長江三峽能事達電氣股份有限公司 余翔

馬邊憲家普河流域開發(fā)有限責任公司挖黑電站 許文淵 張琪

1 引言

勵磁調節(jié)器承擔著維持同步發(fā)電機機端電壓穩(wěn)定、協(xié)調并列機組間的無功分配以及抑制有功功率振蕩的任務，它的可靠性對于發(fā)電廠有著特別重要的意義。當前的微機勵磁調節(jié)器大部分使用專門定制的單片機或工業(yè)控制計算機。這些CPU板大部分是自行設計制作，小批量生產(chǎn)。一方面限于硬件設計水平，對于各種意外情況的防護考慮不夠周到，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，進而降低了勵磁系統(tǒng)的可靠性，影響了發(fā)電廠的安全運行。

為了改進勵磁調節(jié)器的可靠性，PLC模塊被引入勵磁調節(jié)器 。高可靠性是PLC最突出的特點。PLC采用了優(yōu)良的開關電源，各個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CPU可以采取相應措施防止故障范圍擴大。采用PLC可以有效改善勵磁控制器的穩(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模塊的勵磁調節(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，并以通信的方式將結果傳遞給PLC模塊，PLC模塊計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]這些實現(xiàn)高速任務的外圍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。同時多CPU結構也增加了系統(tǒng)的復雜性，延長了控制時滯，降低了勵磁調節(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，主頻與單片機相當，可以勝任一些PLC無法完成的高速任務。尤為重要的是PCC可以通過調用時間處理器（Time Processor Unit，TPU）函數(shù)間接完成單片機在中斷函數(shù)中實現(xiàn)的功能，從而保證測量、控制的實時性，達到較高的控制性能。

2 PCC勵磁調節(jié)器的硬件

2.1 IP 161簡介

PCC的CPU模塊帶有操作系統(tǒng)，可以按照預置的周期對多個任務分配工作時間，操作系統(tǒng)自身占用了10%的CPU時間。PCC的任務分為普通任務和高速任務兩種，普通任務最小周期為10ms，而定時器任務，即高速任務，最小周期可達3ms。如果兩個任務循環(huán)調用時間發(fā)生沖突，則調用周期越短的任務優(yōu)先級越高。CPU模塊的內存中有有雙口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)，并調用庫函數(shù)修改、固化數(shù)據(jù)區(qū)內容。勵磁調節(jié)器的控制參數(shù)和設備參數(shù)就是通過這樣的方法實現(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，標準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，在代碼中包含了所有模塊的名稱和[5]插槽位置。如果調用TPU的LTX函數(shù)，則需要預先為相應的通道設置所需的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調用。

可編程I/O 處理器模塊IP161主頻6.26MHz，帶有專門處理事件計數(shù)、時間測量等與時間相關的時間處理器（TPU）。IP161具有12路可設置數(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RS232串口，一個CAN接口，在與其他控制通道或監(jiān)控通信時具有極大的靈活性。

2.2 PCC勵磁控制器的硬件配置

圖2 PCC勵磁控制器硬件原理框圖

PCC勵磁調節(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、勵磁電流和勵磁電壓這三個直流分量。數(shù)字輸入模塊DI476用于輸入開關量，而開關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，轉發(fā)時滯不超過一個指令周期。IP161 有12個數(shù)字通道，其中6個設置為輸出通道，用于生成控制脈沖；還有3個設置成輸入通道，接入同步信號后，均可進行測頻，其中一個作為同步通道，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轉換的能力，可以完成對機端電壓和定子電流的交流采樣，并計算有功功率和無功功率。

3 PCC勵磁調節(jié)器的軟件實現(xiàn)

3.1 測頻

文獻[6]調用LTXc pi X（后一個X對應的是數(shù)字通道序號）函數(shù)使用內部周期計數(shù)來測量外部方波的周期，但是這個函數(shù)必須頻繁調用才能保證周期測量的準確性。在實驗中發(fā)現(xiàn)，至少5.5ms調用一次才能保證對50Hz的方波信號測量的準確。而勵磁控制的主循環(huán)一般為10ms，需要另外新建高速定時器任務對LTXcpiX函數(shù)進行調用。

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)可以同時鎖存兩個信號的到達時刻，但是不同的DI通道使用的是不同的計數(shù)器，通道之間計數(shù)值的比較沒有意義。LTXditX函數(shù)的輸出參數(shù)TCnt0，TCnt1記錄了時刻鎖存的次數(shù)，即兩路信號到達的上升沿數(shù)。主循環(huán)調用該函數(shù)后，如果TCnt參數(shù)發(fā)生了變化，說明有新的上升沿到達，以新的計數(shù)值減去外部保存的舊計數(shù)值再除以新到達的上升沿數(shù)量就可以得到信號周期，最后刷新外部保存的計數(shù)值準備下一次測量。由于TPU使用的是32位計數(shù)器，所以周期測量的上限很高。測頻使用的計數(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，設置LTXdit0函數(shù)，上升沿到達時發(fā)送LINK信號到DI1，設置LTXdit1函數(shù)鎖存LINK信號到達時刻和DI1輸入上升沿到達時刻，TCnt0或TCnt1發(fā)生變化時，鎖存的兩路時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，只要求采樣點在一個周期內均勻分布。在采樣周期與被測波形周期不匹配時，采樣的計算結果會產(chǎn)生紋波，兩者頻率相差越大，紋波幅值越大。由于同步發(fā)電機的周期是變化的，所以要求采樣周期也要不斷作出相應調整以保證采樣結果的準確。PCC中所謂的定時任務只能預設定時時間，在執(zhí)行時不能修改定時時間，所以必須使用TPU函數(shù)才能實現(xiàn)變周期測量。

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

圖3 虛擬數(shù)字通道F驅動AD采樣

采樣結果寫入FIFO數(shù)據(jù)區(qū)的方式有兩種，一種是存滿以后停止轉換，此時可以從LTXcac的FifoReady屬性檢測出數(shù)據(jù)是否就緒。數(shù)據(jù)已就緒則讀取結果，并重啟AD轉換。另一種是循環(huán)寫入，雖然不能知道當前數(shù)據(jù)正在寫入哪一個地址，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)容量應該是所需數(shù)據(jù)量的兩倍。比如采用12點付氏采樣，6路模擬輸入通道同時采樣，每一個采樣結果為一個16位的短整型數(shù)，則FIFO的數(shù)據(jù)容量應設置成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點計算，反之亦然。LTXdpwmF函數(shù)用于輸出AD轉換的觸發(fā)信號。只需要設置輸出方波信號的高電平持續(xù)時間HighTicks和低電平持續(xù)時間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設置的觸發(fā)方波周期值只有在下一個控制周期才能生效，但同步發(fā)電機的轉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端電壓保持同步。在單片機勵磁系統(tǒng)中，脈沖同步是依靠同步中斷實現(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，但每個數(shù)字通道的LINK信號只能發(fā)送到唯一一個目的通道。所以IP161中由來自同步信號通道的LINK信號延時觸發(fā)第一個脈沖的上升沿，而第一個脈沖發(fā)送上升沿的同時發(fā)送一個LINK信號到另一個數(shù)字通道延時觸發(fā)第二個脈沖，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)，設置LnkMode屬性為0x44，在上升沿時發(fā)送LINK信號，并記錄時刻值以測量周期。還需要設置LINK信號的目的通道LnkChan。

6個脈沖通道對應6個數(shù)字輸出通道，分配函數(shù)LTXdol X（后一個X對應數(shù)字通道序號）。對于發(fā)送第一個脈沖的數(shù)字通道DO1，需要在發(fā)送脈沖上升沿時發(fā)送LINK信號驅動數(shù)字通道DO2發(fā)送第二個脈沖。如果發(fā)送正脈沖，LnkMode應設置成0x14，在上升沿時發(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?，設置Mode屬性為1，保證高電平信號持續(xù)時間Hi LoDelay。對于控制脈沖，高電平持續(xù)時間是一定的，HiLoDelay是一個常數(shù)，在初始化中設置一次即可。而由接收到LINK信號到輸出高電平的延時時間是變化的。第一個脈沖的延時時間對應控制角，其余脈沖的延時時間對應的是60o角。由于同步周期是變化的，延時時間也必須隨之變化，所以每個周期必須在主循環(huán)中重新設置。

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數(shù)據(jù)區(qū)專門存儲控制參數(shù)，這個參數(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)，如果存在必須調用DA_del tete函數(shù)刪除老的數(shù)據(jù)區(qū)；再調用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)；然后調用DA_burn函數(shù)將數(shù)據(jù)區(qū)燒寫進Flash；最后調用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)場調試時因為空間不足而無法修改參數(shù)，在控制器完成出廠調試后必須擦除用戶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)場運行

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

圖5 勵磁調節(jié)器內部通信網(wǎng)絡

4.1 起勵試驗

圖6 起勵試驗

參見圖6，在t=1s時勵磁控制器接收到起勵命令，起勵目標值為1，給定值由1變?yōu)?.2。經(jīng)過約2.1s，機端電壓上升到0.2P.U.，給定值開始小幅攀升。t=7.4s時機端電壓上升到0.99P.U.，給定值變?yōu)槟繕酥担饎钔瓿?。起勵過程約6.4s，超調0.006，性能指標遠優(yōu)于國標要求。

4.2 大擾動試驗

現(xiàn)場因為誤操作產(chǎn)生了巨大擾動，PCC勵磁調節(jié)器經(jīng)過約5s的調節(jié)，有效抑制了有功功率的振蕩，表現(xiàn)出了極強的阻尼，參見圖7。

圖7 現(xiàn)場大擾動故障

4.3 甩負荷試驗

圖8 甩負荷實驗

由于相關設備影響，甩負荷實驗時機組并沒有實現(xiàn)滿負荷運行，實驗前有功功率0.68，無功功率0.44，電壓給定值1。甩負荷后電壓峰值1.115，振蕩一次，超調約11.5%，優(yōu)于國標規(guī)定的15% 20%的標準。同時PCC勵磁調節(jié)器準確跟蹤了頻率的變化，證明了測頻方案的可行性。甩負荷實驗參見圖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，兩臺勵磁調節(jié)器的DSP控制通道程序丟失，在Flash中重新寫入程序后恢復正常。而PCC控制通道均保持正常。

5 結論

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

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

[1] 秦承志，楊俊友，孫榮斌.基于PLC的同步發(fā)電機勵磁調節(jié)器研究[J].沈陽電力高等?？茖W校學報，2002，(10)：10-13.

[2] 吳茂剛，王成元，崔皆凡.基于S7-200的同步發(fā)電機無刷勵磁調節(jié)系統(tǒng)設計[J].電工技術雜志，2003（3）：61-63.

[3] 張修茂,周維新,劉長麗,劉玉梅，可編程序控制器在中小型水輪發(fā)電機組勵磁上的應用[N].黑龍江水專學報，2002 -3.99-100.

[4] 曾以亮，程健，蔣海峰.PLC在發(fā)電機勵磁調節(jié)中的應用[J].自動化與儀表，2004,（1）：47-50.

[5] 齊蓉.PCC高級編程技術[C].西安：西北工業(yè)大學出版社，2002.

[6] 南海鵬, 姚李孝, 王德意.PCC 測頻測相裝置研究[J].電網(wǎng)技術，2001,(9）：78-80.