CN1494658A

CN1494658A - 检测和计算接地故障电阻的设备和方法

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Publication number: CN1494658A
Application number: CNA018218202A
Authority: CN
Inventors: R・A・劳森; R·A·劳森; 佩尔森; W·R·佩尔森; 桑德尔森; H·C·桑德尔森; 萨勒; M·K·萨勒; 小弗雷曼; G·辛哈; 格里特森; I·E·小弗雷曼; B·A·格里特森
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2000-11-08
Filing date: 2001-11-08
Publication date: 2004-05-05
Also published as: EP1356308A4; US6794879B2; AU2002226885A1; US20020140433A1; JP2004525344A; WO2002039642A2; RU2263925C2; CA2436800A1; EP1356308A2; BR0115197A; WO2002039642A3; KR20040029306A

Abstract

本发明的励磁接地故障检测器(100、200、500)检测出现在励磁电路中以及任何电连接到励磁回路的相关电路中的接地故障。励磁接地故障检测器识别接地电阻，以便能对其进行监测，从而检测接地电阻的逐渐退化。检测器估算接地故障的电阻以及接地故障的位置。检测器能够在系统工作期间以及在非工作期间估算接地故障的位置。本发明利用低频方波振荡器(104)，以便在未施加励磁电压时允许测量接地故障，确保在激励磁场时不存在任何盲点，提供估算接地故障电阻的方法。励磁接地检测器能够区分出现在AC侧的接地故障与晶闸管桥的DC侧上的接地故障。

Description

检测和计算接地故障电阻的设备和方法

[0001]本专利文件的公开的一部分包含受版权保护的资料。所有者不反对任何人传真复制本专利文件或专利公开，因为它出现在专利商标局专利文件或记录中，但在其它方面无论如何仍保留所有版权。相关申请的交叉引用

[0002]本申请要求2000年11月8日提交的美国临时申请No.60/246806的权益，现通过引用将其完整地结合于此。

发明背景

[0003]本发明一般涉及检测和计算接地故障电阻的设备和方法。在更具体的实施例中，本发明涉及用于计算接地故障电阻、包括估算接地故障位置的设备和方法。

[0004]将发电机的励磁回路与地隔离是工业中普遍采用的。为这些应用提供的励磁系统也与地隔离并且通常包括励磁接地检测器，用以检测是否存在接地以及产生告警或使发电机跳闸。实际上，在大多数励磁机应用中，励磁接地检测器已经成为标准。在励磁回路或相关励磁设备中存在一处接地不会造成问题，但存在第二处接地就会导致大电流通过，这可能对设备造成损害。与本发明有关的应用的实例是发电机应用中的励磁系统和调节器系统。

[0005]在历史上，接地检测器测量泄漏电流，并且包含一些规定来确保能够检测到励磁电路中任何地方出现的接地，例如确保不存在任何“盲点”。此外，还要求这些装置即使在没有为励磁回路通电时仍工作。这些特征使装置从一个磁极引线到地施加连续电压。这产生将场结构提高到高于地以及使灵敏度随所加的励磁电压而变化的负面结果。

[0006]在其它应用中，低频振荡器已经用来代替施加到一个磁极引线的到地的连续电压。振荡器通过高于或低于地的小电压对励磁绕组中心进行调制。这个方案消除了一个磁极引线的电压提升到高于地的情况。但这个方案有些缺点。例如，这个方案没有消除设备随所加励磁电压而变的可变灵敏度。此外，这种实现可能在出现某些接地故障的情况下以不正确的方式工作。

[0007]此外，还希望励磁接地检测器在出现高共模电压以及与晶闸管桥相关的开关电压时正确地工作。目前的实现在出现某些接地故障时会遇到可变灵敏度和不正确操作的情况。

[0008]因此，需要一种更有效的设备和方法，用于计算接地故障电阻，其中包括估算接地故障位置。还需要监测接地电阻以检测接地绝缘的退化。

发明概述

[0009]本文所述方案满足上述需要及其它需要。

[0010]本文所述方案的一个典型目的是检测出现在励磁电路中任何位置以及出现在任何以电方式连接励磁回路的励磁机电路中的接地故障。本方案的另一个典型目的是能够识别接地电阻，从而能够对其进行监测以检测接地电阻的逐渐退化。另一个典型目的是提供在励磁系统工作时估算接地故障位置的功能。

[0011]本发明的励磁回路接地检测方案能够估算接地故障的实际电阻，并且进一步估算接地故障的位置。本发明能够在出现高共模电压、快速转换事件以及从各磁极引线到地的大电容器时工作。一方面，本发明利用低频方波振荡器以允许在未加励磁电压时测量接地故障电阻，确保在励磁回路通电时不存在任何盲点，提供用于估算接地故障电阻的方法。

[0012]励磁接地检测器基本上能够检测励磁电路以及与励磁系统相关的有功部件中任何位置的故障。对于低于1500欧姆的故障电阻，出现在晶闸管桥的AC侧的接地故障将被识别为AC接地故障。大于此值的故障电阻将被正确识别，但不会将该故障识别为该桥的AC侧的故障。励磁接地检测器结合冗余技术以提高可靠性，并提供对低频振荡器电压的测量，作为提高接地故障电阻计算的精确度的方法。

[0013]在电压电平的每次转变时以一种方式测量低频振荡器电压，从而每半个周期测试大部分接地检测器，产生增强的诊断。还可提供“测试”功能来迫使低频振荡器在测试过程中达到高得多的频率并测量所产生信号的特征。从而提供接地检测器的更完整功能测试，并且即使出现预先存在的接地故障也能正确执行。

[0014]如上所述，提供低频振荡器的方案实质上对励磁绕组中心调制一个高于和低于地的小电压，没有消除随所加励磁电压变化的灵敏度。本发明的一个方面利用低频振荡器来避免使磁极引线之一偏置成高于或低于地，并且消除励磁接地检测器对励磁电压的可变灵敏度。

[0015]静态励磁系统一般要求增加滤波电路、通常称作轴电压抑制器，以免将快速变化的AC电压耦合到轴中。这些滤波器以传统方式实现为从各磁极引线到地的RC电路，以及励磁接地检测器必须与在场的这些装置正确地配合工作。本发明的励磁接地检测器利用轴电压抑制器对桥结构的AC侧上的故障电阻的响应来识别出现在该桥的AC侧的故障。本发明这个方面还提供一种方法，采用冗余技术来提高励磁接地检测器在与冗余励磁系统配合使用时的可靠性。

[0016]总之，本发明的一个目的是检测出现在励磁电路中任何位置以及出现在任何以电方式连接到励磁回路的励磁机电路中的接地故障。另一个目的是识别接地电阻以有效地监测，从而检测接地电阻的逐步下降。另一个目的是在励磁系统工作时估算接地故障的位置。为了支持可靠性目的，接地检测器可利用冗余概念。另一个目的是提供诊断，以便管理、监测及维护本发明的励磁接地故障检测器的操作和功效。

[0017]在一个实施例中，本发明提供一种用于检测励磁回路接地的系统，包括感测电阻器、衰减器网络、参考信号源、压控振荡器以及控制逻辑。参考信号源向发电机的磁极引线提供参考信号。参考信号在操作上与感测电阻器和衰减器网络相连，其中衰减器网络连接到两个磁极引线，产生一个使励磁绕组中心偏置成相对于地加上和减去参考信号的信号。压控振荡器(VCO)测量感测电阻器上的差分电压。控制逻辑协调测量数据的收集，并从测量数据中提取接地故障电阻和接地故障位置的估算值。

[0018]在另一个实施例中，本发明提供一种供操作电机的控制系统中使用的方法。该方法涉及检测和测量励磁回路接地故障，并且包括以下步骤：检测感测电阻器的电阻；通过感测电阻器和衰减器网络将参考信号加到发电机的磁极引线，其中衰减器网络连接到两个磁极引线，产生使励磁绕组中心在相对于地加上和减去参考信号的范围内偏置的信号；测量感测电阻上的差分电压；分析所收集的测量数据；以及检测接地故障并从测量数据中估计接地故障电阻以及接地故障的位置。

[0019]通过参照以下附图进行的说明来认识本发明的其它特征、目的以及优点。

附图概述

[0020]图1说明本发明的一个典型非冗余励磁接地检测器实现。

[0021]图2说明稳态DC操作的典型电路图，其中包括位于轴电压抑制器电容器两端的泄放电阻器。

[0022]图3说明用于例如750vrms和1125vrms之间的励磁机输入变压器电压的典型衰减器逻辑。

[0023]图4说明用于测量感测电压和振荡器电压的典型逻辑。

[0024]图5说明用于检测非正规指定振荡器频率并迫使VCO在测试过程中测量感测电阻器上的差分电压的典型逻辑。

[0025]图6说明与本发明的常规操作对应的时序图。

[0026]图7表示出一些波形，说明励磁接地检测器的常规操作。

[0027]图8说明与本发明的测试模式操作对应的时序图。

[0028]图9表示出一些波形，说明测试模式中励磁接地检测器的操作。

[0029]图10说明本发明的冗余励磁接地检测器实现。

[0030]图11说明一种冗余励磁接地检测器。

[0031]图12是示意图，说明结合了本发明的励磁接地检测器的静态励磁控制系统。

最佳实施例的详细说明

[0032]本文所述的本发明的励磁接地检测器的方法和设备用于励磁控制系统中，以便操作诸如用于蒸汽、气体及水利发电之类的发电机。整个控制系统的实例将在下面讨论并表示在图12的示意图中。该系统可以是全部或部分数字的，并且可在多种配置之一中提供。该系统可以硬布线或无线方式、经由诸如以太网、因特网、LAN、WAN之类的多种已知网络之一在通信上连接以便访问和控制。本文所述的特定配置和方式仅作为示例，应当知道，本发明的励磁接地检测器可以多种不同方式来实现，用于各种各样的配置和应用中。另外，还应知道，随着技术不断发展，可以结合这种不断发展的技术来享用本发明的有利之处。

[0033]通过概述和介绍，本文所述的本发明所提供的方案能够估算接地故障的实际电阻，以及进一步估算接地故障的位置。更具体地说，励磁接地检测器能够检测励磁电路以及与励磁系统相关的有功部件中任何位置的故障。例如，出现在晶闸管桥的AC侧的接地故障将被识别为AC接地故障，其故障电阻低于1500欧姆。大于该值的故障电阻将被正确识别，但在一个典型实施例中，该设备不会将该故障识别为发生在桥的AC侧的故障。该方案还能够在出现高共模电压、快速转换事件以及从各磁极引线到地的大电容器时工作。

[0034]一方面，低频方波振荡器用来提供上述特征。这种振荡器的使用允许在没有施加励磁电压时测量接地故障电阻。它确保在励磁回路通电时不存在任何盲点。接地检测器还提供对低频振荡器电压的测量，作为提高接地故障电阻计算的精确度的方法。此外，低频振荡器电压在电压电平的每次瞬变时进行测量。因而，每半个周期对大部分接地检测器进行测试，产生增强的诊断。此外，低频振荡器的使用避免了使磁极引线之一偏置为高于或低于地，并消除励磁接地检测器对励磁电压的可变灵敏度。

[0035]根据另一个特征，静态励磁系统要求增加滤波电路、通常称作轴电压抑制器，以免将快速变化的AC电压耦合到轴中。这些滤波器以传统方式实现为将各磁极引线耦合到地的RC电路；励磁接地检测器需要与在场的这些装置正确地配合工作。本文所述的方案利用轴电压抑制器对桥结构的AC侧的故障电阻的响应来识别出现在桥的AC侧的故障。

[0036]此外，接地检测器结合冗余实现策略来提高设备的可靠性。还可提供“测试”功能，它迫使低频振荡器在测试过程中以高得多的频率工作并测量所产生信号的特征。这提供了接地检测器的更完整功能测试，并且即使出现预先存在的接地故障也能正确执行。

[0037]首先，图1说明本发明的非冗余励磁接地检测器实现，一般表示为100。低频方波振荡器104通过感测电阻器106和衰减器网络[108、110]加到发电机的磁极引线116。衰减器网络108、110连接到两个磁极引线，产生使励磁绕组中心偏置成相对于地加上和减去振荡器电压的信号。也就是说，没有一个磁极引线是单独相对于地偏置的，消除了以前实现的缺陷之一(例如由一个引线提升到高于地的偏压加励磁电压所产生的问题)。

[0038]励磁机控制器(一般由接口114表示)通过光纤电缆118发送振荡器电压命令以及通过第二光纤电缆120读取感测电压，从而与接地检测器进行接口。来自励磁机控制器的电力用以对励磁接地检测器中的隔离电源(未标出)供电，使得励磁接地检测器保持与励磁机控制电路完全隔离。

[0039]励磁机控制器的计算功能性用来提供在励磁接地检测器中测量的信号的信号调节和算法控制。这种功能性用来从测量数据中提取接地电阻和接地故障位置的估算值。极低频率的方波振荡器104用来避免对轴电压抑制器电容器充电电流的响应，这是大部分静态励磁系统中存在的。采用处理器来估算接地故障电阻的一个优点在于能够对处理器进行编程，以便在充电瞬变过程消失之后检查接地电流，从而消除充电电流所引起的误差。

[0040]该功能性通过对低频振荡器电压的两个连续半周期进行测量来估算接地故障电阻。图2说明用于稳态DC信号的励磁回路接地检测电路200的电路图，其中包括轴电压抑制器电容器(202、204)两端的泄放电阻器(Rb)(206、208)。在振荡器电压的正半周期，感测电阻器(Rs)214两端的电压由下列公式1.0给出：

Vs1＝(Rd*Voscp+ReVfgp+Rf*xVfgp)/

(R^2Rb^2+2R^2RbRx+2RRb^2Rx+2RRb^2Rs+4RRbRsRx)。

[0041]在此公式中，Voscp是正半周期的振荡器电压，Rx是接地故障电阻，以及x*Vfgp是正半周期中负磁极引线到接地故障点的电压。根据类似推理，负半周期的感测电压由公式2.0给出：

Vs2＝(Rd*Voscn+ReVfgn+Rf*x*Vfgn)/

(R^2Rb^2+2R^2RbRx+2RRb^2Rx+2RRb^2Rs+4RRbRsRx)。

[0042]在此公式中，Voscn是负半周期的振荡器电压，Rx(218)是接地故障电阻，以及x*Vfgn是负半周期中负磁极引线到接地故障点的电压。应当指出，未假定励磁电压保持恒定，因为电压调节器响应端电压和负荷来控制励磁电压。

[0043]通过将Vfgn/Vfgp与公式1.0相乘，公式1.0可以表示为Vfgn(振荡器为负时的励磁电压)的函数。这就得出下列公式3.0。

(Vfgn/Vfgp)*Vs1＝(Vfgn/Vfgp)(Rd*Voscp)+ReVfgn+Rf*xVfgn)/(式1.0或式2.0中的分母))。

[0044]从公式3.0中减去公式2.0得出下列公式4.0：

(Vfgn/Vfgp)*Vs1-Vs2＝Rd*(Voscp*(Vfgn/Vfgp)-Voscn)/(式1.0、2.0或3.0中的分母)。

[0045]公式4.0不再指定接地故障的位置(x)，仅取决于测量的量以及固定的电阻器。电阻器Rd、Re以及Rf是由下列公式给出的等效电阻器：

Rd＝2RRb^2Rs+4RRbRsRx，

Re＝-RRb^2Rs；以及

Rf＝2RRb^2Rs。

[0046]接地故障电阻的计算则采用下列公式5.0来得出：

Rx{(2RbR^2+4RRbRs+2RRb^2)((Vfgn/Vfgp)Vs1-Vs2)+(-4RRbRs)((Vfgn/Vfgp)Voscp-Voscn)}＝(-R^2Rb^2-2RRb^2Rs)((Vfgn/Vfgp)Vs1-Vs2)+2RRsRb^2((Vfgn/Vfgp)Voscp-Voscn)。

[0047]这消除了对二次方程求解的需要，并且产生用于计算接地电阻的公式6.0：

Rx＝{(2RRsRb^2+R^2Rb^2)((Vfgn/Vfgp)Vs1-Vs2)-2RRsRb^2((Vfgn/Vfgp)*Voscp-Voscn)}/{(2RbR^2+4RRbRs+2RRb^2)(Vs2-(Vfgn/Vfgp)Vs1)+4RRbRs((Vfgn/Vfgp)*Voscp-Voscn)}。

[0048]对于零励磁电压的情况，Vfgn/Vfgp为1，计算接地故障电阻的公式则由公式7.0给出：

Rx＝{(2RRsRb^2+R^2Rb^2)(Vs1-Vs2)-2RRsRb^2(Voscp-Voscn)}/{(2RbR^2+4RRbRs+2RRb^2)(Vs2-Vs1)+4RRbRs(Voscp-Voscn)}。

[0049]通过公式6.0中识别的接地故障电阻，就能够回到公式1.0或2.0来求出接地故障的位置x。最后由公式8.0提供接地故障位置的公式。

x＝(Vs1*(RRb^2+2R^2RbRx+2RRb^2Rx+4RRbRsRx)-(2RRb^2Rs+4RRbRsRx)*Voscp+(RRsRb^2)*Vfgp)/(2RRsRb^2*Vfgp)。

[0050]在此公式中，x是从负磁极引线到接地故障位置的距离除以从负磁极引线到正磁极引线的总距离。为“零”的x值对应于负磁极引线上的接地故障，而为“一”的x值对应于正磁极引线上的接地。

[0051]通过将Vfgn代替Vfgp以及将Voscn代替Voscp，以类似于式7.0的方式得出计算接地故障位置的第二个公式。这个推导得出下列公式9.0：

x＝(Vs2*(RRb^2+2R^2RbRx+2RRb^2Rx+4RRbRsRx)-(2RRb^2Rs+4RRbRsRx)*Voscn+(RRsRb^2)*Vfgn)/(2RRsRb^2*Vfgn)。

[0052]对于零励磁电压，公式8.0和9.0不是最佳的(因为存在被零除而引起的问题)。因此，这些公式最好是应当在励磁回路通电时使用。可通过激励或去激励该单元来进行接地故障电阻Rx的估算。最好是应当通过激励该单元并在有励磁电压时运行来进行接地故障位置的估算。

[0053]出现在晶闸管桥的AC侧的接地产生类似的到发电机励磁绕组中心出现的地的平均电流。这种接地的显著特征在于，当存在AC接地时流过明显的基频电流。这个事实用来识别出现在晶闸管桥AC侧的接地故障。

[0054]更具体地说，衰减器、电容滤波器以及感测电阻器被设计成：对于小于1500欧姆的接地故障电阻，产生至少0.75伏RMS的感测电阻器上的基频电压。如果接地故障电阻为1500欧姆或更小，本文所述方案则会正确识别该故障属于AC故障。在任何情况下，无论在晶闸管桥的AC侧还是DC侧，对于40000欧姆及以下的接地故障电阻，均会正确识别接地故障的电阻。通过将电阻器与晶闸管并联，在桥被去激励时才可识别出现在晶闸管桥AC侧的接地故障。还需要电阻器以便迫使平等分配桥中晶闸管上的低频磁极滑动电压。对于晶闸管桥的AC侧的接地故障，当桥被去激励时，这些磁极滑动电阻器降低了接地故障计算的精确度。当励磁绕组通电时，对于AC接地故障与DC接地故障，接地故障计算的精确度是不同的。

[00551图3说明用于例如750Vrms和1125Vrms之间的励磁机输入变压器电压的衰减器模块。16.2千欧姆和2千欧姆的衰减器电阻器用来限制流过感测电阻器的电流，其中感测电阻器由与串联200欧姆电阻器的两个900欧姆电阻器并联的2千欧姆电阻器构成。从衰减器组到地的2个并联的1微法电容器限制加到感测电阻器上的电压的基频分量。从衰减器组到地的MOV限制加到感测电阻器上的对地最大电压。所示继电器由控制器C来控制，确定哪个振荡器(M1还是M2)被应用于感测电阻器和衰减器组。

[0056]根据式6.0，为了提高接地故障计算的精确度，测量振荡器电压的每半周期上的励磁电压和振荡器电压是有用的。本文所述的方案利用以下事实：励磁机已经因其它原因而具有对励磁电压的精确测量结果，然后实现对振荡器电压的精确测量。

[0057]图4说明用于本方案以测量感测电压和振荡器电压的技术。未标出的电源从主控制器(M1/M2)或保护控制器(C或C3)提取输入电压，提供与控制器的隔离，然后再为接地检测器卡提供适当的电压。来自各控制器(M1、M2、C3)的P24和N24电源连接到适当的接地检测器卡(在一种实现中为EGDM)，并用来对产生所需P50和N50电源的变换器、与P24和N24隔离的变压器供电。

[0058]图5说明用来迫使正确测量感测电阻器或振荡器输出的典型逻辑。逻辑500包括：FORX 502；滤波器504；±边缘检测器块506、518；250毫秒重跳闸单稳块508、520；选择块510、514；1MHz振荡器512；计数器516；以及例如图5所示的其它元件。在工作中，接地电流感测电阻的电压被临时改变，作为对发出改变振荡器电平的命令之后的前200毫秒中振荡器输出的接地的测量。图5所示的逻辑采用现场可编程门阵列(FPGA)500来实现这个功能。更具体地说，+/-边缘检测器506用来根据正或负命令触发上述可再触发250毫秒单稳单元508。功能选择输入510允许在冗余配置中相同的卡用于主控制器(M1/M2)或保护控制器(C3)。如果该卡安装在M1或M2插槽中，则自动选择250毫秒可再触发单稳块的输出。相反，如果该卡安装在C3插槽中，选择器510则选择来自光纤接收器502和滤波器504的滤波后信号。对于M1或者M2，选择器510的输出用来驱动测试命令，它与+边缘检测器518和250毫秒单稳单元520配合使用以产生用于测试开关的信号。

[0059]作为最终结果，250毫秒单稳单元508在振荡器电压的每个指令瞬变处产生单个正向变化的250毫秒脉冲以驱动开关，它在正常操作过程中将感测电阻器转换为以地为参考的测量。图6和图7说明这个功能性的信号特征，其中图7表示励磁接地检测器的正常工作条件。此外，单稳单元520在测试模式期间产生单一的250毫秒脉冲，然后保持该命令给开关，从而迫使相对于地的测量，直到10秒测试期结束。图8和9说明这个功能性的信号特征。

[0060]更具体地说，图6说明正常操作的时序图，图8则说明测试模式中操作的时序图，以及图9表示测试模式期间励磁接地检测器的操作中的条件。控制器将在振荡器电平中的指令瞬变之后等待200毫秒，以便从图5所示的FGD 500中的光纤发射器中读取信号。选择滤波，使得对分级输入的响应在200毫秒之后处于最终值的0.2％之内。这允许振荡器电压的极精确的低噪声测量，以用于振荡器和VCO诊断。这个方案还提高接地检测器算法的精确度。

[0061]图10说明一种实现的功能框图，它利用冗余技术来提高使用冗余控制器时该实现的可靠性。励磁接地检测器1002包含冗余振荡器，它们分别由主控制器1和主控制器2来控制。从主控制器1和主控制器2接收其电力的隔离电源为这些振荡器供电。主控制器1和主控制器2指示这些振荡器进入正或负状态。保护控制器决定哪个主控制器将进行控制，并通过继电器触点来选择适当的振荡器。所有三个控制器都在瞬变之后的前200毫秒中测量振荡器电压，然后在剩余的半个周期中测量感测电阻器上的电压。这允许测量信号的轮询/表决，使得单点故障会被检测并从输出中消除。

[0062]保护控制器使用轮询/表决的信号来决定向另一个主控制器的振荡器传送控制的时间。励磁接地检测器的各主通道中的逻辑确定使用单端测量与差分测量的时间。然后该信息被传递到另一个主控制器和保护控制器，使得这些单元能够在与负责的主控制器接近的时间执行测量。因此，所有这三个控制器都不太精确地与负责的主控制器同步。选择哪个主控制器来负责是由保护控制器C3执行的。这可以采用操作员接口来手动执行。或者，这可以在检测到故障振荡器时自动执行。

[0063]图11说明各冗余励磁接地检测器模块所使用的信号、从励磁接地检测器模块到衰减器模块的互连以及各励磁接地检测器模块之间的互连。

[0064]传统上，励磁接地检测器包括测试功能来确定该单元是否可工作。这在以前是通过禁用跳闸功能并安装从振荡器输出到地的测试电阻器来执行的。本文所述的方案提供在振荡器的各半周期上自动测量振荡器电压。这提供振荡器、电源以及光纤链路的正常状态的诊断指示。为了验证接地检测器能够正确测量感测电阻器上的差分电压，提供了诊断测试。当选择测试模式时，所有这三个励磁接地检测器模块(在冗余时)都被指示处于测试模式。振荡器频率被选择为非工作频率、如2.5Hz。图5所示的逻辑用来检测非正常指令振荡器频率，并迫使VCO在测试期间测量感测电阻器上的差分电压。衰减器以及相关的滤波电容器、轴电压抑制器所构成的交流电路允许在2.5Hz测试频率下流过较大电流，引起励磁接地检测器的特征测试，如图9所示。使用冗余励磁回路接地检测时，与M1相关的通道首先被测试，然后再是与M2相关的通道。如果两个通道都被测试并确定是可接受的，则假设励磁接地检测器已经通过该测试。对于非冗余应用，只提供一个励磁接地检测器通道，该通道采用非正规测试频率和特征分析进行测试。

[0065]附录中提供了一种可用于实现励磁接地检测器功能性的软件/编码的实例。对于无电源启动的燃气轮机应用，磁场以50％的速度闪动(flash)并保持在一定水平，以便在发电机上保持恒定的伏特/赫兹。为此，检测AC接地故障的算法最好从50％的速度一直到额定速度能够工作。该算法通过测量感测电阻器上的基频电压来检测AC接地故障。在DFT的实现中，正弦和余弦发生器锁定到发电机频率上，使DFT将在从50％的速度启动期间跟踪发电机频率。只有在DFT所检测的感测电压的基频分量超过0.75vrms时，才表明有AC接地故障。各通道(M1、M2和C3)要求以下输入信号：感测电阻器上的电压；振荡器到下一电平的转变时间；平均发电机励磁电压；振荡器电压；测试模式命令；以及复位命令。除上述信号之外，控制器C3还要求传送到另一个主控制器的振荡器的命令。

[0066]使来自各励磁接地检测器模块的VCO信号经过三级低通数字滤波器。在一个特定方案中，要求以31.4弧度/秒进行的三级低通滤波，以便从感测电阻器上的平均电压中消除AC接地故障的基频分量，同时保持足够的响应速度。在发出向下一个振荡器电平转变的命令200毫秒之后，第一级滤波的输出用来测量振荡器电压。单一的31.4弧度/秒滤波器的输出处于振荡器电压的步进之后200毫秒其最终值的0.2％之内。转到下一个振荡器电平的命令从控制器中的主控制器(或者从非冗余配置中的单个控制器)通过光纤链路向励磁接地检测器模块发送。在发出转变的命令之后250毫秒中，励磁接地检测器模块中的逻辑将迫使感测电阻器测量相对于地。励磁接地检测器算法将在下一个振荡器电平的命令之后等待200毫秒，然后再从励磁接地检测器模块中对VCO反馈进行抽样。这是一个与所测量的振荡器电压成比例的衰减信号，由励磁接地检测器算法用作振荡器和VCO测量电路的诊断，以及改善接地检测器算法的精确度。

[0067]如果提供了冗余接地检测器，则对衰减的振荡器信号进行表决，经表决的值用于算法中。在发出命令以改变振荡器状态之后的250毫秒，励磁接地检测器模块自动转换到感测电阻器上的差令测量，并在剩余的2.5秒半周期中保持差分模式。在发出转换电平的命令之后，励磁接地检测器算法等待2.4秒，并对感应电阻上的滤波后电压的输出进行抽样。滤波后的发电机励磁电压以及未滤波的感测电压的DFT也被抽样。如果使用冗余控制器，经表决的信号则用于所有励磁接地检测器信号。接地故障电阻根据式7.0进行计算，重新写为下式：

Rx＝{A*(Vsp*Vfgn/Vfgp--Vsn)-B*(Voscp*Vfgn/Vfgp-Voscn)}/{C*(Vsn-Vsp*Vfgn/Vfgp)+D*(Voscp*Vfgn/Vfgp-Voscn)}。

式中：

A＝2*R*Rb^2*Rs+R^2*Rb^2，

B＝2*R*RsRb^2，

C＝2*RbR^2+4RRbRs+2RRb^2，以及

D＝4RRbRs。

[0068]Vsp是振荡器为正时衰减后的感测电压。Vsn是振荡器为负时衰减后的感测电压。Vfgp是振荡器为正时衰减后的励磁电压。Vfgn是振荡器为负时衰减后的励磁电压。Voscp是衰减后的振荡器正电压，Voscn是衰减后的振荡器负电压。应当指出，Vsp、Vsn、Vfgp、Vfgn、Voscp以及Voscn均为测量的量，而A、B、C以及D则根据构成衰减器的电阻器、轴电压抑制器中的感测电阻器和泄放电阻器进行计算，它们对给定实现是固定的。该单元未被激励、即励磁电压为零时，Vfgn/Vfgp的比为一，接地电阻的公式则为：

Rx′＝{A*(Vsp-Vsn)-B*(Voscp-Voscn)}/{C*(Vsn-Vsp)+

D*(Voscp-Voscn)}。

[0069]可通过激励或去激励的单元来计算接地电阻的实际大小。一旦计算出接地电阻，(如果该单元被激励)则接地故障的位置就采用公式8或公式9来估算。

[0070]该算法的另一个功能是执行特征测试，以便验证检测器能够正确地测量感应电阻上的差分电压。将振荡器频率改变为非工作频率2.5Hz以执行此测试。较大的接地电流流过与励磁接地检测器衰减器网络相关的滤波电容器以及流过与轴电压抑制器相关的电容器。该算法利用这个事实来执行励磁接地检测器的特征测试。

[0071]使来自感测电阻器的信号通过用于检测器正常操作的3级低通滤波。级联的低通31.4弧度/秒滤波器的输出则通过为12.563弧度/秒设置的高通滤波器以消除DC分量。高通滤波器的输出通过提供信号的全波整流的绝对值电路，然后再由具有1弧度/秒的间断的2极低通滤波器进行滤波。这个平均信号与感测电阻器测量中可用的2.5Hz信号的量成正比。

[0072]这个信号与标称值的差别应当不超过25％，即使在预先存在接地故障的情况下执行测试时也是如此。与预期值的差别超过+/-25％的所测量的感测电阻器信号被认为是故障，并且会引起励磁接地检测器指示其本身不能正常工作。注意，这个测试包括衰减器和轴电压抑制器功能，因此检验未与励磁接地检测器相联系的装置。对于冗余应用，该算法首先检验与主控制器1相关的通道，然后再检验与主控制器2相关的通道。对于冗余应用，在认为测试通过之前这两种通道都必须合格。

[0073]下面参照图12所示的示意图，说明结合了本发明的励磁接地检测器的静态励磁控制系统。应当知道，本说明只是可应用本发明的励磁接地检测器的应用的一个实例。例如，有效应用的另一个实例是在有关的调节器应用中。

[0074]本发明的励磁接地检测器在图12中进行了说明，并按以下说明用于励磁控制系统，以便操作用于蒸汽、气体以及水利发电的发电机。整个控制系统1200的一个实例以图12的示意图来表示。该系统可以是全部或部分数字的，并且可按多种配置之一来提供。该系统可以经诸如以太网、因特网、LAN、WAN之类的多种已知网络之一在通信上以硬布线或无线方式进行连接，用于访问和控制。

[0075]控制系统1200在本文中描述为数字励磁系统，并可配置成为全静态励磁系统提供灵活性。基于全静态励磁的系统能够支持电势(仅为电压)或复合(电压和电流)源。对于全静态励磁系统，可在单工(单通道)控制及电桥中或者在包含保护模块的冗余(热备份)控制和电桥体系结构中提供控制系统1200。

[0076]例如，单工系统的体系结构包括：一个控制台(由一个主控制器(M1)组成)；客户接口子系统；操作员接口装置；控制功率输入模块；以及一个功率模块，由桥接口子系统、电桥、交流及直流滤波器网络以及交流和/或直流隔离装置等组成。控制系统1200能够支持与例如以下各项之间的以太网LAN通信接口：1)用于配置的系统工具箱功能性；2)涡轮控制系统、如纽约的The General Electric Company ofSchenectady(GE)所提供的Mark VI以及采用EGD协议的GE HM1；3)GE静态启动器；以及4)支持远程系统诊断的GE OnSite中心。控制系统1200还能够支持与客户DCS控制系统的RS-232 ModBus接口。

[0077]控制系统1200可包括功能强大的诊断系统和控制模拟器，以便支持快速安装、控制常量的调整以及培训。

[0078]下面参照控制系统1200的数字控制器(基于晶闸管的控制器)，控制模块M1包含具有相关I/O板的处理器卡以处理应用软件。控制系统1200包括一个卡架，其中具有例如用于安装一个(M1)或三个(M1、M2及C)控制模块的空间。M1和M2可以是具有一个或多个处理器卡及相关I/O板的相同控制器。C控制器也具有处理器卡及相关I/O板。

[0079]在一个配置中，控制器模块组件包含多达六块板：主处理器板-应用控制层卡(ACLA)、数字信号处理器板(DSPX)、ISBus通信板(EISB)以及三个I/O板(EEIO、EMIO及ESEL)。这些板通过VME形式底板相互连接，并通过电缆连接其相关的I/O端接板。

[0080]应用控制层模块(ACLA)是基于可扩展微处理器的控制器，用于控制系统1200励磁机中的通信及控制。ACLA安装在VME形式机架中并且占用2个半槽。ACLA是基于PC的可扩展数字控制器，是组装在控制系统1200卡架上的两个可编程卡之一。另一个是DSPX卡。作为实例但不是限制，ACLA可以基于在100MHz工作的、支持8兆字节动态随机存取存储器和4兆字节闪存BIOS的486型处理器。ACLA可以用作对外部机器的通信网关以及用作外部环路控制器/调节器。

[0081]通信网关功能可包括：以太网端口，支持一个或多个接口；到涡轮控制器、人机界面、静态启动器等的以太网环球数据链路；经由采用TC/IP协议的以太网的Modbus；控制系统工具箱软件；要支持的串行(RS-232)端口；控制系统工具箱Flash编程；RS-232数据链路上的ModBus；以及与DSPX可编程卡的双端口存储器(DPM)接口。外部环路控制/调节器功能可包括：调整点控制器，用于自动和手动调节器；Var或PF控制；限制器功能；电源系统稳定器；励磁绕组温度计算；以及平衡计。

[0082]数字信号处理器板(DSPX)是用于内部环路控制/调节器以及支持测试和设置的本机操作员接口控制的基本控制器。例如，该板可基于支持248千字节高速静态随机存取存储器以及512千字节闪存BIOS的高速60MHz数字信号处理器芯片。内部环路控制/调节器功能可包括：励磁电压调节器；励磁电流限制器；启动-停止、磁场闪动、告警及跳闸的排序；发电机测试仪器处理；以及发电机模拟器。

[0083]本机操作员接口控制功能使用与安装在控制系统1200控制箱门上的小键盘和显示单元之间的串行接口，可以支持以下典型功能：来自DSPX或与其配对的ACLA控制器的内部控制数据、告警以及状态信息的显示和变化；以及支持调试、调整及故障排除的有效数据的显示和改变。

[0084]励磁机ISBus板(EISB)是用于M1、M2及C控制模块的通信接口板。该板经过基于变压器耦合RS-422标准的控制系统1200底板提供例如控制器M1、M2及C之间每秒5兆比特环形总线通信。它接收及传送(通过光纤电缆)来自发电机励磁电压和电流信号、励磁机电压和电流信号以及接地检测器电压模块的反馈信号。然后再通过底板将它们连接到DSPX控制器。还支持DSPX和采用RS-232的配置工具和小键盘端口之间的通信。

[0085]EMIO主I/O板处理来自EPCT、ECTB以及EXTB端接板的1/0。这个I/O包含PT和CT信号、触点输入、输出继电器驱动器以及用于闪动的控制解扣继电器驱动器、41关闭功能以及去激励。它还经底板向ESEL板发送逻辑电平选通脉冲信号。

[0086]在一种配置中，励磁机选择器板(ESEL)由六个来自EMIO的逻辑电平选通脉冲信号来控制，每个信号用于各个桥SCR。ESEL产生六个选通脉冲信号，它们通过电缆连接到直接控制该桥上的六个SCR的EGPA板。ESEL能够控制多桥励磁机中的多达六个桥。如果有冗余控制，则使用两个ESEL，一个由M1驱动，另一个则由M2驱动。有效ESEL由模块C选择，并将所选的控制信号发送到EGPA板。

[0087]励磁机PT(测量用变压器)/CT(测量用变流器)端接板(EPCT)包含用于临界发电机电压和电流测量的变压器。三相发电机电压输入支持来自发电机的两个通道的发电机电压反馈数据，或者一个来自发电机而另一个来自同步断路器的线路侧。具有1A或5A电流电平的两个发电机电流输入引入两个变流器，用以支持一个通道的发电机电流反馈数据。所有变压器输出信号均通过电缆传送到控制机架中的EMIO板。另外，可以是±10伏直流或4-20毫安电流的一个模拟输入被引入EPCT。EMIO板对所有PT、CT以及每秒2000个样值的模拟输入信号进行模-数转换。所产生的发电机电流和电压测量结果在实际读数的0.25％之内。对所有到EPCT的输入信号提供信号输入点附近的高频噪声抑制。

[0088]来自测量用变压器的发电机电压经线路传送到TBI。电缆长度是一个考虑事项，在一个实例中可以是最大1000英尺的#12 AWG导线。发电机PT次级输出标称为50/60Hz的115Vrms，并且装有熔丝。发电机电压输入采用1500Vrms屏蔽进行磁性隔离。

[0089]来自测量用变流器的两个发电机电流输入经导线传送到支持环形接线柱的非可插拔接线板。例如，从变压器到EPCT板的电缆长度可以是最大1000英尺、线规高达#10AWG。电流输入采用1500Vrms屏蔽在磁性上进行隔离。EPCT支持电压范围为直流±10伏或者电流范围为4-20毫安的非隔离模拟输入。例如，电缆长度可以高达300米、具有最大双向电缆电阻15欧姆。

[0090]励磁机接触式接线板(ECTB)支持继电器输出以及触点输入。存在两种形式：冗余模式形式和单工模式形式。各板包括例如两个解扣额定继电器输出，它们能够操作客户连锁继电器，由EMIO板控制。还有四个可用的通用C型继电器输出，也是由EMIO板控制。例如，四个通用继电器干式接点为额定125伏直流标称值(最大250伏直流，最小24伏直流)，用于28伏直流、2A或120伏直流、0.5A的电阻性负载，或者用于28伏直流、1A或120伏直流，0.1A的电感性负载，或者用于具有0.007s(L/R)时间常数的负载。

[0091]八个辅助触点输入由光耦合器电路进行监测并由ECTB来供电。八个触点输入中的两个是监测发电机断路器(52G)状态和客户发电机跳闸(86G)的专用触点输入。86G触点的光耦合器位于EMIO板上而不是ECTB板上。触点的70伏直流电源由M1电源来提供，或者在冗余系统中，还从M2电源提供。

[0092]励磁机接线板(EXTB)支持控制继电器输出、触点输入以及由励磁系统内部使用的信号调节电路。这种板有两种形式，一种支持冗余系统，另一种则支持单工系统。两种形式均经过电缆连接到继电器驱动器所在的EMIO板。

[0093]用于支持直流输出和磁场闪动接触器的控制继电器位于板上，再加上用于外部磁场断路器应用的解扣继电器以及去激励控制继电器。来自EXDE板的消弧状态信号和去激励状态信号在EXTB上进行调节，并被发送到EMIO。对于励磁接触器/断路器和磁场闪动监测，三个状态触点输入由EXTB上的70伏直流来供电。光耦合器电路监测这些触点。在冗余系统中，用于这些触点的70伏直流电源由M1和M2电源来提供。所产生的信号被发送到EMIO。

[0094]励磁机电源模块(EPSM)将来自配电模块(EPDM)的125伏直流转换为励磁机控制系统的卡架所需的电压。例如，EPSM模块具有两个主要部分：降压调节器，它获得125伏直流输入，并提供给多抽头开关隔离变压器的输入侧；以及变换器部分，产生+5、+15、-15、24及70伏直流电源输出。励磁机电源底板(EPBP)电源底板用来安放输入及输出并将它们分配给EPSM板，以及容纳励磁接地检测器模块。

[0095]各控制部分M1、M2及C可配备独立的电源模块。在一种配置中，控制底板(EBKP)架固定控制板，并由EPSM提供+5伏直流、±15伏直流以及+24伏直流。电源可提供给如下所述的EBKP外部的模块：±24伏直流为去激励模块、消弧模块、接地检测器以及励磁电压/电流模块(EDCF)等供电；以及隔离+70伏直流，用于对EXTB和ECTB板的“接点湿润”。

[0096]EPSM是6U VME波形因数板。底板连接器将电力从电源板传送到它的卡架，卡架则支持对励磁控制系统卡架底板(EBKP)供电所需的电缆。

[0097]下面参照励磁机配电模块(EPDM)，控制功率可从125伏直流电源以及一个或两个115伏交流源中获取。交流电源通过外部交流/直流变换器模块进行传递。所产生的125伏直流与其它直流源一起经二极管耦合到EPDM板的直流总线上。EPDM为控制模块和选通脉冲放大器板馈电。来自EPDM的输出被装有熔丝，通过开关，以及具有LED状态指示灯。桥冷却系统的AC电源来自励磁机中包含的断路器。

[0098]选通脉冲放大器板(EGPA)将控制器连接到电桥。EGPA从ESEL提取选通命令，并控制电桥中多达六个SCR(可控硅整流器)的选通开启。它也是用于电流导通反馈以及桥气流和温度监测的接口。标称130伏直流电源为板载DC/DC变换器供电，后者在输入电源电压的整个范围上为SCR选通提供隔离电力。LED提供对输出开启状态、流入桥的电流、电源、线路滤波器、冷却风扇转动、桥温度以及告警或故障状况的可视指示。

[0099]励磁机DC反馈板(EDCF)测量SCR桥上的励磁电流和励磁电压，并通过高速光纤链路连接控制面板中的EISB板。EDCF将励磁电流和电压转换为以10MBd在光纤链路上传送的两种频率。光纤提供两个板之间的隔离以及高抗扰度。变压器耦合在24伏直流电源上为该板提供高达1500Vrms隔离的电源。励磁电压反馈电路提供七个选择器设置，以便缩减桥电压，视桥工作电压而定。

[0100]例如，励磁机AC反馈端接板(EACF)包含用于单一三相电压测量的变压器以及用于两个磁通/空心线圈的端子。电压和电流电路的输出被分开到三个连接器，用于经电缆传送到模块M1、M2及C。为磁通/空心输入信号提供信号输入点附近的高频噪声抑制。连接机箱接地的电缆屏蔽端接螺丝位于可适用的各组输入螺丝的三英寸之内。

[0101]在一种配置中，励磁机去激励模块(EDEX)基于续流二极管并支持非反相系统。在另一种配置中，EDEX属于基于SCR的高性能类型，并支持反相系统。用于高性能励磁系统的EDEX通常包括以下特征及功能。在发电机停机期间，发电机磁场能量被消耗。在控制系统1200励磁机中，这是去激励模块和励磁放电电阻器或电感器(当提供时)的功能。去激励模块包含安装在具有附加缓冲网络的大散热装置上的晶闸管(53mm或77mm元件尺寸)。该板包括导电传感器功能和开启控制功能，并且安装在散热器上。导电传感器功能包含霍尔效应传感器。传感器安装在连接板的圆形钢芯的气隙中。它们检测流过晶闸管的励磁放电电流所产生的磁场。采用两个独立的传感器电路。

[0102]EDEX板还包含开启控制功能。该板的作用是在两个控制器输入(M1或M2)之一为真时或者在SCR的阳极对阴极电压超过可选值时，开启SCR。板上的两个开启控制电路由独立电源供电，并且采用分开的导电传感器，使其彼此独立。来自任一个导电传感器的反馈证明放电电路已经成功运行。如果两个独立的开启控制电路无法开启，则在阳极对阴极电压已经超过所选电平时，由阳极开启电路开启SCR。

[0103]标准性能励磁上所用的去激励模块类似于高性能形式。SCR由连接在绕组两端的二极管来取代。当绕组上存在负电压时，二极管导通。在电桥的正常操作过程中，当桥尝试使励磁电压反相时，励磁电流将通过二极管续流。在跳闸或正常停止期间，当励磁电压反相时，励磁电流将通过二极管续流。导电传感器功能向控制器报告二极管的导通状态。

[0104]下面参照功率控制模块(晶闸管-SCR)，在一种配置中，它包括三相全波反相晶闸管(SCR)桥，用作控制系统1200数字励磁机的标准功率转换模块。反相桥可为最佳性能提供正和负强制电压。负强制为抛负载和去激励提供快速响应。如果系统应用不需要，则可对开启电路进行软件更改来抑制负强制。当提供模块发电机励磁的去激励的续流二极管形式时，不能支持负强制。各整流桥包括晶闸管保护电路，如缓冲器、滤波器以及熔断器。

[0105]晶闸管桥组件一般采用可用于较低电流应用的对流冷却进行强迫通风冷却。对于大多数应用，采用冗余冷却组件，它们一般都在运行中被激励。恒温器监测功率转换模块温度。一组告警和跳闸触点可在高温等级上触发告警，并在更高温度等级上跳闸。反应器位于对SCR供电的交流支路上。缓冲器是从各SCR的阳极到阴极的RC电路。元件缓冲器、线间滤波器以及线路反应器共同执行以下功能，以便维护SCR的正确操作：限制通过SCR的电流的变化速率，提供电流“转储”以有助于开始导通；以及限制各元件上电压的变化速率，并在元件换向过程中，限制出现在元件上的反相电压。基于软件的导通检测电路监测各SCR桥的熔断丝、丢失选通脉冲或者开路/短路的SCR。

[0106]对于大多数应用，整流器励磁电流桥直流正输出中的磁场中断直流接触器将励磁机连接到发电机磁极引线。直流接触器和EDEX模块(基于SCR或二极管)共同构成内部磁场断路器功能，这种功能可在以前的励磁系统中看到，用来消除停机或跳闸事件时发电机磁场中存储的能量。通常提供两个直流接触器来中断正和负磁极引线。

[0107]对于某些应用，包含外部励磁机磁场断路器。DC磁场断路器中断励磁机的输出，采用短路触点通过放电电阻器使发电机去激励，以便消除停机时发电机磁场中存储的能量。某些DC磁场断路器可采用静态去激励装置来代替短路接触器，它在功能上与交流接触器和静态去激励模块的组合是相同的。

[0108]下面参照AC绝缘，对于中小规模系统，可提供内部或外部手动AC断开开关。这个开关用作电源变压器的次级和静态励磁机中电桥之间的断开装置。在大部分情况下，它是一个手动操作的模制容器3相非自动的面板安装的开关。这个开关允许客户关闭和打开交流输入电源。对于较大的系统，最好是可以采用外部AC断开断路器。这个开关用作电源变压器的次级和静态励磁机之间的断开装置。它可以是支持远程控制的模制容器开关或真空断路器。这个开关允许客户关闭和打开交流输入电源。

[0109]轴电压抑制器可用来将对地的轴电压(例如由晶闸管换向所引起的轴电压)限制到低于5-7伏零对峰值。如果未被有效控制，轴电压能够损坏轴颈和轴承。通过固态整流过程从交流产生直流电压的励磁系统在励磁机输出上引起脉动和尖峰电压。由于它们的快速升高和衰减时间，这些电压从励磁绕组电容耦合到转子主体。这在轴上产生一个对地电压。轴电压抑制器是一个滤波器，它将电压的高频分量引入地。在大多数大型应用中，它是不固定的(用于安装在发电机的集流环上)。对于较小的应用，轴电压抑制器是主励磁机组的组成部分。

[0110]在水利应用(凸极发电机)以及某些蒸汽或气体应用(绕线转子发电机)中，消弧模块极为有用。在磁极滑动事件中(当发电机失去与电力网的同步时)，高压会从发电机定子引回到发电机励磁绕组上。如果感应电压升高到破坏性水平，这个高压会损坏励磁系统和/或发电机励磁绕组。对于励磁系统和发电机励磁绕组，消弧电路安全地将感应电压限制到低于破坏性水平。

[0111]在一个方案中，用来实现消弧电路功能的硬件是改变晶闸管方向的EDEX模块。消弧电路的负载必须是电阻器，但可与去激励功能共用该电阻器。消弧电路、具有缓冲器的晶闸管以及导电感应器的功能对于去激励模块是相同的。当SCR的阳极对阴极电压超过一定值时，接通消弧电路的晶闸管。一旦消弧电路导电，磁极滑动事件所产生的反向电流具有一个导电通路，从而限制发电机励磁绕组和励磁机输出上的反向电压。

[0112]“磁场闪动模块”在启动程序中向发电机励磁绕组提供空载励磁电流“AFNL”的大约15％至20％。来自直流电源的磁场闪动是闪动的标准方法，但是交流磁场闪动模块也是可用的。直流磁场闪动模块能够由125伏直流或250伏直流站电池供电，并且具有15秒的最大额定350安培直流。交流磁场闪动控制几乎与直流磁场闪动控制相同。但是，在交流磁场闪动控制中，交流电压通过二极管桥进行整流并进行滤波。二极管桥还用作续流二极管电路。这个板接受460伏交流单相输入，该输入通过变压器逐步降到27伏交流。该板规定为15秒的最大350安直流。

[0113]以上详细说明了励磁接地检测器(EGDM)。在图12的典型实施例中，在励磁机系统中提供EGDM，它从励磁电路的任何点上检测磁场漏电阻，从输入变压器的交流次级绕组开始，经过励磁系统，最后到直流发电机励磁绕组为止。这个有源检测系统施加对地的低压，并监测流过高阻抗接地电阻器的电流。存在PRV电阻器时，即使在没有运行(选通SCR)励磁机时，也能够检测系统中任何位置上的接地。没有PRV电阻器，就只能在系统运行时才能发现电桥的交流侧的任何接地。

[0114]如上所述，本发明的励磁接地检测器主要提供以下优点：与发电机励磁绕组上的工作电压无关的对地的恒定灵敏度；与发电机励磁绕组中接地位置无关的对地的恒定灵敏度；以及检测励磁绕组接地的位置。接地检测器电压可通过光纤链路发送到EISB卡以便进行监测。

[0115]下面说明冗余度(电桥-热备份)。对于中小规模的静态励磁机，通常需要电桥冗余度，在一个功率转换模块中可支持发电机磁场的总功率需求，GE控制系统1200“热备份”选项是可用的。这种“热备份”的提供采用冗余控制器(M1和M2控制器以及C控制器)，其中具有共用公共交流输入和直流输出电路的两个全波SCR桥。

[0116]有效电桥从有效控制器(M1或M2)接收选通命令，并支持发电机磁场的完全励磁电压和电流需求，同时禁止备份电桥的选通电路。对于选择哪个冗余电桥为有效的或者无效的，操作员具有绝对控制权。支持有效和无效桥之间的双向无冲击转换。高级的监测和保护电路：检测有效电桥的故障或不正确操作；延迟转换(如果需要清除和SCR支路合并)；以及在没有操作员干预的情况下激活无效电桥。“热备份”配置是在N＝1时获得N+1桥冗余度的节省成本的方式。

[0117]下面说明仅控制冗余。当需要仅控制冗余时，控制系统1200可提供两个控制器(M1和M2)以及C控制器，其中具有单工整流桥。控制冗余将使用M1控制器作为主控制器，M2控制器作为主控制器的备份，其中C控制器实现保护以及主/备份转换功能。三个控制器采用高速Isbus来连接独立的主控制器和C控制器之间的硬件容错性(SIFT)及软件功能。控制器冗余配置是获得真正控制冗余的节省成本的方式，因为存在以下各项：控制器的冗余集合，其中包括自动和手动电压调节器；冗余控制电源；以及冗余系统软件。

[0118]下面说明远程输入/输出选项。控制系统1200能够在通信上耦合或连接到另一个数据获取、监测设备(SCADA、PLC等)，例如GE的VersaMax^TM I/O子系统，它能够采用例如高速以太网接口经主控制器(M1和M2)与控制系统1200进行接口。

[0119]下面说明操作员控制台(远程/本地)选项。例如，诸如键盘、控制台、语音识别系统之类的操作员接口可以是基于PC的嵌入式系统，它使用采用触摸屏接口、支持图形和字符显示的LCD显示器。配置将采用控制系统来支持。“工具箱”软件可用来与励磁机控制硬件和软件进行接口。可支持运行及显示数据、告警、状态、诊断等的多路显示。可支持远程(例如在操作员控制台上)或本地(例如在励磁机门上)选项。

[0120]下面参照诊断接口(如键盘)。小键盘可用作本地操作员接口，并且可安装在与励磁机控制系统相关的柜门上。开始/停止命令、调节器转换命令以及调节器选择可以从小键盘发出。小键盘还包括仪表显示，表明系统状况，例如发电机的MW和MVARS、励磁电流和电压、调节器平衡等。诸如告警历史、设置、应用数据以及I/O接口显示等诊断显示为维护人员提供系统信息。

[0121]控制系统1200及外围设备所实现的功能可通过硬件和软件的结合来完成。诸如传感器、继电器、驱动装置、控制器之类的励磁设备可结合到整个系统中，并且可将数据以模拟或数字形式提供给系统，或者可以由例如来自控制系统或相关设备的模拟或数字输出来控制。

[0122]励磁系统的一个重要功能是变换系统，通常主要以软件实现。发电机的PT和CT是自动(发电机端电压)调节器、大部分限制器以及保护功能所需的控制信号源。一方面，可提供一种变换器，与较为传统的发电机变换器不同，它以高速同时对交流波形进行抽样，在软件上采用数学算法以数字方式产生所需变量。例如，软件变换器系统的输出可包含以下各项：发电机电压-平均发电机输出电压；发电机有效电流-平均发电机输出电流，与功率同相；发电机无功电流-平均发电机输出电流，与无效(无功)功率(VAR)同相；发电机频率-发电机的电流工作频率；滑动-表示转子速度变化的信号。基于软件的变换器系统可采用以上数据来计算以下各项：发电机功率及VAR；发电机磁通量(V/Hz)；以及相角和功率因数。

[0123]自动调节器参考(AUTO REF)块为自动电压调节器(AVR)产生自动控制(AC)设定点变量。操作员命令(升高和降低输入)来自直接输入或者经数据链路来自HM1操作员站或者来自工厂DCS或远程调度系统。该块可配置具有上限和下限、预置以及上/下斜坡时间。

[0124]手动调节器参考(MANUAL REF)块为手动电压调节器(MVR)产生手动设定点变量。操作员命令(升高和降低输入)来自直接输入或者经数据链路来自HM1操作员站或者来自工厂DCS或远程调度系统。该块可配置上限和下限、预置以及上/下斜升时间。

[0125]另外，可提供自动和手动参考跟随器(跟踪)。软件实现的功能调整非有效调节器输出，以便自动跟踪有效调节器。也就是说，当自动调节器正在控制发电机时，手动调节器将跟踪，而当手动调节器正在控制发电机时，自动调节器将跟踪。当出现从一个调节器向另一个调节器的转换时，这会提供平稳过渡。

[0126]励磁机AVR设定点(EXASP)块组合多个功能来产生对自动电压调节器的参考输入和变量以支持调节器跟踪。例如，来自该块的参考输出是以下各项的总和：来自PSS块的稳定信号；A VR REF块的输出；来自UEL块的限制器信号；来自RCC/ARCC块的输出；产生V/Hz限制器信号的频率和发电机电压的组合；外部测试信号，支持白噪声和步进测试信号的引入。

[0127]欠励磁限制器(UEL)是辅助控制器，限制自动电压调节器对欠励磁无功电流或功率的需求。UEL防止发电机磁场激励减少到超过小信号(稳态)稳定性限制或者定子铁心端区加热限制的水平。通过在发电机功能曲线上识别限制器动作的区域来指定性能。

[0128]无功电流补偿(RCC/ARCC)功能在无功电流补偿(RCC-固定偏差)模式时，允许共用并联机器之间的无功电流。在有效无功电流补偿(ARCC-线路压降)模式时，它启用“线路压降”，用于在远离发电机端子的某个点上进行调节。

[0129]伏特/赫兹限制器(V/Hz Lim)功能用来将不可接受的伏特/赫兹的比率降低到发电机的最大持续容量。这个功能采用来自软件变换器的两个输入，平均发电机电压以及发电机频率，其V/Hz比率是可配置的。认为发电机在额定频率上在额定端电压的±5％以内可接受地工作。

[0130]AVR的自动电压调节器(AVR)功能将在负载和工作条件改变时保持发电机端电压恒定。误差值(平均发电机电压减去来自EXASP块的合成参考输出)是对具有积分器终结保护的比例加积分(PI)调节器的输入。在大多数应用中，AVR控制输出直接控制开启命令发生器，它在启用AVR时控制电桥SCR的选通。在要求内部环路调节器的某些应用、如复合(发出电压和电流的)励磁机以及一些高限度励磁机中，手动调节器将采用来自AVR的控制输出作为设定点输入。

[0131]电力系统稳定器(PSS)向自动调节器提供附加输入，以便改善电力系统动态性能。许多不同的量可由PSS使用，诸如轴速、频率、同步机电功率、加速功率或这些信号的某种组合。控制系统1200中提供的PSS是使用同步机电功率和内部频率(接近转子)的结合的多输入系统，以便达到与转子转速成比例的信号。这来自加速功率的积分，但是轴扭力信号极大地衰减。

[0132]当发电机定子电流超过额定值时，使用定子电流限制(SCL)功能。在出现这种状况时，励磁机将从AVR控制改变为预置到最小定子电流值的VAR控制。一旦定子电流小于额定值，励磁机将返回到AVR控制。

[0133]手动调节器的手动调节器(FVR或FCR)功能控制发电机励磁电压或电流，从而使发电机输出电压随磁场中磁通量水平、发电机的速度及负载而变化。类似于AVR，手动调节器采用具有积分器终结保护的比例加积分(PI)调节器，其控制输出直接控制开启命令发生器，它在启用时控制电桥SCR的选通。存在两种输入，即对手动调节器的设定点或参考输入以及发电机磁场反馈。

[0134]对于大多数应用，手动调节器设定点或参考输入仅来自MANUAL REF块，仅在操作员选择时或者在控制转换之后来控制电桥。对于要求内部环路调节器与AVR配合使用的应用，当AVR控制发电机时，设定点输入将来自AVR控制输出。

[0135]发电机磁场反馈指明手动调节器的类型。励磁电压调节器(FVR)是大部分应用上提供的典型手动调节器，采用发电机励磁电压作为反馈输入。FVR允许电流随励磁线圈电阻而变化。励磁电流调节器(FCR)。这是手动调节器的一种特殊应用，采用发电机励磁电流作为反馈输入。当它随变化的励磁线圈温度调节恒定的励磁电流时，GE未选择FCR作为其标准手动调节器，因为它禁止与过励磁限制器信号独立。

[0136]过励磁限制器(OEL)功能将保护发电机励磁绕组免受要求异常高的励磁电流的事件所损坏。这些扩展时间上的高电流能够使励磁绕组过热，从而导致损坏。发电机励磁绕组可设计为ANSI标准C50.13，它规定随时间变化的过电压，这是设计励磁所遵循的。这个标准采用曲线将励磁绕组过热描述成随时间和电流而变化。OEL可设计为近似于励磁电压对时间的曲线。

[0137]OEL直接与电桥开启命令发生器进行接口，因此，它能够保护发电机励磁绕组在自动或手动调节器模式下不受损坏。该功能在正常工作条件下未激活。这允许励磁机响应任何发电机故障状况，而在大约一秒的时段里没有电流限制。此后再激活两级电流限制器。第一级通常将电流限制在较高值。采用已知的励磁绕组加热时间常数对进入励磁绕组的热负荷进行积分，直至达到励磁绕组限制。这时，电流限制器将转换到下限。该事件结束时，积分器将根据比加热时间常数慢的励磁绕组的冷却时间常数进行放电。

[0138]电流限制值可根据发电机的工作模式选择。在发电机脱机时使用脱机限制，在发电机联机时使用联机限制。

[0139]氢压力/温度限制器补偿特征根据发电机冷却来对关键发电机限制器以及保护功能的配置参数进行补偿。这个功能的目的是将限制器动作与有效的发电机功能曲线相关。对于氢冷却发电机，正确的参数是内部氢压力，而对于空气冷却发电机，则是空气温度。在任何一种情况下，励磁机采用4-20毫安输入来捕捉参数。受压力/温度补偿影响的三个限制器是：欠励磁限制器(UEL)；过励磁限制器(OEL)；以及定子电流限制器。

[0140]输入三个发电机性能曲线的参数配置补偿。励磁机控制系统中的软件将这个数据外插到将发电机的当前工作状况转换为正确限制器配置参数所需要的无数曲线中。

[0141]在选择手动调节器(FVR或FCR)时，手动限制性限制器特征限制励磁机的欠励磁操作。当该装置在低于手动限制性限制器所要求的励磁电压以下工作、但仍然在AVR模式下工作时，它也不允许手动调节器跟踪自动调节器。

[0142]VAR/PF控制功能由AVR参考设定点的缓慢渐变来实现。VAR/PF由操作员命令进行选择，var/pf值则采用例如升高/降低按钮来控制。

[0143]可包含用于产生具体模型的发电机模拟器(GEN SIM)，作为励磁系统软件的组成部分。这个模块可配置为近似匹配实际发电机的操作并用于操作员培训，并能够支持调节器、限制器以及保护功能的检验，而不连接到发电机。

[0144]单元数据总线接口(UDH)将励磁机与诸如涡轮控制系统之类的发电机控制系统连接，例如GE的Speedtronic^TM、人机接口(HMI)或HM1 Viewer！数据服务器以及GE Fanuc PLC控制器。UDH基于以太网全局数据(EGD)协议。UDH将数字窗口提供到励磁机中，通过它能够监测和控制所有相关变量。在该链路上还支持与GE的控制系统工具箱配置和励磁机的维护工具之间的接口。

[0145]另外，励磁机能够支持ModBus RTU从属数据链路，以便与客户DCS系统接口。这个链路能够基于RS-232或者通过以太网10baseT硬件使用TCP/IP支持。命令和数据都可受支持。

[0146]伏特/赫兹保护(24G)功能用作对伏特/赫兹限制器的备份，并且能够采用或不采用C(保护)控制器来支持。保护方案包含两级伏特/赫兹保护：一级对于反相时段在伏特/赫兹上设置在每单元1.10，另一级对于2第二时段设置在每单元1.18。跳闸和时间设定点都可调整。

[0147]过励磁保护(OET)功能用作对过励磁限制器的备份，并且能够与保护模块分开购买。如果出现限制器无法纠正的过励磁情况，则产生跳闸信号。这个功能近似于ANSI Std.C50.13所定义的励磁电压对时间的曲线。

[0148]发电机过压跳闸(59G)功能监测发电机电枢电压，并且在检测到不可接受的高压时发出跳闸信号。

[0149]测量用变压器熔断器故障检测(PTFD)功能检测对电压调节器的PT反馈电压的丢失。如果感测电压丢失或者为单相，则有一个向手动调节器的转换，并且提供告警输出。如果电源变压器(PPT)由辅助总线而不是发电机端子来供电，则必须提供第二组PT信号以便单独监测发电机端电压。

[0150]“在丢失PT时向手动调节器转换”功能检测对AC电压调节器的PT反馈电压的丢失。如果感测电压丢失，调节器则在0.5秒中迫使其输出达到最高限度，然后再转换到手动。这明显不同于PTFD功能，后者不会迫使调节器在转换前达到最高限度。

[0151]励磁丢失保护(40)功能检测同步机上的励磁丢失。这是一个以软件实现的阻抗继电器功能。这个功能能够用来满足所建议的设定，并且能够适应独立的继电器特性。该功能在软件代码中执行，并且能够适应偏置设定以及两个直径设定。例如，偏置设定可以等于机器瞬变电抗的一半(X’d/2)；小直径设定等于机器底座上每单位1.0；以及大直径设定等于机器同步电抗(Xd)。小直径设定没有时间延迟，大直径设定则具有可调整的时间延迟。

[0152]两个继电器特性的每一个均可独立调整(偏置-直径-时间延迟)，并且能够用来发出“跳闸”信号。在“欠励磁限制”下工作时，两个继电器特性的使用可用来针对与电压调节器的性能有关的事项。调节器可能下冲，同时尝试保持该限度，并使视在阻抗瞬间进入继电器特性。如果仅使用一个继电器特性(小直径)，则因任何调节器下冲而可能存在不想要的操作。采用具有时间延迟的大直径设定有助于通过下冲来避免这个问题。

[0153]励磁机相位不平衡(EUT)功能监测来自三相输入电源变压器的次级电压。如果存在电压相位不平衡状况，则产生告警，并且在时间延迟之后发出跳闸信号。

[0154]当发电机脱机时，脱机过励磁保护(OLOT)功能用作对过励磁限制器的备份。如果发电机励磁电流无论在自动调节器或手动调节器模式下脱机工作时超过空载励磁电流的120％，以及限制器无法纠正过励磁状况，则这个功能将在时间延迟之后发出跳闸信号。

[0155]发电机励磁绕组温度计算特征通过将励磁电压除以励磁电流来测量电阻。根据在25℃已知的励磁线圈电阻以及铜线中的线性电阻温度变化，该算法计算工作温度。还包括可调整高温告警输出触点。

[0156]虽然图12的实施例集中在励磁接地检测器对于静态励磁机的应用上，但是本发明的概念能够用来检测众多应用中的任一个应用中的接地，包括调节器应用中的发电机励磁绕组上的接地。例如，提供了激励旋转励磁机的磁场的调节器或者饱和变压器的控制绕组，作为复合静态励磁机的组成部分。一个重要方面是提供对发电机励磁绕组的接入，以便确保有效的系统操作。对于静态励磁机，EXAM卡用来作为接地检测器模块和磁场绕组之间的接口。EGDM卡用来作为控制机架中励磁机卡和EXAM卡之间的接口。在调节器应用中，相同的EXAM卡可用来与磁场绕组进行接口，但EROC卡(与接地检测器模块中的EGDM卡相对)用来执行大部分接地检测器功能。使用调节器时，一般不使用冗余接地检测器。

[0157]可对上述实施例进行其它修改，只要不背离要由以下权利要求及其法律等效物所包含的本发明的精神和范围。

附录：软件

各通道(M1、M2和C3)要求以下输入信号：

感测电阻器上的电压

振荡器从控制的主控制器向下一级的转换时间

平均发电机励磁电压

振荡器电压

测试模式下工作的命令

复位命令

C3用于在哪个振荡器用来控制检测器电路之间进行仲裁。

C3响应命令以插入M1或M2作为控制振荡器，并且用来在检测到VCO故障时自动切换到另一个振荡器。如果检测到振荡器故障并且冗余通道可用，则C3应通过将接地检测器切换到另一个主控制器的振荡器并通知振荡器故障来对该故障进行响应。除以上各项之外，C3还要求以下输入信号：

转换到另一个主控制器的振荡器的命令

以下说明概括了励磁接地检测器算法的操作：

将Vsp、Vsn、Vfgp、Vfgn、Vop以及Von初始化为零，其中，下标p表示正振荡器电压的读数，下标n表示负振荡器电压的读数

获取和调节数据(这会连续运行)

获取Vsense

在31.4弧度用1个低通滤波器进行滤波

将滤波器输出存储为Vsensef-1

在31.4弧度用2个低通滤波器进行滤波

将滤波器输出存储为Vsensef-2

用冲洗滤波器对Vsense-2进行滤波(s/12.563/((s/12.563)+1)

将滤波器输出存储为Vsensef-3

求Vsense-3的绝对值

用具有以1弧度/秒中断的2极点低通滤波器对Vsense-3的

绝对值进行滤波

存储为Vsense-4[注意：可使用DFT或FFT来进行这种滤波，但是因为低频，所以需要大的时间窗口。]

获取Vfg

在31.4弧度用3个低通滤波器进行滤波(与读出相同)

存储为Vfg-filt

开始FGD算法

If″FGD＝OFF″then

禁用跳闸和告警

返回并检查FGD＝ON

End if

If“测试模式”＝“真”then

需要时将测试模式命令发送到另一个主控制器和C3

打开软件FGD跳闸触点

指示振荡器转到非工作频率(2.5Hz)

开始测试模式

设置第1次通过＝真

设置Test_timer

Test_timer＝10秒

启动Test_timer计时器检查1 If Test_timer＜9.8 then

If本身是主控then

命令+转换

启动0.2-秒计时器

If 0.2-秒计时器＜0.2秒then

返回并检查0.2-秒计时器

End if

Go to计时器检查2Else

If Test_timer＞＝10秒then

If冗余then

对Vsense-4抽样

将Vsense-4发送到其它控制器

等待0.05秒

从其它两个控制器获取Vsense-4

Vsense-4＝三个读数的中值

If Vsense-4＞Test_Volts then

If第一次通过＝真then

FGD1＝合格

设置第一次通过＝假

Test_timer归零

Go to设置Test_timer

Else

FGD2＝合格

End if

Else

If第一次通过＝真then

FGD1＝失败

设置第一次通过＝假

Test_timer归零

Go to设置Test_timer

Else

FGD2＝失败

End if

If FGD1和FGD2＝合格

声明FGD测试合格

Else

声明FGD测试失败

停止测试并将测试计时器归零

等待复位

End if

End ifElse

对Vsense-4抽样

If Vsense-4＞Test_Volts then

FGD＝合格

声明FGD测试合格

Else

FGD＝失败

声明FGD测试失败

停止测试并将Test_timer归零

等待复位

End if

Else

返回并检查Test_timer＞＝10秒

End ifEnd if计时器检查2 If Test_timer＜9.8 then

If本身属于主控振荡器then

命令(-)转换

启动0.2-秒计时器

If 0.2-秒计时器＜0.2秒then

返回并检查0.2-秒计时器

End if

Go to计时器检查1End ifElse

If本身属于主控振荡器then

命令振荡器转到一状态

End if

If Test_timer＞＝10秒then

对Vsense-4抽样

If冗余then

将Vsense-4发送到其它控制器

等待0.05秒

从其它两个控制器获取Vsense-4

Vsense-4＝三个读数的中值

If Vsense-4＞Test_Volts then

If第一次通过＝真then

FGD1＝合格

设置第一次通过＝假

Test_timer归零

Go to设置Test timer

Else

FGD2＝合格

End if

Else

If第一次通过＝真then

FGD1＝失败

设置第一次通过＝假

Test_timer归零

Go to设置Test_timer

Else

FGD2＝失败

End if

If FGD1和FGD2＝合格then

声明FGD测试合格

Else

声明FGD测试失败

停止测试并将Test_timer归零

等待复位

End if

Else

对Vsense-4抽样

If Vsense-4＞Test_Volts then

声明FGD测试＝合格

Else

声明FGD测试＝失败

停止测试并将Test_timer归零

等待复位

End if

Else

返回并检查Test_timer＞＝10秒

End if

设置“测试模式”＝假

正常工作

(+)振荡器状态

If本振荡器＝“主控”then

命令+振荡器状态

如果冗余则向其它控制器发送命令

启动2.5秒计时器

启动0.2秒计时器Else(另一个主控制器或C3)

等待来自另一个主控制器的“命令+振荡器状态”

启动0.2秒计时器End ifIf 0.2秒计时器＞＝0.2秒then

If冗余then

读取振荡器电压

将振荡器电压发送到其它两个控制器

等待0.05秒

从其它两个控制器读取振荡器电压

设置Vosp＝三个读数的中值

If Vosp＜40伏then

声明振荡器不正常工作

返回到(+)振荡器状态

End ifElse(非冗余)

读取振荡器电压

设置Vosp＝振荡器电压

If Vosp＜40伏then

声明振荡器不正常工作

打开告警和跳闸触点

声明FGD不正常工作

等待复位

End if

Else

等待0.2秒计时器＞＝0.2秒

End if

If2.5秒计时器＞＝2.4秒then

执行未滤波Vsense的DFT以确定基频分量。查看WRP在

无刷二极管故障监测器的类似功能上的工作。设正弦和余弦发

电机的频率锁定在PPT频率，使DFT在从50％速度启动时跟

踪频率。无刷二极管故障监测器上所使用的相同200毫秒抽样

值记录对这种应用是足够的，本人认为通常需要汉宁加权。

对Vsensef-2和Vfg-filt抽样

将Vsensef-2存储为Vsp，Vfg-filt存储为Vfgp，以及Vsense

的基频分量的幅度存储为Vsfund

If冗余then

将Vsp、Vfgp以及Vsfund发送到其它控制器

等待0.05秒

设置Vsp＝来自各控制器的Vsp的中值

设置Vfgp＝来自各控制器的Vfgp的中值

设置Vsfund＝来自各控制器的Vsfund的中值

End if

Go to故障计算

End if

If2.5秒计时器＞＝2.5秒then

Go to(-)振荡器状态

Else

等待时间到期

End if(-)振荡器状态

If本振荡器＝“主控”then

命令(-)振荡器状态

如果冗余则向其它控制器发送命令

开始2.5秒计时器

开始0.2秒计时器Else(另一个主控制器或C3)

等待来自另一个主控制器的“命令(-)振荡器状态”

开始0.2秒计时器End ifIf0.2秒计时器＞＝0.2秒then

If冗余then

读取振荡器电压

将振荡器电压发送到其它两个控制器

等待0.05秒

从其它两个控制器读取振荡器电压

设置Vosn＝三个读数的中值

If Vosn＞-40伏then

声明振荡器不正常工作

返回到(-)振荡器状态

End if

Else(非冗余)

读取振荡器电压

设置Vosn＝振荡器电压

If Vosn＞-40伏then

声明振荡器不正常工作

打开告警和跳闸触点

声明FGD不正常工作

等待复位

End if

Else

等待0.2秒计时器＞＝0.2秒

End if

If2.5秒计时器＞＝2.4秒then

执行未滤波Vsense的DFT以确定基频分量。查看WRP

在无刷二极管故障监测器的类似功能上的工作。设正弦和

余弦发电机的频率锁定在PPT频率，使DFT在从50％速

度启动时跟踪频率。无刷二极管故障监测器上所使用的相

同200毫秒抽样值记录对这种应用是足够的，本人认为通

常需要汉宁加权。

对Vsensef-2和Vfg-filt抽样

将Vsensef-2存储为Vsn，Vfg-filt存储为Vfgn，以及

Vsense的基频分量幅度存储为Vsfund

If冗余then

将Vsn、Vfgn以及Vsfund发送到其它控制器

等待0.05秒

设置Vsn＝来自各控制器的Vsn的中值

设置Vfgn＝来自各控制器的Vfgn的中值

设置Vsfund＝来自各控制器的Vsfund的中值

End if

Go to故障计算

End if

If2.5秒计时器＞＝2.5秒then

Go to(+)振荡器状态

Else

等待时间到期

End if故障计算

读取基频分量(Vsfund)

If冗余then

将Vsfund发送到其它控制器

等待0.05秒

Vsfund＝3个控制器的中值

End if

If Vsfund＞lvrms then

设置AC故障标志

End if

If运行then

Rx＝{A*(Vsp*Vfgn/Vfgp-Vsn)-B*(Voscp*Vfgn/Vfgp-

Voscn)}/{C*(Vsn-Vsp*Vfgn/Vfgp)+D*(Voscp*Vfgn/Vfgp-

Voscn)}

[A＝2*R*Rb^2*Rs+R^2*Rb^2

B＝2*R*Rb^2*Rs

C＝2*R^2*Rb+4*R*Rb*Rs+2*R*Rb^2

D＝4*R*Rb*Rs]

IfRx＜Rx_Alarm

告警计数器加1

If告警计数器＞＝2then

IfAC故障标志then

声明AC接地告警

Else

声明DC接地告警

End if

Else

告警计数器归零

End if

If Rx＜Rx_Trip

跳闸计数器加1

If跳闸计数器＞＝3then

If AC故障标志then

声明AC接地跳闸

显示Rx

Go to在恢复操作之前等待复位

Else

声明DC接地跳闸

显示Rx

Go to在恢复操作之前等待复位

End if

Else

跳闸计数器归零

End if

If选项故障位置then

If告警“或”跳闸then

位置＝(E*Vsp-F*Voscp+G*Vfgp)/(H*Vfgp)

If位置＞0.95 then

声明正母线故障

Else

If位置＜0.05then

声明负母线故障

Else

声明故障位置为距负母线位置*100％

End if

{位置＝1是+母线上的故障；位置＝0是负励磁母线上的故障}

[E＝R^2Rb^2+2R^2RbRx+2RRb^2Rx+2RrB^2Rs+4RRbRsRx

F＝4*R*Rb*Rs*Rx+2*R*Rb^2*Rs

G＝Rs*R*Rb^2

H＝2*Rs*R*Rb^2]

If跳闸＝“真”then

设置等待复位＝“真”

End ifElseRx＝{A*(Vsp-Vsn)-B*(Voscp-Voscn)}/

{C*(Vsn-Vsp)+D*(Voscp-Voscn)}[A＝2*R*Rb^2*Rs+R^2*Rb^2B＝2*R*Rb^2*RsC＝2*R^2*Rb+4*R*Rb*Rs+2*R*Rb^2D＝4*R*Rb*Rs]IfRx＜Rx_Alarm

告警计数器加1

If告警计数器＞＝2 then

If AC故障标志then

声明AC接地告警

Else

声明DC接地告警

End if

End ifElse

告警计数器归零End ifIf Rx＜Rx_Trip

跳闸计数器加1

If跳闸计数器＞＝3 then

IfAC故障标志then

声明AC接地跳闸

显示Rx

Go to在恢复操作之前等待复位

Else

声明DC接地跳闸

显示Rx

Go to在恢复操作之前等待复位

End if

Else

跳闸计数器归零

End if

等待复位

If等待复位＝真then

If复位＝真then

复位FGD计数器、跳闸、告警以及存储位置

并且转到启动FGD算法

Else

返回并检查复位＝真

End if

If已命令(+)振荡器状态then

Return to(-)振荡器状态

Else

Return to(+)振荡器状态

End if

C3算法[注意：仅在冗余情况下使用]

将Vsp、Vsn、Vfgp、Vfgn、Vop以及Von初始化为零，其中下标p表示正振荡器电压的读数，下标n表示负振荡器电压的读数

获取和调节数据(这将连续运行)

获取Vsense

在31.4弧度用1个低通滤波器滤波

将滤波器输出存储为Vsensef-1

在31.4弧度用2个低通滤波器滤波

将滤波器输出存储为Vsensef-2

用冲洗滤波器对Vsense-2滤波(s/12.563/((s/12.563)+1)

将滤波器输出存储为Vsensef-3

求Vsense-3的绝对值

用具有以1弧度/秒中断的2极点低通滤波器对Vsense-3的

绝对值滤波

存储为Vsense-4[注意：可使用DFT或FFT来进行这种滤波，但因低频而需要大的时间窗口。给定0.5Hz频率分辨率，认为需要最小值2秒。]

获取Vfg

在10弧度用1个低通滤波器滤波

存储为Vfg-filt开始FGD算法

If″FGD＝OFF″then

禁用跳闸和告警

返回并检查FGD＝ON

End if

If“测试模式”＝真then

打开软件FGD告警和跳闸触点

开始测试模式

设置第1次通过＝真

存储主选择开关的状态设置Test_timer Test_timer＝10秒

启动Test_imer计时器检查1 If第1次通过then

切换到M1振荡器

Else

切换到M2振荡器

End if

If Test_timer＞＝10秒then

对Vsense-4抽样

将Vsense-4发送到其它控制器

等待0.05秒

从其它两个控制器获取Vsense-4

Vsense-4＝三个读数的中值

If Vsense-4＞Test_Volts then

If第一次通过＝真then

FGD1＝合格

设置第一次通过＝假

将振荡器切换到M2

Test_timer归零

Go to设置Test_timer

Else

FGD2＝合格

End if

Else

If第一次通过＝真then

FGD1＝失败

设置第一次通过＝假

将振荡器切换到M2

Test_timer归零

Go to设置Test_timer

Else

FGD2＝失败

End if

IfFGD1和FGD2＝合格then

声明FGD测试合格

设置“测试模式”＝假

恢复主选择开关状态

Go to正常操作

Else

声明FGD测试失败

停止测试并将Test_timer归零

设置“测试模式”＝假

恢复主选择开关状态

等待复位

End if

Else

返回并检查Test_timer＞＝10秒

End if

正常工作

(+)振荡器状态

启动0.5秒计时器

If0.5秒计时器＞＝0.5秒then

If主控制器1振荡器进行控制

声明主控制器1振荡器不正常工作

切换到主控制器2振荡器

启动0.5秒计时器

If 0.5秒计时器＞＝0.5秒then

声明主控制器2振荡器不正常工作

打开告警和跳闸触点

声明FGD不正常工作

等待复位

End if

Else

声明主控制器2振荡器不正常工作

切换到主控制器1振荡器

启动0.5秒计时器

If0.5秒计时器＞＝0.5秒then

声明主控制器1振荡器不正常工作

打开告警和跳闸触点

声明FGD不正常工作

等待复位

End if

等待来自主控制器的“命令+振荡器状态”

启动0.2秒计时器

启动2.5秒计时器If 0.2秒计时器＞＝0.2秒then

复位0.5秒计时器

读取振荡器电压

将振荡器电压发送到其它两个控制器

等待0.05秒

从其它两个控制器读取振荡器电压

设置Vosp＝三个读数的中值

If Vosp＜40伏then

If另一个振荡器正常then

声明出故障的振荡器(M1或M2)不正常工作

切换到另一个振荡器

返回到(+)振荡器状态

Else

声明M1和M2振荡器不正常工作

打开告警和跳闸触点

声明FGD不正常工作

等待复位

End if

End ifEnd ifIf2.5秒计时器＞＝2.4秒then

执行未滤波Vsense的DFT以确定基频分量。查看WRP

在无刷二极管故障监测器的类似功能上的工作。设正弦和余

弦发电机的频率锁定在PPT频率，使DFT在从50％速度启动

时跟踪频率。无刷二极管故障监测器上所用的相同200毫秒

抽样值记录对这种应用看来是足够的，本人认为通常需要汉

宁加权。

对Vsensef-2和Vfg-filt抽样

将Vsensef-2存储为Vsp，Vfg-filt存储为Vfgp，以及Vsense的基频分量幅度存储为Vsfund

将Vsp、Vfgp以及Vsfiund发送到其它控制器

等待0.05秒

设置Vsp＝来自各控制器的Vsp的中值

设置Vfgp＝来自各控制器的Vfgp的中值

设置Vsfund＝来自各控制器的Vsfund的中值

Else

等待2.5秒计时器＞＝2.4秒

End if

Go to故障计算

End if

If2.5秒计时器＞＝2.5秒then

Go to(-)振荡器状态

Else

等待时间到期

End if

End if(-)振荡器状态

启动0.5秒计时器

If主控制器1振荡器进行控制

声明主控制器1振荡器不正常工作

切换到主控制器2振荡器

启动0.5秒计时器

If 0.5秒计时器＞＝0.5秒then

声明主控制器2振荡器不正常工作

打开告警和跳闸触点

声明FGD不正常工作

等待复位

End if

Else

声明主控制器2振荡器不正常工作

切换到主控制器1振荡器

启动0.5秒计时器

If 0.5秒计时器＞＝0.5秒then

声明主控制器1振荡器不正常工作

打开告警和跳闸触点

声明FGD不正常工作

等待复位

End if

End ifEnd if等待命令(-)振荡器状态启动2.5秒计时器启动0.2秒计时器If 0.2秒计时器＞＝0.2秒then复位0.5秒计时器读取振荡器电压将振荡器电压发送到其它两个控制器等待0.05秒从其它两个控制器读取振荡器电压设置Vosn＝三个读数的中值If Vosn＞-40伏then

If另一个振荡器正常then

声明出故障的振荡器(M1或M2)不正常工作

切换到另一个振荡器

返回到(-)振荡器状态

Else

打开告警和跳闸触点

声明M1和M2振荡器不正常工作

声明FGD不正常工作

等待复位

End if

If2.5秒计时器＞＝2.4秒then

执行未滤波Vsense的DFT以确定基频分量。查看WRP在

电机的频率锁定在PPT频率，使DFT在从50％速度启动时跟

踪频率。无刷二极管故障监测器上所用的相同200毫秒抽样值

记录对这种应用看来是足够的，本人认为通常需要汉宁加权。

对Vsensef-2和Vfg-filt抽样

将Vsensef-2存储为Vsn，Vfg-filt存储为Vfgn，以及Vsense的基频分量幅度存储为Vsfund

将Vsn、Vfgn以及Vsfund发送到其它控制器

等待0.05秒

设置Vsn＝来自各控制器的Vsn的中值

设置Vfgn＝来自各控制器的Vfgn的中值

设置Vsfund＝来自各控制器的Vsfund的中值

Else

等待2.5秒计时器＞＝2.4秒

End if

Go to故障计算

If2.5秒计时器＞＝2.5秒then

Go to(+)振荡器状态

Else

等待时间到期

End if故障计算

读取基频分量(Vsfund)

If冗余then

将Vsfund发送到其它控制器

等待0.05秒

Vsfund＝3个控制器的中值End ifIf Vsfund＞lvrms then

设置AC故障标志End ifIf运行then

Rx＝{A*(Vsp*Vfgn/Vfgp-Vsn)-B*(Voscp*Vfgn/Vfgp-Voscn)}/{C*(Vsn-Vsp*Vfgn/Vfgp)+D*(Voscp*Vfgn/Vfgp-Voscn)}

[A＝2*R*Rb^2*Rs+R^2*Rb^2

B＝2*R*Rb^2*Rs

C＝2*R^2*Rb+4*R*Rb*Rs+2*R*Rb^2

D＝4*R*Rb*Rs]

IfRx＜Rx_Alarm

告警计数器加1

If告警计数器＞＝2 then

IfAC故障标志then

声明AC接地告警

Else

声明DC接地告警

End if

End ifElse

告警计数器归零

End if

IfRx＜Rx_Trip_then

跳闸计数器加1

If跳闸计数器＞＝3then

If AC故障标志then

声明AC接地跳闸

显示Rx

Go to在恢复操作之前等待复位

Else

声明DC接地跳闸

显示Rx

Go to在恢复操作之前等待复位

End if

End ifElse

跳闸计数器归零End ifIf选项故障位置thenIf告警“或”跳闸then

位置＝(E*Vsp-F*Voscp+G*Vfgp)/(H*Vfgp)

If位置＞0.95 then

声明正母线故障

Else

If位置＜0.05 then

声明负母线故障

Else

声明故障位置为距负母线位置*100％

End if

End ifEnd ifEnd if{位置＝1是+母线上的故障；位置＝0是负励磁母线上的故障}[E＝RRb^2+2R^2RbRx+2RRb^2Rx+4RRbRsRxF＝4*R*Rb*Rs*Rx+2*R*Rb^2*RsG＝Rs*R*Rb^2H＝2*Rs*R*Rb^2]If跳闸＝“真”then

设置等待复位＝“真”End ifElse

Rx＝{A*(Vsp-Vsn)-B*(Voscp-Voscn)}/

{C*(Vsn-Vsp)+D*(Voscp-Voscn)}

[A＝2*R*Rb^2*Rs+R^2*Rb^2

B＝2*R*Rb^2*Rs

C＝2*R^2*Rb+4*R*Rb*Rs+2*R*Rb^2

D＝4*R*Rb*Rs]

IfRx＜Rx_Alarm

告警计数器加1

If告警计数器＞＝2then

IfAC故障标志then

声明AC接地告警

Else

声明DC接地告警

End if

End ifElse

告警计数器归零End ifIfRx＜Rx_Trip

跳闸计数器加1

If跳闸计数器＞＝3 then

IfAC故障标志then

声明AC接地跳闸

显示Rx

Go to在恢复操作之前等待复位

Else

声明DC接地跳闸

显示Rx

Go to在恢复操作之前等待复位

End if

Else

跳闸计数器归零

End ifEnd ifIf已命令(+)振荡器状态then

Return to(-)振荡器状态Else

Return to(+)振荡器状态End ifIf转换主控制器＝真then

If其它主控制器振荡器正常then

切换到另一个主控制器的振荡器

Else

声明“转换被拒绝，另一个振荡器不正常工作”

End ifEnd if

Claims

1.一种用于检测励磁回路接地的系统，包括：

感测电阻器(106)；

衰减器网络(108、110)；

参考信号源(104)，向电机的磁极引线(116)提供参考信号，所述参考信号在操作上与所述感测电阻器和衰减器网络耦合，其中所述衰减器网络连接所述磁极引线，产生使所述励磁绕组中心偏置成相对于地加上和减去所述参考信号的信号；

压控振荡器(VCO)(102)，适合测量所述感测电阻器上的差分电压；以及

控制逻辑(500)，适合协调测量数据的收集，并从所述测量数据中提取接地故障电阻和接地故障位置的估算值。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制逻辑包括：第一通信通道，用于发送指示所述系统进行测量的测量命令；以及第二通信通道，用于读取所述系统作出的测量结果。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制逻辑被配置成通过对所述参考信号的两个连续半周期进行测量来估算所述接地故障电阻。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制逻辑被配置成采用下列公式来估算所述接地故障电阻(Rx)：

Rx＝{(2RRsRb^2+R^2Rb^2)((Vfgn/Vfgp)Vs1-Vs2)-2RRsRb^2((Vfgn/Vfgp)*Voscp-Voscn)}/{(2RbR^2+4RRbRs+2RRb^2)(Vs2-(Vfgn/Vfgp)Vs1)+4RRbRs((Vfgn/Vfgp)*Voscp-Voscn)}，

其中，R表示耦合在所述参考信号和所述发电机的所述磁极引线之间的衰减器网络，Rb表示泄放电阻器的电阻，Vs1和Vs2分别表示所述参考信号在正、负半周期的时段中所述感测电阻器Rs上的电压，Voscp和Voscn分别表示正、负半周期上的参考信号电压，以及Vfgn和Vfgp分别表示所述参考信号在负、正半周期的时段中的励磁电压。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制逻辑被配置成采用下列公式中至少一个来估算接地故障的位置：

x＝(Vs1*(RRb^2+2R^2RbRx+2RRb^2Rx+4RRbRsRx)-(2RRb^2Rs+4RRbRsRx)*Voscp+(RRsRb^2)*Vfgp)/(2RRsRb^2*Vfgp)；

x＝(Vs2*(RRb^2+2R^RbRx+2RRb^2Rx+4RRbRsRx)-(2RRb^2Rs+4RRbRsRx)*Voscn+(RRsRb^2)*Vfgn)/(2RRsRb^2*Vfgn)，

其中，R表示耦合在所述参考信号和所述发电机的所述磁极引线之间的衰减器网络，Rb表示泄放电阻器的电阻，Vs1和Vs2分别表示所述参考信号在正、负半周期上的时段中所述感测电阻器Rs上的电压，Voscp和Voscn分别表示正、负半周期上的参考信号电压，以及Vfgn和Vfgp分别表示所述参考信号在负、正半周期上的时段中的励磁电压。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制逻辑被配置成通过测量所述感测电阻器中的基频电压来检测AC接地故障。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制逻辑被配置成在所述接地故障电阻大约为1500欧姆或小于1500欧姆时将所述故障识别为AC故障。

8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述控制逻辑被配置成在发出向下一个振荡器电平转变的命令之后的预定时间间隔进行测量。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括冗余低频振荡器(104)和压控振荡器(102)中的至少一种。

10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制逻辑还包括诊断逻辑(500)，用于自动测量所述感测电阻器上的差分电压，其中所述振荡器设置在高于正常工作频率的频率上。

11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述参考信号发生器是低频振荡器，以及所述参考信号是方波。

12.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电机是发电机。

13.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述发电机包括励磁系统和调节器中的至少一种。

14.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制逻辑适合区分AC和DC励磁接地故障。

15.在用于操作电机的控制系统中，一种用于检测和测量励磁接地故障的方法，所述方法包括：

检测感测电阻器的电阻；

通过所述感测电阻器和衰减器网络将参考信号加至所述发电机的磁极引线，其中所述衰减器网络连接到两个磁极引线，产生一个使所述励磁绕组中心偏置在相对于地加上和减去所述参考信号的范围内的信号；

测量所述感测电阻器上的差分电压；

分析所收集的测量数据；以及

检测接地故障，并且从所述测量数据中估算接地故障电阻以及接地故障的位置。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于还包括产生和发送用于指示所述系统为接地故障检测进行测量并读取测量结果的测量命令的步骤。

17.如权利要求15所述的方法，其特征在于还包括对所述参考信号的两个连续半周期进行测量、并从这类半周期测量中估算所述接地故障电阻的步骤。

18.如权利要求15所述的方法，其特征在于还包括采用下列公式估算所述接地故障电阻(Rx)的步骤：

x＝(Vs2*(RRb^2+2R^2RbRx+2RRb^2Rx+4RRbRsRx)-(2RRb^2Rs+4RRbRsRx)*Voscn+(RRsRb^2)*Vfgn)/(2RRsRb^2*Vfgn)，

19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，估算接地故障位置的所述步骤涉及使用下列公式中的至少一个：

x＝Vs1*(R^2Rb^2+2R^2RbRx+2RRb^2Rx+2RRB^2Rs+4RRbRsRx)-(2RRb^2Rs+4RRbRsRx)*Voscp+(RRsRb^2)*Vfgp/(2RRsRb^2*Vfgp)；

x＝Vs2*(R^2Rb^2+2R^2RbRx+2RRb^2Rx+2RRB^2Rs+4RRbRsRx3-(2RRb^2Rs+4RRbRsRx)*Voscn+(RRsRb^2)*Vfgn/(2RRsRb^2*Vfgn)，

20.如权利要求15所述的方法，其特征在于还包括通过测量所述感测电阻器中的基频电压来检测AC接地故障的步骤。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，若所述接地故障电阻大约为1500欧姆或小于1500欧姆，则检测AC故障。