基于PLC冗余控制的微机励磁调节控制系统设计

周 涛，李兼伐，刘电波，季 锐，陈炳森，刘奇波

（1.广西水利电力职业技术学院， 南宁 530023；2.南宁精能发电设备有限公司， 南宁 530033）

0 引言

水轮发电机励磁系统是水电站自动化控制系统的重要组成部分，通过调节控制进入发电机转子的励磁电流，实现对发电机端电压、输出无功功率及发电机功率因数的调节控制。优良的励磁系统可以维持发电机端电压稳定，实现并网运行发电机间无功功率合理分配[1]，还可提高电力系统运行的稳定性。

现代水轮发电机励磁系统大多采用自并励工作方式，励磁主电源取自发电机出口，经励磁变降压、晶闸管可控整流，再经励磁开关后送至发电机转子线圈，从而实现对发电机工作磁场的调节控制[2]。随着计算控制技术的发展，现代水轮发电机励磁系统均已采用计算机作为控制器，通过检测发电机端电压和输出电流、发电机出口断路器位置信号、励磁操作控制信号以及相关设备位置及控制信号，经PID调节运算后，形成对主回路晶闸管的同步触发控制信号，实现对发电机励磁电流的调节控制。

中小型水轮发电机组单机容量小，受单位成本限制，发电机励磁调节装置多采用单片机或PLC作为控制器。相比单片机，PLC 具有优异的工业过程控制性能，不仅能完成逻辑控制，而且还集成了PID控制功能，具备复杂算术运算和数据处理能力，其出色的可靠性和稳定性，便捷的网络组态应用，简单的编程调试方法，使其在中小型水电站水轮发电机组自动控制、水轮机调速器和发电机励磁调节控制中得到广泛应用。

PLC 虽然具有较高的可靠性和稳定性，但单CPU 的PLC 控制系统仍然存在CPU 内部故障导致系统意外停机，引发机组事故的重大风险，无法满足智能化水电站建设对控制系统高可靠性的要求。

为解决单CPU 的PLC 励磁调节控制系统存在可靠性问题，采用西门子S7-1500R 系列具有冗余功能的PLC设计了水轮发电机励磁调节控制系统。

1 微机励磁调节控制系统硬件设计

1.1 励磁调节控制系统电气主回路设计

图1虚线框内为发电机励磁系统电气主回路设备。发电机采用自并励工作方式，机端输出的交流电经励磁变高压侧隔离开关QS1、熔断器FU1～FU3、励磁变TSH、励磁变低压侧隔离开关QS5、主 回 路 快 速 熔 断 器F10～FU12、晶 闸 管VS1～VS6进行三相全桥可控整流后，再经励磁开关QFM送至发电机转子励磁线圈，从而形成发电机工作所需要的可调节磁场。为保证发电机残压（发电机利用转子磁极剩磁建立起来的电压，简称“残压”）不足时能实现机组自动开机建压，设计了一路由站用DC220V系统来的直流电源作为发电机外部起励电源，经断路器QF1、限流电阻R7、接触器KM1、励磁开关QFM给发电机励磁线圈通入起励直流电，增强发电机建压所需要的初始磁场。当发电机自并励建压成功后，即可跳开接触器KM1，断开外部起励电源[3]。图1 中VD1 二极管用于防止发电机起励建压后，其脉动直流电反向影响到站用直流系统。

图1 励磁调节控制系统电气主回路原理图

通常情况下，发电机采用逆变灭磁方式，停机时并不跳开QFM，而是通过控制VS1～VS6进入逆变工作状态，将发电机转子励磁线圈的能量逆变至励磁变和发电机定子绕组的方式实现灭磁。当发电机发生严重事故，保护动作迅速跳开QFM，此时，发电机转子励磁线圈的能量通过QFM 常闭触点和灭磁电阻RFD 实现灭磁。此外，发电机还设置了由RV1～RV7组成的励磁回路过压保护，由励磁电压表PV1、励磁电流表PA1 以及励磁电压变送器BV、励磁电流变送器BA组成的励磁测量变送回路。

1.2 励磁调节控制系统设计

以PLC 作为控制器的发电机励磁控制系统如图2 所示。除前述励磁电气主回路外，还包括了PLC 励磁调节控制系统及其输入输出回路、与上位机通信回路、发电机电量测量转换回路、晶闸管控制的同步及移相脉冲回路、PLC 输出至晶闸管的控制脉冲输出回路和励磁控制系统双电源自动切换回路等。

图2 发电机PLC励磁控制系统示意图

为测量发电机输出电压及获得晶闸管控制所需的同步信号，发电机励磁系统需要配置发电机出口端电压互感器TV，将发电机输出的高电压按变比转换成0～100V电压输入至励磁系统。为避免发电机工作过程TV 及其回路故障，引起至励磁系统的电压突然消失或缺相，造成励磁系统误动作，在发电机出口端配置了TV1、TV2两组电压互感器，TV1向励磁系统提供发电机测量电压，TV2 向励磁系统提供晶闸管同步移相控制的基准电压。励磁调节控制系统以TV2提供的电压信号过零时为基准，加上励磁调节控制系统PID运算所得的导通控制角和励磁变Dy11接线形成的偏移角，最后形成励磁主回路各晶闸管的触发控制脉冲信号经隔离放大后输出至各晶闸管控制极，从而实现对晶闸管的调节控制。如在发电机工作过程中，突然检测两个TV 输出电压不一样并有一个TV 输出电压发生突变，可判定为TV回路故障，不再将具有故障的TV输出电压作为调节控制依据，以免发生误动而造成事故。

此外，为了测量发电机工作时所输出的无功功率及功率因数，配置发电机出口端电流互感器TA，将发电机输出的大电流按变比转换成0～5A的电流再输入至励磁系统电量测量回路，通过电压、电流的测量，可计算出发电机输出的无功功率及功率因数。为提升发电机开机并网效率，配置了电网端的电压互感器TV3，当发电机已起励建压且发电机出口断路器QF 未合上时，励磁调节控制系统以TV3输出的电压为发电机电压调节给定值，自动调节控制发电机输出电压，快速跟踪电网电压变化，保持QF两端电压达到或接近同期并列的要求，从而提高发电机开机并网速度，提升效率。一旦发电机并网成功，QF 处于合位，QF 两端电压相等，此时励磁调节控制系统退出自动跟踪电网电压状态，并以额定电压作为给定值进行励磁调节控制。

为保证励磁控制系统工作电源的可靠性，配置了AC220V 和DC220V 两路电源，并在内部设置了双电源自动切换电路，正常工作时以AC220V 电源为主，当AC220V 电源电压下降至200V 及以下时，自动切换至DC220V电源工作。电源切换过程对励磁控制系统供电不中断，不影响系统的正常工作。

1.3 励磁调节控制系统PLC冗余应用设计

水轮发电机励磁调节控制系统输入输出信号不多，控制计算以PID运算为主，处理的数据量不大，在满足智能化水电站对发电机励磁调节控制器可靠性和调节计算性能基础上，选用经济性较好的西门子S7-1500R 系列PLC 来组建具有冗余功能的发电机励磁调节控制器（如图3所示），设备清单见表1。

表1 基于CPU 1513R-1 PN的励磁调节控制器设备清单

图3 基于CPU 1513R-1 PN的励磁调节控制器

图3中，PC为水轮发电机组控制用的上位计算机，通过交换机与发电机励磁调节控制器进行以太网通信。Panel为西门子触摸屏，用于励磁系统的人机交互及参数设定。ET200SP是一个可扩展分布式I/O系统，通过现场总线将4个I/O接口模块，共8路模拟量输入（8AI）、4 路模拟量输出（4AQ）、16 路开关量输入（16DI）、16 路开关量输出（16DQ）信号与CPU连接并处理。I/O模块基座单元用于安装4个I/O接口模块，电源模块用于给CPU、ET200SP、XC208等提供24VDC工作电源。

励磁控制冗余系统内配置2 台相同的CPU（内配4M存储卡，每个CPU均设有[X1,P1]和[X1,P2]2个以太网接口），工作时一个CPU将执行控制角色（主CPU，输出控制信号），另一个CPU 将作为跟随CPU（备用CPU，在工作但不输出控制信号），如果主CPU突然发生故障中断工作，则备用CPU将在中断处作为新的主CPU立即输出控制信号，继续过程控制。为在冗余PLC 主备之间实现组态、程序、数据同步及CPU 故障快速切换，必须将系统中2 台PLC安装在支持MRP功能的PROFINT环网中，如图3使用网线将2台PLC的[X1,P2]连接起来，此外，还得使用具有MRP 冗余环网功能的XC208 工业以太网交换机，按图3 接线将PLC、IO 接口、触摸屏及上位机连接起来。两台CPU 通过MRP 冗余环网共享分布式I/O系统。

1.4 励磁调节控制系统PLC的I/O设计

发电机励磁调节控制系统PLC的I/O信号设计见表2，分别占用开关量输入模块的I0.0～I1.5接口，开关量输出模块的Q0.0～Q0.5 接口，模拟量输入的AIW0～AIW10通道，模拟量输出的AQW0通道。

表2 励磁调节控制系统PLCI/O分配表

2 微机励磁调节控制系统软件设计

励磁调节控制软件包括主程序、初始化子程序、循环中断服务子程序（PID 运算）及相关控制与故障处理等子程序，励磁调节控制主要流程见图4。

图4 励磁调节控制主要流程

主程序首先对系统进行初始化，检测是否存在系统故障，写入相关初始值，判断运行操作模式，打开定时循环中断用于调用励磁调节PID 运算，之后进入循环执行机组励磁状态判别、故障检测、终端显示、人机接口命令的流程。

机组励磁状态判别首先判断是否有停机令或开机令。如是开机令，还需等待发电机起励建压指令并且机组转速达到95%额定转速时才会执行起励建压命令；其次判断机组是否是负载状态，否则执行开机前设置命令。机组负载状态是以发电机出口断路器QF 为合位且发电机电流大于3%额定电流为判据，为避免断路器QF 位置辅助触点故障误发信号，当发电机电压大于80%额定电压且发电机电流大于10%额定电流时，可判定机组处于带负载运行态。

励磁故障检测主要检测并判断是否出现TV断线故障、晶闸管触发控制脉冲故障、励磁电源故障、晶闸管触发脉冲同步信号故障。通过对比图2 中TV1、TV2 的电压可判断是否发生了TV 断线故障，以避免励磁调节控制误动作。

在励磁控制调节程序中，只要机组在正常带负载运行状态，即在每一次定时循环中断中调用电压调节计算子程序，通过电量采样测量发电机电压U和电流I，计算发电机有功功率P 和无功功率Q，进行调差计算并利用PLC 内部集成且具有抗积分饱和的PID控制器（可避免积分项无限增长，提高系统响应速度和稳定性）进行PID运算，计算出晶闸管的控制角，与同步信号合成后，经过控制脉冲输出回路实现对图1 中晶闸管VS1～VS6 的控制，从而实现对发电机励磁的调节控制。

3 结语

采用具备冗余功能的西门子S7-1500R 系列PLC 设计了中小型水轮发电机组励磁调节控制系统，利用PLC双CPU冗余配置及调节控制无扰动自动切换功能，全面提升了励磁调节控制器的可靠性，有效解决了单CPU的PLC控制器“死机”故障可能引起的发电机失控严重事故。设计已经过样机试验，各项调节性能指标达到了中小型发电机励磁系统的技术要求。