同步發電機勵磁系統實測校核數據庫的設計

齊索妮，徐 良

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.國核電力規劃設計研究院，北京 100095）

同步發電機勵磁系統實測校核數據庫的設計

齊索妮1，徐 良2

（1.中國核電工程有限公司，北京 100840；2.國核電力規劃設計研究院，北京 100095）

勵磁系統參數對電網穩定性影響較大，為了滿足對現場實測報告的自動校核需求，現需要一種勵磁系統模型數據庫對大量的勵磁系統參數進行錄入儲存和計算。針對目前勵磁系統參數的重要性，以及勵磁系統更新換代快的現狀，開發出一套具有3種現場實測數據錄入方式的勵磁系統模型數據庫，實現了勵磁系統模型及其參數的錄入、儲存及校核自動輸出，提高了工作效率，能夠為電力系統穩定分析計算提供更完善的數據基礎。

勵磁系統；數據庫

由于勵磁系統參數影響電網的有功無功控制、電壓穩定性、小干擾及大干擾穩定性，電網公司需要建立勵磁系統數據管理庫作為電網運行控制的依據和確定控制水平。隨著廣域測量技術的發展、發電機勵磁系統運行數據實時收集與監測也將是重要工作之一。目前華北電網、南方電

網、江蘇電網等公司都建立了勵磁系統管理庫用于電網運行方式選擇、電網規劃及生產調度。但隨著電力電子技術，微機技術的發展、勵磁系統新技術新模型的出現、有必要對已經過現場實測的機組數據與未經過實測的數據以及數據是否通過校核、是否可用進行分類管理。隨著智能電網的發展、國家電網公司要求對勵磁系統參數進行實測，各省市試驗院所已經廣泛開展勵磁系統建模實測工作，經過現場實測的數據還需要在利用電網數據進行仿真計算的校核，只有經過實測和仿真校核計算后的數據才可以錄入電網仿真軟件使用。但由于試驗院所與電網對關注的側重點不同，同時試驗院所進行試驗采用的儀器軟件沒有與電網仿真計算軟件的直接接口，出具的實測試驗報告通常為紙質版；而電網依照試驗結果進行仿真計算時需要人工錄入相關信息，并且往往不能詳盡包含電網關注的信息。因此通過開展對現有勵磁系統參數數據庫情況調研，建立便于輸入輸出、且適合于勵磁系統數學模型使用的參數數據庫，已經成了一項亟待解決的基礎工作。

2002年，中國電科院首次提出建立可用于系統穩定計算的勵磁系統數據庫，并提出“大機組采用實際模型、小機組采用簡化模型”以及“勵磁系統參數測試與參數優化相結合”的方案。2005年，南方電網公司頒布了關于建立勵磁系統數據管理庫的項目文件，其數據庫主要是基于現場實測數據的錄入管理和BPA仿真用模型參數管理。江蘇電網公司建立的基于WEB的勵磁系統管理數據庫是在對大機組勵磁系統進行現場測試、自定義建模和參數辨識所得各種模型的基礎上，形成的江蘇電網大容量發電機組勵磁系統在PSASP下的勵磁系統自定義和標準模型庫以及PSS/E 軟件下的勵磁系統標準模型庫，采用網絡和數據庫技術建立相應模型參數的網絡數據庫。隨著勵磁系統的更新換代，已出現了越來越多的新模型，現有的數據庫大部分采用典型的或早期未經現場實測的模型和參數，已不符合我國現代勵磁系統的實情，同時，試驗院所的實測報告進行校核時缺少對試驗過程信息的記錄，難以追溯。因此，本文在對勵磁系統模型參數數據庫研究的基礎上，結合實際電網的需求和電力試驗研究院提供的現場勵磁系統實測試驗數據，研究出一套具有3種現場實測數據錄入方式的勵磁系統模型數據庫，實現了對現場實測報告過程數信息的錄入和存儲，對校核過程信息的保存以及校核結果的自動輸出。

1 勵磁系統現場實測試驗及自動校核

《同步發電機勵磁系統建模導則》對勵磁系統建模現場試驗的試驗方法、試驗過程以及試驗結果等做了相關規定。實測建模測量方法主要有頻域法和時域法，頻域法主要通過輸入不同頻率的正弦信號或噪聲信號，測量輸出對輸入的頻率特性是否符合相關的控制要求，并通過頻域計算得到測量環節的控制參數；時域法主要采用輸入擾動信號，一般為階躍信號，測量其輸出響應，查看輸出是否符合時域響應的要求[1-2]。

勵磁系統實測建模的自動校核是將勵磁系統實測建模報告中的各種數據信息錄入自動校核軟件后，軟件能根據錄入的勵磁系統模型信息自動關聯模型庫，按照各試驗項目進行仿真計算，并將仿真結果與實測信息進行對比，關聯相關校核判據得到校核。校核完畢后自動進行參數計算并形成校核報告，報告中包含試驗過程數據以及電力系統穩定計算軟件（PASAP）中可用的模型和參數信息。自動校核流程圖如圖1所示[3-4]。

因此建立勵磁系統校核數據庫時，需對數據進行合理分類，找出不同數據之間的邏輯關聯關系。針對勵磁系統建模的自動校核建立同步發電機勵磁系統建模校核數據庫時，數據庫的總體設計應與自動校核流程相結合。校核數據庫是軟件集中處理數據的平臺，軟件的圖形界面功能和數據的存儲、查詢等功能都是基于校核數據庫來實現的。為幫助實現校核過程的自動化，按校核流程將數據庫分為基礎數據、校核數據兩部分。

2 基礎數據信息

本文開發的勵磁系統校核數據庫，其建立基于Windows Office Access數據管理系統平臺的勵磁系統數據管理庫系統，能夠存取Microsoft SQL Server中的數據并支持簡單的WEB應用程序，可較好的滿足勵磁系統參數校核數據信息管理的需

求。數據庫設計是對數據進行組織化和結構化的過程，建立華中電網勵磁系統及PSS模型庫與數據庫的核心問題是關系模型的設計。關系模型是數學化的、用二維表格數據描述各實體之間的聯系的模型。

圖1 自動校核流程圖Fig.1 Flow chart of automatic verification

由于自并勵勵磁系統是目前電網中大機組常用的勵磁方式，具有典型性，文中以自并勵系統為例，探討了自并勵系統自動校核數據庫的建立與實現。

2.1 基礎數據庫建立

基礎數據信息主要來源于現場實測報告信息及勵磁系統生產廠家所提供的信息。基礎信息即校核前的信息處理庫，主要內容包括：現場實測波形的錄入和存儲以及現場操作過程數據、現場實測勵磁系統模型和參數信息、發電機組參數信息、現場試驗項目等。

基礎數據庫中信息分為兩部分：基礎信息和參數數據。基礎信息包括每臺發電機組和它的勵磁系統基本信息。發電機及其勵磁系統基本信息包括校核序列號，所在電廠，調度關系，廠內編號，電廠聯系方式，測試單位，型號，容量，基準容量，生產廠家，額定功率，額定轉速，額定電壓，額定電流，功率因數，額定勵磁電壓，額定勵磁電流，勵磁類型，勵磁方式，PSS型號、備注信息等。該信息庫還可以根據要求進行擴充。對每臺發電機的校核序列號是不同的，因此可以利用校核序列號來形成一張總表。為體現模型與參數的聯系，發電機模型與參數的關系通過發電機的校核序列號進行關聯。參數庫包含發電機參數、勵磁系統以及PSS參數，所有的發電機都包含的共有參數可以形成發電機參數表。不同的參數數據組之間用唯一的數據組編號來確認。可以利用基礎數據庫生成數據管理信息表、發電機參數表、勵磁系統參數表等。

勵磁系統模型參數包括現場測試所使用的模型參數以及試驗院所根據現場測試模型經過參數辨識轉換為PSASP軟件可以調用的模型。現場測試模型參數是指試驗院所提供的通過現場測試方法得到的模型參數。不同的勵磁系統對應不同的勵磁系統參數表，對同一勵磁系統的不同參數數據用參數組號加以區分。如現場實測的模型與轉換到PSASP電力系統仿真計算軟件中的模型分別對應不同的參數表。

基礎信息錄入與信息完整性的校核判據相結合，用戶在進行數據錄入的時候即可進行信息完整性校核，以便及時要求試驗院所或廠家補充遺

漏參數。

自并勵勵磁系統參數包括勵磁變壓器參數、功率整流柜參數、勵磁調節器參數。但即使是同一種勵磁模型，其參數設置也可能不同，因此有必要為同一模型下的不同參數建立參數表。自并勵勵磁系統參數表見表1。

表1 自并勵勵磁系統參數表Table 1 Parameters of self and shunt excitation system

2.2 基礎數據及校核數據

由于現場實測建模報告一般都是紙質報告，報告中包含多種曲線，如發電機空載特性曲線、空載階躍試驗曲線、發電機大干擾實驗曲線等、這些曲線往往表征著勵磁系統的性能是否良好，對勵磁系統的建模校核很大程度上依賴于對這類曲線的識別與判斷。但電網最終關注的只是參數的準確度和可用性，對相關的實測特性缺少相關的記錄和保存。因此針對紙質報告與現場使用的錄波儀器實際情況開發了3種數據錄入方式：手工錄入、紙質試驗信息掃描錄入及錄波儀格式錄入。

其中，錄波儀格式數據直接導入目前僅適用于WFLC_VI便攜式電量記錄分析儀導出的CSV電子表格文件，試驗曲線掃描錄入軟件后，由于曲線數位辨識的分辨率較低導致小范圍波動數據很難分辨出來，因此有一定的誤差，但對試驗效果的校核影響不大。

3 勵磁系統校核信息

校核數據包含測試報告試驗信息，仿真計算信息與校核過程的信息，同時還需要有日志記錄的功能，記錄校核過程和數據更新等方面的信息，同時將發電機的校核序列號作為日志記錄的一個屬性，用以跟蹤每一臺勵磁設備校核項目的變動情況。

校核判據對現場試驗數據從各個方面提出了評價要求，因此需根據評價標準從試驗曲線上提取相關評價用特征量，包括以下幾個方面[5，7]：

1）現場試驗轉子時間常數讀取。發電機空載轉子繞組相當于一階環節，現場測試方法得到的是該一階環節的時間響應。零狀態階躍響應時域表示為：穩態值，其中為時間常數。實測時，當時，輸出為穩態值，即到達0.632穩態值所用的時間為時間常數。從實測曲線信息上讀取達到0.632穩態值時所需要的時間即為轉子時間常數。

2）勵磁系統靜態放大倍數調節器的比例放大倍數計算公式為：

對試驗單位提供的勵磁調節器比例放大倍數測量試驗數據生成曲線后并根據實驗數據計算放大倍數PK。

3）發電機空載大擾動試驗曲線，編寫計算程序從曲線上提取最大、最小勵磁電壓，maxα、 αmin的計算式為：

式中：UmaxfD、UminfD分別為試驗中最大、最小發電機勵磁電壓；ETU為試驗時勵磁變壓器二次側線

電壓。

4）對發電機空載5%階躍試驗曲線而言，對現場響應曲線采樣后的數據進行分析，求取如下5個特征量：上升時間（曲線第一次上升到穩定值的時間）、峰值時間（達到峰值對應時間）、調節時間（進入穩定值上下+/-2%(5%)區域所花時間）、超調百分比、震蕩次數（調節時間內圍繞穩態值的振蕩次數）。

5）對發電機實測空載曲線需要進行氣隙線擬合，以便得到實際仿真計算需要的參數，計算方法將在后面提到，軟件中的氣隙線擬合結果如圖2所示。

圖2 發電機空載曲線氣隙線擬合圖Fig.2 Power generator no-load curve and air-gap line fitting diagram

為實現在線及離線自動校核，在校核過程中產生的數據也必須進行存儲和管理，即在進行各個環節校核時，將當時試驗狀況、試驗曲線等信息進行界面顯示，試驗數據信息及校核產生的數據信息也可導出形成EXCEL報表格式。校核完畢后軟件會對校核完畢的數據形成WORD及WPS格式的報表存儲。

4 結論

文章通過對勵磁系統現場實測報告內容和電網仿真校核實際情況調研，為滿足對現場實測報告的自動校核，研究了3種現場實測數據錄入方式，滿足不同用戶（勵磁生產廠家、試驗院所、網省公司）的建模校核需求，比照自動校核流程及自動校核判據的要求，建立了勵磁系統自動校核數據庫。校核后能夠根據校核結果給出結論，并形成一個包含機組信息、調度關系、測試時間、測試單位等信息的數據管理庫。在校核完畢后可以自動生成WORD或WPS格式的校核報告，便于工作人員查看。同時這些報告與校核結果也可以自動保存到文件夾中，易于管理查看。但由于試驗院所實測所用的模型一般為廠家提供，廠家模型較多樣化，轉換成電網仿真計算軟件中的自帶模型時需要對模型和參數進行轉換，使其轉換成電網計算能用的模型和參數，因此勵磁系統模型和參數的自動轉換的研究是后續需要繼續開展工作。

[1] 劉取．電力系統穩定性及發電機勵磁控制[M]．北京：中國電力出版社，2007．（LIU Qu. Stability of Electric Power System and Control of Generator Excitation[M]. Beijing: China Electric Power Press, 2007.）

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[6] GB/T 7409.3-1997，大中型同步發電機勵磁系統技術要求[S]. （GB/T 7409.3-1997, Technical Specifications for the Excitation System of Large- and Medium-scale Synchronous Generator [S].）

[7] DL/T 843-2003，大型汽輪發電機交流勵磁機勵磁系統技術文件[S].（DL/T 843-2003, Technical Documents for the Excitation System of the AC Exciter of Large Turbo-generator[S].）

Design of Field Measurement and Verif cation Database for the Excitation System of Synchronous Generator

QI Suo-ni1，XU Liang2
（1.China Nuclear Power Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100840，China；2.State Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute，Beijing 100095，China）

Parameters of the excitation system have a significant impact on the stability of power grid. The automatic verification of field measurement report is now need an excitation system model database for excitation system’s parameter input storage and computing. Regarding the importance of the excitation system parameters and the rapid upgrading and replacement of the excitation systems, an excitation system model database with three field data input methods is developed, which can achieve the input, storage, verification and automatic output of parameters of the excitation system model. Using this database can improve the heavy workload of excitation verification, provide a realistic database for the stability analysis and calculation of power system.

excitation system；database

TM623 Article character：A Article ID：1674-1617(2014)01-0081-05

TM623

A

1674-1617(2014)01-0081-05

2013-12-11

齊索妮（1985—），女，湖北隨州人，工程師，碩士，從事核電廠電氣設計工作。