GEC300技术说明书 - 图文

目 录

第一部分 系统概述........................................................ 3 1 概述.................................................................. 3 2 核心技术...............................................................4

2.1 分层的多处理器体系结构............................................4 2.2 SoC系统级芯片技术................................................5 2.3 IPU智能功率单元与反馈均流技术....................................6 2.4 TFA高精度高速度交流采样技术......................................7 2.5 网络发布与远程维护技术............................................8 3 高可靠性设计原则.......................................................8 4 用户价值................................................. .............8 5 主要技术指标..........................................................10 6 适用范围与使用环境....................................................11

6.1 静止式自励励磁系统(GEC-31X).......................................11 6.2 具有直流励磁机的间接自励系统(GEC-32X).............................12 6.3 三机励磁系统(GEC-33X).............................................12 6.4 晶体开关管式微机励磁系统（GEC-34X）...............................13

第二部分 软件功能...................................................... .14 1 功能规范..............................................................14 2 软件的可靠性设计......................................................15

2.1 结构化软件设计的重要性...........................................15 2.2 结构化编程原则...................................................16 2.3 软件测试.........................................................17 3 励磁控制............................................................ .17 4 软件流程............................................................ .20 5 ADC采样技术......................................................... 20 6 控制规律.............................................................. 23

6.1 PID控制......................................................... 23 6.2 电力系统稳定器PSS.................................................. 23 7 限制与保护............................................................ 25

7.1 V/F限制......................................................... 25 7.2 欠励限制........................................................ 26 7.3 瞬时/延时过励磁电流限制......................................... 26 7.4 PT断线.......................................................... 27 8 切换逻辑............................................................ 28

8.1 主从切换........................................................ 28 8.2 自动/手动切换........................................ .......... 29 9 智能反馈均流........................................................ .30

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第三部分 硬件配置.......................................................31 1 基本配置.................................................. ..........31 2 调节器柜.............................................................31

2.1 扩展通讯单元ECU................................................32 2.2 自动电压调节单元AVR............................................32 2.3 AVR与外部接口..................................................34 3 智能功率柜IPU............................................ ..........35

第四部分 监控软件.......................................................37 1 主画面.................................................... ..........37 2 状态波形.................................................. ..........38 3 均流波形.................................................. ..........39 4 AVR状态.............................................................39 5 IPU状态.................................................. ..........40 6 报警信息.................................................. ..........40 7 参数设置.................................................. ..........41 8 机组参数.................................................. ..........42 9 调试...................................................... ..........43

附录：GEC-300励磁控制系统命名规范

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第一部分 系统概述

1 概述

GEC-300 励磁控制系统是清华大学电机工程系和北京吉思电气有限公司联合研制的

新一代微机励磁控制系统。该系统采用了分层的多处理器体系结构、集成了SoC系统级芯片技术、CAN现场总线技术、智能反馈均流技术、网络远程发布及维护等一系列领先技术。凭借清华大学在理论研究及产品研发方面的优势，凭借吉思电气在励磁系统领域多年的实际经验及规范化产品与服务，相信能够为电力系统中的广大用户提供更高可靠性、更高性能的产品以及更高质量的服务。

回顾近二十年微机励磁的发展历程，大致经历了以下三个阶段：

? 第一代(1G)：半数字式微机励磁，其前端的采样为直流采样，仍旧沿用模拟式变送

器，后端脉冲输出也仍旧沿用模拟电路；

? 第二代(2G)：全数字化微机励磁，其前端为交流采样，后端的脉冲直接形成，以及

控制策略的实现均采用了数字化技术，硬件结构简洁，如GEC-1全数字式微机励磁调节器；

? 第2.5代(2.5G)：32位图形化界面的微机励磁，其结构形式与第二代的最大区别

为增加一个上位机作图形化人机界面，而下位机则采用32位的DSP控制技术，如GEC-2数字式微机励磁调节器。

随着时代的发展，在电力系统中大容量高参数机组的普遍应用，对励磁控制系统的可靠性和性能提出了更高的要求。如多目标控制（电压精度PID/PSS/NOEC、动态与暂态稳定、二级电压控制、高压侧电压控制等）对励磁调节器的计算性能提出了更高的要求；快速控制（自并励快速励磁、高起始励磁、准连续控制dT）对励磁调节器的控制性能提出了更高的要求；电厂信息自动化（DCS、LAN、Internet）对微机励磁控制器的通讯性能提出了更高的要求；并且用户对厂家的服务也提出了更高的要求(全方位、及时的客户服务,远程调试与维护)。为了满足用户的以上需求，我们采用了全新的设计思想和当今最前沿的技术，开发了GEC-300 励磁控制系统。

GEC-300 励磁控制系统开发的全新设计思想体现在以下两个方面：基本单元的简单化与高度集成和系统结构的分散、分层。当今的微电子技术的发展使得我们有可能将以往的微处理器系统的大部分功能芯片集成到单个芯片中(System-on-Chip)，SoC代表了目前最高的集成度水平，是实现系统的简单化与高可靠性的有力保证。虽然目前SoC的性能已非常高，但企图以单个SoC实现新励磁控制系统的所有功能是比较困难的，为此GEC-300 励磁控制系统采用了分散、分层的系统结构，依靠这种多处理器体系结构来满足用户的各项需求，这种方式不仅实现容易，而且将风险分散化，任何一个重要部件的失效只影响系统的局部功能，保证了系统的高可靠性。

本说明书主要介绍GEC-300 励磁控制系统的技术特点、软硬件配置、基本工作原理等，以便用户对本产品有一个全面的了解。与本说明书相关的技术资料有：

? GEC-300 励磁控制系统操作说明书 ? GEC-300 励磁控制系统检测报告

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? GEC-300 励磁控制系统参数整定说明 ? GEC-300 励磁控制系统设计图

? GEC-300 励磁控制系统现场投运报告

2 核心技术

GEC-300 励磁控制系统采用了五大核心技术：分层的多处理器技术、SoC系统级芯片技术、IPU智能功率单元与反馈均流技术、TFA高精度高速度交流采样技术、网络发布与远程维护技术。这些先进技术的采用使得GEC-300 励磁控制系统的技术性能与可靠性得到了很大的提高。

2.1 分层的多处理器体系结构

GEC-300 励磁控制系统是采用分层的多处理器体系结构来满足用户对励磁产品的控制性能、图形化界面、通讯等多方面的要求。GEC-300 励磁控制系统分为三层式的结构：底层为智能功率单元IPU、中间层为自动电压调节单元AVR、上层为扩展通讯单元ECU，如下图。

IPU: Intellingent Power Unit

智能功率单元，标准6U单元控制盒，实现脉冲的直接产生，智能反馈均流及对功率单元的过流、超温停风等就地保护功能。 AVR:Auto Voltage Reglator

自动电压调节单元，采用SoC系统级芯片技术。32位DSP技术等实现励磁的快速、准确的调节。可实现高级的控制策略（PSS/LOEC/NPSS）。

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ECU:Extended Communication Unit

扩展通讯单元，实现图形化可定制的人机界面MMI，可与DCS等电厂自动化信息网相连接， 进行网络远程发布，实现对客户零距离即时服务。 CAN：Controller Area Network

现场控制总线网络，实现IPU与AVR之间实时、可靠的信息交换。CAN的应用大大减少了IPU与AVR之间的联线电缆，实现独立布置。

2.2 SoC系统级芯片技术

GEC-300励磁控制系统采用了领先的SoC系统级芯片技术和时频分析TFA高精度采样技术，使得AVR的性能与可靠性有了质的飞跃。AVR是励磁控制系统的核心，信号与状态的采集、电压反馈控制、辅助稳定控制等主要功能均由该单元实现，其性能和可靠性直接影响到整个系统的安全与稳定运行。

SoC：System-on-Chip

SoC将以往的微处理器系统板的大部分功能芯片集成到单个芯片中，SoC是当今微电子研究的前沿，代表了目前最高的集成度水平。SoC改变了我们进行系统设计的思维方式：从以往的功能设计、选择芯片、进行原理图设计及印制线路板PCB、设计、调试的过程转变为直接选择SoC，定制我们所需的功能。

? SoC用单个芯片集成了以往的微处理系统

SoC内部含A/D，RAM，ROM/FLASH，CPU，DSP，DIO，CAN... ? SoC真正实现了\总线不出芯片\

SoC是对以往的\总线不出机箱\、\总线不出板\的飞跃 ? SoC提高了抗干扰能力和可靠性

SoC的高频、高速的总线部分全集成在芯片内部，外围是低频50Hz的信号。在EMC及可靠性上超越以往DSP+FPGA的实现方式。

? SoC目前可实现150MIPS的高性能

150MIPS＝每秒执行1.5亿条指令

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2.3 IPU智能功率单元与反馈均流技术

与以往的微机励磁控制系统相比，GEC-300励磁控制系统最大的改进是将励磁功率柜智能化，在整个系统的结构体系增加了一个智能执行层IPU，从而可以大大提高可靠性、实现智能反馈均流、方便现场布置以及可实现有针对性的保护功能。

? 提高可靠性

采用智能功率单元IPU后，各功率柜的同步检测、脉冲发生与检测、功率器件的发热超温保护均有相应的微处理器来管理，各功率柜具有智能化的处理能力，独立性及可靠性大大增强。

? 若单一IPU故障，不影响其他IPU运行 ? 若通讯网络故障，可脱网转为手动运行 ? 若双套AVR故障，可转为独立手动运行

? 智能反馈均流

由各IPU将各柜的励磁电流上传到AVR，AVR汇总后得到了总的励磁电流及各个功率柜应该（期望）带的电流值，然后下传至IPU。IPU根据本柜的实际励磁电流与期望的励磁电流之差实行智能反馈均流控制，使得各个柜的励磁电流能达到动态平衡。

? 现场布置与有针对性的保护

? IPU可作为独立手动单元，方便现场调试

? IPU与AVR之间的连线电缆大大减少，可分离布置

? IPU可针对本柜功率器件的发热、温升状态进行独立调节

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2.4 TFA高精度高速度交流采样技术

由于现场信号是连续模拟信号，数字化的控制系统如何对此进行幅值上与时间上的离散化，并高精度、高速地分析提取出信号的特征量是一个重要研究方面。我们在1992年的GEC-1励磁控制系统中就率先实现了交流采样技术，在GEC-300励磁控制系统中采用了时频分析TFA方法更进一步提高了采样的精度与速度。

采样精度的提高不仅依赖于幅值离散化精度的提高，还取决于时间离散化精度的提高。TFA方法有效地防止了采样时刻的颤动，提高了时间分辨率，并且利用SoC超高速A/D进行密集采样，提高了幅值分辨率与抗干扰性能。

GEC-300励磁控制系统采样部件能达到以下性能指标：

? A/D转换速度：16.7MSPS（每秒1670万次） ? 总体分析速率：优于10us（每秒10万次） ? 总体精度：优于0.05％

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2.5 网络发布与远程维护技术

GEC－300励磁控制系统满足用户对图形化人机界面的美观精细化和通讯方式多样化要求。该实现方式使用户界面更友好，客户服务更及时（网络远程发布），同时不影响AVR及IPU控制的实时性与可靠性。图形化的程序语言，又称为\Ｇ\语言。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图或框图。它利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，进行设计，它提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径，可以大大提高工作效率。

? Windows 操作界面，图形化语言（G语言）组态

? 直观明了的图形化开发环境、开放且符合工业标准的软件 ? 内置编译器加快运行速度

? 可与DCS、LAN、Internet等信息化网络连接 ? 网络远程发布、远程监视与远程维护

? 将信息在指定的时间，传送到指定的地点（无线网络技术） ? 专家在线诊断，零距离即时服务

3 高可靠性设计原则

我们以与用户一样的眼光来看待设备的安全性、可靠性，这是GEC-300励磁控制系统研发所贯穿始终的设计宗旨。除了在研发阶段的规范化及严格测试、在生产检验中实行ISO9000标准外，高可靠性首先是设计出来的！与以往集成式的励磁控制系统相比，GEC-300的分层多处理器体系结构能保证更高的可靠性与安全性。

? N-1可靠性设计原则

任何一个重要部件的失效不会影响系统的控制性能 ? N-2可靠性设计原则

任何两个重要部件同时失效仍能保证发电机的励磁 ? N-2原则示例

? 2×IPU故障 → 发电机励磁电流受到限制 ? 2×AVR故障 → IPU切换为恒励磁电流运行 ? CAN＋AVR故障 → IPU切换为恒励磁电流运行 ? ECU＋AVR故障 → 通讯、网络功能失效，AVR

切换到另一套

4 用户价值

当用户选择GEC-300励磁控制系统之后，用户将获 得以下超越常规产品的价值。 ? 更高的可靠性

由于采用了分层的多处理器体系结构，任何局部的部件失效均不会引起系统的崩溃。GEC-300励磁控制系统现在能实现N-1（系统中任何一个重要部件故障）均不影响系统的控制性能，N-2（2个重要部件同时故障）仍能保证发电机的励磁。

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? 更高的控制速度

由于自并励快速励磁系统、高起始励磁系统的广泛应用，对离散的控制系统的快速性提出了更高的要求。GEC-300 励磁控制系统的闭环控制刷新速度能够达到0.625ms，优于常规产品。

? 更高的控制精度

由于采用了超快速的数据采集部件（16.7MSPS），采用了时频分析（TFA）的交流采样算法，使控制精度从以往的0.2%提高到0.05%。 ? 灵活、紧凑的安装方式

控制器采用标准的6U箱体，其安装就象表计的安装一样方便。由于采用了现场总线技术，励磁控制器AVR和智能功率单元IPU既可以一起安装在励磁室，也可以分开布置（如AVR放在控制室），以方便监视与维护。AVR与IPU之间的电缆联系与以往相比减少10倍以上。

? 智能反馈均流

由于功率柜采用了智能控制单元IPU，并且IPU与IPU之间，IPU与AVR之间采用了现场总线CAN相连接，进行信息相互沟通。通过闭环反馈算法，能够使各功率柜的输出电流严格相等（均流系数优于97％），以改善功率柜的发热及根据其温度状态实行智能调节。 ? 图形化人机界面及客户定制

人机界面MMI是基于Windows操作平台上用图形编程语言（G语言）实现的，用户界面友好，易操作。不需要一句句的编写程序，只需把功能框拖拽到桌面上，连接输入输出信号即可实现。客户定制非常方便，感兴趣的用户都可以自己动手，定制个性化界面。

? 通讯与网络远程发布/零距离即时服务

扩展通讯单元ECU具备强大的通讯功能，可以方便的与DCS、LAN、Internet等连接，进行网络远程发布，让信息随时的传送到所需的接收方，进行远程监视与远程维护，实现对用户的零距离即时服务。

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5 主要技术指标

? ECU：Windows操作系统

? 图形化编程语言（G语言） ? CPU：PIII－500MHz/128M RAM ? 串行口：3×RS232＋RS485/422 ? 网络：10/100兆网络端口

? AVR：150MIPS SoC（内含32bitDSP）

? 存储器：128KW Flash＋18KWRAM ? Ultra-Fast ADC：16.7MSPS ? 总体采样精度：优于0.05％ ? 单通道分析速度：优于10us ? 控制刷新速度：1600次/秒 ? IPU： CPU：20MHz

? 存储器：256Kbit Flash＋8Kbit RAM

? CAN性能：250kbps，不短于250米（可延长） ? 脉冲发生：全数字式，每秒更新300次（50Hz） ? 控制角α：0.004度/码

? 移相范围：3°－170°（可设定） ? 励磁控制

? 符合《大型汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件》DL/T 843－2003 ? 符合《大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件》DL/T 650－1998 ? 符合《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》DL/T583-1995 ? 符合《同步电机励磁系统》GB/T7409-1997

序号 技术指标 1 2 3 4 5 6 7 8 9

单位 保 证 值 % 自动：10%~120%

调压范围

手动：5%~130%

% ≤空载额定电压的0.1% % ±15%，级差0.1％ 倍 ≥500倍 倍 ≥40倍

%/秒 0.5%~1%额定空载电压/秒

调压精度 调差范围 稳态增益 暂态增益 调压速度

电压分辨率 % ≤0.05%额定空载电压 V/F特性

%/Hz 不大于±0.25%额定空载电压/1Hz

励磁系统响应时间 上升值≤0.07s

下降值≤0.12s 电压响应比≥2.0

超调量≤阶跃量10%，震荡次数小于2次，时间小于3秒

最大电压≤110%空载额定电压，震荡次数小于2次，时间 小于5秒

10 5%空载阶跃响应 11 100%零起升压

12 功率消耗 W 小于300W

励磁调节器主要性能参数一览表

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6 适用范围与使用环境

GEC-300励磁控制系统普遍适用于各种可控硅励磁系统，例如 ? 大、中型汽轮发电机自并励励磁系统 ? 大、中型水轮发电机静止整流励磁系统 ? 带励磁机的机端间接自并励励磁系统 ? 带励磁机的三机励磁系统等

? 对其他的励磁方式是否能适用，欢迎与我们联系咨询。

GEC-300励磁控制系统的使用环境 及条件为：安装地点 户内 海拔高度： 地震烈度 环境温度： 日温差 月平均最大 相对湿度（25℃） ≤ 海拔2000米 ≯7度（按8度设防，水平加速度0.2g） -15℃— +45℃ ≯25℃ ≯ 90%

6.1 静止式自励励磁系统(GEC-31X)

对于新建的大中型汽轮发电机组，自并励励磁系统是一种优先的的选择。因为这种励

磁方式具有可以降低厂房造价、减少机组轴系长度、简化励磁系统接线等优点。此外自并励励磁系统为固有高起始响应系统，具有快速响应的性能。自并励励磁系统的典型接线如下图所示。

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6.2 具有直流励磁机的间接自励系统

对于具有直流励磁机的水、火电机组,传统上采用电磁型相补偿式励磁调节器,由于运行多年,设备有待更新。另外,依据现代电力系统运行的要求,励磁系统应具有较高的励磁电压响应比。针对这一要求,本公司推出了GEC-32X系列间接自励系统,如下图所示。

间接自励系统的优点是在保留原有设备的基础上,利用自励励磁系统快速性的特点,改善了励磁系统的性能。由于原有的直流励磁机具有功率放大的作用,为此作为自励系统电源的励磁变压器ET其容量是较小的。

6.3 三机励磁系统(GEC-33X)

三机励磁系统是指具有主、副励磁机的它励静止二极管励磁系统，如下图所示。

在我国火电机组中，三机励磁系统是一种应用较广泛的励磁方式。对早期产品，励磁调节器为电磁式结构，惯性时间常数较大，其后改用分立组件的模拟式励磁调节器，但由于功能模块数量过多，给调试及维护带来诸多不便。基于上述情况，本公司励磁部对100MW及以上容量级的三机励磁系统进行了研究，并完成了以GEC系列微机励磁调节器为基础的，适用于三机励磁系统的方案。

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6.4 晶体开关管式微机励磁系统（GEC-34X）

作为晶体开关管的电力元件原采用巨型晶体管GTR（Giant Transistor）以及功率场效应管（MOS-Power），目前则采用性能更加优越的绝缘栅双极型大功率晶体管IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）作为开关管元件用。开关管式调节器结构简单、易于维护，可用于直流励磁机励磁系统。

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第二部分 软件功能

1 功能规范

软件是GEC-300励磁控制系统的控制核心，大部分功能都是靠软件实现的。 GEC-300励磁控制系统的软件功能满足：

《大型汽轮发电机交流励磁机励磁系统技术条件》DL/T 843－2003 《大型汽轮发电机自并励静止励磁系统技术条件》DL/T 650－1998

《大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》DL/T583-1995 《同步电机励磁系统》GB/T7409-1997的技术要求。

a) 励磁系统满足发电机发电、进相、同期(手动准同期、自动准同期)等运行方式要求。

b) 励磁系统保证当发电机励磁电压和电流为发电机额定负荷下励磁电压和电流的

1.1倍时能长期连续运行。

c) 励磁系统强励倍数不小于2倍额定励磁电流，强励时间不小于20s。 d) 励磁系统保证发电机静差率在0.05%之内，投纯积分时为零。

e) 在发电机空载运行情况下，频率值每变化1%，励磁调节系统保证发电机电压的变

化小于额定值的±0.25%。

f) 在发电机空载运行状态下，自动励磁调节器的整定电压变化速度，不大于额定电

压1%/s，不小于额定电压0.3%/s

g) 励磁系统的年强迫退出比不大于0.05%，强迫停运次数不大于0.10次/年。 h) 励磁系统各部件设备及柜屏能很好适应电厂灰尘、振动等环境条件。 i) 整套励磁系统保证连续运行30000小时而不退出运行。

j) 在下述厂用电电源电压及频率偏差范围内，励磁系统保证发电机在额定工况下长期连续运行：交流380/220V系统，电压偏差范围为额定值的±15%，频率偏差为-3～+2Hz。直流220V系统，电压偏差为额定值的-20%～+15%。

k) 励磁系统在机端电压频率为45～55Hz范围内，保证维持正确工作，并保证强励和快速减励能正确动作。

l) 励磁调节器装设电力系统稳定器(PSS)，其有效功率范围为10%～150%的额定值（可在线整定），有效频率范围为50±0.15～2.2Hz，可根据用户需要设置为自动投退或远方手动投退。

m) 励磁系统满足GB/T14958.9 10 13 14（idt IEC60255－22, evqIEC60255－5）、GB/T17626. 5.6（idtIEC61000-4－5-6）等抗电磁干扰试验标准提出的要求，在受到下列级别的干扰时不发生误调、失调、误动、拒动等情况：

1） 1MHz(100kHz)脉冲群抗扰度试验3级（共模2.5 kV，差模1 kV）。 2） 静电放电抗扰度试验3级（接触放电6 kV或空气放电8 kV）。 3） 辐射电磁场抗扰度试验3级（试验场强10V/m）。 4） 快速瞬变抗扰度试验3级（开路输出试验电压峰值和脉冲重复率在供电

电源端口2 kV/5kHz，在输入/输出信号、数据和控制端口1 kV/5kHz）。 5） 浪涌（冲击）抗扰度试验3级（2.0 kV）。

6） 工频磁场抗扰度试验4级（稳定磁场强度30A/m）。

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n) 励磁系统参数（如增益、时间常数、调差、调压速度、起励电压、各种保护定值等）可在线实时整定。最优整定值由用户在现场决定。

o) 励磁系统能就地和通过机组的就地单元LCU（Local Control Unit）进行控制和调节。在电站计算机监控系统自动控制下，励 磁系统能使单台机组和并联机组保持稳定运行。

p) 励磁系统为计算机监控系统提供必需的接口和输出（RS485），可经RS485/RS422转换成RS232接口，接口采用I/O和通信两种方式并存。

2 软件的可靠性设计

微机控制系统的软件可靠性直接影响了系统的可靠性。软件工程学告诉我们，大型复杂的软件是不可能做到100%无错误的。对微机励磁等关键性控制系统，系统出现可靠性问题时会导致严重后果。为此我们在硬件上采取了一定的措施，比如全双置等，在软件上也采取了相应的措施，以保证软件达到近乎100%正确率，即使在极端情况下发生错误，也应尽可能地限制故障的范围，避免导致严重的结果。

我们将软件的开发过程视为与产品的生产过程是等同的，每个环节都必须执行严格的质量管理，控制标准，只有这样才能生产出高可靠性的软件产品。在这个过程中，结构化软件设计思想是最为根本的一点，也正因为严格管理，GEC产品投运至今没有出现过死机和失控等现象。

2.1结构化软件设计的重要性

“软件危机”导致人们对如何提高软件的开发效率， 软件产品的质量及可维护性方面作了大量的研究，并且专门研究上述问题的新学科\软件工程学\越来越受到重视。但在偏重于硬件的控制领域开发、研究中，人们往往还没有软件工程，软件管理的概念，导致了一系列的问题。

? 对软件开发成本和进度估计不准确。实际成本比预算高一个数量级，实际进度拖延几个

月甚

至几年的现象并不罕见。

? 用户对\已完成\的软件系统不满意的现象经常发生。 ? 软件产品的质量往往不可靠。

? 软件常常是不可维护的。很多程序中的错误很难改正，并且适应新要求的能力也很差。 ? 软件没有适当的文档资料。计算机软件不仅仅是指程序清单，还包括一整套完备的文档

资料。

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，最有效的办法就是养成结构化程序设计风格(Structured Programming)，结构化设计出来的子程序不但其本身具有模块特性,单入口，单出口,而且其内部也是由若干子模块组成。 模块特性对测试及维护是很方便的。模块具有以下五种结构：

? 顺序结构(DO结构)

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? ? ? ? 选择结构(IF结构) 当结构(WHILE结构) 重复结构(REPEAT结构) 循环结构(FOR结构)

这五种结构是人们所熟知的,用这五种基本结构可以构成任何复杂的程序。为了使程序更清晰、易懂、符合结构化规范，GEC的软件设计遵循以下几条原则。

2.2结构化编程原则

1.独立性原则

对问题，任务进行分解时，应使各子任务之间最大地无关， 而同在一个子任务的内容则强相关。这就要求子任务，子模块的独立性要高，强的内聚能提高效率， 而弱的耦合可以简化模块间的接口关系，提高可靠性。 独立性原则是与结构化设计相一致的。

2.简单性原则(per-page原则)

每一模块应在一页纸内写完，因为研究表明，当模块中程序语句多于30行时，可理解性迅速下降，所以建议一个模块的语句数最好在40行以内。per-page原则也保证了读程序时不必前后翻页。

3.单入口，单出口原则

一个模块只允许有一个入口，一个出口，不允许从模块的外部直接跳入到模块内部，也不允许从模块内跳到模块外。 一个模块只能通过CALL被调用，用RET返回。这样就保证了程序流向的清晰性。在一个模块内可以用跳转指令JUMP。

4.作用域原则

每个变量，标志字都有其作用域， 或者说存在周期， 在其作用域外访问某一变量，标志被认为是非法的。因此对特定的模块，有些变量是透明的， 可以访问，有些变量则是隐含的，必须明确区分。

5.流水线原则

模块可以被看成一个输入， 处理到输出的过程， 即模块的IPO格式(Input Process Output)。对于顺序连接的模块，前一模块的输出应尽可能地直接作为下一个模块的输入，避免再进行额外的格式转换，正如流水线上的各道工序的嵌接，这样才有高效率与可靠性。

6.完备的文档

软件是指程序与有关的，完备的文档，而不单单是程序清单。软件设计思想的文档比程序清单更有价值。一个模块完成后，最少必须提交三份有关文档：

? 含有简单说明的程序清单； ? 该程序的流程图；

? 该模块的设计思想，变量的说明，实现原理，数据结构，参考文献等内容。

没有这三份文档，该模块的设计工作就没有完成。

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2.3软件测试

人们头脑中往往认为测试是在系统设计完成后进行的，这就导致了即使在测试中发现了错误，要将之改正也往往很困难，花的代价很大。由于人的认识不可能百分之百地符合客观实际，因此在设计的每一个阶段都有可能发生错误。并且前一阶段的成果是后一阶段工作的基础，前一阶段的错误自然会使后一阶段的工作中产生相应的错误，因此错误会累积起来。此外，后一阶段的工作是把前一阶段工作具体化，因此前一阶段中的一个错误可能造成后一阶段几个错误的出现，也就是说，软件错误不仅有累积效应，而且还有放大效应。同时，在不同的时期发现一个错误，修正这个错误所要花费的代价是很不一样的。越是发现得早，改正一个错误所花的代价就越小。

改正错误的代价高中低早中晚发现错误的时期

发现错误的时期与改正错误的代价

在GEC的软件设计中，为了以较小的代价获得高质量的产品，测试从一开始就进行(Test From Beginning)， 并且要在每一阶段引入技术审核，错误反馈修正机制，使得错误能尽可能早地发现并将之修正， 减少错误延续到后续设计步骤中的几率。实际上，从顶而下(Top Down Design)的设计、结构化设计(Structured Design)也是支持这一机制的。

3 励磁控制

GEC-300励磁控制系统是一种控制系统，它控制同步发电机发出的电势，所以它不仅控制发电机的端电压，而且还控制发电机的无功功率，功率因数和电流等参量。由于大型机组的这些参量直接影响系统的运行状态，因此在某种程度上也可以说，励磁控制器也控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定和励磁控制方式密切相关。励磁控制主要有以下两方面的作用：

A. 在稳态运行时 ：

1. 保持发电机在运行中电压的恒定. 2. 在并列运行时,调节无功功率的分配. 3. 提高静稳极限和输电线路的传输能力. B. 在动态过程中：

1. 抑制切负荷时的电压升高. 2. 提高动态稳定性与暂态稳定性.

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励磁反馈控制是通过以下过程来实现的：首先励磁控制器检测PT的信号从而获知发电机的机端电压Ut， 然后将Ut与参考（给定）电压Ur相比较得电压差（Ur-Ut）,该电压差（Ur-Ut）经综合放大环节后得到控制电压Uc。若是最简单的比例调节， 那么控制电压Uc与电压差（Ur-Ut）有以下的关系式（不考虑调差）：

Uc?K?Ur?Ut?

上式中Kp为放大倍数。控制电压Uc经过移相触发环节后得到可控硅（SCR）的触发角α，从而控制发电机的转子电压Uf，使发电机运行在稳定状态。在GEC中，信号的检测、综合放大、移相触发都是通过软件算法实现的。 Uc与α、Uf有以下关系：

??arcCOS??Uc??

因为三相全控整流桥有以下关系：

?Uf0??

1.35UZ??Uf?1.35UZCOS?

所以

Uf?Uc?Uf0

式中Uf0为发电机空载励磁电压，Uz为发电机空载时SCR的阳极电压。

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励磁反馈控制原理

如果由于扰动使发电机机端电压Ut上升一个小的值，那么电压差（Ur-Ut）将减少，经综合放大环节后得到控制电压Uc也将减少，使得α增大，经可控硅流后使得转子电压Uf减少，转子电流If也随之减少，使得发电机的机端电压Ut下降，从而抵消了发电机的机端电压Ut上升的扰动。由此励磁反馈控制可以维持发电机的机端电压Ut的恒定。

如果由于扰动使得发电机的机端电压Ut下降一个小的值，那么类似以上分析一样能得到相同的结论。

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4 软件流程

GEC-300励磁控制系统上电复位后首先进行初始化和自检，对调节器内部进行配置和校验，发现异常时将报警显示故障，等待维修人员处理。控制环节中，GEC-300励磁控制系统对输入信号进行每周波32点AD采样。CPU时间将按采样点数分成32个时间片，每个时间片先执行紧急，公共的任务（如AD采样、交流量的傅立叶计算、有功和无功计算、控制规律计算以及紧急信号检测等），再执行各自独立的任务。在公共任务中，先启动AD采样信号，等到采样结束后读取ADC结果，利用递推式傅立叶算法算出所有交流量的实部和虚部。在此基础上再计算发电机的各种状态信息，如发电机电压，定子电流，励磁电流和电压，有功功率和无功功率。发电机转速由机端电压或同步电压经滤波整形后测得。

计算发电机电压Ut和参考电压Ur之差，然后综合调差信号和辅助控制模块的控制量，送入PID运算模块得到一个控制量Uc。通过系统内部的高可靠性CANBUS将此控制量Uc传给智能功率单元IPU，IPU经过反余弦运算模块计算得到可控硅的触发角，采用脉冲直接形成技术发出＋A,－C，＋B，－A，＋C，－B六相脉冲，经隔离放大后触发三相全控可控硅整流桥，从而改变励磁电流，控制发电机的运行状态。为了保证输出直流电压连续可调和逆变运行，控制角由软件控制在10°-150°（以自然换相点为参考点）。

为了保证发电机的安全稳定运行，GEC-300励磁控制系统内部设有各种保护和限制模块，在发电机异常状态下运行时，限制和保护模块将限制给定量Ur在设定合理范围内。GEC-300励磁控制系统设有强励顶值限制，强励反时限、欠励限制、V/F限制、过无功限制，定子电流限制和PT断线保护等。

GEC-300励磁控制系统运行状态的设置，励磁操作和控制参数的修改均可以通过扩展通讯单元ECU的触摸屏来操作实现，对运行状态的查看可以直观的在显示屏上看到相关的曲线图形、数字量、控制码和控制参数。GEC-300励磁控制系统软件包含以下功能模块组：交流采样模块、控制规律计算模块、主从切换模块、脉冲直接形成技术、励磁操作模块、保护和限制模块等。

5 ADC采样技术

模拟量采集转换是控制系统的一个重要环节，它的转换精度和速度直接影响到调节的精度和性能。在GEC-300励磁控制系统中，AVR采用高速ADC进行模数转换，32点连续采样，递推式傅立叶算法，每0.625ms即可得到当前状态量，使GEC-300励磁控制系统具备更高的实时控制性能。

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1 英文缩写含义

GEC：Generator Excitation Control system 发电机励磁控制系统 ECU：Extended Communication Unit 扩展通讯单元 AVR：Auto Voltage Reglator 自动电压调节单元 IPU：Intellingent Power Unit 智能功率单元 一般前缀GEC-300用于通用的、原理性的描述。

2 通用型谱

GEC-300 GEC-300系列通用名称

GEC-31X 用于自并励系统的GEC-300励磁控制系统，“1”指该励磁方式只有发电机（1机），下同。

GEC-311 GEC-312 GEC-313

1个功率柜（一柜双桥）自并励系统 2个功率柜（一柜单桥）自并励系统 3个功率柜（一柜单桥）自并励系统

GEC-32X 用于间接自并励系统的GEC-300励磁控制系统 GEC-33X 用于三机励磁系统的GEC-300励磁控制系统 GEC-34X 用于IGBT开关管的GEC-300励磁控制系统

3．柜体命名

GEC-300励磁控制系统包括调节器柜，智能功率柜、灭磁柜等，命名如下：

调节器柜：

GEC-300AVR柜，简称AVR柜或调节柜。

智能功率柜： GEC-300IPU柜，简称IPU柜或智能功率柜。 灭磁柜：

GEC-300DEX柜，简称DEX柜或灭磁柜。

当有多个智能功率柜时，可以在加前缀1#、2#等，如1#IPU柜，2#智能功率柜等。

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GEC-300励磁控制系统交流采样技术依据是以下原理：对于周期为T的周期信号U（t）＝U（t＋T）,在一个周期内对该信号进行等间隔均匀采样N点，得到N+1点采样值x0，x1，x2，x3，x4，x5，.....,xN-1，xN，根据傅立叶算法得到各次谐波的实部和虚部，进而计算到该次谐波的有效值。基波的实部和虚部计算如下：

Xi?X'r?(xN?x0)?sin(2??k/N) Xr?X'r?(xN?x0)?cos(2??k/N)

其中N为采样点数，k为当前采样点，X'r和X'i为上一次计算结果，Xr和Xi为当前计算结果，xN为当前采样值，x0为一周波前的采样值。

有效值计算公式为：

X?Xr2?Xi2

由系统视在功率计算公式：

S?U?I??(Ur?jUi)?(Ir?jIi)?Ur?Ir?Ui?Ii?j(Ui?Ir?Ur?Ii)?Pe?jQE得到有功功率和无功功率的计算公式为：

Pe?Ur?Ir?Ui?IiQe?Ui?Ir?Ui?Ii

GEC-300励磁控制系统对有功功率Pe，无功功率Qe的测量采用的是两表法，即以B相为参考点分别用AB线电压对A相电流，CB线电压对C相电流作计算，取其和为发电机的有功功率Pe和无功功率Qe，有功功率和无功功率标么值计算如下(其中SBB为功率基值)。

Pab+PcbSBB

Qab+QcbQe=SBB Pe=

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A * IA VAB

B VCB C 电力系统 IC

6 控制规律

* 励磁控制规律的设计是励磁反馈控制的核心，它决定了整个励磁系统的调节性能，在整个系统中有着十分重要的地位。GEC-300励磁控制系统的励磁控制规律有最常规的PID控制、电力系统稳定器PSS以及依据先进的控制理论设计的新型控制规律NPSS，用户可以根据实际情况灵活选择。

6.1 PID控制

比例-积分-微分（PID）控制是依据古典控制理论的频域法进行设计的，该设计方法成熟可靠，并有大量的应用经验，对于改善发电机的电压静态、动态性能，PID控制规律完全可以满足要求。但若要同时改善电力系统的低频振荡、提高电力系统静态、暂态稳定性，则必须依赖于更先进的控制规律。PID控制的传递函数如下：

1?T1S?1?G?S??KP?1??

1?T2S?TSi?比例系数（放大倍数）Kp主要是为了提高控制系统的响应速度，减少静态偏差。T1是微分常数，T2是惯性时间常数，T1与T2构成了不完全微分，微分的作用主要是改善控制系统的动态性能，比如减少超调量、减少振荡次数等。Ti是积分时间常数，积分的作用主要是消除静态误差。

6.2 电力系统稳定器PSS

电力系统稳定器(PSS)是GEC-300励磁控制系统的一个基本功能，能够抑制低频振荡，提高电力系统稳定性。输入变量可以是转速、频率、功率或多个变量的综合。

1A型电力系统稳定器

GEC-300调节器中的电力系统稳定器（PSS）模型采用的是国际标准的IEEE 421.5中的PSS1A模型。PSS1A是单输入的电力系统稳定器，通过发电机的稳态有功功率和瞬时有功功率计算出加速功率，并有此产生一个附加的调节信号对低频振荡产生阻尼。PSS的传递函数框图为：

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针对水电厂调峰的需求，水电机组的有功功率会大幅度地变化，此时PSS会有反调问题，导致调节有功功率时无功功率也随之大幅度地变化。为了解决反调问题，GEC-300调节器可以加入闭锁信号。当运行人员调节有功功率的同时，向GEC-300调节器发出闭锁信号，调节器收到闭锁信号后自动闭锁PSS的输出，当运行人员操作完成后（闭锁信号无效），GEC-300调节器延时恢复PSS的输出。

2A型电力系统稳定器

GEC-300调节器还可提供双输入的PSS模块（IEEE 421.5中的PSS2A模型），PSS2A模型能有效地减少在有功频繁大幅度调整时引起的反调。与前一种方法相比，采用PSS2A模型的计算工作量较大，对调节器的计算性能要求较高，但该方法不必在调整有功功率退出PSS功能，有较大的优越性。GEC-300调节器因为采用了高性能的处理器，完全能满足实时计算PSS2A模型的要求。

PSS2A型稳定器模型是用来表示多种双输入稳定器，通常用功率和转速或频率来导出稳定信号，主要用于水电机组，防止有功功率快速调整时引起的无功反调。

以上模型已经过中国电科院协同国电东北调度中心、国电华北调度中心、国电东北调度中心和各电厂在华能北京热电厂220MW等机组上的现场试验验证。试验中进行了PID和PSS模型的测辨和励磁调节器的性能检查，完成了PSS现场投入试验，并根据测量和试验结果得到综合稳定的程序用于计算的励磁系统模型和参数。研究结果表明，GEC励磁调节器给出的PID和PSS模型是准确的，可用于小扰动稳定计算；励磁调节器空载和负载试验结果表明GEC励磁调节器静态和动态性能满足要求；PSS相位补偿正确，对0.2HZ到2.2HZ的低频振荡均有较好的抑制作用，可以长期投入运行。详细试验报告参见 《元宝山发电厂#1、#2机组励磁系统参数测试及PSS投运试验报告》。

7 限制与保护

为了保证发电机运行在安全稳定区域内，GEC－300励磁控制系统内部设有强励顶值限制、强励反时限、欠励限制、V/F限制、过无功限制、定子过电流限制、PT断线保护等模块。

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7.1 V/F限制

V/F限制目的是防止励磁过多导致发电机电压过高，铁芯磁通密度过大，使发电机发热损坏。通过软件设定使得发电机的实际磁通密度小于用户要求的磁通密度高限。一般用户要求磁通密度小于1.1，即铁芯磁通密度最高限制到110％，以防过热。控制程序不断地对实际磁通密度（M = V/F）与发电机磁通密度限值的差进行积分得到积分值C，并依据积分值C和实际磁通密度M进行报警和限制：

? 当积分值达到设定值C1时，控制器将发出V/F报警信号，并且闭锁增磁，阻止发电

机电压 继续升高；

? 当积分值进一步达到设定值C2时，控制器将发出V/F限制动作信号，自动进行减磁； ? 当实际磁通密度达到磁通密度顶值M2时，不管当前积分值多少，两秒后将发出V/F

限制动

作信号，自动进行减磁；

? V/F限制动作后，当实际磁通密度降到M3时，停止减磁操作； ? 程序设置发电机空载时且频率在45Hz以下和65Hz以上自动灭磁。

V/F限制功能模块涵盖了过压限制功能。V/F限制功能主要在发电机空载时动作，当发电机并网时，只发报警信号，不自动进行减磁。

7.2 欠励限制

欠励限制的目的是防止人为或系统自动减小无功过多，使发电机因励磁过小而失步，或者说是限制发电机进相吸收的无功功率的大小。因为考虑到发电机的稳定性，并综合考虑发电机端部发热及厂用电电压降低的因素，发电机的进相无功功率是有限的。用软件实现下面的限制曲线：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s3bh.html