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基于87C196CA的双微机励磁调节器的研究与开发

作者：佚名文章来源：不详点击数：更新时间：2008-9-24 10:25:16

焦尚彬¹ 张江滨¹ 张青²
1．西安理工大学，陕西西安710048；2．杨凌职业技术学院，陕西杨凌712100 1 引言
　　近几年来，微机励磁调节器以其硬件结构简单、清晰、设备通用性好、标准化程度高、软件灵活、能够方便实现多种功能和满足各种控制规律的要求等优点，在许多电厂得到了广泛的应用。同时电力系统自动化有了很大的发展，从单纯的SCADA系统，普遍发展到SCADA＋AGC／EDC，甚至有的发展到SCADA＋AGC／EDC＋SA。电力系统自动化对励磁系统提出了如下的要求：
(1) 可靠性高，应尽量做到免维护；
　　(2) 具有友好的人机界面，一旦发生故障，判断、定位和排除故障，非励磁专业人员也能做；
　　(3) 与RTU、调速器、同期装置的通讯接口容易；
　　(4) 水电站从开机、并网、调整功率及系统故障下励磁装置的动作行为均需考虑无人干预。水轮发电机开停机次数很多，励磁调节器应可靠工作。
　　微机励磁调节器应提供网络化的可靠的丰富的通信接口，使远方的调度员或厂级工作人员能方便自如的开停机、升速升压、并网、调整功率（包括有功和无功）等操作，同时利用LCU单元的微机的强大功能，将励磁调节器、调速器和机组的其它信号(常规智能仪表、测量元件、信号元件、控制执行元件等)快速传给LCU，以实现机组的二次调节功能（PID），优化机组的性能。目前，大部分厂家的励磁调节器和调速器与LCU或上位机之间都是通过RS－232、RS－422／485等方式进行通讯。这些方式的低数据传输率和点对点的数据传输标准，以及在最低层上的星型拓扑都不适应工业现场的控制或大规模应用。如果采用LAN组件及环形或总线拓扑，其系统造价偏高。而现场总线（Field Bus）的发展解决了能经受工业现场环境和费用之间的矛盾。尤其是CAN总线的出现，其误码率小于10^－11，最高速率可达1 Mbps，通讯距离最远可到10 km，通讯介质仅为屏蔽双绞线并且稳定可靠，它是一种非常适合于工业现场恶劣环境的通讯方式。
　　尽管微机励磁调节器具有自诊断和自检功能，极大的提高了装置运行的可靠性,但是单微机励磁系统各环节可靠性再高，发生故障的可能仍然存在。为确保励磁系统的可靠运行，必须采取容错冗余技术。
　　同时，目前的励磁调节器缺乏一个友好的人机界面，调试工作繁重复杂，一旦发生故障，判断、定位、排除都很困难。开发一个友好的人机界面来准确、直观地为调试服务，可以大大减轻现场调试和故障查找的工作量。
2 微机励磁调节器的特点及励磁控制系统总体结构框图　　
　　鉴于以上对目前电力系统自动化发展状况及微机励磁调节器存在的问题的分析,本文提出研究开发一种以87C196CA单片机为控制器的高性能全数字化的微机励磁调节器，它采用PID调节规律，具有以下特点：(1)测量信号处理、调节规律计算及触发脉冲的形成与送出都由微机来完成，且有较完善的故障诊断和监测功能。在工作系统的基础上，增设有一套热备用系统，两套系统之间通过CPU的串行通讯口通讯。系统的输入输出模块采用了光电隔离技术。因此具有高可靠性、高抗干扰性；(2)利用CAN现场总线进行高速、准确数据通讯，能方便快速地与LCU或上位机进行通讯，为机组的优化运行提供了条件。(3)在上位机上开发有与励磁调节有关的友好的人机界面，以便于现场调试和故障查找。本励磁调节器基于自并励可控硅直接励磁系统设计，同步发电机励磁控制系统总框图如图1所示。

3 调节器的硬件特点
　　(一)调节器所选用的主处理器采用集成了CAN控制器和接口的87C196CA，可省略专用的CAN控制器和接口器件，并提高了系统的可靠性。87C196CA是INTELMCS96系列的新成员，是带有集成CAN2．0的20 MHz16位CHMOS微控制器。它在片内集成有32KEPROM、1 K的寄存器、256bit附加RAM。它支持高速串行通讯协议CAN2．0，具有8字节数据长度的15个报文目标，其TXCAN和RXCAN两个引脚可直接挂在总线上进行通讯。在应用程序的编写上，它和80C196KC并无多大区别，多数程序都可移植，只需编写相应的CAN总线数据通讯部分。它的运算速度快，数据处理能力强，能胜任较复杂的数据运算。由于87C196CA单片机具有上述特点，因此它能够完成励磁调节器赋予它的控制功能。
　　(二)调节器与上位机或LCU的通讯采用CAN现场总线。CAN(Controller Area Network)即控制器局域网络，属于现场总线范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。由于其采用了许多新技术及独特的设计，与RS－232、RS－422／485通相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下：(1)多主机依据优先权进行总线访问；(2)非破坏性的、基于竞争的总线仲裁技术；(3)借助接收滤波的多地址帧传送；(4)远程数据请求；(5)配置灵活性；(6)系统宽度数据相容性；(7)错误检测和出错信令；(8)发送期间若丢失仲裁或由于出错而遭破坏的帧可自动重发送；(9)暂时错误和永久性故障节点的判别以及故障节点的自动脱离。　　
(三)可控硅触发脉冲采用微机化全数字方式形成，不用任何外部硬件中断。即利用锁相环跟踪系统交流电压，输出2048倍系统电压频率的脉冲和与系统保持严格同步的工频同步参考电压，作为门极控制单元产生可控硅触发脉冲的角度量化基准和频率相位基准。由于在硬件上采用了冗余容错技术，脉冲输出部分设有脉冲丢失及脉冲异常检测功能和脉冲记忆功能，因此能确保软件程序因任何原因出现跑飞时，不会使机组失磁并能及时切除故障脉冲，自动切换至正常通道运行，可靠性高。
4 调节器的硬件结构和工作原理
4.1 硬件结构
　　本调节器采用有效的双微机并联冗余容错结构，双机之间相互诊断、相互跟踪、相互通讯、相互切换，互为备用。硬件包括87C196CA主处理器及外围芯片；带光电隔离的转换电路；带光电隔离的开关量输入电路；带光电隔离的开关量功放输出电路；频率测量电路；可控硅触发脉冲形成放大电路；LED／LCD，状态指示灯显示电路；交直流供电的开关电源。系统硬件结构框图如图2所示。

4.2 工作原理
　　双微机调节控制装置运行时，首先对发电机的机端电压、定子电流交流模拟量进行高速交流采样，经过快速傅立叶变换，计算出机端电压、定子电流、有功功率、无功功率、功率因素，同时直流采样励磁电流、励磁电压，将机端电压信号整形为方波，利用EXTINT1中断测得机频，这些状态反馈信号数据供调节装置进行计算和分析使用；同时，微机控制装置还将根据现场输入的操作和状态信号进行逻辑判断，实现各种运行方式所需的励磁调节和限制、保护、检测、故障判断功能。为了保证调节控制器的实时性，程序在计算模块中首先对采集到的最新模拟量进行计算，由计算的结果推算出可控硅的控制角，将此控制角通过总线写入脉冲形成回路产生一个脉冲，此脉冲经过功率放大去触发可控硅组件，通过控制发电机转子励磁电流来控制和调节发电机电压或无功功率的目的。至此，调节器完成一次正常调节。微机调节器输出的可控硅移相触发角移相范围设定在10°～140°（对应于自然换相点）之间，满足整流桥输出电流连续可控及逆变运行。调节器中由脉冲信号来保证整流桥中各可控硅按序依次导通。
5 调节器的软件设计
5.1 软件结构
　　系统在软件程序的开发上采用具有良好的模块化结构的C程序设计语言编写，灵活简便易懂，便于调试、修改和扩充。整个系统软件程序按功能分为以下几个相对独立的模块，主要包括：(1)系统初始化及上电自检程序模块；(2)开关量、模拟量的采集计算程序模块；(3)双机冗余信息交换及表决程序模块；(4)调节计算程序模块；(5)励磁限制、保护程序模块；(6)系统参量显示修改模块；(7)在线系统故障自诊断程序模块；(8)运行参数实时保存程序模块；(9)与上位机或LCU、调速器及其它智能I／O装置的通讯程序模块。软件程序结构框图如图3。
5.2 软件功能
　　(1) 可使调节器实现下列三种运行方式：恒机端电压运行；恒无功负荷运行；恒功率因数运行。　　
(2) 使调节器实现下列辅助功能：欠励磁瞬时限制功能；瞬时／延时过励磁限制功能；定子电流过流反时限限制功能；伏／赫限制功能；PT断线检测和保护功能；误强励检测限制功能；空载过压保护功能；双机互相跟踪，互相检测并可无扰动互相切换功能；在线自检功能；脉冲丢失及脉冲异常检测功能；断口自恢复式的软硬件双重Watchdog功能。

5.3 控制规律
　　比例—积分—微分（PID）控制是依据古典控制理论的频域法进行设计的，该方法成熟可靠，且有大量经验可供借鉴。对于改善发电机的电压静态、动态性能该控制规律完全可以满足要求。传递函数如

其中K_p是比例放大倍数，决定控制系统的响应速度和静态偏差；T₁是微分时间常数,T₂是惯性滤波时间常数，T₁与T₂构成不完全微分算法，主要改善控制系统的动态性能,如减少超调量，减少振荡次数等；T_i是积分时间参数，积分的主要作用是消除静态误差。PID模块的输入为电压偏差信号ΔU_e，考虑调差时由下式计算

式中U_r参考电压，U_i发电机机端电压，K_e调差率，Q_e无功功率。
6 结论
　　本励磁系统经样机试验，性能指标如下：(1)调压范围：70%～110%；(2)调压精度：小于0．5%；(3)频率特性：频率每变化1%，发电机端电压变化不大于额定值的正负0．25%；(4)励磁电压响应时间：上升不大于0．08 s，下降不大于0．15 s；(5)10%阶跃实验：调节时间小于8秒，超调量小于10%，振荡次数小于3次。各项指标都满足或优于励磁国标，正准备投入实际应用。但是，严格来讲本励磁系统还不是完全独立的双微机双通道励磁系统，因为两套系统共用了一套触发电路和功率电路，在可靠性方面不如完全独立的双微机双通道励磁系统。但从性价比来看，是完全可以被中小机组所接受的。对于大型机组而言，为保证可靠性，必须采用完全独立的双微机双通道励磁系统，即采用两套独立的触发电路和功率电路。

参考文献

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