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1、NES5100发电机励磁调节器技术说明书V1.0前言本说明书介绍了南瑞集团电气控制分公司的NES5100发电机励磁调节器的功能、特点、硬件及软件配置、工作原理，供工程人员、市场人员以及用户参考，以便对NES5100有较全面的了解。与本说明书有关的技术文件： 硬件框图 软件框图 配线表 使用说明书 界面说明书 NES5100发电机励磁调节器说明书文件版本：V1.0南瑞集团电气控制分公司版权所有目录略第一章 概述NES5100发电机励磁调节器是南瑞集团电气控制分公司的第三代励磁调节器，适用于同步发电机各种励磁系统。NES5100发电机励磁调节器继承了我公司前两代励磁调节器SJ800和SAVR200
2、0的核心技术，借鉴了前两代励磁调节器几十年现场运行经验，参考了IEEE Std 421.5TM-2005励磁系统数学模型，还吸收了目前数字控制领域内最先进的研究成果和工艺。在计算速度、控制周期、抗电磁干扰、可靠性方面均有极大的进步。NES51000发电机励磁调节器控制单元采用主频高达180MHz的32位高性能微处理器为核心的硬件平台，采用积木式多通道冗余结构，并配备网络化的人机交互系统，采用嵌入式实时多任务操作系统，可实现逻辑现场组态。基于上述的硬件平台和软件构架，NES5100具有设计理念超前、可靠性高、操作简单、维护方便、使用灵活、扩展和兼容性高等特点。1.1 适用范围煤、天然气、水力、风
3、力、太阳能等都可以用来产生电能。通常，上述形式的能量首先变换为机械能，然后通过发电机变换为电能。电能转换大都使用同步发电机，其输出电压由励磁系统来控制，电能经过输电线路分配到负荷中心。图4-1为电能的产生环节：图1-1 电能的产生环节NES5100发电机励磁调节器适用于各种方式的可控硅励磁系统，适用10MW到1000MW各种容量机组。典型的励磁方式如下：1、自并励励磁系统，如图12；2、自复励励磁系统；3、两机他励可控硅励磁系统；4、三机励磁系统；5、无刷励磁系统；可根据实际工程设计出具体的实际方案。图12 典型自并励励磁系统框图1.2 装置功能1.2.1 装置的主要功能配有励磁调节器的并网发
4、电机，可以按简图1-3来表示。图中，同步发电机为被调节对象，励磁调节器根据电网电压调节同步发电机的励磁电流。此时，电网影响闭环调节电路的性能，从这个意义上来说，电网是一个外部的干扰变量。同步发电机与电网的特性在很大程度上是已定的。励磁系统只是校正、优化其全部性能。图1-3 励磁系统调节回路方框图而NES5100作为励磁调节器的主要目的是精确地控制和调节同步发电机的端电压和无功功率。为了实现这个目的，磁场电压必须快速地对运行条件的变化作出反应，即响应时间不超过几毫秒。为此需要一个快速的控制器，它应当不断地将给定值与反馈值进行比较，在尽可能短的时间内进行调节计算，最终去改变可控硅整流器的触发角度。
5、另外作为计算机类产品，NES5100还具备实时故障诊断和容错功能、智能调节及辅助分析功能、信息网络化等功能。1.2.2 基本调节和控制功能调节规律：PIDPSS： 并联PID和串联矫正，通过设置二选一使用 PSS1A和PSS32A模型，通过设置二选一使用多种运行控制方式可选： 恒机端电压闭环方式（AVR，基本配置） 恒转子电流闭环方式（FCR，基本配置） 定角度方式（试验） 恒无功功率运行（选用） 恒功率因数运行（选用）独特的多重切换技术，保证各种情况下的切换无冲击，确保机组可靠运行保证发电机按要求升压、并网、增减无功负荷及逆变停机保证发电机稳定运行于空载、发电、调相、停机等工况主备励无扰切换
6、（选用）余弦移相1.2.3 限制器功能为保证运行中的机组安全，保证机组与系统之间的运行稳定性，NES51000配置了完善的限制功能。主要有如下限制器：转子过流过热限制器过励延时限制器欠励瞬时限制器瞬时强励限制器VHz限制器1.2.4 保护功能励磁调节装置为保证机组安全，还具有如下保护功能：过电压保护（OVP）功能PT断线防误强励（PTP）功能防止失磁措施低励切换（UEP）功能失磁检测可保护（LOE）功能防止过激磁措施切换（VFT）功能过激磁保护（VFP）功能1.2.5 辅助功能励磁控制软件还具备一些必要的辅助控制功能，以及试验功能。多种起励升压方式可选： 快速零起升压控制（ZBC） 机组软起励
7、控制（SBC） 自动初值起励升压可控硅整流装置因为故障而限制功率单元出力控制（RCL）高起始响应机组的励磁机电压限制器（EVL）负载阻抗补偿控制（ZCOM），可任意设定正、负调差方式，且调差率大小可选择系统电压跟踪控制（HVT）用于水电机组制动用的柔性电制动控制器（FEB）突然甩负荷限制器（TLL）励磁电压反馈（ESS）正弦波扫频1.2.6 自检自诊断为了保证励磁系统的运行可靠性，励磁调节装置不间断地检测自身各重要环节的状况，对异常或发生错误的环节进行及时的容错处理，对冗余的系统，闭锁发生异常或错误的通道。具体的自检和自诊断内容有：电源电压过低、过高、或消失的检测PT断线的检测可控硅同步电压相
8、序及发电机机端电压相序的检测交流采样检测可控硅触发脉冲号及数量的检测控制角度的检测双机通讯故障的检测硬件和软件看门狗检测1.2.7 容错控制根据调节装置自检的结果，对各种信息进行分析，取得正确的信息维持励磁系统的正常运行。具体有：机端电压测量容错定子电流测量容错转子电流测量容错发电机频率测量容错有功功率及无功功率测量容错起励令及逆变令容错增减磁信号容错主断路器信号容错1.2.8 智能维护和显示系统图形化界面显示，可根据现场实际系统拓扑结构定制传递函数显示，便于系统各项试验和仿真信息网络化，实现远程监控和诊断逻辑组态技术在线帮助系统调节装置配置了录波功能，每组波形记录所有模拟量和所有的开关量20
9、秒内的数值及变位信息，装置内存可存储多组波形，停电不丢失，且记录波形实时上送给后台储存，永不丢失。录波保存有3种形式，分别是： 故障或异常自动保存：由故障信号和异常信号自动保存，记录在故障或异常发生前10秒和后10秒的波形和异常状态，完全保护故障现场，有利于故障的分析和事故的追忆； 手动保存：由人为操作，记录及显示任何一段20秒时间内的数据； 试验自动保存：由阶跃试验自动保存，记录试验过程的机组参数数据。故障分析系统异常情况纪录，包括动作和返回时间，最大可纪录1000条波形分析采样示波器模块，该模块以100ms的刷新频率对励磁调节器24个采样通道进行数据采集和图形显示。用户能方便地查看A套或B
10、套调节器的任意通道的采样实时数据。1.3 装置特点1.3.1 设计理念超前几十年励磁实际工程经验：总结过去现场运行经验，可预见励磁的发展前景，应用到新产品中，使得产品的淘汰周期大大延长瞬时无功理论：利用瞬时无功理论提高采样的准确性和判据的可靠性，为调节计算提供准确可靠的数据嵌入式实时多任务操作系统：使用嵌入式操作系统提高了代码移植性。实时系统具有快速可靠的中断响应，保证了励磁程序的高效率运行。多任务环境允许一个实时应用作为一系列独立任务来运行，各任务有各自的线程和系统资源，合理安排了励磁控制外围程序的运行。这种软件构架保证了系统和励磁控制程序的安全性和可靠性组态技术：可根据现场要求进行逻辑组态
11、，使得调试的灵活性大大提高图形化界面：可根据现场实际系统的拓扑进行组态，界面直观，便于使用模块化设计：程序各功能模块化，接口规范化，方便软件升级1.3.2 可靠性高工艺结构设计：标准19英寸6U机箱结构，所有功能板件均采用了全金属屏蔽技术，大大增强了散热、防尘及抗电磁干扰的水平。前插式的功能板件经过了专门的工业设计和工艺改进，在外观、结构强度、工艺水平等方面都得到显著的提升。采样先进的板件生产技术，成套表贴生产流水线批量生产，质量可靠电磁兼容设计：NES5100励磁调节器在整体机柜和局部设计上均考虑到提高装置的电磁兼容能力。针对电磁兼容的多项试验，在接地、滤波、屏蔽、布线、电路设计、EMC器件
12、选用等方面均采取了多种措施和精心设计。着重在电磁干扰的传播途径和装置本身接受方抗扰度能力上多采取措施，提高装置的电磁兼容的能力。柜体、插箱、板件安全接地，各控制模块功能接地，遵循就近接地原则，使得接地距离尽可能短，减少干扰。地线根据功能划分成数字地、模拟地等，接地方式多样。除了常规的无源、有源滤波外，还采用了诸如磁阻、扼流器等多种专用EMC器件。采取三重屏蔽，既可提高抗外部干扰能力，还可减少对外部的干扰。采用合理的布线方式，综合考虑导线的种类、信号的强弱、导线的长短、导线的屏蔽方式等，减少布线方式对导线电感、电阻、噪声耦合等的影响。电路设计时充分考虑到信号的噪声，采用各种手段和电路来抑制噪声的
13、传导和干扰。器件选型时将器件本身的抗干扰的品质考虑在内。通道冗余设计：NES5100发电机励磁调节器柜是由两个或多个NES5100控制单元组成，可配置多达6台大功率可控硅整流柜，为发电机组提供励磁。每个控制单元均作为一个独立的调节通道，可独立承担所有的励磁调节任务，互不公用，互不干扰，一套为主，从套跟踪热备用，组成冗余的两通道或多通道系统，保证任一套控制单元发生任意故障时不会影响其它控制单元的正常工作，从而保证系统的可靠运行。严格的质量保证体系： 南瑞电控公司自1997年通过ISO9001质量体系认证以来，在南瑞集团的统一要求下，建立并完善了一整套严格的质量保证体系，从元器件的选型、部件的生产
14、、装置的安装到整体的调试、验收等，都有专业的质量监控人员全程跟踪和监督，在生产流程上提高装置整体的可靠性。1.3.3 扩展性和兼容性高预留可扩展板件：预留可扩展板件位置，可根据实际需要扩展开关量数量，或脉冲输出。通讯接口多样化： 可提供RS232、RS485、CAN BUS、以太网、GPS对时等通讯接口。以太网通讯协议参考IEC60870-103规约的通用报文服务，面向对象，可实现报文的自解释。调节软件标准化：大量参考长期以来关于励磁调节方面的论文，以IEEE Std 421.5TM-2005励磁系统数学模型为蓝本，结合长期以来我公司现场运行的经验，使得调节软件标准化，可满足多种现场运行以及励
15、磁系统现场试验的要求。外部接口标准化： 模拟量接口、开关量接口、通讯接口等标准化，充分考虑到前两代产品的升级要求。1.3.4 操作性强界面图形化： 专用的人机界面，界面图形化，可显示整套励磁系统的模拟量、数字量等运行信息。操作形象简单，满足新老运行人员的需求。数据格式多样：提供数据的三种格式，即实际值、百分值、码值。便于不同使用习惯人员使用。试验接口简洁： 装置试验接口明确，可满足励磁系统试验的要求，试验界面操作简单，便于试验人员操作。试验结果录波分析： 提供试验结果的录波功能，并可对试验结果进行简单分析，减少试验人员对数据的处理工作。1.3.5 维护方便故障录波： 当装置故障时，可自动触发故障录波功能，为故障的分析提供原始的数据。故障及复位纪录： 可纪录多达1000条（可增多）的故障以及故障复位纪录，纪录故障、告警、限制等信号的动作和复位时间。故障专家诊
