（水利工程专业论文）pcc可编程微机励磁控制器的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 同步发电机励磁系统是同步发电机的一个重要组成部分，它直接影响发电机的运 行特性，对电力系统的安全稳定运行有重要的影响。随着电力系统的扩大和发电机组 容量的增大，大型同步发电机的励磁系统也在不断发展，新的器件和新的理论不断应 用到这一领域。本文对基于p c c 微机的励磁控制器进行了较为深入的探讨，给出了一 套完整的励磁控制器实现方案。 本文的主要工作如下： 1 奥地利贝加莱公司开发研制的p c c 可编程计算机控制器，不仅继承了p l c 的高可靠性，而且具有与单片机等同的主频，同时p c c 还具有分时多任务操作系统， 其应用程序的调用类似定时器中断服务功能，通过调用时间处理器( t p u ) 函数，应 用程序可以间接获得实时响应的能力，以达到测量、控制的实时性和准确性。本控制 器的核心硬件模块采用了p c c 硬件的i p l 6 1c p u 模块实现交流采样、周期测量和移 相脉冲的功能，动模试验表明：它完全可以满足励磁控制的要求。 2 开发了功能齐全的励磁控制程序，实现了五种运行方式( 即恒机端电压、恒 励磁电流、恒控制角、恒功率因数和恒无功功率) ，三种起励方式( 机端电压、系 统电压和励磁电流) 以及各种限制保护功能。 3 在励磁控制器上集成了p i 、p i d 、p i d 十p s s 以及线性最优四种控制算法，并在 实验中对这些算法的控制效果进行了比较和分析。 4 设计了一个与励磁控制器相匹配的人机交互系统的解决方案，通过两个标准 的r s 2 3 2 串口，两套互为冗余的微机通道与人机交互系统实行通讯。通过监控界面实 现在线整定并固化控制器参数，也可以完成运行方式和起励方式的切换，完成各项实 验功能。 5 通过动模实验验证p c c 励磁控制器的性能。 关健词：同步发电机、励磁控制、p c c 、i p l 6 1 、线性最优 华中科技大学硕士学位论文 a sa ni m p o r t a n tp a r to fag e n e r a t o rs e t ，t h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e ri n f l u e n c e sn o to n l y p e r f o r m a n c eo ft h eg e n e r a t o r ，b u ta l s ot h ep o w e rs y s t e ms t a b i l i t y m a n yn e w c o n t r o l t h e o r i e sa n dc o m p o n e n t sh a v eb e e na p p l i e dt oe x c i t a t i o nc o n t r o l l e r s t h i sp a p e rm a i n l y f o c u s e so na ne x c i t a t i o nc o n t r o l l e rb a s e do np r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ( p c c ) a n di t sm a i n w o r ki n c l u d e s ： 1 t h es c h e m eb a s e do np c c t h ec o n t r o l l e rp o s s e s s e st w oc o n t r o lc h a n n e l s ，w h i c h a r er e a d ys t a n db ys y s t e mf o re a c ho t h e r e a c hc o n t r o lc h a n n e li sc o m p o s e do f5m o d u l e s ， i e ，t h ep o w e rs u p p l ym o d u l e ，t h ec p um o d u l e ( i p l 6 1 ) ，t h ea d m o d u l e ，t h ed i m o d u l e a n dt h ed om o d u l e t h e2c o n t r o lc h a n n e l sc o m m u n i c a t ew i t he a c ho t h e rb yw a yo fc a n b u s t h ep c ci sa sr e l i a b l ea st h ep r o g r a m m a b l ek 舀cc o n t r o l l e r ( p l c ) w h a t sm o r e ，i t s p r o c e s sc a p a b i l i t yi sa sp o w e r f u la st h es i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r b yc a l l i n gf u n c t i o n s o f t i m ep r o c e s su n i tf f p u ) ，t h ep c c a p p l i c a t i o n sa g ea b l et or e s p o n dt h ei n p u ts i g n a l s i nr e a l t i m e t h u sb e s i d e sp r o c e s s i n gt h ec o n v e n t i o n a lw o r ko fc p u ，t h em o d u l ei p l 6 1g e n e r a t e s f l a s hp u l s e sf o rs c r b r i d g e s ，m e a s u r e st h e 仃e q u e n c y ，a n dc o n d u c t sf o u r i e rs a m p l eo f v o l t a g e sa n dc u r r e n t s 2 a l lt h ef u n c t i o n so fe x c i t a t i o nc o n t r o l l e r f i v eo p e r a t i o nm o d e s ，t h r e es t a r tu pm o d e s a n dt h el i m i v t ) r o t e c t i v ef u n c t i o n sc a nb ei m p l e m e n t e dc o r r e c t l y 3 a l g o r i t h m s t h ec o n t r o l l e ri si n t e g r a t e dw i t h f i v ea l g o r i t h m s ：p i d ，p i d + p s s ，p i ，a n d l i n e a ro p t i m a le x c i t a t i o nc o n t r o l ( l o e q t h e i re x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r el i s t e da n dt h e i r c o n t r o lp e r f o r m a n c ei sa n a l y z e dr e s p e c t i v e l y 4 m o n i t o ri n t e r f a c ef o rt h ec o n t r o l l e r t h ei n t e r f a c em o n i t o r st h e2c h a n n e l st h r o u g h2 s t a n d a r ds e r i a lp o r t s t h ei n t e r f a c ei sa b l et om o n i t o ro p e r a t i o no ft h eg e n e r a t o r ，c o n d u c t t e s t s ，a d j u s tc o n t r o lp a r a m e t e r sa n dw r i t en e wp a r a m e t e r st of l a s hm e m o r y 5 a l lt h ec o n t r o l 1 l r o t e c t i v ef u n c t i o n sa n dc o n t r o la l g o r i t h m sh a db e e nv e r i f i e do na p h y s i c a lm o d e lo fs i n g l em a c h i n e i n f i n i t eb u ss y s t e m k e y w o r d s ：s y n c h r o n o u sg e n e r a t o r ，e x c i t a t i o n ，p c c ，i p l 6 1 ，l o e c 玎 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集 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结果由本人承担。 学位论文作者签名：i 龊 日期：2 咀s 年 f f 月8 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，即：学校有 权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：i 敏 指剽币签名刻 j 霉d 1 日期：溅，f 月s 日 日期：2 即f 年，月驴日 华中科技大学硕士学位论文 1 绪论 励磁系统是同步发电机的重要组成部分，直接影响发电机的运行特性。优良的励 磁系统可以保证发电机可靠和稳定运行，而且可以有效地提高发电机及电力系统的技 术经济指标，近年来通过与国外知名励磁设备制造厂的广泛技术交流、合作，我国水 轮发电机励磁系统的设计、开发和制造等已取得了非常明显的进步“。 自同步发电机问世以来，励磁调节方式有了很大发展。励磁方式为他励方式和自 励方式。励磁方式中他励方式和自励方式又都可以细分为不同的励磁模式。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自动；调节功 能从单一电压调节发展到以电压偏差为主，附加电功率、角速度、发电机电流、励磁 电压、励磁电流的偏差或它们的组合“。；调节规律从简单的比例反馈调节发展到p i d 调节、电力系统稳定器( p s s ) 附加控制”。、线性最优励磁控制( l o e c ) ”。，自 适应励磁控制l 5j 、模糊励磁控制“1 等；在实现手段上，从机电式或电磁式发展到晶 体管式集成电路等模拟调节器，直到今天的数字式励磁调节器。 我国数字式励磁调节器的研制开发比较早，2 0 世纪8 0 年代初就有一些电力科研 单位和高校开始研制数字式励磁调节器。首先投入运行的是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 年研制的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 位单板机为核心，采用p i d 调节。2 0 世纪9 0 年 代，南京自动化研究所又推出w l t - 2 型数字式励磁调节器，该调节器采用i n t e l 公 司的1 6 为i s b c 系列计算机模式，有两个独立的自动通道，互为热备用，在一个通道 发生故障时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p s s 附 加励磁控制。 华中理工大学和东方电机厂合作研制了双微机数字式励磁调节器。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 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 - 1 型双微机自动励 华中科技大学硕士学位论文 磁调节器，于1 9 9 1 年在湖南莱阳电厂投入运行。它选用1 6 位工业控制机c c s d k - 8 6 ， 控制规律以p i d 调节为主，同时引入p ss 附加控制。 武汉洪山电工技术研究院研制开发了h w j t 型单片机数字式励磁调节器于1 9 9 3 年在邯郸热电厂投运，它选用8 0 9 8 单片机为主机型，具有多种调节、控制和限制功 能。 华中理工大学和宜昌能达通用电气股份合作公司研制开发了m e c 3 1 b 多微机励 磁调节器，于1 9 9 3 年在葛洲坝电厂1 2 5 m w 机组上投入运行。它选用s t d1 6 为工业 控制微机，控制规律采用线性最优控制理论”1 。 国内还有一些院校、研究所和公司进行了数字式励磁调节器的研制、开发和生产 工作。经过1 0 多年的努力，在设计、生产和运行方面已积累了丰富的经验，数字式 励磁调节器的优良性能在实际生产运行中也日益显示出来。 在国外，瑞典a b b 公司、加拿大g e 公司、奥地利e l i n 公司以及德国s i e m e n s 公司等均可提供数字式励磁调节器。这些大公司具有很强的科研开发能力，数字式励 磁调节器的硬件一般自制专用控制板。加拿大g e 公司生产的s i l - c 0 5 型数字式励磁 调节器安装在我国隔河岩水电站的进口机组上，奥地利e l i n 公司生产的数字式励磁 调节器应用于十三陵抽水蓄能电站。德国s m m e n s 公司生产的s n d a d y nd 型数字 式励磁调节器已在我国三峡左岸电站投入运行。 当前国内的数字式微机励磁控制器大部分使用单片机或工业控制计算机。这些 c p u 板大部分是自行设计制作，小批量生产，对于元器件的筛选、老化不够重视，相 关生产工艺水平有限，造成c p u 板抗干扰能力差，稳定性不高，从而降低了励磁控 制器的可靠性，影响了发电厂的安全运行。 为了解决上述问题，提出用一种新型的可编程计算机控制器p c c ( p r o g r a m m a b l e c o m p u t e r c o n t r o l l e r ) 构成的同步发电机励磁调节器”。，直接产 生六相触发脉冲控制可控硅导通；通讯采用c a n 总线方式或p r o f i b u s 总 线方式；人机界面采用大屏幕触摸屏；直接利用p c c 内部高速计数器进行 测频率和相位差，使测频和测相差的精度和可靠性都得到保证“。使得开 2 华中科技大学硕士学位论文 发的p c c 可编程微机励磁控制器适应电力系统朝大机组、大电网方向发展的需要。 而控制采用线性最优励磁控制规律，能为电力系统提供良好的阻尼，满足电力系统联 网稳定运行的要求“。整个控制器以“功能完备、可靠性高、检修维护方便、操作简 单直观”为设计思想，而且将新一代的p c c 可编程计算机控制器作为核心控制器件应 用其中。p c c 可编程计算机控制器具有极高的可靠性、丰富的编程语言、实用的编程 方法、优良的性能、良好的耐恶劣环境的能力而成为工业控制领域中增长最迅猛的工 业控制设备，是大、中型同步发电机励磁控制器的理想的硬件平台。 开发的控制器硬件由管理机、p c c 可编程计算机控制器、测量单元、逻辑控制单 元和电源单元组成。人机交互界面采用研华工业平板p c ，完成人机接口、可视化图 形显示、各种参数设置、事件记录、与优化维护系统及监控系统的通讯等。计算机硬 件采用具有可靠性、优良的性能、良好的耐恶劣环境能力的进口奥地利b & r 公司 p c c ，该产品按恶劣的工业现场条件特别设计，硬件设计合理，配置简单清晰。按励 磁控制系统的设计为硬件双重化，可满足各种容量发电机励磁控制的要求。测量单元、 逻辑控制单元、电源单元印制电路全部采用工业级设计。结构采用标准的欧式机箱， 具有接线简单可靠的优点。管理机可与励磁双微机通道进行信息交换，从而实现对发 电机运行状态进行监视和记录，也可作为一个子站与电厂( 站) 主计算机管理系统进 行联网，实现励磁设备自动化管理。 励磁控制器按国际标准柜设计，其外围接口符合传统设计要求。如交流信号输入、 开关量信号输入、装置直流电源、交流电源、异常信号输出、r s 4 8 5 、r s 2 3 2 、c a n 现场总线以及以太通讯接口等皆符合现场常规要求。对于新建工程，有典型设计图纸 可以套用；而对于改造工程，也可根据实际情况重新设计。 华中科技大学硕士学位论文 2 励磁控制器的基本组成 2 1 装置的硬件组成 2 1 1 通道配置 控制器采用两套在软件、硬件及结构上完全相同的自动通道组成，可以根据用户 的要求配置一套在软件、硬件上完全独立的手动通道，作为独立的第三通道。每个通 道的电源、测量、开关量输入、开关量输出、调节计算、脉冲输出等各个环节都是相 互独立的，构成典型的双通道励磁控制器“一。 在每一个自动通道( 电压通道) 中还设置了辅助的手动控制单元。两个自动电压 通道相互热备用，当一个自动电压通道出现故障时，将自动无扰动切换至备用电压通 道，并闭锁故障的通道，并向监控系统发出故障指示信号。当两个自动电压通道正常 工作时，可以人为进行手动切换，由于两个通道是相互独立的，所以在运行过程中没 有主机和从机的区分，两个通道之间采用标准通讯口进行有效信息的交换，同时采用 了容错处理，确保在运行过程中不出现失磁和误强励的情况发生。 当控制器的电压自动通道发生故障时，如果调节器配置了第三通道，将自动切换 至第三通道，如果只配置了两个通道，则两个通道自动转换为转子电流闭环状态，并 闭锁电压调节通道，由于控制器采用了独特的同步断线技术，即使在p t 断线的情况 下，也能保证控制器的正常运行。由于调节器通道采用了独立的软、硬件所以在检修 故障通道时，可以将故障通道内的插件拆出检修，检修结束后再将该通道投入，不影 响系统的正常运行。在整个切除和投入运行过程中，发电机不会出现无功的波动。 2 1 2 人机交互模式 采用研华工业平板p c 机人机交互方式，主要用于显示两个自动通道的工作状 态、内部各种限制参数、故障信息及自动录波等功能。软件采用w n d o w s 界面，中 文显示，在线帮助，友好的人机操作界面，易于用户快速掌握，同时它也是人性化的 专家维护系统。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 p 0 ( 3 控制器特点 2 1 3 1 核心器件采用p c c 可编程计算机控制器 可编程控制器因早期主要应用于开关量的逻辑控制，故其最初被称为 p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 。随着计算机技术的发展，i p c ( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 与p l c 逐渐相结合，形成了p l c 家族的新 成员p c c 。除了具有p l c 的所有功能外，还有高速计数、m s 级触发信号、 c a n 接口等功能”“。本励磁调节器直接使用高速计数功能( t p u ) 对频率 及其相位差进行测量，其最高计数频率大于4 m h z ，完全满足大型同步励磁 发电机测频和相差要求。可控硅触发脉冲采用全数字方式形成，直接向可控 硅发触发脉冲，有效地减少了时延，提高了响应速度。 2 1 3 2 工艺流程设计 p c c 可编程微机励磁控制器采用先进的表面贴装技术，电子元器件功耗降低，发 热量较小，励磁控制器不需要额外的散热处理。励磁控制器采用标准欧式机箱结构， 由柜体、机箱、插件构成防护系统，能够有效屏蔽空间的电磁辐射和电磁干扰，同时 能防止外界灰尘的侵入。对电源及测量回路采用了无源滤波和加装磁阻、使用工业级 滤波器等多种电磁兼容技术，加强了对电源线路上的低频干扰的抑制能力。整个装置 采用分布式隔离电源，工控机工作电源、内部继电器操作电源、脉放电源采用独立的 进口开关电源，各部分相互隔离，提高了装置整体的可靠性。 2 1 3 3 全数字化 从输入通道的交流采样到控制脉冲的输出全部实现数字化，没有模拟环节，无电 位器调整，全数字化大大提高了精度和可靠性，维护十分方便。 5 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 4 交流采样技术 利用p c c 的高速数据处理能力，对定子电压和定子电流进行高速多路的无相差交 流采样，通过傅立叶变换，计算出有功功率、无功功率及定子电压、电流的有效值。 交流采样技术由于省略了电量变送器，减少硬件环节，提高了可靠性，并且可以较好 地解决精度与速度的矛盾，因此近几年在电力监测、控制、包括微机励磁中得到广泛 应用。 2 1 3 5 全数字脉冲触发系统 控制角由程序计算出后，可求出所需的延时计数值，当同步信号采集进 来时，在自然换流点( 方波的上升沿) 到达的同时启动高速计数器，高速计 数器计数值达到延时计数值时发脉冲，然后依次通过p c c 中t p u 的链接功 能推后t 6 ( t 为晶闸管共阳极的电压周期) 在其它输出端口发出脉冲。 2 1 3 6 独特的测频测相系统 本励磁控制器的测频测相差是利用p c c 的t p u 功能，t p u 是时间处理 单元( t i m ep r o c e s s o ru n i t ) 的缩写，它对由开关信号引发的事件的分辨率 可达到微秒级，而本身不增加主c p u 的负荷，真正满足了高实时高精度的 要求 1 4 。 2 1 3 7 具有集调试、试验、故障录波多功能的管理系统 装置采用1 0 彩色液晶触摸平板p c 机，软件采用w i n d o w s 界面，易于运行和 维护人员掌握，波形、状态显示清晰，在运行中可随时查阅各种运行状态值、控制变 量，控制及限制参数。故障录波功能能记录故障前1 0 秒及故障后5 0 秒的运行参数， 便于事后分析与诊断。在线帮助菜单丰富，人机界面同时具有模拟显示和数字显示。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 8 装置采用线性最优励磁控制规律 微机励磁的摄优控制，般按单机对无穷大系统的模型设计。对于发电机转子励 磁回路由可控硅桥供电的情况，采用三阶状态方程。对于发电机转子励磁回路由可控 硅桥供电的情况，励磁调节器控制交流励磁机回路的可控硅的情况，则采用四阶状态 方程1 - 1 5 。状态方程的一般表达式为： x ，4 x + 曰u( 2 1 ) 式中弘靠态向量； ( 7 二一控制向量： 4 吠态系数矩阵； 卜控制系数矩阵； 在设计最优励磁控制系统时，通常选用二次型性能指标： ，慨u ) 一矗僻7 册+ u t r w ) a t ( 2 _ 2 ) 式中p _ 代数r i c c a t i 方程的解； ( k 空制向量； r - 空制量的权； 弘状态向量。 以式( 2 1 ) 为约束条件，求式( 2 2 ) 泛函j 为极小值的必要条件为 a 7 p + a p p b r 一1 8 7 p + q 0 ( 2 - 3 ) 解此黎卡梯方程，便可求出最优控制微量为 u 。一f ；：y 一r 4 1 8 7 p x( 2 4 ) 式中p 代数r i c c a t i 方程的解； k _ 最优反馈增益矩阵，本装置中的三阶模型中k = k p j ( 1 0k v 】，其中k p 为有功率增益矩阵，k 。为角速度增益矩阵，k v 为机端电压增益矩阵。 7 华中科技大学硕士学位论文 四阶模型中k = k pk ok v dk v 】 计算表明，k p 、k 。、k v 的值是随着发电机运行点改变而变化的，本装置分四段 处理变增益控制。 试验研究及计算表明，对于不同的机组参数，算出的最优反馈增益比较接近，特 别是k v 值很接近，机组与电力系统间联系电抗的大小对最优反馈增益影响不大。因 此本装置对于不同的同步发电机的机组具有通用性。 2 1 4 装置工作原理 装置不断地对发电机定子三相电压及定子三相电流进行交流采样，从而计算出发 电机端电压v t ，定子电流i ，有功功率p ，无功功率q 的当前值，此外采样励磁电流 当前值，测量并计算机组频率当前值等。 以三阶模型为例，装置根据发电机端电压变化量a v t ，有功功率变化量a p ，频率 的变化量0 ) ，每2 0 m s 内计算控制角增量。一次。算法如下： a 。；一d 【k _ - p + j ：n ，+ k p k 】 ( 2 5 ) 式中n 转换系数； p _ 有功功率的变化量； ( i 卜一频率的变化量； v r _ 一发电机端电压的变化量。 可控硅触发角 a x _ 口蔗一l + 上0 k ( k ) + a a ( 2 - 6 ) 式中 k 广一积分系数； n 控制角的变化量； 装置采用数字移相技术确定可控硅触发角。数字移相触发是把算出的控制角a 折 算成对应的延时t 。，再折算成对应的计数脉冲个数 n 。t 。l - ( 口3 6 0 ) t l ( 2 7 ) 式中t 一阳极电压周期； t c 计数脉冲周期； 8 华中科技大学硕士学位论文 f 卜计数脉冲频率； a 计数脉冲频率。 在同步电压的自然换流点，同步方波引起中断，作为计时起点。c p u 响应中断 后将n a 送入计数器，时间一到立即输出相应的触发脉冲。微机输出为六路单窄脉冲 ( 脉宽0 5 m s ，可调) ，经前置放大及切换电路到脉冲放大部分，去触发相应的可控硅 】6 2 2 核心硬件平台p c c 励磁控制器 目前，可编程控制器( p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，缩写为p c ) 包括可编程逻辑控 制器( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ，缩写为p l c ) 和可编程计算机控制器 ( p r o g r a m m a b l ec o m p u t e rc o n t r o l l e r ，缩写为p c c ) “。无论是可编程逻辑控制器， 还是它的升级产品可编程计算机控制器，其基本的组成和工作原理都是相同的，但是， p c c 具有许多一般p l c 所不具有的特点。首先目前p l c 均是采用单任务操作系统， 而p c c 已经采用了多任务操作系统，这是p c c 与p l c 的一大区别；其次传统p l c 的编程语言以使用梯形图和类似于指令的语言为主，很少支持高级语言编程，就更少 有专门为工业控制开发的高级语言，而p c c 不但支持梯形图、c 语言等各种高低级编 程语言，而且还具有专门为工业控制开发的高级语言，它比通用的高级语言如c 语言 更适合工业控制的特点，更易于编程：最后，传统的p l c 只支持一个主c p u ，然后 带多个处理器进行工作，而p c c 可以支持多个主c p u 同时工作，而且还具有智能处 理器，如专门的时间处理单元( t p u ) 。从上述可以看出，p c c 不是简单对p l c 的更 新换代，它在很多方面突破了传统做法，在可编程控制器中引入新的控制思想和编程 思想，更易于实现现在越来越复杂的控制要求i t 5 j 。 9 华中科技大学硕士学位论文 2 3p c c 励磁控制器的硬件原理图 p c c 励磁控制器的核心c p u 模块采用i p l 6 1 ，还使用了1 6 路数字量输入模块 d 1 4 7 6 和1 6 路数字量输出模块d 0 6 5 0 处理开关量，模拟量输入模块a 1 3 5 0 测量系统 电压、励磁电压和励磁电流。 开关量输入开关量输出 图2 - 1p c c 励磁控制器原理图 华中科技大学硕士学位论文 2 4c p u 模块l p l 6 1 的特点 i p l 6 1 是一种可编程i o 处理器模块， 时钟频率2 5 1 6 6 7 m h z ，在励磁控制器中作 为c p u 模块。i p l 6 1 模块除了c p u 以外还 有一个时间处理器( i u ) ，专门处理事 件计数、门电平时间测量、周期测量、脉 宽调制等与时间相关的任务。i p l 6 1 内置的 时间处理器t p u 采用的是m o r t o r o l a 的3 2 位芯片，时钟频率6 2 9 m h z 。l i n k 信号是 t p u 函数之间传递的联系信号，这种信号 的传输不经过c p u ，由控制输入输出的 t p u 函数直接响应，转发时滞不超过一个指令周期。i p l 6 1 具有1 2 路可设置数字输出 输入通道，6 路模拟输出，6 路模拟输入。i p l 6 1 数字输出通道可以发送控制脉冲， 数字输入通道可以接入同步信号用于触发控制脉冲和测频。由于1 1 0 1 6 1 的模拟输入通 道具有高速a d 转换的能力，可以完成对机端电压和定子电流的交流采样，并计算有 功功率和无功功率。在通信接口方面i p l 6 1 具有两个r s 2 3 2 串口，一个c a n 接口， 在与其他控制通道或监控通信时具有极大的灵活性。 2 5 主要励磁功能的开发 励磁控制器除具有常规励磁控制器的一般功能( 正常的励磁调节、手自动开停机) 外，还应具备以下功能： 2 。5 1 调节及控制方式： 夺p i 控制； 夺p i d 控制； 夺p i d + p s s 控制； 1 1 华中科技大学硕士学位论文 夺线性最优控制 2 5 2 运行控制方式： 夺恒机端电压闭环运行方式：维持机端( 母线) 电压恒定运行 夺恒励磁电流闭环运行方式：维持发电机转子电流恒定运行： 夺恒无功功率运行方式； 夺恒触发角运行方式； 夺恒功率因数运行方式； 夺系统电压跟踪运行方式； 夺主各励无扰动切换方式； 令水轮发电机机组用电气制动方式。 2 5 3 三种起励方式： 夺手动零起升压： 夺自动软起励升压； 夺自动给定值起励升压。 2 6 4 限制及保护功能 p c c 微机励磁控制器配有完备的限制及保护功能，对发电机各种极限运行工况及 时作出反应，确保发电机组安全运行，限制及保护功能如下( 不限于此) ： 夺瞬时延时过励磁电流限制； 夺欠励限制： 夺功率柜故障分级励磁电流限制； 夺p t 断线保护； 夺同步回路断线保护； 夺机端电压调差功能。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 6 辅助励磁功能开发 2 6 1 励磁系统现场调试功能： 夺彩色液晶触摸显示屏； 夺中英文可选菜单操作； 夺设置用户口令在线修改、整定各种励磁限制参数，并设掉电保护； 夺励磁系统运行状态图实时显示： 夺电气参数动态曲线显示； 夺状态参数、控制参数显示； 夺故障状态显示； 夺各种静特性试验： 夺运行方式切换、控制方式切换、主从通道切换； 夺起励试验，并根据录波图完成数据处理； 夺空载扰动试验，并根据录波图完成数据处理； 系统稳定试验，并根据录波图完成数据处理； 夺人工录波功能，根据操作人员发出的录波命令录波； 夺自动录波功能，起励、阶跃及p s s 试验自动录波； 离线能用p c 机在w i n d o w s 环境处理试验、录波数据。 2 6 2 在线录波功能： 保存故障前后各设备的带时间的状态及波形( 共计1 分钟) ，并能显示、保存和 处理设备的状态及波形。 2 6 3 在线检测与故障诊断及处理功能： 微机励磁控制器自身具有自我诊断能力。软件时刻对c p u 模块、模拟采集模块、 通讯接口、脉冲输出、微机工作电源以及测量单元进行在线诊断，可以提前发现问题。 发现故障立即由软件输出、硬件自动切换。 华中科技大学硕士学位论文 控制器内部各功能模块及各组成单元故障，出现故障后自动切换运行通道或转运 行方式，通讯故障能报警但不影响控制器的正常运行。 2 6 4 与监控系统通讯的双向接口功能： 双微机之间的通讯使用c a n 通讯，对外设有r s 4 8 5 ( 管理机) 串行通讯接口，上传 控制器的各种数据及故障检测、预警、维护管理报告，接收上位机下传的各种控制命 令( 开，停机、运行方式、控制方式及方式切换等) 1 。 2 7 技术控i t i i v s 旨标控制： 夺可控硅控制角分辨率：o 0 0 3 。； 夺d 转换分辨率：2 1 4 ； 夺可控硅控制角移相范围：1 5 。1 2 0 。可调； 夺发电机端电压静差率：o 1 ； 发电机调压精度：o 2 ； 夺机端电压手动调节范围： 空载：1 0 1 1 5 v g n ； 并网：7 0 1 1 0 v g n ； 夺调差率：3 0 + 3 0 可调； 夺发电机频率适应范围：3 5 h z 8 0 h z ： 夺甩发电机额定有功、无功负荷，发电机定子电压超调量不大于其额定电压的 1 5 ，振荡不超过2 次，调节时间不大于5 s ； 夺1 0 v g n 阶跃响应：发电机定子电压超调量不大于阶跃量的4 0 ，振荡不超过 2 次，调节时间不大于5 s ； 夺电源适应性：当供电电源在3 0 ，+ 5 0 范围内波动时装置可以可靠运行。 华中科技大学硕士学位论文 3 励磁控制器的控制原理 励磁控制系统是同步发电机的重要组成部分，直接控制同步发电机磁场电流，从 而控制同步发电机的电势，所以它还间接控制发电机的端电压、无功功率、功率因素 和电流等参量。由于大型机组的这些参量直接影响系统的运行状态，因此在某种程度 上也可以说，励磁控镥4 器也控制着系统的运行状态，特别是系统的稳定和励磁控制方 式密切相关。 发电机自并励励磁系统一般由励磁控制器、可控硅整流单元、灭磁及过电压保护 单元、起励单元和励磁变压器等5 部分组成“。这5 部分以一定的设计参数进行有 机的结合，构成一个性能满足一定要求的励磁系统，其相互联接关系如图3 - 1 所示。 图3 - 1励磁系统组成单元及相互联接关系 v f p c c 励磁控制器 图3 2 他励静止硅整流器励磁系统原理接线图 华中科技大学硕士学位论文 其中励磁控制器是励磁控制系统中实现发电机电压调节、无功功率分配和系统稳 定功能的核心部分：励磁变压器经电压变换，为发电机励磁控制系统的功率单元提供 功率电源；可控硅整流器是由a v r 控制，保证发电机各种工况运行的功率部分；起 励单元为发电机提供初始励磁；灭磁及过电压保护是在发电机及其系统出现故障的情 况下快速切除故障的保护单元，灭磁控制由发电机保护装置完成。 图3 2 为他励静止硅整流器励磁系统( 三机励磁系统) 的原理接线图。g 1 为发电机， ( 3 2 为交流励磁机，g 3 为交流副励磁机。p c c 励磁控制器根据发电机运行工况的变化 改变可控硅的控制角a ，以改变g 2 的励磁电流和输出电压，而g 1 的励磁电流由g 2 的输出经硅整流装置d 1 整流后通过滑环引入，从而起到调节发电机g 1 励磁电流的 作用。 3 1 励磁控制系统的主要任务 励磁调节器的主要任务就是向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流( 电 压) ，以满足发电机正常发电和电力系统安全运行的需要。 无论在稳态还是在暂态运行过程中，同步发电机运行状态在很大程度上与励磁系 统有关。对发电机的励磁系统进行调节和控制，不仅可以保证发电机及电力系统运行 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 系统主要有以下几个作用“。 3 1 1 控制机端电压 在发电机正常运行的工况下，励磁系统应维持发电机机端电压( 或主变压器高压 侧) 给定水平。当发电机单独运行时，保持机端电压恒定是励磁控制中最基本的动作。 3 1 2 控制无功功率分配 当发电机并网运行时，它输出的无功率和励磁电流有关。在实际运行中，改变励 磁电流会使机端电压和无功功率都发生变化，但机端电压变化很小，而输出的无功功 率变化较大。控制并网运行的发电机的无功功率分配是励磁系统的一个重要功能。 1 6 华中科技大学硕士学位论文 3 1 3 提高同步发电机并联运行的稳定性 在稳定性方面，分为稳态过程和暂态过程。稳态运行时，可以提高静稳定极限， 抑制自励磁，增加充电线路的长度2 引。暂态过程中，通过励磁调节器的各种限制和 保护，可以提高暂态稳定性。 3 1 4 其它方面的作用 除了上述三个主要方面的任务之外，励磁系统还具有以下的作用： ( 1 ) 提高继电保护动作的灵敏度：电力系统短路时，由于励磁系统的强励作用， 增大了电力系统的短路电流，使继电保护的动作灵敏度得到了提高。 ( 2 ) 快速灭磁：当发电机或升压变压器内部发生故障时，要求快速灭磁，以降 低故障所造成的损害。 ( 3 )提高系统电压稳定性和安全性，改善系统电压分布等。 3 2 励磁反馈控制理论 如图3 3 所示，励磁控制系统是一个闭环控制系统，其反馈控制通过以下过程来 实现：首先励磁控制器的测量单元检测p t 输入信号从而获得发电机的机端电压所， 然后将所与给定电压阡相比较获得电压差值a v = ( v r - v t ) ，该电压差彳y 经综合放大 环节后得到控制电压聆。若是最简单的比例调节，那么控制电压娩与电压差4 y 有 以下的关系式( 不考虑调差) 2 3 、2 4 ： 式中b 放大倍数； 诈n 端电压； “给定电压。 k - k ( 矿，一) ( 3 - 1 ) 1 7 华中科技大学硕士学位论文 控制电压v c 经过移相触发环节后得到可控硅( s c r ) 的触发角0 【，从而控制发电 机的励磁电压使发电机运行在稳定状态。在p c c 中，信号的检测、综合放大、 移相触发都是通过软件算法实现的。v c 与c 【、有以下关系： r c c o s 卜急) 式中一发电机空载励磁电压； 阻励磁变压器副边电压，即s c r 的阳极电压： k - 一空制电压。 因为三相全控整流桥有以下关系： 以- 1 3 5 e c o s a( 3 _ 3 ) 式中卜为励磁变压器副边电压，即s c r 的阳极电压。 所以 一k 吩。一k ( 一k ) 吩o ( 3 4 ) 式中一发电机空载励磁电压； 诈一机端电压； 鼹一放大倍数； 阡给定电压。 华中科技大学硕士学位论文 图3 3自并励静止硅整流器励磁系统原理接线图 如果由于扰动使发电机机端电压k 上升一个小的值，那么电压差( v r - v t ) 将减 少，经综合放大环节后得到控制电压聆也将减少，使得a 增大，经可控硅整流后使得 发电机的励磁电压巧减少，使得发电机的机端电压k 下降，从而抵消了发电机的机 端电压k 上升的扰动。因此励磁反馈控制可以维持发电机的机端电压k 的恒定。 如果由于扰动使得发电机的机端电压u t 下降一个小的值，那么类似以上分析一样 能得到相同的结论。 ： 二二： uf n f 。j rj 坩 吐二 卜一 弘 叫二 华中科技大学硕士学位论文 3 3 微机励磁控制解决的关键点 交流采样技术、脉冲直接形成技术以及先进的控制策略，是微机励磁控制的关键 性问题，也是评价一种微机励磁性能的重要标准( 数字化程度) ，以下分三个部分对 此作一简要介绍。 3 3 1 交流采样技术 微机励磁控制器对发电机的机端电压k ，定予电流厶，有功功率只，无功功率 见，转子电流抽等电量的测量有两种方案可供选择：采用模拟变量交送器的直流采样 和直接交流采样。 电量变送器( 传感器) 输出的直流量与其输入电量成比例，经d 转换接口电路 读入主机的数值直接反映了被测变量之值。这种方法容易实现，因而早期的微机励磁 控制器多采用这种方案。变送器把交流电量转换成直流量时往往需要滤波电路，从控 制器的响应速度考虑，变送器的时间常数应尽可能小，但同时仍要保证足够的精度， 这是直流采样要面对的困难之一。另外，电量变送器归根结底也是一种模拟电路，对 该电路的调整、维护也是较繁琐的工作。 交流采样技术由于省略了电量变送器，减少硬件环节，提高了可靠性，并且可以 较好地解决精度与速度的矛盾，因此近几年在电力监测、控制、包括微机励磁中得到 广泛应用。 交流采样技术依据以下原理：对于周期为t 的周期信号“= “p + 即，在一个周期 内对该信号等间隔均匀采样点，得到个采样点的电压值坳，“，u n - j ，根据 不同的算法，微机可以计算得该信号特征量，比如有效值、平均值、最大最小值、功 率谱等。比如计算“例的有效值u 可以用以下方法算得： u 一痧一糜萌- 丽 式中弘一周期 ( 3 5 ) 华中科技大学硕士学位论文 二一个数。 对交流电压信号“似及电流信号f 例，在一个周期内采样点得到电压序列u 0 ， h j ，3 - j 及电流序列i 口，i j ，沁j ，可以用以下方法计算得有功功率： - 挣o ) f g 妞一手孔k 专) 一万1n驴-1 t ) ( 3 。) 式中n 一周期； u ( 0 交流电压信号； u ( 0 交流电压信号； 荆交流电流信号： 二一个数。 另外，对于周期信号，也可以用富氏算法得到各次谐波的实部和虚部，从而计算 得该谐波的有效值。1 2 点交流采样富氏算法：1 2 ) 可以用下式表示2 “： 吣书也+ 譬妙1 + u n - u s - u t ) + 扣也刮 u ，。一言 u ，一u ，+ 譬c u 2 + u 4 - u s - u ，o ，+ i ( u + u 5 - u 7 - u n ，】3 _ 7 u 扫万万 ( 3 _ 8 ) 式中如电压基波分量的实部 研电压基波分量的实部。 发电机的有功功率只及无功功率q 则可以用以下公式计算2 6 3 = u r 。i r + u ，i ， ( 3 - 9 ) 2 1 华中科技大学硕士学位论文 q e = u r 。l l u l - l r 0 - l o ) 式中电压基波分量的实部； 研电压基波分量的实部； 厶电流基波分量的实部： 五电流基波分