摘  要： 介紹了一種以研華公司的PAC產品ADAM-5550KW和ADAM-5017S為硬件基礎開發的發電機同期過程觀察系統，闡述了硬件架構、實現方式、應用效果，并且就軟件實現方式進行了較為詳細的解釋和說明，在發電機的電氣參數數據的同步采集、快速傳遞、同期特征觀察等方面進行了研究和實踐。
關鍵詞： 同期; PAC; 發電機; 同步采樣

1 應用背景
　發電機啟動后，經調速系統和勵磁系統的綜合控制，使發電機機端輸出達到額定電壓后，即開始同期并網的準備工作。同期并網的理論條件是：待并發電機與系統電壓相序、相位、大小相同，頻率相等[1]，原因如下：
   (1) 電壓不等并列時，將在發電機和電網間出現無功性質的環流，該環流將對發電機繞組產生作用力。
   (2) 相位不一致：相位差180°時沖擊電流最大，會產生巨大的電動力和引起發電機發熱，若相位差在0~180°之間，沖擊電流中將包含有功成分，此電流將在發電機軸上產生沖擊力矩。
   (3) 頻率不等：電壓差時大時小成了拍振電壓，拍振電流也時大時小，并出現有功分量。該有功分量電流在機軸上產生變換方向的力矩，使發電機振動，頻差大時，由于轉子磁極和電樞磁場間相對速度過大，很難拉入同步。
   (4) 相序不同：發電機永遠不能拉入同步，在并列時還將產生很大的相當于相間短路的環流，強大的電動力可能使發電機遭受嚴重的損壞。一般在發電機安裝過程中，相序都已經認真核查正確。
　實際工作中，由于干擾和采樣精度等客觀條件的影響,這些條件都有一定的閾度范圍, 例如允許頻差為±0.1~±1 Hz，允許壓差0~±20%，一般同期繼電器允許環并合閘角為±20°。目前國內同期裝置的生產廠家都按國家標準進行生產，并允許用戶設定更為理想的同期合閘條件。
　然而發電機投入運行一定時間后，要進行生產維修，完成后重新檢定(一般由各省電力公司下屬電力試驗研究院在現場完成)，合格后再次并網發電。此時，由于同期的繼電器等設備也存在不同程度的老化，同期性能可能已經達不到理想水平，甚至可能逼近或甚至超出給定范圍，發電機被系統強行帶入電網的情況時有發生，這對發電機和電網運行都存在不良影響,所以在發電機組整套啟動并網試驗前需要對同期裝置進行動、靜態調試[2]。
　一般監視以下幾個電氣量：(1)發電機機端電壓；(2)系統電壓；(3)同期裝置（微機）輸出開關量端口(發出合閘指令)； (4)合閘斷路器狀態(實際合閘動作)。一般在合閘指令發出時，通過監視發電機機端電壓和系統電壓的壓差、頻率差和相位差以及實際合閘動作時間(通常在合閘指令發出后30 ms左右)來判斷同期系統的工作狀況。筆者根據需求，經過多種方案的對比選擇，最終選定臺灣研華公司PAC產品ADAM-5550KW和ADAM-5017S開發了多功能電氣參數測試儀，并且完整地實現了發電機同期觀察過程的檢測。
2 應用設備概況
2.1 ADAM-5550KW
　ADAM-5550KW是一款8槽可編程自動化控制器(PAC)，其硬件系統主要包括兩個部分：主機箱和I/O模塊。主機箱包括：一塊CPU卡、一個電源模塊、一塊8 槽無源底板和4個串行通信接口。內置兩塊CPU,上層AMD GeodeTM GX533M CPU負責相當于PC機部分的工作，如HMI軟件、數據庫支持，強大的運算能力等。下層ARM7 CPU負責底層I/O模塊的操作和控制,保證I/O端口的實時、穩定、可靠操作。配置有128 MB DDR SDRAM內存(其中1 MB具有電池備份功能)以及一塊CompactFlash卡[3]。
　ADAM-5550KW采用WinCE5.0操作系統，內嵌ProConOS內核控制引擎。既能通過軟邏輯軟件KW-Multiprog采用PLC的編程語言進行編程，也可以用.NET或eVC來編程，還可以將這兩者結合起來同時使用。支持Modbus/TCP和Modbus RTU協議，方便與不同的第三方Modbus設備交換數據。
2.2 ADAM-5017S
　ADAM-5017S是12路同步高速模擬量輸入模塊，每通道帶1 KB的FIFO(First In First Out類型的輸入緩沖區)；單通道最快3 kHz采樣速率，輸入為±10 V、±5 V等雙極性信號；采用2 個同步采樣A/D 電路，每個電路處理6 路同步采樣信號，2 個電路之間實現同步，這樣就實現了12 路同步采樣。
3 需要采集的電氣量標準
3.1 電壓信號（模擬量）
　為達到監視同期的目標，首先要從發電機和系統連接的PT二次側獲得電壓信號。按國家標準，PT二次側電壓有效值一般為100 V。可進一步使用120/7的電量變送器,將PT二次側電壓轉換到ADAM-5017S的輸入范圍。
　如有必要可同時監測發電機機端和系統的三相電壓，這樣需要用掉ADAM-5017S的6個同步采樣通道。
3.2 微機開出端口和斷路器端口狀態（開關量）
　在同期裝置的微機開關量輸出端口中，可以監測到合閘指令發出動作。在合閘斷路器處，可以監測到實際合閘動作。
　這里有兩個需要注意的地方：(1)動作時間差在毫秒級；(2)根據現場情況的不同，實際合閘動作的開關處可能是無源節點也可能是有源節點。
　由于ADAM 5000系列沒有達到毫秒級的開關量監測模塊，因此在電路中，可將開關狀態轉換為模擬量，即斷開狀態對應5 V，合閘狀態對應0 V，將其送入ADAM-5017S中與電壓量同步采樣，由軟件根據電壓水平判斷動作時間。
　考慮有源和無源節點的差異，準備2路有源節點和2路無源節點，這樣需要用掉ADAM-5017S的4個同步采樣通道。
3.3 其他電氣量
　在其他應用場合，也可能需要同時采集發電機的轉子勵磁電壓和勵磁電流。需要用掉ADAM-5017s的2個同步采樣通道。也可以將3個系統電壓通道換成采集發電機三相電流,可做并網后的功率輸出監測等相關實驗。
4 系統結構設計
4.1 現有設備問題
　由現場PT、CT輸出的電量信號經電量變送器轉化為-10 V～+10 V范圍內的電壓信號送入ADAM-5017S。在KW-Multiprog軟件的編程中，按照設定的采樣頻率用ADAM-5017S對信號采樣后送入FIFO中,每通道FIFO大小為64 KB。按所開發的系統要求，必須將采集的電壓電流波形數據（ms級）送回上位機，以監測和分析同期過程中每個時刻所有電氣參數的瞬時值。
　基本思路如下：
   (1) 假定Multiprog負責5017S數據采樣的Task周期設置為8 ms，以保證兩個相鄰訪問周期中，FIFO中的數據能形成連貫的正弦波形。可以通過程序判斷FIFO中哪些是新到數據，哪些是上個周期已經讀過的數據。
   (2) Modbus/TCP使上位機可以通過Modbus空間訪問到瞬時數據，但由于交互命令的速度無法保證兩次訪問Modbus空間的間隙中不丟失數據(即使得波形不連續)，因此必須通過MultiProg將數據保存下來。但MultiProg能訪問的最大地址空間為64 KB[4]，12個通道按1 kb/s的采樣速率,幾秒鐘后就沒有空間可存放數據。
   (3) 但ADAM-5550KW的WinCE5.0操作系統支持使用Window.Net 環境下的C#等高級語言開發驅動軟件，訪問MultiProg所管理的Modbus空間。因此考慮在WinCE中開發一個中間軟件,將數據從有限的Modbus空間快速復制到5550KW的128 MB內存空間中，然后通過TCP/IP協議送往上位機。
4.2 系統組成原理
   上位機和下位機之間的信號(狀態信號、控制信號)通信由Modbus/TCP協議實現,采集數據的上行通過TCP/IP協議實現。系統組成如圖1所示。

4.3 系統總體設計思路
　按照數據流程，將整個系統劃分為三個功能模塊：(1)下位機數據提取模塊;(2)下位機數據收集與上傳模塊;(3)上位機數據接收與分析處理模塊。
　Modbus空間的作用如圖2所示，下位機數據提取模塊在Multiprog 中編程實現，負責將5017S FIFO中的數據送到Modbus空間；下位機數據收集與上傳模塊在WinCE下編程實現，負責從Modbus空間中收集數據，并在采集結束時(采樣頻率非常高，數據量巨大時)或者在采集過程中(采樣頻率一般，數據量不大時)上傳到上位機；上位機數據接收與分析處理模塊在收到下位機的上傳請求時接收數據并緩存起來以供分析處理。

5 系統功能展現
　本系統設定采樣速率為1 600 Hz，經測試，數據可以穩定地在數據采樣的同時,通過TCP/IP協議上傳到上位機，在上位機實現有效值、相位等信息的即時計算。采樣結束后，圖形可以立即展示出來，無需長時間等待。
　啟動同期觀察過程后，軟件界面顯示如圖3所示。此時系統電壓和發電機電壓的幅值、有效值、頻率和相位(以系統相位為參考)將以0.2 s左右間隔實時更新。

　停止同期觀察過程，顯示結果如圖4所示。界面右端顯示：Us為系統電壓，Ug為發電機機端電壓，Us _Ug為電壓差。從整體圖形上可以觀察到，由于相位差的顯著影響，開始錄波時，壓差很大。隨著調速系統的調整，壓差逐漸減小，從瞬時值的包絡線和壓差有效值曲線都可以觀察到這個過程。
　通過放大和移動功能可以看到，相位差較大時，系統電壓、發電機機端電壓和電壓壓差在每個瞬時的具體值。如圖5所示。

    圖6所示為放大合閘動作發出的瞬間。可以觀察到合閘指令在錄波開始后5 278.9 ms發出，合閘繼電器在5 308.3 ms合閘成功，時間差為30 ms。此時電壓差、頻率差和相位差均符合同期條件。同期系統工作狀態良好。

　使用研華公司的PAC產品ADAM-5550 KW和ADAM-5017S設計的多功能電氣參數測試儀所開發的發電機同期過程觀察已經通過相關電力測試，并且在電場得到應用，運行穩定。
　發電機同期過程觀察只是用ADAM-5550KW和ADAM-5017S開發的多功能電氣參數測試儀的一個子功能。使用該系統還可以完成小電流試驗、勵磁系統升壓、起勵、滅磁和并網等多項發電機檢修后必須進行的電氣參數測量實驗。此外，與變壓器相關的各項電氣參數實驗也可以使用本系統完成。
參考文獻
[1]  王慶玉, 李秀衛. 發電機組同期并列問題研究[J]. 山東電力技術, 2009(3):50-51.
[2]  胡征東, 劉宇, 鐘磊. 發電機同期系統試驗及并網過程分析. 湖南電力, 2008，28(6):13-15.
[3]  Advantech. ADAM-5550KW User’s manual.2008.
[4]  KW-software. KW-Mulitiprog Software User’s manual.2008.