毕业设计--电力系统稳定器的设计综述

1、景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）中文题目： 电力系统稳定器的设计英文题目：THE DESIGN OF POWER SYSTEM STABILIZER _院系： 机械电子工程学院专业：自动化姓 名：学号： 200910320122指导教师：完成时间：2013年6月摘要随着社会的发展，电力系统的规模也在不断的扩大，重负荷远距离输电线路 也在不断的增多，快速励磁系统以及快速励磁调节器得到普遍运用，这些都使得 电力系统低频振荡问题日益突出，因此研究低频振荡问题对电力系统稳定产生的 影响也日渐重要。发电机励磁控制向来是受人们关注的保障电力系统稳定运行的 重要手段。在此背景下,人们采用电力系统稳定器（

2、Power System Stabilizers, 即PSS作为励磁系统的附加控制。在发电机的励磁系统中，电力系统稳定器是 其重要的组成部分。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 有着重要的影响。电力系统规模的不断增大，系统结构和运行方式的日趋复杂， 对发电机电力系统稳定器运行的可靠性、稳定性、经济性和灵活性提出了更高的要求。本文正是根据这些要求以及电力系统稳定器的国内外发展趋势，研究和设计了以TMS320F281芯片为控制核心的电力系统稳定器。 基于TMS320F2812勺电 力系统稳定器能够在较大的电力系统运行范围内向系统提供充分的阻尼，抑制低频振荡，提高系统的稳定性。关键

3、词：电力系统稳定器低频振荡TMS320F2812移相触发ABSTRACTWith the developme nt of the society, the size of power system isexpanding.Heavy-load and Iong-distanee transmission lines are increasing con sta ntly , and the fastexeitati on system and AVR are widely used. Allthe development makes the problem of Power System Lo

4、w Frequency Oscillation more and more significant .Therefore, it is important to study on how the low freque ncy oscillati on in flue nee, the power system stability.Excitationcontrolhas always been an importantmeans ofatte nti on to the protectio n of power stability of the system .In this con text

5、, it is the power system stabilizer (Power System stabilizers PSS) as an additionalcontrolof the excitationsystem.The generatorexcitationsystem, excitationcontrolleris an important part. Itaffects the operati on characteristics of gen erator directly and is very importa nt to safe and stable operati

6、o n of the power system. With the increasing power of the large scale of the system and the system structure and operati on modeo fin creas in glycomplicated, the power system requiresthat the generator excitationcontrollerhas higher reliability,stability,economyand flexibility. According to the the

7、se requirements,as well as the development trend both here and abroad, this paper researches and desig nsexcitationcontrollerofgeneratorbyTMS320F2812 chip as the control center.within the limits of the system to provide adequate damp ing power system stabilizer based on TMS320F2812suppresslow-freque

8、ncy oscillation and improve the stability of the system.KEYWORDSoweisystemstabilizer Low-freque ncyoscillation MS320F2812Phase-shift trigger目 录1引言 11.1 电力系统稳定器 11.2电力系统稳定器国内外研究现状 11.3电力系统稳定器发展趋势 21.4 本课题研究意义 22电力系统低频振荡机理 42.1电力系统低频振荡 42.2电力系统数学模型分析方法 52.3电力系统低频振荡分析模型 72.4影响阻尼的因素及解决措施 93电力系统稳定器的工作原理

9、103.1电力系统稳定器抑制低频振荡的原理 103.2电力系统稳定器的输入信号 113.3 PSS的传递函数 124电力系统稳定器的结构 134.1电力系统稳定器的结构图 134.1.1 TMS320F2812芯片介绍 134.1.2 TMS320F2812引脚介绍144.2模拟量输入通道 144.2.1 交流信号采集调理电路 164.2.2 直流信号采集调理电路 174.2.3 ADC采样模块 184.3开关量输入输出单元 194.3.1 开关量输入通道 194.3.2开关量输出通道 214.4同步检测及移相触发单元 224.4.1 同步信号的检测 234.4.2移相脉冲的形244.4.3脉

10、冲功率放大电路 254.4.4脉冲故障检测单元 254.5其它硬件模块 275电力系统稳定器的软件设计 285.1电力系统稳定器软件总体设计思想 285.2主程序设计 28521系统初始化模快 285.2.2 电量计算模块 295.2.3控制调节模块 335.2.4限制保护模块 355.3中断程序设计 375.3.1同步信号捕获中断 375.3.2移相脉冲中断 405.3.3 AD转换完成中断 445.4软件可靠性设计 466 结论 47致谢 51参考文献 521引言1.1电力系统稳定器电力系统稳定器（power system stabilizer ， PSS）是一种安装在发电机 自动电压调节

11、装置上用于改善电力系统动态稳定性的附加励磁控制装置。它在励磁电压调节器中引入领先于轴速度的附加信号，产生一个正阻尼转矩去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用，用于提高电力系统阻尼和解决低频振荡 问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。PSS抽取与此振荡有关的信 号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到电力系统 稳定器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩。1.2电力系统稳定器国内外研究现状近年来，随着电力系统发展到大电网、大机组、超高压、高度自动化的阶段 以及微电子技术、计算机技术及控制技术的迅猛发展和日趋成熟，使得电力系统 稳定器的研究和设计成为一个非常活跃

12、的领域。我国电力系统稳定器的研究和设计比较早，80年代初就有一些电力科研单位和高校开始研制电力系统稳定器 问。第一台投入现场运行的是南京自动化研 究所（现国电自动化研究院）研制的适用于大中型发电机的 WLT-1型电力系统稳 定器，WLT-1型电力系统稳定器以8位单板机为核心，采用PID调节方式。福州 大学于1990年研制出SMER-（型微机电力系统稳定器，采用 8位8051单片机， 具有多种调节、控制和限制功能，用于福建省内的大部分中小型发电机组。中国电力科学研究院与南京自动化设备厂合作研制的WKKL-1型微机双自动电力系统稳定器选用16位工业控制机CCSDK-86在控制规律上以PID调节为主

13、，同时引 入了电力系统稳定器（PSS附加控制。清华大学与哈尔滨电机厂合作，研制了 全数字式电力系统稳定器，采用 STD总线结构或8098单片机结构，控制规律采 用PID调节方式、PSS附加控制、线性最优励磁控制（LOEC和非线性励磁控制（NEC，四种调节规律具备完善的保护、限制、报警功能。华中科技大学与东方 电机股份公司和葛洲坝电厂能达通用电器有限公司合作，开发研制了线性最优和自适应最优微机电力系统稳定器。 经过多年的努力，国内的一些院校、研究所和 公司在电力系统稳定器的设计、生产和运行方面已经积累了丰富的经验，电力系 统稳定器的优良性能在实际生产运行中也日益显示出来。国外的电力系统稳定器进入

14、实用也是在 20世纪80年代，1989年7月日本 东芝公司在日本八户发电所投运了双微机系统的数字式电力系统稳定器；1990年5月加拿大通用电器公司（CGE）也开发出了电力系统稳定器；1993年日本三 菱公司投运了 MEC500型系列微机电力系统稳定器。此外，奥地利 ELIN公司、 德国SIEMENS公司、英国的GEC公司等也都相继生产出微机电力系统稳定器。这些大公司均具有很强的科研开发能力，电力系统稳定器所用的计算机系统一般以 专用的高速可编程控制器为核心，采用自行研制的专用控制板组成，因而具有结 构紧凑，可靠性高的优点。其中，瑞士 ABB公司的UNTROLD型多微机电力系统 稳定器在我国石洞

15、口电厂、李家峡电厂等得到使用；三峡700MV机组的电力系统 稳定器由德国SIEMENS司提供；加拿大CGE公司生产的SILCO双通道型微机电 力系统稳定器安装在我国隔河岩水电站的进口机组上。这些电力系统稳定器多采用PID+PSS控制，各种控制、限制功能较完善，装置整体制造水平也较高。从整体上看，我国在电力系统稳定器的控制算法方面处于国际的先列，所 开发的电力系统稳定器的功能也非常强大， 但装置所选用的元器件的可靠性以及 生产制造工艺水平与国外相比还存在一定的差距。1.3电力系统稳定器发展趋势随着我国三峡水电站的竣工和我国西部煤炭资源的利用和开发出现了西电 东输的要求，从减少大气污染这个角度看也

16、需要发电厂远离城市，这就造成了远距离重负荷输电的局面，电力系统稳定器（PSS的发展和应用显得更为重要！ 电力系统稳定器（PSS也将朝着更智能，硬件结构更简单，互换性好，使 用维护更简单易行的方向发展1.4本课题研究意义电力系统的稳定问题是电力系统的根本问题。电力系统发展初期，系统的结 构相对简单松散，其静态稳定问题通常表现为发电机与系统之间的非周期失步。 随着电力系统的不断扩大，出现了大型电力系统的互联，系统联系因此变得越来 越紧密，整个电力系统也变得越来越复杂。系统的静态稳定问题由此常表现为发 电机组之间的功率动态振荡，特别是在互联系统的联络线上，这种振荡的表现更 为突出。由于这种振荡的频率

17、较低，一般在0.2-2.SHZ之间，因此通常称之为低 频振荡。其振荡时产生的能量通过机电联系来传递， 因此又称为机电振荡，表现 为发电机电功率和功角的变化。低频振荡严重时会导致系统解列或失去稳定， 是 大型电力系统互联引起的最重要的影响系统稳定的问题之一自 20世纪70年代以 来，美国、日本及西欧等电力系统在运行中均发生输电线路低频功率振荡的事故，振荡严重时破坏互联系统之间的并列运行， 造成联络线跳闸引发大面积停电。近 十多年来，我国各大电网也相继发生了联络线低频振荡的现象所以为了解决低频 振荡给电力系统带来的危害，研究电力系统稳定器是很有必要的。2电力系统低频振荡机理2.1电力系统低频振荡由

18、于电力系统规模的扩大，大型发电机普遍采用了由集成电路和可控硅组成 的电力系统稳定器，使自动电力系统稳定器的时间常数从过去的几秒缩短到几十 毫秒。快速励磁系统（晶闸管直接励磁或高起始响应励磁系统）的广泛采用，更使 得励磁系统时间常数大为减小，从而降低了电力系统的阻尼。对联系较弱的电网 系统影响较大，使系统中经常出现弱阻尼、甚至是负阻尼。因此，许多电力系统 出现了每分钟几个至几十个周波的频率很低的自发性系统振荡。在这种情况下， 当振荡严重时会破坏互联系统之间的并列运行，造成大面积停电，这种现象称为低频振荡。在低频振荡研究领域世界各国的专家学者提出了一些不尽相同的低频振荡 产生机理，主要的观点有以下

19、几种 ：（1）欠阻尼原理在对低频振荡的分析中，负阻尼机理相对来说是比较成熟的理论，得到学 界的广泛认可20。负阻尼机理是由学者F.Demello提出的，按照F.Demelfo的分 析，励磁系统是一个惯性系统，如果电力系统稳定器的放大倍数有所增加，就可能会造成对应转子机械振荡的特征根实部从小于零的负值渐渐上升。这样的情况下，再加上电力系统稳定器放大倍数过大的不利条件， 特征根实部甚至有可能达 到正值，进而使得系统发生增幅振荡。所以，也可将低频振荡的原因理解为励磁 系统放大倍数过大引起了负阻尼增大，甚至将系统原先固有的正阻尼抵消了， 使 系统呈现出负阻尼状态或者阻尼极小。 这样的系统在扰动出现的时

20、候，就不能使 扰动很快平息，反而会出现引起系统振荡的增幅振荡。 负阻尼机理是一种经过多 年的研究完善以及实践检验的机理，可说是一种公认的理论。（2）发电机的电磁惯性引起的低频振荡文献24指出由于发电机励磁绕组具有电感， 则由励磁电压在励磁绕组中产生 的励磁电流将是一个比它滞后的励磁电流强迫分量， 而这种滞后的控制在一定条 件下将引起振荡。这种电磁惯性引起的低频振荡的产生条件目前还无定论，这一方向正处在研究阶段。（3）参数谐振电力系统受到外界周期性扰动，当扰动频率与系统的自然频率存在某种特殊 关系时，会产生谐振振荡，当其处于低频区时表现为低频振荡。（4）非线性奇异现象（分歧现象）电力系统的分歧有

21、静态分歧和动态分歧两种情况，文献14.15根据动态分歧中的Hopf分歧理论指出系统在临界点附近发生亚临界分歧的条件是临界点 处的曲率系数B 0，从而系统的动态行为出现了奇异，即特征根仍在虚轴左侧时 系统就开始出现不稳，出现了增幅性的低频振荡，此时稳定域由于亚临界分歧的 出现而变小，不稳定区域扩到了左半平面；系统的稳定域变小。（5）混沌振荡机理文献25中指出，混沌现象是在完全确定的模型下产生的不确定现象，它 是由非线性系统中各个参数相互作用而导致的一种非常复杂的现象，目前人们只是感性的认识到混沌现象的一些典型特征。文献26针对低频振荡的参数进行分 析得出了以下结论：（I）仅有阻尼而无周期性负荷扰

22、动时，系统不会出现混沌振 荡；（2）在周期性扰动负荷的作用下，且当扰动负荷的值超过一定范围时，系统 出现混沌振荡；（3）在周期性负荷扰动下，当阻尼系数接近某一数值时，系统发 生混沌振荡。上面的几种观点都从某一方面揭示了低频振荡的发生机理，欠阻尼原理研 究的最早也最成熟，这主要得益于线性系统理论的成熟，目前已经形成了一套比 较完整的理论体系，并在工程上得到实际应用。谐振理论主要是在设计和制造时 加以考虑分歧现象主要用于低阶单变量系统，高阶多变量非线性系统的稳定分析 目前在理论上还没有得到很好的解决，主要是通过数值分析来判断。混沌理论目前还停留在做理论上的探讨，在工程中目前难以应用。2.2电力系统

23、数学模型分析方法到目前为止，电力系统低频振荡的分析方法大致上可以分为两大类：一类 分析方法是在建立电力系统全阶数学模型后，对该数学模型进行分析，即是基于理论的研究方法；而第二类方法则是对系统进行实际测量，然后再对实际测量得 到的信号进行分析，即是基于实验的研究方法21。就这两类方法来说，第一类方法只有建立了电力系统的全阶数学模型才能使用，而电力系统的全阶数学模型往往不易建立，因此这类方法会受到一定限制。 基于电力系统数学模型的分析方法主要有以下几种：(1) 特征根分析法：特征根分析法也可称为复频域法，特征根分析法是指 对电力系统状态方程的特征根进行计算，并据此获得电力系统的所有振荡模式， 然后

24、对特征根灵敏度和特征向量进行分析和计算，还能过得更多有关振荡的信 息。QR方法可以用于求解低维矩阵的特征值，也曾被用来求解电力系统的特征 值，但是在目前阶数常常达到上万的电力系统状态方程中己经显得不那么有用了，取而代之的研究热点是降阶方法。隐式重启动 Amoldi算法也可以被用于计 算大型电力系统机电模式特征值，隐式重启动 Amoldi算法可以在大型电力系统 中计算出特征值，且具有收敛迅速，可靠性高的优点 24。(2) 时域仿真法：这种方法是将全系统模型通过各个元件的模型在系统中所表现出来的拓扑关系建立，再将系统的稳态值和系统的潮流解作为运算的初始 条件，解出系统状态量以及代数量随着时间变化的

25、曲线，最后根据得出的曲线来对系统进行分析。时域仿真法分析的基础是经过仿真计算得出的系统时域曲线， 其优势在于不受系统规模限制，缺点在于由研究人员自己设定的扰动未必能使研 究工作获得全部振荡模式。同时该方法消耗较多计算资源，但是获得的必要信息 量不大。(3) 频域分析法：AESOP方法在此类方法中极具代表性，AESOP方法也属于部分特征值法。它是通过迭代计算得到系统在机电模式下的特征根，但只计算部分能对系统稳定性有重大影响的特征值。使用传递函数矩阵描述系统，通过代 数方程代替微分方程描述输入输出关系。 这样得到的传递函数矩阵维数远远小于 状态矩阵维数，避免了。维数灾。(4) 正规形理论分析法：所

26、谓正规形方法是指某种转换非线性方程到线性 形式的方法，该方法可以从一定程度上描述出系统特性：比如某状态量与某些振 荡模式间的关系，而计及非线性，会发生什么变化等等。该方法可与特征根法结 合使用。另一类基于实验数据对低频振荡进行分析的方法，其具体含义就是对实 际测量所得到的数据进行分析，从而得到所研究问题的物理特征，再根据这些特 征提出理论假设，最后用实验对提出的理论假设进行检验不过电力系统非常特殊，实验过程中应该以不对电力系统的正常运行造成影响为原则，因此在电力系统运行时，现场往往会配备许多设备进行在线实时观测。每当系统出现了异常情况，如扰动等等，这些现场设备就会把扰动情况和系统输出情况等记录

27、下来，以备后来的研究所用。这些真实有效的实验数据非常宝贵，它们对我们检验理论假 说提出理论假说的研究工作十分重要。现场实际测量得到的数据可以帮助研究人 员确定系统的振荡频率和振荡模式， 有了这些分析结果，就能进一步对系统阻尼 等问题进行定量分析。如果从实际测量得到的数据中再采样各点特征，将不涉及系统的参数阶数等问题，并且这样得出的分析结果具有如实反映系统状态的特 点。目前有很多数学方法用于对低频振荡特征进行分析，例如实时快速傅里叶变换(FFT)算法，wiener Hopt线性预测法，MatrixPeneil 法等等27。在各种 方法中，主要被使用的还是Prony方法。此方法以实验为研究基础，又

28、与理论结 合进行分析，是一种具有科学态度的有效方法，为低频振荡的研究提供了有力的 工具。2.3电力系统低频振荡分析模型图2-1单机无穷大系统图2-1为单机无穷大系统的示意图，在研究同步发电机电磁转矩时，一般将电磁转矩分解为两个分量，即同步转矩分量和阻尼转矩分量。同步转矩与发电 机转角增量 S同相位，阻尼转矩与发电机转子转速增量 3同相位。如果同步 转矩不足，将发生滑行失步；阻尼转矩不足，将发生振荡失步。低频振荡的研究涉及到同步发电机的数学模型。考虑有阻尼转矩作用的转子运动方程式，励磁绕组的方程式以及自动电压调节器的基本方程式，经过对这些方程式线性化后可以得到用于研究低频振荡的同步发电机的完整模

29、型，如图2-2所示。图中的上半部分为转子运动方程式的机械回路，下半部分为电力系统 稳定器及系统的电气回路。机械回路转矩增量 T3- Te作为输入，转矩角度增 量作为输出；M为发电机转子惯性时间常数，D为阻尼系数，3 0为同步转速。电气回路的输入为附加励磁控制 UE与机端电压增量 U，之差，而输出为发 电机内部的暂态电势增量 Eq,该暂态电势的增量乘以常数 K2（即K2/ Eq）变为 电气转矩 Te的一部分， U由占和K6A丘。两个分量组成。传递函数环 节中Ta和Ka分别表示电力系统稳定器和励磁机系统的时间常数和总的放大倍 数.Tdo和K3分别表示转子励磁回路的有效时间常数和放大倍数。图2-2单

30、机无穷大系统传递函数框图图2-1所示的同步发电机低频振荡模型写成矩阵形式为-D/M%0-0-km 0-KjTd；-KaKTU sin014 +X +Xdl；011x +xdA-K2 M0-1 (TdoKa) KaGTaKi(AEfdU cos、0X +Xq0 10-Vt；o-1/Ta 一 co(2-1)E；AEfd严一 X）；。 q冃 +（X； -Xd）ld0K厂 ,K4 = (Xd-Xd)sn。X XdXd Xd(2-3)0U to0 U c o s0X +Xd X +Xq I 1X +XdU s i n.Y Uqo _ XdUtoX U do入qUto(2-4)式(2-1)是在系统某一典型

31、运行点线性化后得到的，(2-2)和(2-4)式中的带下标0的标量表示系统典型运行点的数值，电力系统低频振荡的原因用图2-2 的方框图可以得到解释。2.4影响阻尼的因素及解决措施影响系统阻尼的因素很多，包括电力系统的运行方式、负载情况、网络结 构、发电机励磁机参数，都能影响到电力系统的阻尼。(1) 运行方式的影响当有功负荷较大，并且在电容性负荷情况下时，阻尼转矩变为负阻尼，容 易发生统低频振荡。另外，联络线负荷增大，功角增大，阻尼减弱。所以低频振 荡都在联络线功率较大时发生。一旦发生低频振荡，应该首先限制联络线输送的 功率。如果发电机多送感性无功负荷，功角会减小，阻尼将增大，有利于电力系 统稳定

32、。(2) 网络结构的影响网络结构的强弱对电力系统的阻尼有很大影响：当电源与系统联系较弱时，系统等值电抗x越大，功角石越大，阻尼转矩越小，严重时甚至成为负值，容易 产生负阻尼和振荡失步。加强系统结构虽然可以防止弱阻尼，但需要增加联络线 或加强系统电网联系这样会使投资费用增大。而且随着电力系统电网的不断发 展，原有弱联系电网加强后，又可能变成新的弱联系电网。(3) 励磁机的影响当S较大时，K5为负，自动电力系统稳定器将提供负阻尼。当励磁机放大倍数Ka在一定范围内增大时负阻尼将会增大。另外，励磁时间常数氐及转子绕组时间常数Td0越小，负阻尼越大。(4) 调速器的影响调速器对系统阻尼的影响一般没有自动

33、电力系统稳定器明显。但是，当采 用快速的电液调速器时，对振荡频率较低的低频振荡会产生一定的影响。3电力系统稳定器的工作原理3.1电力系统稳定器抑制低频振荡的原理电力系统稳定器是通过米用转速偏差、频率偏差、电功率偏差、加速功率偏差这几个信号中的一个或者几个信号作为自动电力系统稳定器（AER ）的附加输入，使得系统中产生正阻尼转矩，以提高电力系统的静态稳定性，从而达到抑制 低频振荡的目的。图3-1 PSS控制框图图3-2 PSS控制向量图电力系统稳定器的作用主要是假借加强发电机励磁控制的方法达到加强对 系统振荡的阻尼的效果，借此使电能传输的稳定极限上升。如果系统对振荡的阻 尼太弱，那么系统的输电能

34、力在弱系统条件下就会被限制。所谓的弱系统条件就 是指远距离发电厂需要经长距离线路送电或者是连接大区域的联络线相对较弱 的系统条件。所以，电力系统稳定器的性能只能以其增加这种弱系统阻尼的能力 来进行评价。图3-1，3-2为电力系统稳定器的控制框图和向量图。励磁系统为滞后单元，它由励磁机迟后角只和发电机磁场回路迟后角典组合而成，要是用GES(s)表示 Pe/ S的传递函数，可从图 3-1得出16 , 17:K2K$K,Ka(2-5)U + K兀涉川+ 7片仏心心因为GES(s)的迟后作用，如果K5小于零，此时电磁转矩劫岔。就会位于第 四象限，在轴上的投影为负，因此出现了使得系统阻尼为负的不稳定现象

35、。 倘若在励磁系统的相加点输入一个和 3同相位的信号，就会产生一个正的、位 于第一象限的，几乎与 3同相位的电磁转矩 Mp，如图2-4所示。 M与厶Mp 相量相加得到总的电磁转矩 M, M位于第一象限，其在厶3上的投影变为正， 这表明负阻尼转矩得到了有效补偿，电力系统稳定性得以提高。3.2电力系统稳定器的输入信号(1) 3为输入信号对于以 3为信号的电力系统稳定器，应该在发电机所带的负荷最重、电 网联系最强时设计PSS参数。但是，当网络出现弱联系时，PSS提供的正阻尼作 用反而减弱，而此时，电力系统正需要正阻尼，这一矛盾，需要采用别的控制信 号或采用自适应控制方法来解决。另外，由于噪声以及发电

36、机组本身扭动振荡频 率都很高，而以 3为输入信号的PSS使用的是超前网络，超前网络在高频时 放大倍数会增大，所以，对发电机组轴扭动振荡极为敏感， 使扭动振荡现象更为 加重。因此必须采用窄频带的滤波器，以阻止扭振频率信号经PSS放大以后与发电机发生谐振。(2) Pe为输入信号以发电机输出电功率峨作为PSS输入信号，检测方便，所需的超前角度小， 稳定性好，己得到广泛的采用，但是存在着反调现象。当电力系统发生低频功率 振荡时，发电机输出电功率增加，PSS输出负值会使励磁电流减小，从而减小了 发电机输出电功率，发挥了阻尼振荡的作用。但是，当调节原动机使机械功率增 加时，发电机输出电功率也会增加，此时，

37、PSS会使励磁电流减小，这对电力系 统静态稳定是不利的，这就是反调现象。以发电机输出电功率为输入信号的 PSS 对汽轮机和水轮机反调作用的影响是有差别的。对于水轮发电机，由于机械功率PSS输出变化速度较快，反调影响较大，需要在改变原动机功率时，瞬间闭锁 信号。而对汽轮发电机，由于机械功率变化速度较慢，反调现象影响不大(3) ?为输入信号PSS的 ?信号通常取自发电厂母线，由于在暂态过程中在系统各点的叮是 不同的，在单机无穷大系统中，好的分母特性基本上与电压沿线的分布是一致的， 因此当系统的联系减弱时，以发电厂母线 ?为信号的PSS对发电机转子角频率 的灵敏度反而增加，恰好补偿了系统联系减弱时传

38、递函数增益的减小，因此以?为信号的PSS在发电机负荷及系统联系均在中等水平时调整，不必担心在系统 联系增强时会导致增益过大。加速功率(Pm-Pe)为输入信号它具有电功率输入信号的优点，不存在反调现象问题，但需要增加机械功 率Pm为输入信号。水轮发电机组可以取水门开度作为机械功率的信号，汽轮发 电机组可以取气门开度为机械功率的信号。3.3电力系统稳定器的传递函数以为输入信号的PSS传递函数框图如图2-5, PSS一般由放大环节，复 位环节，相位补偿环节，限幅环节组成，其输出作为励磁附加信号。放璽位 珏节环节栩柱补偿 环粘图3-3 PSS传递函数框图主要环节的作用如下：放大环节：确保 T*e有足够

39、的幅值。复位环节：在过渡过程中使动态信号顺利通过，从而使PSS只在动态中起作 用。相位补偿环节：补偿TdO及Te引起的相位滞后，以便使附加力矩 T e和厶3 同相位。由13个超前环节组成，一个超前环节最多可校正 30040。限幅环节：防止大干扰时PSS的输出量对发电机端电压扰动过大而对 PSS的 输加以限制4电力系统稳疋器的结构4.1电力系统稳定器的结构图电力系统稳定器硬件是整个励磁系统的关键， 本论文的设计侧重基于电力系 统稳定器的需求和发展趋势，充分利用所选 32位DSP芯片TMS320F281丰富的 外设资源，完成电力系统稳定器各模块的硬件设计。 本文设计的电力系统稳定器 主要包括：模拟

40、量输入通道、开关量输入输出单元、同步测频单元、移相触发单 元、脉冲故障检测单元等。其硬件总体结构框图 如图4-1所示：A相电压B相电压C相电压脉冲功率放大电路励磁电压励磁电流励磁变压器 二次侧电流 发电机定子 电压发电机定子 电流开关量输入脉冲触发单元同步信号 检测电路同步检测单元直流信号 调理电路交流信号 调理电路模拟量采集开关量输入电路开关量输出开关量输出电路开关量输入输出PWM1PWM6XA15XA18XD0XD7XWECAP4CAP6GPIOA11 GPIOA14ADCINGPIOA612344GPIOA7GPIOB0GPIOB7GPIOB11GPIOB15GPIOA8GPIOA10S

41、CITXDBGPIO F0GPIC F14SCIRXDBTMS320F2812存储单元键 盘存 储液晶显示串口通信电路串行通信单元串口通信图4-1电力系统稳定器的结构4.1.1 TMS320F2812 芯片介绍德州仪器所生产的 TMS320F2812数字讯号处理器是针对数字控制所设计 的DSP整合了 DSP及微控制器的最佳特性，主要使用在嵌入式控制应用，如数 字电机控制（digital motor control,DMC）资料撷取及I/O 控制（dataacquisiti on and con trol, DAQ）等领域。针对应用最佳化，并有效缩短产品开发周期，F28x核心支持全新CCS环境的

42、Ccompiler，提供C语言中直接嵌入汇 编语言的程序开发介面，可在 C语言的环境中搭配汇编语言来撰写程序。值得 一提的是，F28x DSP核心支持特殊的IQ-math函式库，系统开发人员可以使用 便宜的定点数 DSP来发展所需的浮点运算算法。F28x系列DSP预计发展至400MHz目前已发展至150MHz的Flash型式。4.1.2 TMS320F2812 引脚介绍TMS320F281勿脚详细分析 XINTF 信号 XA0XA18-19位地址总线XD0XD15 - 16位数据总线 XMP/MC - 1 -微处理器模式-XINCNF7有效-0- 微计算机模式-XINCNF7 无效 XHOLD

43、 - 外部 DMA 保持请求信号。XHOL助低电平时请求XINTF释放外部总线，并把所有的总线 与选通端置为高阻态。当对总线的操作完成且没有即将对XINTF进行访问时，XINTF释放总线。此信号是异步输入并与 XTIMCLK同步XHOLDA-夕卜部DMA保持 确认信号。当XINTF响应XHOLD勺请求时XHOLD呈低电平，所有的XINTF总线 和选通端呈高阻态。XHOLDA XHOLD信号同时发出。当XHOLD有效（低）时外部 器件只能使用外部总线 XZCS0AND1-XINTF区域O和区域1的片选，当访XINTF 区域0或1时有效（低）XZCS2- XINTF 区域2的片选，当访 XINTF

44、区域2时 有效（低） XZCS6AND7- XINTF区域6和区域7的片选，当访XINTF区域6或 7时有效（低）XWE-写有效。有效时为低电平。写选通信号是每个区域操作的 基础，由XTIMINGX寄存器的 前一周期、当前周期和后一周期的值确定 XRD - 读有效。低电平读选通。读选通信号是每个区域操作的基础，由xTIMINGX寄存器的前 一周期、当前周期和后一周期的值确定。注意：XRD和XWE是互斥信号XR/W-通常为高电平，当为低电平时表示处于写周期，当为高电平时表示处 于读周期XREADY-数据准备输入，被置1表示外设已为访问做好准备。XREADY 可被设置为同步或异步输入。在同步模式中

45、，XINTF接口块在当前周期结束之前的一个XTIMCLK寸钟周期内要求XREADY有效。在异步模式中，在当前的周期 结束前XINTF接口块以XTIMCLK勺周期作为周期对 XREAD采样3次。以XTIMCLK 频率对XREAD的采样与XCLKOU的模式无关JTAG和其他信号 X1/XCLKIN - 振荡器输入/内部振荡器输入，该引脚也可以用来提供外部时钟。C28x能够使用一个外部时钟源，条件是要在该引脚上提供适当的驱动电平，为了适应1.8V内核数字电源(VDD)，而不是3.3V的I/O电源(VLDIO)。可以使用一个嵌位二极 管去嵌位时钟信号，以保证它 的逻辑高电平不超过 VDD(1.8V或1

46、.9V)或者去使 用一个1.8V的振荡器X2 - 振荡器输出 TMS320F2812引脚详细分析 XCLKOUT -源于SYSCLKOU的单个时钟输出，用来产生片内和片外等待状态， 作为通用时 钟源。XCLKOU与SYSCLKOU的频率或者相等，或是它的1/2，或是 1/4。复位时XCLKOUT SYSCLKOUT/4TESTSEL 测试弓I脚，为TI保留，必须 接地TEST1 -测试引脚，为TI保留，必须悬空TEST2 -测试引脚，为TI 保留，必须悬空TMS - JTAG测试模式选择端，有内部上拉功能，在 TCK的上 升沿TAP制器计数一系列的控制输入TDI -带上拉功能的JTAG测试数据

47、 输入端，在TCK的上升沿，TDI被锁存到选择寄存器、指 令寄存器或数据寄存 器中TDO - JTAG扫描输出，测试数据输出。在 TCK的下降沿将选择寄存器 的内容从TDC移出TCK - JTAG测试时钟，带有内部上拉功能 TRST - 有 内部上拉的JTAG测试复位。当它为高电平时扫描系统控制器件的操作。若信号 悬 空或为低电平，器件以功能模式操作，测试复位信号被忽略注意：TRST上不 要用上拉电阻。它内部有上拉部件。在强噪声的环境中需要使习附加上 拉电阻， 此电阻值根据调试器设计的驱动能力而定。一般取22K即能提供足够的保护。因 为有了这种应用特性，所以使得调试器和应用目际板都有合适且有效

48、的操作EMUQ-带上拉功能的仿真器I/O 口引脚0,当TGST为高电平时，此引脚用作 中断输入。该中 断来自仿真系统，并通过JTAG扫描定义为输入/输出EMU1 - 仿真器引脚1,当TGST为高电平时，此引脚输出无效，用作中断输入。该中断 来自 仿真系统的输入，通过JTAG扫描定义为输入/输出XRS -器件复位(输 入)及看门狗复位(输出)。器件复位，XRS使器件终止运行，PC指向地址0x3FFFCO 当XRS为高电平 时，程序从PC所指出的位置开始运行。当看门狗产生复位 时,DSP将该引脚驱动为低电平，在看门向复位期间，低电平将持续512个XCLKIN周期。该引脚的输出缓冲器是一个带有内部上

49、拉（典型值100mA的开漏缓 冲器，推荐该引脚应该由一个开漏设备去驱动4.2模拟量输入通道TMS320F2812勺ADC模块只能转换03V的模拟信号，模拟量输入通道的作 用就是要将模拟量转换成TMS320F2812所能接收的数字信号。本文所设计的电力 系统稳定器所要输入的模拟信号包括：发电机机端电压、机端电流、励磁电压、 励磁电流、电网电压等。4.2.1交流信号采集调理电路发电机机端电压、电流信号分别取自发电机端的电压互感器和电流互感器。 电压互感器的输出为0100V,电流互感器的输出为05A,由于电压太高，电 流太大，而TMS320F2812勺AD输入信号的范围要求为03V,所以需要添加交

50、流信号的调理电路以满足 AD的要求1113。在自动控制设备中，常采用电量变送器 对输入的模拟量进行测量。电量变 送器是一种把某种形式的电量变换成与之成线性关系的直流信号的装置，它的输出通常为05V或420mA的直流信号。电量变送器接线简单、安装方便，通常 这些电量变送器为保证变送电量的精度， 会采取很多措施，如在变送器中加入了 整流、滤波、补偿等环节，但是这样做使得整个装置的时间常数变大，对于需要 快速响应的励磁系统来说是非常不利的。电量变送器一般只能反映被测量的单一 信息（如有效值），丢失了很多有用的信息，不能用于需要采集交流信号瞬时值的 控制系统。针对电量变送器的这些缺点，本文采用由运算放

51、大器组成的电平抬升 电路作为模拟量输入信号的调理电路，其电路原理图如图4-2、4-3所示：,M 1 丄 I 丨 I 1 , , 1 M M 1 LI 丨 I 1 , I M M 1 I M 1.1 门 I 11 1I 丨 I 口 1 M M 1 M 1 I I I 1图4-2电压输入调理电路图4-3 电流输入调理电路如图4-2,4-3所示，第一级采用射级跟随方式提高电路的输入阻抗，第二级为反相器，通过可调电位器调节其放大倍数，第三级电路为对第二级的信号和 1.5V电压基准进行反相求和，将输出信号调解到03V4.2.2直流信号采集调理电路测量直流信号有多种方案，如采用隔离放大器、霍尔传感器等，本

52、文采用隔 离放大器进行测量。在励磁电路里，交流信号可以通过电压互感器将主回路与控 制器电路隔离开来，而直流信号励磁电流和励磁电压不能通过互感器，直流信号一般采取线性光耦或直流变送器来进行隔离。本文励磁电流采用线性隔离放大器 SLC8000进行隔离,其隔离放大原理如图4-4所示：图4-4隔离放大电路原理图首先励磁电流经过分流器调整为 075mV再通过上图所示的隔离放大电路将其调整为03V的电压信号接入TMS320F281的 ADCIN取弓|脚。励磁电压则通过变送器将其变换为 05V的电压信号，然后经过电阻分压将其调整到03V接入ADCIN弓|脚。423 ADC采样模块发电机端电压/电流经调理电路

53、后变为峰值为03V的信号，接入 TMS320F2812勺AD通道。F2812的ADC模块有16个通道，可配置为2个独立的 8通道模块，分别服务于事件管理器 A和B,两个独立的8通道模块也可以级联 构成一个16通道模块。TMS320F281芯片的ADC莫块的功能框图如图4-5所示：图4-5 ADC模块的功能框图ADC模块有两种排序模式：单排序器模式（级联构成 16状态）和双排序器 模式（两个相互独立的8状态）。在这两种模式下，ADC都可以自动的进行一系 列转换操作。每次当ADC攵到一个开始转换请求，可以自动地完成多个转换。对 于每个转换，都可以通过模拟复用器选择16个输入通道中的任一通道进行转换

54、。 转换结束后，数字结果将保存到相应的结果寄存器中。 用户也可以对同一通道进 行多次采样，从而实现过采样算法，这样得到的采样结果比一般的采样结果分辨ADC的工作模式有两种：同步采样模式和顺序采样模式。ADC可以同时采样 保持两个ADC俞入引脚的能力，再分别对采样保持器进行转换，这样就可以同时 采集到同一相电压和电流的瞬时值。在采用同时采样模式时应保证一个引脚取自ADCINAADCINA7另一个引脚取自 ADCINB0-ADCINB?同时这两个输入要有 同样的采样保持偏移，也要注意转换结果在结果寄存器中的次序。4.3开关量输入输出单元电力系统稳定器的开关量输入/输出主要包括：(1) 输入信号：开

55、/停机信号、增/减磁信号、手动/自动开关、灭磁开关合 闸信号等。(2) 输出信号：励磁故障、励磁事故、 PT断线信号等。开关量输入输出通道的主要任务就是让 TMS320F2812能够获取现场的各种 开关状态，以便进行分析判断，并输出相应的开关信号去控制指示灯、 继电器及 发出报警等。4.3.1开关量输入通道本论文中所设计的电力系统稳定器的开关量输入通道电路原理如图4-6所 示:图4-6开关量输入电路这个开关量输入通道由总线收发器、 光电隔离电路和数据缓冲组成。本文中的电力系统稳定器采用了总线收发送器 74LV245乍为TMS320F281的开关量输入 扩展，每一路开关量经光电耦合器隔离后与总线

56、收发送器的B端的一个引脚相连。图4-6所示的是其中一路开关量输入。总线收发送器74LV245的B端口接于 TMS320F2812勺数据总线上，A端口接于光电耦合器的输出端。由于总线收发送 器74LV245具有双向传送数据的功能，其传送方向由DIR端控制，而在开关量输 入通道中信号只需要单方向传送，因此在开关量输入通道中，总线收发送器的 DIR端接电源，令总线收发送器的数据传送方向为 A到B。总线收发送器的使能 端G由外部扩展区片选信号和地址线经地址译码器译码后得到的CS_Kin控制信号选通。根据控制电路的地址分配电力系统稳定器开关量输入、输出通道，开关量输入通道地址存储单元的16位有效数据对应16位开关量，TMS320