CN201869149U

CN201869149U - 基于dsp的同步发电机励磁调节器

Info

Publication number: CN201869149U
Application number: CN2010206257064U
Authority: CN
Inventors: 俞文钢
Original assignee: HANGZHOU SANHE ELECTRIC CONTROL EQUIPMENT CO Ltd
Current assignee: HANGZHOU SANHE ELECTRIC CONTROL EQUIPMENT CO Ltd
Priority date: 2010-11-25
Filing date: 2010-11-25
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2020-11-25

Abstract

本实用新型公开了一种基于DSP的同步发电机励磁调节器，包括电源输入单元、DSP、以及分别与DSP联接的同步测频单元、模拟输入单元、移相触发单元、开关量输入单元、继电器输出单元、面板显示单元和对外通讯单元，同步测频单元采集同步交流电压信号计算出采样周期，据此模拟输入单元实现对发电机电压/电流等信号进行同步高速采样，DSP对采集的信号进行转换、计算、调节、分析处理，并结合移相触发单元，输出精确的PWM控制信号，实现控制调节发电机电压和无功功率的目的。本实用新型使交流采样与实时脉冲发生实现同步，迅速执行对发电机的励磁进行调节和控制，结构简单，可靠性高，执行速度快，通讯快捷可靠。

Description

基于DSP的同步发电机励磁调节器

技术领域

本实用新型属于自动控制技术领域，具体涉及一种基于DSP(digital signalprocessor，数字信号处理器)的同步发电机励磁调节器。

背景技术

无论在稳态运行还是暂态运行过程中，同步发电机运行状态在很大程度上与励磁有关，励磁系统的主要任务就是向发电机的励磁绕组提供一个可调的直流电流/电压，以满足发电机正常发电和电力系统安全运行的需要。因此，对发电机的励磁进行调节和控制，不仅可以保证发电机及电力系统运行的可靠性、安全性和稳定性，而且还可以提高发电机及电力系统的技术经济指标。所以，励磁调节器的主要作用就是控制机端电压，控制无功功率分配，改善发电机静态稳定性，提高电力系统的暂态稳定，提高继电保护动作的灵敏性。

由于同步发电机的励磁调节器在电力系统中起着极其重要的作用，其品质的好坏直接影响着电力系统的正常运行。目前现有的发电机励磁调节器一般均采用单片机、工业控制计算机或PLC(可编程逻辑控制器)来实现控制，其中基于单片机的发电机励磁调节器其硬件一般为各厂家自行设计生产制造的，故元件的检测、筛选、老化处理、焊接等生产工艺都受到一定限制，可靠性较低，同时在运行过程中单片机容易出现死机，使得同步发电机失磁，大大降低了同步发电机的可靠性，严重影响电力系统的安全可靠运行。基于PLC的励磁调节器以及基于工业控制计算机的励磁调节器，虽然可靠性相对较高，但其在频率测量、同步检测和触发脉冲等方面都难以满足使用要求，故目前基于PLC和基于工业控制计算机的励磁调节器，其测频单元、同步检测单元、触发脉冲单元都单独使用单片机来实现，这样就又存在与基于单片机的励磁调节器同样的问题，同时其数据处理功能并不能满足电厂发展的要求；设备复杂使得相应的可靠性变差；调试工作繁琐，数据传输效率低，不适应大规模的现场控制。

发明内容

本实用新型提供了一种基于DSP的同步发电机励磁调节器，能够使交流采样与实时脉冲发生实现同步，迅速执行对发电机的励磁进行调节和控制，结构简单，可靠性高，执行速度快，通讯快捷可靠。

一种基于DSP的同步发电机励磁调节器，包括：电源输入单元、DSP、以及分别与DSP联接的同步测频单元、模拟输入单元、移相触发单元、开关量输入单元、继电器输出单元、面板显示单元和对外通讯单元，其中，

所述的电源输入单元，用于提供交流/直流电源；

所述的同步测频单元，用于采集同步发电机的同步交流电压信号，并传送给DSP；

所述的模拟输入单元，用于多通道采样，采集电压和电流模拟信号并将其调制为0～3.3V的电压模拟信号后，送入DSP的A/D转换通道；所述的电压和电流信号包括发电机电压、励磁电压、母线电压、发电机电流和励磁电流信号；

所述的移相触发单元，用于接收DSP输出的双脉冲数字量并对其进行触发脉冲处理，形成移相触发脉冲信号，以控制可控硅的导通与关断；

所述的开关量输入单元，用于接收状态信号，并供给DSP；所述的状态信号包括起励、灭磁、增磁和减磁的状态信号；

所述的继电器输出单元，用于接收DSP输出的状态信号，以控制与所述状态信号相关联的继电器工作；

所述的面板显示单元，用于接收用户输入的操作命令以及参数，以信号的形式传送给DSP，同时也接收来自DSP处理后的信号并显示；

所述的对外通讯单元，用于接收DSP的数字量输出，实现与上位管理机的通讯以及与电厂分布式控制系统的连接；

所述的DSP，用于接收输入的同步交流电压信号，并将其转换成方波信号，然后经过光电隔离器后送入DSP控制器的捕获单元，根据所述的方波信号产生的捕获中断计算同步交流电压信号的周期，并转换为发电机机组频率；同时将输入的电压、电流模拟信号转换成数字量，并对其进行计算、处理和分析，输出双脉冲数字量；此外，还根据输入的操作和状态信号进行逻辑判断，并输出处理过后的操作和状态信号。

优选的技术方案中，还包括与DSP联接的记忆储存单元，用于存储临时使用数据、操作系统软件和励磁控制系统不可修改性设置的数据信息，以供DSP读取或存储。

进一步优选的技术方案中，所述的记忆储存单元包括RAM(随机存贮器)、Flash Memory(闪存)和EEPROM(电可擦可编程只读存储器)。

优选的技术方案中，所述的面板显示单元包括触摸屏、液晶显示器(LCD)和发光二极管(LED)显示器。

优选的技术方案中，所述的对外通讯单元采用串口RS232、串口RS485、局域控制网(CAN)和调制解压器(MODEM)四种形式进行通讯传输。

优选的技术方案中，所述的电源输入单元包括主用电源模块和备用电源模块，其中主用电源模块采用220V交流电源输入，备用电源模块采用110V或220V直流电源输入。

优选的技术方案中，所述的DSP采用TMS320F28335芯片，通过加载相关DSP编程软件可实现开停机、模拟量采样、励磁调节、限制及保护、总线通讯、故障诊断等功能。

优选的技术方案中，还加载了电力系统稳定器(PSS)，完全解决了励磁调节器的“反调”问题。

优选的技术方案中，还加载了自动时钟校对器IRIG。

本实用新型调节器由DSP进行励磁控制，完成开停机、恒机端电压调节、恒无功调节、总线通讯、故障诊断等功能。DSP的主要作用是根据发电机电压、无功功率或其他参数的变化，对可控硅整流功率单元施加控制作用，以调节发电机的励磁电流。励磁调节器采用TI公司的TMS320F28335芯片做为主处理器，首先利用捕捉中断测得机组频率，利用频率计算出采样周期，然后对发电机的机端电压、定子电流、电网电压、励磁变二次电流等模拟量进行高速交流采样，采用快速傅立叶变换算法，计算出机端电压、定子电流、有功功率、无功功率、功率因数，同时直流采样励磁电流、励磁电压，这些状态反馈信号数据供调节装置进行计算和分析使用；利用DSP的比较单元产生移相触发脉冲，此脉冲经过功率放大后去触发可控硅组件，通过控制发电机转子励磁电流达到控制和调节发电机电压或无功功率的目的。同时，励磁控制器还将根据现场输入的操作和状态信号进行逻辑判断，实现各种运行方式所需的励磁调节和限制、保护、检测、故障判断功能。

本实用新型通过同步测频单元采集同步交流电压信号，并将其转换为方波信号供给DSP，利用DSP捕捉中断测得机组频率，并根据频率计算确定交流采样的周期，然后模拟输入单元根据采样周期对发电机电压、发电机电流、励磁电压、励磁电流、电网电压、励磁变二次电流等模拟量进行高速交流/直流采样并供给DSP，DSP利用片内的ADC(模数转换器)对信号进行模数转换，通过快速傅立叶变换算法，计算出发电机的机端电压、定子电流、有功功率、无功功率、功率因数，并对这些状态反馈信号进行调节、计算和分析，同时通过PID和最优控制的方法，计算得到一系列精确的PWM(脉宽调制)控制信号并输出，从而控制调节励磁系统，保障发电系统安全可靠运行；并且利用DSP芯片上的串行通信接口SCI和CAN控制器接口，实现多机之间和与上位机之间的调试和监控通信。

本实用新型解决了现有技术中励磁调节器可靠性较低、执行速度慢的问题，能够同时实现交流采样和实时同步脉冲发生的控制能力，提高了可靠性；采用现场总线通讯，确保系统通信快捷可靠。本实用新型具有执行速度快、成本低、结构简单、体积小、安装调试容易、抗干扰能力强、运行稳定可靠、操作及维修方便等优点。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

(1)采用DSP芯片作为主处理器，集成了一系列的功能单元，可靠性较高、执行速度快，能够使交流采样和实时脉冲发生实现同步，具有通信快捷、成本低、结构简单、体积小、安装调试容易、运行稳定、操作及维修方便等优点。

(2)与相关DSP编程软件相结合，简化了硬件装置设计。

(3)采用高速交流采样，省去了电压、电流和功率变送器，简化了硬件开销，减少了系统维护的工作量。

(4)采用DSP片内高速的ADC，避免了由于采样及转换速率太低所导致的同相电压与电流之间的相角差，从而使计算出来的有功功率、无功功率及功率因数等参数更接近于真实值。

(5)利用DSP的数据计算和处理能力，提高了数据采集的速度和精度，且误差小，保证了励磁调节器响应的实时性。PID及PSS频率特性(包括幅频和相频)经计算机仿真和动态信号分析仪实测结果比较：在0～10Hz范围内相角误差小于0.1°，增益误差小于0.5％。

(6)结构简单紧凑，硬件集成度高，软件灵活，抗干扰能力强。

(7)提供了方便、友好的人机界面，大屏幕的液晶显示器，树型菜单结构，便捷直观，支持在线参数整定，测量显示，试验控制等操作，能显示试验波形和故障波形，以及故障类型和SOE。

(8)加载了PSS，完全解决了励磁调节器的“反调”问题。

附图说明

图1为本实用新型的基于DSP的同步发电机励磁调节器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型进行详细的说明。

如图1所示，一种基于DSP的同步发电机励磁调节器，包括电源输入单元、DSP、以及分别与DSP联接的同步测频单元、模拟输入单元、移相触发单元、开关量输入单元、继电器输出单元、记忆储存单元、面板显示单元、对外通讯单元和自动时钟校对单元IRIG。

电源输入单元用来为调节器提供交流/直流电源，包括主用电源模块和备用电源模块，其中主用电源模块采用220V交流电源输入，备用电源模块采用110V或220V直流电源输入，当主用电源断电时，备用电源自动投入，并不会干扰励磁调节器正常工作。

同步测频单元采集同步发电机的同步交流电压信号，并传送给DSP，由DSP计算测量该信号的周期和频率，并确定交流采样的周期，以确保移相脉冲在频率变化时的准确性。

模拟输入单元进行多通道采样，采集电压和电流模拟信号并将其调制为DSP片内ADC能转换的范围之内(即，0～3.3V的电压模拟信号)后，送入DSP的A/D转换通道；其中，这里的电压和电流信号包括发电机电压、励磁电压、母线电压、发电机电流和励磁电流、励磁变压器电流、等外部模拟信号。

移相触发单元接收DSP输出的双脉冲数字量并对其进行触发脉冲处理，形成移相触发脉冲信号，以控制可控硅的导通与关断。

开关量输入单元接收起励、灭磁、增磁和减磁等状态信号，并供给DSP。

继电器输出单元接收DSP输出的状态信号，以控制相应的继电器工作。继电器输出信号可以为看门狗输出、发电机过电压保护、它励控制、风机控制、灭磁失败保护、起励保护、脉冲丢失、PT故障、低励限制、过励限制、强励电流限制、发电机过流限制、V/F限制等信号。

记忆储存单元包括RAM、Flash Memory、EEPROM，分别用来存储临时使用的数据、保存操作系统软件和存储励磁系统不可修改性设置。

面板显示单元包括触摸屏、液晶显示器(LCD)和发光二极管(LED)显示器，用来接收用户输入的操作命令以及参数，以信号的形式传送给DSP，同时也接收来自DSP处理后的信号并显示。

对外通讯单元采用串口RS232、串口RS485、局域控制网(CAN)和调制解压器(MODEM)四种形式进行通讯传输，用来接收DSP的数字量输出，实现调节器与上位管理机的通讯以及与电厂分布式控制系统的连接；该单元利用DSP芯片上的SPI(串行外设接口)可实现数字量的输出、串并联转换并驱动输出；同时DSP芯片上还设有CAN控制器接口，所以本单元只需要增加一个总线驱动器即可，从而简化了电路，CAN具有强大的通讯功能，双通道之间通过可靠的CAN-BUS技术进行连接，每个控制通道都提供两个独立且隔离的RS232和RS485接口，能实现数据共享和协调控制。

所述的DSP，用于接收输入的同步交流电压信号，并将其转换成方波信号，然后经过光电隔离器后送入DSP控制器的捕获单元，根据所述的方波信号产生的捕获中断计算同步交流电压信号的周期，并转换为发动机机组频率；同时将输入的电压、电流模拟信号转换成数字量，并对其进行计算、处理和分析，输出双脉冲数字量；此外，还根据输入的操作和状态信号进行逻辑判断，并输出处理过后的操作和状态信号。

DSP采用TMS320F28335芯片，通过加载相关DSP编程软件可实现开停机、模拟量采样、励磁调节、限制及保护、总线通讯、故障诊断等功能。

自动时钟校对单元IRIG检测到GPS输入端口的有效时间代码输入时，将会自动校正励磁控制器内部时钟与有效时间代码一致，完成时间更新。

上述调节器中，还可以加载电力系统稳定器(PSS)，可解决励磁调节器的“反调”问题。

本实施方式的相关原理阐释如下：

同步测频单元主要测量发电机频率及母线频率。频率测量采取测量同步交流电压信号周期的方法。由于频率测量信号和同步交流电压信号取自同一方波，因此，同步测频单元采集同步交流电压信号，传送给DSP，该信号首先经过DSP内的过零比较器，形成方波信号，然后经过光电隔离器隔离后送入DSP中的捕获单元，在方波的每一个上升沿产生一次捕获中断，两次中断的时间差就是该交流电压信号的周期，该信号周期即为交流采样的周期，同时每一个上升沿也是一个同步信号，周期经过转换就是所测发电机系统的频率。

然后，本实用新型的模拟输入单元根据采样周期对发电机电压、发电机电流、励磁电压、励磁电流、电网电压、励磁变二次电流等模拟量进行高速交流/直流采样，并通过单元内的信号调理电路将被测电流、电压等信号调节到DSP片中的ADC的转换范围之内，由于DSP片中的ADC只能转换0～3.3V的单极性信号，因此必须将PT/CT(电压/电流互感器)出来的-5～5V双极性交流信号调节到0～3.3V之间。信号调理电路中的第一级为反相器，其放大倍数可通过电位器进行调节；第二级电路则对第一级信号与-2.5V电压基准进行反相求和，并通过可调电位器将信号调解到0～3.3V后传送给DSP。

DSP利用片内的ADC对模拟输入单元输入的信号进行模数转换，通过快速傅立叶变换算法，计算出发电机的机端电压、定子电流、有功功率、无功功率、功率因数，并对这些状态反馈信号进行调节、计算和分析，同时通过PID和最优控制的方法，计算得到一系列精确的PWM控制信号，该系列信号经过DSP片内的DAC(数模转换器)转换后变成模拟信号，并通过脉冲放大器放大后输出至励磁调节器内的相关单元，从而控制调节励磁系统，保障发电系统安全可靠运行。

其中移相触发单元接收DSP输出的双脉冲数字信号，而移相触发单元内的脉冲变压器只能通过窄脉冲，因此宽脉冲必须先通过微分电路将脉冲的上升沿转化为0.2～0.4ms宽的窄脉冲，然后通过二极管与门电路形成双窄脉冲，这样可防止错误的宽脉冲或高电平通过脉冲变压器，从而保护了脉冲变压器，也保护了可控硅组件。移相触发脉冲处理包括同步、数字移相和脉冲形成三个步骤，生成的移相触发脉冲信号经过光电隔离器和脉冲放大器的隔离放大后，可提高其驱动能力，以控制触发励磁系统中的可控硅组件。

从移相触发单元输出的触发脉冲信号直接控制串联在励磁回路中可控硅组件，通过触发脉冲信号的波形来控制可控硅的导通与关断。在励磁回路中，当可控硅导通时，励磁系统输出电压加在励磁绕组上，由于可控硅开关工作频率相当高，而励磁绕组又相当于一很大的电感，则流过励磁绕组上的直流电流是相当平稳的，所以只要控制可控硅的导通比，即可控制发电机转子的励磁电流。当开关导通比为1时，即可控硅全导通，发电机处于强励状态；当开关导通比为0时，即可控硅全截止，发电机处于强减状态。因此基于DSP的同步发电机励磁调节器可以方便地在励磁强励至强减整个范围内连续可调，其通过对可控硅整流功率单元施加控制作用，可以调节发电机转子的励磁电流，进而达到控制和调节发电机电压及无功功率的目的。

Claims

1.一种基于DSP的同步发电机励磁调节器，其特征在于，包括：电源输入单元、DSP、以及分别与DSP联接的同步测频单元、模拟输入单元、移相触发单元、开关量输入单元、继电器输出单元、面板显示单元和对外通讯单元，其中，

所述的电源输入单元，用于提供交流/直流电源；

所述的对外通讯单元，用于接收DSP的数字量输出，实现调节器与上位管理机的通讯以及与电厂分布式控制系统的连接；

2.根据权利要求1所述的基于DSP的同步发电机励磁调节器，其特征在于：还包括与DSP联接的记忆储存单元，用于存储临时使用数据、操作系统软件和励磁控制系统不可修改性设置的数据信息，以供DSP读取或存储。

3.根据权利要求2所述的基于DSP的同步发电机励磁调节器，其特征在于：所述的记忆储存单元包括RAM、Flash Memory和EEPROM。

4.根据权利要求1所述的基于DSP的同步发电机励磁调节器，其特征在于：所述的面板显示单元包括触摸屏、液晶显示器和发光二极管显示器。

5.根据权利要求1所述的基于DSP的同步发电机励磁调节器，其特征在于：所述的对外通讯单元采用串口RS232、串口RS485、局域控制网和调制解压器四种形式进行通讯传输。

6.根据权利要求1所述的基于DSP的同步发电机励磁调节器，其特征在于：所述的电源输入单元包括主用电源模块和备用电源模块，其中主用电源模块采用220V交流电源输入，备用电源模块采用110V或220V直流电源输入。

7.根据权利要求1所述的基于DSP的同步发电机励磁调节器，其特征在于：所述的DSP采用TMS320F28335芯片。

8.根据权利要求1所述的基于DSP的同步发电机励磁调节器，其特征在于：还加载了电力系统稳定器。

9.根据权利要求1所述的基于DSP的同步发电机励磁调节器，其特征在于：还包括自动时钟校对器IRIG。