（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp2812微机励磁实验装置的研究与设计.pdf

a b s t r a c t b o t hi nt h en o r m a la n db r o k e n d o w ns i t u a t i o n ，t h ee x c i t a t i o nc o n t r o is y s t e m s o r g e n e r a t o rp l a y av e r yi m p o r t a n tr o l e e x c e l l e n te x c i t a t i o n c o n t f o ls y s t e mn o to n i y g u a r a n t e et h er e l i a b l eo p e r a t i o n o fg e n e r a t o r s ，b u ta l s oe f f e c t i v e l yi m p r o v e t h e p e r f o r m a n c eo fp o w e rs y s t e m a n dp r o v i d et h eq u a i i t ye l e c t r i c i t y a tp r e s e n t ，t h e d v n a m i cs i m u l a t i o nl a b o r a t o r yw h i c hh a ss o m ed i s a d v a n t a g e s ，s u c h a sb l go c c u p l e d a r e a ，l o n gt e mc o n s t r u c t i o n ，l a r g ei n v e s t m e n t ，w a sn o t a p p l i e dt ot h ep o w e rs y s t e m o p e r a t o r sa n dc o l l e g es t u d e n t sm a jo r i n g i np o w e rs y s t e mt oc a r r yo u tt h et r a m m g sa n d e x c i t a t i o nr e g u i a t i o ne x p e r i m e n t a t i o n s i no r d e rt oc h a n g em es i t u a t i o n ，o nt h e b a s eo t r e f e r r i n gt h ed o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ld a t a ，s t u d y i n g e x i s t i n ge x c i t a t l o nr e g u l a t o r d e v i c ea n dc o m b i n g c h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o p r o c e s s o r e x c i t a t l o nd e v l c e a n d e x p e r i m e n t a lt r a i n i n g ，t a k ep a i r t i nt h e p r o j e c t s r e s e a r c ha n dd e s l g n w h l c hl s “m i c r o p r o c e s s o r e x c i t i o nr e g u l a t ee x p e r i m e n t a l d e v i c e o fc h a n g s h ai o n g q l n g e l e c t r i ci n f o r m a t i o nc o m p a n y t h i sp a p e rp u tf o r w a r dan e wm i c r o p r o c e s s o re x c i t a t i o ne x p e r l m e n t a id e v l c e o t g e n e r a t o r f o rt e a c h i n g ，w h i c h u s ed u a lc p u sa r c h i t e c t u r e ，b o t ha d o p t l n g l l7 s t m s 3 2 0 f 2 8l2c h i pf o rp r o c e s s o rw i mh i 曲p e r f o m a n c e t h eh a r d w a r ep i a t t o m o t m o n i t o r i n gc p ua n dh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nc p uu s em o d u l ed e s l g n ，w h l c h 1 s c l e a rt h o u 曲t ，s i m p l es t r u c t u r ea n de a s yt oi m p l e m e n t m o n i t o r i n gc p u w a si t sc o n t r o l c o r ew h i c hw a sm a i n l yr e s p o n s i b l ef o rh o w t oc a r r yo u ts a m p l i n ga n dc a l c u l a t l n g ，h o w t ot a k er e s t r i c t i o n sj u d g e m e n t ，h o w t o o u t p u t t h ec o n t r o ls i g n a l ，h o w t oh a n d l e c o m m u n i c a t i o na n ds oo n t h eh 啪a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nc p u a c c o m p l i s hk e y b o a r d h a n d l e ，l c dd i s p l a ya n dc o m m u n i c a t i o nt a s k b a s e do nt h ea n a l y s i so f 。c o m m u n l c a t l o n d a t at y p e s a n dd a t af e a t u r e sw i t h i n e x c i t a t i o ne x p e r i m e n t a ld e v l c e ，d e s l g n t n e c o m m u n i c a t i o nw a yw h i c hi s b a s e do nt h em o d b u sp r o t o c o lt oe n h a n c ev e r s a t l l l t y ， e x p a n d a b i i i t ya n dc o m p a t i b i l i t y o fd e v i c e s o f t w a r ed e s i g no fd e v i c e u s et h ec l a n g u a g e ，t h es o f t w a r eo fm o n i t o r i n gc p ui s d e v e l o p e da c c o r d l n gt o t u n c t l o n st o c o m p l e t er e l e v a n tm e a s u r ea n dc o n t r o lo p e r a t i o n so fe x c i t a t i o nd e v i c e ，w h l c h 1 sc i e a r p r o c e s s ，e a s y t o e x p a n d a n dm a i n t a i n l c d c h i n e s em e n ua d o p t l n g 1 nt h e h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c em a k e so p e r a t i o ns i m p l ya n di n t e r f a c ef r i e n d l y t h r o u g ht h e h u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c e ，t r a i n i n gs t a f fc a n s e tt h ep a r a m e t e r so ft h ee x c l t a t l o nd e v l c e o n i i n et 0f u l n l lv a r i e t yo fe x c i t i n ge x p e r i m e n t s i t m a k ea na s s a yo t i n t e r t e r e n c e 。s m 皋于d s p 2 8 1 2 微机励磁试验装冒的研究j 设汁 s o u r c eo fd e v i c ea n db r i n gf o r w a r ds o m ea n t i - i n t e r f e r e n c em e a s u r e s o nt h eb a s i so f c o m p l e t i o no fs y s t e md e s i g nf o r t h ed e v i c e ，p r o d u c et h ep r o t o t y p ea n dc a r r yo u t s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t st ov e r i f yt h ef e a s i b i l i t yo fd e s i g np r o p o s a la n dt h ea c c u r a c yo f m a c h i n ew o r k t h ee x p e “m e n t a ld e v i c ec a nc a r r yo u tas e r i e so fe x c i t i n ge x p e r i m e n t sw h i c hh a s c o m p l e t et r a i n i n g f u n c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fs m a l l o c c u p i e da r e a ，l e s s i n v e s t m e n t ，r e l i a b l es t r u c t u r e ，i n t u i t i v e ，h i g he f 行c i e n c ya n dw i d ea p p l i e dr a n g e f o r p o w e rs y s t e mo p e 豫t o ra n dc o l l e g es t u d e n t sm a j o r i n gi np o w e rs y s t e m ，i ti sa e f l f e c t i v e ，u s e f u la n dl e s si n v e s t m e n tt e a c h i n ge x p e r i m e n t a ld e v i c e k e y w o r d s ：g e n e r a t o r ； e x c i t a t i o nc o n t r o l ； e x p e r i m e n t a ld e v i c e ；d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r 硕i j 学位论文 附表索引 表3 1m o d b u s 四种基本表2 8 表3 2m o d b u s 公共功能码2 9 表3 3 字符传输序列3 0 表3 4 装置内部通讯数据分析3 2 表3 5 装置外部通讯数据分析3 2 表3 6 选用功能码及其定义3 2 表3 7 投退保护主站查询3 3 表3 8 投退保护从站应答帧3 3 表3 9 升压主站查询帧3 3 表3 1 0 升压从站响应帧3 3 表3 1 1 机组参数主站查询3 4 表3 1 2 机组参数从站响应帧3 4 表3 1 3 写装置时间主站查询帧3 4 表3 1 4 写装置时间从站响应帧3 4 表5 1 调差系数为0 实验结果5 7 表5 2 调差系数为+ 5 实验结果一5 7 表5 3 调差系数为5 实验结果5 7 表5 4 伏赫限制实验结果5 8 表5 5 恒机端电压运行实验数据5 8 表5 6 恒励磁电流运行实验数据5 8 硕l j 学位论文 插图索引 图1 1 同步发电机励磁系统框图l 图1 2 自并励静止励磁系统原理图。2 图2 1 励磁实验装置结构图6 图2 2 微机励磁装置硬件框图1 0 图2 3t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片供电电源连接图l l 图2 4 交流电压变换回路图1 l 图2 5 交流电流变换回路图1 2 图2 6 励磁电压变换回路电路图1 2 图2 7 励磁电流变换回路电路图1 2 图2 8a d 采样调理电路图1 3 图2 9 测频回路图13 图2 1 0 一路开关量输入电路图1 4 图2 1l 丌关量输出电路图1 4 图2 12r s 4 8 5 通讯口电路图。l5 图2 13c a n 通讯口电路图1 7 图2 1 4 一路处理电路图1 8 图2 15t c 7 8 7 电路连接图l9 图2 1 6 同步脉冲与双脉冲触发关系图1 9 图2 17 控制电压电路连接图2 0 图2 18 一路功率驱动电路连接图2 1 图2 1 9 扩展s r a m 电路连接图2 1 图2 2 0x 5l6 3 电路连接图2l 图2 2 1 实时时钟电路连接图2 2 图2 2 2l e d 电路连接图2 3 图2 2 3l c d 电路连接图2 4 图2 2 4 按键电路连接图2 5 图3 1m o d b u s 通信栈2 6 图3 2m o d b u s 通用帧2 7 图3 3m o d b u s 正常响应处理2 8 图3 4m o d b u s 异常响应处理2 8 图3 5i 盯u 报文帧格式3 0 v i l 幕于d s p 2 8 1 2 微机励磁试验装置的研究j 设计 图4 1 测控c p u 主程序流程图3 6 图4 2 测频波形原理图3 7 图4 3 捕获中断频率计算流程图3 7 图4 4 定时器1 中断程序流程图3 8 图4 5 励磁装置电压调节流程图4 1 图4 6 发电机电压调节特性4 3 图4 7 伏赫限制控制流程图4 4 图4 。8 欠励限制直线图4 5 图4 9 欠励限制流程图4 5 图4 1 0 串行通信r s 4 8 5 中断服务程序流程图4 6 图4 1 lc a n 通讯接收中断服务程序流程图4 7 图4 1 2 人机交互c p u 主程序流程图4 8 图4 13l c d 页面显示流程图4 9 图4 1 4 定时中断程序流程图5 0 图4 1 5 人机交互界面菜单结构5 0 图5 1 电源输入端滤波器电路图5 3 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者躲阅捆跨 日期呵年r 月伽日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 闱锣印 晰灰 日期：瑚年丫月刃日 日期：年月日 硕f j 学位论文 第l 章绪论 1 1 同步发电机励磁系统简介 同步发电机是电力系统的主要设备，它将旋转的机械功率转换成电磁功率。 为完成这一转换，必须在发电机内建立一个旋转磁场，具体是在发电机的转子绕 组( 又称励磁绕组) 中，通以直流电流( 又称励磁电流) ，产生相对转子静止磁场， 转子在原动机的拖动下旋转，形成旋转磁场。励磁电流的大小决定了发电机的空 载电动势的大小，直接影响发电机的运行性能。 专门为同步发电机提供励磁电流的设备，即与同步发电机转子电压的建立、 调整以及必要时使其消失有关的设备，统称为励磁系统【l 】。其结构如图1 1 所示。 图1 1 同步发电机励磁系统框图 励磁系统是同步发电机的一个重要组成部分，它通常由两部分组成：第一部 分是励磁功率单元，它向同步发电机励磁绕组g l e 提供直流励磁电流；第二部分 是励磁调节装置，它根据发电机及电力系统运行的要求，自动调节励磁功率单元 输出的励磁电流【2 1 。 励磁调节系统的种类： ( 1 ) 直流励磁机系统 5 0 年代初期，汽轮发电机的励磁主要采用直流励磁机系统。按照励磁机励磁 绕组供电方式的不同，可分为自励式和他励式两种。直流励磁机的容量受机械强 度和换向电压等电气参数的影响，对于励磁功率大于6 0 0 k w 的汽轮发电机，无法 采用同轴直流励磁机系统1 3 】。 ( 2 ) 交流励磁机系统 目前，容量在2 0 0 3 0 0 m w 以上的同步发电机普遍采用交流励磁系统，同步 发电机的励磁机也是一台交流同步发电机，其输出电压经大功率整流后供给发电 机转子【4 1 。 綦fd s p 2 8 1 2 微机励磁试验装胃的f j j 究j 设计 对于他励交流励磁机系统，其励磁功率电源可靠，不受电力系统或发电机机 端短路故障的影响，即励磁功率电源取自发电机以外的独立的并与其同轴旋转的 交流励磁机，故称之为他励。根据交流励磁机的数量以及整流器是旋转的还是静 止的，分为以下四种：1 他励静止硅整流励磁系统；2 他励静止晶闸管整流励 磁系统；3 他励旋转硅整流励磁系统；4 他励旋转晶闸管整流励磁系统。 ( 3 ) 发电机自并励静止励磁系统 u j 一玉= 图1 2 自并励静止励磁系统原理图 自并励励磁系统如图1 2 所示，其没有旋转部分，所有设备与地面是相对静止。 发电机励磁功率取自发电机机端，经过励磁变压器t r 降压，晶闸管整流桥u 整 流后供给发电机励磁。发电机励磁电路通过自动励磁调节装置控制晶闸管的控制 角进行控制。这种励磁系统适合在大、中容量的发电机上应用垆j 。 对于同步发电机励磁控制系统的智能部件调节装置( 又称励磁调节器) ，它是 根据发电机机端电压( 或电流) 的变化，对机组励磁产生校正作用。早期的调节 器为振动和变阻器型，都具有机械部件，称为机电型调节器。它不能连续调节， 且响应速度缓慢，并有死区，已被淘汰。5 0 年代，磁放大器出现后，电力系统广 泛采用磁放大器和电磁元件组成的电磁型调节器。它调节速度快，可靠性高，通 常用于直流励磁系统。6 0 年代初，随着半导体技术的发展，电力系统开始采用由 半导体组成的半导体调节器。7 0 年代初，半导体调节器已在电力系统中得到广泛 应用，通常用于他励交流励磁系统。目前，随着大规模集成电路和微机技术的发 展，由硬件和软件组成的微机( 即数字量控制) 励磁调节器凭着功能全面、灵活 方便的优势，已在电力系统中大量应用，是今后的发展方向。 1 2 微机励磁装置在国内外的发展 从8 0 年代中期世界上第一台数字式励磁调节器( d i g i t a l - b a s e de x c i t a t i o n r e g u l a t o r 简称d e r ) 问世以来，国内外的众多生产厂家纷纷研制并不断推出新 的产品，大大推动了d e r 的发展和应用。我国早在8 0 年代初就开始了大型机组 的d e r 的研制开发，并于1 9 8 9 年投入试运行。 2 硕i 学位论义 其中一些电力科研单位和高校先入为主，电力部南京自动化研究所( 现电力 部电力自动化研究院) 于1 9 8 5 年研制出适用于大中型发电机的w l t - 1 型励磁调 节器。w l t - 1 型励磁调节器以8 位单片机为核心，采用p i d 调节。1 9 9 0 年4 月， 南京自动化研究所又推出w l t - 2 型微机励磁调节器，该调节器采用i n t e l 公司的 1 6 位i s b c 系列计算机模板，有两个独立的自动通道，互为热备用，在一个通道 发生故障的时候可以自动切换到另一个通道工作，同时增加了线性最优励磁控制 和电力系统稳定器( p o w e rs y s t e ms t a b i l i z e r 简称p s s ) 附加励磁控制l6 1 。 哈尔滨电机厂有限责任公司与华中理工大学合作研制的h w l t - 4 型微机励磁 装置里采用两台m i t - 2 0 0 0 工控机组成的双微机励磁调节器，并设有带触摸屏的 p p c 1 0 2 平板式工控机，为用户提供显示和控制、数据设定、状态监视、故障指 示和故障分析的人机界面。此外还配置了一套模拟电路的磁场电流调节器，它与 数字调节器互相跟踪，自动切换。 原华中理工大学和东方电机厂合作研制了双数字式励磁调节器。该调节器由 两套c c s d k 8 6 微型计算机构成，采用i n t e l 公司的8 0 8 6c p u 和线性最优励磁控 制策略。 电力部电力科学研究院与南京自动化设备厂合作研制了w k k l 一1 型双微机自 动励磁调节器，于1 9 9 1 年在湖南耒阳电厂投入运行。它选用1 6 位工业控制机 c c s d k 一8 6 ，控制规律以比例积分微分( p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l d i f f e r e n t i a l 简称 p i d ) 调节为主，同时引入了p s s 附加控制1 7j 。 武汉洪山电工技术研究所研制出的h w j t 型单片机数字式励磁调节器于19 9 3 年在邯郸热电厂投入运行，它选用8 0 9 8 单片机，具有多种调节、控制和限制功能。 广西大学自动化研究所研制的可编程微机励磁调节器，其硬件采用可编程控 制器，软件采用非线性智能控制方法，大大提高了产品的可靠性、励磁系统的动 态和静态响应指标，装置的维护检修等方面达到了一个新的水平。 清华大学分别与哈尔滨电机厂和北京重型电机厂合作，研制了全数字式励磁 调节器，采用s t d 总线结构或8 0 9 8 单片机结构，控制规律采用p i d 调节、p s s 附加控制、线性最优励磁控制和非线性励磁控制，四种调节规律可由用户选择， 具备完善的保护、限制、报警功能。 国外从2 0 世纪9 0 年代开始研究数字励磁调节器，其中瑞士a b b 公司、英国 r o l l s r o y c e 工业动力集团公司、加拿大c g e 公司、奥地利e l i n 公司以及德国 s i e m e n s 公司等均生产d e r ，这些公司具有很强的科研开发能力，d e r 用的硬 件一般是自制专用控制板。由于单c p u 系统快速、总体集成度高，因而成本也高 的原因，转为多c p u 系统的设计，它兼有并行处理的特点，可满足快速要求，调 节器功能分配给不同的c p u 元，使得软件编程简化。国外厂家在这个方向均投入 大量的研发精力，其中a b b 公司的u n i t r o l o 型励磁调节器有6 个c p u ，c g e 皋f d s p 2 8 1 2 微机励磁试验装置的研究oj 设计 公司的s i l c o 型双通道励磁调节器有2 个c p u 。 总而言之，随着控制理论的发展和新技术、新器件的不断出现，励磁调节方 式从手动发展到了自动；调节功能从单一电压调节发展到多功能的励磁控制：调 节反馈参数从单一的电压偏差发展到以电压偏差为主、附加了电功率、角速度、 发电机电流、励磁电流或励磁电压的偏差或它们的恰当组合：调节规律从简单的 比例反馈调节发展到p i d 调节、p s s 附加控制、用线性最优控制原理设计的多参 数反馈调节；从线性励磁调发展到自校正励磁调节、自适应励磁控制、模糊励磁 控制等非线性励磁调节：在实现手段上，从机电式或电磁式发展到晶体管式或集 成电路式等模拟调节器，至今数字式励磁调节器( 基于微处理器的励磁调节器或 微机励磁调节器) 已逐步投入运行，在新投运的发电机组上大都采用数字式微机 励磁调节器怫 1 。 1 3 本文研究课题的背景及意义 本课题是与长沙同庆电气信息有限公司合作设计研制的“电力系统培训实验 系统配套的“发电机组控制屏 当中的微机型励磁调节实验装置。 随着电网的扩大和电压等级的不断提高，电力系统的结构日趋复杂。电网的 运行方式随之发生了较大的变化。安全可靠是电力系统运行的最基本条件，同时 电力系统必须具有合格的电能质量和良好的动态品质。而同步发电机励磁装置是 改善电力系统稳定性最经济且最有效的手段之一。对于电力系统的运行人员和大 中专院校的电力专业的学生来说，熟悉和掌握发电机的励磁装置的调节原理、调 节特性和调节方法是非常重要的。而建设大规模的动模实验室需要投入巨大的资 金、占用大量的土地资源和需要较长的建设周期。针对于此，基于d s p 的微机励 磁实验装置应运而生。 开发的这一套发电机微机励磁实验装置模型清晰、设计直观、通用性强、原 理结构准确，符合现场发电机励磁装置的实际情况。且有利于提高实验和培训者 的手动操作能力和理论知识水平。该实验装置有以下特点： ( 1 ) 硬件采用数字信号处理器和大屏幕液晶显示器( 3 2 0 2 4 0 点阵) 相结合 的应用平台。测控部分和人机交互的处理器均采用3 2 位定点d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，分别负责完成数据采样计算、逻辑判断、控制信号输出、通讯处 理；采样数据显示、励磁参数在线修改等功能。 ( 2 ) 人机界面采用汉字菜单结构，方便直观，可以结合键盘进行参数整定、 测量显示、试验控制等功能，通过操作可在液晶显示屏幕上观察试验波形。 ( 3 ) 强大的通讯功能，内部采用c a n 总线互联，进行数据交换；对外提供 r s 4 8 5 总线接口，可以实现远方测量和控制，上位机软件界面友好、操作简单。 通过r s 4 8 5 总线可实现多台装置互联的变电站综合自动化实验功能。 4 硕f j 学位论义 ( 4 ) 系统集成度高，模块化强，结构简单，可靠性高，投资少。 基于d s p 2 8 1 2 的微机励磁实验装置基于技术理论，面向实践，具有广泛的应 用价值；在功能、经济和创新性方面都有很大的优势，据有显著的经济效益。目 前上海交通大学、泉州华侨大学、长沙理工大学、上海大学、厦门理工大学等高 校均引进该装置进行学生的励磁实验培训。 1 4 本文所做的工作 基于d s p 2 8 1 2 的微机励磁实验装置在深入研究国内现有的励磁装置及其多种 微机励磁控制方法的基础上，结合发电机微机励磁实验教学和培训的特点研制而 成的。本人参与了整个系统的设计、样机的制作和模拟实验过程，偏重于软件部 分的研究和开发。 本文工作安排如下： 第l 章综述了同步发电机励磁系统的相关内容以及微机励磁装置在国内外的 发展情况；并对课题的背景和意义进行了详细阐述。 第2 章对微机励磁实验装置进行了整体设计，综述了该装置构成、功能特点 和技术指标。提出了微机励磁实验装置整体硬件平台的设计方案。采用双d s p 为 处理器和液晶显示屏为人机界面的硬件平台。文中详细分析了测控部分和人机交 互部分各模块的硬件设计。 第3 章综述了微机励磁装置采用的m o d b u s 通讯协议。分析了它的功能码和 串行协议栈。在详细分析装置通讯数据类型和特点的基础上，选取符合要求的功 能码进行了具体设计，并给出了应用范例。 第4 章对励磁实验装置的软件进行了设计。对测控部分的各个程序流程和功 能进行了详细说明。对人机交互界面主程序、l c d 页面显示程序和定时器中断程 序的流程图进行了分析，并阐述了液晶显示屏的菜单结构及其功能。 第5 章分析了干扰产生的原因和危害，对硬件方面抗干扰措施进行了分析。 同时给出了软件设计方面抗干扰措施。并在励磁实验装置样机基础上，进行了励 磁相关模拟实验，并根据实验结果分析励磁装置的特性。 5 幕t 二d s p 2 8 1 2 微机励磁试验装置的研究j 设计 2 1 引言 第2 章微机励磁实验装置硬件设计 同步发电机励磁系统主要向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流，以 满足发电机正常和电力系统安全运行的需要。 无论在稳态运行还是暂态过程中，同步发电机运行状态都在很大程度上与励 磁有关。对发电机的励磁进行调节和控制，不仅可以保证发电机及电力系统的可 靠性、安全性和稳定性，而且可以提高发电机及电力系统的技术经济指标。励磁 系统的主要任务有：( 1 ) 控制机端电压；( 2 ) 在并列运行中，调节机组间无功功 率分配；( 3 ) 提高电力系统运行稳定性；( 4 ) 改善电力系统的运行条件。 本文研究与设计的微机励磁实验装置是长沙同庆公司丌发的发电机组控制屏 ( 包括微机调速装置、微机励磁装置、微机同期装置) 的一部分，在结合现场的 励磁装置的功能，并加入实验培训的特殊要求的基础上设计的。 2 2 微机励磁实验装置的组成 励磁实验装置采用同轴直流电动机( p n = 2 2 k w ，u n = 2 2 0 v ) 模拟原动机，配 有测速装置和功率角指示器，利用它带动三相同步发电机( s n = 2 k w ，u n = 4 0 0 v ， n 。= 15 0 0 r m i n ) 运行，同步发电机采用他励方式。直流电动机( m ) 、同步发电机 ( g ) 经弹性联轴器组装在个活动底盘上构成可移动式机组。该实验装置的结构 图如图2 1 所示。 励 磁 变 压 器 无 穷 大 系 统 图2 1 励磁实验装置结构图 电压互感器( p t ) 是为测量部分提供合适的测量电压的设备。由于发电机出 口端的电压很高，无法直接用测量装置来测量。电压互感器通过电感线圈原、副 6 硕f j 学位论文 边的电压转换，将高电压降低为一定范围的低电压，以供测量装置能适用的电压。 电流互感器( c t ) 是为测量部分提供合适的测量电流的设备。其工作原理跟 电压互感器相似，是将大电流量转换为小电流量的装置。 变压器( t ) 是将发电机的出口电压进行升压之后与系统并网，同时也起到了 将发电机与电网隔离的作用。 励磁变压器是对市电3 8 0 v 的交流电进行变换，为功率单元的可控硅提供稳定 的电源。采用变比为3 8 0 v 9 0 v 的变压器。 实验装置模拟的双回路分段输电线路，由9 个2 0q 带铁芯的电抗器、接触器 和继电器组成。 无穷大系统由15 k v a 的自耦调压器构成，通过调整自耦调压器的电压可以改 变无穷大电缆的电压。 功率单元由可控整流桥组成，为励磁绕组提供需要的电流。根据励磁调节装 置计算出的导通角，转换成控制功率单元可控硅的触发脉冲，便可得到相应的励 磁电流。 上位机可通过r s 4 8 5 总线对励磁实验装置进行远程实时监控。 2 3 微机励磁实验装置的功能 在结合实际励磁装置的功能基础上，融合培训装置所需的功能，该实验装置 具备的功能有： ( 1 ) 自动运行方式( 恒机端电压) 、手动运行方式( 恒励磁电流) 、恒功率因 数运行方式、恒无功功率运行方式【1 1 】四种可切换的运行方式。让培训人员全面的 了解和掌握励磁调节装置的运行方式和调节过程。 ( 2 ) 大屏幕液晶和运行指示灯显示。主界面显示发电机相关的机端三相电压、 励磁电压、自动运行方式下的给定参考电压、定子三相电流、励磁电流、手动运 行方式下的给定参考电流、发电机有功功率、无功功率、功率单元可控硅触发角、 功率因数、机端电压频率、开入量状态等相关参数。培训人员可对励磁装置运行 的各个参数全面掌握，并根据相应参数的变化和指示灯的亮灭，判断励磁装置运 行状态或是否有异常。 ( 3 ) 可对励磁实验装置的p i d 参数( 手动或自动) 、调差系数、精度系数等 参数进行在线修改。通过对不同参数的分析，让培训人员理解不同的励磁参数对 励磁装置的各种调节特性的影响。并最终找出适合相应发电机组的励磁参数。 ( 4 ) 可对励磁实验装置的过励限制、低励限制、伏赫限制进行投退。培训人 员可对在不同限制的投退的情况下，分析励磁调节装置在特定工作状态下对应的 限制功能的调节特性。该装置还配备了p t 断线保护、空载过电压保护功能，培训 人员可通过l e d 指示灯进行观察，并学会分析导致此种状态的原因，以提高培训 7 基于d s p 2 8 1 2 微机励磁试验装置的研究j 设计 人员分析和处理故障问题的能力。 ( 5 ) 通过液晶显示屏，培训人员可观察录制的发电机的阶越试验波形。调整 不同的励磁参数( 主要是p i d 参数) ，可观察到不同的实验的波形，培训人员将对 阶越试验会有更加深刻的认识。 2 4 励磁实验装置技术指标 ( i ) 调压范围2 0 1 2 0 ，可控硅移相范围1 0 l5 0 度： ( 2 ) 起励超调为1o ，甩负荷超调为15 ； ( 3 ) 调差系数范围为0 l5 ； ( 4 ) 频率特性：频率每变化1 ，发电机机端电压变化不大于额定值的o 2 5 ： ( 5 ) 电流测量精度：0 5 ，电压测量精度：o 5 ； ( 6 ) 在空载额定电压情况下，当发电机给定阶越为1 0 时，发电机电压超 调量小于阶跃量的3 0 ，振荡次数小于2 次，调节小于5 秒。 2 5 励磁实验装置硬件平台设计 微机励磁装置从采用8 位单片机向1 6 位单片机，向3 2 位数字信号处理器 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，简称d s p ) 以及成套工控机的方向发展；从单片c p u 向双c p u 、多c p u 和网络化方向发展。事实表明：网络化、多通道、一体化、智 能化的微机励磁调节装置将在电力系统中将得到广泛应用，为电网的稳定、安全、 可靠、高效运行提供保障。 本文设计的微机励磁实验装置，采用测控部分和人机交互部分的双处理器构 架，两部分均采用t i 公司的高性能3 2 位d s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为处理器，搭载 c a 3 2 0 2 4 0 b 系列3 2 0 2 4 0 点阵式图形液晶显示器为人机交互界面。 在微机励磁实验装置设计中，按测频模块、通信模块、模拟量变换模块、开 入开出模块、人机交互模块、电源模块、时钟和扩展存储模块等分模块设计，各 模块由相应的处理器进行控制。其核心处理器采用t i 公司的数字信号处理器 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 。 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是t i 公司推出的目前市场上较先进的、功能强大的3 2 位定点 数字信号处理器。它既具有高速数字信号处理的能力，同时具有强大的事件管理 能力和嵌入式功能，特别适合用于有大批量数据处理的测控场合，如工业自动化 控制、电力电子技术应用、智能化仪器仪表及电机、马达伺服控制系统等多个领 域。其主要特点有f 1 2 1 4 】： ( 1 ) 采用高性能静态c m o s 技术设计，具有高速度( 最高运行速度可达 8 硕 j 学位论文 1 5 0 m h z ，时钟周期仅6 6 7 n s ) 、低功耗( 核心电压1 8 v ，i o 口电压3 3 v ，f l a s h 编程电压3 3 v ) 的特点； ( 2 ) 具有j t a g 边界扫描( b o u n d a r ys c a n ) 功能； ( 3 ) 内部采用哈佛总线结构，硬件乘法单元，支持高达8 级的指令流水线操 作； ( 4 ) 采用统一寻址，支持最大可达4 m b 的线性程序寻址空间和4 m b 的数据 寻址空间； ( 5 ) 具有快速、强大的中断响应和处理能力。 此外，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 其丰富的外设资源使得具有d s p 高速并行运算能力的同 时，也具有单片机的控制功能，其外设资源有【1 5 6 1 ： ( 6 ) 丰富的片内存储器：f l a s h ：1 2 8 k 16 b i t ( 4 个8 k 1 6 b i t 和6 个16 k 16 b i t ) ； o t p ( 一次性可编程) r o m ：l k 1 6 b i t ；b o o tr o m ：4 k 1 6 b i t ；r o m ( 只读存 储器) ：1 2 8 k 1 6 b i t ；l 0 和l l ，均为4 k 1 6 b i t 的单存取r a m ( s r a m ) ；h o ， m o ，m 1 分别为8 k 1 6 b i t ，l k 1 6 b i t ，1 k x1 6 b i t ； ( 7 ) 提供的片上引导，位于存储器空间的0 x 3 f f f c 0 o x 3 f f f f f 区域。b o o t r o m 中包括引导装载函数、版本号和发布的数据及校验和信号、复位向量、c p u 向量表和多种数学表( 包括正余弦表、规格化的倒数表、规格化的平方根表、规 格化反切表和圆周及饱和值表) ； ( 8 ) 提供丰富的外设存储器接口，提供c s 0 1 、c s 2 和c s 6 7 共三个独立的 片选信号线，并且等待状态数、读、写操作来选通计数器均可编程控制；。， ( 9 ) 片内集成振荡器，支持动态改变锁相环的频率，包括内部看门狗模块； ( 1 0 ) 提供可用于保护f l a s h 、o t p 、l 0 和l 1 的1 2 8 位密钥； ( 1 1 ) 内部包括外围中断扩展( p i e ) 模块，可最多支持9 6 个外围中断，当 前只使用了4 5 个外围中断； ( 1 2 ) 提供3 个3 2 位的c p u 定时器，其中c p u 定时器1 和c p u 定时器2 被