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[摘 要]随着计算机技术的发展，现代控制理论的的成熟，在励磁方面有了很大的提高。目前，国内外已开发出多款优秀的励磁产品，并在实践中有了很好的应用，这些产品技术含量高，运行了先进的控制理论，不仅有PID，PSS，还有LOEC，NEC，以及先进的鲁棒控制理论，硬件配置也相对较高，适用于大中小型机组中。然而这些产品往往这些产品价格偏高，为许多小电厂所不能接受。考虑到小电厂在电网中的所起的作用，为此我们使用了EX2000型微机励磁调节器，其控制规律简单，功能适用，价格便宜，为广大中小电厂励磁系统所能接受。
[关键词]励磁系统 EX2000 控制规律 P I D
中图分类号：TV734.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0327-01
随着电力系统规模的日益扩大，发电设备容量的提高，导致电力系统运行方式的变化越来越频繁。为了更好的保证电网的安全、经济运行并保证电能质量，励磁调节控制装置作为电力系统中重要的自动控制装置，对于其工作效果提出了更高的要求。
1、小型微机励磁调节系统特点
小型微机励磁调节系统特定是构造简单，硬件电路集成度高，比如本论文涉及的励磁调节器主要控制部分集成在一块电路板上。控制芯片MPU一般采用不是很高级的单片机，软件程序简单，控制规律简单，通常为传统的PID控制。对运算精度和速度的要求也相对较低。
2、励磁调节器控制原理
磁系统作为同步发电机转子励磁电流的供给系统，在同步发电机组成部分中占据重要的位置。励磁控制系统通过控制静止可控硅整流器的触发角以控制发电机励磁电流，进而控制控制同步发电机发出的电势。而且同步发电机并网之后，其发出的电势还影响无功功率发出，机端电压高低和机端电流等参量。因此在某种程度上也可以说，励磁控制器也控制着系统的运行状态和系统的稳定。通过对发电机的端电压、无功功率等各个参数引入反馈控制，可以使发电机的工作更加稳定和有效。
3、 硬件结构概述
励磁控制系统电路板的主要功能有以下方面：
1） 接受经过互感器变送来的8路电量，其中4路交流4路直流，通过ADμC812芯片的控制规律计算转换得到可控整流桥的控制电压并输出。
2） 接受励磁调节器机箱上8路开关量的输入以及输出8位状态字的LED显示。8路输入开关量分别为开机、停机、增磁、减磁、主油开关开合、SCR故障切换、恒无功投切和主从状态切换，8位输出LED显示分别是装置正常、运行/等待、投电源、保护动作、欠励磁限制、过励磁限制、PT断线、板电流故障。
3） 完成上位PC机和控制电路板的串口异步通信，定时接受上位机发出的控制命令并向上位机发送各个电气量的数值。
4） 给ADμC812下载程序提供硬件接口。
5） 通过继电器输出装置正常与否（GOOD）、运行/等待（RUN）、投电源（STAP）、保护动作（PORT）信号。
6） 对交流信号测频接口电路。
4、软件程序设计
4.1 软件整体结构
励磁控制程序在上电开始先执行初始化，包括内部RAM和特殊功能积存器的设定。然后进入循环，循环为整个周波的时间。前半个周波处理半周波8通道16点采样和累加计算；后半个周波处理基本电气量的基值计算，与PC机的数据通信，中断测頻数据处理并更新频率设置，接收并处理励磁调节器主机板发出的开关量信号，按励磁控制规律以及人为发出的控制命令计算励磁电压设定值并D/A输出，限制与报警以及日常事务处理。
4.2 程序总体介绍
4.2.1 存储器空间分配
由于硬件电路板上没有扩展RAM，所以只能应用ADμC812内部数据和程序存储器。ADμC812程序存储器有8KB，就编写励磁控制程序而言完全够用；而片内数据RAM只有256字节，地址为00H～FFH。所以如何合理的分配和充分利用数据RAM存储空间成为了比较大的问题。
4.3 程序实时性讨论
作为控制程序其实时性是关键，本节主要就半周波16点采样计算和串口通信实时性问题作一些讨论。
4.3.1 半周波16点采样计算实时性讨论
半周波16点采样需要将计算时间严格限定在1/32周波时间采样间隔之内，交流信号限定值为55Hz，则采样间隔可能的最小值为0.568ms。最高频率通过软件仿真，交流量计算只有绝对值累加算法才满足采样间隔定时，而对四路交流信号均采取方均根算法和DFT算法速度都太慢。比如四路交流信号方均根算法在一个采样间隔中运算程序最大时间需要0.791ms，而四路交流信号DFT最大运算时间需要1.347ms，均大于要求的0.568ms。原因是在程序运算中对四路交流量调用了乘法模块，执行指令数目达到了几百甚至上千，导致运算速率低下。
得到的结论由于51单片机运算速度和指令系统的不足，导致运算速度和精度要求产生了较大的矛盾，如果要满足精度要求则必须编写繁琐的子程序，导致运算速度的进一步下降。
一种解决方案是是选用更高速度的芯片如96单片机或者DSP芯片，以维持程序结构不变。这样则需要重新设计硬件电路结构，作出新的电路板
另一种方案是扩大采样时间间隔，减小半周波采样次数，比如改成半周期12点采样。另外可以不对四路交流量都采取DFT运算，仅仅对精度要求最高的机端电压Ut和电流It进行DFT算法，另外两路交流量采用绝对值累加算法，这样DFT运算就可以减小一半。除此之外还可以采用Ut、It通过DFT算法所得到的实部和虚部计算无功功率，具体算法在2.4.3小节做了详细论述。这样则可以去掉在采样间隔中的无功累加模块，又可以减少一个乘法运算。现在正在进行这方面的工作，因为已经有了原先的程序基础，只需改动一些参数就即可。由于对新提出的算法和相应新程序还没有完成足够的实时性以及其他性能测试，所以没有写入论文内。
另外主程序循环中的开方计算也比较占用MPU时间，这样则需要延长主程序周期。
4.3.2 串行通信实时性讨论
串口通信除了对串口通信寄存器SBUF处理之外和中断标志位的判断之外，由于是通过中断，MPU处理串口通信程序的指令很少。异步通信和MPU是并行工作的，由于串口通信速率为9600bps，则发送一包6个字节数据只需要10×6/9600=6.35ms，小于半个周期时限10ms。满足实时性要求。
5. 结论和展望
5.1 已完成部分总结：
正在进行将DFT算法的修改。已经编写了半周期12点采样，仅仅对精度要求最高的机端电压Ut和电流It进行DFT算法，另外两路交流量采用绝对值累加算法，除此之外还可以采用Ut、It通过DFT算法所得到的实部和虚部计算无功功率的DFT算法改进程序。因为已经有了原先的DFT算法和一些运算子程序的基础，新的算法比较容易实现。目前正在对新提出的DFT算法和相应程序作实时性和其他性能的软件分析测试。
将对新做出的硬件电路板进行调试工作，包括不合要求的集成器件和一些电阻电容的变动。下载程序至单片机并在硬件电路上完成程序的调试，以便对软件程序的实际功能进行综合评价。
组合微机励磁调节器整个系统，在动模实验室测试其实际性能。
[关键词]励磁系统 EX2000 控制规律 P I D
中图分类号：TV734.4 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）03-0327-01
随着电力系统规模的日益扩大，发电设备容量的提高，导致电力系统运行方式的变化越来越频繁。为了更好的保证电网的安全、经济运行并保证电能质量，励磁调节控制装置作为电力系统中重要的自动控制装置，对于其工作效果提出了更高的要求。
1、小型微机励磁调节系统特点
小型微机励磁调节系统特定是构造简单，硬件电路集成度高，比如本论文涉及的励磁调节器主要控制部分集成在一块电路板上。控制芯片MPU一般采用不是很高级的单片机，软件程序简单，控制规律简单，通常为传统的PID控制。对运算精度和速度的要求也相对较低。
2、励磁调节器控制原理
磁系统作为同步发电机转子励磁电流的供给系统，在同步发电机组成部分中占据重要的位置。励磁控制系统通过控制静止可控硅整流器的触发角以控制发电机励磁电流，进而控制控制同步发电机发出的电势。而且同步发电机并网之后，其发出的电势还影响无功功率发出，机端电压高低和机端电流等参量。因此在某种程度上也可以说，励磁控制器也控制着系统的运行状态和系统的稳定。通过对发电机的端电压、无功功率等各个参数引入反馈控制，可以使发电机的工作更加稳定和有效。
3、 硬件结构概述
励磁控制系统电路板的主要功能有以下方面：
1） 接受经过互感器变送来的8路电量，其中4路交流4路直流，通过ADμC812芯片的控制规律计算转换得到可控整流桥的控制电压并输出。
2） 接受励磁调节器机箱上8路开关量的输入以及输出8位状态字的LED显示。8路输入开关量分别为开机、停机、增磁、减磁、主油开关开合、SCR故障切换、恒无功投切和主从状态切换，8位输出LED显示分别是装置正常、运行/等待、投电源、保护动作、欠励磁限制、过励磁限制、PT断线、板电流故障。
3） 完成上位PC机和控制电路板的串口异步通信，定时接受上位机发出的控制命令并向上位机发送各个电气量的数值。
4） 给ADμC812下载程序提供硬件接口。
5） 通过继电器输出装置正常与否（GOOD）、运行/等待（RUN）、投电源（STAP）、保护动作（PORT）信号。
6） 对交流信号测频接口电路。
4、软件程序设计
4.1 软件整体结构
励磁控制程序在上电开始先执行初始化，包括内部RAM和特殊功能积存器的设定。然后进入循环，循环为整个周波的时间。前半个周波处理半周波8通道16点采样和累加计算；后半个周波处理基本电气量的基值计算，与PC机的数据通信，中断测頻数据处理并更新频率设置，接收并处理励磁调节器主机板发出的开关量信号，按励磁控制规律以及人为发出的控制命令计算励磁电压设定值并D/A输出，限制与报警以及日常事务处理。
4.2 程序总体介绍
4.2.1 存储器空间分配
由于硬件电路板上没有扩展RAM，所以只能应用ADμC812内部数据和程序存储器。ADμC812程序存储器有8KB，就编写励磁控制程序而言完全够用；而片内数据RAM只有256字节，地址为00H～FFH。所以如何合理的分配和充分利用数据RAM存储空间成为了比较大的问题。
4.3 程序实时性讨论
作为控制程序其实时性是关键，本节主要就半周波16点采样计算和串口通信实时性问题作一些讨论。
4.3.1 半周波16点采样计算实时性讨论
半周波16点采样需要将计算时间严格限定在1/32周波时间采样间隔之内，交流信号限定值为55Hz，则采样间隔可能的最小值为0.568ms。最高频率通过软件仿真，交流量计算只有绝对值累加算法才满足采样间隔定时，而对四路交流信号均采取方均根算法和DFT算法速度都太慢。比如四路交流信号方均根算法在一个采样间隔中运算程序最大时间需要0.791ms，而四路交流信号DFT最大运算时间需要1.347ms，均大于要求的0.568ms。原因是在程序运算中对四路交流量调用了乘法模块，执行指令数目达到了几百甚至上千，导致运算速率低下。
得到的结论由于51单片机运算速度和指令系统的不足，导致运算速度和精度要求产生了较大的矛盾，如果要满足精度要求则必须编写繁琐的子程序，导致运算速度的进一步下降。
一种解决方案是是选用更高速度的芯片如96单片机或者DSP芯片，以维持程序结构不变。这样则需要重新设计硬件电路结构，作出新的电路板
另一种方案是扩大采样时间间隔，减小半周波采样次数，比如改成半周期12点采样。另外可以不对四路交流量都采取DFT运算，仅仅对精度要求最高的机端电压Ut和电流It进行DFT算法，另外两路交流量采用绝对值累加算法，这样DFT运算就可以减小一半。除此之外还可以采用Ut、It通过DFT算法所得到的实部和虚部计算无功功率，具体算法在2.4.3小节做了详细论述。这样则可以去掉在采样间隔中的无功累加模块，又可以减少一个乘法运算。现在正在进行这方面的工作，因为已经有了原先的程序基础，只需改动一些参数就即可。由于对新提出的算法和相应新程序还没有完成足够的实时性以及其他性能测试，所以没有写入论文内。
另外主程序循环中的开方计算也比较占用MPU时间，这样则需要延长主程序周期。
4.3.2 串行通信实时性讨论
串口通信除了对串口通信寄存器SBUF处理之外和中断标志位的判断之外，由于是通过中断，MPU处理串口通信程序的指令很少。异步通信和MPU是并行工作的，由于串口通信速率为9600bps，则发送一包6个字节数据只需要10×6/9600=6.35ms，小于半个周期时限10ms。满足实时性要求。
5. 结论和展望
5.1 已完成部分总结：
正在进行将DFT算法的修改。已经编写了半周期12点采样，仅仅对精度要求最高的机端电压Ut和电流It进行DFT算法，另外两路交流量采用绝对值累加算法，除此之外还可以采用Ut、It通过DFT算法所得到的实部和虚部计算无功功率的DFT算法改进程序。因为已经有了原先的DFT算法和一些运算子程序的基础，新的算法比较容易实现。目前正在对新提出的DFT算法和相应程序作实时性和其他性能的软件分析测试。
将对新做出的硬件电路板进行调试工作，包括不合要求的集成器件和一些电阻电容的变动。下载程序至单片机并在硬件电路上完成程序的调试，以便对软件程序的实际功能进行综合评价。
组合微机励磁调节器整个系统，在动模实验室测试其实际性能。