基于PLC冗余控制的微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周 濤，李兼伐，劉電波，季 銳，陳炳森，劉奇波

（1.廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 南寧 530023；2.南寧精能發(fā)電設(shè)備有限公司， 南寧 530033）

0 引言

水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)是水電站自動(dòng)化控制系統(tǒng)的重要組成部分，通過調(diào)節(jié)控制進(jìn)入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)端電壓、輸出無功功率及發(fā)電機(jī)功率因數(shù)的調(diào)節(jié)控制。優(yōu)良的勵(lì)磁系統(tǒng)可以維持發(fā)電機(jī)端電壓穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)間無功功率合理分配[1]，還可提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

現(xiàn)代水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)大多采用自并勵(lì)工作方式，勵(lì)磁主電源取自發(fā)電機(jī)出口，經(jīng)勵(lì)磁變降壓、晶閘管可控整流，再經(jīng)勵(lì)磁開關(guān)后送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子線圈，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)工作磁場(chǎng)的調(diào)節(jié)控制[2]。隨著計(jì)算控制技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)均已采用計(jì)算機(jī)作為控制器，通過檢測(cè)發(fā)電機(jī)端電壓和輸出電流、發(fā)電機(jī)出口斷路器位置信號(hào)、勵(lì)磁操作控制信號(hào)以及相關(guān)設(shè)備位置及控制信號(hào)，經(jīng)PID調(diào)節(jié)運(yùn)算后，形成對(duì)主回路晶閘管的同步觸發(fā)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的調(diào)節(jié)控制。

中小型水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量小，受單位成本限制，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置多采用單片機(jī)或PLC作為控制器。相比單片機(jī)，PLC 具有優(yōu)異的工業(yè)過程控制性能，不僅能完成邏輯控制，而且還集成了PID控制功能，具備復(fù)雜算術(shù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理能力，其出色的可靠性和穩(wěn)定性，便捷的網(wǎng)絡(luò)組態(tài)應(yīng)用，簡(jiǎn)單的編程調(diào)試方法，使其在中小型水電站水輪發(fā)電機(jī)組自動(dòng)控制、水輪機(jī)調(diào)速器和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制中得到廣泛應(yīng)用。

PLC 雖然具有較高的可靠性和穩(wěn)定性，但單CPU 的PLC 控制系統(tǒng)仍然存在CPU 內(nèi)部故障導(dǎo)致系統(tǒng)意外停機(jī)，引發(fā)機(jī)組事故的重大風(fēng)險(xiǎn)，無法滿足智能化水電站建設(shè)對(duì)控制系統(tǒng)高可靠性的要求。

為解決單CPU 的PLC 勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)存在可靠性問題，采用西門子S7-1500R 系列具有冗余功能的PLC設(shè)計(jì)了水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)。

1 微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)電氣主回路設(shè)計(jì)

圖1虛線框內(nèi)為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)電氣主回路設(shè)備。發(fā)電機(jī)采用自并勵(lì)工作方式，機(jī)端輸出的交流電經(jīng)勵(lì)磁變高壓側(cè)隔離開關(guān)QS1、熔斷器FU1～FU3、勵(lì)磁變TSH、勵(lì)磁變低壓側(cè)隔離開關(guān)QS5、主 回 路 快 速 熔 斷 器F10～FU12、晶 閘 管VS1～VS6進(jìn)行三相全橋可控整流后，再經(jīng)勵(lì)磁開關(guān)QFM送至發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈，從而形成發(fā)電機(jī)工作所需要的可調(diào)節(jié)磁場(chǎng)。為保證發(fā)電機(jī)殘壓（發(fā)電機(jī)利用轉(zhuǎn)子磁極剩磁建立起來的電壓，簡(jiǎn)稱“殘壓”）不足時(shí)能實(shí)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)開機(jī)建壓，設(shè)計(jì)了一路由站用DC220V系統(tǒng)來的直流電源作為發(fā)電機(jī)外部起勵(lì)電源，經(jīng)斷路器QF1、限流電阻R7、接觸器KM1、勵(lì)磁開關(guān)QFM給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁線圈通入起勵(lì)直流電，增強(qiáng)發(fā)電機(jī)建壓所需要的初始磁場(chǎng)。當(dāng)發(fā)電機(jī)自并勵(lì)建壓成功后，即可跳開接觸器KM1，斷開外部起勵(lì)電源[3]。圖1 中VD1 二極管用于防止發(fā)電機(jī)起勵(lì)建壓后，其脈動(dòng)直流電反向影響到站用直流系統(tǒng)。

圖1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)電氣主回路原理圖

通常情況下，發(fā)電機(jī)采用逆變滅磁方式，停機(jī)時(shí)并不跳開QFM，而是通過控制VS1～VS6進(jìn)入逆變工作狀態(tài)，將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈的能量逆變至勵(lì)磁變和發(fā)電機(jī)定子繞組的方式實(shí)現(xiàn)滅磁。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生嚴(yán)重事故，保護(hù)動(dòng)作迅速跳開QFM，此時(shí)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈的能量通過QFM 常閉觸點(diǎn)和滅磁電阻RFD 實(shí)現(xiàn)滅磁。此外，發(fā)電機(jī)還設(shè)置了由RV1～RV7組成的勵(lì)磁回路過壓保護(hù)，由勵(lì)磁電壓表PV1、勵(lì)磁電流表PA1 以及勵(lì)磁電壓變送器BV、勵(lì)磁電流變送器BA組成的勵(lì)磁測(cè)量變送回路。

1.2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

以PLC 作為控制器的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)如圖2 所示。除前述勵(lì)磁電氣主回路外，還包括了PLC 勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)及其輸入輸出回路、與上位機(jī)通信回路、發(fā)電機(jī)電量測(cè)量轉(zhuǎn)換回路、晶閘管控制的同步及移相脈沖回路、PLC 輸出至晶閘管的控制脈沖輸出回路和勵(lì)磁控制系統(tǒng)雙電源自動(dòng)切換回路等。

圖2 發(fā)電機(jī)PLC勵(lì)磁控制系統(tǒng)示意圖

為測(cè)量發(fā)電機(jī)輸出電壓及獲得晶閘管控制所需的同步信號(hào)，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)需要配置發(fā)電機(jī)出口端電壓互感器TV，將發(fā)電機(jī)輸出的高電壓按變比轉(zhuǎn)換成0～100V電壓輸入至勵(lì)磁系統(tǒng)。為避免發(fā)電機(jī)工作過程TV 及其回路故障，引起至勵(lì)磁系統(tǒng)的電壓突然消失或缺相，造成勵(lì)磁系統(tǒng)誤動(dòng)作，在發(fā)電機(jī)出口端配置了TV1、TV2兩組電壓互感器，TV1向勵(lì)磁系統(tǒng)提供發(fā)電機(jī)測(cè)量電壓，TV2 向勵(lì)磁系統(tǒng)提供晶閘管同步移相控制的基準(zhǔn)電壓。勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)以TV2提供的電壓信號(hào)過零時(shí)為基準(zhǔn)，加上勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PID運(yùn)算所得的導(dǎo)通控制角和勵(lì)磁變Dy11接線形成的偏移角，最后形成勵(lì)磁主回路各晶閘管的觸發(fā)控制脈沖信號(hào)經(jīng)隔離放大后輸出至各晶閘管控制極，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)晶閘管的調(diào)節(jié)控制。如在發(fā)電機(jī)工作過程中，突然檢測(cè)兩個(gè)TV 輸出電壓不一樣并有一個(gè)TV 輸出電壓發(fā)生突變，可判定為TV回路故障，不再將具有故障的TV輸出電壓作為調(diào)節(jié)控制依據(jù)，以免發(fā)生誤動(dòng)而造成事故。

此外，為了測(cè)量發(fā)電機(jī)工作時(shí)所輸出的無功功率及功率因數(shù)，配置發(fā)電機(jī)出口端電流互感器TA，將發(fā)電機(jī)輸出的大電流按變比轉(zhuǎn)換成0～5A的電流再輸入至勵(lì)磁系統(tǒng)電量測(cè)量回路，通過電壓、電流的測(cè)量，可計(jì)算出發(fā)電機(jī)輸出的無功功率及功率因數(shù)。為提升發(fā)電機(jī)開機(jī)并網(wǎng)效率，配置了電網(wǎng)端的電壓互感器TV3，當(dāng)發(fā)電機(jī)已起勵(lì)建壓且發(fā)電機(jī)出口斷路器QF 未合上時(shí)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)以TV3輸出的電壓為發(fā)電機(jī)電壓調(diào)節(jié)給定值，自動(dòng)調(diào)節(jié)控制發(fā)電機(jī)輸出電壓，快速跟蹤電網(wǎng)電壓變化，保持QF兩端電壓達(dá)到或接近同期并列的要求，從而提高發(fā)電機(jī)開機(jī)并網(wǎng)速度，提升效率。一旦發(fā)電機(jī)并網(wǎng)成功，QF 處于合位，QF 兩端電壓相等，此時(shí)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)退出自動(dòng)跟蹤電網(wǎng)電壓狀態(tài)，并以額定電壓作為給定值進(jìn)行勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制。

為保證勵(lì)磁控制系統(tǒng)工作電源的可靠性，配置了AC220V 和DC220V 兩路電源，并在內(nèi)部設(shè)置了雙電源自動(dòng)切換電路，正常工作時(shí)以AC220V 電源為主，當(dāng)AC220V 電源電壓下降至200V 及以下時(shí)，自動(dòng)切換至DC220V電源工作。電源切換過程對(duì)勵(lì)磁控制系統(tǒng)供電不中斷，不影響系統(tǒng)的正常工作。

1.3 勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PLC冗余應(yīng)用設(shè)計(jì)

水輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)不多，控制計(jì)算以PID運(yùn)算為主，處理的數(shù)據(jù)量不大，在滿足智能化水電站對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制器可靠性和調(diào)節(jié)計(jì)算性能基礎(chǔ)上，選用經(jīng)濟(jì)性較好的西門子S7-1500R 系列PLC 來組建具有冗余功能的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制器（如圖3所示），設(shè)備清單見表1。

表1 基于CPU 1513R-1 PN的勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制器設(shè)備清單

圖3 基于CPU 1513R-1 PN的勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制器

圖3中，PC為水輪發(fā)電機(jī)組控制用的上位計(jì)算機(jī)，通過交換機(jī)與發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制器進(jìn)行以太網(wǎng)通信。Panel為西門子觸摸屏，用于勵(lì)磁系統(tǒng)的人機(jī)交互及參數(shù)設(shè)定。ET200SP是一個(gè)可擴(kuò)展分布式I/O系統(tǒng)，通過現(xiàn)場(chǎng)總線將4個(gè)I/O接口模塊，共8路模擬量輸入（8AI）、4 路模擬量輸出（4AQ）、16 路開關(guān)量輸入（16DI）、16 路開關(guān)量輸出（16DQ）信號(hào)與CPU連接并處理。I/O模塊基座單元用于安裝4個(gè)I/O接口模塊，電源模塊用于給CPU、ET200SP、XC208等提供24VDC工作電源。

勵(lì)磁控制冗余系統(tǒng)內(nèi)配置2 臺(tái)相同的CPU（內(nèi)配4M存儲(chǔ)卡，每個(gè)CPU均設(shè)有[X1,P1]和[X1,P2]2個(gè)以太網(wǎng)接口），工作時(shí)一個(gè)CPU將執(zhí)行控制角色（主CPU，輸出控制信號(hào)），另一個(gè)CPU 將作為跟隨CPU（備用CPU，在工作但不輸出控制信號(hào)），如果主CPU突然發(fā)生故障中斷工作，則備用CPU將在中斷處作為新的主CPU立即輸出控制信號(hào)，繼續(xù)過程控制。為在冗余PLC 主備之間實(shí)現(xiàn)組態(tài)、程序、數(shù)據(jù)同步及CPU 故障快速切換，必須將系統(tǒng)中2 臺(tái)PLC安裝在支持MRP功能的PROFINT環(huán)網(wǎng)中，如圖3使用網(wǎng)線將2臺(tái)PLC的[X1,P2]連接起來，此外，還得使用具有MRP 冗余環(huán)網(wǎng)功能的XC208 工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)，按圖3 接線將PLC、IO 接口、觸摸屏及上位機(jī)連接起來。兩臺(tái)CPU 通過MRP 冗余環(huán)網(wǎng)共享分布式I/O系統(tǒng)。

1.4 勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PLC的I/O設(shè)計(jì)

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PLC的I/O信號(hào)設(shè)計(jì)見表2，分別占用開關(guān)量輸入模塊的I0.0～I(xiàn)1.5接口，開關(guān)量輸出模塊的Q0.0～Q0.5 接口，模擬量輸入的AIW0～AIW10通道，模擬量輸出的AQW0通道。

表2 勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)PLCI/O分配表

2 微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制軟件包括主程序、初始化子程序、循環(huán)中斷服務(wù)子程序（PID 運(yùn)算）及相關(guān)控制與故障處理等子程序，勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制主要流程見圖4。

圖4 勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制主要流程

主程序首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，檢測(cè)是否存在系統(tǒng)故障，寫入相關(guān)初始值，判斷運(yùn)行操作模式，打開定時(shí)循環(huán)中斷用于調(diào)用勵(lì)磁調(diào)節(jié)PID 運(yùn)算，之后進(jìn)入循環(huán)執(zhí)行機(jī)組勵(lì)磁狀態(tài)判別、故障檢測(cè)、終端顯示、人機(jī)接口命令的流程。

機(jī)組勵(lì)磁狀態(tài)判別首先判斷是否有停機(jī)令或開機(jī)令。如是開機(jī)令，還需等待發(fā)電機(jī)起勵(lì)建壓指令并且機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到95%額定轉(zhuǎn)速時(shí)才會(huì)執(zhí)行起勵(lì)建壓命令；其次判斷機(jī)組是否是負(fù)載狀態(tài)，否則執(zhí)行開機(jī)前設(shè)置命令。機(jī)組負(fù)載狀態(tài)是以發(fā)電機(jī)出口斷路器QF 為合位且發(fā)電機(jī)電流大于3%額定電流為判據(jù)，為避免斷路器QF 位置輔助觸點(diǎn)故障誤發(fā)信號(hào)，當(dāng)發(fā)電機(jī)電壓大于80%額定電壓且發(fā)電機(jī)電流大于10%額定電流時(shí)，可判定機(jī)組處于帶負(fù)載運(yùn)行態(tài)。

勵(lì)磁故障檢測(cè)主要檢測(cè)并判斷是否出現(xiàn)TV斷線故障、晶閘管觸發(fā)控制脈沖故障、勵(lì)磁電源故障、晶閘管觸發(fā)脈沖同步信號(hào)故障。通過對(duì)比圖2 中TV1、TV2 的電壓可判斷是否發(fā)生了TV 斷線故障，以避免勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制誤動(dòng)作。

在勵(lì)磁控制調(diào)節(jié)程序中，只要機(jī)組在正常帶負(fù)載運(yùn)行狀態(tài)，即在每一次定時(shí)循環(huán)中斷中調(diào)用電壓調(diào)節(jié)計(jì)算子程序，通過電量采樣測(cè)量發(fā)電機(jī)電壓U和電流I，計(jì)算發(fā)電機(jī)有功功率P 和無功功率Q，進(jìn)行調(diào)差計(jì)算并利用PLC 內(nèi)部集成且具有抗積分飽和的PID控制器（可避免積分項(xiàng)無限增長(zhǎng)，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性）進(jìn)行PID運(yùn)算，計(jì)算出晶閘管的控制角，與同步信號(hào)合成后，經(jīng)過控制脈沖輸出回路實(shí)現(xiàn)對(duì)圖1 中晶閘管VS1～VS6 的控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁的調(diào)節(jié)控制。

3 結(jié)語

采用具備冗余功能的西門子S7-1500R 系列PLC 設(shè)計(jì)了中小型水輪發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，利用PLC雙CPU冗余配置及調(diào)節(jié)控制無擾動(dòng)自動(dòng)切換功能，全面提升了勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制器的可靠性，有效解決了單CPU的PLC控制器“死機(jī)”故障可能引起的發(fā)電機(jī)失控嚴(yán)重事故。設(shè)計(jì)已經(jīng)過樣機(jī)試驗(yàn)，各項(xiàng)調(diào)節(jié)性能指標(biāo)達(dá)到了中小型發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的技術(shù)要求。