王坤++劉德強

[摘 要]隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代控制理論的的成熟，在勵磁方面有了很大的提高。目前，國內(nèi)外已開發(fā)出多款優(yōu)秀的勵磁產(chǎn)品，并在實踐中有了很好的應用，這些產(chǎn)品技術(shù)含量高，運行了先進的控制理論，不僅有PID，PSS，還有LOEC，NEC，以及先進的魯棒控制理論，硬件配置也相對較高，適用于大中小型機組中。然而這些產(chǎn)品往往這些產(chǎn)品價格偏高，為許多小電廠所不能接受?？紤]到小電廠在電網(wǎng)中的所起的作用，為此我們使用了EX2000型微機勵磁調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律簡單，功能適用，價格便宜，為廣大中小電廠勵磁系統(tǒng)所能接受。

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

中圖分類號：TV734.4 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）03-0327-01

隨著電力系統(tǒng)規(guī)模的日益擴大，發(fā)電設備容量的提高，導致電力系統(tǒng)運行方式的變化越來越頻繁。為了更好的保證電網(wǎng)的安全、經(jīng)濟運行并保證電能質(zhì)量，勵磁調(diào)節(jié)控制裝置作為電力系統(tǒng)中重要的自動控制裝置，對于其工作效果提出了更高的要求。

1、小型微機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)特點

小型微機勵磁調(diào)節(jié)系統(tǒng)特定是構(gòu)造簡單，硬件電路集成度高，比如本論文涉及的勵磁調(diào)節(jié)器主要控制部分集成在一塊電路板上。控制芯片MPU一般采用不是很高級的單片機，軟件程序簡單，控制規(guī)律簡單，通常為傳統(tǒng)的PID控制。對運算精度和速度的要求也相對較低。

2、勵磁調(diào)節(jié)器控制原理

磁系統(tǒng)作為同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子勵磁電流的供給系統(tǒng)，在同步發(fā)電機組成部分中占據(jù)重要的位置。勵磁控制系統(tǒng)通過控制靜止可控硅整流器的觸發(fā)角以控制發(fā)電機勵磁電流，進而控制控制同步發(fā)電機發(fā)出的電勢。而且同步發(fā)電機并網(wǎng)之后，其發(fā)出的電勢還影響無功功率發(fā)出，機端電壓高低和機端電流等參量。因此在某種程度上也可以說，勵磁控制器也控制著系統(tǒng)的運行狀態(tài)和系統(tǒng)的穩(wěn)定。通過對發(fā)電機的端電壓、無功功率等各個參數(shù)引入反饋控制，可以使發(fā)電機的工作更加穩(wěn)定和有效。

3、 硬件結(jié)構(gòu)概述

勵磁控制系統(tǒng)電路板的主要功能有以下方面：

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

2） 接受勵磁調(diào)節(jié)器機箱上8路開關(guān)量的輸入以及輸出8位狀態(tài)字的LED顯示。8路輸入開關(guān)量分別為開機、停機、增磁、減磁、主油開關(guān)開合、SCR故障切換、恒無功投切和主從狀態(tài)切換，8位輸出LED顯示分別是裝置正常、運行/等待、投電源、保護動作、欠勵磁限制、過勵磁限制、PT斷線、板電流故障。

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

4） 給ADμC812下載程序提供硬件接口。

5） 通過繼電器輸出裝置正常與否（GOOD）、運行/等待（RUN）、投電源（STAP）、保護動作（PORT）信號。

6） 對交流信號測頻接口電路。

4、軟件程序設計

4.1 軟件整體結(jié)構(gòu)

勵磁控制程序在上電開始先執(zhí)行初始化，包括內(nèi)部RAM和特殊功能積存器的設定。然后進入循環(huán)，循環(huán)為整個周波的時間。前半個周波處理半周波8通道16點采樣和累加計算；后半個周波處理基本電氣量的基值計算，與PC機的數(shù)據(jù)通信，中斷測頻數(shù)據(jù)處理并更新頻率設置，接收并處理勵磁調(diào)節(jié)器主機板發(fā)出的開關(guān)量信號，按勵磁控制規(guī)律以及人為發(fā)出的控制命令計算勵磁電壓設定值并D/A輸出，限制與報警以及日常事務處理。

4.2 程序總體介紹

4.2.1 存儲器空間分配

由于硬件電路板上沒有擴展RAM，所以只能應用ADμC812內(nèi)部數(shù)據(jù)和程序存儲器。ADμC812程序存儲器有8KB，就編寫勵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存儲空間成為了比較大的問題。

4.3 程序?qū)崟r性討論

作為控制程序其實時性是關(guān)鍵，本節(jié)主要就半周波16點采樣計算和串口通信實時性問題作一些討論。

4.3.1 半周波16點采樣計算實時性討論

半周波16點采樣需要將計算時間嚴格限定在1/32周波時間采樣間隔之內(nèi)，交流信號限定值為55Hz，則采樣間隔可能的最小值為0.568ms。最高頻率通過軟件仿真，交流量計算只有絕對值累加算法才滿足采樣間隔定時，而對四路交流信號均采取方均根算法和DFT算法速度都太慢。比如四路交流信號方均根算法在一個采樣間隔中運算程序最大時間需要0.791ms，而四路交流信號DFT最大運算時間需要1.347ms，均大于要求的0.568ms。原因是在程序運算中對四路交流量調(diào)用了乘法模塊，執(zhí)行指令數(shù)目達到了幾百甚至上千，導致運算速率低下。

得到的結(jié)論由于51單片機運算速度和指令系統(tǒng)的不足，導致運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，導致運算速度的進一步下降。

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

另一種方案是擴大采樣時間間隔，減小半周波采樣次數(shù)，比如改成半周期12點采樣。另外可以不對四路交流量都采取DFT運算，僅僅對精度要求最高的機端電壓Ut和電流It進行DFT算法，另外兩路交流量采用絕對值累加算法，這樣DFT運算就可以減小一半。除此之外還可以采用Ut、It通過DFT算法所得到的實部和虛部計算無功功率，具體算法在2.4.3小節(jié)做了詳細論述。這樣則可以去掉在采樣間隔中的無功累加模塊，又可以減少一個乘法運算?，F(xiàn)在正在進行這方面的工作，因為已經(jīng)有了原先的程序基礎(chǔ)，只需改動一些參數(shù)就即可。由于對新提出的算法和相應新程序還沒有完成足夠的實時性以及其他性能測試，所以沒有寫入論文內(nèi)。

另外主程序循環(huán)中的開方計算也比較占用MPU時間，這樣則需要延長主程序周期。

4.3.2 串行通信實時性討論

串口通信除了對串口通信寄存器SBUF處理之外和中斷標志位的判斷之外，由于是通過中斷，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個字節(jié)數(shù)據(jù)只需要10×6/9600=6.35ms，小于半個周期時限10ms。滿足實時性要求。

5. 結(jié)論和展望

5.1 已完成部分總結(jié)：

正在進行將DFT算法的修改。已經(jīng)編寫了半周期12點采樣，僅僅對精度要求最高的機端電壓Ut和電流It進行DFT算法，另外兩路交流量采用絕對值累加算法，除此之外還可以采用Ut、It通過DFT算法所得到的實部和虛部計算無功功率的DFT算法改進程序。因為已經(jīng)有了原先的DFT算法和一些運算子程序的基礎(chǔ)，新的算法比較容易實現(xiàn)。目前正在對新提出的DFT算法和相應程序作實時性和其他性能的軟件分析測試。

將對新做出的硬件電路板進行調(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。下載程序至單片機并在硬件電路上完成程序的調(diào)試，以便對軟件程序的實際功能進行綜合評價。

組合微機勵磁調(diào)節(jié)器整個系統(tǒng)，在動模實驗室測試其實際性能。