1、南瑞励磁系统NES技术说明书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SJ
2、800和SAVR2000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IEEEStd421.5TM-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、
3、天然气、水力、风力、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
4、节器的并网发电机，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
5、触发角度。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
6、无扰切换（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
7、励控制（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秒内
9、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套调
10、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，使得调
11、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着的提升。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器件选用等方
12、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传导和干
13、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、装置的安
14、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、CANBUS、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IEEEStd421.5TM-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磁系统现场试验的要
15、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
16、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。故障专家诊断：当故障发生时，不仅给出故障的种类，而且可根据检修人员需要，给出该种故障产生的原因以及维护的方法。使得检修人员可根据提示，尽快的解决故障。故障预警系统：综合系统内部大量信息，对故障发生的可能性作出判断并预警，在不影响系统正常运行的前提下，对可能发生的故障作出相应的处理。可提前通知检修人员，为系统的长期稳定运行创造条件。插箱结构一体化：一体化的插箱设计，插箱可方便整体装卸，每套插箱可独立运行，单套插箱维修方便简单。第二章主要技术参数2.1整柜配置 NES5100发
17、电机励磁调节机柜采用拼装式结构。前门单开，后门双开，前后门均为扑门结构，柜前门为有机玻璃，前后门均配有带锁门把；柜内为立柱加插箱形式，以四根立柱为主体，形成内框架；柜外表采用喷塑工艺，亚光橘纹，可按色卡配色。 柜内配置为：两套或三套互为独立、互为备用的调节控制单元（插箱），每套含有自动和手动控制环节再加独立手动控制环节；显示操作层，可采用彩色液晶显示工控机或显示操作模块；可编程逻辑控制器（选用）。装置与外部连接的总端子排设再内框架后部两侧，沿后立柱设走线槽。机柜底部开有电缆走线孔，提供用户将现场信号和装置输出信号引入或引出。机柜后部内侧下方，装有两只隔离变压器，用于调节器交流电源隔离。上方设有
18、空气开关，用于投切电源。正视图和背视图如图2-1和2-2所示。2.2机械结构2.2.1结构数据机柜尺寸NES5100发电机励磁调节器机柜，采用标准尺寸的机柜，尺寸有以下几种可选：1、 一般性原则：根据实际工程的厂房布置的统一规划进行选择2、 机柜宽度：当励磁调节器作为全套励磁系统装置之一供货并布置在一起时，励磁调节器机柜结构尺寸与系统其它机柜的宽度一致；有其它实际要求可另行设计3、 机柜深度：调节器独立供货或独立布置时，可选600mm或800mm；随整套系统供货并布置在一起时，深度与其它机柜一致；有其它实际要求可另行设计4、 机柜高度：2260mm或2360mm插箱尺寸NES5100励磁调节单
19、元装置的结构尺寸是：2.2.2防护等级机柜防护等级：IP20插箱防护等级：IP40插箱振动跌落：II级2.3环境条件使用地点的海拔高度不大于2500米环境温度为运输及存储温度为环境相对湿度不大于百分之九十，无冷凝使用环境的周围介质无爆炸性危险，不应含有腐蚀性气体，所含导电尘埃的浓度不应使绝缘水平降低到允许极限值以下抗地震能力：当振动频率为时，振动加速度不大于2.4电气配置参数2.4.1电源参数每套均是交、直流并联供电。交流输入，直流输入（或）。显示操作模块电源为+24V供电，装置内配置相应电源转换模块。网络路由器为220V供电。每套调节单元的电源各自独立。每套电源配置如下： 芯片工作电源：+1
20、.8V，+3.3V，+5V，+12V，-12V各一路 开出信号电源：+24V一路 开入信号电源：+24V一路 脉冲电源：+24V一路 通讯电源：+5V一路2.4.2模数转换输入参数24路模拟量采样通道： 定子电压 3相交流，线电压额定值100V，3通道 同步电压 3相交流，线电压额定值100V，3通道 系统电压 3相交流，线电压额定值100V，3通道 PT2电压 3相交流，线电压额定值100V，单通道 定子电流 3相交流，输入范围为05A，3通道转子电流 3相方波，输入范围为05A，交流采样，由励磁变压器低压侧的电流互感器来，3通道噪声信号 输入范围05V，单通道Eq测量 单通道工作电源 芯片
21、工作电源检测，5通道地信号 单通道2.4.3数模转换输出参数4路14位D/A转换通道，可编程定义输出信号输出参数范围：05V信号，可外配变送器端子转换为420mA信号输出2.4.4开关量开入开出参数26路无源开入信号输入（最大可扩展至46路），其中有6路直接开入CPU板，开入信号电源由调节器提供16路继电器开出信号输出（最大可扩展至32路），开出信号为无源干节点，节点容量为220V/1A2.4.5脉冲输出参数输出脉冲：可输出六相双脉冲供三相全控整流桥用，或可扩展至十二相脉冲输出触发功率：每相脉冲可供10组脉冲变压器回路负载2.5指标参数可控硅控制角分辨率：最高可达40MHzA/D转换量分辨率：
22、16位采样采样方式：直接交流采样，每周期采样36点控制计算调节速度：3.3毫秒调压范围：5130调压精度：0.1%移相范围：0180度，上下限值可程序设置调差：由软件设置无功调差率，正负及大小任选，级差为0.1%频率特性：发电机频率每变化1，发电机端电压变化不大于额定值的0.1%增减调节速度：可编程，满足不大于1每秒，不小于0.3%每秒电压响应时间：上升0.08S，下降0.15S频率相应范围：5500Hz故障和试验自动记录波形性能参数：步长：3.3ms录波模拟量通道数：15录波开关量通道数：80事故前记录时间：10事故后记录时间：102.6通信接口以太网接口：每套调节单元带一个以太网接口，通过
23、机柜上配置的网络路由器，可以与外部网络联接CANBUS： 每套调节单元带两个CANBUS接口，两条CANBUS可互为热备用，励磁系统内部节点通信使用，BASICCAN方式，也可以与外部CANBUS联接RS232： 每套调节单元的ARM和DSP均自带两个RS232接口，一个用于相互间的通讯，一个用于调试RS485： 每套调节单元带一个RS485接口，用于用户通讯，MODBUS协议GPS对时： 每套调节单元带一对GPS脉冲对时接口2.7遵循标准2.7.1励磁标准IEEEStd421.5TM-2005励磁系统数学模型GB10585-89中小型同步电机励磁系统基本技术要求DL/T489-92大中型水轮
24、发电机静止整流励磁系统及装置试验规程2.7.2电磁兼容标准GB/T14598.9辐射电磁场干扰试验的规定GB/T14598.10快速瞬变干扰试验的规定GB/T14598.13脉冲群干扰试验的规定GB/T14598.14静电放电试验的规定GB/T17626.5浪涌（冲击）抗扰度试验的规定GB/T17626.6射频场感应的传导骚扰抗扰度试验的规定GB/T17626.8工频磁场抗扰度试验的规定GB/T17626.9脉冲磁场抗扰度试验的规定2.7.3绝缘耐压标准GB/T14598.3936.0绝缘试验的规定GB/T14598.3938.0冲击电压试验的规定2.7.4其它相关标准GB/T15153.1-
25、1998远动设备及系统GB3797-83电控设备第2部分装有电子器件的电控设备GB2423电工电子产品基本环境试验规程第三章调节单元硬件配置3.1简述NES5100励磁调节控制单元以ARM芯片为自动通道计算控制核心，FPGA为I/O中心、DSP为纯手动通道计算控制核心，构成了三CPU系统。以ARM为主，配置A/D、D/A、FPGA、ETHNET、FLASH、CAN、DSP从而构成励磁调节CPU板；加上模拟量板、开关量板、同步板、脉冲放大板，电源板等构成励磁调节控制单元。外部电流和电压输入经模拟量板的隔离互感器隔离变换后，由低通滤波器输入至模数变换器，经采样处理后，形成各种采集量。控制信号、现场
26、状态信号由开关量板进入，经光电隔离后形成可读信号。输出状态信号由开关量板继电器输出。控制脉冲由脉冲板隔离放大后输出。以ARM为中心的CPU板完成励磁调节器的对外通讯功能，包括RS485、RS232、LAN等。ARM和DSP之间通过串口交换信息。通道之间通过双CAN网络通讯，双CAN网络互为热备用。板间通过总线背板交换信息，有部分使用SPI通讯。框图见图31。图中加入D/A图3-1NES5100励磁调节控制单元硬件框图3.2板件布置如3.1中所述，NES5100调节器单套由多块板件构成。每块板件外加全金属外壳，加强了防尘、散热，以及抗电磁干扰的性能，如图3-2。图3-3表示NES5100调节器单
27、套的单板插件组合示意图。另有背板一块图中未显示出。图3-2板件全金属外壳图3-3NES5100调节器单通道的单板插件组合示意图图3-3中，单板的名称见表2-1：单板编号单板名称EX01脉冲电源板EX02系统电源板EX03CPU板EX04模拟量板EX05同步电压板EX06开关量板EX07扩展板EX08脉冲放大板表3-1：单板的名称3.3各板功能3.3.1脉冲电源板脉冲电源板用来提供脉冲输出的+24V电源，交直流双路供电，AC220V、DC220V（或DC110V）输入，通过电压转换成所需+24V。为了保证励磁系统的可靠性，脉冲电源板是由专业厂家特制，按照军工标准设计的开关电源，另外在板件结构上也
28、充分考虑了防电磁干扰、防尘和散热，通过了严酷的EMC测试和高温湿热测试。3.3.2系统电源板该板为双路供电，AC220V、DC220V（或DC110V）输入，输出+12V、-12V、+5V各一路用于芯片工作电源，输出一路+5V用于通信电源，输出两路24V用于开关量输入输出电源。为了保证励磁系统的可靠性，系统电源板同样是由专业厂家特制，按照军工标准设计的开关电源，另外在板件结构上也充分考虑了防电磁干扰、防尘和散热，通过了严酷的EMC测试和高温湿热测试。3.3.3CPU板主要功能：CPU板是核心控制板，主要功能有： 将5V电源变换成1.8V，3.3V供部分芯片使用 将模拟信号进行A/D变换采样 部
29、分开入信号 根据A/D采样的结果及开入信号逻辑判断进行控制计算，产生小脉冲 根据逻辑判断程序发开出信号 测频及脉冲回读检测 工作电源检测 双套切换逻辑和手自动切换逻辑的实现 通讯功能核心模块：核心部分由自动通道和独立手动通道构成。自动通道采用32bit的ARM芯片和大规模可编程控制芯片FPGA组成控制核心，根据A/D采样的结果及开入信号逻辑判断进行控制计算，发出控制脉冲，并完成数字信号开出，测频及脉冲回读检测等功能。32bit的ARM芯片的通讯功能很强，支持以太网10/100MBase-T、USB2.0等通讯协议。纯手动通道采用16bit的DSP作为控制芯片，完成模拟量采样，相关开入开出信号处
30、理，发出脉冲等功能。A/D变换：将模拟量板、同步板调理好的模拟信号转换为数字量。自动通道采用16bit真双极性、多通道模数转换器（ADC），该器件仅有160mW功耗，它比最接近的同类双极性输入ADC的功耗降低了60%。包含一个低噪声、宽带跟踪保持放大器以便处理输入频率高达8MHz的信号，还具有高速并行和串行接口，从而允许该器件与微处理器（MPU）或者数字信号处理器（DSP）连接。然后结合多路开关，同时对一路三相电压和一路三相电流进行同步采样，保证了无功功率测量的准确性。纯手动通道利用DSP自带的12bit模数转换器（ADC），对励磁电流进行采样。脉冲切换：NES5100励磁调节器正常工作时，自动通道和纯手动通道都根据各自的计算发出控制脉冲，然后根据逻辑判断确定自动通道或是纯手动通道的控制脉冲传送给脉冲放大板。脉冲切换框图如图3-4。图3-4脉冲切换框图通讯功能： 通讯模块包括CANBUS硬件部分和Ethernet硬件部分以及GPS脉冲对时。功能设定：可通过拨码开关来选通以下设定：内部/外部启动、自动/手动、串口选择、运行/调试。3.3.4模拟量板该板的主要功能进行信号调理，调理的信号包括机端电压、系统电压、同步电压、定子电流、转子电流等，调理过程是将高压（100
