南瑞继保研究者发表发电机励磁在线监测系统的研制及应用成果
以分布式新能源为主的主动支撑技术还处于发展阶段，常规发电机的惯量支撑能力仍在发挥重要作用，励磁系统作为其控制核心，直接影响着供电可靠性。南京南瑞继保电气有限公司的苏荣强、施志良、张高峰、陈峰、张海天，在2024年第11期《电气技术》上撰文，针对电厂端缺乏监测发电机励磁特性有效措施的现状，研制了发电机励磁在线监测系统。
首先，介绍励磁在线监测系统的硬件和软件架构，根据四种主流的通信规约设计励磁监测模型。其次，提出适应多种通信规约的分布式前置采集架构，构建采集通道负载均衡数学模型，实现了励磁信号的分布式采集和集中监视。最后，研发励磁量测动态监视、发电机运行状态预警等功能。所研制的监测系统已在某660MW机组得到成功应用。
“双碳”目标下，我国电力系统的发展呈现出新的趋势，新能源并网规模及电力电子装备在电力系统中的占比进一步提升。当前，以风、光为主的电网友好型新能源主动支撑技术还处于发展阶段，常规发电机的惯量支撑能力对系统频率、电压调节仍然发挥着重要的作用。励磁系统作为常规发电机的控制核心，直接影响着供电可靠性。大容量、高参数机组在实际生产运行中的普遍应用，对励磁系统的运行、维护、故障处理提出了更高的要求。
当前，励磁系统主要聚焦于基本的状态监测和安全保护功能，如果励磁系统发生故障后不能被及时发现并处理，就极有可能引发严重的电力事故，因此对励磁系统进行在线监测、预警和故障诊断显得尤为关键。近年来，除了电气量外，发电机碳刷温度、大轴振动信号等辅助参量也应用于励磁系统的故障诊断中。
然而，这些诊断系统各自独立，无法实现数据的互联互通和共享。如果将上述诊断系统融合到励磁系统中进行故障预警，需要对现有励磁系统的接口和功能进行必要的改造，新增的分析功能对硬件资源要求较高，这种改造可能对励磁系统最为核心的安全保护功能产生潜在影响。
综合以上考虑，本文基于一体化管控的理念，构建一套励磁系统监测数据平台基座。该平台深度融合励磁、热工分散控制系统（distributed control system, DCS）、碳刷测温、发电机保护等站内各相关子系统的关键数据，实现智能数据分析和辅助决策，及早发现和处理励磁系统的运行隐患及故障缺陷，确保电厂安全稳定运行。
本文针对某660MW火力发电机组展开研究，基于统一应用支撑平台，研制励磁在线监测系统，深入分析励磁、发变组、碳刷测温、DCS等多个装置或系统的通信规约和数据模型，设计统一的前置通信模型和励磁监测测点模型，提出适应多种通信规约的分布式前置数据采集架构，构建采集通道在前置节点上分配的负载均衡数学模型，通信规约以插件方式嵌入数据采集工厂流水线，实现通信规约的即插即用和高可扩展性。
接入电气、热工等分散的各子系统的关键数据，实现数据的互联共享和全面监控，根据工程应用需求，研发励磁量测实时动态监视、涉网参数及波形管理、发电机运行状态预警、基于有功和电力系统稳定器（power system stabilizer, PSS）输出的励磁调节校验等实用功能，从而保障机组和电网的安全稳定运行、提升新能源消纳能力。
1 励磁监测系统架构
励磁监测系统包括硬件和软件两部分，硬件包括服务器、工作站、交换机及各采集装置（或系统），软件由基础平台、应用分析及可视化展示等模块组成。励磁监测系统架构如图1所示，系统的主要性能指标见表1。
图1 励磁监测系统架构
表1 系统性能指标
2 通信方式比较
本节对需要接入的励磁监测装置、发变组保护装置、碳刷测温装置、DCS的主流通信规约进行分析比较，四种通信规约的对比见表2。从表2可见，励磁监测系统使用四种通信规约与各装置或系统交换数据，每种通信规约在使用场景和通信方式上有所不同，但是在数据类型上，四种通信规约共有和特有的元素可以提取出来统一考虑。
表2 四种通信规约对比
3 励磁监测实时数据库设计
实时数据库采用面向对象的数据模型，支持类之间的继承、聚集等特性。IEC 61970公共信息模型（common information model, CIM）规范定义了电网的一次设备及其拓扑关系，但没有定义励磁监测的信息模型，本文根据通信规约提取出公共的励磁信息模型设计实时数据库模式。实时数据库模式分为前置数据库和励磁监测数据库两部分，前者用于建立通信模型，后者用于建立励磁量测模型。
前置数据库模式设计如图2所示，设计了通道组、通道、规约、数据集中器、采集单元、测点类型的层次结构，其中一个通道组可以包含多个通道。励磁监测数据库模式设计如图3所示，设计了厂站、电压等级、间隔、导电设备、测点类型的层次结构，满足接入数据的要求。
图2 前置数据库模式设计
图3 励磁监测数据库模式设计
4 功能设计
4.1 多源数据统一采集
励磁监测系统为了实现故障诊断等分析功能，需要将不同来源、不同通信协议、不同采集频率的大量数据统一集成加以综合分析，主要难点有：
①采集通道的设计要考虑通信协议的插件化，通道之间要互相解耦，某个通道异常不能对其他通道产生影响；
②通道在前置节点上的负载均衡，除了静态配置的负载均衡外，还要考虑实际运行过程中各前置节点CPU、内存、磁盘等硬件资源的情况，做到动态负载均衡，比如某个前置节点本身硬件资源配置较低，那么运行中分配到该前置节点上的通道应相对少一些；
③故障节点快速隔离和恢复，某个前置节点故障后，其上运行的采集通道应尽可能快地分摊到其他前置节点，等该节点恢复正常后，重新接管通道。
为此，本文提出多源数据前置统一采集架构，如图4所示，由3部分组成：第一部分是通道实例工作机制，包括通信链路管理、规约插件车间流水线工作方式；第二部分是通道集群管理，主要包括通道动态负载均衡和故障快速隔离与恢复；第三部分是前后台数据服务，包括数据同步及订阅与发布。
图4 多源数据前置统一采集架构
通道实例采用工厂车间流水线方式实现链路通信和数据包解析，数据流可以从底层链路层到最上层应用层串行包装成一个车间流水线，流水线生产出来的“成品”（如模拟量、状态量、定值、波形文件等）最后传输到后台应用，数据流也可以起始于后台应用，经应用层插件到链路层插件最后组装成二进制报文传输到下层的装置或者系统（如后台下发给各装置的控制和设参等指令），各规约插件可以按照需求自由组合，通道实例之间通过进程或线程方式加以隔离，互不影响。
通道集群管理本质上是在满足一系列约束条件的前提下，采集通道在前置节点的最优分配问题，通道和节点的关系见表3，某一时刻，通道只能分配到1个节点上运行。为此，本文构建通道在前置节点上最优分配的数学模型。
表3 通道和节点关系
图5 通道优先级计算流程
3）建立约束条件
式（1）～式（5）
上述带有约束的通道在前置节点的最优分配数学模型式（1）～式（5）是整数线性规划问题，可以通过求解器实现快速求解，适合在工程领域应用。
最后一部分前后台数据服务，是前置和后台应用之间约定的一种共享数据存取机制。数据处理服务采用值班、备用冗余设计，值班节点上的数据处理服务负责把从前置接收到的数据存储至励磁监测实时库和时间序列数据库中，值班节点故障后，备用节点自动转为值班。
对于上行数据（如模拟量、状态量），前后台数据服务负责把前置采集的数据同步到后台应用所在的值班、备用节点上，应用进程所在节点都能获取到相同的数据。对于下行命令（如控制、设参），前后台服务负责把后台应用下发的指令同步到前置节点，前置集群管理程序收到命令后分发给对应的通道，通过这样的设计，前置应用和后台应用可以部署在同一节点，也可分开部署，灵活性大幅提高。
4.2 励磁监测应用设计
针对工程现场对励磁数据各种维度的监视需求，本文对励磁量测实时数据动态监视、涉网参数及波形管理、发电机运行状态预警、基于有功和PSS输出的励磁调节校验等功能进行相应的设计。
1）励磁量测实时数据动态监视。基于前置采集到的量测数据进行多源数据融合利用，在人机界面实时监视励磁电压、励磁电流等重要电气量，以及并网开关位置、灭磁开关位置等重要状态量数据变化。基于励磁监测实时库和时序库存储的数据，可查询测点的历史曲线数据，反映励磁量测数据的动态变化过程。
2）涉网参数及波形管理。监测系统向励磁采集装置召唤涉网参数定值，将收到的数据解析后存入实时库进行人机界面展示。当励磁、调速发生故障，或系统发生扰动时，励磁采集装置自动上送录波信息，监测系统也可以主动召唤录波数据并进行展示。
3）发电机运行状态预警。在直角坐标系下，复阻抗以R+jX形式表示，其中R为电阻（实部），jX为电抗（虚部），绘制失磁阻抗轨迹圆和低励限制曲线，根据采集到的有功、无功、机端电压等参数实时计算并在同一坐标轴下展示当前发电机运行工况下的阻抗值，通过当前阻抗值与阻抗圆、低励限制曲线的相对位置发出相应告警，保护和励磁专业相关人员可以根据实时状态和告警状态快速判断发电机当前的运行状态。
4）基于有功和PSS输出的励磁调节校验。在发电机励磁调节过程中，实时收集有功功率和PSS输出量，计算二者之间的相关性，如果呈现负相关特性，说明PSS发挥了正确的作用，如果呈现非负相关特性，说明PSS可能没有发挥正向作用，系统发出相应告警，提醒运维人员对调节过程进行检查，找出问题所在并进行修正。
5 系统应用验证
1）实时数字仿真实验
搭建励磁监测系统实时数字仿真（real time digital simulation, RTDS）测试环境，励磁监测系统部署在3台曙光服务器上，CPU 32核，主频2.1GHz，内存64GB，硬盘500GB，凝思操作系统V6.0.80。采集装置由1台PCS—9415A励磁集中器、1台PCS—9415B励磁采集单元、1台PCS—985发变组保护装置、1台碳刷测温装置构成，RTDS环境基于某集团某660MW火力发电机组实际运行参数搭建而成。
测试项目包括通信协议适配性、多源励磁数据采集准确性、励磁量测数据监视及发电机运行状态预警等功能项目，经测试，所有测试项目均满足运行要求。
为了测试通道负载均衡功能，在3台曙光服务器上接入120个虚拟采集终端，模拟前置单节点故障及故障恢复后各节点上通道运行的情况，测试结果见表4。
表4 测试场景下各前置节点通道统计
从表4可见，初始状态下，每个前置节点各接管40个通道；节点2故障后，节点1和节点3分别多承担了来自节点2的20个通道，成功隔离了故障节点2；待节点2故障恢复后，节点2重新接管40个通道，整个过程都满足负载均衡的要求。
2）工程应用
系统已在某集团660MW火力发电机组上应用，发电机铭牌参数见表5，系统接入励磁、碳刷测温、发电机保护、DCS等子系统的数据，在3个月的运行中，数据采集、存储、分析正常，运行稳定可靠，较好地满足了运维人员对励磁信号集中监视的要求。
表5 发电机铭牌参数
该电厂自投运本系统以来，监测到多起励磁扰动告警，尤其是在进行励磁进相试验时，捕捉到多次低励限制动作告警，举例说明如下。
图6 励磁正常运行状态
图7 励磁进相运行状态
该励磁监测系统的投运解决了电厂对励磁信号缺乏有效监测手段的问题，实现了对励磁量测信号的采集、监视和分析，有助于对励磁数据进行智能分析和辅助决策，及早发现和处理励磁系统存在的安全隐患和故障，确保电厂安全稳定运行。
6 结论
本文基于统一应用支撑平台，研制了大型发电机励磁在线监测系统，提出了励磁监测软硬件架构，针对采集数据来源不同、通信规约不同、采集频度不同的特点，提出了适应多种通信规约的分布式前置数据采集架构，构建了采集通道在前置节点上分配的负载均衡数学模型。根据工程应用需求，研发了励磁量测实时动态监视、发电机运行状态预警、基于有功和PSS输出的励磁调节校验等功能模块，为保障机组和电网安全稳定运行、提升新能源消纳能力提供支撑。
本文工作的研究重点在于励磁信号的采集监视技术，后续还需结合现场运行历史数据，开展基于专家经验和机器学习的励磁系统故障预警诊断研究和工程化应用。
本工作成果发表在2024年第11期《电气技术》，论文标题为“ 发电机励磁在线监测系统的研制及应用 ”，作者为苏荣强、施志良、张高峰、陈峰、张海天。
国电南瑞签下世界单机容量最大水电站“励磁系统”项目
21世纪经济报道记者13日从国电南瑞（600406.SH）获悉，该公司近日成功签约三峡白鹤滩水电站左、右岸全部16台1000MW水轮发电机组的励磁系统项目大单。这是该公司继三峡右岸电站、三峡地下电站、三峡溪洛渡电站、三峡左岸电站励磁改造项目后，又一重大项目。
国电南瑞相关负责人表示，“此次中标白鹤滩水电站励磁系统，意义重大，有力推动了百万千瓦级水轮发电机组励磁系统的全面国产化。”
据介绍，白鹤滩水电站是当今世界在建的综合技术难度最大的水电工程，其在建装机容量、抗震参数、地下洞室群规模等均居全球第一。特别是该电站首次全部采用了国产百万千瓦级水轮发电机组，这是我国重大水电装备又一次历史性飞跃。
白鹤滩水电站共装设16台（左、右岸各8台）世界单机容量最大的1000MW水轮发电机组，总装机容量为16000MW，将全部采用由国电南瑞自主生产的1000MW水轮发电机组励磁系统。在此之前水电领域投入运行的单机最大电站为三峡向家坝水电站，其单机容量为800MW。
“1000MW水电发电机励磁系统将打破之前的记录，其技术难度堪称励磁领域皇冠上的明珠。”国电南瑞相关负责人表示，与之配套的励磁系统与此前其他巨型水电、火电机组励磁系统相比，南瑞在主辅环协调控制、大容量灭磁设计及电力系统稳定支撑等方面开展了深入研究，为进一步保障发电机组及电网安全稳定运行提供强有力的支撑。
据了解，国电南瑞目前是全球唯一生产和制造过1000MW等级水轮发电机组励磁系统的设备厂商。白鹤滩水电站投入运行后，国电南瑞也将成为全球唯一同时具备1000MW火电机组、1000MW核电机组、1000MW水轮发电机组励磁系统制造能力的企业。
今年一季度，国电南瑞实现营业收入38.44 亿元，同比增 19.86%；实现归属上市公司股东净利润9430万元，同比增 38.74%。
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