南京南瑞继保电气公司苏荣强、施志良等：发电机励磁在线监测系统的研制及应用_电能革新的专栏文章_微信文章

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。

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