同步发电机励磁系统实测校核数据库的设计

齐索妮，徐 良

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.国核电力规划设计研究院，北京 100095）

同步发电机励磁系统实测校核数据库的设计

齐索妮1，徐 良2

（1.中国核电工程有限公司，北京 100840；2.国核电力规划设计研究院，北京 100095）

励磁系统参数对电网稳定性影响较大，为了满足对现场实测报告的自动校核需求，现需要一种励磁系统模型数据库对大量的励磁系统参数进行录入储存和计算。针对目前励磁系统参数的重要性，以及励磁系统更新换代快的现状，开发出一套具有3种现场实测数据录入方式的励磁系统模型数据库，实现了励磁系统模型及其参数的录入、储存及校核自动输出，提高了工作效率，能够为电力系统稳定分析计算提供更完善的数据基础。

励磁系统；数据库

由于励磁系统参数影响电网的有功无功控制、电压稳定性、小干扰及大干扰稳定性，电网公司需要建立励磁系统数据管理库作为电网运行控制的依据和确定控制水平。随着广域测量技术的发展、发电机励磁系统运行数据实时收集与监测也将是重要工作之一。目前华北电网、南方电

网、江苏电网等公司都建立了励磁系统管理库用于电网运行方式选择、电网规划及生产调度。但随着电力电子技术，微机技术的发展、励磁系统新技术新模型的出现、有必要对已经过现场实测的机组数据与未经过实测的数据以及数据是否通过校核、是否可用进行分类管理。随着智能电网的发展、国家电网公司要求对励磁系统参数进行实测，各省市试验院所已经广泛开展励磁系统建模实测工作，经过现场实测的数据还需要在利用电网数据进行仿真计算的校核，只有经过实测和仿真校核计算后的数据才可以录入电网仿真软件使用。但由于试验院所与电网对关注的侧重点不同，同时试验院所进行试验采用的仪器软件没有与电网仿真计算软件的直接接口，出具的实测试验报告通常为纸质版；而电网依照试验结果进行仿真计算时需要人工录入相关信息，并且往往不能详尽包含电网关注的信息。因此通过开展对现有励磁系统参数数据库情况调研，建立便于输入输出、且适合于励磁系统数学模型使用的参数数据库，已经成了一项亟待解决的基础工作。

2002年，中国电科院首次提出建立可用于系统稳定计算的励磁系统数据库，并提出“大机组采用实际模型、小机组采用简化模型”以及“励磁系统参数测试与参数优化相结合”的方案。2005年，南方电网公司颁布了关于建立励磁系统数据管理库的项目文件，其数据库主要是基于现场实测数据的录入管理和BPA仿真用模型参数管理。江苏电网公司建立的基于WEB的励磁系统管理数据库是在对大机组励磁系统进行现场测试、自定义建模和参数辨识所得各种模型的基础上，形成的江苏电网大容量发电机组励磁系统在PSASP下的励磁系统自定义和标准模型库以及PSS/E 软件下的励磁系统标准模型库，采用网络和数据库技术建立相应模型参数的网络数据库。随着励磁系统的更新换代，已出现了越来越多的新模型，现有的数据库大部分采用典型的或早期未经现场实测的模型和参数，已不符合我国现代励磁系统的实情，同时，试验院所的实测报告进行校核时缺少对试验过程信息的记录，难以追溯。因此，本文在对励磁系统模型参数数据库研究的基础上，结合实际电网的需求和电力试验研究院提供的现场励磁系统实测试验数据，研究出一套具有3种现场实测数据录入方式的励磁系统模型数据库，实现了对现场实测报告过程数信息的录入和存储，对校核过程信息的保存以及校核结果的自动输出。

1 励磁系统现场实测试验及自动校核

《同步发电机励磁系统建模导则》对励磁系统建模现场试验的试验方法、试验过程以及试验结果等做了相关规定。实测建模测量方法主要有频域法和时域法，频域法主要通过输入不同频率的正弦信号或噪声信号，测量输出对输入的频率特性是否符合相关的控制要求，并通过频域计算得到测量环节的控制参数；时域法主要采用输入扰动信号，一般为阶跃信号，测量其输出响应，查看输出是否符合时域响应的要求[1-2]。

励磁系统实测建模的自动校核是将励磁系统实测建模报告中的各种数据信息录入自动校核软件后，软件能根据录入的励磁系统模型信息自动关联模型库，按照各试验项目进行仿真计算，并将仿真结果与实测信息进行对比，关联相关校核判据得到校核。校核完毕后自动进行参数计算并形成校核报告，报告中包含试验过程数据以及电力系统稳定计算软件（PASAP）中可用的模型和参数信息。自动校核流程图如图1所示[3-4]。

因此建立励磁系统校核数据库时，需对数据进行合理分类，找出不同数据之间的逻辑关联关系。针对励磁系统建模的自动校核建立同步发电机励磁系统建模校核数据库时，数据库的总体设计应与自动校核流程相结合。校核数据库是软件集中处理数据的平台，软件的图形界面功能和数据的存储、查询等功能都是基于校核数据库来实现的。为帮助实现校核过程的自动化，按校核流程将数据库分为基础数据、校核数据两部分。

2 基础数据信息

本文开发的励磁系统校核数据库，其建立基于Windows Office Access数据管理系统平台的励磁系统数据管理库系统，能够存取Microsoft SQL Server中的数据并支持简单的WEB应用程序，可较好的满足励磁系统参数校核数据信息管理的需

求。数据库设计是对数据进行组织化和结构化的过程，建立华中电网励磁系统及PSS模型库与数据库的核心问题是关系模型的设计。关系模型是数学化的、用二维表格数据描述各实体之间的联系的模型。

图1 自动校核流程图Fig.1 Flow chart of automatic verification

由于自并励励磁系统是目前电网中大机组常用的励磁方式，具有典型性，文中以自并励系统为例，探讨了自并励系统自动校核数据库的建立与实现。

2.1 基础数据库建立

基础数据信息主要来源于现场实测报告信息及励磁系统生产厂家所提供的信息。基础信息即校核前的信息处理库，主要内容包括：现场实测波形的录入和存储以及现场操作过程数据、现场实测励磁系统模型和参数信息、发电机组参数信息、现场试验项目等。

基础数据库中信息分为两部分：基础信息和参数数据。基础信息包括每台发电机组和它的励磁系统基本信息。发电机及其励磁系统基本信息包括校核序列号，所在电厂，调度关系，厂内编号，电厂联系方式，测试单位，型号，容量，基准容量，生产厂家，额定功率，额定转速，额定电压，额定电流，功率因数，额定励磁电压，额定励磁电流，励磁类型，励磁方式，PSS型号、备注信息等。该信息库还可以根据要求进行扩充。对每台发电机的校核序列号是不同的，因此可以利用校核序列号来形成一张总表。为体现模型与参数的联系，发电机模型与参数的关系通过发电机的校核序列号进行关联。参数库包含发电机参数、励磁系统以及PSS参数，所有的发电机都包含的共有参数可以形成发电机参数表。不同的参数数据组之间用唯一的数据组编号来确认。可以利用基础数据库生成数据管理信息表、发电机参数表、励磁系统参数表等。

励磁系统模型参数包括现场测试所使用的模型参数以及试验院所根据现场测试模型经过参数辨识转换为PSASP软件可以调用的模型。现场测试模型参数是指试验院所提供的通过现场测试方法得到的模型参数。不同的励磁系统对应不同的励磁系统参数表，对同一励磁系统的不同参数数据用参数组号加以区分。如现场实测的模型与转换到PSASP电力系统仿真计算软件中的模型分别对应不同的参数表。

基础信息录入与信息完整性的校核判据相结合，用户在进行数据录入的时候即可进行信息完整性校核，以便及时要求试验院所或厂家补充遗

漏参数。

自并励励磁系统参数包括励磁变压器参数、功率整流柜参数、励磁调节器参数。但即使是同一种励磁模型，其参数设置也可能不同，因此有必要为同一模型下的不同参数建立参数表。自并励励磁系统参数表见表1。

表1 自并励励磁系统参数表Table 1 Parameters of self and shunt excitation system

2.2 基础数据及校核数据

由于现场实测建模报告一般都是纸质报告，报告中包含多种曲线，如发电机空载特性曲线、空载阶跃试验曲线、发电机大干扰实验曲线等、这些曲线往往表征着励磁系统的性能是否良好，对励磁系统的建模校核很大程度上依赖于对这类曲线的识别与判断。但电网最终关注的只是参数的准确度和可用性，对相关的实测特性缺少相关的记录和保存。因此针对纸质报告与现场使用的录波仪器实际情况开发了3种数据录入方式：手工录入、纸质试验信息扫描录入及录波仪格式录入。

其中，录波仪格式数据直接导入目前仅适用于WFLC_VI便携式电量记录分析仪导出的CSV电子表格文件，试验曲线扫描录入软件后，由于曲线数位辨识的分辨率较低导致小范围波动数据很难分辨出来，因此有一定的误差，但对试验效果的校核影响不大。

3 励磁系统校核信息

校核数据包含测试报告试验信息，仿真计算信息与校核过程的信息，同时还需要有日志记录的功能，记录校核过程和数据更新等方面的信息，同时将发电机的校核序列号作为日志记录的一个属性，用以跟踪每一台励磁设备校核项目的变动情况。

校核判据对现场试验数据从各个方面提出了评价要求，因此需根据评价标准从试验曲线上提取相关评价用特征量，包括以下几个方面[5，7]：

1）现场试验转子时间常数读取。发电机空载转子绕组相当于一阶环节，现场测试方法得到的是该一阶环节的时间响应。零状态阶跃响应时域表示为：稳态值，其中为时间常数。实测时，当时，输出为稳态值，即到达0.632稳态值所用的时间为时间常数。从实测曲线信息上读取达到0.632稳态值时所需要的时间即为转子时间常数。

2）励磁系统静态放大倍数调节器的比例放大倍数计算公式为：

对试验单位提供的励磁调节器比例放大倍数测量试验数据生成曲线后并根据实验数据计算放大倍数PK。

3）发电机空载大扰动试验曲线，编写计算程序从曲线上提取最大、最小励磁电压，maxα、 αmin的计算式为：

式中：UmaxfD、UminfD分别为试验中最大、最小发电机励磁电压；ETU为试验时励磁变压器二次侧线

电压。

4）对发电机空载5%阶跃试验曲线而言，对现场响应曲线采样后的数据进行分析，求取如下5个特征量：上升时间（曲线第一次上升到稳定值的时间）、峰值时间（达到峰值对应时间）、调节时间（进入稳定值上下+/-2%(5%)区域所花时间）、超调百分比、震荡次数（调节时间内围绕稳态值的振荡次数）。

5）对发电机实测空载曲线需要进行气隙线拟合，以便得到实际仿真计算需要的参数，计算方法将在后面提到，软件中的气隙线拟合结果如图2所示。

图2 发电机空载曲线气隙线拟合图Fig.2 Power generator no-load curve and air-gap line fitting diagram

为实现在线及离线自动校核，在校核过程中产生的数据也必须进行存储和管理，即在进行各个环节校核时，将当时试验状况、试验曲线等信息进行界面显示，试验数据信息及校核产生的数据信息也可导出形成EXCEL报表格式。校核完毕后软件会对校核完毕的数据形成WORD及WPS格式的报表存储。

4 结论

文章通过对励磁系统现场实测报告内容和电网仿真校核实际情况调研，为满足对现场实测报告的自动校核，研究了3种现场实测数据录入方式，满足不同用户（励磁生产厂家、试验院所、网省公司）的建模校核需求，比照自动校核流程及自动校核判据的要求，建立了励磁系统自动校核数据库。校核后能够根据校核结果给出结论，并形成一个包含机组信息、调度关系、测试时间、测试单位等信息的数据管理库。在校核完毕后可以自动生成WORD或WPS格式的校核报告，便于工作人员查看。同时这些报告与校核结果也可以自动保存到文件夹中，易于管理查看。但由于试验院所实测所用的模型一般为厂家提供，厂家模型较多样化，转换成电网仿真计算软件中的自带模型时需要对模型和参数进行转换，使其转换成电网计算能用的模型和参数，因此励磁系统模型和参数的自动转换的研究是后续需要继续开展工作。

[1] 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．（LIU Qu. Stability of Electric Power System and Control of Generator Excitation[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2007.）

[2 陆继明，毛承雄，范澍，等．同步发电机微机励磁控制[M]. 北京：中国电力出版社，2006．（LU Ji-ming, MAO Cheng-xiong, FAN Peng, et al. Microcomputer Excitation Control for Synchronous Generator[M].）

[3] 齐索妮，姜曼，杨嘉伟. 励磁系统模型现场测试数据的自动校核[J]．武汉：水电能源科学，2010．（QI Suo-ni, JIANG Man, YANG Jia-wei. Automatic Check of Site Test Data for the Excitation System Model[J]. Wuhan: Energy Science of Hydropower , 2010.）

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[5] 竺士章．发电机励磁系统试验[M]．北京：中国电力出版社，2005．（ZHU Shi-zhang. Tests for Generator Excitation System[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2005.）

[6] GB/T 7409.3-1997，大中型同步发电机励磁系统技术要求[S]. （GB/T 7409.3-1997, Technical Specifications for the Excitation System of Large- and Medium-scale Synchronous Generator [S].）

[7] DL/T 843-2003，大型汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术文件[S].（DL/T 843-2003, Technical Documents for the Excitation System of the AC Exciter of Large Turbo-generator[S].）

Design of Field Measurement and Verif cation Database for the Excitation System of Synchronous Generator

QI Suo-ni1，XU Liang2
（1.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China；2.State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute，Beijing 100095，China）

Parameters of the excitation system have a significant impact on the stability of power grid. The automatic verification of field measurement report is now need an excitation system model database for excitation system’s parameter input storage and computing. Regarding the importance of the excitation system parameters and the rapid upgrading and replacement of the excitation systems, an excitation system model database with three field data input methods is developed, which can achieve the input, storage, verification and automatic output of parameters of the excitation system model. Using this database can improve the heavy workload of excitation verification, provide a realistic database for the stability analysis and calculation of power system.

excitation system；database

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)01-0081-05

TM623

A

1674-1617(2014)01-0081-05

2013-12-11

齐索妮（1985—），女，湖北随州人，工程师，硕士，从事核电厂电气设计工作。