葛洲坝电站励磁在线监测信息系统设计

张 超，武永恒，杨京广

(葛洲坝水力发电厂，湖北 宜昌 443002)

同步发电机励磁系统担负着电压控制、无功分配及提高同步发电机并列运行稳定性等任务，是同步发电机极其重要的组成部分[1]。因而，对励磁系统新技术的研究和应用一直是电力行业工作者不变的课题[2]。随着电力生产行业技术和网络通讯技术的不断发展，励磁系统在线监测技术也在不断革新。葛洲坝电站使用到的励磁系统状态信息在线监测及管理技术，可以采集并汇总励磁调节器调节信息，可控硅整流桥主要元件电流、电压及温度信息，灭磁设备灭磁信息以及其他相关设备工作信息，全面反映励磁设备工作状态，并进行实时状态评估[3]。但是，每个机组励磁系统都是相互独立的，需要工作人员到设备现场查看，才能得到系统评估信息和相关数据，是非常不方便与不及时的，因而十分有必要设计一套信息系统，针对全厂21台发电机组的励磁系统信息，进行实时监测、数据采集、存储、分析、在线诊断，并上传至用户端进行画面展示,从而减少励磁设备维护成本，提高生产效率，推进葛洲坝智慧枢纽建设。

1 励磁在线监测信息系统架构设计

励磁在线监测信息系统有三层结构，包括现地层、应用层以及用户端，主要由现地励磁在线监测装置、通讯装置、数据库服务器、管理服务器、工作站、打印机组成。现地励磁在线监测装置主要采集励磁系统全部信息，通过通讯装置传输至主干网络，数据库服务器对全部数据进行分类并保存，再由管理服务器对数据进行处理、分析、在线诊断，并将结果远程传输至用户端进行画面展示。工作站的作用可以在应用层对整个励磁在线监测信息系统进行维护、升级，同时也能进行数据读取、励磁系统信息画面展示、录波文件、报表文件生成及拷贝。打印机可以打印报表文件、录波文件等。具体的励磁在线监测信息系统架构，如图1所示。

图1 励磁在线监测信息系统架构图

2 励磁在线监测信息系统数据采集方案设计

励磁在线监测信息系统需要采集的机组励磁系统信息包括励磁调节器模拟量信号、状态量信号，整流柜模拟量信号、状态量信号，灭磁柜模拟量信号、状态量信号，以及励磁系统定值。

其中，励磁系统的模拟量信号和状态量信号要求实时监测、汇总、存储并分析。在2004年，季坤做了WAMS系统中PMU通讯方式的研究[4]。通过应用WAMS系统中的PMU通讯方式，励磁系统中的模拟量信号和状态量信号可以依靠GPS的高精度授时能力，使得数据实时测得，保持了高度的可信度和精度，数据同步性极高，真实反映机组励磁系统的动态行为。励磁在线监测信息系统中，PMU通讯的应用，可以完成PMU通讯链路下的励磁系统动态数据采集与存储、离线文件召唤、重要通信报文记录、PMU运行管理与统计、事项告警、动态数据交互等功能。

另外，当励磁在线监测信息系统需要对励磁系统进行故障分析和在线诊断时，需要调用励磁系统定值，定值的传输要求准确无误，必须确保不丢失，不缺项，完整正确。在2004年，孟祥萍对IEC60870-5-103规约进行了分析并做了应用，并提到了IEC60870-5-103规约是用于控制系统与继电保护设备信息交换中的继电保护设备的信息接口配套标准，大大提高了继电保护设备的安全性[5]。继电保护设备的安全等级和励磁系统是同级别的，因而，励磁在线监测信息系统使用IEC60870-5-103规约进行定值得传输是非常合适的。励磁在线监测信息系统中，103通信规约的应用，主要完成103链路下的励磁系统的模型召唤、事件告警、操作日志、定值召唤、录波文件召唤等功能。

3 励磁在线监测信息系统基本功能设计

1)数据的存储与管理。因为励磁在线监测信息系统采集到的各类数据必须长久保存，因而需要数据库服务器，并支持主流的商用数据库，如Oracle，MySQL等。通过数据库系统，实现对采集的数据分类管理，调用等功能，同时也是励磁在线监测信息系统在线诊断功能应用的基础。

2)画面展示。励磁在线监测信息系统具备常用的绘图工具、高级图形组件、图形编辑功能、动画驱动配置和事件响应功能，用来实现信息系统画面展示功能。画面展示分为主画面和分画面，主画面包括机组编号、运行状态信息、告警信息、故障信息、操作日志记录、机组模拟量信号、机组状态量信号，分画面包括励磁调节柜信息、整流柜信息、灭磁柜信息。画面可以在工作站和用户端展示，并远程控制机组运行状态。

3)录波。励磁在线监测信息系统具备录波功能。录波功能可手动启动，也可自动启动。自动启动方式有：①机组接到开、停机命令；②灭磁开关跳闸；③转子电压突变；④转子电流大于1.3倍的额定值；⑤与励磁调节器通信故障[6]。录到的波形，可以存储也可以拷贝，并具备波形比对、统计、分析等功能，为励磁在线监测信息系统的在线分析和诊断功能提供基础。

4)制表打印。励磁在线监测信息系统能够对励磁系统相关数据信息进行收集，并按照既定模板生成报告。报告模板为excel格式的文件，可进行相应的编辑，数据以函数的形式插入。生成的报告可直接通过打印机打印也可拷贝出来。得到的报告可以作为原始数据保存，为机组励磁系统故障分析和诊断提供证据。

4 励磁在线监测信息系统高级功能设计

4.1 发电机状态判断

葛洲坝电站发电机的状态有两种：并网态、解列态。励磁在线监测信息系统可以通过采集到的发电机励磁调节器运行状态信号、出口开关位置信号、灭磁开关位置信号来综合判断发电机的状态。

4.2 整流柜均流越限判断

葛洲坝电站每台机励磁系统中包含3个整流柜，励磁在线监测信息系统可以实时采集到3个整流柜的直流输出电流值，并实时计算出整流柜的均流系数，通过在系统软件中设置均流系数阈值和告警阈值，实现整流柜均流越限实时预警以及报警。

4.3 发电机运行图

励磁在线监测信息系统可以实时采集到运行机组励磁系统有功功率、无功功率，并结合发电机PQ图，生成发电机实时运行图，直观地展示出机组进相、滞相、欠励、过励等各类运行状况，并能在工作站和客户端进行展示。

4.4 元器件状态评估

励磁在线监测信息系统可以通过实时采集到机组整流柜各相桥臂电流，获得桥臂电流均流情况动态曲线，通过设置最大变化阈值，从而实现可控硅元器件的状态评估。

励磁在线监测信息系统可以实时监测到灭磁柜上各支路的灭磁电阻漏电流，通过设置漏电流变化阈值，从而实现灭磁电阻的状态评估。

励磁在线监测信息系统可以监测到励磁系统中各类电源模块的实时电压，比如24 V，±12 V，5 V这类工作电源，通过设置对应工作电源电压的最低限值和最高限值，从而可以实现电源模块状态评估。

4.5 故障在线分析及诊断

励磁系统常见的故障包括起励失败、误强励、无功波动等。

针对起励失败，可提前建立判断条件，包括起励回路的工作电源是否正确投入、灭磁开关的位置状态是否为合闸、励磁调节器是否按照既定程序处于正常工作状态、可控硅或可控硅触发回路是否正常工作并可靠触发、起励电压给定值是否低于要求值等，因为励磁在线监测信息系统可以实时监测起励电流大小、起励电压、整流柜桥臂电流、励磁调节器工作状态、灭磁开关状态信号，从而可以分析出起励失败的原因，从而给出检修意见，减少励磁人员的工作量。

同理，可以建立误强励的判断条件，包括励磁系统因为机端电压低于限定值而正常强励、调节器内部程序执行错误导致误强励、发电机机端电压测量错误等。以及无功波动的判断条件，包括机组PSS(电力系统静态稳定器)调节动作、整流柜发生脉冲掉相故障、系统发生震荡现象等。

故障的类别以及相应的判断条件可以随时添加丰富，从而不断完善励磁在线监测信息系统故障在线分析及诊断功能。

4.6 录波曲线指标计算功能

1)灭磁曲线指标计算。励磁系统中比较重要的动态曲线之一，就是灭磁曲线。励磁在线监测信息系统具备录波功能，针对录制的灭磁曲线，可以读取曲线上显示的全部时刻的励磁电压、励磁电流、灭磁电阻支路电流、整流侧电压，综合励磁调节器投入状态信号、灭磁开关分合位状态信号，并设置励磁电压阈值、励磁电流阈值，从而计算出现场需要的技术指标，包括灭磁起始时刻、灭磁终止时刻、灭磁时间、灭磁电阻支路电流平均值、支路电流最大值及其对应时刻、支路电流平均值的均流系数、支路耗能、支路耗能总和、支路耗能平均值、支路耗能值的分散系数等。

2)起励电流指标计算。励磁系统中另外一条比较重要的动态曲线，就是起励曲线。励磁在线监测信息系统可以读取录制的起励曲线，从而获得全部时刻的起励电流、定子电压，综合初励合闸状态量信号、励磁调节器投入状态信号，并设置起励电流越限阈值，从而计算出现场需要的技术指标，包括起励起始时刻、起励终止时刻、起励时间长度、起励电流最大值及其对应时刻、起励电流越限与否及其对应时刻、定子电压最大值、对应时刻等。

5 结 语

本文从系统架构，数据采集方案，系统基本功能，以及系统高级功能，四个方面设计了励磁在线监测信息系统，从而通过励磁在线监测信息系统实现对葛洲坝电站全部21台发电机组的励磁系统信息，进行实时监测、数据采集、存储、分析、在线诊断，并上传至用户端进行画面展示，从而推进葛洲坝电站智慧枢纽建设。