110kV降压变电所电气一次部分设计--电气毕业设计论文.doc

北华大学毕业设计（论文）摘 要本文毕业设计的题目为110kV 降压变电所电气一次部分设计，通过对负荷计算及远景规划，确定了主变压器的台数、容量及型号。此110kV降压变电所设有两台主变压器。通过对所建变电站及出线的考虑和负荷资料分析，满足安全性、经济型及可靠性的要求确定了110kV、35kV、10kV侧主接线的形式。通过负荷计算及供电范围确定了主变压器台数、容量、及型号，从而得出各元件的参数，进行等值网络化简，然后选择短路点进行短路计算，根据短路电流计算结果及最大持续工作电流，选择并效验电气设备，包括母线、断路器、隔离开关、电压互感器、电流互感器等，并确定配电装置。根据计算结果为线路、变压器、母线配置继电保护并进行整定计算。完成高压配电装置的设计；绘制有关图纸（电气主接线图）。关键词：变电站；电气部分；继电保护；电气设备选择AbstractGraduation article entitled 110kV electric substation buck once part of the design, by the load calculation and vision, identified the main transformer station number, size and type.This has two main step-down substation 110kV transformer. Through the built substation and qualifying consideration and load data analysis, to meet the security, economy and reliability requirements identified 110kV, 35kV, 10kV form side of the main wiring, Through load calculations and determine the scope of the power supply main transformer station number, capacity, and models to derive the parameters of each component, equating network simplification, and then select the short-circuit point short circuit calculations, based on the short-circuit current calculation results and maximum continuous operating current Select and efficacy of electrical equipment, including bus, circuit breakers, disconnectors, voltage transformers, current transformers, and to determine the distribution equipment. According to the results of lines, transformers, bus configuration and relay setting calculation. Complete high voltage power distribution equipment design; the related drawings (Main Electrical wiring diagram).Key Words：Substation; Electrical part; Relay; Electrical equipment目录摘 要1Abstract21 、绪论11.1 励磁控制装置的系统简介11.2 励磁控制系统的任务及作用21.2.1 电压控制21.2.2 控制无功功率的分配21.2.3 提高高同步发电机并联运行的稳定性31.2.4 改善电力系统的运行条件51.2.5 水轮发电机组强行减磁51.3 研究的目的和意义61.4 国内外励磁装置研究发展的概况61.5 自动励磁调节装置结构72 、励磁装置的硬件设计112.1 系统硬件结构及功能112.1.1 数据采集部分112.1.2 功率因数的测量132.1.3 微机CPU部分152.1.4 脉冲触发及同步电路172.1.5 功率驱动电路222.1.6 键盘部分232.1.7 显示部分及其他252.2 阻容保护252.3 硬件抗干扰设计253 、励磁控制算法273.1 励磁控制算法介绍273.2 PID控制器的基本原理273.3 位置式PID控制算法303.4 增量式PID控制算法313.5 数字PID控制器的参数整定324 、自动励磁调节装置的软件实现334.1 励磁调节装置的软件结构334.2 中断处理354.3 数据采集和处理394.4 数据显示404.5 可控硅控制角的计算424.5.1 首先进行PID调节计算424.5.2 无功调差的概念434.6 按键程序及键值所对应功能464.7 逆变停车与限制动作474.8 软件抗干扰设计48结论50参 考 文 献51附录A52致谢53- 3 -北华大学毕业设计（论文）1 110kv/35kv/10kv变电站1.1 原始资料1.1.1 地区电网的特点(1)本地区即使在最枯的月份，水电站发电保证出力时亦能满足地区负荷的需要，加上小火电，基本不需要外系统支援。(2)本系统的水电大多数是迳流式电站，除发保证出力外的月份，均有电力剩余，特别是4至7月份。1.1.2 建站规模 (1)变电站类型：110kV 变电工程 (2)主变台数：最终两台(要求第一期工程全部投入) (3)电压等级：110kV、35kV、10kV (4)出线回数及传输容量 (5)无功补偿：采用电力电容两组,容量为24500kva表1.1 出线方式110kV出线6回本变长泥坡15000kW6kmLGJ120本变双溪变15000kW42.3kmLGJ120本变系统30000kW72kmLGJ150本变芷江8000kW36kmLGJ120备用两回35kV出线8回本变长泥坡8000kW6kmLGJ95本变火电厂10000kW8kmLGJ95本变中方变5000kW15kmLGJ95本变水电站10000kW12kmLGJ120 (两回)本变鸭嘴岩变5000kW10kmLGJ95备用两回10kV出线10回本变氮肥厂2500kW2km本变化工厂1500kW3km本变医院1500kW5km (两回)本变印刷厂2000kW4km本变造纸厂2500kW6km本变机械厂2500kW4km备用三回1.1.3 环境条件(1)当地年最高温度为 40, 年最低温度为-5；(2)当海拔高度为 800 米；(3)当地雷暴日数为 55 日/年；1.1.4 短路阻抗(1)系统作无穷大电源考虑：0.05，,，。(2)火电厂装机容量为 37500kW，X d = 0.125 , 最大运行方式下,该火电厂只投入二台机组,最小运行方式下,该火电厂三台机组全部投入,并满发。 (3)水电厂装机容量为 35000kW，X d = 0.27 ，最大运行方式下，该水电厂三台机组全部投入运行，并满发，最小运行方式下，该水电厂只投入一台机组。1.2 电气主接线设计原则电气主接线的基本原则：确保供电的可靠性高,根据项目的实际情况和设计要求基于主要的供电可靠、调度灵活、满足各项技术要求的前提下尽可能多节省投资保证设备和组件设计可靠、先进、经济、可靠、先进、而且要适用于审美原则。接线方式：对于变电站的电气接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽可能采用断路器较少或不用断路器的接线，如线路变压器组或桥形接线等。若能满足继电保护要求时，也可采用线路分支接线。1.3 设计主接线的要求依照可靠性、灵活性和经济性三项基本要求进行设计。（1）可靠性：其可靠性就是保证其在应该工作的时候该工作不该工作的时候不工作，供电中断不仅给电力系统造成损失，而且给国民经济各部门造成损失，后者往往比前者大几十倍变电站安全可靠的运行是电力生产的中心，所以保证供电的可靠性是电气主接线最基本的要求。停损点越靠近变电站损失越大，而且其对国民经济各部门所带来的损失将会更加严重，特别是在经济发达、电力需求大的地区，故障停电所带来的经济损失也许达到当时电价的百倍以上，而由于断电事故引发的人身伤亡以及经济损失将会非常严重，这会对社会产生严重的影响。（2）灵活性：主接线不仅要满足系统的各种正常运行形式，并且要灵活的进行运行方式的切换。其包括一下几点：操作的方便性；扩建的方便性；调度的方便性等。（3）经济性：在设计变电站的主接线时，其主要的矛盾基本是经济性与可靠性之间的矛盾。一般经济性主要是从以下几个方面考虑：节省变电站的一次投资；减少其占地面积；减少电能的线路损耗等。1.4 几种电气主接线形式的介绍（1）单母线接线与单母线分段接线的介绍及比较单母线接线通常只使用在一台发电机或一台主变压器的以下几种情况：610kV配电装置的出线回路数少于5回。3563kV配电装置的出线回路数少于3回。110220kV配电装置的出线回路数少于两回。单母线分段接线通常使用在610kV配电装置出线回路数为6回或者6回以上时。3563kV配电装置出线回路数为48回时。110220kV配电装置出线回路数为34回时。单母线分段带旁路接线通常使用在610kV配电装置，一般不设旁路母线。当地区电力网或用户不允许停电检修断路器时，可设置旁路母线3563kV配电装置，一般不设旁路母线。当线路断路器不允许停电检修时可采用分段兼旁路断路器的接线110220kV配电装置线路输送距离较远，输送功率较大，一旦停电，影响范围大，且断路器检修时间长一般需设置旁路母线。在大容量变电站中，为了限制 610kV 出线上的短路电流，一般可采用下列措施：变压器分列运行；在变压器回路中装置分裂电抗器或电抗器；采用低压侧为分裂绕组的变压器。出线上装设电抗器。1.4.1 110kV侧接线变电站 110kV 线路有 6 回，可选择双母线接线或单母线分段接线两种方案，如图 1.1 所示方案一供电可靠。通过两组母线隔离开关的倒换操作，可以轮流检修一组母线而不致使供电中断一组母线，当其中一个回路需要单独进行试验，可将该回路分开，单独接到另一组母线上。方案二母线被分段断路器分段，能从不同段引出两条回路，有两个电源供电。其中一段母线故障时，分段断路器断开故障段，使非故障段不间断供电，但是运行可靠性和灵活性比方案一稍差。本变电站为地区性变电站，基本不需要外系统支援，采用方案二能够满足本变电站 110kV侧对供电可靠性的要求，故选用方案二。设置旁路设施的目的是为了减少在断路器检修时对用户供电的影响。变电站 110kV 侧采用 SF6 断路器，不设旁路母线。62图1.1 110kV 电压侧接线方案1.4.2 35kV 电压侧接线本变电站 35kV 线路有 8 回，可选择双母线接线或单母线分段带旁路母线接线两种方案，根据本地区电网特点，110kV是电源电压，10kV和35kV是二次电压在35kV侧，需设置旁路设施，如图 1.2 所示。方案一占地面积大，配电装置多，接线复杂，容易误操作，但供电稳定、容易改变参数，需要大量财力支持。方案二接线简单，技术要求少，不宜失误，有很好的操作性。旁路断路器可以代替出线断路器，进行不停电检修出线断路器，保证重要回路特别是电源回路不停电。方案二符合本此设计的供电接线需求。 图1.2 35KV 电压侧接线方案1.4.3 10kV 电压侧接线35110kV 变电所设计规范规定，当变电所装有两台主变压器时，610kV侧宜采用分段单母线。当不允许停电检修断路器时，可设置旁路设施。本变电站 10kV 侧线路为 10 回，可采用双母线接线或手车式高压开关柜单母线分段接线两种方案，如图 1.3 所示。方案一占地面积大，配电装置多，接线复杂，容易误操作，但供电稳定、容易改变参数，需要大量财力支持。方案二所需设备少，占地面积小，简洁明了，容易调节，能对重要用户单独供电，出现问题不会导致整个站停运。手车式断路器的出现和运行成功，断路器检修问题可不用复杂的旁路设施来解决，而用备用的手车断路器来替代需要检修的工作的手车断路器。采用手车式高压开关柜，可不设置旁路设施。故选择方案二图1.3 10kV电压侧接线综上所述,本变电站主接线如图1.4所示。图 1.4 电气主接线简图变电站低压侧在计算短路电流之前没有采用限流措施，计算之后，再采用对应的限流方法。最直接的的办法是让变压器低压侧采用分列运行的方式。如果在变压器回路中装设电抗器或分裂电抗器的方法，会使母线电抗器体积增大、价格变高且限流效果变小，而且出线上装电抗器，费用较高，且需双层配电装置室，所以尽量少用。1.4.4 站用变压器低压侧接线同步发电机的运行特性与它的气隙电势值的大小有关，而的值是发电机励磁电流的相关函数，改变励磁电流就可以影响同步发电机在电力系统中的运行特性。所以要对同步发电机的运行实行控制控制励磁就是其中一个重要的内容。同步发电机的一个重要组成部分就是励磁控制系统，它的主要任务是为同步发电机的励磁绕组提供一个可调节的直流电流，这个电流称作励磁电流。因此想要控制发电机的机端电压使发电机满足正常发电的要求，我们可以通过调节励磁电流。此外励磁控制系统对于电力系统的稳定和发电机的安全运行都有着重要的作用。因此我们也可以说，在某种程度上励磁控制器与系统的运行状态有着密切的关系。同步发电机的励磁调节系统由励磁功率单元和励磁调节器组成，如图1.1所示。励磁功率单元的作用是向同步发电机的转子部分提供一个可调节的直流电流（励磁电流），励磁调节器的作用是根据给定的调压标准和输入信号来控制励磁单元的输出。两个部分相互配合构成一个反馈控制系统使发电机满足运行要求。图1.1同步发电机励磁控制系统结构1.5 励磁控制系统的任务及作用在电力系统运行中，同步发电机的励磁控制系统起着相当重要的作用。一个好的励磁控制系统对保证发电机的可靠运行和提供合格的电能有着决定性的作用。而且还可以有效率的提高系统的技术指标。根据电力系统的运行要求，励磁调节系统应有以下几个作用。1.5.1 电压控制当电力系统正常运行时，负荷总在不断地波动着。因此不同容量的负载，以及负载的不同功率因数，对同步发电机励磁磁场的反应作用都是不同的，对同步发电机的内部阻抗压降也是不一样的。要维持同步发电机的端电压为一稳定水平，就必须根据负载的大小以及负载的性质随时调节同步发电机的励磁电流。这个调节过程就需要依靠调节电压的励磁调节装置来实现。图1.2同步发电机的外特性如图2.1所示，曲线1表示无电压自动励磁调节装置的外特性，曲线2表示有电压自动励磁调节装置的外特性。1.5.2 控制无功功率的分配几台发电机在同一母线上并联运行时，改变任何一台机组的励磁电流将影响该机组的无功电流，以及同一母线上并联运行其它机组的无功电流，与此同时也引起了母线电压的变化。以上这些变化与机组的无功调节特性有关，为了合理并且稳定地分配机组间的无功负荷，合适的调差系数对机组的无功调节特性至关重要。调差系数可由下式表示：%=100% （1.1）为发电机的额定电压，、分别是发电机空载电压和额定无功电流时的电压。当正调差系数0时，其调节特性下倾，发电机的电压随着无功电流的增大而降低。在带有正调差单元的电压自动励磁调节装置中，若无功电流增大，自动励磁调节器将感应到发电机机端电压虚假的升高。此时自动励磁调节器将降低发电机的励磁电流从而降低发电机的机端电压，因此我们将得到一个向下倾斜的外特性。当0时为负调差，调节特性向上翘，此时发电机机端电压将随着无功电流的增大而增大。在带有负调差单元的自动调节励磁装置中，若无功电流增大，自动励磁调节器将感应到发电机机端电压降低。此时自动励磁调节器将增加发电机的励磁电流从而是发电机的机端电压升高，因此我们将得到一个向上翘的外特性。当=0时是无差特性，此时同步发电机的机端电压是一个恒定不变的值。1.5.3 提高高同步发电机并联运行的稳定性当电力系统运行时会不定期的收到许多的干扰，这个时候我们就要求同步发电机具有恢复同步运行或者维持同步运行的能力，也就是要求同步发电机具有保持发电机并联运行时的稳定性的能力。自动励磁调节装置能提高电力系统的动态稳定、暂态稳定、静态稳定能力。1、提高静态稳定性在电力系统遭受微小扰动后，不会发生非周期性失步及自发振荡，并且能够自动恢复到起始运行状态的能力我们称之为系统的静态稳定性。在单机无穷大系统中，同步发电机的有功功率方程为： （1.2）式中表示发电机电势与系统电压U之间的相位差角；为发电机、变压器和线路电抗之和（）。由式（1.2）有，=90时P有最大值，为功率极限，此点为静差稳定极点。在实际工程中为了保持静态稳定运行点的相位差角应小于90。图1.3为式(1.2)所对应的功角特性曲线。对于同样的输出功率，曲线越高，功角越小，稳定储备就大，尤其是当输出功率波动时，曲线3要比曲线1稳定裕度大。有图可知若想要提高运行功率特性和静态稳定储备并扩大稳定域。则需要增加发电机的负荷电流，是机端电压下降，此时励磁调节会使增大从而使功角特性上移。图1.3自动励磁装置功角特性曲线2、提高暂态稳定性电力系统在正常运行时突然遭受大扰动后，能过渡到一个新的稳定运行状态或者恢复到原来的运行状态的能力我们称之为系统的暂态稳定性。图1.4时间常数与暂态稳定极限功率的关系励磁系统时间常数与暂态稳定极限功率的关系图如1.4，由图可见时间常数在0.3s以下时，提高强励倍数K对提高暂态稳定极限功率有显著的效果。但是当时间常数较大时，该效果就不明显了。图1.5强励倍数与暂态稳定极限功率的关系强励倍数与暂态稳定极限功率的关系如图1.5，由图可知要使电力系统的稳定有明显的改善不仅要励磁系统具有快速响应特性还有具有很高的强励倍数才可以。1.5.4 改善电力系统的运行条件1、为发电机异步运行创造条件同步发电机失去励磁时，需要从系统中吸收大量无功功率，将严重降低系统的电压，情况严重的话甚至会影响系统的安全。在这种情况下，若系统中还存在其他发电机组能够提供足够的维持系统电压水平所需的无功功率，该发电机还能在一定的时间里以异步运行的方式维持运行，保证系统的安全有利于热力设备的运行。2、提高机电保护装置工作的正确性当系统工作在低负荷运行状态时，发电机的励磁电流很小，若此时发生短路故障，短路电流会比较小，随着时间的增加而降低，此时带时限的继电保护装置无法准确动作。这种情况下自动励磁调节器将增大短路电流是带时限的保护装置正常工作。1.5.5 水轮发电机组强行减磁当水轮发电机组发生故障突然跳闸时，因为较大的惯性调速系统不能快速关掉导水叶，会造成转速迅速增加。此时若不采取有效措施快速降低发电机励磁电流有可能使发电机的电压增加过多以至于危及定子的绝缘。此时我们就需要自动励磁控制系统强行减磁。1.6 研究的目的和意义励磁调节控制系统性能的好坏将影响发电机运行的稳定性及可靠性，仅为影响电网的质量。我国电力系统的容量在不断增加，对同步发电机励磁控制系统的性能要求也随之增高。老式的励磁调节方式已经难以满足现代电网励磁控制系统的要求，因此研究开发可靠、高效、功能齐全、性能良好的励磁控制系统成为了当务之急。如今投入使用的微机型自动励磁控制装置多采用传统的单片机，如51系列、96系列。并且多用一片单片机来实现，它的运算速度与精度十分有限，系统的稳定性、快速性等性能指标很低，不能达到电网要求。然而新款的单片机较于传统的单片机具有成本低、功能齐全、稳定性好、速度快等优点，并且采用多片单片机主从控制其性能得到了相当大的改善。虽然从积极发展中小型水电站和增加环保意识的国策上来看，电力系统将从节能减耗的方向来发展，则具有较高性能自动励磁调节装置的小型水电站、中小型热电站将得到大力的发展，在市场上具有很强大的潜力，这也是我们研究此课题的意义。1.7 国内外励磁装置研究发展的概况在现代一个科学技术高度发展、生产技术不断现代化，国民经济各部门都在朝着极速化、自动化的方向不断发展的社会中，我们队电网供电质量的要求也随之增高。又由于励磁控制系统对发电机供电质量之间的关系，励磁控制系统性能的好坏直接影响到供电质量的好坏。国外的专家们从20世纪70年代开始研究数字励磁调节器，在80年代中期生产初二世界上第一台数字励磁调节器(digital-based excitation regulator简称DER)。自此以后国内外的各大厂家开始研制励磁调节器并且不断的生产处新的产品，因此推动着DER的发展和应用。在国外有着许多强大且有实力的公司都在生产DER，他们大都有着很强大的科研开发能力，他们的DER使用的硬件大都是自制的专门控制板。近十多年以来，我国不仅引入了相当数量的DER还引入了大容量的发电机机组。我们根据DER的硬件构成来划分种类可分为单CPU系统 、多CPU系统以及模拟数字混合系统(数字部分采用PLC)等三种。因为单CPU系统反应快速、总体集成度高的原因，它的生产成本相当的高，其生产厂家有ABB公司以及我们的大部分生产厂家。多CPU系统具有并行处理的特点能够满足快速性的要求，其调节功能也能分配给多个CPU单元，并且它的软件程序编写十分简化，但是它在某些方面也有着非常明显的缺点。此外的模拟数字混合系统可看做一种过渡系统，它在国内的用户群体并不是十分的大，只受到一部分人的青睐。不管怎样，在当今社会数字式的励磁调机器已经成为了多功能励磁系统的第一选择，成为了当代励磁调节器的发展方向。如今我们国家小型水利发电机组使用较多的励磁方式大多数都是相复励励磁系统、交流励磁机、晶闸管励磁以及直流励磁机。其中直流和交流励磁机采用的是经过整流后再提供给发电机的励磁方式，在他们的内部包含了旋转元件，因此他们的可控性方面比较欠缺。近年来采用的全静态励磁方式将主副励磁机都给取消了，这样的做法在根源上克服了因为旋转元器件造成的缺陷，因此在中小型发电机组励磁系统中得到了广泛的运用。由于微型计算机和大规模的集成电力在电力工业上得到了越来越广的运用，全数字是自动励磁调节装置在大型发电站中开始推广，但是中小型发电站如今在研究开发阶段并未得到推广。根据发电机机组的容量等级及所在电力系统的重要性来对数字式励磁调节器的硬件结构形式进行选择与设计，如今采用较多的是单、双通道微机以及多通道微机结构。核心控制器主要为16位和32位两种。控制器的结构形式有很多种类，例如单板机结构、单片机结构、可编程控制器结构以及工控机结构等，在当今的励磁装置市场中单片机结构和工控机结构占了相当大的百分比。其中单片机结构的励磁调节器具有成本低廉、体积小、结构简单的有点，并且除了控制核心以外其他的硬件部分可以根据系统的需求自主的进行设计，所以单片机结构的励磁调节器的硬件功能更加容易集成。随着单片机功能及运算速度的强大化，数字式励磁调节器的硬件也越来越简单，如今国外生产的励磁控制器向功能强大的单片机发展，运行维护量必将减少，最终效果越来越趋向于 “傻瓜机”。从发展趋势来看，小型水电站、中小型热电厂将得到大力发展，则具有较高性能自动励磁调节装置的小型水电站、中小型热电站将得到大力的发展，在市场上具有很强大的潜力。目前，己经投入实际使用的微机型数字式励磁控制装置的控制核心使用的多为传统的单片机(如5l系列、96系列) 或工控机，由于运算精度和速度有限，再加上部分装置采集数据所用变送器的时间延迟，影响了励磁控制响应速度和准确性的进一步提高，限制了一部分先进控制理论和方法的推广应用。新款单片机成本低廉，且功能强大、稳定性高、速度快，用多片单片机主从通讯、集散控制就容易实现，性能得到了很大的改善。1.8 自动励磁调节装置结构自动励磁控制装置是同步发电机励磁系统的重要组成部分，是电力系统中最重要的自动装置之一，它对于提高电力系统的稳定性并改善其动态品质具有非常重要的作用其基本的原理框图如图1.6所示。图中同步发电机是控制对象，励磁调节器是控制器。励磁机为执行环节，而校正装置是为改善系统特性而设定的。励磁控制系统是一种闭环控制系统主要由测量比较、综合放大与移相触发单元组成。图1.6自动励磁调节系统框图1、测量比较单元测量比较单元由正序电压滤波器电路、多相整流电路、滤波电路及检测电路等组成（如图1.7），总的效应可以用一阶惯性环节近似表示其动态特性。其作用是将发电机电压转变为与之成比例的直流电压，再直流电压与给定基准电压作比较，得出电压偏差信号。图1.7测量比较环节框图2、综合放大单元综合放大单元作用是，通过运算放大器将偏差电压U与其他辅助信号（反馈、限制）进行线性综合放大，以提高整个装置的灵敏度和调节质量，并给出适合移相触发环节需要的控制电压 。综合放大电路工作特性如图1.8，由图可知当|U|大于一定值后，输出不再变化呈饱和状态，放大器可双向上下限幅，这是移相电路要求的。图1.8综合放大电路工作特性3、移相触发单元移相触发单元的作用是，将控制信号转换成触发脉冲，以触发对应的晶闸管，达到调节励磁的目的。由于同步电路和移相触发电路关系密切，一般情况下常把同步电路作为移相电路的一部分。不同的移相触发电路一般都包括同步、移相、脉冲形成和脉冲放大几个部分（如图1.9）。图1.9移相触发电路框图触发电路是晶闸管装置中的重要环节，是晶闸管装置能否正常工作的关键。移相触发环节的移相特性如图1.10，特性曲线应满足励磁系统要求：（1）强励时移相到（指的相位），对应的应起到强励作用；（2）若是全控整流桥，在灭磁时，对应的应起到允许逆变灭磁的作用；（3）正常工作范围应具有良好的线性关系。图1.10移相特性2 、励磁装置的硬件设计2.1 系统硬件结构及功能本励磁装置选用的单片机为两片INTEL公司生产的AT89C52，该芯片结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，完全满足了本设计装置的需求。本设计采用两片单片机主从控制励磁装置，主芯片分别对电流、电压、功率因数、频率等电网参数进行采集；同时负责从MCU与从机的通信及人机对话的设定。从单片机则主要负责晶闸管的触发。自动励磁装置主要由数据采集部分、功率因数角测算电路、输出控制、通讯接口、键盘及显示电路五部分组成。励磁装置硬件结构框图如2.1所示。图2.1励磁装置硬件结构框图2.1.1 数据采集部分为了维持发电机端电压水平和机组间无功功率的合理分配，需测得发电机的机端电压、发电机输出电流、有功功率、无功功率、励磁电压、励磁电流以及功率因数，再经过一系列调节计算和无限制计算来得到整定之后的励磁电压所对应的可晶闸管的移相角，从而触发晶闸管，使机端电压在一个新的水平点稳定。本系统的数据及变换由电压互感器和电流互感器测得，所采集的数据包括发电机出口的线电压、电流、励磁电流、励磁电压、有功功率P和无功功率Q可以用来测得电压、电流以及功率因数运算关系式为： （2.1） （2-2）交流信号经过整流滤波后，接入A/D转换器的输入端口。这种采样方式不但能够满足调节计算的要求，且硬件电路简单，采样速度要求不高，软件数据处理方便，可以降低了整个系统的成本。由于我们采用的A/D转换器是电压值输入，所以在四路输入中电压可以直接输入，而电流要在输入端口接一个适当的电阻，使其转换成相应的电压值再输入。当A/D转换器的输入端中有输入电压超过它的最高输入电压时，就会损坏元器件。因此我们在的输入端接上对地5.1V的稳压管。当有高于参考电压的输入电压出现时，利用稳压管可以把它稳定在适合的范围之内。A/D转换器采用ADC0809，该芯片为可以直接连接单片机接口，多路开关的8位模数转换器，可采集8路信号。模拟量采集部分的接线图如图2.2所示。图2.2 模拟量采集电路原理图由于采用PID算法来实现调节控制，因此需要求出两个相邻时刻的电压偏差值，我们把采集的电压值送入一个 3中。同理，发电机的机端电流和励磁电压也送入相对应的数组 3和 3中。 2.1.2 功率因数的测量功率因数是指任意二端网络(与外界有二个接点的电路)两端电压U与其中电流 I之间的相位差的余弦cos。由于线电压和相电流的夹角和被测相位角之间有着一定的线性关系，则检测电路所用的信号为电压和相电流。我们测得与，分析其间的夹角与相角间的关系的所对应的矢量图，如图2.3所示。图2.3相角与之间的对应关系由图2.3可看出：纯阻性负载时： ；感性负载时： ；纯感性负载时： ；容性负载时： ；纯容性负载时： ；由此可知，负载不同，则角不同，因为角的大小与、同时为负值的时间长短具有线性关系，可以得出：纯阻性： （T为电网周期时间）感性： 纯感性： 容性： 纯容性： 综上所述，只要测得时间，便可间接测得相角。为了测量时间，又为了使测量的角的精确度不受电网频率波动的影响，采用的接口电路如图2.4所示。图2.4 功率因素测量接口电路由变压器TR取得线电压和由电流互感器取得的相电流均由检测器、转换器转换成相应的方波信号。把电压方波信号和电流方波信号经过异或门后作为过零点的检测信号（CPU的中断由下降沿产生），我们要节省外部中断，所以采用一个反相传输门和模拟开关结合的电路。由P3.0控制模拟开关的选通。这样可以控制用于脉冲宽度测量的定时器T1的计数值n，即当Ug1由负变正时，计数器T1启动，开始计数，当Ug2由正变负时，T1停止计数，这样就可以得到n的值，我们假设测量工频半个周期所对应的计数值为N，我们可以通过N，n的关系推得和的值。 （2-3） (2-4)由单片机完成上述的计算，进一步观查正弦和余弦即可得出功率因数。若为负，就说明该负载为容性负载。为了精确计算，我们采用了滑动数组的滤波技术。2.1.3 微机CPU部分CPU是系统的控制中枢，它的运算能力直接影响到采样的速度和精度，所以选择适合的CPU对开发系统，完成系统的功能有很重要的影响。在励磁控制中，多次用到定时器和计数器来完成系统功能，如：在测量功率因数时用来计量脉冲宽度；在可控硅导通角上的时间延迟，以及触发可控硅的每相邻脉冲之间的时间上的延迟，所以采用了两片MCS-51系列单片机中的89C52微处理器作为主控制器和从控制器，并依据需求外扩了8 K RAM和64 K EPROM，主振频率12 M Hz，信号处理能力强，运行速度快，MCS-51单片机编译器支持C语言，C语言是一种通用的计算机程序语言，用C语言编写的程序便于移植，它既有汇编语言的功能，又具备高级语言的特征，目前已成为软件开发的主流。用汇编语言编写的程序，效率高，结构紧凑，但可读性差，编程复杂，而用C语言编写软件可以大大地缩短开发周期，提高效率。89C52片内数据存储器RAM为地址空间的0256 B。有3个定时/计数器T0，T1和T2。我们运用线选法来分配其外接模块的地址如图2.5。图2.5译码电路原理图根据接口电路的译码电路，如图2.5可知8255（1）的A口，B口，C口和控制口的入口地址分别为6000h，6001h，6002h，6003h；8255（2）的A口，B口，C口和控制口的入口地址分别为8000h，8001h，8002h，8003h。 在本硬件系统中，扩展了数据存储器6164（容量为8K），还有两片I/O接口芯片8255。MCS-51系列单片机的外部数据存储器和I/O接口都是统一编址，单片机可以像访问外部RAM那样访问外部I/O接口进行读写操作，用户可以把外部8K字节的RAM的一部分作为扩展I/O接口的地址空间。MCS-51可以通过地址总线发出的地址来选择某一个存储单元，因此在外扩的多片存储器中，必须进行两种选择：一是必须选择出该存储器芯片（或I/O接口芯片），称为字选；二是选择出该芯片的某一个存储单元（或某一寄存器），称为片选。常用的存储器选址的方法有两种：线选法和地址译码法。我们在本系统中采用译码器74LS138实现地址译码。我们把P2.7、P2.6、P2.5分别接到138译码器的C、B、A端，P2.4P2.0，P0.7P0.0这13根地址线接6164的A12A0脚。由于对高3位地址译码，这样译码器有8个输出Y7Y0，可以选择外扩的芯片。除了参加字选的地址线外，剩余的高位地址线全参加译码，这种译码方式称为全译码。由于采用全译码方式，CPU发出地址译码时，每次只能选中一个存储单元，这样I/O接口芯片和存储器之间就不会产生地址冲突。我们来看I/O接口芯片和数据存储器的地址范围。我们把74LS138的Y2、Y3、Y4分别接6164存储器的片选接口，两片8255的片选接口。如表2.1所示。表2.1 6164的地址P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.00100或10或10或10或10或1高8位的地址变化范围：40H5FH低8位的地址变化范围：00HFFH所以6164的地址范围为：4000H5FFFH其中8255（1）的地址如表2.2所示。表2.2 8255（1）的地址P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.001100000P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.00110000或10或1高8位的地址变化范围：60H低8位的地址变化范围：00H03H所以8255（1）的地址范围为6000H6003H；6000H为8255（1）的A口地址；6001H为8255（1）的B口的地址；6002H为8255（1）的C口的地址；6003H为8255（1）的命令字的地址。其中8255（2）的地址如表2.3所示。表2.3 8255（2）的地址：P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.001100000P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.00110000或10或1高8位的地址变化范围：80H低8位的地址变化范围：00H03H所以8255（2）的地址范围为8000H8003H；8000H为8255（2）的A口地址；8001H为8255（2）的B口的地址；8002H为8255（2）的C口的地址；8003H为8255（2）的命令字的地址。2.1.4 脉冲触发及同步电路1、 同步电路为了满足对可控硅进行导通的控制要求，可控硅上所加的电压和控制端上所加的触发脉冲在相位上的配合必须合理，否则可控硅将无法正常工作，这就是同步信号相位的问题。同步信号取样信号直接来源于被控晶闸管的电压，而不是使用同步变压器。因为微机只取一相交流信号，其他两相可以从相序关系计算得到，这样就避免了模拟电路中存在的触发脉冲和主电路的同步问题。我们采用LM358和OP07相互配合的形式来完成此项功能，其输出的方波经过光电隔离后送入主单片机的中断1来进行交流信号的过零检测。同步信号过零检测电路如图2.6所示。图2.6 同步电路2、 工作原理三相全控桥整流电路如图2-7所示，六个桥臂均为可控硅，其中T2，T4，T6阳极连在一起，阴极分别接于w，u，v三相交流电源，构成共阳极组连接；T1，T3，T5阴极连在一起，阳极分别接于u ，v ，w三相交流电源，构成共阴极组连接。在一个周期内，两组晶闸管要出现六次不同的导通组合方式6，1；1，2；2，3；3，4；4，5；5，6。本系统采用双窄脉冲触发方式，每个工频周期发出六对脉冲。由于用单片机输出的脉冲对晶闸管进行控制，所以输出脉冲必须和晶闸管承受的电源电压同步，因此在交流电源的每个周期产生一个同步基准信号。图2.7 三相全控桥整流电路原理图3、 触发脉冲的要求 1）触发脉冲应该具备足够的功率，使晶闸管元件安全可靠的导通，并且要有一定的裕量。2）触发脉冲的上升前沿一定要陡，且上升时间一般在10 us左右。3）触发脉冲要有一定的宽度。在励磁调节器中，由于晶闸管的主电路中具有较大的感性负载，因此触发脉冲应该加宽。因为在大电感负载下，晶闸管的导通电流由零逐渐上升，如果电流未上升到擎住电流就消失，晶闸管又会重新关断。一般脉冲宽度不小于100 us，通常为1ms。对三相桥式全控整流电路来说，要求触发脉冲宽度大于60或者采用双窄脉冲，在本装置中我们采用双窄脉冲触发。4）触发单元与主电路之间互相隔离以保证安全，本装置采用脉冲变压器隔离。4、整流电路触发方式 三相桥式全控整流电路的控制：当A、C相的线电压正半周过零时，正好是C相转换到A相的换相点，以此作为基准，对可控硅进行控制触发。在t1区间内，开通SCR1和SCR6；在t2区间内，开通SCR1和SCR2；在t3区间内，开通SCR3和SCR2；在t4区间内，开通SCR3和SCR4；在t5区间内，开通SCR5和SCR4；在t6区间内，开通SCR5和SCR6。三相全控整流电路可采用三种触发方式，第一种方式为绝对触发方式，用六个同步信号来控制触发时间，如图2.8所示，显然触发精度高，调整频率为300次/秒。图2.8 三相整流桥绝对触发方式 第二种方式为部分相对触发方式，用三个同步信号来控制触发时间，图2.9所示。同步信号1到达，延时后触发SCR1、6 之后延时3.33ms再触发下一组晶闸管。同步信号2到达，延时后触发SCR3、2 之后延时3.33ms再触发下一组晶闸管。同步信号3到达，延时后触发SCR5、4 之后延时3.33ms触发最后一组晶闸管，不断循环。这种触发方式可以每隔60调整一次触发时间，调整频率为150次/秒。图2.9 三相整流桥相对触发方式还有一种方式为完全相对触发方式。如图2.10所示，仅用一个同步信号，调整第一个触发脉冲的时间，相继的后五个触发脉冲均相对前一个触发脉冲延时3.33ms，调整触发的频率为50次/秒。因为前两种方式采用多个同步信号，在硬件上占的空间很大，所以我们选用第三种完全相对触发方式，节省硬件资源。图2.10 三相整流桥相对触发方式三相桥式可控整流电路要求双窄脉冲触发。控制角设定在A相和C相电压相交点为0，对线电压，由负半周到正半周过零点正是处在0时刻 （如图2-11）。我们选这个过零点，为触发脉冲的基准点。为保证双窄脉冲能够顺利触发，从单片机的P1.0P1.5位输出脉冲触发三相桥式整流电路中对应T1T6晶闸管，其触发脉冲顺序如图对应控制字如表2.4 所示。图2.11相对触发方式=0时的线电压表2.4 触发脉冲顺序对应的控制字触发晶闸管脉冲123456触发控制字1H3H6HCH8H0H在三相桥式全控整流电路中，6个晶闸管导通顺序如图2.12所示：图2.12 晶闸管导通顺序每隔60有一管换相。即每隔 时间触发一次。当每个周期的同步信号到来时，引起INT1同步中断，同时把计算控制角所得的时间置入定时器T0，T0溢出时执行中断程序，使接口芯片8255的PC端口输出一个由高变低的脉冲到从单片机的外部中断0。当单片机发生外部中断时，装入第一组脉冲控制字，即发出第一组脉冲控制字21H来触发相应的晶闸管，然后将60所对应的时间放入单片机的T0，启动T0，当溢出时发出第二组脉冲控制字03H，然后再将60所对应的时间放入T0，启动T0，当溢出时发出第三组脉冲控制字06H直到发完第六组脉冲控制字30H为止，之后主单片机再等待下一周期的同步信号的到来。2.1.5 功率驱动电路功率驱动电路将对从单片机发出的控制命令字符进行功率放大，再通过隔离变压器按顺序触发可控硅。其电路原理图2.13所示。图2.13 功率驱动电路2.1.6 键盘部分在控制电路中，通常以按键的方式来控制程序的流程或输入的数据。若按键少时，可以使用一个按键对应一条输入位线；若按键多时，通常以矩阵式扫描法来对按键进行检测。在本次系统设计中我们假设有16个按键，我们首先用到9个键，其他的键做预留使用。用8255（1）端口C的8