長江三峽能事達(dá)電氣股份有限公司 余翔

馬邊憲家普河流域開發(fā)有限責(zé)任公司挖黑電站 許文淵 張琪

1 引言

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器承擔(dān)著維持同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓穩(wěn)定、協(xié)調(diào)并列機(jī)組間的無功分配以及抑制有功功率振蕩的任務(wù)，它的可靠性對于發(fā)電廠有著特別重要的意義。當(dāng)前的微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器大部分使用專門定制的單片機(jī)或工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。這些CPU板大部分是自行設(shè)計(jì)制作，小批量生產(chǎn)。一方面限于硬件設(shè)計(jì)水平，對于各種意外情況的防護(hù)考慮不夠周到，另一方面對于元器件的篩選、老化不夠重視，相關(guān)生產(chǎn)工藝水平有限，造成CPU板抗干擾能力差，穩(wěn)定性不高，進(jìn)而降低了勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性，影響了發(fā)電廠的安全運(yùn)行。

為了改進(jìn)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的可靠性，PLC模塊被引入勵(lì)磁調(diào)節(jié)器 。高可靠性是PLC最突出的特點(diǎn)。PLC采用了優(yōu)良的開關(guān)電源，各個(gè)模塊均采用了屏蔽措施，在模塊的輸入端采用了R-C濾波，具有一定的自診斷能力，在電源或軟件、硬件異常時(shí)CPU可以采取相應(yīng)措施防止故障范圍擴(kuò)大。采用PLC可以有效改善勵(lì)磁控制器的穩(wěn)定性。但是PLC模塊通常用于簡單的I/O控制或過程控制，自身的主頻很低，所以使用PLC模塊的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器都采用了多CPU分工合作的方法：PLC完成控制與邏輯判斷，外圍的CPU或功能模塊完成測頻、交流采樣等高速任務(wù)，并以通信的方式將結(jié)果傳遞給PLC模塊，PLC模塊計(jì)算出控制角后再把控制角傳遞給外圍CPU形成整流柜的觸發(fā)脈沖[2][3][。4]這些實(shí)現(xiàn)高速任務(wù)的外圍CPU或功能模塊可靠性依然維持在較低的水平，拖累了系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)多CPU結(jié)構(gòu)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，延長了控制時(shí)滯，降低了勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制性能。

PCC（Programmable Computer Control ler）是奧地利貝加萊公司生產(chǎn)的可編程控制器，可靠性與常規(guī)PLC相當(dāng)，主頻與單片機(jī)相當(dāng)，可以勝任一些PLC無法完成的高速任務(wù)。尤為重要的是PCC可以通過調(diào)用時(shí)間處理器（Time Processor Unit，TPU）函數(shù)間接完成單片機(jī)在中斷函數(shù)中實(shí)現(xiàn)的功能，從而保證測量、控制的實(shí)時(shí)性，達(dá)到較高的控制性能。

2 PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件

2.1 IP 161簡介

PCC的CPU模塊帶有操作系統(tǒng)，可以按照預(yù)置的周期對多個(gè)任務(wù)分配工作時(shí)間，操作系統(tǒng)自身占用了10%的CPU時(shí)間。PCC的任務(wù)分為普通任務(wù)和高速任務(wù)兩種，普通任務(wù)最小周期為10ms，而定時(shí)器任務(wù)，即高速任務(wù)，最小周期可達(dá)3ms。如果兩個(gè)任務(wù)循環(huán)調(diào)用時(shí)間發(fā)生沖突，則調(diào)用周期越短的任務(wù)優(yōu)先級越高。CPU模塊的內(nèi)存中有有雙口RAM用于CPU和I/O處理器之間的數(shù)據(jù)交換，用戶程序存儲在專用的用戶ROM區(qū)。這一區(qū)域也對用戶程序開放，用戶可在此開辟專用數(shù)據(jù)區(qū)，并調(diào)用庫函數(shù)修改、固化數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)容。勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的控制參數(shù)和設(shè)備參數(shù)就是通過這樣的方法實(shí)現(xiàn)了在線修改和固化。帶TPU的PCC模塊如圖1所示。

圖1 帶TPU的PCC模塊

PCC支持多種編程語言，包括梯形圖，標(biāo)準(zhǔn)C語言，AB(Automat ion Basic)，指令列表IL(Instruction List) 以及順序函數(shù)圖(Sequential Function Chart)。PCC的編程與硬件配置密切相關(guān)，在代碼中包含了所有模塊的名稱和[5]插槽位置。如果調(diào)用TPU的LTX函數(shù)，則需要預(yù)先為相應(yīng)的通道設(shè)置所需的LTX函數(shù)。PCC不允許直接對底層硬件編程，但完備的函數(shù)庫 ，其中初始化代碼僅在模塊上電時(shí)調(diào)用。

可編程I/O 處理器模塊IP161主頻6.26MHz，帶有專門處理事件計(jì)數(shù)、時(shí)間測量等與時(shí)間相關(guān)的時(shí)間處理器（TPU）。IP161具有12路可設(shè)置數(shù)字輸出/輸入通道，6路模擬輸出，6路模擬輸入。其中數(shù)字輸出通道可以發(fā)送控制脈沖，數(shù)字輸入通道可以接入同步信號用于觸發(fā)控制脈沖和測頻，模擬輸入通道可以與TPU函數(shù)配合完成交流采樣。IP161具有兩個(gè)RS232串口，一個(gè)CAN接口，在與其他控制通道或監(jiān)控通信時(shí)具有極大的靈活性。

2.2 PCC勵(lì)磁控制器的硬件配置

圖2 PCC勵(lì)磁控制器硬件原理框圖

PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的配置如圖2所示。其中CPU模塊選用了2005系列的IP161，電源模塊選用了PS794。由于IP161的AI通道數(shù)量只能滿足交流采樣的需要，所以加上了AI350模塊用于測量系統(tǒng)電壓、勵(lì)磁電流和勵(lì)磁電壓這三個(gè)直流分量。數(shù)字輸入模塊DI476用于輸入開關(guān)量，而開關(guān)量輸出使用了繼電器型數(shù)字輸出模塊DO650，可以隔離外部電路。

IP161數(shù)字通道之間可以通過LINK信號交換時(shí)間信息。LINK信號是TPU函數(shù)之間傳遞的聯(lián)系信號，這種信號的傳輸不經(jīng)過CPU，由控制輸入輸出的TPU函數(shù)直接響應(yīng)，轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)滯不超過一個(gè)指令周期。IP161 有12個(gè)數(shù)字通道，其中6個(gè)設(shè)置為輸出通道，用于生成控制脈沖；還有3個(gè)設(shè)置成輸入通道，接入同步信號后，均可進(jìn)行測頻，其中一個(gè)作為同步通道，在接收到同步信號上升沿后發(fā)送LINK信號到脈沖通道生成控制脈沖，其余兩個(gè)通道的LINK信號在三相之間按正序發(fā)送，可以得到三相之間的兩個(gè)相位差，用于同步信號的原方斷線判斷。由于IP161的模擬輸入通道具有高速AD轉(zhuǎn)換的能力，可以完成對機(jī)端電壓和定子電流的交流采樣，并計(jì)算有功功率和無功功率。

3 PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件實(shí)現(xiàn)

3.1 測頻

文獻(xiàn)[6]調(diào)用LTXc pi X（后一個(gè)X對應(yīng)的是數(shù)字通道序號）函數(shù)使用內(nèi)部周期計(jì)數(shù)來測量外部方波的周期，但是這個(gè)函數(shù)必須頻繁調(diào)用才能保證周期測量的準(zhǔn)確性。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，至少5.5ms調(diào)用一次才能保證對50Hz的方波信號測量的準(zhǔn)確。而勵(lì)磁控制的主循環(huán)一般為10ms，需要另外新建高速定時(shí)器任務(wù)對LTXcpiX函數(shù)進(jìn)行調(diào)用。

由于LTXcpiX函數(shù)需要占用過多資源，所以在本方案中使用了LTXditX函數(shù)。LTXditX函數(shù)可以同時(shí)鎖存兩個(gè)信號的到達(dá)時(shí)刻，但是不同的DI通道使用的是不同的計(jì)數(shù)器，通道之間計(jì)數(shù)值的比較沒有意義。LTXditX函數(shù)的輸出參數(shù)TCnt0，TCnt1記錄了時(shí)刻鎖存的次數(shù)，即兩路信號到達(dá)的上升沿?cái)?shù)。主循環(huán)調(diào)用該函數(shù)后，如果TCnt參數(shù)發(fā)生了變化，說明有新的上升沿到達(dá)，以新的計(jì)數(shù)值減去外部保存的舊計(jì)數(shù)值再除以新到達(dá)的上升沿?cái)?shù)量就可以得到信號周期，最后刷新外部保存的計(jì)數(shù)值準(zhǔn)備下一次測量。由于TPU使用的是32位計(jì)數(shù)器，所以周期測量的上限很高。測頻使用的計(jì)數(shù)器頻率為CPU主頻，6.29MHz，周期測量精度為0.16微秒。

相位差的測量與周期測量類似。假定需要測量DI0和DI1通道數(shù)字輸入信號的相位差，設(shè)置LTXdit0函數(shù)，上升沿到達(dá)時(shí)發(fā)送LINK信號到DI1，設(shè)置LTXdit1函數(shù)鎖存LINK信號到達(dá)時(shí)刻和DI1輸入上升沿到達(dá)時(shí)刻，TCnt0或TCnt1發(fā)生變化時(shí)，鎖存的兩路時(shí)刻差值除以周期就是相位差。

3.2 交流采樣

交流采樣對同步性要求不高，只要求采樣點(diǎn)在一個(gè)周期內(nèi)均勻分布。在采樣周期與被測波形周期不匹配時(shí)，采樣的計(jì)算結(jié)果會產(chǎn)生紋波，兩者頻率相差越大，紋波幅值越大。由于同步發(fā)電機(jī)的周期是變化的，所以要求采樣周期也要不斷作出相應(yīng)調(diào)整以保證采樣結(jié)果的準(zhǔn)確。PCC中所謂的定時(shí)任務(wù)只能預(yù)設(shè)定時(shí)時(shí)間，在執(zhí)行時(shí)不能修改定時(shí)時(shí)間，所以必須使用TPU函數(shù)才能實(shí)現(xiàn)變周期測量。

IP161的高速采樣是通過調(diào)用TPU函數(shù)LTXdpwmF和LTXcac函數(shù)實(shí)現(xiàn)的。在模擬輸入的初始化函數(shù)LTXcac中設(shè)置AD轉(zhuǎn)換為觸發(fā)方式，并指定用于存儲AD轉(zhuǎn)換結(jié)果的緩存FIFO地址和存儲的數(shù)據(jù)數(shù)量，在Mode屬性中開啟FIFO功能，設(shè)置虛擬數(shù)字通道F發(fā)送虛擬脈沖驅(qū)動驅(qū)動6個(gè)AD通道同時(shí)采樣。如圖3所示，通過設(shè)置高電平時(shí)間HighTicks和低電平時(shí)間LowTicks，確定了采樣周期為HighTicks+LowTicks，在每個(gè)虛擬脈沖上升沿IP161啟動所有AD通道采樣，并將采樣結(jié)果存入FIFO數(shù)據(jù)區(qū)。

圖3 虛擬數(shù)字通道F驅(qū)動AD采樣

采樣結(jié)果寫入FIFO數(shù)據(jù)區(qū)的方式有兩種，一種是存滿以后停止轉(zhuǎn)換，此時(shí)可以從LTXcac的FifoReady屬性檢測出數(shù)據(jù)是否就緒。數(shù)據(jù)已就緒則讀取結(jié)果，并重啟AD轉(zhuǎn)換。另一種是循環(huán)寫入，雖然不能知道當(dāng)前數(shù)據(jù)正在寫入哪一個(gè)地址，但可以從虛擬通道E的輸出看出采樣數(shù)據(jù)正在寫入前半部分還是后半部分。如果采取循環(huán)寫入方式，F(xiàn)IFO的數(shù)據(jù)容量應(yīng)該是所需數(shù)據(jù)量的兩倍。比如采用12點(diǎn)付氏采樣，6路模擬輸入通道同時(shí)采樣，每一個(gè)采樣結(jié)果為一個(gè)16位的短整型數(shù)，則FIFO的數(shù)據(jù)容量應(yīng)設(shè)置成144字節(jié)。如果AD采樣數(shù)據(jù)正寫入FIFO前半部分，則取后12點(diǎn)計(jì)算，反之亦然。LTXdpwmF函數(shù)用于輸出AD轉(zhuǎn)換的觸發(fā)信號。只需要設(shè)置輸出方波信號的高電平持續(xù)時(shí)間HighTicks和低電平持續(xù)時(shí)間LowTicks即可正常輸出觸發(fā)信號。但是由于采樣周期是變化的，必須在主循環(huán)中根據(jù)周期重新設(shè)置觸發(fā)信號的周期。另外IP161的最小采樣周期是100μs，所以觸發(fā)信號的周期也不得小于100μs。盡管為LTXdpwmF設(shè)置的觸發(fā)方波周期值只有在下一個(gè)控制周期才能生效，但同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化相對于電氣控制而言非常緩慢，這種遲滯對于測量精度不會產(chǎn)生太大影響。

3.3 生成控制脈沖

發(fā)送到整流柜的控制脈沖必須與機(jī)端電壓保持同步。在單片機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中，脈沖同步是依靠同步中斷實(shí)現(xiàn)的。但是IP161所屬的B&R2005系列模塊沒有開放中斷功能，必須使用TPU函數(shù)實(shí)現(xiàn)。在TPU函數(shù)中脈沖使用同步通道發(fā)出的LINK信號觸發(fā)。雖然IP161的數(shù)字通道可以接收來自不同通道的LINK信號，但每個(gè)數(shù)字通道的LINK信號只能發(fā)送到唯一一個(gè)目的通道。所以IP161中由來自同步信號通道的LINK信號延時(shí)觸發(fā)第一個(gè)脈沖的上升沿，而第一個(gè)脈沖發(fā)送上升沿的同時(shí)發(fā)送一個(gè)LINK信號到另一個(gè)數(shù)字通道延時(shí)觸發(fā)第二個(gè)脈沖，其余脈沖以類似方式依次觸發(fā)。由于這種原理上的限制，IP161只能發(fā)出單脈沖，不能直接輸出雙脈沖。

外部正弦波整流成方波信號后作為數(shù)字輸入，對應(yīng)的數(shù)字通道分配LTXditX函數(shù)。如圖4所示，采取同步方波上升沿觸發(fā)，設(shè)置LnkMode屬性為0x44，在上升沿時(shí)發(fā)送LINK信號，并記錄時(shí)刻值以測量周期。還需要設(shè)置LINK信號的目的通道LnkChan。

6個(gè)脈沖通道對應(yīng)6個(gè)數(shù)字輸出通道，分配函數(shù)LTXdol X（后一個(gè)X對應(yīng)數(shù)字通道序號）。對于發(fā)送第一個(gè)脈沖的數(shù)字通道DO1，需要在發(fā)送脈沖上升沿時(shí)發(fā)送LINK信號驅(qū)動數(shù)字通道DO2發(fā)送第二個(gè)脈沖。如果發(fā)送正脈沖，LnkMode應(yīng)設(shè)置成0x14，在上升沿時(shí)發(fā)送LINK信號，在接收到來自同步通道的LINK信號后經(jīng)過LoHiDelay后輸出跳變?yōu)楦唠娖剑O(shè)置Mode屬性為1，保證高電平信號持續(xù)時(shí)間Hi LoDelay。對于控制脈沖，高電平持續(xù)時(shí)間是一定的，HiLoDelay是一個(gè)常數(shù)，在初始化中設(shè)置一次即可。而由接收到LINK信號到輸出高電平的延時(shí)時(shí)間是變化的。第一個(gè)脈沖的延時(shí)時(shí)間對應(yīng)控制角，其余脈沖的延時(shí)時(shí)間對應(yīng)的是60o角。由于同步周期是變化的，延時(shí)時(shí)間也必須隨之變化，所以每個(gè)周期必須在主循環(huán)中重新設(shè)置。

圖4 同步脈沖觸發(fā)示意圖

3.4 參數(shù)固化

IP161有1.5MB供用戶使用的Flash型PROM，除了存儲程序外還可以開辟一個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)專門存儲控制參數(shù)，這個(gè)參數(shù)存儲區(qū)域可以在線修改和固化。修改參數(shù)前必須使用DA_ident函數(shù)檢測是否存在同名的存儲區(qū)，如果存在必須調(diào)用DA_del tete函數(shù)刪除老的數(shù)據(jù)區(qū)；再調(diào)用DA_create函數(shù)創(chuàng)建參數(shù)數(shù)據(jù)區(qū)；接著使用DA_wri te將新參數(shù)寫入數(shù)據(jù)區(qū)；然后調(diào)用DA_burn函數(shù)將數(shù)據(jù)區(qū)燒寫進(jìn)Flash；最后調(diào)用SYSreset函數(shù)重啟系統(tǒng)，啟用新參數(shù)。需要說明的是，DA_delete函數(shù)并非真的清除了數(shù)據(jù)區(qū)，只是保證以后不再使用這個(gè)存儲空間，所以每改寫一次參數(shù)就有一部分存儲區(qū)不能再次使用。為了避免現(xiàn)場調(diào)試時(shí)因?yàn)榭臻g不足而無法修改參數(shù)，在控制器完成出廠調(diào)試后必須擦除用戶ROM，清理所有的Flash存儲空間，然后再寫入控制程序，這樣出廠后的PCC控制器可以有最大的剩余空間供用戶多次修改參數(shù)。

4 現(xiàn)場運(yùn)行

PCC勵(lì)磁控制器已經(jīng)在四川挖黑電站實(shí)際運(yùn)行，電站裝有2臺容量22.2MW的發(fā)電機(jī)組，額定電壓10.5kV，額定定子電流1.51kA，額定勵(lì)磁電流615A，額定功率因數(shù)0.8。現(xiàn)場運(yùn)行的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用了常規(guī)的雙控制通道，一個(gè)是PCC控制通道，另一個(gè)是DSP控制通道。如圖5所示，兩個(gè)控制通道通過CAN網(wǎng)連接，可以保證控制通道切換時(shí)不產(chǎn)生擾動。

圖5 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)

4.1 起勵(lì)試驗(yàn)

圖6 起勵(lì)試驗(yàn)

參見圖6，在t=1s時(shí)勵(lì)磁控制器接收到起勵(lì)命令，起勵(lì)目標(biāo)值為1，給定值由1變?yōu)?.2。經(jīng)過約2.1s，機(jī)端電壓上升到0.2P.U.，給定值開始小幅攀升。t=7.4s時(shí)機(jī)端電壓上升到0.99P.U.，給定值變?yōu)槟繕?biāo)值，起勵(lì)完成。起勵(lì)過程約6.4s，超調(diào)0.006，性能指標(biāo)遠(yuǎn)優(yōu)于國標(biāo)要求。

4.2 大擾動試驗(yàn)

現(xiàn)場因?yàn)檎`操作產(chǎn)生了巨大擾動，PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器經(jīng)過約5s的調(diào)節(jié)，有效抑制了有功功率的振蕩，表現(xiàn)出了極強(qiáng)的阻尼，參見圖7。

圖7 現(xiàn)場大擾動故障

4.3 甩負(fù)荷試驗(yàn)

圖8 甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)

由于相關(guān)設(shè)備影響，甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)時(shí)機(jī)組并沒有實(shí)現(xiàn)滿負(fù)荷運(yùn)行，實(shí)驗(yàn)前有功功率0.68，無功功率0.44，電壓給定值1。甩負(fù)荷后電壓峰值1.115，振蕩一次，超調(diào)約11.5%，優(yōu)于國標(biāo)規(guī)定的15% 20%的標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器準(zhǔn)確跟蹤了頻率的變化，證明了測頻方案的可行性。甩負(fù)荷實(shí)驗(yàn)參見圖8。

4.4 干擾沖擊

現(xiàn)場切換廠用電過程中產(chǎn)生了較大的沖擊干擾，兩臺勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的DSP控制通道程序丟失，在Flash中重新寫入程序后恢復(fù)正常。而PCC控制通道均保持正常。

5 結(jié)論

本文所介紹的基于PCC的勵(lì)磁控制器實(shí)現(xiàn)方案，交流采樣、周期測量和輸出控制脈沖等高速任務(wù)完全依靠PCC自身完成，極大地簡化了硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明相對DSP勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可靠性極高，性能稍遜，但仍然可以滿足國標(biāo)、行標(biāo)要求。性能方面差異主要是實(shí)現(xiàn)原理方面的原因造成的，PCC勵(lì)磁調(diào)節(jié)器改變控制角延時(shí)必須重新設(shè)置IP161模塊中DO通道的參數(shù)，而這些設(shè)置只有在下一個(gè)周期才能生效，所以PCC勵(lì)磁控制器的控制總會有一個(gè)周期的滯后，這對控制器性能影響較大。

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