用于同步发电机的励磁系统的快速建模和验证的方法和系统

摘要

一种用于建模同步电力发电机(14)的励磁系统(10)的方法，包括：从多个被电子存储的标准励磁系统模型中选择(40)一标准励磁模型(26)；其中所述选定的标准模型以与励磁系统相类似为基础而被选择；从励磁系统采集(44)数据；使用所述采集数据确定(46)用于所述选定模型的参数设置；通过比较所述模型的输出与所述励磁系统的相应输出来验证(48)具有所述参数设置的选定标准模型；电子存储(50)具有所述参数设置的被验证的选定标准模型，和产生一具有所述参数设置的被验证的选定标准模型的报告(52)。

说明书

技术领域

本发明通常涉及同步发电机的励磁系统。本发明尤其涉及励磁系统的建模。

背景技术

励磁系统用于在同步发电机中产生支配的磁通量。典型地同步发电机具有用于它们的励磁系统的控制器。制造一个用于特定工业发电机的励磁系统的特制的IEEE(电气和电子工程师协会，公司)模型在工业上是通常的做法。

IEEE委员会已经签署多种普通的励磁模型，作为在建模特定励磁系统时所使用的标准模型。这些标准模型的每一个都是具有参数的简化控制方块图，该参数能被修改，以在数学上匹配特定励磁系统对于某些数据输入的响应。每个模型具有确定的参数：变量和常量。可以设置该常量以修改IEEE标准模型，从而模拟特定励磁系统的运行。特制的IEEE励磁模型用于模拟励磁系统对于各种目的的操作。该模型的一个目的是用于电力系统的研究，其中包括对励磁系统和与励磁系统相关的发电机的优化，以提高整个系统的稳定性和可靠性。

为了建模一特定励磁系统，选择适当的IEEE标准模型，并基于所获得的用于励磁系统的预计算数据对其进行初步修改。为了修改IEEE标准模型，工程师使用预计算数据设置选定的IEEE标准模型中的参数值。首先基于已知的励磁器信息来估计参数。在励磁器被设置成与客户端的发电机一起投入工作之前，确定这些估计。通常还使用在直接来自励磁器和发电机的现场所获得的检测数据来进一步修改所述选定的I EEE标准模型(典型地，在远离客户发电机现场的远程位置，例如励磁系统的制造现场)。

当使用由检测现场所获得的数据来修改IEEE标准模型之后，可另外运行现场的发电机的检测以验证已修改的IEEE励磁模型的准确性。典型地，需要专家人员在客户端执行对已修改模型的验证检测。将额外的检测和测量设备带到客户端进行检测并不少见。如果在现场检测期间探测到已修改的IEEE励磁模型和从实际的励磁系统所获得的数据之间存在明显的差异，则所修改的I EEE励磁模型将被更新和重排。可能希望由专家执行多步骤分析以准备最终的IEEE模型。报告通常交给发电机的客户拥有者以证明励磁系统的运行状态。

如果专家人员不能在现场验证已修改的IEEE励磁模型，则典型地由较少经验的人员执行特定的检测并采集有关励磁系统的运行的数据。在远程端的专家可以稍后分析所采集的数据以验证已修改的IEEE模型。如果发现采集数据存在错误，则可能不得不重新进行需要对客户端进行再次访问的检测。

在过去，数据记录、分析和报告系统没有与励磁系统及其配置工具完全集成在一起。产生准确的和被验证的IEEE励磁模型，通常需要选择标准模型、从励磁器采集数据、通过数据来修改模型和验证所定制模型的多重努力。这个多步过程费时、昂贵并且易于出错。始终需要更有效率的系统和方法来选择适当的IEEE标准模型、从励磁系统采集数据、修改选定的标准模型和验证已修改的模型。

在本领域中存在着减少产生励磁系统的精确IEEE模型的时间和花费的需求。该需求包括用于识别励磁系统特性和预测系统性能的更好的手段。也希望减少检测调节器和限幅器功能所需的时间，并且优选不需要专家在现场进行现场检测。进一步的需要是在经过现场检测后能够快速地产生面向客户的报告。

进一步，励磁系统的被确认的和修改的IEEE模型能用于对运行的励磁系统和发电机的设置进行优化。优化过程典型地包括确定对具有大量至励磁系统的可能输入值的模型的输出响应。该优化过程典型地包括施加多种输入值到模型并评估该模型响应的多个周期。长期需要以各种可能的输入的较少周期对励磁系统进行优化的方法。

发明内容

已经开发了一种用于对同步电力发电机的励磁系统进行建模的方法，其包括：从多种被电子存储的标准励磁系统模型中选择一标准IEEE励磁系统模型；其中以与励磁系统相类似为基础来选择所述选定的标准模型；从励磁系统采集数据；使用所述采集数据确定用于所述选定模型的参数设置；通过比较所述模型的输出与所述励磁系统的相应输出来验证所述具有已修改参数的选定标准模型；电子存储所述具有已修改参数的被验证的选定标准模型；并作为技术效果，产生一份具有已修改参数的被验证的选定标准模型的报告。

用于对同步电力发电机的励磁系统进行建模的方法也被具体化，其具有如下步骤：从多种被电子存储的标准励磁系统模型中选择一标准IEEE励磁系统模型；其中以与励磁系统相类似为基础来选择所述选定的标准模型；使用用于励磁系统的预计算数据最初地确定用于选定标准模型的参数设置；在励磁系统运行期间从励磁系统采集数据；使用所述采集数据和现场维护计算机确定用于选定标准模型的替代参数设置；使用所述替代参数设置来填充选定标准模型；通过比较所述模型的输出与所述励磁系统的相应输出，来验证具有所述参数设置的选定标准模型；电子存储具有所述参数设置的被验证的选定标准模型；并作为技术效果，产生一份具有所述参数设置的被验证的选定标准模型的报告。

作为技术效果，用于对励磁系统建模的系统已被发展出来，包括：具有数据采集功能的用于同步电力发电机的励磁控制器；在数据存储器中存储有多个标准励磁系统模型的维护计算机系统和用于修改系统模型的软件工具；存储在维护计算机中，从多个电子存储的标准励磁系统模型中选择出来，并被选来建模励磁系统的基于数学的标准IEEE励磁系统模型；从励磁系统采集的数据，该数据由维护计算机使用以修改选定的标准数学励磁系统；由维护计算机使用采集的数据而确定的用于选定的标准模型的参数设置；被验证的选定标准模型，该标准模型具有存储在维护计算机中的参数设置。

作为技术效果，已经发展了一种用于从发电机系统产生频率响应数据的系统，其包括：施加干扰信号到用于同步发电机的励磁系统的信号输入；从励磁系统内多信号点采集关于信号输出的数据；转换所采集数据，以预计在与用于采集数据的信号点不同的系统中信号输出处的信号响应；通过单一检测产生多个频率响应数据，以减少检测时间及发电机因此常遭受干扰事件的时间；使用用于IEEE模型确认的频率响应测量。

附图说明

附图1是用于控制和维护发电机的励磁器控制系统的网络拓扑示意图。

附图2是示例性标准I EEE励磁器模型的示意图。

附图3是用于动态产生励磁系统的已修改电子模型和显示该模型的示例性过程的流程图。

附图4，5和6是示例性励磁系统和调整励磁系统的方法的示意图。

具体实施方式

已经开发了可以被整合在用于励磁器控制硬件的计算机中和附装的维护计算机中(例如运行微软Windows ^TM的个人电脑)的软件程序。励磁器控制硬件可以是常规的，例如通用电气公司EX2100^TM励磁器，但因为实际原因它本质上对于数据采集目的和调整应是数字化的。对于工业用或民用电力同步发电机的励磁系统来说，EX2100励磁器执行全部的控制功能，例如调节器和限幅器功能。附装的维护计算机执行关于励磁系统的分析和报告功能。EX2100励磁器能在没有附着维护计算机的情况下运行，并在发电机的大量的正常运行期间也如此工作。维护计算机传输配置信息到励磁器控制并接收来自励磁器控制的数据。

图1是一网络拓扑图，该网络拓扑包括励磁器控制10，网络交换机12，如以太网交换机，和其它能访问该励磁器控制的计算机。该励磁器控制10给用于发电机14的转子的励磁器供电。具有用于励磁器的分析、控制和优化的软件30的维护计算机16，例如，个人电脑或膝上型电脑，可以通过网络和其交换机远程访问该励磁器。该维护计算机可用于维护、监视和优化所述励磁器。该维护计算机16通过网络交换机12可以永久地与该励磁器控制10连接，或通过现场服务工程师临时地连接以监视该励磁器。

运行发电机的客户可具有控制和客户的用户界面计算机20，其访问励磁器控制器以监视和接收用户对励磁器的输入。此外，该维护计算机16可以访问客户计算机网络22，例如通过与客户端相关联的计算机网络上的路由器24。也可以通过远程输入/输出设备18访问该励磁器控制10。

例如发电机制造商的代表或第三方服务提供商可以运行该维护计算机16。该维护计算机不需要持续地与客户网络连接。例如，通过与客户网络22连接，维护计算机可以向客户提交关于励磁器与已修改IEEE励磁器模型相比较的性能报告。

该维护计算机16和该励磁器控制器10通过通信链路，例如以太网12，进行本地通信或远程通信。该维护计算机具有该励磁器的特定配置信息，例如增益、时间常数和限制范围，这些是控制该励磁器所需要的。该维护计算机发送指令到该励磁器，以运行由该励磁器内的处理器所执行的检测。

图2以框图的形式示出了示例性的标准IEEE励磁器模型26。IEEE标准模型通过这样的术语，例如ST4B、AC3A和被建议的模型AC7B，而为人所知。对于一类或一种励磁系统来说，用于每个标准模型的图和支持数学函数是通用的，并且典型地，对于任何特定的励磁器制造商来说它们也并不是专用的。IEEE标准模型相对简单，并且试图精确地描述一类或一种励磁器控制。出于实际目的，IEEE标准模型成为一数学模型，该数学模型被编码为模拟励磁系统运行的一系列算法。标准模型可接受某些预定义的参数28，例如KPR，KIR和TA，它们调整标准模型以模拟特定的励磁器控制系统的增益和时间常数。为不同的输入和输出点定义可变的点名称(例如VE和FEX)。

控制器配置软件产品30在维护计算机16上运行，并对来自励磁器控制器10的数据进行传统的分析。所述励磁器控制器接收来自发电机14的数据。用于所述维护计算机的传统软件的例子是通用电气控制系统Toolbox^TM(工具箱)，它被用来配置所述励磁器控制器。

在这里所公开的实施例中，传统的GE Toolbox程序已被修改，以包括用于标准IEEE模型的电子制图和算法，该标准IEEE模型表示了励磁系统的功能，例如调节器、限幅器和保护功能。另外，该被修改的Toolbox程序30包括一模块，其选择适当的IEEE标准模型以模拟特定的励磁系统，并确定该选定的IEEE标准模型的参数值。作为一补充的可能实施例，现有的励磁器控制器软件产品，例如通用电气的EX2100分析工具，其被修改从而包括增强励磁器的频率响应分析的软件程序。所述励磁器控制10的软件程序也被修改，以通过增强的数据采集特征来支持本发明。

用于选择适当的IEEE标准模型以及确定其被修改参数的步骤和算法是众所周知的。可以与先前在远程端所完成的过程相类似的方式来修改IEEE模型。所述维护计算机中的软件模块30允许在现场修改该模型，而不需要专家协助。典型地，为每个IEEE标准模型建立用于确定所述参数的计算。典型地，每个IEEE标准模型包括模拟所述励磁器及其控制器对多种输入信号和条件的电响应的数学算法，用于确定哪个励磁器符合所述模型和用于计算模型的参数的规则，以及励磁器模型的制图。所述IEEE标准模型被包括在存储于维护计算机上的被修改的工具箱程序30中，但是其也可以从中央计算机系统进行访问。所述工具箱程序30具有存储所述模型的存储设备，并且帮助工程师以励磁器数据为基础在选定模型中填充数值参数。

在预计算数据和从励磁器控制10采集而来的当前数据的基础上，维护计算机16使用所述被修改的工具箱程序30计算用于选定的IEEE标准模型的参数。用于选定模型的参数能以当前励磁器和发电机的运行数据为基础而被重新确定。通过使用当前数据和所述被修改的工具箱程序30，被修改的IEEE模型始终是安装在客户端的励磁系统的当前表示。数学规则集合修改选定的IEEE模型，并且可以由经常开发励磁器模型的普通技术人员开发。

附图3是用于选择、确定和使用励磁器控制系统的已修改模型的示例性步骤39的流程图。在步骤40中，从大量的标准模型中选择一标准模型。所述大量的标准模型可以被电子存储在维护计算机的存储器中。通过下载标准模型到维护计算机可以不时地对所述被存储的标准模型进行更新。标准模型的选择可以由具有相关知识的工程师或技术人员手动进行，或被自动选择，例如通过输入励磁器识别信息，维护计算机使用该识别信息去选择符合被识别的励磁器控制的IEEE标准模型。维护计算机可以包括一查找表，该查找表为多个实际的励磁器控制系统中的每一个识别一适当的标准模型。制造商可以例如为它的励磁器控制系统的各种模型准备这样的查找表。

在步骤42中，使用预计算数据来修改所述选定的标准模型，从而建模识别的励磁器。在所述励磁系统在客户端被使用之前，可用所述预计算数据来修改励磁器。所述预计算数据以励磁系统的先前技术为基础。预计算数据可用于那些没有完全地投入运行以及尚没有产生实际的性能数据的新的励磁器系统。

一旦励磁器系统在客户端被投入运行，用预计算数据修改的IEEE模型就可以通过用直接从在客户端的励磁系统中采集的测量数据(步骤44)替换(步骤46)所述预计算数据来被更新。在步骤44中，从励磁系统中采集的数据被存储在维护计算机，该维护计算机使用该数据进行再计算，并因此确定全部或一部分用于IEEE模型的参数值。与发电机一起在现场的所述维护计算机修改IEEE模型，并避免了与该模型的远程配置相关联的延迟。

在步骤48中，通过比较该模型的输出与励磁系统的相应的实际输出，来验证所述被修改的IEEE模型。所述模型可以使用维护计算机被现场验证。如果所述模型的任何一个输出与实际励磁系统的相应输出差别在一个阈值以上，则可以再次使用维护计算机来采集关于励磁器的运行条件的新数据并对参数值进行再计算。通常，这些输出值来自励磁器系统例如场电压和励磁器源电压。这些输出通常与作为输入值使用的励磁器数据截然不同，输入值的例子如用于确定IEEE模型参数值的场电流和发电机端电压。

当所述参数值通过励磁系统的当前检测数据已被再计算时，维护计算机(其与发电机一起在现场)能够立即更新IEEE模型。通过被再计算的参数值，维护计算机可以通过比较所述模型的计算输出值与实际励磁器系统的被测量的输出来自动(或通过工程师的手动协助)验证所述模型。在步骤50中，一旦所述已修改的模型被验证，该模型能够被存储在励磁器控制器中。

在步骤52中，维护计算机能产生包括具有修改参数的模型的制图的报告。这些制图和关于励磁器系统的补充信息可以被打印以及提供给客户。在步骤54中，定期地，维护计算机被用于从运行的励磁器采集当前数据，例如实时数据采集，并再计算用于已修改IEEE模型的参数值。可以将升级后的模型与先前修改的模型进行比较，从而探测励磁器电路的运行状态的趋势。表现出有害的模型多样化可以触发并影响对于系统的进一步评价。

作为对模型构造和模型参数计算的辅助，一种允许在单一检测中分析多种调节控制环的响应的方法已被开发出来。在励磁系统中的一点处执行频率响应检测的传统方法是插入干扰信号并测量系统中的其它点处的输出。传统方法使用一个干扰源信号且只采集两个信号(一个是输入，一个是输出)，以致于仅产生单一调节器的单一的传递函数(如所知的频率响应或波德图)，或仅产生在一特定检测期间整个励磁系统的其它函数。传统方法需要进行测试，在该测试中插入干扰信号，并且在系统中的每个要求的输入和输出位置上采集输出信号。

这里公开了执行频率响应检测的新方法，其允许在两个或更多输出点上同时从励磁器系统采集数据。该方法提供一步法，在该一步法中输入一个干扰信号到励磁器并采集多个信号输出。该多个信号可以为输出/输入对的组合。每个数据对都可用来计算频域内的传递函数。该成对的数据可以是单独的调节器或较大的网络(也就是调节器外加发电机)。在测试期间，调节器不需要起作用或工作。该方法通过缩短发电机经受干扰信号的时间而给客户带来好处。

在干扰检测之后，使用现有的励磁器的知识，并将其与通过检测所获得的知识结合起来。由于许多调节器的传递函数通过设计而为人所知(例如，调节器的传递函数的方块图通过设计而为人所知)，从检测中得到传递函数算术地除以已知设计的传递函数仅产生了未知的设计。干扰检测分析方法体现在软件程序中，该软件程序形成集成的系统分析和建模工具。与发电机和励磁器保持通信的维护计算机上的工具箱30可以运行该软件程序。

该软件程序允许用户在整个系统模型上执行干扰检测，从而预测可能包括发电机特性的系统性能。所述干扰检测能用于产生一组信号传递函数。这些传递函数能用于预测整个励磁器系统响应于多种信号输入的性能。

附图4是励磁器系统的示例方块图。该图特别对励磁器生产商来说是详细的表示。干扰输入，例如输入66，被用于对励磁器的控制器的多个控制函数进行分析。该方法采集有关励磁器在单一检测中对多种输出/输入对的响应的数据。静态励磁器50的数学模型存储在维护计算机中，并以励磁器控制10内的算法为基础。这些来自励磁器控制的算法对于励磁器制造商来说是特殊的。使用现有知识(例如励磁器控制10算法)和从干扰检测中测量而得的响应，就有足够的信息用来制造降价模型，例如IEEE标准模型。比如，附图2中的参数KPR部分地得自附图4中的AVR块56内的细节。

静态励磁器50可以包括低励限幅器(UEL)52、电力系统稳定器(PSS)54、自动电压调节器(AVR)56、场电压调节器(FVR)58、限幅器60、整流器62和场电流调节器(FCR)64。这些部件是静态励磁器系统的典型部件。这些部件的每一个都可以在软件模块中被算术地建模。每个励磁器部件的软件模型被安排在励磁器模型50中，以使它们能模拟特定励磁系统的运行。

干扰信号66被施加于在UEL和AVR之间的AVR求和点。干扰信号可通过伪随机二进制序列(PRBS)而产生。作为足以激励宽频系统——如励磁器——的信号源，扰乱或干扰信号66对于那些具有系统识别方法的普通技术人员而言是熟知的。伪随机二进制序列可作为干扰信号，而其他信号也可以作为干扰信号。PRBS信号源产生例如覆盖范围为0Hz到50Hz的干扰信号。0Hz(直流电)时的分量是0以便不在调节回路中引入偏压。施加干扰信号到励磁器模型50，从而确定所述励磁器的频率响应。

另外，可以施加步进式干扰信号以确定励磁器对阶跃信号的响应。可使用将要施加在励磁器模型上的各个输入点的步进式干扰信号来代替PRBS。

与应用于频率响应分析的单一干扰信号不同，阶跃信号被施加于静态励磁器的各个输入点。对施加了阶跃信号的励磁器而言，为该励磁器的每一个位置执行单独的检测。与之相反，通过使用施加到励磁器模型上的一个点——如AVR求和点——处的干扰信号，来执行单一的检测，从而分析励磁器的频率响应。

干扰信号66施加于AVR的输入。其它总计入AVR输入的信号包括AVR反馈信号68、UEL输出70和PSS输出72。在施加干扰信号期间，反馈信号68、UEL输出70以及PSS输出72都受到影响。当施加干扰信号后，整个系统50被干扰，并且用于AVR反馈、UEL和PSS输出的数据在输出信号线68、70和72上被采集。系统中的其它信号点也可提供当施加干扰信号到AVR输入时采集的输出信号。所述采集信号代表了整个系统对所述干扰信号的响应。通过将覆盖宽频范围的伪噪音干扰信号66施加于AVR输入，并通过从某信号线来采集系统的响应，可以确定系统对宽频范围信号的响应，其中，该信号线典型地用于AVR反馈68、UEL或PSS输出，以及可随意地在励磁器系统内的其它信号点处。

如附图5所示，被采集的输出信号68、70和/或72可由例如抗混叠滤波器74滤波。被采集的信号也可以以预定速率被取样76，该速率慢于来自输出信号68、70或72的数据速率。取样步骤76可用于减少采集并存储78在具有被采集数据列表的数据库中的数据量。

如附图6所示，可分析被存储的数据78以产生对系统50的频率响应。例如，可通过使用傅立叶变换80将所述被存储数据从时域转换到频域，并产生系统的频率响应82，其形式是振幅和相位与频率的对应关系。

通过附图4所示的励磁器系统50的励磁器部件内部的直接连接，或者通过经过发电机本身的连接，途经励磁系统的各个信号路径被相互连接起来。在系统50内的全部或许多信号点处，干扰信号66产生活性。所述系统点可在附图4中以框图形式示出的系统50的部件的大多数或全部的输入和输出处。AVR反馈点68的信号响应，UEL输出70，连同部件52、54、56、58、60、62和64的输出一起，可被存储在所述数据列表中。为了进行如附图6所示的傅立叶分析，数据列表中的任何两个信号可以被配对(一个认定为输入，而另一个认定为输出)。换句话说，可通过使用所述数据列表78上的数据，来分析在任意系统点对任意另一系统点的系统频率响应。通过分析在某些信号输出对选定的信号输入的频率响应，并通过确定为获得希望的信号输出而进行的励磁器控制的适当设置，可以优化励磁器系统。

在这里所公开的充分完整的建模和分析系统为励磁控制、配置、系统激励、数据采集、数据分析、IEEE建模、励磁器系统识别和客户报告系统都提供支持。所述系统有能力在单一检测中执行调节环的完整分析。可以预见，电力生产客户将会赞成提供定期的模型确认和验证的服务。全国电力可靠性委员会(NERC)将来可能要求美国电力生产商进行定期的IEEE模型验证，其形式如下：(i)每一年的书面确认，和(ii)要求每5年详述IEEE模型确认的检测报告。可以预期，通过这里公开的建模和分析系统，电力生产客户将会在验证和确认他们的发电机/励磁器模型上节省相当的费用。

所述建模和分析系统在规划模型验证和确认上提供了灵活性。另外，除维护计算机以外，不需要外部检测设备，因而提供给客户最强的信心，相信模型验证和确认的性能将不会因为疏忽而造成设备跳闸。通过施加一个干扰信号，所述系统有能力在单一检测中对励磁器系统内的调节回路进行完整的分析。可以预期，电力生产客户将会赞成提供定期的模型确定和验证的服务。

虽然本发明以目前认为最实用的和首选的实施例进行了描述，但应该理解本发明并不局限在被公开的实施例中，与之相反，其覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同配置。