EX2000微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的原理與應(yīng)用

王坤++劉德強(qiáng)

[摘 要]隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的的成熟，在勵(lì)磁方面有了很大的提高。目前，國(guó)內(nèi)外已開(kāi)發(fā)出多款優(yōu)秀的勵(lì)磁產(chǎn)品，并在實(shí)踐中有了很好的應(yīng)用，這些產(chǎn)品技術(shù)含量高，運(yùn)行了先進(jìn)的控制理論，不僅有PID，PSS，還有LOEC，NEC，以及先進(jìn)的魯棒控制理論，硬件配置也相對(duì)較高，適用于大中小型機(jī)組中。然而這些產(chǎn)品往往這些產(chǎn)品價(jià)格偏高，為許多小電廠所不能接受。考慮到小電廠在電網(wǎng)中的所起的作用，為此我們使用了EX2000型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律簡(jiǎn)單，功能適用，價(jià)格便宜，為廣大中小電廠勵(lì)磁系統(tǒng)所能接受。

[關(guān)鍵詞]勵(lì)磁系統(tǒng) EX2000 控制規(guī)律 P I D

中圖分類號(hào)：TV734.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）03-0327-01

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，發(fā)電設(shè)備容量的提高，導(dǎo)致電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化越來(lái)越頻繁。為了更好的保證電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行并保證電能質(zhì)量，勵(lì)磁調(diào)節(jié)控制裝置作為電力系統(tǒng)中重要的自動(dòng)控制裝置，對(duì)于其工作效果提出了更高的要求。

1、小型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)特點(diǎn)

小型微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)特定是構(gòu)造簡(jiǎn)單，硬件電路集成度高，比如本論文涉及的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要控制部分集成在一塊電路板上?？刂菩酒琈PU一般采用不是很高級(jí)的單片機(jī)，軟件程序簡(jiǎn)單，控制規(guī)律簡(jiǎn)單，通常為傳統(tǒng)的PID控制。對(duì)運(yùn)算精度和速度的要求也相對(duì)較低。

2、勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制原理

磁系統(tǒng)作為同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流的供給系統(tǒng)，在同步發(fā)電機(jī)組成部分中占據(jù)重要的位置。勵(lì)磁控制系統(tǒng)通過(guò)控制靜止可控硅整流器的觸發(fā)角以控制發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，進(jìn)而控制控制同步發(fā)電機(jī)發(fā)出的電勢(shì)。而且同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)之后，其發(fā)出的電勢(shì)還影響無(wú)功功率發(fā)出，機(jī)端電壓高低和機(jī)端電流等參量。因此在某種程度上也可以說(shuō)，勵(lì)磁控制器也控制著系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和系統(tǒng)的穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)的端電壓、無(wú)功功率等各個(gè)參數(shù)引入反饋控制，可以使發(fā)電機(jī)的工作更加穩(wěn)定和有效。

3、 硬件結(jié)構(gòu)概述

勵(lì)磁控制系統(tǒng)電路板的主要功能有以下方面：

1） 接受經(jīng)過(guò)互感器變送來(lái)的8路電量，其中4路交流4路直流，通過(guò)ADμC812芯片的控制規(guī)律計(jì)算轉(zhuǎn)換得到可控整流橋的控制電壓并輸出。

2） 接受勵(lì)磁調(diào)節(jié)器機(jī)箱上8路開(kāi)關(guān)量的輸入以及輸出8位狀態(tài)字的LED顯示。8路輸入開(kāi)關(guān)量分別為開(kāi)機(jī)、停機(jī)、增磁、減磁、主油開(kāi)關(guān)開(kāi)合、SCR故障切換、恒無(wú)功投切和主從狀態(tài)切換，8位輸出LED顯示分別是裝置正常、運(yùn)行/等待、投電源、保護(hù)動(dòng)作、欠勵(lì)磁限制、過(guò)勵(lì)磁限制、PT斷線、板電流故障。

3） 完成上位PC機(jī)和控制電路板的串口異步通信，定時(shí)接受上位機(jī)發(fā)出的控制命令并向上位機(jī)發(fā)送各個(gè)電氣量的數(shù)值。

4） 給ADμC812下載程序提供硬件接口。

5） 通過(guò)繼電器輸出裝置正常與否（GOOD）、運(yùn)行/等待（RUN）、投電源（STAP）、保護(hù)動(dòng)作（PORT）信號(hào)。

6） 對(duì)交流信號(hào)測(cè)頻接口電路。

4、軟件程序設(shè)計(jì)

4.1 軟件整體結(jié)構(gòu)

勵(lì)磁控制程序在上電開(kāi)始先執(zhí)行初始化，包括內(nèi)部RAM和特殊功能積存器的設(shè)定。然后進(jìn)入循環(huán)，循環(huán)為整個(gè)周波的時(shí)間。前半個(gè)周波處理半周波8通道16點(diǎn)采樣和累加計(jì)算；后半個(gè)周波處理基本電氣量的基值計(jì)算，與PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信，中斷測(cè)頻數(shù)據(jù)處理并更新頻率設(shè)置，接收并處理勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主機(jī)板發(fā)出的開(kāi)關(guān)量信號(hào)，按勵(lì)磁控制規(guī)律以及人為發(fā)出的控制命令計(jì)算勵(lì)磁電壓設(shè)定值并D/A輸出，限制與報(bào)警以及日常事務(wù)處理。

4.2 程序總體介紹

4.2.1 存儲(chǔ)器空間分配

由于硬件電路板上沒(méi)有擴(kuò)展RAM，所以只能應(yīng)用ADμC812內(nèi)部數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器。ADμC812程序存儲(chǔ)器有8KB，就編寫勵(lì)磁控制程序而言完全夠用；而片內(nèi)數(shù)據(jù)RAM只有256字節(jié)，地址為00H～FFH。所以如何合理的分配和充分利用數(shù)據(jù)RAM存儲(chǔ)空間成為了比較大的問(wèn)題。

4.3 程序?qū)崟r(shí)性討論

作為控制程序其實(shí)時(shí)性是關(guān)鍵，本節(jié)主要就半周波16點(diǎn)采樣計(jì)算和串口通信實(shí)時(shí)性問(wèn)題作一些討論。

4.3.1 半周波16點(diǎn)采樣計(jì)算實(shí)時(shí)性討論

半周波16點(diǎn)采樣需要將計(jì)算時(shí)間嚴(yán)格限定在1/32周波時(shí)間采樣間隔之內(nèi)，交流信號(hào)限定值為55Hz，則采樣間隔可能的最小值為0.568ms。最高頻率通過(guò)軟件仿真，交流量計(jì)算只有絕對(duì)值累加算法才滿足采樣間隔定時(shí)，而對(duì)四路交流信號(hào)均采取方均根算法和DFT算法速度都太慢。比如四路交流信號(hào)方均根算法在一個(gè)采樣間隔中運(yùn)算程序最大時(shí)間需要0.791ms，而四路交流信號(hào)DFT最大運(yùn)算時(shí)間需要1.347ms，均大于要求的0.568ms。原因是在程序運(yùn)算中對(duì)四路交流量調(diào)用了乘法模塊，執(zhí)行指令數(shù)目達(dá)到了幾百甚至上千，導(dǎo)致運(yùn)算速率低下。

得到的結(jié)論由于51單片機(jī)運(yùn)算速度和指令系統(tǒng)的不足，導(dǎo)致運(yùn)算速度和精度要求產(chǎn)生了較大的矛盾，如果要滿足精度要求則必須編寫繁瑣的子程序，導(dǎo)致運(yùn)算速度的進(jìn)一步下降。

一種解決方案是是選用更高速度的芯片如96單片機(jī)或者DSP芯片，以維持程序結(jié)構(gòu)不變。這樣則需要重新設(shè)計(jì)硬件電路結(jié)構(gòu)，作出新的電路板

另一種方案是擴(kuò)大采樣時(shí)間間隔，減小半周波采樣次數(shù)，比如改成半周期12點(diǎn)采樣。另外可以不對(duì)四路交流量都采取DFT運(yùn)算，僅僅對(duì)精度要求最高的機(jī)端電壓Ut和電流It進(jìn)行DFT算法，另外兩路交流量采用絕對(duì)值累加算法，這樣DFT運(yùn)算就可以減小一半。除此之外還可以采用Ut、It通過(guò)DFT算法所得到的實(shí)部和虛部計(jì)算無(wú)功功率，具體算法在2.4.3小節(jié)做了詳細(xì)論述。這樣則可以去掉在采樣間隔中的無(wú)功累加模塊，又可以減少一個(gè)乘法運(yùn)算。現(xiàn)在正在進(jìn)行這方面的工作，因?yàn)橐呀?jīng)有了原先的程序基礎(chǔ)，只需改動(dòng)一些參數(shù)就即可。由于對(duì)新提出的算法和相應(yīng)新程序還沒(méi)有完成足夠的實(shí)時(shí)性以及其他性能測(cè)試，所以沒(méi)有寫入論文內(nèi)。

另外主程序循環(huán)中的開(kāi)方計(jì)算也比較占用MPU時(shí)間，這樣則需要延長(zhǎng)主程序周期。

4.3.2 串行通信實(shí)時(shí)性討論

串口通信除了對(duì)串口通信寄存器SBUF處理之外和中斷標(biāo)志位的判斷之外，由于是通過(guò)中斷，MPU處理串口通信程序的指令很少。異步通信和MPU是并行工作的，由于串口通信速率為9600bps，則發(fā)送一包6個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)只需要10×6/9600=6.35ms，小于半個(gè)周期時(shí)限10ms。滿足實(shí)時(shí)性要求。

5. 結(jié)論和展望

5.1 已完成部分總結(jié)：

正在進(jìn)行將DFT算法的修改。已經(jīng)編寫了半周期12點(diǎn)采樣，僅僅對(duì)精度要求最高的機(jī)端電壓Ut和電流It進(jìn)行DFT算法，另外兩路交流量采用絕對(duì)值累加算法，除此之外還可以采用Ut、It通過(guò)DFT算法所得到的實(shí)部和虛部計(jì)算無(wú)功功率的DFT算法改進(jìn)程序。因?yàn)橐呀?jīng)有了原先的DFT算法和一些運(yùn)算子程序的基礎(chǔ)，新的算法比較容易實(shí)現(xiàn)。目前正在對(duì)新提出的DFT算法和相應(yīng)程序作實(shí)時(shí)性和其他性能的軟件分析測(cè)試。

將對(duì)新做出的硬件電路板進(jìn)行調(diào)試工作，包括不合要求的集成器件和一些電阻電容的變動(dòng)。下載程序至單片機(jī)并在硬件電路上完成程序的調(diào)試，以便對(duì)軟件程序的實(shí)際功能進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

組合微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器整個(gè)系統(tǒng)，在動(dòng)模實(shí)驗(yàn)室測(cè)試其實(shí)際性能。