GEC-300励磁控制系统
技术说明书
清华大学电机工程系 北京吉思电气有限公司
2004年10月
目 录
第一部分 系统概述 ------------------------------- 3
1 概述(3) 2 核心技术(5)
2.1 分层的多处理器体系结构(5) 2.2 SoC系统级芯片技术(6)
2.3 IPU智能功率单元与反馈均流技术(7) 2.4 TFA高精度高速度交流采样技术(8) 2.5 网络发布与远程维护技术(9) 3 高可靠性设计原则(10) 4 用户价值(10) 5 主要技术指标(12) 6 适用范围与使用环境(13)
第二部分 软件功能 ------------------------------- 15
1 功能规范(15)
2 软件的可靠性设计(16)
2.1 结构化软件设计的重要性(17) 2.2 结构化编程原则(18) 2.3 软件测试(19) 3 励磁控制(20) 4 软件流程(22) 5 ADC采样技术(24) 6 控制规律(25)
6.1 PID控制(25)
6.2 电力系统稳定器PSS(26) 7 与保护(26)
7.1 V/F(26)
7.2 低励(28)
7.3 瞬时/延时过励磁电流(28) 7.4 PT断线(30) 8、切换逻辑(30)
8.1 主从切换(30) 8.2 自动/手动切换(31) 9 智能反馈均流(31)
第三部分 硬件配置 ------------------------------- 33
1 基本配置(33) 2 调节器柜(34)
2.1 扩展通讯单元ECU(34) 2.2 自动电压调节单元AVR(35) 2.3 AVR与外部接口(36) 3 智能功率柜IPU(39)
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。该系统集成了分层的多处理器体系结构、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，仍旧沿用了模拟式变送器，后端脉冲输出仍旧沿用模拟电路；
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，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：基本单元的高集成与简单化和分散、分层的系统结构。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。
本说明书将对GEC-300 励磁控制系统的技术特点、软硬件配置、基本工作原理等方面作介绍，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 EX3000 励磁监控软件说明书 GEC-300 励磁控制系统原理图、配线图 GEC-300 励磁控制系统调试大纲
2 核心技术
GEC-300 励磁控制系统采用了五大核心技术：分层的多处理器体系结构、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 Regular
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）。
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即将以往的微处理器系统板CPU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、调试到直接选择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
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励磁控制系统的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，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，然后下传回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、温升状态进行调节
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的精度的提高。TFA方法有效地防止了采样时刻的颤动，提高时间分辨率，并且利用SoC超高速A/D进行密集采样，提高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％
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的要求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，也是GEC-300励
磁控制系统研发所贯穿始终的设计宗旨。并且除了在研发阶段执行的规范、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 2×AVR故障
→ IPU切换为恒励磁电流运行
→ IPU切换为恒励磁电流运行
→ 通讯、网络功能失效，AVR切换到另一套
CAN＋AVR故障 ECU＋AVR故障
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。 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）的交流采用算法，时控制精度从以往的0.2%提高到0.02%。 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，只需要把功能框拖拽到桌 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。
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
SoC（内含32bitDSP）
Flash＋18KWRAM
AVR：150MIPS
存储器：128KW
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
《同步电机励磁系统》GB/T7409—1997
励磁调节器主要性能参数一览表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 技术指标 调压范围 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 V/F特性 励磁系统响应时间 5%空载阶跃响应 100%零起升压 功率消耗 单位 % % % 倍 倍 %/秒 % %/Hz 保 证 值 自动：10%~120% 手动：5%~130% ≤空载额定电压的0.1% ±30%，级差0.1％ ≥500倍 ≥40倍 0.3%~1%额定空载电压/秒（默认0.5%） ≤0.05%额定空载电压 不大于±0.25%额定空载电压/1Hz 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 小于300W 9 10 11 12
W 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 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℃）
户内 ≤ 海拔2000米 ≯7度（按8度设防，水平加速度0.2g） -15℃— +45℃ ≯25℃ ≯ 90%
