作者：卢健生　

摘要：本文介绍了清华大学电机系研制的GEC-2B励磁控制器在广西来宾电厂A厂的成功应用，着重说明了该装置的特点和系统功能及其优越性，分析了装置的高可靠性及稳定性的特点。

要害词：GEC；非线性；阶跃

一．前言

随着科学技术的发展，发电机组单机容量和电网规模越来越大，发电机组对励磁控制系统在快速性、可靠性、灵敏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应用到整个电力系统的发展中来。在发电厂的整个励磁控制系统中，励磁调节装置便是其中的核心部分。

从历史发展来看，励磁调节装置经历了分立元件、集成电路及微机型三个阶段。到了二十世纪九十年代末，先进的微机励磁调节装置更是得到了广泛的应用。

广西来宾电厂A厂装机容量为2*125MW，是燃煤汽轮发电机组。发电机的励磁方式采用的是400HZ副励磁机、100HZ主励磁机及发电机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，励磁调节装置一直使用的是南京电力自动化设备总厂的分立元件的KKL-2型可控硅快速励磁调节装置。一套KKL-2型装置分两个柜，一个为自动柜，一个为手动柜，在二十世纪八十年代这算是较先进的产品，但装置插件多、结线复杂、抗干扰性能差、调试时间较长是他的缺点，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，使调试越来越困难，给发电机的安全稳定运行带来了较大的威胁，曾多次出现元件老化损坏引起装置自动柜忽然跳闸，自动转手动柜运行，对机组及电网的稳定运行带来了极大的危害。因此，对这些落后的故障频繁的设备进行改造已势在必然。2000年广西来宾电厂A厂决定先改造其#2机组的励磁调节器。经过多方面的综合考虑及考察，最后选用了有广泛应用的新型的清华大学研制的有自主知识产权的高科技的GEC-2B微机型非线性励磁调节装置，并于2000年12月20日一次投运成功。经过两年多的运行，装置完全能满足发电机组及电网的要求，而且运行稳定可靠。2003年5月-6月份又把#1机组的励磁调节装置更换成了GEC-2B型产品。2003年6月11日也一次投运成功。至今，装置运行平稳可靠。下面对GEC-2B型产品从各个方面作一简要分析介绍。

二．GEC-2B装置的特点

1．GEC-2B产品主要特点：GEC-2B型励磁调节装置是清华大学电机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）生产的应用于100-600MW汽轮发电机三机交流励磁系统的产品。

1．1全数字化：从输入通道的交流采样到控制脉冲的输出全部实现数字化，没有模拟环节，无调整电位器，精度和可靠性都得到了提高。

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

1．3有试验、故障录波功能：自动记录故障前4秒，故障后16秒的故障数据，包括：发电机定子电压、转子电压，控制电压、电流，有功，无功，转速及保护/出错标志等。

1．4完善的试验功能：可以在线修改调差率、放大倍数、微分时间常数、惯性时间常数、以及进行10的阶跃、灭磁试验。

1．5方便直观的人机接口：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，能非常直观地了解GEC的状态和励磁系统、发电机的状态。

1．6完备的保护功能：具有PT断线保护、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，以保证发电机的安全稳定运行。这些保护比模拟装置有了很大的改善。

1．7装置上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型装置的所有操作功能。

2．GEC-2B装置的高可靠性保证的特点

2．1装置采用全双置结构，由两个完全独立的自动柜组成。正常运行时为双柜并联，每柜各承担一半负荷，如一柜有故障则自动退出，另一柜自动承担全部负荷，无切换过程，可靠性较高。任一通道均满足强行励磁在内的功率要求。

2．2输入输出开关及电源等器件选用进口产品，并经严格筛选测试，可靠性高。

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可靠、长寿命电源模快。

2．4输入输出通道双重隔离（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，一般不需要采用屏蔽电缆。尤其在火电厂应用更具有现实的重要意义。

2．5GEC-2B装置内部共有45个控制参数可以在线修改，而且掉电保持。

2．6装置采用工业标准的STD总线结构STDBus的微机系统。

2．6．1具有工业控制标准IEEE961；

开放的体系结构，有大量的现成产品可选用；

小型化、组合化、模块化、标准化，兼容性好，易于扩充及功能升级；

可靠性高、成本较低。

2．6．2GEC-2B装置基本配置包括了六块STD总线模块板。

2．6．2．1中心处理器板（CPU）STD9801：

中心处理器：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标准；

高速输入：4HIS；

高速输出：6HSO；

定时器：2个硬件定时器 4个软件定时器，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开关量输入输出板（DIO）STD8511：

点数：光电隔离式16入/16出；

输入阻抗：2kΩ；

输出驱动：DC50V，200mA；

延迟时间：不大于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；

直流输入：DC30V-DC220V；

节点电流：最大3A；

导通压降：≤2V；

功率消耗：DC5V，100mA。

2．6．2．6与DCS通讯输出板（TXB）：

可通过DCS对励磁装置进行监视开关量及模拟量。

通讯接口：RS232/RS485接口。

2．7装置采用了可靠的脉冲自封锁电路，放止误强励、误触发。

2．8软件的可靠性设计

2．8．1为了提高软件开发效率及软件质量、可靠性、可测试性及可维护性，采用了结构化编程序原则。包括：独立性原则、简单性原则、单入口单出口原则、作用域原则、流水线原则及完备的文档。

2．8．2装置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通道混乱、测频错误、发脉冲错误、发脉冲出错等，软件故障在GEC内部可由软件自动处理，硬件故障则发信号或退出运行。

2．9装置在出厂前已经过严格的绝缘耐压实验、抗干扰试验及连续100小时拷机试验。

3．GEC-2B装置的主要指标

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转换速率：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电源适应性：-30— 50范围内可以可靠运行；

3．10功率消耗：小于300W；

3．11可靠性指标：励磁系统投入率>99.99；

平均无故障运行时间>35000小时。

4．GEC-2B装置主要功能

4．1NOEC非线性最优控制（默认）；

4．2LOEC线性最优控制（选用）；

4．3PSS电力系统稳定器（选用）；

4．4PID比例、积分、微分；

4．5正负调差及调差率大小选择；

4．6低励限制及保护；

4．7强励反时限限制；

4．8发电机定子电压过压限制；

4．9U/F限制；

4．10过无功限制；

4．11过定子电流限制；

4．12PT熔丝熔断保护；

4．13交流励磁机时间常数补偿；

4．14恒励磁电流控制；

4．15恒无功控制（选用）；

4．16软件自检及容错处理；

4．17硬件自检；

4．18恒功率因素控制（选用）；

4．19试验及故障录波；

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装置与其它厂商的励磁调节装置的主要不同点

5．1GEC-2B控制方式是采用了清华大学研制的具有自主知识产权的高科技产品，它是目前国内外具有最简单硬件与最丰富的软件功能的工业产品，其技术核心是应用了先进的非线性控制理论，从而能更准确地反映控制对象的本来面目，及采用全数字化的微机控制技术，使产品在改善发电机和电力系统运行稳定性方面具有明显的优越性。

5．2励磁控制方式从20世纪40年代以来，大体上经历了，单变量控制阶段（PID调节），线性多变量阶段（电力系统稳定器PSS、线性最优励磁控制器LOEC）及非线性多变量阶段（非线性最优励磁控制器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得到了充分的改善。

5．3GEC-2B装置的非线性最优励磁控制原理

将非线性系统的控制问题精确转化为一类线性系统的控制问题，得到电力系统在大干扰下的安全稳定控制策略，再应用于励磁控制方面，就得到了非线性最优励磁控制规律。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。清华大学将该规律成功地应用在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
应用在来宾电厂A厂的参数为：K1=Ti=1.0，K2=K3=1.0。
n·
5．3．2设计方法：
X=f（X） ∑gi（X）ui
针对电力系统仿射非线性方程：
i=1
合理的选取非线性坐标变换：Z=ф（X）·
以及非线性状态反馈：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

求出此线性系统的最优控制U*（X），进而得到原非线性系统的最优控制：

U*（X）=a（X） b（X）U*

5．3．3通过以上设计方法得出的控制方式，使得发电机组及电力系统的抗干扰稳定性得到了较大的提高。

5．4GEC-2B的其它控制方式应用在来宾电厂A厂的原理框图如下

5．4．1PID（已投用）：基本目的是改善发电机电压的静态、动态性能。

G(S)=1 T1S1 T2SKp(1 1TiS)
其中应用在来宾电厂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装置的脉冲直接形成技术

一般的微机励磁都是用定时计数器（如8253或CTC）芯片来实现同步信号的周期T的测量以及产生6相脉冲去触发晶闸管，这一般需要一块至少包含7个定时器的专用脉冲产生板，不仅硬件电路复杂，而且占用CPU的很多时间（中断），导致脉冲形成不可靠。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嵌入式微处理器，MCS-96/196嵌入式微处理器有专用的高速输入单元（HSI）和高速输出单元（HSO）来处理脉冲的测量及脉冲的产生，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用于测量同步信号的周期T，用36个HSO口分别产生 A、-C、 B、-A、 C、-B六相脉冲。这种脉冲产生方式非常简单自然，硬件、软件均很简单，产生的脉冲可靠性高，基本杜绝了模拟装置丢脉冲的现象。

三．GEC-2B装置在来宾电厂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，外部因素的影响也不可小视，也会对发电机组及电网造成很大的影响。来宾电厂A厂主要从以下一些方面来保证整个励磁系统的可靠性及稳定性。

1．在预备改造时，首先要对有关厂商预备提供的产品进行具体的考察了解。励磁设备订货期间，在供需双方签定合同时，明确装置的有关技术条件，签订具体的技术协议，尽可能尽善尽美，同时合同中还规定产品出厂试验前，供货商必须通知需方派有关技术人员到供方处参与设备出厂调试，调试中有与合同及现场不符之处，责令供方进行修改，尽量满足需方的要求。

2．装置到需方现场就位安装时，要求安装人员要有对设备“不相信”的态度，对每颗螺丝每根线每个插件都要重新检查紧固一遍。

3．视资金安排情况，把引到励磁装置的所有主要控制电缆全部用屏蔽电缆连接，同时电缆（强电电缆）两端屏蔽层同时接地。

4．用对继电保护设备的反措要求检查励磁设备，尽量满足并达到继电保护设备的要求，如接线端子，尽量少用凤凰端子（因其看不见导线压接情况），多用导线绕圈后进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置外部接线的可靠性。

5．电缆接线全部完成后，所有孔洞都要封堵好，柜门关好，以免鼠害。确保安全性。

6．主励磁机碳刷原出厂时每极只有两个碳刷，安全可靠性较差，曾经因产生环火换碳刷时造成发电机失磁停机的事故，现经改造每极增加一个碳刷，共有三个碳刷，这样励磁系统的可靠性又得到提高了。

7．除励磁系统控制器外的其它励磁系统设备，每年都根据主设备大小修情况进行具体的检查及处理缺陷，以确保这些设备的可靠安全运行。

8．GEC-2B型励磁调节装置调试投运前，需方根据供方提供的试验方案，并结合现场实际情况，编写了符合现场的试验方案。同时根据这些方案进行试验，力求全面、充分的检测检验励磁调节器的各种性能指标，以满足发电机组的需要。

9．2000年12月20日来宾电厂A厂#2机组大修后启动时，对GEC-2B装置进行了现场测试。从测试的录波图上看出

9．1机组并网前，空载试验，通过调整控制器的参数，使得励磁系统具有良好的动态性能， 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机组并网后试验，增减无功的稳定性试验中，装置调节稳定，A、B柜分配合理。在带一定的无功下，做 3阶跃试验，其无功超调量为21.1，做-3阶跃试验，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两柜互相切换试验，无功无扰动，切换均正常。

9．3甩无功试验，发电机定子电压由1.019Ue上升到1.106Ue，上升了8.7Ue，试验合格。

9．4装置的各种保护试验，均正确，由其是机组进相运行非常稳定，解决了以前发电机不敢进相的缺陷。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贡献。

9．5来宾电厂A厂#2机励磁系统改造项目，经过各项试验，证实其更改后的GEC-2B型励磁控制装置其技术指标均符合国标、部标的要求，亦符合合同的要求，调节性能良好，可以正式投入运行。

10．GEC-2B装置在来宾电厂A厂投入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大问题：①解决了运行方面的问题，原来的装置为一个自动柜、一个手动柜，当自动柜出现问题转手动柜运行（开环运行）时，监盘的运行人员就必须要经常对无功进行手动调整，注重力要相当集中，劳动强度加大了，人员轻易疲惫，进而会出现误操作；现在则不用担心，两个柜均是自动柜且还有手动功能，可靠性相当高，已从繁重的操作劳动中解脱出来，完全不必担心手动运行的误操作；②解决了检修维护方面的问题，原来的装置一个自动柜和一个手动柜进行一次大修，从开始拆插件清扫到静态调试结束至少要20天时间才能完成，检修调试工作量大且繁杂；现在则轻松多了，大修一次最多一个星期就可完成，大大减轻了工人的劳动强度。但装置在运行中还是出现过一些小故障，如：有一次A柜自动跳闸，全部负荷由B柜带，经检查信号为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，经及时处理都很快恢复运行。没有发生过因GEC-2B励磁装置问题造成的停机及延误开机的事件。由此证实其可靠性还是较高的。以前在未改GEC-2B装置前用的是模拟电路励磁控制装置，曾多次因来宾电厂B厂（2*360MW）的机组故障跳闸引起来宾A电厂的机组剧烈振荡，被迫甩负荷，由于运行人员及时采取措施，才未造成停机事故。2000年底，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装置的稳定性是较好的。

11．鉴于GEC-2B这个装置的优越性及运行经验及业绩，2003年初，来宾电厂A厂又决定将其#1机组的KKL-2型模拟励磁调节装置改造为GEC-2B型装置。2003年6月11日在#1机组大修结束，机组启运时，经过现场投运试验，也完全满足发电机组的运行要求。同时也将励磁控制装置的信号（包括开关量、部分模拟量）通过其通讯端口引进了DCS系统，实现了发电厂自动一体化的远程监控。该套装置已于2003年6月12日正式投入运行。

12．到目前为止，来宾电厂A厂的GEC-2B装置的投运率为100，经过两年多的运行，是令人满足的，它大大提高了励磁系统的运行可靠性及稳定性，基本达到了预期效果。

四．结束语

微机励磁调节装置是当今励磁系统应用的主流，这些励磁设备选型的好坏，将直接对发电机组甚至对电网造成影响。因此，励磁系统设备的可靠性、稳定性应当是首要的，其次才是设备价格。质量性能好的设备价格较高，但故障少，对电网影响小。在电力体制深化改革，发电厂上网电价逐渐走向市场的今天，降低发电成本，降低事故率，多发电，对企业的生存是至关重要的。因此，对发电厂而言，一套好的可靠性、稳定性均高的励磁设备，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置原理说明书。
⑵孙元章，大型发电机励磁系统调节原理1999年12月。