摘 要: 提出了一种基于PCC 的高可靠性智能励磁调节器,它实现了用可编程计算机控制器模块进行同步信号周期测
量、移相触发脉冲形成,并采用基于模糊规则的适应式参数自调整PID 控制策略,从而使励磁调节器具有移相精度高、调
节速度快、可靠性高等优点。电站试验及运行表明,该调节器具有良好的动静态特性。
关键词: 同步发电机;励磁调节器;PCC;模糊PID
1 前言
同步发电机励磁调节器是水电站重要的基础自动化设备,其质量的好坏直接影响到电能品质和电站安全及经济运行,同时也影响电力系统的静态稳定和动态稳定。现有同步发电机励磁调节器一般均采用单片机或工业控制计算机实现。基于单片机的同步发电机微机励磁调节器,其硬件为自行设计制造,且各厂家均为小批量生产,故元件检测、筛选、老化处理、焊接及生产工艺等都受到限制,造成可靠性较低,运行中可能出现单片机死机,使同步发电机励磁调节器失灵,从而使同步发电机励磁调节器的可靠性大大降低,严重影响同步发电机励磁装置的安全可靠运行;基于工控机的微机励磁调节器,其硬件标准化程度高,软件资源丰富,有实时操作系统支持,运行速度快,实时性强,图文显示方便,但装置访问时间较长,体积大,且成本高,仅适合大型机组。可靠性较高的可编程逻辑控制器PLC 由于其难以满足同步发电机励磁调节器中同步信号周期测量及产生可控硅移相触发脉冲的要求,而难以用于同步发电机励磁装置。因此,研制高可靠性、多功能的励磁控制系统,并使之系列化、通用化、标准化是当前的发展趋势[1 ] 。
本文提出的基于PCC的同步发电机励磁调节器是以2003 系列可编程计算机控制器(PCC)为控制核心,它采用多处理器结构,其I/O处理器主要负责独立于CPU的数据传输工作,而双口控制器主要负责网络及系统的管理,它们既互相独立,又互相关联,从而使主CPU的资源得到了合理使用,同时又最大限度地提高了整个系统的速度。采用基于模糊规则的适应式参数自调整PID算法为控制策略的新一代同步发电机励磁调节器,使得调节系统能够根据发电机励磁系统的实际运行工况,自动调整控制参数。实际运行结果表明,该调节器结构简单、响应快、可靠性高、便于维护,具有自适应能力以及良好的静、动态特性和很高的可靠性。
2 PCC 励磁调节器硬件[2 ,3 ]
PCC 励磁调节器的硬件主要由2003 系列中的PP41 控制器,高速数字量输出模块DO135 ,同步整形电路,触发脉冲放大电路,以及机端电压、无功功率、励磁电压、励磁电流等变送器和模拟量输入模块AI774 等组成,参见图1。另外PCC配有RS232、RS485和CAN等多种通讯接口,与电厂监控系统信息交互非常灵活。
图1 PCC 励磁调节系统原理图
Fig. 1 Scheme of excitation control system
PP41模块是一种适应于中小型机器控制系统的小型可编程计算机控制器,它集微处理单元CPU、时间处理单元TPU、数字量输入、数字量输出及液晶显示屏于一体。PP41自带有10 个数字输入端口,9 个数字输出端口,并且有6 个可扩展的插槽,根据励磁装置的要求,在PP41的基础上仅增加了一块模拟量输入模块AI774和两块数字量输出模块DO135即可满足PCC励磁调节器全部功能,其中DO135用于脉冲输出,AI774用于励磁电压,机端电压,无功功率,电网电压等模拟量的输入,其他开关量的输入输出由PP41自带的数字量端口完成。由于脉冲输出需要TPU的支持,两块DO135 模块只能插在支持TPU的第4 ,5 ,6 三个插槽上,前三个插槽供模拟量输入输出、通讯模块等其它模块使用。
同步信号接入同步整形电路,整形成方波信号后送入PP41可与TPU相连接的高速输入端口,作为控制触发的基准点和同步信号周期测量信号。使用PP41内部的高速计数器将触发控制角转化为计数值,在计数值达到控制触发角对应的计数值时,通过TPU 的处理,无延时地发出触发脉冲至高速输出模块DO135,由于脉冲的功率比较小,需要经过脉冲放大后,才能触发功率回路。参见图1。
励磁调节器的数据采集通过高性能的变送器将励磁电流,励磁电压,机端电压,无功功率,电网电压等模拟量变换为4～20mA 的电流后送入调节器的A/D 转换模块AI774 ,经过适当处理后,供软件的各种处理所用。
3 PCC 励磁调节器软件
调节器软件部分采用B&R 公司独特的AB 高级语言编制,编程更方便,更利于描述复杂的控制思想。整个软件的结构框图如图2。
(1) 同步信号周期测量原理
PCC模块PP41内部具有时间处理单元TPU ,该处理单
元利用其内部6.29MHZ的计数时钟测量输入脉冲的频率,PP41同步信号周期测量的基本思路是:先将同步电压信号整形为同频率的方波信号,该方波信号经PP41的开关量输入接口送入PP41的TPU输入通道,TPU读取方波信号两相邻上升沿之间的计数值N ,则所测同步信号周期为
T = N/fc
式中fc为PP41内部计数器的计数频率。
图2 软件功能结构图
Fig.2 Function structure of software
(2) 触发脉冲的产生
对励磁系统来说,控制晶闸管导通的触发脉冲至关重要,它最终影响着励磁调节系统的性能和安全可靠性。本文提出的励磁调节器利用PCC和整形电路实现可控硅移相触发,取代了用单片机或工业控制计算机实现的可控硅移相触发装置,从而提高了可控硅移相触发装置的可靠性,减少了事故；又因该装置的功能主要由PCC的TPU功能模块实现,使可控硅移相触发软件化,更便于使用、维护及调整。通过使用PP41内部的TPU特有的功能模块,可以形成所要求的触发脉冲序列,其产生的过程如下:
①将用于检测自然换流点的TPU通道D配以TPU的专用功能模块LTXdilD(),该模块设置为上升沿到来时无延时的向产生1号脉冲的TPU通道0发出一个链接信号。
②将用于产生1号脉冲的TPU通道0配以TPU的专用功能模块LTXdO10(),该模块设置为接到链接信号时延时LoFilterl后输出一个宽HiFilter的高电平脉冲,同时在其上升沿时刻无延时的向产生2 号脉冲的TPU通道1发出一个链接信号。LoFilterl对应于移相角度,其值为移相角α乘以T/360 ;HiFilter 对应于触发脉冲宽度。
③将用于产生2号脉冲的TPU通道1配以TPU的专用功能模块LTXdoll(),该模块设置为接到链接信号时延时LoFilter2后输出一个宽HiFilter的高电平脉冲,同时在其上升沿时刻无延时的向产生3 号脉冲的TPU 通道2发出一个链接信号。LoFilter2对应于T/6 即60°电角度。
其余脉冲按照与3 相同的方式依次产生。
图3 电压PID 控制器原理框图
Fig.3 Scheme of voltage PID controller
(3) 模糊PID 算法
目前国内外的调节器所采用的调节规律大多数是PID型,而且基本是基于电力系统在某一特定的状态下近似线性化的模型,在电力系统或发电机组遭受干扰而使实际的运行状态偏离设计所选的平衡点较远,此时常规PID控制效果将会大受影响,甚至导致系统不稳定。本文所提出的基于模糊规则的变参数PID能够随系统的运行模式和运行状态的变化而自动调整PID参数,以适应电力系统和发电机组不断变化的控制要求。励磁电压调节器的原理框图如图3 所示。
图3 中Ug 为给定电压,Uf为机端电压; Q为机组输出无功功率, uk 为控制量, kf 为调差系数。
离散化后的PID计算公式为:
uk( k)= yp( k)+ yi( k) + yd( k)
yp( k) = kp·e( k)
yi( k) = yi( k - 1) + kiT ·e( k)
yd ( k) = 
·( e ( k) - e ( k - 1) )
其中e(k)=Ug(k)-Uf(k)-kf ·Q(k))
yp、kI 、kd 分别为比例增益、积分增益、微分增益, T 为采样周期。
以上公式为恒机端电压调节方式下的计算公式,在其它的控制方式下,采用相应不同的模糊输入量对PID控制规律的参数进行调整。本文中的模糊PID就是在上述固定参数PID的基础上,根据系统运行的实际工况采用模糊推理规则逐渐地修改PID参数,以改善调节系统的动态响应[4 ,5 ] 。其参数调整规则如下:
规则1 :如果系统输出大于给定值,减少kI ；
规则2 :如果系统上升时间大于所要求的上升时间,且无超调,增大kI ；
规则3 :如果在稳态时系统输出有波动,适当增大kd ；
规则4 :如果系统输出对干扰信号反应敏感,适当减小kd ；
规则5 :如果系统上升时间过大,且kI较大,增大kp ；
规则6 :规则2的优先级高于规则5,即当上升时间过大时,先调整kI,再调整kp 。
根据以上规则,设计出用于修改kI, ki 和kd 的模糊参数调整矩阵表如下:
表1 qp 调整表
Table 1 qp adjusted table
表2 qI 调整表
Table 2 qI adjusted table
表3 qd 调整表
Table 3 qd adjusted table
kI , kp 和kd 参数按照下式进行调整:
kp = k′p + Cp ×qp
kI = k′I + CI ×qI
kd = k′d + Cd ×qd
式中Cp, CI, Cd为比例系数；qp, qI, qd为修正系数。
在qp, qI, qd的规则表建好后,只需根据偏差和偏差变化率的大小,通过查表就可获得当前的kp、kI、kd,通过PID运算规律输出控制。
4 电站试验
基于可编程计算机控制器的调节器2003年10月安装于青海富源电站,并对该调节系统进行了全面的静态和动态特性试验,试验表明其性能指标满足或优于国标的要求,其中主要特性试验结果如下:
(1) 对机端电压进行下扰10% ,得到扰动曲线如图4 所示,无超调和振荡,调节时间小于3 秒,优于国标GB/T7409.3-1997要求的。
(2) 对机端电压进行下扰50% ,得到扰动曲线如图5 所示,调节时间小于4 秒,优于国标GB/T7409.3-1997要求的。
图4 10%空载扰动曲线
Fig. 4 No-load response curve with 10% disturbance
图5 50%空载扰动曲线
Fig. 5 No-load response curve with 10% disturbance
(3) 机组进行全压起励,响应趋曲线如图6 所示,图中的电压给定按指数曲线上升,调节时间为7 秒,无振荡和超调,优于国标GB/T7409.3 -1997要求的。试验后励磁调节器即投入运行,一直运行良好。另外该励磁调节器已先后在数十座电站运行,运行结果表明,该励磁调节器具有很高的可靠性,快速性和稳定性,获得了用户的一致好评。
图6 全压起励响应曲线
Fig. 6 Full voltage start response curve
5 结语
本文提出的基于可编程计算机控制器的励磁调节器具有如下特点:
(1) 整形电路和可编程计算机控制器配以适当软件完成同步信号周期测量和移相触发脉冲形成,提高了系统的可靠性及动态品质。
(2) 采用可编程计算机控制器PCC作为励磁调节器的硬件,其平均无故障率达50万小时,大大提高了励磁调节器的可靠性。
(3) 采用可编程计算机控制器PCC较之传统的单片机励磁调节器具有以下优点:采用多CPU并行处理,从而使主CPU的资源得到了合理使用,同时又最大限度地提高了整个系统的速度;采用多任务分时操作系统,从而使整个系统得到优化且具有较好的实时性;引进了高级语言编程技术,使编程更方便,更利于描述复杂的控制思想。
(4) 基于模糊规则的适应式参数自调整PID控制策略,实现同步发电机随运行状态的变化而改变控制参数,其动态特性有了明显改善。
因此,该励磁调节器一经推出就受到用户的好评,有着广阔的应用前景。
参考文献:
[ 1 ] 曾洪涛等.高可靠智能型工业微机励磁调节器的研制[J].水电能源科学,2000. 6 :30～40.
[ 2 ] 南海鹏.水轮发电机组PCC控制[M].西安:西北工业大学出版社,2002. 9.
[ 3 ] 周双喜,李丹编著.同步发电机数字式励磁调节器[M].北京:中国电力出版社,1998. 6.
[ 4 ] 章卫国等. 模糊控制理论与应用[M].西安:西北工业大学出版社,1999. 10.
[ 5 ] Leonid Reznik ,Omar Ghanayem ,Anna Bourmistrov. PID Plus Fuzzy Controller Structures As a Design Base for Industrial Applications[M] . Engineering Applications of Artificial Intelligence ,13(2000) :419～430.
作者: 南海鹏(1963年生,男,西安理工大学教授),王涛,余向阳
西安理工大学,西安 710048