式实现同步信号共享，机组正常运行时同步信号优先级为功率柜1>功率柜>2功率柜3>功率柜4。

功率柜控制通道生成双窄脉冲方式脉冲生成实现方案如图4所示。控制通道测量同步信号后触发定时器，经过脉冲延时后产生第1路固定宽度脉冲，第2路脉冲经过延时后产生第1路固定宽度脉冲的同时，给第2路脉冲生成第一个脉冲，第3～6路脉冲生成方式依次类推［12-14］。

调节器控制通道计算机组的励磁电流参数，以点到点的光纤通讯方式下发给各功率柜控制通道；功率柜控制通道通过采集阳极电流参数I折算功率柜励磁电流Ifd=（1/3）×I，由于硬件参数的个体差异，传统功率柜均流值低于93%［12］，功率柜控制通道收到调节器下发的控制角参数后，结合其实际测量的本功率柜电流，执行动态调节控制角参数，实现功率柜智能均流。

3.4 功率柜控制通道独立运行方案

当调节器两个通道控制通道同时出现故障时，程序自动选择无扰切换至功率柜内的控制运算通道进行独立运行，功率柜控制通道独立运行方式逻辑如图5所示。

在功率柜控制通道独立运行时，励磁系统功率测量模块测量发电机机端电压与电流的功率因素，通过交换机转发以太网传输给各功率柜控制通道，控制通道以恒阳极电压方式（乌东德为自并励方式，恒阳极电压即恒机端电压方式）运行并向外告警。

4 灭磁柜控制实现方案

在开机阶段，灭磁柜控制通道接收到调节通道下发投初励指令，灭磁柜控制通道启动投初励硬件外围控制电路后，给发电机转子充磁。在发电机机端电压上升后，灭磁柜控制通道接收到调节器控制通道后，立即退出投初励。在机组运行时，灭磁柜控制通道测量发电机的转子电压、转子电流，并同时监测碳化硅灭磁电阻状态等功能，在转子过电压时，控制跨接器投入灭磁电阻，从而实现发电机转子过压保护［12］。

5 结 语

乌东德水力发电厂机组采用点对点光纤分布式控制励磁系统运行超过2 a，功率柜励磁电流的均流系数大于97%，实现功率柜实时控制功能。在调节器控制退出运行时，功率柜控制通道自动切换到独立运行。但分布式控制励磁系统核心物料为进口物料，物料供应稳定面临风险，今后需进一步加强自主可控的点对点光纤分布式控制励磁系统研发。

参考文献：

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（编辑：唐湘茜）

Implementation method of distributed excitation control system for Wudongde Hydropower Plant

XIAO Quan1，GAO Xiangpeng1，CHEN Chong2，HU Xianhong2，ZHAO Xianyuan1

（1.Three Gorges Nengshida Electric Co.，Ltd.，Wuhan 430070，China； 2.Wudongde Hydropower Plant，Kunming 651512，China）Abstract：

In view of the excitation system cannot realize intelligent control problems in centralized control architecture，the implementation method of point-to-point optical communication distributed excitation control system in Wudongde Hydropower Plant was introduced.The control system was based on embedded control architecture.In the excitation control system，regulator，sillicon controlled rectifier and discharger have an independent controller.In the regulator，the control channel performs the control logic operation of the excitation system and the communication with the man-machine interface.In the sillicon controlled rectifier，the control channel measures the anode voltage and anode current and adjusts the pulse of trigger angle together with the regulator control channel to realize the intelligent current equalization.In the discharger，the control channel was used as the third control channel while monitoring the operation condition of the excitation system.The reliability and stability of the point-to-point optical fiber communication distributed excitation control system were verified in Wudongde Hydropower Plant.

Key words：

excitation controller；point-to-point optical communication；regulator；sillicon controlled rectifier；demagnetizing cabinet；Wudongde Hydropower Plant

收稿日期：

2022-03-22

作者簡介：

肖 权，男，工程师，硕士，主要从事硬件设计研发工作。E-mail：xiaoquan6789@163.com