CN103248301A - 控制参数自动设置的微机励磁调节器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可自动设置控制参数的微机励磁调节器及自动设置控制参数的方法，其特征在于：可通过内置的数学模型及阶跃试验的录波数据，计算出所需的PID控制参数，并自动置入主控单元的参数存储器中。励磁调节器由采用DSP2812为核心的双冗余主控单元和采用一体化工控机的辅助控制单元构成，双冗余的主控单元具备测量、PID控制、录波及输出功率所需的控制脉冲的功能；辅助控制单元与主控单元之间采用串行通讯方式进行数据交换，它能对测量数据进行分析计算，并根据内置的相应数学模型及所需控制指标计算出PID控制参数，下发给主控单元，辅助控制单元还能依据录波数据对数学模型中的参数进行修正使其与实际参数吻合，还具备计算机仿真功能，通过仿真结果与录波结果进行对照，从而提供控制参数选择的科学依据。

Description

控制参数自动设置的微机励磁调节器

所属技术领域

本发明涉及到同步发电机控制领域，主要涉及一种用经典控制理论自动计算控制参数的微机励磁调节器，属于电力自动化领域。 

背景技术

我国电力行业标准《DL/T583-2006大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件》、《大型汽轮发电机励磁系统技术条件》以及国家标准《GB/T7409.3-2007同步电机励磁系统大中型同步发电机励磁系统技术要求》等相关规定对于同步发电机的励磁系统的控制性能均提出了明确要求，而其他相关标准对同步发电机励磁控制系统也都给出了相应的控制性能指标，在实际应用过程中励磁系统的使用单位及相关职能部门对于励磁系统的控制性能时常也会根据实际情况提出进一步的要求，因此励磁系统控制参数的设置必须精准。这就需要现场技术人员掌握全面的控制理论知识并具备丰富的实践经验，才能在有限的时间内快速找出符合要求的参数，实际工作中由于技术人员的水平参差不齐、规定的试验时间的限制，常常造成控制参数的整定不能完全满足要求，使得发电机带着缺憾投入实际运营。这样，在正常工况下，发电机运行表现正常，但在一些非正常工况时，控制性能一些方面的不足就会充分暴露出来，而这时又是电网发生故障需要励磁系统快速正确反应的时候，控制性能的一点不足也会导致电网的崩溃，从而影响到电网的安全运行。 

本发明就是提供一种微机励磁调节器，运用经典控制理论的二阶最佳动态校正法，由调节器根据要求的控制指标自行计算控制参数并自动设置到调节器的参数存储器中，从而减少主观误差，达到快速准确的目的。 

发明内容

本发明旨在针对现有技术需要通过现场多次阶跃试验并依据现场技术人员手工计算，才能得到一组符合要求的PID控制参数方法，提供一种微机励磁调节器，内置录波及仿真功能，内置经典控制理论的二阶最佳动态校正算法，利用其本身具备的高速测量及计算能力，达到控制参数自动计算、自动设置的目的，从而解决控制参数整定的快速性、准确性问题。 

本发明通过下述技术方案实现： 

1、控制参数自动设置的微机励磁调节器，包括双冗余的主控单元及一个一体化工控机工程的辅助控制单元。 

主控单元为双通道冗余配置，每个通道包含采集板、主机板、接口板、控制电源板(每个通道各两块)、功放电源板(两块)。 

主机板采用32位DSP处理器TMS320F2812PGFA，主频125MHz，主要功能是测量发电机的电压及电流以及励磁电流等，并依据相应的控制规则及规律对发电机励磁系统进行逻辑控制及过程控制，接收控制指令、反馈发电机及励磁系统的工作状态等。 

采集板的主要功能是将励磁调节系统所需的模拟量信号转换成微处理器可以接受的信号，供微处理器处理。采集板采集的主要量有：励磁PT电压、仪表PT电压、系统PT电压、同步电压、转子电压、定子电流、转子励磁电流(LEM)、转子交流侧输入电流、本套励磁电流(LEM)、本套励磁电流(交流)等。 

接口板，为外部数字输入、输出量与主机板的接口，23路外部信号经过光耦或继电器隔离，并经过抗干扰、防误处理通过母板送到主机板。 

输入信号有：开机、关机、并网、风机、增磁、减磁、手动、灭磁、主从、PSS投入、恒无功投入、恒功率因素投入、备用。 

输出信号有：公共节点、低频保护、过励限制、误强励、低励限制、灭磁、PT断线、系统故障、通讯故障、备用。 

控制电源板：主要功能是将电厂的交流及直流输入电压转换成调节器工作所需的电压，为调节器提供工作电源。 

功放电源板：主要功能是将电厂的交流及直流输入电转换成为调节器输出的触发脉冲提供功率放大所需电源。 

辅助控制单元为一体化工业控制计算机，一般采用触摸屏，系统要求为windows98及以上，配置高效、独立的专用励磁控制软件，利用工业控制计算机大容量的存储空间，高速便捷的数据、图形处理能力，直观、全面的显示界面，实现励磁系统和各套控制部分及功率回路的工作参数、状态、数据、曲线等信息显示，以及试验录波、故障录波及其它试验和特殊操作的控制。并根据用户的情况，实现与电厂站监控系统配套的智能控制和调节。 

2、所述主控单元内含256KRAM存储芯片，可记录包括发电机励磁PT电压一组(A、B、C三相)、仪表PT电压、系统PT电压、发电机CT电流一组(A、B、C三相)、励磁电压、励磁电流、交流输入电压(同步电压)、交流输入电流等在内的8个 数据及一个代表数字输入及输出的16为数字IO数据，这9个16位数据每个运算周期(3ms)记录一次，调节器一共可记录时间长度为二十秒的数据。这些数据可作为故障录波数据或试验录波数据，以故障信号或试验启动信号触发，并将数据上传给辅助控制单元。 

3、所述辅助控制单元为一体化工业控制计算机，内含基于WINDOWS系统平台的专用励磁监控程序，其包含励磁监控主系统界面及各子界面，监控主系统界面显示整个励磁系统的运行状态，双套控制单元的工作数据和状态，功率系统的运行状态。通过鼠标点击相应的位置，即可进入显示系数设置、控制单元显示、参数设置、特殊控制、试验录波、故障录波、仿真试验等子系统。 

4、所述监控界面的参数设置子界面包含PID参数的手工设置，现场技术人员可通过试验数据进行计算得到PID参数，并手工进行设置。另外也可通过阶跃试验自动获取。 

5、所述监控界面的试验录波子界面中包含阶跃试验子界面，在该界面下可进行阶跃量可设定的发电机空载阶跃试验，点击界面上“试验”按钮可启动阶跃试验。启动阶跃试验后界面上的录波显示窗口将显示试验启动后20S的数据曲线，并在显示窗下方显示数据分析结果：TP(峰值时间)、MP％(百分比超调量)、Tr(上升时间)、TS(调节时间)、N(振荡次数)。点击“历史记录”按钮可查看阶跃响应的历史曲线及相关数据。 

点击界面中“控制性能指标”按钮，启动控制性能指标设置界面，可预设控制性能指标的TP、MP％、Tr、TS、N，如果点击本界面中的“最优参数”，程序将依据“二阶最佳条件及错开原理”的方法，按照ξ＝0.707计算出的TP、MP％、Tr、TS、N的预设值，并相应给出PID控制参数K_A、T₁、T₂、β、γ，点击“参数确认”键后上述参数即下发给主控单元并存入存储器中。 

在这个界面中还显示了调节器计算出的发电机环节的惯性时间常数T’d0。 

6、所述“二阶最佳条件及错开原理”的方法，所采用的数学模型为《GB-T7409.2.2008同步电机励磁系统电力系统研究用模型》中EX1-A、EX1-B、EX2-A、EX2-B、EX5、ST1型六种，以上六种数学模型的传递函数，数学模型的选择是由参数设置界面中“自并激、二机励磁、三机励磁”及“有刷方式、无刷方式”来确定的，程序自动选择。上述模型中不包含发电机环节，发电机为一阶惯性环节，空载时间常数T’d0由发电机参数提供，在该参数未知或不准确的情况下，可在阶跃试验界面中点击“T’d0修正”，可自动修正。 

7、所述的计算机仿真界面中，监控程序调用MATLAB仿真程序，进行包括： 

阶跃试验、零起升压试验、灭磁试验、甩负荷试验的计算机仿真，并提供仿真结果。仿真所采用的模型与控制参数计算所使用的模型一致，调用的PID参数可为当前主控单元参数或监控程序预设参数，以方便二组参数仿真结果的对照，也方便与实际录波图形对比，从而对试验结果进行预判并进行控制参数的优化。 

8、所述的控制参数自动设置功能系通过建立合理的数学模型，并通过一次或多次阶跃试验得到的结果，结合经典控制理论的二阶最佳条件及错开原理，按照预设的控制指标进行计算机计算，快速得到PID控制参数的方法。 

附图说明

图1是本发明主控单元外观示意图。 

图2是本发明的励磁系统组成示意图。 

图3是本发明的调节器硬件原理图示意图。 

图4是本发明的控制参数计算程序中所采用EX1-A和EX1-B型交流励磁机励磁系统模型，其中EX1-A型中Uin1、Uin2为Uie；EX1-B中Uin1为If，Uin2为Uf或Uie。 

图5是本发明的控制参数计算程序中所采用EX2-A和EX2-B型交流励磁机励磁系统模型，其中EX2-A型中Uin1、Uin2为Uie；EX2-B中Uin1为If，Uin2为Uf或Uie。 

图6是本发明的控制参数计算程序中所采用EX5型励磁系统模型。 

图7是本发明的控制参数计算程序中所采用ST1型静止励磁系统模型。 

图8是本发明的主控程序框图 

图9是本发明的PID参数计算子程序程序框图 

具体实施方式

9、发电机的电压、电流测量变PT、CT经一级后降压隔离后进入调节器主板。经交流采样的模拟调理电路进行测量，电路中采用了50Hz带通滤波电路和高精密运放OPA2277，OPA2277的失调电压＜20uV，配合16位模数转换器可以获得很高的采样精度。 

10、DSP通过ADS8364Y每周波采集36个数据点，并对其进行36点FFT变换计算，实时解算出同步发电机电压、电流、有功、无功等重要电气参数。 

11、采集板则对发电机的另外两组PT及励磁变输出电压进行整流滤波后通过ADC进行测量，同时在采集板进行处理的还有励磁电压、励磁电流、白噪声的模拟量。 

12、开关量输入：开机、关机、并网、风机、增磁、减磁、手动、灭磁、主从、PSS投入、恒无功投入、恒功率因素投入、备用，经由采集板的光电隔离电路输入主机板的I/O端口。 

13、开关量输出：励磁系统的状态信号及异常、故障信号由DSP由IO端口经光电隔离电路再驱动继电器向外发送。 

14、录波功能：DSP外围扩展一片ISSI的内存芯IS61LV51216，它是一个8M容量，结构为512K*16位字长的高速率SRAM。每个程序周期储存选定的十个十六位数据，可连续存储20S的实时数据。 

15、调节器的每个通道配置了两个串行通讯口，其中一个用于一体化工控机进行数据交换，包含上传录波数据给工控机进行波形显示及数据分析。 

16、主控单元的软件置于CPU芯片中，以实现主控程序框图所表明的各项功能。 

17、辅助控制单元为一体化工控机，其通过串行通讯接口与主控单元的两个控制通道进行数据交换，实现对整个励磁系统的监控。辅助控制单元采用WINDOWS系统，配置专用励磁控制软件ECS-3300。ECS-3300除具备常用的励磁监控功能外，还具备录波功能及对录波数据中的阶跃试验数据进行数据分析的功能，并能针对相应的数学模型进行PID参数计算，依照所需控制指标计算出最佳PID参数，再通过通讯方式下发给两个主控单元。PID参数计算子程序是实现本发明的重要特征，是实现控制参数自动设置的主要软件。 

18、ECS-3300软件内嵌MATLAB仿真软件，阶跃试验、零起升压试验、灭磁试验、甩负荷试验的仿真模型分别依据前述的六种数学模型编制成24个执行文件，并调用相应的控制参数进行计算机仿真，仿真结果在屏幕上以曲线图的方式显示，也可输出文字格式的数据。 

Claims (6)

1.一种同步发电机微机励磁调节器，其特征在于：可通过阶跃试验的录波数据，计算出所需的PID控制参数，并自动置入主控单元的参数存储器中。

2.根据权利1所述的励磁调节器由采用DSP2812为核心的双冗余主控单元和采用一体化工控机的辅助控制单元构成，其特征在于：主控单元完成测量、控制及脉冲输出，并能储存时间长度为20S采样周期为3mS的9种适时数据等功能；辅助控制单元完成数据显示、参数设置、数据分析、参数计算及操作功能；主控单元和辅助控制单元的数据交换采用串行通讯的方式进行。

3.根据权利1所述的励磁调节器所采用的PID控制模型为：

。

4.根据权利1所述的励磁调节器其辅助控制单元，可以对录波数据进行数据分析，计算出阶跃响应的超调时间、上升时间、振荡次数、调节时间控制指标。

5.根据权利1所述的励磁调节器其辅助控制单元，可以根据所需的控制指标计算出PID参数中的各个参数：K_A、T₁、T₂、β、γ。

6.根据权利1所述的励磁调节器其辅助控制单元，可以调用MATLAB进行计算机仿真试验，具备阶跃试验、零起升压试验、灭磁试验、甩负荷试验的计算机仿真功能。 

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