基于PAC的发电机同期过程监测装置

1 应用背景

　发电机启动后，经调速系统和励磁系统的综合控制，使发电机机端输出达到额定电压后，即开始同期并网的准备工作。同期并网的理论条件是：待并发电机与系统电压相序、相位、大小相同，频率相等[1]，原因如下：

   (1) 电压不等并列时，将在发电机和电网间出现无功性质的环流，该环流将对发电机绕组产生作用力。

   (2) 相位不一致：相位差180°时冲击电流最大，会产生巨大的电动力和引起发电机发热，若相位差在0~180°之间，冲击电流中将包含有功成分，此电流将在发电机轴上产生冲击力矩。

   (3) 频率不等：电压差时大时小成了拍振电压，拍振电流也时大时小，并出现有功分量。该有功分量电流在机轴上产生变换方向的力矩，使发电机振动，频差大时，由于转子磁极和电枢磁场间相对速度过大，很难拉入同步。

   (4) 相序不同：发电机永远不能拉入同步，在并列时还将产生很大的相当于相间短路的环流，强大的电动力可能使发电机遭受严重的损坏。一般在发电机安装过程中，相序都已经认真核查正确。
　实际工作中，由于干扰和采样精度等客观条件的影响,这些条件都有一定的阈度范围, 例如允许频差为±0.1~±1 Hz，允许压差0~±20%，一般同期继电器允许环并合闸角为±20°。目前国内同期装置的生产厂家都按国家标准进行生产，并允许用户设定更为理想的同期合闸条件。

　然而发电机投入运行一定时间后，要进行生产维修，完成后重新检定(一般由各省电力公司下属电力试验研究院在现场完成)，合格后再次并网发电。此时，由于同期的继电器等设备也存在不同程度的老化，同期性能可能已经达不到理想水平，甚至可能逼近或甚至超出给定范围，发电机被系统强行带入电网的情况时有发生，这对发电机和电网运行都存在不良影响,所以在发电机组整套启动并网试验前需要对同期装置进行动、静态调试[2]。

　一般监视以下几个电气量：(1)发电机机端电压；(2)系统电压；(3)同期装置（微机）输出开关量端口(发出合闸指令)； (4)合闸断路器状态(实际合闸动作)。一般在合闸指令发出时，通过监视发电机机端电压和系统电压的压差、频率差和相位差以及实际合闸动作时间(通常在合闸指令发出后30 ms左右)来判断同期系统的工作状况。笔者根据需求，经过多种方案的对比选择，最终选定台湾研华公司PAC产品ADAM-5550KW和ADAM-5017S开发了多功能电气参数测试仪，并且完整地实现了发电机同期观察过程的检测。

2 应用设备概况

2.1 ADAM-5550KW

　ADAM-5550KW是一款8槽可编程自动化控制器(PAC)，其硬件系统主要包括两个部分：主机箱和I/O模块。主机箱包括：一块CPU卡、一个电源模块、一块8 槽无源底板和4个串行通信接口。内置两块CPU,上层AMD GeodeTM GX533M CPU负责相当于PC机部分的工作，如HMI软件、数据库支持，强大的运算能力等。下层ARM7 CPU负责底层I/O模块的操作和控制,保证I/O端口的实时、稳定、可靠操作。配置有128 MB DDR SDRAM内存(其中1 MB具有电池备份功能)以及一块CompactFlash卡[3]。

　ADAM-5550KW采用WinCE5.0操作系统，内嵌ProConOS内核控制引擎。既能通过软逻辑软件KW-Multiprog采用PLC的编程语言进行编程，也可以用.NET或eVC来编程，还可以将这两者结合起来同时使用。支持Modbus/TCP和Modbus RTU协议，方便与不同的第三方Modbus设备交换数据。

2.2 ADAM-5017S

　ADAM-5017S是12路同步高速模拟量输入模块，每通道带1 KB的FIFO(First In First Out类型的输入缓冲区)；单通道最快3 kHz采样速率，输入为±10 V、±5 V等双极性信号；采用2 个同步采样A/D 电路，每个电路处理6 路同步采样信号，2 个电路之间实现同步，这样就实现了12 路同步采样。

3 需要采集的电气量标准

3.1 电压信号（模拟量）

　为达到监视同期的目标，首先要从发电机和系统连接的PT二次侧获得电压信号。按国家标准，PT二次侧电压有效值一般为100 V。可进一步使用120/7的电量变送器,将PT二次侧电压转换到ADAM-5017S的输入范围。

　如有必要可同时监测发电机机端和系统的三相电压，这样需要用掉ADAM-5017S的6个同步采样通道。

3.2 微机开出端口和断路器端口状态（开关量）

　在同期装置的微机开关量输出端口中，可以监测到合闸指令发出动作。在合闸断路器处，可以监测到实际合闸动作。

　这里有两个需要注意的地方：(1)动作时间差在毫秒级；(2)根据现场情况的不同，实际合闸动作的开关处可能是无源节点也可能是有源节点。

　由于ADAM 5000系列没有达到毫秒级的开关量监测模块，因此在电路中，可将开关状态转换为模拟量，即断开状态对应5 V，合闸状态对应0 V，将其送入ADAM-5017S中与电压量同步采样，由软件根据电压水平判断动作时间。

　考虑有源和无源节点的差异，准备2路有源节点和2路无源节点，这样需要用掉ADAM-5017S的4个同步采样通道。

3.3 其他电气量

　在其他应用场合，也可能需要同时采集发电机的转子励磁电压和励磁电流。需要用掉ADAM-5017s的2个同步采样通道。也可以将3个系统电压通道换成采集发电机三相电流,可做并网后的功率输出监测等相关实验。

4 系统结构设计

4.1 现有设备问题

　由现场PT、CT输出的电量信号经电量变送器转化为-10 V～+10 V范围内的电压信号送入ADAM-5017S。在KW-Multiprog软件的编程中，按照设定的采样频率用ADAM-5017S对信号采样后送入FIFO中,每通道FIFO大小为64 KB。按所开发的系统要求，必须将采集的电压电流波形数据（ms级）送回上位机，以监测和分析同期过程中每个时刻所有电气参数的瞬时值。

　基本思路如下：

   (1) 假定Multiprog负责5017S数据采样的Task周期设置为8 ms，以保证两个相邻访问周期中，FIFO中的数据能形成连贯的正弦波形。可以通过程序判断FIFO中哪些是新到数据，哪些是上个周期已经读过的数据。

   (2) Modbus/TCP使上位机可以通过Modbus空间访问到瞬时数据，但由于交互命令的速度无法保证两次访问Modbus空间的间隙中不丢失数据(即使得波形不连续)，因此必须通过MultiProg将数据保存下来。但MultiProg能访问的最大地址空间为64 KB[4]，12个通道按1 kb/s的采样速率,几秒钟后就没有空间可存放数据。

   (3) 但ADAM-5550KW的WinCE5.0操作系统支持使用Window.Net 环境下的C#等高级语言开发驱动软件，访问MultiProg所管理的Modbus空间。因此考虑在WinCE中开发一个中间软件,将数据从有限的Modbus空间快速复制到5550KW的128 MB内存空间中，然后通过TCP/IP协议送往上位机。

4.2 系统组成原理

   上位机和下位机之间的信号(状态信号、控制信号)通信由Modbus/TCP协议实现,采集数据的上行通过TCP/IP协议实现。系统组成如图1所示。

4.3 系统总体设计思路

　按照数据流程，将整个系统划分为三个功能模块：(1)下位机数据提取模块;(2)下位机数据收集与上传模块;(3)上位机数据接收与分析处理模块。

　Modbus空间的作用如图2所示，下位机数据提取模块在Multiprog 中编程实现，负责将5017S FIFO中的数据送到Modbus空间；下位机数据收集与上传模块在WinCE下编程实现，负责从Modbus空间中收集数据，并在采集结束时(采样频率非常高，数据量巨大时)或者在采集过程中(采样频率一般，数据量不大时)上传到上位机；上位机数据接收与分析处理模块在收到下位机的上传请求时接收数据并缓存起来以供分析处理。

5 系统功能展现

　本系统设定采样速率为1 600 Hz，经测试，数据可以稳定地在数据采样的同时,通过TCP/IP协议上传到上位机，在上位机实现有效值、相位等信息的即时计算。采样结束后，图形可以立即展示出来，无需长时间等待。

　启动同期观察过程后，软件界面显示如图3所示。此时系统电压和发电机电压的幅值、有效值、频率和相位(以系统相位为参考)将以0.2 s左右间隔实时更新。

　停止同期观察过程，显示结果如图4所示。界面右端显示：Us为系统电压，Ug为发电机机端电压，Us _Ug为电压差。从整体图形上可以观察到，由于相位差的显著影响，开始录波时，压差很大。随着调速系统的调整，压差逐渐减小，从瞬时值的包络线和压差有效值曲线都可以观察到这个过程。

　通过放大和移动功能可以看到，相位差较大时，系统电压、发电机机端电压和电压压差在每个瞬时的具体值。如图5所示。

    图6所示为放大合闸动作发出的瞬间。可以观察到合闸指令在录波开始后5 278.9 ms发出，合闸继电器在5 308.3 ms合闸成功，时间差为30 ms。此时电压差、频率差和相位差均符合同期条件。同期系统工作状态良好。

　使用研华公司的PAC产品ADAM-5550 KW和ADAM-5017S设计的多功能电气参数测试仪所开发的发电机同期过程观察已经通过相关电力测试，并且在电场得到应用，运行稳定。

　发电机同期过程观察只是用ADAM-5550KW和ADAM-5017S开发的多功能电气参数测试仪的一个子功能。使用该系统还可以完成小电流试验、励磁系统升压、起励、灭磁和并网等多项发电机检修后必须进行的电气参数测量实验。此外，与变压器相关的各项电气参数实验也可以使用本系统完成。