勵(lì)磁裝置是同步發(fā)電機(jī)組最重要的輔機(jī)之一。它擔(dān)負(fù)著維持發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和系統(tǒng)電壓恒定,提高發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行機(jī)組間無(wú)功分配等任務(wù)。勵(lì)磁裝置的可靠性和技術(shù)性能對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和高效運(yùn)行起著十分關(guān)鍵的作用。
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的不斷提高,調(diào)節(jié)器作為勵(lì)磁裝置的核心部分,其可靠性和技術(shù)性能也同步發(fā)展。PCC(可編程計(jì)算機(jī)控制器的俗稱) 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器在性能指標(biāo)上能達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求,在可靠性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其它微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器。下面就可編程計(jì)算機(jī)控制器的研制予以介紹。
1 PCC 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器
1. 1 PCC 介紹
可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC) 是一種全新的控制概念,它集成了PLC 的標(biāo)準(zhǔn)控制功能和工業(yè)計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)等功能,除具備PLC 的高可靠性外,還具有PC 機(jī)的高速性和大容量等特點(diǎn)。
PCC 最大的特點(diǎn)在于它具有類似于大型計(jì)算機(jī)的分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。與常規(guī)PLC 采用的單任務(wù)時(shí)鐘掃描方式不同,PCC 采用的是分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)。這樣應(yīng)用程序的運(yùn)行周期由操作系統(tǒng)的循環(huán)周期來(lái)決定,而與程序的長(zhǎng)短無(wú)關(guān),由此,它將應(yīng)用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區(qū)別開(kāi)來(lái),滿足了實(shí)時(shí)控制的要求。而且這種控制周期可以在CPU 運(yùn)算能力允許的前提下,按照用戶的實(shí)際要求任意修改。此外,PCC 還具有多樣化的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)風(fēng)格,除采用常用的梯形圖編程外, PCC 還可以采用高級(jí)語(yǔ)言編寫復(fù)雜的程序。
PCC 在遠(yuǎn)程通信方面提供了靈活多樣的解決方案。系統(tǒng)除全面支持ETHERNET ,PROFIbus 和CANbus 等標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議外,還為用戶提供了創(chuàng)建自定義協(xié)議的串行通訊幀驅(qū)動(dòng)器
(FRAME DRIVE) 工具,由于具備這樣的技術(shù)優(yōu)勢(shì),PCC 常常能解決許多常規(guī)PLC 無(wú)法實(shí)現(xiàn)的通信難題,輕松實(shí)現(xiàn)了各種不同產(chǎn)品、不同通信協(xié)議之間的互聯(lián)。
1. 2 硬件配置
PCC 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器由于其硬件本身具有很高的可靠性,一般采用單機(jī)結(jié)構(gòu),應(yīng)用戶的特別要求也可以提供雙機(jī)。當(dāng)采用單機(jī)時(shí),提供一個(gè)80C196 微機(jī)手動(dòng)調(diào)節(jié)通道。調(diào)節(jié)器硬件配置如下:由奧地利貝加萊(B&R) 工業(yè)自動(dòng)化公司提供的PP41 控制機(jī)(CPU 控制器和操作面板一體化) 、一個(gè)4 路模擬量輸入模塊AI354 、一個(gè)10 路開(kāi)關(guān)量輸入模塊DI138 、兩個(gè)4 通道數(shù)字量輸出模塊DO135 、一個(gè)用于與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通訊的RS232 接口模塊IF311 或RS485/ RS422 接口模塊IF321 組成。而且PP41內(nèi)部還提供了10 路開(kāi)關(guān)量輸入接口X2 ,8 路晶體管輸出接口X3 。此外,PP41 本體提供一個(gè)PC 機(jī)開(kāi)發(fā)PCC 程序用的RS232 接口和一個(gè)遠(yuǎn)距離網(wǎng)絡(luò)通訊用的CAN 現(xiàn)場(chǎng)總線接口。PCC 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器構(gòu)成如圖1 所示。
1. 3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)
PCC 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是充分利用PCC 的特點(diǎn)而研制的一代新產(chǎn)品,有如下設(shè)計(jì)特點(diǎn):
(1) 具有比常規(guī)PLC 更高的可靠性,平均無(wú)故障時(shí)間達(dá)50萬(wàn)h 。
(2) 集成了大型計(jì)算機(jī)的特點(diǎn),系統(tǒng)具有IPC的高速響應(yīng)能力和計(jì)算能力。
(3) PP41 的主處理器為摩托羅拉芯片68332 ,為32 位CPU ,具有高速的信號(hào)處理器TPU 功能,可使系統(tǒng)達(dá)到μs 級(jí)的響應(yīng)時(shí)間。
(4) 符合IEC 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)編程語(yǔ)言即系統(tǒng)可以根據(jù)不同層次人員選用低級(jí)語(yǔ)言(如梯形圖) 或高級(jí)語(yǔ)言(如AB ,C) ,系統(tǒng)允許幾種不同類型的編程語(yǔ)言在同一程序中同時(shí)使用。
(5) PP41 具有公用PCC 全系列軟件開(kāi)發(fā)工具Automation Studio 。利用該軟件可實(shí)現(xiàn)顯示、控制、驅(qū)動(dòng)和通訊等任務(wù)的配置和編程,開(kāi)發(fā)手段十分方便。不象其它工控機(jī),操作界面與調(diào)節(jié)控制需用不同的開(kāi)發(fā)軟件。值得一提的是,相對(duì)于PLC , PCC程序中對(duì)變量的命名更具有人性化,程序的可讀性也更強(qiáng)。
(6) 良好的電磁兼容能力和現(xiàn)場(chǎng)總線全面支持技術(shù)體現(xiàn)著世界工控領(lǐng)域的發(fā)展方向。
(7) 系統(tǒng)具有良好的可擴(kuò)展性,除系統(tǒng)硬件可以以模塊的方式加以擴(kuò)展外,系統(tǒng)軟件也可以以模塊的方式加以擴(kuò)展,這大大地加強(qiáng)了PCC 的擴(kuò)展能力。
(8) PP41 自身帶有控制器和顯示操作面板,因此用它來(lái)制作勵(lì)磁調(diào)節(jié)器顯得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,可節(jié)省空間,圖文豐富。顯示操作面板上帶有5. 7″的LCD 顯示區(qū),包括數(shù)字鍵在內(nèi)的多種功能按鍵以及指示燈,結(jié)合軟件,可以完成切換畫面、設(shè)置密碼、修改參數(shù)、顯示工況、數(shù)據(jù)列表、輔助實(shí)驗(yàn)等多種功能。
(9) PP41 允許設(shè)置多級(jí)密碼滿足不同操作級(jí)別用戶的要求;采用FLASH 存貯技術(shù);具有屏幕保
護(hù)功能;對(duì)時(shí)變測(cè)量數(shù)據(jù)有繪圖打印處理功能。
(10) 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí), PP41 會(huì)根據(jù)不同類型的故障,以不同的速度閃爍相應(yīng)的指示燈,以提示操作人員注意并處理;當(dāng)發(fā)生系統(tǒng)級(jí)故障時(shí),故障報(bào)警接點(diǎn)吸合,告之上位機(jī)系統(tǒng)。
(11) PCC 可以將整個(gè)調(diào)節(jié)控制分成數(shù)個(gè)具有不同優(yōu)先權(quán)的任務(wù)等級(jí)( TASK CLASS) 。不同的任務(wù)等級(jí),優(yōu)先權(quán)越高,其掃描周期越短;優(yōu)先權(quán)越低,其掃描周期越長(zhǎng)。充分利用PCC 的多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)資源,主循環(huán)程序和一般性的判斷處理程序放在普通任務(wù)層;定子電壓、轉(zhuǎn)子電流采樣,有功、無(wú)功計(jì)算,PID 與PSS 運(yùn)算及各種限制處理等放在高速任務(wù)層;測(cè)頻、測(cè)相角、移相觸發(fā)等采用PCC 本體所特有的TPU 功能以及TPU 功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。在這種多任務(wù)操作系統(tǒng)的管理下,優(yōu)先權(quán)高的任務(wù)等級(jí)總是先被執(zhí)行,在剩余的時(shí)間里才執(zhí)行優(yōu)先權(quán)較低的任務(wù)等級(jí)。整個(gè)操作系統(tǒng)得到了優(yōu)化,可以有效地保證勵(lì)磁裝置的實(shí)時(shí)性,從而改善和提高整個(gè)勵(lì)磁系統(tǒng)的調(diào)節(jié)性能指標(biāo)。
1. 4 調(diào)節(jié)軟件功能與實(shí)現(xiàn)
移相觸發(fā)是勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中最核心的部分,對(duì)于移相觸發(fā)功能的實(shí)現(xiàn),PCC 調(diào)節(jié)器相對(duì)于PLC 而言具有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
目前可編程勵(lì)磁裝置大多數(shù)是勵(lì)磁操作回路采用可編程序控制器,或采用可編程控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字給定,而真正的PID 調(diào)節(jié)器不是利用PLC 來(lái)完成的,更談不上保護(hù)、限制、交流采樣、移相觸發(fā)等對(duì)CPU 速度要求很高的功能了。這是因?yàn)榇笮碗姍C(jī)的開(kāi)路時(shí)間常數(shù)達(dá)到約10s ,如葛洲壩機(jī)組,為了保證勵(lì)磁的調(diào)節(jié)品質(zhì),調(diào)節(jié)器的采樣周期一般在10ms以內(nèi)。有如此高的實(shí)時(shí)性要求,用PLC 來(lái)測(cè)量定子電壓、轉(zhuǎn)子電流、有功功率、無(wú)功功率等是有困難的;用PLC 來(lái)實(shí)現(xiàn)PID 調(diào)節(jié)、PSS 功能、測(cè)頻、測(cè)相角等也有一定的困難;作為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的最后結(jié)果,移相觸發(fā)是PLC 的最大難點(diǎn),幾乎不可能。目前最常用的是將PLC 的調(diào)節(jié)輸出用外部的模擬電路( 如TC787 或線性集成電路) 轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖。
利用PCC 的TPU 功能能夠簡(jiǎn)單、可靠地實(shí)現(xiàn)移相觸發(fā)功能。觸發(fā)角是頻率的函數(shù),且與同步點(diǎn)有關(guān),我們?cè)诟咚偃蝿?wù)中作頻率測(cè)量,確定同步信號(hào)點(diǎn),然后就可以得到觸發(fā)角。其程序如下:
Speed1 FUB L TXcpiC( )；調(diào)用TPU 功能,測(cè)頻通道JF = 6 300 000/ Speed1.DifCnt；計(jì)算出頻率JF
DIL_E FUB L TXdilE( );調(diào)用TPU 功能,同步信號(hào)通道
DOL_4 FUB L TXdol4( );調(diào)用TPU 功能,脈沖輸出的第一個(gè)通道
DOL_5 FUB L TXdol5( );調(diào)用TPU 功能,脈沖輸出的第二個(gè)通道
DOL_6 FUB L TXdol6( );調(diào)用TPU 功能,脈沖輸出的第三個(gè)通道
DOL_7 FUB L TXdol7( );調(diào)用TPU 功能,脈沖輸出的第四個(gè)通道
DOL_8 FUB L TXdol8( );調(diào)用TPU 功能,脈沖輸出的第五個(gè)通道
DOL_9 FUB L TXdol9( );調(diào)用TPU 功能,脈沖輸出的第六個(gè)通道
DOL_4.LoHiDelay : = (AFA/ 360) * 6 300 000/ J F
DOL_5.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
DOL_6.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
DOL_7.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
DOL_8.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
DOL_9.LoHiDelay : = (60/ 360) * 6 300 000/ J F
變量AFA 為PID 調(diào)節(jié)運(yùn)算所計(jì)算出的觸發(fā)電角度α,DOL_4. LoHiDelay 為第一個(gè)通道的低電平延時(shí)時(shí)間。以同步點(diǎn)為時(shí)間基準(zhǔn),低電平延時(shí)時(shí)間由DOL_4. LoHiDelay 的計(jì)算值所對(duì)應(yīng)的晶振個(gè)數(shù)來(lái)確定,這樣就將觸發(fā)電角度α轉(zhuǎn)換為觸發(fā)時(shí)間,即完成移相功能。由于在一組的6 個(gè)脈沖中,相鄰的兩個(gè)脈沖之間時(shí)間間隔相同,所以第二個(gè)通道至第六個(gè)通道的低電平延時(shí)時(shí)間都為60°電角度。
由于頻率的測(cè)量,同步信號(hào)的確定,觸發(fā)脈沖的實(shí)現(xiàn)都是在高速任務(wù)中實(shí)現(xiàn),這樣就保證了調(diào)節(jié)過(guò)程的實(shí)時(shí)性。而且PP41 的晶振為6.3 MHz ,足以保證系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。而且PCC 的內(nèi)部軟件觸發(fā)功能取代了常用的PLC 外部模擬電路觸發(fā),減少了自制外部回路,提高了系統(tǒng)的可靠性,有利于系統(tǒng)的維護(hù)。
1. 5 功能與試驗(yàn)
(1) PCC 勵(lì)磁裝置的主要功能有恒電壓調(diào)節(jié)、恒勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)、恒無(wú)功調(diào)節(jié)、恒功率因數(shù)角調(diào)節(jié)、低勵(lì)限制、過(guò)勵(lì)限制、母線跟蹤、電量采集與計(jì)算、起勵(lì)、逆變、滅磁、雙通道切換等。
(2) PCC 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行了試驗(yàn)室的動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)和數(shù)字仿真試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:調(diào)節(jié)品質(zhì)優(yōu)于同等檔次的PLC 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,試驗(yàn)室具備考核條件的各項(xiàng)性能指標(biāo)皆滿足或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn)的要求。
1. 6 工業(yè)運(yùn)行結(jié)論
該產(chǎn)品已于2003 年4 月投運(yùn)于云南省新平縣挖窖河三級(jí)站4 MW的2 # 機(jī)組,并進(jìn)行了全面的工業(yè)試驗(yàn),主要性能指標(biāo)如表1 所示。
從表1 可以看出,裝置的各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和部頒標(biāo)準(zhǔn)。
表1 <
