摘　要: 勵磁系統(tǒng)是同步發(fā)電機的重要組成部分。介紹了一種新型的基于可編程計算機控制
　　器(PCC)的雙通道勵磁調(diào)節(jié)器,詳細介紹了PCC勵磁調(diào)節(jié)器特點和軟硬件系統(tǒng)設(shè)計的基本原理。
　　關(guān)鍵詞: 同步發(fā)電機;勵磁系統(tǒng)；PCC勵磁調(diào)節(jié)器
　　
　　1 　引言
　　在電力系統(tǒng)中,提高和維持同步發(fā)電機運行的穩(wěn)定性,是保證系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行的基本條件
　　之一[1 ] 。在眾多改善同步發(fā)電機穩(wěn)定運行的措施中,提高勵磁系統(tǒng)的控制性能是公認的經(jīng)濟而有效的手段之一。近幾年來,微機勵磁調(diào)節(jié)器以其硬件結(jié)構(gòu)簡單、清晰、設(shè)備通用性好、標準化程度高、軟件靈活、能夠方便實現(xiàn)多種功能和滿足各種控制規(guī)律的要求等優(yōu)點,在許多電廠得到了廣泛的應(yīng)用。但隨著電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展,現(xiàn)有微機調(diào)節(jié)器逐漸顯現(xiàn)一些缺點,主要有:
　?、偻ㄓ嵞芰Σ粡?。目前,大部分廠家的勵磁調(diào)節(jié)器與LCU或上位機之間都是通過RS-232、
　　RS-422/485等方式進行通訊。這些方式的低數(shù)據(jù)傳輸率和點對點的數(shù)據(jù)傳輸標準,以及在最低層
　　上的星型拓撲都不適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場的控制或大規(guī)模應(yīng)用。
　?、诂F(xiàn)有微機調(diào)節(jié)器內(nèi)部的高速計數(shù)器的頻率偏低,用于大型機組的勵磁調(diào)節(jié)器為提高測量
　　精度通常自行設(shè)計測頻和測相差模塊,而自制的模塊在現(xiàn)有的條件下很難保證其可靠性。
　　③人機界面和通訊功能不強也是現(xiàn)有調(diào)節(jié)器存在的一個問題。
　　為了解決上述問題,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)電機勵磁調(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
　　機界面采用大屏幕觸摸屏;直接用PCC內(nèi)部高速計數(shù)器測頻率和相位差,使測頻和測相差的精度
　　和可靠性都得到保證。
　　2 　PCC勵磁調(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) 。隨著計算機技術(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,還有高速計數(shù)、ms 級觸發(fā)信號、CAN接口等功能。本勵磁調(diào)節(jié)器直接使用高速計數(shù)模塊(TPU)對頻率及其相位差進行測量,其最高計數(shù)頻率大于4MHZ ,完全滿足大型同步勵磁發(fā)電機測頻和相差要求；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 雙通道勵磁調(diào)節(jié)器基本結(jié)構(gòu)及設(shè)計特點
　　3. 1 　基本結(jié)構(gòu)
　　本PCC勵磁調(diào)節(jié)器主回路采用靜態(tài)勵磁方式的三相全控整流橋直接供給發(fā)電機勵磁電流。
　　PCC勵磁調(diào)節(jié)器隨發(fā)電機運行工況的變化改變晶閘管的導(dǎo)通控制角。PCC雙通道勵磁調(diào)節(jié)器的基本結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

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

　　3. 2 　設(shè)計特點
　　(1) 獨特的測頻測相系統(tǒng)。本勵磁調(diào)節(jié)器的測頻測相差是利用PCC的TPU功能,TPU是時間
　　處理單元(Time Processor Unit) 的縮寫,它可對由開關(guān)信號引發(fā)的事件通過微秒級的分辨率,而本身不增加主CPU 的負荷,真正滿足了高實時高精度的要求。
　　(2) 全數(shù)字脈沖觸發(fā)系統(tǒng)?？刂平怯沙绦蛴嬎愠龊?可求出所需的延時計數(shù)值,當同步信號采
　　集進來時,在自然換流點(方波的上升沿) 到達的同時啟動高速計數(shù)器,高速計數(shù)器計數(shù)值達到延
　　時計數(shù)值時發(fā)脈沖,然后依次通過PCC中TPU的鏈接功能推后T/6(T 為晶閘管共陽極的電壓周期) 在其它輸出端口發(fā)出脈沖。
　　(3) 雙通道利用CAN 接口進行通訊和雙機參數(shù)跟蹤;切換采用無觸點電路。 
　　3. 3 　冗余結(jié)構(gòu)及可靠性
　　本雙通道PCC勵磁調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)是根據(jù)勵磁調(diào)節(jié)器的信號處理特點將調(diào)節(jié)器從信號處理流向上分成三部分。即發(fā)電機電壓電流信號測量、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現(xiàn)冗余。因此整個系統(tǒng)是一種部件級的兩模塊并串聯(lián)
　　型的冗余結(jié)構(gòu)。在每部分的信號處理結(jié)果,都通過CAN通訊進行冗余信息交換;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總線進行冗余信息交換,可靠度高于系統(tǒng)其他部件,因此對整個系統(tǒng)的可靠度影響不大。此外,在軟件設(shè)計上也考慮了網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障的特殊情況,即當網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時,整個系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)入一機為主、一機熱備用的工作狀
　　態(tài),同時向外發(fā)出報警信號。
　　4 　工作原理
　　4. 1 　PID 控制算法
　　本勵磁調(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行設(shè)計的,該方法成熟可靠,且有大量經(jīng)驗可供借鑒。對于改善發(fā)電機的電壓靜態(tài)、動態(tài)性能該控制規(guī)律完全可以滿足要求。本勵磁調(diào)節(jié)器使用離散化的增量型數(shù)字PID控制,計算公式如下[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)前三次測量值即可求出數(shù)字PID調(diào)節(jié)器輸出的增量。
　　4. 2 　雙機切換
　　切換電路對雙通道勵磁系統(tǒng)尤其重要,本勵磁調(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:故障時切換和正常工作時手動切換；故障時切換就是當PCC檢測到故障時直接控制模擬開關(guān)的控制端,快速切換故障；正常工作切換就是兩機正常工作時接到外部切換命令時的切換,對這種切換,本勵磁調(diào)節(jié)器采用了專門的電路來保證脈沖不丟失和切換平穩(wěn),簡單工作原理如下: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的六個上升沿,當有切換命令時(假如由A 切換到B) ,在自然換流點的上升沿時控制模擬開關(guān)使脈沖無擾動的由A 套切換到B 套。
　　5 　軟件設(shè)計
　　5. 1 　軟件結(jié)構(gòu)
　　PCC軟件設(shè)計有自己的優(yōu)勢,其獨特的實時多任務(wù)分時操作系統(tǒng)可以將整個系統(tǒng)分成數(shù)個分別具有不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級(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,而且能夠保證實時性的要求。整個系統(tǒng)軟件程序按功能分為以下幾個相對獨立的模塊:
　　(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)電機機端電壓調(diào)節(jié),勵磁電流調(diào)節(jié),無功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,包括控制角的延時觸發(fā)以及同步電壓信號的頻率測量;
　　(5) 勵磁限制、保護程序模塊;
　　(6) 雙機冗余信息交換及表決程序模塊;
　　(7) 與上位機通訊程序模塊。軟件程序結(jié)構(gòu)框圖如圖3。
　　5. 2 　軟件功能
　　PCC雙通道勵磁調(diào)節(jié)器軟件功能如下:
　　(1) 實現(xiàn)下列三種運行方式:恒機端電壓運行,恒無功負荷運行,恒功率因數(shù)運行；
　　(2) 輔助功能:欠勵磁瞬時限制功能；瞬時P延時過勵磁限制功能；定子電流過流反時限限制功能；伏P赫限制功能；PT 斷線檢測和保護功能；誤強勵檢測限制功能；空載過壓保護功能；雙機互相跟蹤,互相檢測并可無擾動互相切換功能；在線自檢功能；脈沖丟失及脈沖異常檢測功能。
　　6 　結(jié)論
　　本勵磁系統(tǒng)經(jīng)樣機試驗,技術(shù)性能指標如下:
　　(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)電機端電壓變化不大于額定值的正負0.25 %；
　　(4) 勵磁電壓響應(yīng)時間:上升不大于0.08s ,下降不大于0.15s ；
　　(5) 10%階躍實驗:調(diào)節(jié)時間小于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)。
　　各項指標都滿足或優(yōu)于勵磁國標,已經(jīng)在一些小電站投入運行,受到了用戶的好評。
　　參考文獻:
　　[1] 樊俊,陳忠,涂光瑜,等.同步發(fā)電機半導(dǎo)體勵磁原理及應(yīng)用[M].北京:電力工業(yè)出版社,1981.
　　[2] 齊蓉. 可編程計算機控制器原理及應(yīng)用[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002.
　　[3] 南海鵬.輪機發(fā)電機組PCC控制[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002.
　　[4] 童本敏. 標準集成電路數(shù)據(jù)手冊CMOS4000[M].北京:電子工業(yè)出版社,1990 :1012118.
　　[5] 孫廣俊. 用CD4046組成的高倍鎖相倍頻器[J].國外電子元器件,1998,(2) :36237.
        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