长江三峡能事达电气股份有限公司 余翔

马边宪家普河流域开发有限责任公司挖黑电站 许文渊 张琪

1 引言

励磁调节器承担着维持同步发电机机端电压稳定、协调并列机组间的无功分配以及抑制有功功率振荡的任务，它的可靠性对于发电厂有着特别重要的意义。当前的微机励磁调节器大部分使用专门定制的单片机或工业控制计算机。这些CPU板大部分是自行设计制作，小批量生产。一方面限于硬件设计水平，对于各种意外情况的防护考虑不够周到，另一方面对于元器件的筛选、老化不够重视，相关生产工艺水平有限，造成CPU板抗干扰能力差，稳定性不高，进而降低了励磁系统的可靠性，影响了发电厂的安全运行。

为了改进励磁调节器的可靠性，PLC模块被引入励磁调节器 。高可靠性是PLC最突出的特点。PLC采用了优良的开关电源，各个模块均采用了屏蔽措施，在模块的输入端采用了R-C滤波，具有一定的自诊断能力，在电源或软件、硬件异常时CPU可以采取相应措施防止故障范围扩大。采用PLC可以有效改善励磁控制器的稳定性。但是PLC模块通常用于简单的I/O控制或过程控制，自身的主频很低，所以使用PLC模块的励磁调节器都采用了多CPU分工合作的方法：PLC完成控制与逻辑判断，外围的CPU或功能模块完成测频、交流采样等高速任务，并以通信的方式将结果传递给PLC模块，PLC模块计算出控制角后再把控制角传递给外围CPU形成整流柜的触发脉冲[2][3][。4]这些实现高速任务的外围CPU或功能模块可靠性依然维持在较低的水平，拖累了系统的可靠性。同时多CPU结构也增加了系统的复杂性，延长了控制时滞，降低了励磁调节器的控制性能。

PCC（Programmable Computer Control ler）是奥地利贝加莱公司生产的可编程控制器，可靠性与常规PLC相当，主频与单片机相当，可以胜任一些PLC无法完成的高速任务。尤为重要的是PCC可以通过调用时间处理器（Time Processor Unit，TPU）函数间接完成单片机在中断函数中实现的功能，从而保证测量、控制的实时性，达到较高的控制性能。

2 PCC励磁调节器的硬件

2.1 IP 161简介

PCC的CPU模块带有操作系统，可以按照预置的周期对多个任务分配工作时间，操作系统自身占用了10%的CPU时间。PCC的任务分为普通任务和高速任务两种，普通任务最小周期为10ms，而定时器任务，即高速任务，最小周期可达3ms。如果两个任务循环调用时间发生冲突，则调用周期越短的任务优先级越高。CPU模块的内存中有有双口RAM用于CPU和I/O处理器之间的数据交换，用户程序存储在专用的用户ROM区。这一区域也对用户程序开放，用户可在此开辟专用数据区，并调用库函数修改、固化数据区内容。励磁调节器的控制参数和设备参数就是通过这样的方法实现了在线修改和固化。带TPU的PCC模块如图1所示。

图1 带TPU的PCC模块

PCC支持多种编程语言，包括梯形图，标准C语言，AB(Automat ion Basic)，指令列表IL(Instruction List) 以及顺序函数图(Sequential Function Chart)。PCC的编程与硬件配置密切相关，在代码中包含了所有模块的名称和[5]插槽位置。如果调用TPU的LTX函数，则需要预先为相应的通道设置所需的LTX函数。PCC不允许直接对底层硬件编程，但完备的函数库 ，其中初始化代码仅在模块上电时调用。

可编程I/O 处理器模块IP161主频6.26MHz，带有专门处理事件计数、时间测量等与时间相关的时间处理器（TPU）。IP161具有12路可设置数字输出/输入通道，6路模拟输出，6路模拟输入。其中数字输出通道可以发送控制脉冲，数字输入通道可以接入同步信号用于触发控制脉冲和测频，模拟输入通道可以与TPU函数配合完成交流采样。IP161具有两个RS232串口，一个CAN接口，在与其他控制通道或监控通信时具有极大的灵活性。

2.2 PCC励磁控制器的硬件配置

图2 PCC励磁控制器硬件原理框图

PCC励磁调节器的配置如图2所示。其中CPU模块选用了2005系列的IP161，电源模块选用了PS794。由于IP161的AI通道数量只能满足交流采样的需要，所以加上了AI350模块用于测量系统电压、励磁电流和励磁电压这三个直流分量。数字输入模块DI476用于输入开关量，而开关量输出使用了继电器型数字输出模块DO650，可以隔离外部电路。

IP161数字通道之间可以通过LINK信号交换时间信息。LINK信号是TPU函数之间传递的联系信号，这种信号的传输不经过CPU，由控制输入输出的TPU函数直接响应，转发时滞不超过一个指令周期。IP161 有12个数字通道，其中6个设置为输出通道，用于生成控制脉冲；还有3个设置成输入通道，接入同步信号后，均可进行测频，其中一个作为同步通道，在接收到同步信号上升沿后发送LINK信号到脉冲通道生成控制脉冲，其余两个通道的LINK信号在三相之间按正序发送，可以得到三相之间的两个相位差，用于同步信号的原方断线判断。由于IP161的模拟输入通道具有高速AD转换的能力，可以完成对机端电压和定子电流的交流采样，并计算有功功率和无功功率。

3 PCC励磁调节器的软件实现

3.1 测频

文献[6]调用LTXc pi X（后一个X对应的是数字通道序号）函数使用内部周期计数来测量外部方波的周期，但是这个函数必须频繁调用才能保证周期测量的准确性。在实验中发现，至少5.5ms调用一次才能保证对50Hz的方波信号测量的准确。而励磁控制的主循环一般为10ms，需要另外新建高速定时器任务对LTXcpiX函数进行调用。

由于LTXcpiX函数需要占用过多资源，所以在本方案中使用了LTXditX函数。LTXditX函数可以同时锁存两个信号的到达时刻，但是不同的DI通道使用的是不同的计数器，通道之间计数值的比较没有意义。LTXditX函数的输出参数TCnt0，TCnt1记录了时刻锁存的次数，即两路信号到达的上升沿数。主循环调用该函数后，如果TCnt参数发生了变化，说明有新的上升沿到达，以新的计数值减去外部保存的旧计数值再除以新到达的上升沿数量就可以得到信号周期，最后刷新外部保存的计数值准备下一次测量。由于TPU使用的是32位计数器，所以周期测量的上限很高。测频使用的计数器频率为CPU主频，6.29MHz，周期测量精度为0.16微秒。

相位差的测量与周期测量类似。假定需要测量DI0和DI1通道数字输入信号的相位差，设置LTXdit0函数，上升沿到达时发送LINK信号到DI1，设置LTXdit1函数锁存LINK信号到达时刻和DI1输入上升沿到达时刻，TCnt0或TCnt1发生变化时，锁存的两路时刻差值除以周期就是相位差。

3.2 交流采样

交流采样对同步性要求不高，只要求采样点在一个周期内均匀分布。在采样周期与被测波形周期不匹配时，采样的计算结果会产生纹波，两者频率相差越大，纹波幅值越大。由于同步发电机的周期是变化的，所以要求采样周期也要不断作出相应调整以保证采样结果的准确。PCC中所谓的定时任务只能预设定时时间，在执行时不能修改定时时间，所以必须使用TPU函数才能实现变周期测量。

IP161的高速采样是通过调用TPU函数LTXdpwmF和LTXcac函数实现的。在模拟输入的初始化函数LTXcac中设置AD转换为触发方式，并指定用于存储AD转换结果的缓存FIFO地址和存储的数据数量，在Mode属性中开启FIFO功能，设置虚拟数字通道F发送虚拟脉冲驱动驱动6个AD通道同时采样。如图3所示，通过设置高电平时间HighTicks和低电平时间LowTicks，确定了采样周期为HighTicks+LowTicks，在每个虚拟脉冲上升沿IP161启动所有AD通道采样，并将采样结果存入FIFO数据区。

图3 虚拟数字通道F驱动AD采样

采样结果写入FIFO数据区的方式有两种，一种是存满以后停止转换，此时可以从LTXcac的FifoReady属性检测出数据是否就绪。数据已就绪则读取结果，并重启AD转换。另一种是循环写入，虽然不能知道当前数据正在写入哪一个地址，但可以从虚拟通道E的输出看出采样数据正在写入前半部分还是后半部分。如果采取循环写入方式，FIFO的数据容量应该是所需数据量的两倍。比如采用12点付氏采样，6路模拟输入通道同时采样，每一个采样结果为一个16位的短整型数，则FIFO的数据容量应设置成144字节。如果AD采样数据正写入FIFO前半部分，则取后12点计算，反之亦然。LTXdpwmF函数用于输出AD转换的触发信号。只需要设置输出方波信号的高电平持续时间HighTicks和低电平持续时间LowTicks即可正常输出触发信号。但是由于采样周期是变化的，必须在主循环中根据周期重新设置触发信号的周期。另外IP161的最小采样周期是100μs，所以触发信号的周期也不得小于100μs。尽管为LTXdpwmF设置的触发方波周期值只有在下一个控制周期才能生效，但同步发电机的转速变化相对于电气控制而言非常缓慢，这种迟滞对于测量精度不会产生太大影响。

3.3 生成控制脉冲

发送到整流柜的控制脉冲必须与机端电压保持同步。在单片机励磁系统中，脉冲同步是依靠同步中断实现的。但是IP161所属的B&R2005系列模块没有开放中断功能，必须使用TPU函数实现。在TPU函数中脉冲使用同步通道发出的LINK信号触发。虽然IP161的数字通道可以接收来自不同通道的LINK信号，但每个数字通道的LINK信号只能发送到唯一一个目的通道。所以IP161中由来自同步信号通道的LINK信号延时触发第一个脉冲的上升沿，而第一个脉冲发送上升沿的同时发送一个LINK信号到另一个数字通道延时触发第二个脉冲，其余脉冲以类似方式依次触发。由于这种原理上的限制，IP161只能发出单脉冲，不能直接输出双脉冲。

外部正弦波整流成方波信号后作为数字输入，对应的数字通道分配LTXditX函数。如图4所示，采取同步方波上升沿触发，设置LnkMode属性为0x44，在上升沿时发送LINK信号，并记录时刻值以测量周期。还需要设置LINK信号的目的通道LnkChan。

6个脉冲通道对应6个数字输出通道，分配函数LTXdol X（后一个X对应数字通道序号）。对于发送第一个脉冲的数字通道DO1，需要在发送脉冲上升沿时发送LINK信号驱动数字通道DO2发送第二个脉冲。如果发送正脉冲，LnkMode应设置成0x14，在上升沿时发送LINK信号，在接收到来自同步通道的LINK信号后经过LoHiDelay后输出跳变为高电平，设置Mode属性为1，保证高电平信号持续时间Hi LoDelay。对于控制脉冲，高电平持续时间是一定的，HiLoDelay是一个常数，在初始化中设置一次即可。而由接收到LINK信号到输出高电平的延时时间是变化的。第一个脉冲的延时时间对应控制角，其余脉冲的延时时间对应的是60º角。由于同步周期是变化的，延时时间也必须随之变化，所以每个周期必须在主循环中重新设置。

图4 同步脉冲触发示意图

3.4 参数固化

IP161有1.5MB供用户使用的Flash型PROM，除了存储程序外还可以开辟一个数据区专门存储控制参数，这个参数存储区域可以在线修改和固化。修改参数前必须使用DA_ident函数检测是否存在同名的存储区，如果存在必须调用DA_del tete函数删除老的数据区；再调用DA_create函数创建参数数据区；接着使用DA_wri te将新参数写入数据区；然后调用DA_burn函数将数据区烧写进Flash；最后调用SYSreset函数重启系统，启用新参数。需要说明的是，DA_delete函数并非真的清除了数据区，只是保证以后不再使用这个存储空间，所以每改写一次参数就有一部分存储区不能再次使用。为了避免现场调试时因为空间不足而无法修改参数，在控制器完成出厂调试后必须擦除用户ROM，清理所有的Flash存储空间，然后再写入控制程序，这样出厂后的PCC控制器可以有最大的剩余空间供用户多次修改参数。

4 现场运行

PCC励磁控制器已经在四川挖黑电站实际运行，电站装有2台容量22.2MW的发电机组，额定电压10.5kV，额定定子电流1.51kA，额定励磁电流615A，额定功率因数0.8。现场运行的励磁调节器采用了常规的双控制通道，一个是PCC控制通道，另一个是DSP控制通道。如图5所示，两个控制通道通过CAN网连接，可以保证控制通道切换时不产生扰动。

图5 励磁调节器内部通信网络

4.1 起励试验

图6 起励试验

参见图6，在t=1s时励磁控制器接收到起励命令，起励目标值为1，给定值由1变为0.2。经过约2.1s，机端电压上升到0.2P.U.，给定值开始小幅攀升。t=7.4s时机端电压上升到0.99P.U.，给定值变为目标值，起励完成。起励过程约6.4s，超调0.006，性能指标远优于国标要求。

4.2 大扰动试验

现场因为误操作产生了巨大扰动，PCC励磁调节器经过约5s的调节，有效抑制了有功功率的振荡，表现出了极强的阻尼，参见图7。

图7 现场大扰动故障

4.3 甩负荷试验

图8 甩负荷实验

由于相关设备影响，甩负荷实验时机组并没有实现满负荷运行，实验前有功功率0.68，无功功率0.44，电压给定值1。甩负荷后电压峰值1.115，振荡一次，超调约11.5%，优于国标规定的15% 20%的标准。同时PCC励磁调节器准确跟踪了频率的变化，证明了测频方案的可行性。甩负荷实验参见图8。

4.4 干扰冲击

现场切换厂用电过程中产生了较大的冲击干扰，两台励磁调节器的DSP控制通道程序丢失，在Flash中重新写入程序后恢复正常。而PCC控制通道均保持正常。

5 结论

本文所介绍的基于PCC的励磁控制器实现方案，交流采样、周期测量和输出控制脉冲等高速任务完全依靠PCC自身完成，极大地简化了硬件结构，提高了系统的可靠性。

现场运行经验表明相对DSP励磁调节器，PCC励磁调节器可靠性极高，性能稍逊，但仍然可以满足国标、行标要求。性能方面差异主要是实现原理方面的原因造成的，PCC励磁调节器改变控制角延时必须重新设置IP161模块中DO通道的参数，而这些设置只有在下一个周期才能生效，所以PCC励磁控制器的控制总会有一个周期的滞后，这对控制器性能影响较大。

[1] 秦承志，杨俊友，孙荣斌.基于PLC的同步发电机励磁调节器研究[J].沈阳电力高等专科学校学报，2002，(10)：10-13.

[2] 吴茂刚，王成元，崔皆凡.基于S7-200的同步发电机无刷励磁调节系统设计[J].电工技术杂志，2003（3）：61-63.

[3] 张修茂,周维新,刘长丽,刘玉梅，可编程序控制器在中小型水轮发电机组励磁上的应用[N].黑龙江水专学报，2002 -3.99-100.

[4] 曾以亮，程健，蒋海峰.PLC在发电机励磁调节中的应用[J].自动化与仪表，2004,（1）：47-50.

[5] 齐蓉.PCC高级编程技术[C].西安：西北工业大学出版社，2002.

[6] 南海鹏, 姚李孝, 王德意.PCC 测频测相装置研究[J].电网技术，2001,(9）：78-80.