作者：卢健生　

摘要：本文介绍了清华年夜学机电系研制的GEC-2B励磁控制器在广西宾客电厂A厂的成功运用，着重说了然该装配的特点和系统功能及其优越性，分析了装配的高靠得住性及稳定性的特点。

要害词：GEC；非线性；阶跃

一．前言

随着科学技术的成长，发机电组单机容量和电网规模越来越年夜，发机电组对励磁控制系统在快速性、靠得住性、活络性及多功能性等方面提出了越来越高的要求，电力自动化和微机监控系统也逐渐运用到整个电力系统的成长中来。在发电厂的整个励磁控制系统中，励磁调理装配即是其中的焦点部门。

从历史成长来看，励磁调理装配履历了分立元件、集成电路及微机型三个阶段。到了二十世纪九十年月末，进步前辈的微机励磁调理装配更是获得了普遍的运用。

广西宾客电厂A厂装机容量为2*125MW，是燃煤汽轮发机电组。发机电的励磁方式采用的是400HZ副励磁机、100HZ主励磁机及发机电的三机同轴励磁系统。自1989年#1机组、1990年#2机组相继建成投产到2003年的13年间，励磁调理装配一直使用的是南京电力自动化装备总厂的分立元件的KKL-2型可控硅快速励磁调理装配。一套KKL-2型装配分两个柜，一个为自动柜，一个为手动柜，在二十世纪八十年月这算是较进步前辈的产物，但装配插件多、结线复杂、抗干扰性能差、调试时间较长是他的错误谬误，且随着使用时间的延长，其电子元器件也已逐渐老化变质，故障越来越多，使调试越来越坚苦，给发机电的平安稳定运行带来了较年夜的威胁，曾屡次泛起元件老化损坏引发装配自动柜突然跳闸，自动转手动柜运行，对机组及电网的稳定运行带来了极年夜的风险。是以，对这些落后的故障频仍的装备进行改造已势在必然。2000年广西宾客电厂A厂决议先改造其#2机组的励磁调理器。经过量方面的综合斟酌及考查，后选用了有普遍运用的新型的清华年夜学研制的有自立常识产权的高科技的GEC-2B微机型非线性励磁调理装配，并于2000年12月20日一次投运成功。经过两年多的运行，装配完知足发机电组及电网的要求，而且运行稳定靠得住。2003年5月-6月份又把#1机组的励磁调理装配更换成了GEC-2B型产物。2003年6月11日也一次投运成功。至今，装配运行平稳靠得住。下面临GEC-2B型产物从各个方面作一简要分析介绍。

二．GEC-2B装配的特点

1．GEC-2B产物主要特点：GEC-2B型励磁调理装配是清华年夜学机电系研制的北京吉思电气有限公司（前身为：北京清华南自控制技术有限公司）生产的运用于100-600MW汽轮发机电三机交流励磁系统的产物。

1．1全数字化：从输进通道的交流采样到控制脉冲的输出全数实现数字化，没有模拟环节，无调整电位器，精度和靠得住性都获得了提高。

1．2有四种控制方式：NOEC方式（非线性优控制），LOEC（线性优控制），PSS方式（电力系统稳定器），PID方式（比例、积分、微分）。

1．3有实验、故障录波功能：自动记实故障前4秒，故障后16秒的故障数据，包括：发机电定子电压、转子电压，控制电压、电流，有功，无功，转速及庇护/犯错标志等。

1．4完善的实验功能：可以在线修改调差率、放年夜倍数、微分时间常数、惯性时间常数、和进行10的阶跃、灭磁实验。

1．5利便直观的人机接口：操作面板上有32个轻触薄膜键及8位LED数码管，可以显示16个参数，能很是直观地领会GEC的状态和励磁系统、发机电的状态。

1．6完整的庇护功能：具有PT断线庇护、强励反时限、低励限制、U/F限制、过无功限制、过定子电流限制等，以保证发机电的平安稳定运行。这些庇护比模拟装配有了很年夜的改善。

1．7装配上A柜装设有一体化的平面彩色显示器PPC（32位工控机），配以全汉化界面、菜单、简化的按键操作，从PPC的监控软件上可以完成GEC-2B型装配的所有操作功能。

2．GEC-2B装配的高靠得住性保证的特点

2．1装配采用全双置结构，由两个完全自力的自动柜组成。正常运行时为双柜并联，每柜各承当一半负荷，如一柜有故障则自动退出，另外一柜自动承当全数负荷，无切换进程，靠得住性较高。任一通道均知足强行励磁在内的功率要求。

2．2输进输出开关及电源等器件选用进口产物，并经严酷挑选测试，靠得住性高。

2．3双套电源并列供电，采用了高抗干扰电源滤波器及日本高靠得住、长寿命电源模快。

2．4输进输出通道两重隔离（电磁隔离与光电隔离），抗干扰能力特强，外部进线电缆无弱电，一般不需要采用屏障电缆。尤其在火电厂运用更具有现实的重要意义。

2．5GEC-2B装配内部共有45个控制参数可以在线修改，而且失落电连结。

2．6装配采用工业尺度的STD总线结构STDBus的微机系统。

2．6．1具有工业控制尺度IEEE961；

开放的系统结构，有年夜量的现成产物可选用；

小型化、组合化、模块化、尺度化，兼容性好，易于扩充及功能升级；

靠得住性高、成本较低。

2．6．2GEC-2B装配基本设置装备摆设包括了六块STD总线模块板。

2．6．2．1中心处置器板（CPU）STD9801：

中心处置器：MCS8098/80C196KB/80C196KC，16位；

工频频率：12MHz/16MHz/20MHz；

存储容量：EPROM16KB/RAM72KB/E2PROM2KB；

控制点线：STDBus，IEEE961尺度；

高速输进：4HIS；

高速输出：6HSO；

按时器：2个硬件按时器 4个软件按时器，16位；

串行口：全双工：9600/19200BPS。

2．6．2．2模拟/数字转换板（A/D）STD8545：

A/D芯片：ADS774；

分辩率：2-12；

转换时间：8.5us；

通道数：8/16通道；

电源：自带DC/DC隔离电源；

功率消耗：DC5V，50mA。

2．6．2．3开关量输进输出板（DIO）STD8511：

点数：光电隔离式16进/16出；

输进阻抗：2kΩ；

输出驱动：DC50V，200mA；

延迟时间：不年夜于10us；

功率消耗：DC5V，60mA。

2．6．2．4键盘与显示驱动板（KDP）STD9043：

主控芯片：Intel8279；

显示驱动：8位7段式；

键盘驱动：32位轻触式；

并行接口：可驱动打印机；

功率消耗：DC5V，150mA。

2．6．2．5固态继电器报警输出板（SSR）STD5338：

控制点数：8点，共16个端子；

直流输进：DC30V-DC220V；

节点电流：年夜3A；

导通压降：≤2V；

功率消耗：DC5V，100mA。

2．6．2．6与DCS通讯输出板（TXB）：

可经由过程DCS对励磁装配进行监视开关量及模拟量。

通讯接口：RS232/RS485接口。

2．7装配采用了靠得住的脉冲自封锁电路，放止误强励、误触发。

2．8软件的靠得住性设计

2．8．1为了提高软件开发效率及软件质量、靠得住性、可测试性及可维护性，采用了结构化编法式原则。包括：自力性原则、简单性原则、单进口单出口原则、作用域原则、流水线原则及完整的文档。

2．8．2装配设有完善的软件治理功能，在软件功能模块中设置了动态自检模块：在运行中对内部的软硬件故障进行在线自检，自检内容包括存储器故障、A/D故障、A/D通道紊乱、测频毛病、发脉冲毛病、发脉冲犯错等，软件故障在GEC内部可由软件自动处置，硬件故障则发旌旗灯号或退出运行。

2．9装配在出厂前已过严酷的尽缘耐压实验、抗干扰实验及接连100小时拷机实验。

3．GEC-2B装配的主要指标

3．1可控硅控制角α分辨率：0.004度/码；

3．2A/D转换量分辨率：2-12；

3．3A/D转换速度：100k/s；

3．4调压范围：5-130；

3．5调压精度：<0.5；

3．6移相范围：10-150度；

3．7附加调差：正负30内任选，极差1；

3．810阶跃响应：超调量小于20，振荡次数小于2次，调整时间小于10秒；

3．9电源顺应性：-30— 50范围内可以靠得住运行；

3．10功率消耗：小于300W；

3．11靠得住性指标：励磁系统投进率>99.99；

平均无故障运行时间>35000小时。

4．GEC-2B装配主要功能

4．1NOEC非线性优控制（默许）；

4．2LOEC线性优控制（选用）；

4．3PSS电力系统稳定器（选用）；

4．4PID比例、积分、微分；

4．5正负调差及调差率年夜小选择；

4．6低励限制及庇护；

4．7强励反时限限制；

4．8发机电定子电压过压限制；

4．9U/F限制；

4．10过无功限制；

4．11过定子电流限制；

4．12PT熔丝熔断庇护；

4．13交流励磁机时间常数抵偿；

4．14恒励磁电流控制；

4．15恒无功控制（选用）；

4．16软件自检及容错处置；

4．17硬件自检；

4．18恒功率身分控制（选用）；

4．19实验及故障录波；

4．20在线参数修改；

4．21参数显示、并可实现图形化、曲线化；

4．22与上位机通讯接口。

5．GEC-2B装配与其它厂商的励磁调理装配的主要分歧点

5．1GEC-2B控制方式是采用了清华年夜学研制的具有自立常识产权的高科技产物，它是今朝国内外具有简单硬件与丰硕的软件功能的工业产物，其技术焦点是运用了进步前辈的非线性控制理论，从而能更准确地反映控制对象的原本面目，及采用全数字化的微机控制技术，使产物在改善发机电和电力系统运行稳定性方面具有较着的优越性。

5．2励磁控制方式从20世纪40年月以来，年夜体上履历了，单变量控制阶段（PID调理），线性多变量阶段（电力系统稳定器PSS、线性优励磁控制器LOEC）及非线性多变量阶段（非线性优励磁控制器NOEC）。而GEC-2B集中了以上三个阶段的功能于一体，使电力系统的干扰稳定性及动态品质获得了充实的改善。

5．3GEC-2B装配的非线性优励磁控制原理

将非线性系统的控制问题切确转化为一类线性系统的控制问题，获得电力系统在年夜干扰下的平安稳定控制策略，再运用于励磁控制方面，就获得了非线性优励磁控制纪律。它主要用于改善电力系统暂态稳定和静态稳定并抑制电力系统功率振荡。清华年夜学将该纪律成功地运用在GEC微机励磁控制器中。

5．3．1原理框图

1 Ti
K1
Td0H
Iq
Td0
Iq
Ut*Ut
Xd
（Qe ）
[HK2——
Td0
Iq
K3
PIDΔPeΔUtΔωUf

-
1 TaS

1

EfdO
1 TeS
1
Efdmax
Efdmin

~
~
Efd

其中：T1=1/K1，
Uf=

Td0H

Iq

K1∫0t
△wdt

Td0

Iq
Ut*Ut
Xd（Qe ）]
[HK2——
△w
Iq=
Pe*Ut
Ut2 Xd，*Qe
运用在宾客电厂A厂的参数为：K1=Ti=1.0，K2=K3=1.0。
n·
5．3．2设计方式：
X=f（X） ∑gi（X）ui
针对电力系统仿射非线性方程：
i=1
合理的拔取非线性坐标变换：Z=ф（X）·
和非线性状态反馈：U（X）=a（X） b（X）U

将原非线性系统转化为完全可控的线性系统：Z=AZ BU，y=CZ

求出此线性系统的优控制U*（X），进而获得原非线性系统的优控制：

U*（X）=a（X） b（X）U*

5．3．3经由过程以上设计方式得出的控制方式，使得发机电组及电力系统的抗干扰稳定性获得了较年夜的提高。

5．4GEC-2B的其它控制方式运用在宾客电厂A厂的原理框图以下

5．4．1PID（已投用）：基本目的是改善发机电电压的静态、动态性能。

G(S)=1 T1S1 T2SKp(1 1TiS)
其中运用在宾客电厂A厂的参数为：Kp=30，T1=0.2S，T2=0.02S，Ti=5.0S。

5．4．2PSS（未投用、可投用）：主要用于抑制电力系统低频振荡。
1 T1S1 T2SKpss1 T3S1 T4S-ΔPeUrpss-5％ 5Urpss同相叠加于Ur（电压给定值）上，其中：

Kpss=0.1，T1=0.15S，T2=3.0S，T3=0.2S，T4=0.05S。

5．5GEC-2B装配的脉冲直接形成技术

一般的微机励磁都是用按时计数器（如8253或CTC）芯片来实现同步旌旗灯号的周期T的丈量和发生6相脉冲往触发晶闸管，这一般需要一块至少包括7个按时器的专用脉冲发生板，不仅硬件电路复杂，而且占用CPU的很多时间（中断），致使脉冲形成不成靠。往往还需加脉冲监视电路来监视。而GEC-2B微机励磁控制器采用了美国Intel公司MCS-96/196嵌进式微处置器，MCS-96/196嵌进式微处置器有专用的高速输进单元（HSI）和高速输出单元（HSO）来处置脉冲的丈量及脉冲的发生，不需外加任何附件，且编程简单，不占用CPU的时间。其中用了一个HIS用于丈量同步旌旗灯号的周期T，用36个HSO口划分发生 A、-C、 B、-A、 C、-B六相脉冲。这类脉冲发生方式很是简单自然，硬件、软件均很简单，发生的脉冲靠得住性高，基本杜尽了模拟装配丢脉冲的现象。

三．GEC-2B装配在宾客电厂A厂的成功投用经验

在GEC-2B微机励磁控制器质量较好的情况下，外部身分的影响也不成小视，也会对发机电组及电网造成很年夜的影响。宾客电厂A厂主要从以下一些方面来保证整个励磁系统的靠得住性及稳定性。

1．在豫备改造时，首先要对有关厂商豫备提供的产物进行具体的考查领会。励磁装备定货时代，在供需双方签定合同时，明确装配的有关技术条件，签定具体的技术协议，尽量精美绝伦，同时合同中还划定产物出厂实验前，供货商必需通知需方派有关技术人员到供方处介入装备出厂调试，调试中有与合同及现场不符的地方，责令供方进行修改，尽量知足需方的要求。

2．装配到需方现场就位安装时，要求安装人员要有对装备“不相信”的立场，对每颗螺丝每根线每一个插件都要重新检查紧固一遍。

3．视资金放置情况，把引到励磁装配的所有主要控制电缆全数用屏障电缆毗连，同时电缆（强电电缆）两头屏障层同时接地。

4．用对继电庇护装备的反措要求检查励磁装备，尽量知足并到达继电庇护装备的要求，如接线端子，尽量少用凤凰端子（因其看不见导线压接情况），多用导线绕圈落后行拧紧的看得见导线压接情况的端子，简称“OT”端子。这样就确保了励磁装配外部接线的靠得住性。

5．电缆接线全数完成后，所有孔洞都要封堵好，柜门关好，以免鼠害。确保平安性。

6．主励磁机碳刷原出厂时每极只有两个碳刷，平安靠得住性较差，曾因发生环火换碳刷时造成发机电失磁停机的事故，现经改造每极增加一个碳刷，共有三个碳刷，这样励磁系统的靠得住性又获得提高了。

7．除励磁系统控制器外的其它励磁系统装备，每一年都凭据主装备年夜小修情况进行具体的检查及处置缺陷，以确保这些装备的靠得住平安运行。

8．GEC-2B型励磁调理装配调试投运前，需方凭据供方提供的实验方案，并连系现场现实情况，编写了合适现场的实验方案。同时凭据这些方案进行实验，力图周全、充实的检测检验励磁调理器的各类性能指标，以知足发机电组的需要。

9．2000年12月20日宾客电厂A厂#2机组年夜修后启动时，对GEC-2B装配进行了现场测试。从测试的录波图上看出

9．1机组并网前，空载实验，经由过程调整控制器的参数，使得励磁系统具有优秀的动态性能， 10阶跃的超调量小于21，-10阶跃的超调量小于14，调整时间小于3秒，振荡1-2次。80，50零起升压的超调量小于15，响应快速，逆变灭磁迅速。

9．2机组并网后实验，增减无功的稳定性实验中，装配调理稳定，A、B柜分配合理。在带一定的无功下，做 3阶跃实验，其无功超调量为21.1，做-3阶跃实验，其无功超调量为21.8振荡仅一次，调整时间小于10秒。做带负荷下的A、B两柜相互切换实验，无功无扰动，切换均正常。

9．3甩无功实验，发机电定子电压由1.019Ue上升到1.106Ue，上升了8.7Ue，实验及格。

9．4装配的各类庇护实验，均准确，由其是机组进相运行很是稳定，解决了之前发机电不敢进相的缺陷。为广西丰水期的电网调压，增加了一个点，为广西的电网稳定做出了进献。

9．5宾客电厂A厂#2机励磁系统改造项目，经过各项实验，证实其更改后的GEC-2B型励磁控制装配其技术指标均合适国标、部标的要求，亦合适合同的要求，调理性能优秀，可以正式投进运行。

10．GEC-2B装配在宾客电厂A厂投进运行的两年多时间里，均随主机运行而运行，它的投用解决了两个年夜问题：①解决了运行方面的问题，原来的装配为一个自动柜、一个手动柜，当自动柜泛起问题转手动柜运行（开环运行）时，监盘的运行人员就必需要经常对无功进行手动调整，注重力要相当集中，劳动强度加年夜了，人员轻易疲钝，进而会泛起误操作；现在则不用担忧，两个柜均是自动柜且还有手动功能，靠得住性相当高，已从繁重的操作劳动中解脱出来，完全没必要担忧手动运行的误操作；②解决了检修维护方面的问题，原来的装配一个自动柜和一个手动柜进行一次年夜修，从起头拆插件清扫到静态调试竣事至少要20天时间才能完成，检修调试工作量年夜且复杂；现在则轻松多了，年夜修一次多一个星期就可完成，年夜年夜减轻了工人的劳动强度。但装配在运行中仍是泛起过一些小故障，如：有一次A柜自动跳闸，全数负荷由B柜带，经检查旌旗灯号为A/D板故障，更换备用插件后恢复正常。故障插件寄往厂家检查修理。有两次因A柜的PT熔丝松动，自动切手动运行，经实时处置都很快恢复运行。没有发生过因GEC-2B励磁装配问题酿成的停机及延误开机的事务。由此证实其靠得住性仍是较高的。之前在未改GEC-2B装配前用的是模拟电路励磁控制装配，曾屡次因宾客电厂B厂（2*360MW）的机组故障跳闸引发宾客A电厂的机组剧烈振荡，被迫甩负荷，由于运行人员实时接纳措施，才未造成停机事故。2000年末，经过改造励磁控制系统后，#2机组再没发生过类似的现象。证实了GEC-2B装配的稳定性是较好的。

11．鉴于GEC-2B这个装配的优越性及运行经验及业绩，2003年头，宾客电厂A厂又决议将其#1机组的KKL-2型模拟励磁调理装配改造为GEC-2B型装配。2003年6月11日在#1机组年夜修竣事，机组启运时，经过现场投运实验，也完全知足发机电组的运行要求。同时也将励磁控制装配的旌旗灯号（包括开关量、部门模拟量）经由过程其通讯端口引进了DCS系统，实现了发电厂自动一体化的远程监控。该套装配已于2003年6月12日正式投进运行。

12．到今朝为止，宾客电厂A厂的GEC-2B装配的投运率为100，经过两年多的运行，是使人知足的，它年夜年夜提高了励磁系统的运行靠得住性及稳定性，基本到达了预期效果。

四．竣事语

微机励磁调理装配是现今励磁系统运用的主流，这些励磁装备选型的黑白，将直接对发机电组甚至对电网造成影响。是以，励磁系统装备的靠得住性、稳定性应当是重要的，其次才是装备价格。质量性能好的装备价格较高，但故障少，对电网影响小。在电力体系体例深化改造，发电厂上网电价逐渐走向市场的今天，下降发电成本，下降事故率，多发电，对企业的糊口生涯是相当重要的。是以，对发电厂而言，一套好的靠得住性、稳定性均高的励磁装备，将会给企业带来较好的效益。

参考文献：

⑴北京吉思电气有限公司，GEC系列全数字式非线性励磁装配原理说明书。
⑵孙元章，年夜型发机电励磁系统调理原理1999年12月。