水輪發(fā)電機(jī)并網(wǎng)裝置通訊與測控軟件的開發(fā)

胡麗杰，劉 瑩，梁 彬，王洪泉，高 尚，韓 波

(哈爾濱大電機(jī)研究所，哈爾濱 150040)

前言

隨著水電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，機(jī)組容量不斷增大，機(jī)組和電網(wǎng)的安全運(yùn)行及穩(wěn)定性問題越來越引起關(guān)注。如果發(fā)電機(jī)由于某種原因運(yùn)行在非正常情況下，可能會損壞機(jī)組，甚至?xí)＜半娋W(wǎng)運(yùn)行，以至于造成系統(tǒng)崩潰。這樣，對電機(jī)設(shè)計(jì)就有一定的要求。由大電機(jī)研究所自主開發(fā)研制的水輪發(fā)電機(jī)電磁模型系統(tǒng)可以進(jìn)行真機(jī)難以進(jìn)行的各種機(jī)網(wǎng)特性的實(shí)驗(yàn)，對電機(jī)的設(shè)計(jì)及現(xiàn)場故障有一定的指導(dǎo)作用。

各種機(jī)網(wǎng)特性實(shí)驗(yàn)皆在發(fā)電機(jī)側(cè)并到網(wǎng)側(cè)的工況下進(jìn)行的，而發(fā)電機(jī)側(cè)并到網(wǎng)側(cè)時(shí)有時(shí)會發(fā)生非準(zhǔn)同期并網(wǎng)，對電網(wǎng)造成沖擊[1]。本文針對發(fā)電機(jī)并網(wǎng)時(shí)相角差 0°～180°的工況進(jìn)行試驗(yàn)，而發(fā)電機(jī)側(cè)并到網(wǎng)側(cè)是由上位計(jì)算機(jī)基于圖形化編程語言 LabVIEW 編寫的通訊與測控軟件發(fā)出設(shè)置、控制、監(jiān)控以及數(shù)據(jù)處理等各種命令包給并網(wǎng)裝置及并網(wǎng)裝置接收到命令包后協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)的。首先，由水輪發(fā)電機(jī)電磁模型測控系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)側(cè)到額定電壓與額定轉(zhuǎn)速（頻率）；然后，由上位計(jì)算機(jī)測控軟件遵循 UDP通信協(xié)議發(fā)送啟動命令包啟動并網(wǎng)裝置。并網(wǎng)裝置不僅對發(fā)電機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)進(jìn)行電壓與頻率測量，而且對發(fā)電機(jī)側(cè)的電壓與頻率進(jìn)行微調(diào)使其與網(wǎng)側(cè)的電壓與頻率在容錯(cuò)范圍內(nèi)符合并網(wǎng)要求；最后，并網(wǎng)裝置不斷地檢測電機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)的相角差，在所設(shè)置的相角差出現(xiàn)時(shí)并網(wǎng)裝置自動發(fā)出信號，斷路器主觸點(diǎn)閉合實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)并網(wǎng)。

1 UDP協(xié)議

UDP協(xié)議的全稱是用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議[2]。它具有無連接，通信效率高，一次傳送少量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)。而并網(wǎng)裝置的通信特點(diǎn)恰好符合UDP協(xié)議的特點(diǎn)，在發(fā)電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速，端部輸出額定電壓時(shí)裝置投入工作，通訊與測控軟件發(fā)出打包指令，裝置經(jīng)CRC校驗(yàn)[3]無誤時(shí)返回?cái)?shù)據(jù)包，進(jìn)行并網(wǎng)過程，此過程數(shù)據(jù)量不多，并網(wǎng)成功后裝置閉鎖，工作結(jié)束。

1.1 應(yīng)用LabVIEW編寫的UDP通訊程序框圖

表1 讀寄存器命令幀

表2 無異議應(yīng)答幀

本文上位計(jì)算機(jī)與并網(wǎng)裝置進(jìn)行通訊時(shí)，上位計(jì)算機(jī)多是以主態(tài)與并網(wǎng)裝置進(jìn)行通訊。上位計(jì)算機(jī)發(fā)送打包命令給并網(wǎng)裝置，當(dāng)并網(wǎng)裝置對上位計(jì)算機(jī)發(fā)送來的命令包無異議時(shí)會返回應(yīng)答包。以讀寄存器命令為例，上位計(jì)算機(jī)所發(fā)命令幀如表1所示，并網(wǎng)裝置無異議應(yīng)答幀如表2所示。

圖1 UDP通訊程序框圖

在用LabVIEW編寫UDP通訊程序時(shí)，要用寫入和讀取UDP數(shù)據(jù)通訊控件。將控件調(diào)入后，還需編寫并網(wǎng)裝置所使用的端口9500，與上位計(jì)算機(jī)通訊可以設(shè)置的IP地址192.168.0.150，以及根據(jù)UDP協(xié)議命令幀格式所發(fā)送的數(shù)據(jù)包。在并網(wǎng)裝置接收到上位計(jì)算機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)包后對其進(jìn)行CRC校驗(yàn)，無異議時(shí)向上位計(jì)算機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)包，上位計(jì)算機(jī)再對并網(wǎng)裝置所返回的數(shù)據(jù)包進(jìn)行讀取，為了解決整個(gè)過程的時(shí)序問題，在編寫程序時(shí)采用順序結(jié)構(gòu)[4]。UDP通訊程序框圖如圖1所示。

在CRC校驗(yàn)算法中采用公式節(jié)點(diǎn)的程序結(jié)構(gòu)。公式節(jié)點(diǎn)基本上彌補(bǔ)了圖形化開發(fā)語言相對于文本語言的缺陷，其語法與C語言基本相同，圖1中CRC算法[5]子程序框圖如圖2所示。

2 通訊與測控軟件結(jié)構(gòu)框圖

并網(wǎng)裝置通訊與測控軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示，包括界面管理模塊、初始化模塊、運(yùn)行監(jiān)視模塊、事件讀取模塊。其中，初始化模塊包括裝置參數(shù)設(shè)置模塊、同期參數(shù)設(shè)置模塊，此兩模塊皆復(fù)位后方可生效；運(yùn)行監(jiān)視模塊在并網(wǎng)過程中是核心模塊，可以實(shí)時(shí)監(jiān)視并網(wǎng)的整個(gè)過程；事件讀取模塊記錄并網(wǎng)過程中網(wǎng)側(cè)與發(fā)電機(jī)側(cè)的電壓變化。

圖3 并網(wǎng)裝置通訊與測控軟件框圖

3 通訊與測控軟件界面

在軟件的編程過程中，人機(jī)界面非常重要，因?yàn)樗苯优c操作員產(chǎn)生信息交流，友好的人機(jī)界面要求能真實(shí)再現(xiàn)測控設(shè)備的狀態(tài)以及準(zhǔn)確地采集存儲所需參數(shù)的數(shù)據(jù)波形，這主要依靠LabVIEW的控件組合及原代碼完成。整個(gè)人機(jī)界面包括誤同期并網(wǎng)試驗(yàn)監(jiān)測系統(tǒng)主控界面、裝置參數(shù)初始化界面、誤同期參數(shù)初始化界面、運(yùn)行監(jiān)視界面、錄波事件界面，各畫面間可以相互切換。當(dāng)然也可根據(jù)用戶習(xí)慣編輯不同的人機(jī)界面，具有很好的靈活性。并網(wǎng)裝置通訊與測控軟件主控界面如圖4所示。

圖4 并網(wǎng)裝置通訊與測控軟件主控界面

運(yùn)行監(jiān)視界面如圖5所示，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測并網(wǎng)前后的過程，是整個(gè)通訊與測控軟件的核心部分。最醒目的表盤式同步表被平均分成36份，每份表示相角差為10°。當(dāng)電機(jī)側(cè)頻率高于網(wǎng)側(cè)頻率時(shí)，指針順時(shí)針轉(zhuǎn)；反之，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。同步表左側(cè)的柱狀圖，可以直觀地顯示允許頻差范圍內(nèi)頻差的大小。當(dāng)頻差為正值時(shí)，說明電機(jī)側(cè)頻率高于網(wǎng)側(cè)頻率；反之，電機(jī)側(cè)頻率低于網(wǎng)側(cè)頻率。為了防止發(fā)電機(jī)從網(wǎng)側(cè)吸收有功功率，我們將電機(jī)側(cè)頻率設(shè)置成高于網(wǎng)側(cè)頻率[6]。同理，同步表右側(cè)的柱狀圖顯示的是允許壓差范圍內(nèi)壓差的大小，為了防止發(fā)電機(jī)從網(wǎng)側(cè)吸收無功功率，將電機(jī)側(cè)電壓設(shè)置成高于網(wǎng)側(cè)電壓；同時(shí)，顯示電機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)的頻率、頻差、電壓、壓差、相角差的數(shù)據(jù)；并且，可以改變相角差及相角方向，防止設(shè)置的相角差及相角方向與所要設(shè)置的不同，不僅更新相角差，還要進(jìn)行相角差的讀取。

首先，水輪發(fā)電機(jī)電磁模型測控系統(tǒng)調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)側(cè)到額定電壓與額定轉(zhuǎn)速（頻率）。其次，投入并網(wǎng)裝置，直到“就緒”指示燈亮，按下“啟動同期”按鈕，一些指示燈會根據(jù)當(dāng)前工況實(shí)時(shí)顯示電機(jī)側(cè)或網(wǎng)側(cè)頻率、電壓的高低。并網(wǎng)裝置會根據(jù)壓差、頻差的高低給出調(diào)頻、調(diào)壓信號，直到頻差、壓差在允許范圍內(nèi)，“同期過程中”指示燈亮。等待所設(shè)置的相角差出現(xiàn)，同時(shí)同步表也實(shí)時(shí)顯示相角差，在所設(shè)置的相角差出現(xiàn)時(shí)提前斷路器合閘時(shí)間長并網(wǎng)裝置發(fā)出合閘信號，待到相角差出現(xiàn)時(shí)斷路器主觸點(diǎn)恰好閉合，并網(wǎng)裝置檢測到斷路器輔助節(jié)點(diǎn)合閘的信息后“并網(wǎng)成功”指示燈亮，完成并網(wǎng)。最后，并網(wǎng)裝置閉鎖，退出系統(tǒng)，完成自己的使命。在下一次并網(wǎng)前，先按下“復(fù)位”按鈕，對裝置進(jìn)行復(fù)位。其他界面不再詳述。

圖5 并網(wǎng)裝置通訊與測控軟件運(yùn)行監(jiān)視界面

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

相角差0°～180°并網(wǎng)裝置通訊與測控軟件在水輪發(fā)電機(jī)電磁模型系統(tǒng)中已得到成功應(yīng)用。由于并網(wǎng)點(diǎn)在電機(jī)側(cè)與網(wǎng)側(cè)之間有變壓器，所以有30°的相角補(bǔ)償。選取典型相角差下電壓波形圖如圖6～8。

圖6 0o相角差并網(wǎng)電壓波形

圖7 120°相角差并網(wǎng)電壓波形

圖8 180o相角差并網(wǎng)電壓波形

5 結(jié)論

本文在 LabVIEW 軟件平臺下編寫的并網(wǎng)裝置通訊與測控軟件，在電磁模型系統(tǒng)中的應(yīng)用表明，此通訊與測控軟件具有開發(fā)時(shí)間短、界面友好、操作簡單、模塊化、可移植性及應(yīng)用可靠性等特點(diǎn)。并從相角差0°～180°并網(wǎng)的電壓波形可得，不同相角差對網(wǎng)側(cè)及發(fā)電機(jī)側(cè)的沖擊不同，其波形對電站現(xiàn)場故障分析有一定的指導(dǎo)作用。

[1]吳希再, 熊信銀, 張國強(qiáng). 電力工程[M]. 華中科技大學(xué)出版社, 1996.

[2]陳錫輝, 張銀鴻. LabVIEW8.20程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M]. 清華大學(xué)出版社, 2007.

[3]Rick Bitter, Taqi Mohiuddin, Matt Nawrocki,LabVIEW Advanced Programming Techniques[M].CRC Press. 2006.

[4]Jon Conway, Steve Watts. A Software Engineering Approach to LabVIEW[M]. Prentice Hall PTR.2004.

[5]楊樂平, 李海濤, 趙勇. LabVIEW 高級程序設(shè)計(jì)[M].清華大學(xué)出版社, 2003.

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