CN201821314U - 模件化的微机励磁调节器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种模件化的微机励磁调节器，包括底板，其特征在于：在所述底板上设置有4块模件，4块模件分别为电源模件、交流模件、CPU模件及脉冲模件，各模件通过底板进行信号交互，所述底板设置有与水电厂计算机监控系统进行通信的CAN接口，所述CPU模件设置有与调试后台进行通信的RS-232通信串口，所述CPU模件包括CAN通讯电路。本实用新型可保证小水电综合自动化系统的通信实时性更强、可靠性更高及投资成本更低；另外，由于采用了模件化的结构可灵活组屏，又可节约电厂空间。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种微机励磁调节器，尤其是涉及一种模件化的微机励磁调节器，属于电力系统自动控制技术领域。
背景技术
励磁系统是同步发电机控制系统的重要组成部分，励磁系统一般由两部分组成：一部分用于向发电机转子绕组提供直流电流，以建立磁场，通常这部分称作励磁功率单元；另一部分用于在发电机正常运行或发生故障时调节机端电压，以满足安全运行的需要，通常称作励磁控制单元(即励磁调节器)。目前，微机励磁调节器已基本取代早期模拟式的励磁调节器。微机励磁调节器通过采集同步发电机的机端电压、励磁电流等电气信号，采用一定的控制规律及移相触发技术实现对发电机励磁的控制。微机励磁调节器所涉及的主要理论与技术有：1)PID(比例、积分、微分)控制规律；2)数字移相技术；3)计算机与通信技术。
国内部分励磁厂家曾先后推出过面向小型水电站的微机励磁调节器，一般采用RS-485串口通信与计算机监控系统进行信息交互，由于其结构还是采用传统装置形式，因此无论从通信角度还是从结构角度来看，该微机励磁调节器与大中型水电站的励磁调节器并无本质差别，也并没有改变其成本较高、集成度不高的缺点。上述的微机励磁调节器技术方案如下：
微机励磁调节器是由硬件及软件组成的嵌入式装置，其中硬件又分为电气部分与结构部分，电气部分的硬件结构如图1所示。图1为现有的微机励磁调节器硬件关系图。
1)硬件组成
硬件主要由主控模件、PT/CT交流模件、开入与电源模件、脉冲触发放大模件、MMI人机交互模件及背板与面板构成。其中各模件主要功能如下：
(1)主控模件：主控模件是装置的核心处理单元，主要完成模拟量信号调理、 开出处理、信号采集等功能。中央处理单元我们采用的CPU+CPLD来实现，CPU采用Motorola公司的16位DSP数字信号处理器DSP56F807，DSP实现数据采集和计算；CPLD采用Altera公司的MAXII型CPLD，实现包括测频、产生六路触发脉冲信号以及逻辑控制等功能。AD芯片为AD7865型14位4通道ADC，可同时采集4路模拟信号。
(2)PT/CT交流模件：将电压、电流等交流信号经PT、CT转换为CPU模件可采集的模拟量信号。
(3)开入与电源模件：提供装置各插件所需的±15V及+5V电源，同时提供16路开关量输入信号采集。
(4)脉冲触发放大模件：将从CPLD发出的3.3V触发脉冲信号，经过光耦隔离，通过三极管信号放大，提供给脉冲变压器强度合适的脉冲信号。
(5)MMI人机交互模件：作为人机及通讯接口，接收键盘输入信息；输出指示灯及液晶显示，通过485串行通讯接口和CPU模件进行数据交换；对外通讯提供两个485接口，其中一个串口与监控通讯，另外一个作为调试串口。
(6)背板及面板：各模件通过背板进行信号接口，而面板装有轻触式按键、复位按钮、液晶显示器及指示灯。
2)结构外观
该装置机箱尺寸为：标准6U高度，19/2inch宽。机箱采用整面板、分背板背插式结构。面板配置有：5寸液晶显示器、键盘、指示灯及串口等。
3)软件部分
软件实现了模拟量采样、励磁调节计算、限制及保护等全部功能。该软件用C语言编写，采用模块化设计方法，可以很方便地实现功能调整与扩展。
目前面向小水电的微机励磁调节器与计算机监控系统的通信一般采用RS-485串口通信方式，相比于CAN通信，RS-485通信距离较近、可靠性较差及通信速度较低等缺点；而调节器结构采用的仍是传统机箱形式的外观结构，因此与监控的集成度不高并不能灵活组屏，无法满足小水电成本低及厂房空间狭小的特点。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是针对小型水电站的特点，为进一步降低电站投资成本、提高系统集成度及系统的可靠性而提供一种新型的微机励磁调节器。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种模件化的微机励磁调节器，包括底板，其特征在于：在所述底板上设置有4块模件，4块模件分别为电源模件、交流模件、CPU模件及脉冲模件，各模件通过底板进行信号交互，所述底板设置有与水电厂计算机监控系统进行通信的CAN接口，所述CPU模件设置有与调试后台进行通信的RS-232通信串口，所述CPU模件包括CAN通讯电路。
前述的模件化的微机励磁调节器，其特征在于：所述电源模件包括分别用于测量机端电压与定子电流的3个微型PT和3个微型CT，对外接口为3针电压端子和8针电流端子。
前述的模件化的微机励磁调节器，其特征在于：所述交流模件包括5个微型PT和2个微型CT，对外接口为11针电流型端子。
前述的模件化的微机励磁调节器，其特征在于：所述CPU模件对外接口为37针D型端子。
前述的模件化的微机励磁调节器，其特征在于：所述CPU模件的CAN通讯电路包括作为CPU的DSP56F807芯片，DSP56F807芯片通过光耦6N137与CAN收发器PCA82C250芯片相连。
前述的模件化的微机励磁调节器，其特征在于：所述脉冲放大模件包括脉冲放大电路、双机切换电路；对外接口为12针电流型端子。
本实用新型所达到的有益效果：相比于RS-485串口通信，CAN通信具有通信速度快、容错机制好及维护成本低等优点，因此在微机励磁调节器中采用CAN总线技术实现励磁与监控的通信，可保证小水电综合自动化系统的通信实时性更强、可靠性更高及投资成本更低；另外，由于采用了模件化的结构，无论从外观还是从设计工艺上，都实现了小水电监控与励磁的一体化理念，一方面可灵活组屏(即励磁调节器可与励磁功率柜组屏，也可与监控一起组屏)，另一方面又可节约电厂空间。
附图说明
图1为现有的微机励磁调节器硬件关系图；
图2为微机励磁调节器与监控系统连接示意图；
图3为电源模件示意图；
图4为交流模件示意图；
图5为CPU模件示意图；
图6为CAN硬件电路图；
图7为脉冲模件示意图；
图8为主程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
微机励磁调节器与计算机监控系统的连接示意图如图2所示。从图2可以看出，微机励磁调节器提供二个通信接口，一是CAN通信接口(与监控的PLC进行通信)，二是RS-232通信串口(与调试后台进行通信)。
微机励磁调节器取消了人机界面，即液晶显示器(LCD)与键盘，改为与监控系统现地控制单元(LCU)共用一个触摸屏，通过CAN网励磁与监控系统进行通信，最终在监控LCU上进行显示励磁信息量。该调节器主要由4块模件及底板组成，4块模件分别为电源模件、交流模件、CPU模件及脉冲模件。而各模件硬件设计需要解决的主要问题是，在采用MB40PLC模件结构的前提下，由于其结构对外端子开孔尺寸有限，因此对外接线端子引脚数即受到限制，在这种情况下必须合理定义信号以保证满足励磁系统运行要求。具体各模件功能及对外接线端子信号设计如下：
电源模件：主要提供5V、±15V电源，3个PT、3个CT分别测量发电机机端电压与定子电流；因此对外接口采用3针电压端子与8针电流端子。见图3所示。
交流模件：励磁调节器需要测量的交流信号较多，因此再设计一块单独的模件进行其它交流信号的采集，主要包括5个PT、2个CT，分别测量仪表电压、系统电压、同步信号、励磁电流；对外接口采用11针电流型端子即可。如图4所示。
CPU模件：主要包括DSP、CPLD、AD、运放、CAN通讯、双机通讯、开入、开出(开入、开出单独一块板背在CPU板上)，对外端子信号包括开入16路，开出4路，双机通讯8路，信号电源及地各2路；由于采用上述模件的端子其结构不允许，同时考虑到该模件信号都是弱电信号，因此对外接口采用37针D型端子，通过“通用连接电缆+端配板”的连接方式进行对外信号接口。如图5所示。
CPU模件CAN硬件电路如图6所示，具体步骤如下：
1)由于CPU模件的CPU所采用的DSP56F807具备一个CAN接口，支持CAN2.0A/B规范，因此利用此CAN接口实现励磁调节器对外的CAN通信功能；
2)选用成本较低的Philips公司的PCA82C250芯片作为CAN收发器；
3)CPU(DSP56F807)供电电源为3.3V，CAN收发器PCA82C250电源为5V，3.3V电源由系统5V电源经专用3.3V稳压器转换得到，CAN收发器5V电源由系统电源5V经DC/DC隔离得到；
4)DSP与CAN收发器之间的信号交互通过光耦6N137进行隔离；
5)CAN收发器PCA82C250负责装置对外的CAN通信，对外二个接口为7脚(CAN+)与6脚(CAN-)；
脉冲放大模件：包括脉冲放大电路、双机切换电路；对外接口采用12针电流型端子。如图7所示。
底板：实现上述模件信号交互并提供与监控通信的CAN接口。
软件流程图如图8所示，微机励磁调节器软件编程基于DSP56F807的开发环境Metrowerks Codewarrior，采用C语言编程，参照CAN2.0B通信规范制定励磁与监控的通信规约，实现励磁的信息(如模拟量、开关量及事件记录等)与监控主CPU进行实时交互。CAN软件编程主要由主程序及中断程序组成，其中主程序主要完成CAN通讯初始化以及通讯报文的组织等工作，中断程序主要是响应CAN的接收与发送任务。
1)采用模件化的外观结构实现监控励磁一体化的设计；
2)提供CAN通信接口实现励磁与计算机监控系统的实时通信。
本实用新型结合小型水电站的特点和需求，采用CAN总线技术代替传统的RS-485串口通信技术实现同步发电机励磁系统与计算机监控系统的信息交互， 同时将模件化的结构应用于微机励磁调节器。采用CAN总线通信将使励磁与监控系统通信的可靠性更高、速度更快，采用模件化的微机励磁调节器将使小水电综合自动化装置集成度更高、成本更低。
相关技术术语的名词解释
1)励磁系统：是电厂同步发电机的重要控制系统，通过励磁调节器的调节与控制，实现发电机的励磁控制功能，简称励磁。
2)CAN：Controller Area Network的简称，属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制或实时控制的通信网络。
3)计算机监控系统：是对水电厂各设备进行监视与控制的一个系统，主要由计算机、网络设备、语音报警装置及现地控制单元等设备构成，简称监控。
4)小水电综合自动化装置：将小型水电厂的计算机监控系统、保护装置、励磁装置、调速器及辅助设备控制装置集成于一体的自动化装置。
5)数字移相：在微机励磁调节器中，采用软件方式产生6路触发脉冲对励磁功率柜中的可控硅进行控制，从而对励磁功率柜输出的直流电流进行调节。可控硅是一种电力电子元件，常用于功率装置中。
6)微型PT：微型电压互感器，提供恒定的电压源，或用于电压的测量回路。
7)微型CT：微型电流互感器，提供恒定的电流源，或用于电流的测量回路。
以上已以较佳实施例公开了本实用新型，然其并非用以限制本实用新型，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种模件化的微机励磁调节器，包括底板，其特征在于：在所述底板上设置有4块模件，4块模件分别为电源模件、交流模件、CPU模件及脉冲模件，各模件通过底板进行信号交互，所述底板设置有与水电厂计算机监控系统进行通信的CAN接口，所述CPU模件设置有与调试后台进行通信的RS-232通信串口，所述CPU模件包括CAN通讯电路。
2.根据权利要求1所述的模件化的微机励磁调节器，其特征在于：所述电源模件包括分别用于测量发电机机端电压与定子电流的3个微型PT和3个微型CT，对外接口为3针电压端子和8针电流端子。
3.根据权利要求1所述的模件化的微机励磁调节器，其特征在于：所述交流模件包括5个微型PT和2个微型CT，对外接口为11针电流型端子。
4.根据权利要求1所述的模件化的微机励磁调节器，其特征在于：所述CPU模件对外接口为37针D型端子。
5.根据权利要求1所述的模件化的微机励磁调节器，其特征在于：所述CPU模件的CAN通讯电路包括作为CPU的DSP56F807芯片，DSP56F807芯片通过光耦6N137与CAN收发器PCA82C250芯片相连。
6.根据权利要求1所述的模件化的微机励磁调节器，其特征在于：所述脉冲放大模件对外接口为12针电流型端子。
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