（电力系统及其自动化专业论文）基于新型dsp的励磁控制器数据采集系统的设计.pdf

天津理工大学硕士论文 a b s t r a c t a ne x c i t a t i o nc o n t r o l l e r , a sav i t a lp a r to ft h es y n c h r o n o u sg e n e r a t o r , i sv e r yi m p o r t a n t t ot h es a f eo p e r a t i o no ft h eg e n e r a t o r sa n dt h es t a b i l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m s a d j u s t i n g e x c i t a t i o ni so n eo ft h em o s te c o n o m i ca n de f f e c t i v ec o n t r o lm e a s u r e si ni m p r o v i n gt h e s e c u r i t y , s t a b i l i t ya n dq u a l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e m p o w e rs y s t e m s ，t h ec a p a b i l i t yo fs i n g l eg e n e r a t o ri se n l a r g e d ，a tt h es a m et i m e ，m a n y a d v a n c e dc o n t r o lt h e o r i e sa r ea p p l i e da n dm a n yk i n d so fl i m i t e d ，p r o t e c t e df u n c t i o n sa r e a d d e dt ot h ee x c i t a t i o ns y s t e m s s o ，t h ea b i l i t i e so fh i g h - s p e e d , r e l i a b i l i t y , r o b u s ta l er e q u i r e d t ot h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e r s t h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e rd e v i c e sa r ei n n o v a t e dc o n s t a n t l yw i t h t h ed e v e l o p m e n to fc o n t r o lt h e o r i e s ，p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n d t h ec h i pm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y t h ed i g i t i z e dt e c h n o l o g yi sa l le f f e c t i v em e a s u r et oi m p r o v e t h ee x c i t a t i o nc o n t r o l l e rs y s t e mt oh i g h e rl e v e l a c 0 0 r d i n g l y ，i tb e , c o m e so n eo fh o ts u b j e c t st o b er e s e a r c h e di np o w e r s y s t e m s t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e so nd a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo fa l le x c i t a t i o nc o n t r o l l e rb a s e do n a na d v a n c e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t h ec o n t r o l l e ri sam a i nd e v i c eo fa l le x c i t a t i o ns y s t e m s o ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sv e r yi m p o r t a n ti nt h ee x c i t a t i o ns y s t e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h em o d e mp o w e ri n d u s t r y , m o r ef u n c t i o n sa r ep r o p o s e df o r e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r st os a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fg e n e r a t o r s t h ep a p e rf o c u s e so nt h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e mo fa l le x c i t a t i o nc o n t r o l l e rw h i c hu s e st i sd s p t m s 3 2 0 f 2 8 1 2t od e s i g n & d e v e l o pad i g i t a lm i c r o c o m p u t e r - b a s e ds y s t e m t h ep a p e ra n a l y s e st h ea d v a n t a g e so ft h ep l a nw h i c hu s e sd s pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2a st h e p l a t f o r mt or e a l i z et h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m t h em a i nc o n t e n to ft h i st e x ti sc o m p o s e db y t w oi m p o r t a n tp a r t s a tf i r s t , h o wt od e s i g nh a r d w a r ei sd e s c r i b e db a s e do nt h ec o m p o n e n t s t m s 3 2 0 f 2 8 1 2a n da d s 8 3 6 4 t h i sp a r tp r e s e n t st h ed e t a i l so fh a r d w a r ei n c l u d i n gt h et o t a l f r a m eo fs y s t e m ，t h ep r i n c i p l eo fe l e c t r oc i r c u i t , a n dt h ep a r a m e t e r so ft h ec o m p o n e n t sa n ds o o n t h ec r i t i c a lm l c st od e s i g nh a r d w a r ei sh o wt oi m p r o v et h es p e e da n dp r e c i s eo ft h ed a t a a c q u i s i t i o ns y s t e m ap r i n tc i r c u i tb o a r di sm a n u f a c t u r e dt or e a l i z et h ei n t e r f a c eo fa d c o n v e r s i o nc i r c u i tw i t had s pu n i t e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m 0a n de l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( e m 0p r o b l e m sa r ed i s c u s s e di n t h i sp a r t t h es e c o n dp a r ti st h es o f t w a r e d e v e l o p m e n t t h i st h e s i su s e st h ec o d ec o m p o s e rs t u d i o ( c c s la sat o o lt or e s e a r c h & d e v e l o pt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo ft h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m s o m em e t h o di sp r o p o s e d b a s e d o n d s p a no p i n i o ni si n t r o d u c e di n t h i st h e s i st h a tt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nd s p c h i pt m s 3 2 0 f 2 8 1 2h a sf a s tc o m p u t i n gr a t ea n di th a sa d e q u a t ei n t e m a lr e s o u r c e st ou p g r a d e t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e yw o r d s ：e x c i t a t i o nc o n t r o l l e r , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，a cd a t aa c q u i s i t i o n t e c h n o l o g y , a n a l o gt od i g i t a lc o n v e r s i o n ，d a t aa c q u i s i t i o n h 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得云洼理王太堂 或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：獭岛签字日期：2 司年 ，月g 日 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞洼堡王太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权丞洼堡王太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：溯寥 签字日期：嫡年，月占日 导师签名：阈铱 签字日期：订年，月譬日 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 第一章绪论 同步发电机励磁控制是提高现代电力系统的安全稳定性和运行质量的经济和有效 的控制手段之一，是电力系统研究领域的热点课题之一。现代电力系统中，发电机装机 容量和电网规模不断扩大，并且国民经济的发展使用户对电能质量和电力系统的稳定性 提出了越来越高的要求，因此对发电机的励磁控制提出了更高的要求。 在励磁控制器中，数据采集模块是其重要的组成部分，以实现对励磁系统的现场原 始数据的采集和预处理，并通过建立与上位机的实时通信，向系统提供数据。在励磁控 制系统中，对于数据采集模块，通常要求其能对多通道电压、电流信号以及开关量进行 并行处理，具备较高的实时性并有一定的数据处理能力在数字式励磁控制器中，传统 的数据采集处理模块多以单片机为中央处理器，结合外围的信号调理电路，a d 转换电 路，以及控制电路来完成数据采集过程。但是，传统的8 位5 1 单片机或是1 6 位的单片 机，对对数据的运算与处理能力有限，难以适应高精度数据采集与处理的要求，并且由 于其指令的通用性，数字信号处理算法如数字滤波，f 1 叩等实现困难，对处理器的利用 效率不高。现代控制理论在励磁控制器中的不断应用，对数据采集单元的数据采集与处 理能力的要求不断提高，单片机从本质上说属于事务密集型的处理器，使用传统的单片 机难以满足该数据采集系统对于数据运算方面的要求。 数字信号处理器( d s p ) 的出现及其在电力系统中的广泛应用，为励磁控制器的数 据采集系统提供了新的解决方案，成为挖掘励磁控制器性能和提高控制精度的重要手 段。本课题采用1 r i 公司的高端d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为励磁控制器数据采集系统 的c p u ，研究了励磁控制器在这一平台上实现数据采集的软硬件实现方案，并就其中 的主要部分给出了具体的电路结构和设计思路。 1 2 励磁控制器的作用“1 准确地认识和把握励磁控制系统对电力系统安全稳定性的作用，是研究励磁控制理 论和控制装置的基础，也是解决这一领域所存在问题的出发点。 同步发电机的励磁系统一般由两部分组成。一部分用于向发电机的磁场绕组提供直 流电流，以建立直流磁场，通常称为励磁功率输出部分( 或称为功率单元) 。另一部分用 于在正常运行或发生事故时调节励磁电流的大小，以满足运行需要，一般称为励磁控 制部分( 或称控制单元，或统称为励磁调节器) 。励磁控制系统的主要任务是向发电机的 励磁绕组提供一个可调的直流电流( 电压) ，对发电机励磁的调节和控制，可以保证发 电机及电力系统运行的安全性和稳定性，提高发电机及电力系统的技术经济指标，其主 要作用可以从一下几个方面来概括： ( 1 ) 控制同步发电机机端电压。 在正常情况下，根据发电机电压和负荷情况，按给定规律调整励磁电流，维持机端 电压为给定水平。当电力系统发生短路事故或其它原因使发电机机端电压严重下降时， 第一章绪论 能对发电机强行励磁，以减少电压的下降幅度；当发电机忽然甩负荷时能对发电机强行 减磁，以限制发电机电压过度升高。以单机对无穷大系统为例阐明励磁控制系统的调压 原理。 图1 - 1 ( a ) 是同步发电机运行原理图，图中的g e w 是励磁绕组，机端电压为d 。， 电流为，。，正常情况下，流经g e w 的励磁电流为j 。，由它所建立的磁场使定子产生的 空载感应电动势为西，改变。的大小，自值就相应地改变。岛与以之间的关系可 用等值电路图1 - 1 ( b ) 来表示。其间的关系式为 u g - e q f c x ( 1 1 ) 工。为发电机直轴电抗 e q ( a )( b )( c ) ( a ) 同步发电机运行原理( b ) 等值电路( c ) 矢量图 图i - 1 同步发电机感应电动势与励磁电流关系 隐极发电机的矢量如图1 - 1 ( c ) 所示。发电机感应电动势岛与端电压d 。的幅值关系为 u g - e q c o s 0 6 一，口x ( 1 2 ) 式中西与d 。之闻的相角，即发电机的功率角；i o 发电机的无功电流。 一般的既值很小，可近似认为c o s 6 。一1 于是可得简化的运算式为 u 6 e g - i 口x j ( 卜3 ) ( 卜3 ) 式说明，负荷中的无功电流是造成岛和d 。幅值差的主要原因，发电机的无功电 流越大，两者间的差值也越大。由( 卜3 ) 式可以看出同步发电机的外特性必然是下降的。 当发电机空载感应电动势恒定时，发电机端电压随着无功负荷增大而降低甩负荷时， 负荷电流减少而使机端电压升高。要保证发电机机端电压u 。恒定，必须随发电机负荷 电流，增大( 或减少) 而增加( 或减少) 发电机的空载电动势层。而露是发电机励磁电 流厶的函数，若不考虑饱和，则和厶成正比。所以当发电机负荷改变引起端电压改 变时，需要通过励磁调节作用，自动的增加或减少励磁电流，使发电机机端电压维持 在恒定水平。 ( 2 ) 在并联运行的发电机组间合理控制无功功率的分配。 为了保证系统的电压质量和无功潮流合理分布，要求合理控制电力系统中多台并联运行 的发电机输出的无功功率。在实际运行中，调节励磁以改变发电机输出的无功，使各台 发电机无功功率自动调节。所以合理控制并联运行的发电机之间的无功分配是励磁系统 的一个重要功能。 ( 3 ) 提高同步发电机并联运行的稳定性 电力系统可靠运行的基本要求是并入发电机的所有发电机要保持同步运行。通常将 2 第一章绪论 电力系统的稳定性问题分为三类，即静态稳定性( s t e a d ys t a t es t a b i l i t y ) ，暂态稳定性 ( t r a n s i e n ts t a b i l i t y ) 及动态稳定性( d y n a m i cs t a b i l i t y ) 问题。 当系统受到小的扰动后，发电机能继续保持与系统同步运行的特性称为电力系统的 静态稳定性。暂态稳定性是指电力系统受到大干扰作用后能否在新的平衡状态下运行的 问题。而动态稳定是指电力系统受到干扰后，如电力系统的负荷发生突变、线路结构参 数改变，以及电力系统遭受突然短路等故障时，在考虑了自动控制装置作用下的长过程 中，电力系统能否继续稳定运行，称为电力系统的动态稳定性。 励磁控制对这三类稳定性的改善都有显著的作用，是提高发电机并联运行稳定性的 有效措施。 ( 4 ) 励磁系统在其他方面韵作用。 励磁系统给发电机提供限制、保护功能，并且在提高可以提高带时限的继电保护装 置的灵敏度和动作准确性，此外，性能良好的励磁控制系统在短路故障期间以及故障切 除之后，可以尽量维持电力系统的电压，加速电压的恢复，提高系统电压稳定性和改善 系统电压分布等方面发挥重要作用。 1 3 励磁控制器的发展历史及现状嘲 1 3 1 励磁控制器的发展现状 从国内外励磁系统的发展情况看，励磁技术不断进步体现在三个方面： 一方面是励磁方式的发展。励磁方式先后经过了直流励磁机励磁、交流励磁机励磁、 静止励磁系统等几个阶段，其趋势是向大容量、高可靠性、快速响应方向发展，去掉励 磁机采用静止励磁方式，已经成为励磁方式的主流。 二是先进的控制理论和算法的创新并在励磁系统中得到应用。励磁控制器的控制规 律研究一直是控制领域和电力系统一个极为活跃的课题。以励磁控制所基于的设计模型 概括主要有以下几中：线性传递函数数学模型上的单变量设计；线性传递函数数学模型 上的多变量设计：线性状态空问模型上的多变量优化设计；基于反馈线性化的非线性设 计；鲁棒控制设计；自适应设计；智能控制设计。控制理论及其应用的提高和发展趋势 总是由单变量到多变量，由线性到非线性，最后到包含智能化的控制方式，励磁控制方 式的发展也经历了一条与之完全相适应的过程。励磁控制器控制算法的改进总是紧紧依 赖子控制理论的发展，可以说励磁控制方式的每一次突破都是以控制理论的发展为契机 的，并且为励磁控制技术的发展为励磁装置的更新提供了坚实的理论基础。 三是励磁控制装置的不断更新换代。励磁控制器经历了由磁放大器组成的电磁型控 制器、模拟电子式励磁控制器发展到现在普遍采用的微机励磁控制器等几个阶段。电力 电子技术及器件、计算机技术、芯片制造技术等的迅猛发展，为励磁控制器的发展和产 品的更新换代提供了新的硬件平台，这些技术的不断成熟和在励磁控制器的应用，促进 了励磁控制装置硬件结构的不断发展。这种硬件结构的进步与励磁控制方式发展密切相 关，为先进理论的应用提供了物质基础，以使励磁控制器的动态品质和可靠性满足电力 事业的高速发展的要求。 中国8 0 年代初就开始研制数字式励磁调节器。如国电公司电力科学研究院、南京 3 第一章绪论 自动化研究所、华中理工大学、清华大学、河北工业大学、西安理工大学等，还有其他 一些研究所、院校和公司在进行数字式励磁控制装置的研制、开发和生产工作。目前国 内已经具备了一定的自主研发能力和实际生产能力，积累了丰富的经验，在实际当中运 行的数字式励磁控制器也显示出了优良的性能。 在国外，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 都推出了商品化的数字式励磁控制器，这些大公司具有很强的科研开发能力，其生产的 数字式励磁控制器的硬件一般自制专用控制板。具有高的可靠性和可用性，优良的控制 特性，响应速度快，且需要维护的工作量较少。 励磁装置的可靠性和工艺水平由于数字化而得到了极大的提高。因此数字式励磁调 节器是电力工业发展的必然结果，其更新换代与电子技术和计算机技术的发展息息相 关。目前从国内外发展情况看，励磁控制器向全数字化方向发展，其主要特点是功能软 件化、系统数字化。由多个c p u 向用一个功能强的c p u 发展，控制器采用的控制理论 也在不断发展，同时将d c s 和嵌入式系统概念引入励磁系统，构成集散式或主从式调 节控制系统，使励磁装置成为一个有机的、完整的整体。 1 3 2 存在的主要问题 从已经商品化的微机励磁控制器以及目前电力系统发展的趋势看，用户对励磁控制 器除了数字化的要求外，对其实现的功能提出了越来越高的要求。目前国内外推出的数 字式励磁控制器，绝大部分是以8 位、1 6 位和3 2 位单片机为主处理器，构成单通道、 双通道或者是多通道结构的励磁控制器，其硬件结构形式的选择有单片机、单板机、工 控机和可编程序控制器结构。为了提高励磁控制系统的性能和运行指标，以满足电力系 统稳定运行的需要，在励磁控制装置中添加新的组件，从而实现完善的保护和限制功能， 这一趋势对励磁控制器中的处理器提出了比较高的要求。同时，许多新的控制理论算法 随着控制理论的发展应用到励磁控制装置中，如非线性控制理论、人工神经网络、模糊 控制等，这些先进控制理论的实现，对核心处理器的数据处理能力和速度要求比较高。 根据文献检索和市场调研的情况目前数字式励磁控制器存在的问题可以从以下几个方 面来理解： ( 1 ) 中央处理器的处理数据的能力满足不了励磁控制器发展的需要。在励磁控制器 中，中央处理器完成的任务包括信息采集、数据传递、数据处理、系统控制、在线检测、 故障录波和通讯等，在运算数据量大量增加的情况下，传统单片机在运算速度、实时性 和精度方面满足不了系统的要求。 ( 2 ) 可靠性可以进一步提高。可靠性主要包括励磁控制器的软硬件可靠性和通讯的 可靠性，这是控制系统工作的重要指标，也是控制器开发过程中追求的主要指标。随着 电子技术和芯片技术的发展，与传统单片机相比较，d s p 芯片集成了丰富的外设，这一 特点将使励磁控制器的硬件电路设计简化，达到基本功能模块化，提高系统的可靠性。 ( 3 ) 人机接口励磁控制器的相关参数的设置、现场调试和整定参数、对励磁系统 进行监测、故障录波和故障维修等，需要有良好的人机界面。且前采用的人机界面主要 有l e d 、数码管显示和小键盘输入方式，在运行和调试过程中显得不足。励磁控制器 在这方面的进步必将使上述功能得到强化，增强系统功能，减少调试和维护人员的工作 4 第一章绪论 量，提高效率。 ( 4 ) 通讯能力。多处理器在励磁控制器中的使用以及电网互联，为使系统功能一体 化，必须通过网络互联和一定的通讯方式，将控制器中平行处理器、处理器与上位机以 及各发电机之间通过现场总线互连形成一个整体，组成工业现场网络控制系统，以实现 与现场的多个设备之间以及与远程监控计算机之间，实现数据输入和信息交换。控制网 络互连从而形成自动化控制系统可以提高整个系统的可靠性和实时性。所以励磁控制器 必须适应电厂控制技术在自控领域的这一发展趋势，增强其通信能力。 1 4 本课题研究的意义 在数字化技术不断发展的今天，d s p 技术及其器件必将在励磁控制领域 ：寻到更多 的应用，促进励磁控制装置的不断创新，使励磁控制技术达到新的水平。选择本课题的 目的就是针对目前以单片机为核心处理器的数字式励磁控制器存在的问题和电力系统 现代化对励磁控制器性能的更高要求，将新型的高性能电机控制芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 应 用在励磁控制装置，研究以d s p 为核心处理器的数字式静止励磁控制器的数据采集系 统，实现励磁控制器的深度数字化，以d s p 对处理数字信号所做的优化来提高励磁控 制器数据采集系统的速度和精度，从而提高整个励磁控制器的性能和控制指标。 目前，在同步发电机上还有大量的模拟式励磁调节器在使用，而基于d s p 的数字 式励磁调节器和模拟式励磁调节器相比具有以下优点h ： ( 1 ) 利用其中央处理器的计算和逻辑判断能力，使复杂的控制策略和数字处理算法 在励磁控制器当中得以实现； ( 2 ) 可以在励磁控制器中实现完备的限制及保护功能、通用和灵活的系统功能、简 单的操作以及智能化的维修和试验手段； ( 3 ) 调节准确、精度高，在线改变参数方便； ( 4 ) 可靠性高，无故障工作时间长，维修方便； ( 5 ) 通信方便； ( 6 ) 便于产品更新换代。 因此，随着科学技术的进步和计算机技术的高速发展，用数字式励磁调节器来替代 模拟式励磁调节器成为励磁控制器发展的必然趋势。基于上述优点，使数字式励磁控制 器具有了广阔的发展前景，为其在电力系统自动化领域的研究和应用奠定了基础。 1 5 本文的主要工作 本课题的主要工作是针对数字式励磁控制器发展的趋势和特点，研究基于d s p 的 励磁控制器数据采集系统的设计和实现方案。在励磁控制器中，数据采集模块实质上是 一个实时数据采集与处理系统，除了完成励磁系统现场数据实时的采集外，还须完成对 采集数据的处理，由于在励磁控制器中，对采集系统的实时性要求高，处理的数据量大， 因此，对于数据采集系统，必须选择一个高速的中央处理器，使其具备实时事务处理能 力和数据处理能力，能够高速完成励磁控制器既定控制策略的实现和对采集数据的数字 信号处理算法。在方案的总体设计阶段，根据d s p 芯片技术的发展成果，研究高速信 5 第一章绪论 号处理器在励磁控制器数据采集系统这一领域的应用。并且围绕课题组的实际项目研 究，考虑性能、功耗、价格及外设的可扩展性，课题研究选用了1 r i 公司于2 0 0 2 年推出 的电机控制专用芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为励磁控制器数据采集系统的c p u 。 本文主要进行了以下的研究工作： ( 1 ) 介绍了d s p 处理器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的特点，以此芯片为核心处理器的构造数字 式励磁控制器数据采集系统的总体设计方案。 ( 2 ) 设计d s p 励磁控制器数据采集系统的各部分硬件模块的实现方案，使用e d a 工具完成硬件点路的设计并完成制板，进行调试。 ( 3 ) 在软件设计中，描述了d s p 应用软件的开发方法及开发工具。采用c 语言和 d s p 汇编语言的混合编程，设计了励磁系统数据采集软件模块，并在d s p 集成开发环 境c c s 中进行了调试。 ( 4 ) 分析了基于d s p 的励磁控制器设计中的抗干扰问题。 第二章励磁系统与数据采集方案的总体设计 第二章励磁系统与数据采集方案的总体设计 发电机励磁系统是指向发电机提供可调节励磁电流以建立磁场的设备和装置的组 合，是发电厂的关键设备之一。随着超高压远距离输电系统的建立，单机容量的不断增 大，使发电机励磁系统的作用越来越重要。自动励磁调节系统通常由两部分组成：第一 部分是励磁功率单元，它向发电机的励磁绕组提供可调节的直流励磁电流：第二部分是 励磁调节器，它是励磁系统中的重要部分，根据发电机及电力系统运行的要求，自动调 节功率单元输出的励磁电流。 2 1 励磁方式的分劐“1 同步发电机的励磁电流可由直流励磁机直接供电，也可由交流励磁机、发电机的辅 助绕组或是发电机出线等的交流电经可控和不可控整流器整流后供给。所以目前采用的 励磁方式主要可以分为两大类：一类是用直流发电机作为励磁电源的直流励磁机励磁系 统；另一类是用整流器装置将交流转换成直流后供给励磁的整流器励磁系统。凡由励磁 机提供电源的称为它励式励磁系统；凡由发电机出线或发电机辅助绕组提供励磁电源的 称为自励式励磁系统。 1 、直流励磁机励磁 由直流励磁机供给同步发电机励磁电流的励磁方式，是使用最早的励磁方式。直流 励磁机通常与同步发电机同轴，采用自并励、者他励和复励三种接法。采用他励接法时， 励磁机的励磁电流由另一台被称为副励磁机的同轴的直流发电机供给。此种励磁方式由 于运动部件多，控制复杂费时而且存在性能低、功能少、不易维修等缺点，逐步将会被 淘汰。 2 、静止整流器励磁( 带励磁机) 同一轴上有三台交流发电机，即主发电机、交流主 励磁机和交流副励磁机。副励磁机的励磁电流开始时由外部直流电源提供，待电压建立 起来后再转为自励( 有时采用永磁发电机) 副励磁机的输出电流经过静止晶闸管整流 器整流后供给主励磁机，而主励磁机的交流输出电流经过静止的三相桥式硅整流器整流 后供给主发电机的励磁绕组。此种励磁方式存在与第一种方式同样的问题。 3 、旋转整流器励磁 静止整流器的直流输出必须经过电刷和集电环才能输送到旋转的励磁绕组，对于大 容量的同步发电机，其励磁电流达到数千安培，使得集电环严重过热。因此，在大容量 的同步发电机中，常采用不需要电刷和集电环的旋转整流器励磁系统。主励磁机是旋转 电枢式三相同步发电机，旋转电枢的交流电流经与主轴一起旋转的硅整流器整流后，直 接送到主发电机的转子励磁绕组。交流主励磁杌的励磁电流由同轴的交流副励磁机经静 止的晶闸管整流器整流后供给。由于这种励磁系统取消了集电环和电刷装置，故又称为 无刷励磁系统。这种方式主要用于大型机组，中小型机组中很少见。 4 、采用可控硅整流的静止整流器励磁 这种励磁方式取消了全部运动部件，技术已经相当成熟，正在得到越来越广泛的应 用，它具有以下优点： 7 第二章励磁系统与数据采集方案的总体设计 ( 1 ) 运行可靠性高。自并励励磁系统为静态励磁，与励磁机系统相比，由于没有旋 转部件，运行可靠性高。而且自并励系统在设计中采用冗余结构，故障元件可在线进行 更换，有效地减少停机概率该励磁系统对运行、维护的要求相对较低。 ( 2 ) 能改善发电机机组的轴系稳定性自并励励磁系统可缩短发电机组的轴系长度， 减少轴承数量。如3 0 0 m w 及以上的汽轮发电机的轴系长度可减少大约3 米，因而，可 提高轴系的稳定性，改善轴系振动，从而提高了机组的安全运行水平，可提高电力系统 稳定水平。 ( 3 ) 经济性好。主要决定于：设备容易定型，系统造价低；部件紧凑，减少厂 房及基础造价；采用软件控制，调整容易，维护简单，故障后修复时间短，可提高发 电效益。 2 2 自并励静止励磁系统工作原理 基于以上分析，课题研究以自并励静止励磁系统为对象。这是自励系统中接线最简 单的一种励磁方式。这类励磁系统的共同特点是，励磁电源取自发电机自身，用励磁变 压器供给整流装置，另外，整个励磁装置没有转动部分，属于全静态励磁系统。 2 2 1 自并励励磁系统原理图 自并励励磁系统其典型原理图如图2 - 1 所示1 3 】。 图2 - 1 自并励励磁系统原理图 只用一台接在机端的励磁变压器作为励磁电源，通过可控硅整流装置直接控制发电 机的励磁。这种励磁方式又称为简单自励系统，目前国内比较普遍地称为自并励( 自并 激) 方式。 2 2 2 自并励方式的优点 自并励方式的优点是：设备相接线比较简单油于无转动部分具有较高的可靠性；造 价低；励磁变压器放置自由，缩短了机组长度，励磁调节速度快但对采用这种励磁方 式，人们曾有两点顾虑：第一，发电机近端短路时能否满足强励要求，机组是否会失磁； 第二，由于短路电流的迅速衰减，带时限的继电保护可能会拒绝动作。国内外的分析研 第二章励磁系统与数据采集方案的总体设计 究和试验表明，这些问题在技术上是可以解决的。自并励方式越来越普遍地得到采用。 因外某些公司甚至把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。我国已在一些机组上以及 引进的一些大型机组上，采用自并励方式。 2 2 3 自并励励磁系统原理 自并励励磁控制系统具体调节过程为：当发电机机端电压因某种原因上升时，通过 励磁调节器输出的触发脉冲导通角增大，而使励磁电流减少，结果则是发电机机端电压 降低；当发电机机端电压因某种原因降低( 小于额定电压) 时，通过励磁励磁调节器输 出的触发脉冲导通角减小，而使励磁电流增大，结果则是发电机机端电压升高，励磁调 节系统实现的就是这种自动调节过程。根据励磁系统内部实现不同功能的部分，可以将 励磁调节系统从结构上分为励磁调节器、功率单元、灭磁单元、励磁变压器以及测量用 电压互感器、电流互感器。励磁电源采自机端，无需外接励磁电源，自并励系统由于有 接线简单，主机轴系短，造价低，运行维护方便，反应速度快等明显优点，正在得到越 来越广泛的应用，国内外已推荐为大型发电机组，特别是水轮机组的首选励磁方式。 2 3 对励磁调节器的要求嘲 ( 1 ) 励磁调节器应具有高度的可靠性，并且运行稳定 ( 2 ) 励磁调节器应具有良好的静态特性和动态特性。 ( 3 ) 励磁调节器的时问常数应尽可能小。 ( 4 ) 励磁调节器应该结构简单、检修维护方便，逐步做到系列化、标准化、通用化。 2 4 励磁调节器数据采集系统硬件的总体结构设计 2 4 1 自并励励磁控制系统结构与原理 基于d s p 的数字式自并励励磁系统的原理接线如图2 2 所示。 图2 - 2 数字式励磁系统原理接线图 9 第二章励磁系统与数据采集方案的总体设计 同步电机的励磁系统是供给同步发电机励磁电源的一套系统，是同步发电机的重要 组成部分。励磁系统一般由两部分组成：一部分用于向发电机的磁场绕组提供直流电流， 以建立直流磁场，通常称作励磁功率输出部分( 或励磁功率单元) 另一部分用于在正 常运行或发生故障时调节励磁电流，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制部分( 或 称控制单元，或统称励磁调节器) 。 励磁系统是一种闭环控制系统，它不仅控制同步发电机控制发电机的端电压，而且 还控制发电机的无功功率，功率因数和电流等参量。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，励磁控制器也控制着系统的运行状态， 特别是系统的稳定性和励磁控制方式密切相关。 数据采集系统对发电机励磁系统的现场数据进行实时采集，按控制器确定的算法进 行数据处理，以实现励磁系统的功能。 发电机的励磁电流由可控硅整流装置整流后供给。励磁调节器通过检测发电机的端 电压与给定值进行比较运算来改变可控硅的控制角a ，从而起到调节发电机励磁电流的 作用。 2 4 2 励磁控制器数据采集系统的总体结构及原理 如图2 3 所示【4 j ，采集系统各部分完成的功能如下： 图2 - 3 励磁调节器数据采集系统硬件原理图 自动励磁调节装置是励磁系统中的重要部分，它通过反馈控制作用将发电机输出变 量( 电压、电流、功率因数、功角以及角频率等) 与励磁供电装置的输入联合起来，以 达到自动调节输出变量( 端电压或无功功率) 的目的。在本项目中采用d s p 作为励磁 装置数据采集系统的主处理器，实现励磁项目所要求的控制规律，满足系统对自动励磁 调节装置的基本要求下面是励磁控制器设计中采集系统的基本结构和原理框图。 ( 1 ) 主处理器。是调节器的核心部件，它的作用是根据输入通道采集来的发电机运 行状态变量的数值进行调节计算和逻辑判断，按照预定的程序进行信息处理求得控制 量，通过数字移相脉冲接口电路发出于控制角c t 对应的脉冲信号，以实现对励磁电流的 1 0 第二章励磁系统与数据采集方案的总体设计 控制。这部分是实现控制器计算及综合的核心部件，其主要任务有： 数据采集。定时采样，相应计算，对测量数据正确性的检查等。 调节算法。按所用的调节规律进行计算 控制输出。把调节算法的结果进行转换，并限幅输出 其他处理。输入整定值，修改参数等，改变运行方式，声、光报警等。 ( 2 ) 模拟量的输入通道。模拟量输入通道的任务就是要将模拟量转换成数字电路所 能接收的数字量。具体地说，测量发电机电压u ，无功功率q 、有功功率p 和励磁电流l 等，通过输入电路与d 模块接口。 ( 3 ) 开关量的输入、输出通道。这部分电路将采集发电机的一些两元状态信息，经 转换后与数字量输入接口电路连接，如断路器、灭磁开关等的状态信息。 ( 4 ) 脉冲输出通道。输出的控制脉冲信号需经中间放大、末级放大后，才能触发大 功率晶闸管控制其输出电流。 ( 5 ) 接口电路。 ( 6 ) 运行操作设备。供运行操作人员操作的控制设备，用于增、减励磁和监视调节 器的运行状态，以及用于调试程序、设定参数等，在本项目研究中主要是完成液晶显示 器和键盘的设计。 将d s p 作为励磁控制器采集系统的核心，其上集成的外设资源可以使励磁装置的 硬件结构简化，提高了励磁装置的数字化集成程度。励磁控制器数据采集理系统的主要 用来采样模拟量和数字量，对采集数据进行处理，并将部分数据处理结果提供给励磁控 制系统中上位机。其详细的工作包括数字滤波、对输入信号进行频率测量、执行系统既 定的算法、实时通信等。在实时数据采集过程中，a d 转换器的工作由d s p 直接控制。 d s p 按一定频率给出a d 转换启动信号，并控制a d 器件在转换结束后将转换数据发 送到数据总线上。在a d 转换当前模拟量的时候，d s p 对上一次a d 转换结果进行处 理，包括数字滤波，频率计算，状态量计算等，这样就使得d s p 与d 器件并行工作， 保证了d s p 有充裕的时间来对数据进行处理，从而可以减轻上位机的工作负荷，提高 整个励磁控制系统的工作效率 数据采集系统的软件是整个励磁控制器软件部分的核心之一，关系到励磁控制系统 的性能及其功能的实现。励磁控制器的软件包括主程序和中断服务处理程序，调节控制 程序完成励磁调节和控制任务，限制处理程序完成各种限制工况的判别和处理。中断服 务程序主要完成频率测量、a d 采样和脉冲形成等功能。在控制调节程序中，首先利用 采样中断中采集到的数据，通过调用交流采样计算模块可得到发电机运行的各种状态信 息，如发电机机端电压、定子电流、电网电压、有功功率、无功功率、励磁电流以及励 磁电压等。采样计算锝到的发电机端电压与参考电压之差，综合调差信号后送入运算模 块得到一个移相角，然后经移相触发与脉冲形成单元形成六相脉冲，脉冲经放大隔离后 触发三相全控可控硅整流桥，从而改变励磁电压或电流，控制发电机的运行状态。 2 4 3 对数据采集系统的要求 一般的，励磁控制器基于计算机或微处理器的数据采集系统具有以下特点和要求： ( 1 ) 高可靠性。电力工业的发电机电能生产过程通常是昼夜连续的，一般的发电机 第二章励磁系统与数据采集方案的总体设计 励磁控制装置要几个月，甚至要一年才大修一次，这就要求励磁控制器数据采集系统具 有很高的可靠性，能够长期稳定运行。可靠性，主要包括硬件可靠性和软件可靠性两个 方面，要求事故少，修复快 ( 2 ) 实时响应好，即及时、快速的信号采集与处理，以实现励磁控制功能。d s p 处理器具有时间驱动和事件驱动能力，要能够对励磁系统的现场工作参数变化实时地进 行监视和控制，当参数出现偏差甚至故障时采集系统能迅速采集信息，对获得的信息进 行计算分析和判断，输出控制量，并及时处理异常情况。 ( 3 ) 环境适应性强。发电机的工业环境通常较恶劣，因此必须采取相应的措施，适 应高温、潮湿、腐蚀、振动冲击、灰尘等环境。工业环境电磁干扰严重，供电条件也是 影响系统性能的重要因素，因此要求励磁控制器的数据采集系统必须要有极高的电磁兼 容性，要有高抗干扰能力和共模抑制能力。 ( 4 ) 完善的软件系统为了完成对发电机在正常工况下的监督与控制、生产过程的 启动和停止以及发电机励磁系统事故的分析和处理，需要建立能正确反映发电机生产过 程的励磁调节规律的数学模型，从而在励磁控制器的数据采集系统中需要配备完善的励 磁调节应用软件，以实现调节功能。 ( 5 ) 技术综合性。现代发电机要求励磁系统的能够实现多种励磁控制方式，能够实 现这些控制方式之间的无冲击切换。同时，为了保证同步发电机、励磁系统及其他设备 不超过容量极限，相关国标和行标规定了励磁系统所必须的强励限制、低励限制、反时 限过励限制、磁通限制等励磁限制器。对发电机的保护、限制措施日趋完善，要求数据 采集系统采集这些限制器的相关参数。 2 5d s p 技术及采集系统主处理器芯片的选择 2 5 1 d s p 技术概述 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数值计算的方法对信号进行采集、 变换、综合、估值和识剐等加工处理，以达到提取信息和便于应用的目的。数字信号处 理在理论上所涉及的范围极其广泛。在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、复变 函数等都是数字信号处理的基本工具，网络理论、信号和系统等均是它的理论基础。在 科学发展上，数字信号处理又和最优控制、通信理论、故障诊断等紧紧相连，近年来又 成为人工智能、模式识别、神经网络等新型学科的理论基础之一，其算法实现( 无论是 硬件还是软件) 又和计算机学科和微电子技术密不可分。因此可以说，数字信号处理是 把经典的理论体系作为自己的理论基础，同时又使自己成为系列学科的理论基础。 数字信号处理器( d s p ，d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是针对数字信号处理的需求而设 计的一种可编程的单片机，是现代电子技术、计算机技术和信号处理技术相结合的产物， 有强大的运算功能和高速的数据传输能力，能方便地处理以运算为主的不允许时延的实 时信号，在电子信息、通信、软件、无线电、自动控制、仪器仪