摘　要: 勵(lì)磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機(jī)的重要組成部分。介紹了一種新型的基于可編程計(jì)算機(jī)控制
　　器(PCC)的雙通道勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,詳細(xì)介紹了PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器特點(diǎn)和軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原理。
　　關(guān)鍵詞: 同步發(fā)電機(jī);勵(lì)磁系統(tǒng)；PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器
　　
　　1 　引言
　　在電力系統(tǒng)中,提高和維持同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性,是保證系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的基本條件
　　之一[1 ] 。在眾多改善同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的措施中,提高勵(lì)磁系統(tǒng)的控制性能是公認(rèn)的經(jīng)濟(jì)而有效的手段之一。近幾年來(lái),微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器以其硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、清晰、設(shè)備通用性好、標(biāo)準(zhǔn)化程度高、軟件靈活、能夠方便實(shí)現(xiàn)多種功能和滿足各種控制規(guī)律的要求等優(yōu)點(diǎn),在許多電廠得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展,現(xiàn)有微機(jī)調(diào)節(jié)器逐漸顯現(xiàn)一些缺點(diǎn),主要有:
　　①通訊能力不強(qiáng)。目前,大部分廠家的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器與LCU或上位機(jī)之間都是通過(guò)RS-232、
　　RS-422/485等方式進(jìn)行通訊。這些方式的低數(shù)據(jù)傳輸率和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn),以及在最低層
　　上的星型拓?fù)涠疾贿m應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的控制或大規(guī)模應(yīng)用。
　　②現(xiàn)有微機(jī)調(diào)節(jié)器內(nèi)部的高速計(jì)數(shù)器的頻率偏低,用于大型機(jī)組的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器為提高測(cè)量
　　精度通常自行設(shè)計(jì)測(cè)頻和測(cè)相差模塊,而自制的模塊在現(xiàn)有的條件下很難保證其可靠性。
　　③人機(jī)界面和通訊功能不強(qiáng)也是現(xiàn)有調(diào)節(jié)器存在的一個(gè)問(wèn)題。
　　為了解決上述問(wèn)題,提出用一種新型的可編程控制器PCC(Programmble Computer Controller) 構(gòu)成同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,直接產(chǎn)生六相觸發(fā)脈沖控制可控硅導(dǎo)通;通訊采用CAN總線方式；人
　　機(jī)界面采用大屏幕觸摸屏;直接用PCC內(nèi)部高速計(jì)數(shù)器測(cè)頻率和相位差,使測(cè)頻和測(cè)相差的精度
　　和可靠性都得到保證。
　　2 　PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件配置
　　可編程控制器因早期主要應(yīng)用于開關(guān)量的邏輯控制,故其最初被稱為PLC( Programmable Logic Controller) 。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,IPC( Industrial Personal Computer) 與PLC逐漸相結(jié)合,形成了PLC家族的新成員PCC。除了具有PLC的所有功能外,還有高速計(jì)數(shù)、ms 級(jí)觸發(fā)信號(hào)、CAN接口等功能。本勵(lì)磁調(diào)節(jié)器直接使用高速計(jì)數(shù)模塊(TPU)對(duì)頻率及其相位差進(jìn)行測(cè)量,其最高計(jì)數(shù)頻率大于4MHZ ,完全滿足大型同步勵(lì)磁發(fā)電機(jī)測(cè)頻和相差要求；可控硅觸發(fā)脈沖采用全數(shù)字方式形成,直接向可控硅發(fā)觸發(fā)脈沖,有效地減少了時(shí)延,提高了響應(yīng)速度。其配置圖如1 所示。

　　圖1 　PCC 硬件配置

　　3 　PCC 雙通道勵(lì)磁調(diào)節(jié)器基本結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)特點(diǎn)
　　3. 1 　基本結(jié)構(gòu)
　　本PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主回路采用靜態(tài)勵(lì)磁方式的三相全控整流橋直接供給發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流。
　　PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器隨發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的變化改變晶閘管的導(dǎo)通控制角。PCC雙通道勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

　　圖2 　雙通道勵(lì)磁調(diào)節(jié)器基本結(jié)構(gòu)

　　3. 2 　設(shè)計(jì)特點(diǎn)
　　(1) 獨(dú)特的測(cè)頻測(cè)相系統(tǒng)。本勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的測(cè)頻測(cè)相差是利用PCC的TPU功能,TPU是時(shí)間
　　處理單元(Time Processor Unit) 的縮寫,它可對(duì)由開關(guān)信號(hào)引發(fā)的事件通過(guò)微秒級(jí)的分辨率,而本身不增加主CPU 的負(fù)荷,真正滿足了高實(shí)時(shí)高精度的要求。
　　(2) 全數(shù)字脈沖觸發(fā)系統(tǒng)。控制角由程序計(jì)算出后,可求出所需的延時(shí)計(jì)數(shù)值,當(dāng)同步信號(hào)采
　　集進(jìn)來(lái)時(shí),在自然換流點(diǎn)(方波的上升沿) 到達(dá)的同時(shí)啟動(dòng)高速計(jì)數(shù)器,高速計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值達(dá)到延
　　時(shí)計(jì)數(shù)值時(shí)發(fā)脈沖,然后依次通過(guò)PCC中TPU的鏈接功能推后T/6(T 為晶閘管共陽(yáng)極的電壓周期) 在其它輸出端口發(fā)出脈沖。
　　(3) 雙通道利用CAN 接口進(jìn)行通訊和雙機(jī)參數(shù)跟蹤;切換采用無(wú)觸點(diǎn)電路。 
　　3. 3 　冗余結(jié)構(gòu)及可靠性
　　本雙通道PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)是根據(jù)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的信號(hào)處理特點(diǎn)將調(diào)節(jié)器從信號(hào)處理流向上分成三部分。即發(fā)電機(jī)電壓電流信號(hào)測(cè)量、PCC控制算法及脈沖形成、可控硅觸發(fā)脈沖放大三部分。每部分分別設(shè)置兩套完全相同的部件實(shí)現(xiàn)冗余。因此整個(gè)系統(tǒng)是一種部件級(jí)的兩模塊并串聯(lián)
　　型的冗余結(jié)構(gòu)。在每部分的信號(hào)處理結(jié)果,都通過(guò)CAN通訊進(jìn)行冗余信息交換;由于采用雙模塊并
　　串聯(lián)冗余結(jié)構(gòu),這對(duì)系統(tǒng)可靠度的提高效果是顯而易見的。由于采用CAN總線進(jìn)行冗余信息交換,可靠度高于系統(tǒng)其他部件,因此對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠度影響不大。此外,在軟件設(shè)計(jì)上也考慮了網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的特殊情況,即當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí),整個(gè)系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入一機(jī)為主、一機(jī)熱備用的工作狀
　　態(tài),同時(shí)向外發(fā)出報(bào)警信號(hào)。
　　4 　工作原理
　　4. 1 　PID 控制算法
　　本勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采取比例-積分-微分(PID)算法,它是依據(jù)古典控制理論的頻域法進(jìn)行設(shè)計(jì)的,該方法成熟可靠,且有大量經(jīng)驗(yàn)可供借鑒。對(duì)于改善發(fā)電機(jī)的電壓靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性能該控制規(guī)律完全可以滿足要求。本勵(lì)磁調(diào)節(jié)器使用離散化的增量型數(shù)字PID控制,計(jì)算公式如下[3 ]

　　式中　T ---采樣周期; KP 、KI 、KD ---比例、積分和微分增益;e (k) ---調(diào)節(jié)偏差。
　　故在確定了KP 、KI 、KD 后,根據(jù)前三次測(cè)量值即可求出數(shù)字PID調(diào)節(jié)器輸出的增量。
　　4. 2 　雙機(jī)切換
　　切換電路對(duì)雙通道勵(lì)磁系統(tǒng)尤其重要,本勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要采用模擬開關(guān)[4 ] 為主要切換部件,
　　把切換分為兩種類型:故障時(shí)切換和正常工作時(shí)手動(dòng)切換；故障時(shí)切換就是當(dāng)PCC檢測(cè)到故障時(shí)直接控制模擬開關(guān)的控制端,快速切換故障；正常工作切換就是兩機(jī)正常工作時(shí)接到外部切換命令時(shí)的切換,對(duì)這種切換,本勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用了專門的電路來(lái)保證脈沖不丟失和切換平穩(wěn),簡(jiǎn)單工作原理如下:把A 套同步脈沖和B 套同步脈沖六倍頻[5 ] ,就可以找出它們的自然換流點(diǎn)的六個(gè)上升沿,當(dāng)有切換命令時(shí)(假如由A 切換到B) ,在自然換流點(diǎn)的上升沿時(shí)控制模擬開關(guān)使脈沖無(wú)擾動(dòng)的由A 套切換到B 套。
　　5 　軟件設(shè)計(jì)
　　5. 1 　軟件結(jié)構(gòu)
　　PCC軟件設(shè)計(jì)有自己的優(yōu)勢(shì),其獨(dú)特的實(shí)時(shí)多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)可以將整個(gè)系統(tǒng)分成數(shù)個(gè)分別具有不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級(jí)(TASK CLASS) 。因此,PCC能夠使軟件完成的各種復(fù)雜任務(wù)得到優(yōu)化,而且能夠保證實(shí)時(shí)性的要求。整個(gè)系統(tǒng)軟件程序按功能分為以下幾個(gè)相對(duì)獨(dú)立的模塊:
　　(1) 系統(tǒng)初始化及自檢模塊;
　　(2) 開關(guān)量、模擬量采集模塊;

　　圖3 　軟件結(jié)構(gòu)圖

　　(3) 控制調(diào)節(jié)程序。包括發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓調(diào)節(jié),勵(lì)磁電流調(diào)節(jié),無(wú)功P功率因數(shù)調(diào)節(jié)以及各種附加控制等所使用的控制規(guī)律的調(diào)節(jié)模塊;
　　(4) 移相及觸發(fā)脈沖模塊,包括控制角的延時(shí)觸發(fā)以及同步電壓信號(hào)的頻率測(cè)量;
　　(5) 勵(lì)磁限制、保護(hù)程序模塊;
　　(6) 雙機(jī)冗余信息交換及表決程序模塊;
　　(7) 與上位機(jī)通訊程序模塊。軟件程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3。
　　5. 2 　軟件功能
　　PCC雙通道勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件功能如下:
　　(1) 實(shí)現(xiàn)下列三種運(yùn)行方式:恒機(jī)端電壓運(yùn)行,恒無(wú)功負(fù)荷運(yùn)行,恒功率因數(shù)運(yùn)行；
　　(2) 輔助功能:欠勵(lì)磁瞬時(shí)限制功能；瞬時(shí)P延時(shí)過(guò)勵(lì)磁限制功能；定子電流過(guò)流反時(shí)限限制功能；伏P赫限制功能；PT 斷線檢測(cè)和保護(hù)功能；誤強(qiáng)勵(lì)檢測(cè)限制功能；空載過(guò)壓保護(hù)功能；雙機(jī)互相跟蹤,互相檢測(cè)并可無(wú)擾動(dòng)互相切換功能；在線自檢功能；脈沖丟失及脈沖異常檢測(cè)功能。
　　6 　結(jié)論
　　本勵(lì)磁系統(tǒng)經(jīng)樣機(jī)試驗(yàn),技術(shù)性能指標(biāo)如下:
　　(1) 空載調(diào)壓范圍70%～110%；
　　(2) 調(diào)壓精度小于0.5%；
　　(3) 頻率特性:頻率每變化1% ,發(fā)電機(jī)端電壓變化不大于額定值的正負(fù)0.25 %；
　　(4) 勵(lì)磁電壓響應(yīng)時(shí)間:上升不大于0.08s ,下降不大于0.15s ；
　　(5) 10%階躍實(shí)驗(yàn):調(diào)節(jié)時(shí)間小于8s ,超調(diào)量小于10% ,振蕩次數(shù)小于3次；
　　(6) 切換快速平穩(wěn)。
　　各項(xiàng)指標(biāo)都滿足或優(yōu)于勵(lì)磁國(guó)標(biāo),已經(jīng)在一些小電站投入運(yùn)行,受到了用戶的好評(píng)。
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        作者:　李維新(1975) ,男,陜西寶雞人,西安理工大學(xué)在讀碩士;南海鵬(1963) ,男,陜西乾縣人,西安理工大學(xué)教授,主要從事水力機(jī)械和電站控制設(shè)備方面的研究。
                     西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院,陜西西安710048