摘要:为了全面提高同步发电机励磁调节器的各项性能,提出了用可编程计算机控制器研制调节器的方案。可编程计算机控制器不仅具有PLC 的高可靠性,同时还具备PC 机的高速性、大容量等特点,特别是多任务操作系统的特点。用可编程计算机控制器研制同步发电机励磁调节器,可靠性高,性能指标优良,达到或优于国家标准和部颁标准要求。
关键词:PCC 励磁调节器;性能指标;多任务系统;移相触发
励磁装置是同步发电机组最重要的辅机之一。它担负着维持发电机机端电压和系统电压恒定,提高发电机并联运行的稳定性和实现并联运行机组间无功分配等任务。励磁装置的可靠性和技术性能对电力系统的安全、稳定和高效运行起着十分关键的作用。
随着计算机技术和电子技术的不断提高,调节器作为励磁装置的核心部分,其可靠性和技术性能也同步发展。PCC(可编程计算机控制器的俗称) 励磁调节器在性能指标上能达到或优于国家标准要求,在可靠性上远远优于其它微机励磁调节器。下面就可编程计算机控制器的研制予以介绍。
1 PCC 励磁调节器
1. 1 PCC 介绍
可编程计算机控制器(PCC) 是一种全新的控制概念,它集成了PLC 的标准控制功能和工业计算机的分时多任务操作系统等功能,除具备PLC 的高可靠性外,还具有PC 机的高速性和大容量等特点。
PCC 最大的特点在于它具有类似于大型计算机的分时多任务操作系统。与常规PLC 采用的单任务时钟扫描方式不同,PCC 采用的是分时多任务操作系统。这样应用程序的运行周期由操作系统的循环周期来决定,而与程序的长短无关,由此,它将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来,满足了实时控制的要求。而且这种控制周期可以在CPU 运算能力允许的前提下,按照用户的实际要求任意修改。此外,PCC 还具有多样化的应用软件设计风格,除采用常用的梯形图编程外, PCC 还可以采用高级语言编写复杂的程序。
PCC 在远程通信方面提供了灵活多样的解决方案。系统除全面支持ETHERNET ,PROFIbus 和CANbus 等标准网络或现场总线协议外,还为用户提供了创建自定义协议的串行通讯帧驱动器
(FRAME DRIVE) 工具,由于具备这样的技术优势,PCC 常常能解决许多常规PLC 无法实现的通信难题,轻松实现了各种不同产品、不同通信协议之间的互联。
1. 2 硬件配置
PCC 励磁调节器由于其硬件本身具有很高的可靠性,一般采用单机结构,应用户的特别要求也可以提供双机。当采用单机时,提供一个80C196 微机手动调节通道。调节器硬件配置如下:由奥地利贝加莱(B&R) 工业自动化公司提供的PP41 控制机(CPU 控制器和操作面板一体化) 、一个4 路模拟量输入模块AI354 、一个10 路开关量输入模块DI138 、两个4 通道数字量输出模块DO135 、一个用于与监控系统进行通讯的RS232 接口模块IF311 或RS485/ RS422 接口模块IF321 组成。而且PP41内部还提供了10 路开关量输入接口X2 ,8 路晶体管输出接口X3 。此外,PP41 本体提供一个PC 机开发PCC 程序用的RS232 接口和一个远距离网络通讯用的CAN 现场总线接口。PCC 励磁调节器构成如图1 所示。
图1 PCC 励磁调节器构成
1. 3 设计特点
PCC 励磁调节器是充分利用PCC 的特点而研制的一代新产品,有如下设计特点:
(1) 具有比常规PLC 更高的可靠性,平均无故障时间达50万h 。
(2) 集成了大型计算机的特点,系统具有IPC的高速响应能力和计算能力。
(3) PP41 的主处理器为摩托罗拉芯片68332 ,为32 位CPU ,具有高速的信号处理器TPU 功能,
可使系统达到μs 级的响应时间。
(4) 符合IEC 国际标准编程语言即系统可以根据不同层次人员选用低级语言(如梯形图) 或高级语言(如AB ,C) ,系统允许几种不同类型的编程语言在同一程序中同时使用。
(5) PP41 具有公用PCC 全系列软件开发工具Automation Studio 。利用该软件可实现显示、控制、驱动和通讯等任务的配置和编程,开发手段十分方便。不象其它工控机,操作界面与调节控制需用不同的开发软件。值得一提的是,相对于PLC , PCC程序中对变量的命名更具有人性化,程序的可读性也更强。
(6) 良好的电磁兼容能力和现场总线全面支持技术体现着世界工控领域的发展方向。
(7) 系统具有良好的可扩展性,除系统硬件可以以模块的方式加以扩展外,系统软件也可以以模块的方式加以扩展,这大大地加强了PCC 的扩展能力。
(8) PP41 自身带有控制器和显示操作面板,因此用它来制作励磁调节器显得结构简单,可节省空间,图文丰富。显示操作面板上带有5. 7″的LCD 显示区,包括数字键在内的多种功能按键以及指示灯,结合软件,可以完成切换画面、设置密码、修改参数、显示工况、数据列表、辅助实验等多种功能。
(9) PP41 允许设置多级密码满足不同操作级别用户的要求;采用FLASH 存贮技术;具有屏幕保
护功能;对时变测量数据有绘图打印处理功能。
(10) 当系统发生故障时, PP41 会根据不同类型的故障,以不同的速度闪烁相应的指示灯,以提示操作人员注意并处理;当发生系统级故障时,故障报警接点吸合,告之上位机系统。
(11) PCC 可以将整个调节控制分成数个具有不同优先权的任务等级( TASK CLASS) 。不同的任务等级,优先权越高,其扫描周期越短;优先权越低,其扫描周期越长。充分利用PCC 的多任务分时操作系统资源,主循环程序和一般性的判断处理程序放在普通任务层;定子电压、转子电流采样,有功、无功计算,PID 与PSS 运算及各种限制处理等放在高速任务层;测频、测相角、移相触发等采用PCC 本体所特有的TPU 功能以及TPU 功能模块来实现。在这种多任务操作系统的管理下,优先权高的任务等级总是先被执行,在剩余的时间里才执行优先权较低的任务等级。整个操作系统得到了优化,可以有效地保证励磁装置的实时性,从而改善和提高整个励磁系统的调节性能指标。
1. 4 调节软件功能与实现
移相触发是励磁调节器中最核心的部分,对于移相触发功能的实现,PCC 调节器相对于PLC 而言具有无可比拟的优势。
目前可编程励磁装置大多数是励磁操作回路采用可编程序控制器,或采用可编程控制器来实现数字给定,而真正的PID 调节器不是利用PLC 来完成的,更谈不上保护、限制、交流采样、移相触发等对CPU 速度要求很高的功能了。这是因为大型电机的开路时间常数达到约10s ,如葛洲坝机组,为了保证励磁的调节品质,调节器的采样周期一般在10ms以内。有如此高的实时性要求,用PLC 来测量定子电压、转子电流、有功功率、无功功率等是有困难的;用PLC 来实现PID 调节、PSS 功能、测频、测相角等也有一定的困难;作为励磁调节器的最后结果,移相触发是PLC 的最大难点,几乎不可能。目前最常用的是将PLC 的调节输出用外部的模拟电路( 如TC787 或线性集成电路) 转换成触发脉冲。
利用PCC 的TPU 功能能够简单、可靠地实现移相触发功能。触发角是频率的函数,且与同步点有关,我们在高速任务中作频率测量,确定同步信号点,然后就可以得到触发角。其程序如下:
Speed1 FUB L TXcpiC( )；调用TPU 功能,测频通道JF = 6 300 000/ Speed1.DifCnt；计算出频率JF
DIL_E FUB L TXdilE( );调用TPU 功能,同步信号通道
DOL_4 FUB L TXdol4( );调用TPU 功能,脉冲输出的第一个通道
DOL_5 FUB L TXdol5( );调用TPU 功能,脉冲输出的第二个通道
DOL_6 FUB L TXdol6( );调用TPU 功能,脉冲输出的第三个通道
DOL_7 FUB L TXdol7( );调用TPU 功能,脉冲输出的第四个通道
DOL_8 FUB L TXdol8( );调用TPU 功能,脉冲输出的第五个通道
DOL_9 FUB L TXdol9( );调用TPU 功能,脉冲输出的第六个通道
DOL_4.LoHiDelay : = (AFA/ 360) * 6 300 000/ J F
DOL_5.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
DOL_6.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
DOL_7.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
DOL_8.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
DOL_9.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
变量AFA 为PID 调节运算所计算出的触发电角度α,DOL_4. LoHiDelay 为第一个通道的低电平延时时间。以同步点为时间基准,低电平延时时间由DOL_4. LoHiDelay 的计算值所对应的晶振个数来确定,这样就将触发电角度α转换为触发时间,即完成移相功能。由于在一组的6 个脉冲中,相邻的两个脉冲之间时间间隔相同,所以第二个通道至第六个通道的低电平延时时间都为60°电角度。
由于频率的测量,同步信号的确定,触发脉冲的实现都是在高速任务中实现,这样就保证了调节过程的实时性。而且PP41 的晶振为6.3 MHz ,足以保证系统的调节精度。而且PCC 的内部软件触发功能取代了常用的PLC 外部模拟电路触发,减少了自制外部回路,提高了系统的可靠性,有利于系统的维护。
1. 5 功能与试验
(1) PCC 励磁装置的主要功能有恒电压调节、恒励磁电流调节、恒无功调节、恒功率因数角调节、低励限制、过励限制、母线跟踪、电量采集与计算、起励、逆变、灭磁、双通道切换等。
(2) PCC 励磁调节器进行了试验室的动态模拟试验和数字仿真试验。试验结果表明:调节品质优于同等档次的PLC 励磁调节器,试验室具备考核条件的各项性能指标皆满足或优于国家标准和部颁标准的要求。
1. 6 工业运行结论
该产品已于2003 年4 月投运于云南省新平县挖窖河三级站4 MW的2 # 机组,并进行了全面的工业试验,主要性能指标如表1 所示。
从表1 可以看出,装置的各项技术性能指标均达到或优于国家标准和部颁标准。
表1 试验指标
用户几个月的运行表明:该可编程励磁装置性能指标优良,维护操作简便,可靠性高,系统运行稳定,并具有良好的调节品质,保障了安全、优质、高效运行,深得全体生产技术人员的一致好评,建议推广应用。
2 结 语
同步发电机励磁装置调节器的功能随着工业控制领域的发展而日趋完善,新型调节器将以优良的品质推动励磁行业的发展。将可编程计算机控制器(PCC) 用于励磁调节器的开发,提高了励磁装置的可靠性,同时保证了调节器的大容量、高速度的特点,而且调节品质和性能指标表现优良,满足或优于国家标准和部颁标准。
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作者简介:严国强(1977 ,男,湖北鄂州人,长江科学院长江控制设备研究所工程师,主要从事水电站控制设备研究与设计)1 ,季筱湘2 ,张祖贵1 ,潘熙和1
1.长江科学院长江控制设备研究所,湖北 武汉430010 ；2.中南勘测设计院,湖北 宜昌443002