小型同步发电机组电压转速综合控制器设计

【摘要】电力系统的稳定性主要取决于电机组转速和电压的响应特性，转速和电压相互作用对两者进行综合控制非常必要。为进一步提高小型同步发电机组的综合自动化水平，提出了一种集机组保护、励磁控制、调速控制、并网控制、温度巡检等功能于一体的小型同步发电机组电压转速综合控制器。该控制器以MSP430F2274为主处理器，CPLD为辅助控制器，使整个综合控制器具有功耗低、灵活可靠、适应性强的特点。

【关键词】同步发电机组；综合控制电压转速器；MSP430F2274；CPLD

1.引言

随着单片机及数字通讯技术的高速发展，集机组保护、励磁控制、调速控制、并网控制、温度巡检等功能于一体的综合控制器成为可能[1]。它既可以降低同步发电机组控制装置的成本，还可以提高装置的可靠性、可控性。本文提出了一种以单片机为核心控制器件的小型同步发电机组综合控制器，并对它的软硬件设计、结构和功能进行了详细介绍。

图1 同步发电机组电压转速综合控制器硬件框图

2.硬件设计

硬件部分通过以单片机MSP430F2274为主控制、CPLD为辅助控制完成发电机电压转速综合控制[2]。其中，控制器主要由单片机完成模拟量、开关量数据采集及数据处理，并由CPLD实现系统的逻辑控制。硬件框图如图1所示。

2.1 主控制器

主控制器选择TI公司的MSP430F2274芯片[3]，该芯片功耗超低，是具有精简指令集的混合处理器，保证了控制和信号处理的快速性和实时性。

本控制器的主控制功能包括计算决策和控制部分，由单片MSP430F2274完成。它利用单片机内的A/D转换器对模拟量进行采样和精确计量，实现交流信号频率的测量和相位的检测，结合当前同步发电机组的状态协调各模块的工作，选择相应的控制策略，给出操作控制命令，实现同期、励磁和调速等控制功能。

2.2 CPLD逻辑控制

本系统选择MAX7000系列CPLD EPM7128芯片实现逻辑控制[4]。芯片EPM7128具有128个宏单元和8个逻辑阵列块，用户I/O引脚多达84个。

采用EMP7128实现的系统逻辑控制分为三个模块：模块片选、中断管理及LCD控制。（1）模块片选控制主要是在单片机控制下完成对器件和端口的选择，包括外扩串口的选通和复位、模拟通道的选通和I/O缓冲的方向选择、开关量输入锁存和输出缓冲等[5]。（2）中断管理完成整个系统的外部中断控制。基于系统的需求，增加CPLD实现对外部中断的扩展，把外部扩展元件的多个中断申请先送CPLD进行优先级判断，再将需要响应的中断送入单片机进行处理。（3）LCD是慢速器件，为了与单片机的时序相配合，本系统也设置了LCD控制模块。

2.3 输入信号

输入信号包括模拟量和开关量。

模拟量中的电网电压、电流及频率、励磁电流、机端电压、定子电流及频率，通过信号调理电路，把相应的物理量转换成03V的标准信号送入单片机进行采样和数据处理，得到励磁系统、调速系统、同期装置所需基本数据。机组推力轴承、导轴承、发电机定子铁心、线圈等部位的温度信号通过温度传感器转化为电量再由单片机进行处理。

开关量信号包括系统操作开关量和系统运行状态开关量，这些信号经光隔离后送入单片机[6]。系统运行操作开关量主要有开/关机命令、有功/无功功率给定命令等。运行状态开关量主要有系统电源状态、断路器状态、灭磁开关状态、隔离开关状态、轴承温度信号、事故及故障动作信号等。

2.4 输出信号

输出信号包括输出开关量、励磁系统主回路触发脉冲、调速控制脉冲、断路器合闸脉冲等。单片机根据现场开关状态进行分析判断，并输出相应的开关或脉冲信号进而控制指示灯、继电器和报警装置等。

2.5 CAN通信

综合控制器的通信功能包括单片机与励磁调节器、调速器以及上位机的通讯，是基于CAN总线建立起来的[7]。通信模块选用PCA82C250型CAN总线收发器作为主控制器与EMP7128 CAN控制器之间接口，以实现对总线的差动发送和接收功能。为有效抑制总线引入的干扰，设计中采用一个光电隔离电路与PCA82C250连接。此外，为了提高PC的工作效率，设计时用TMS44400型动态存储器扩展动态存储区间。图3所示为系统CAN初始化流程，图4示出发送中断服务程序流程。接收中断服务程序流程大致与发送流程相反。

图2 CAN总线接口初始化流程图

图3 系统中断发送服务流程图

图4 综合控制器软件主流程图

2.6 键盘和显示

行列式键盘作为综合控制器控制发送命令的输入设备，同时采用LCD来显示机组的运行状态和操作结果，包括电压、电流值和断路器位置等主要参数。

2.7 系统电源

单片机的供电电压为3.3V，电路所需的电源电压则分别为5V，±12V，24V，可以用小型变压器等外部电源供电，以满足不同场合的需求。

图5 同期并网控制流程图

图6 并网后的励磁调速控制流程图

图7 启动加速流程图

3.综合控制器软件设计

3.1 控制器实现功能

电压转速综合控制器主要完成机组保护、调速控制、励磁控制、同期控制、温度巡检等功能，具体说明如下：

（1）机组保护：主要完成机组自动启、停机、事故及紧急停机的顺序控制及非电气事故保护。并根据小型同步发电机组的特点，实现发电机定子差动、过压、定子接地、复合电压过流、过负荷、转子一点接地及失磁保护等。

（2）励磁控制：通过交直流采样的方法，对同步发电机定子电压、电流进行采样，并进行无功补偿计算，按发电机端电压测量值与给定值的偏差进行PID调节，形成励磁主回路的触发脉冲，实现机端电压的调节等。

（3）调速控制：机组并网前，调速系统工作于随动状态，并网后，采用PID控制实现转速闭环调节。

（4）并网控制：在调节电压、频率满足同期条件下，综合控制器从输入的电网电压和机端电压中获得频差及频差加速度；结合给定的断路器合闸时间，当计算导前合闸角等于即定值时，综合控制器发出合闸脉冲，机组并网。

（5）温度巡检[8]：把机组定子铁心、线圈等多处温度信息通过温度传感器转换成电量信号，送入单片机的A/D转换模块，并由CPLD完成通道的选择，实现对任意通道模拟信号的采集及温度监视。

3.2 软件设计

基于MATLAB强大的信号处理、通讯、控制系统设计、测试和测量功能[9-10]，综合控制器软件在MATLAB环境下编写完成，主流程如图4所示。

图5、6、7分别是主流程图中同期并网控制、励磁和调速控制、启动加速的流程图。

4.结束语

本设计通过MSP430的主控制和CPLD的辅助控制，实现了发电机组的励磁、调速和同期并网等综合控制，并兼具了相应的监控、操作和保护功能。

单片机和CPLD芯片的高集成既简化了硬件电路，也相应的减少了系统受干扰的几率。所以，此电压转速综合控制器对小型同步发电机组，尤其对于小型水电机组[11]有一定的应用前景。

参考文献

[1]王敬民，杨嘉勤，曾云等.水轮发电机组综合控制器研究――理论设计[J].云南水利发电，2000（4）：78-81.

[2]李新民，马志瀛.基于DSP和CPLD及IPM的双电机控制系统[J].微特电机，2003（4）：70-72.

[3]TEXAS INSTRUMENTS.MSP430x2xx Family User’s Guide[EB].（2009-3-17）[2010-5-23].http：//.

[4]杨春燕，吴德伟.基于EPM7128和HLMP2X50的键盘编码显示电路[J].国外电子元器件，2007（11）：20-23.

[5]康怡，韩钧.CPLD在DSP数据采集系统中的应用[J].电气应用，2006，25（11）：48-51.

[6]曹作群，许颖等.基于双ADC同时采样的单片机测量信号处理系统[J].测量与设备，2005（7）：5-7.

[7]顾兵.基于MSP430系列单片机的CAN总线接口转换卡设计[J].国外电子元器件，2006（2）：43-47.

[8]王德意，王涛，南海鹏等.水轮发电机组多路智能化温度巡检装置[J].中国农村水利水电，2001（9）：49-50.

[9]向先波，徐国真，张琴.Matlab环境下PC机与单片机的串行通信及数据处理[J].微型计算机及嵌入式系统，2004（12）：27-31.

[10]王明伟，李茜，汤伟.基于MATLAB串口通信的数据采集系统的设计[J].微计算机信息，2005（12）：89-90.

[11]楼永仁，黄声先，李植鑫.水电站自动化[M].北京：水利电力出版社，1995：318-367.

作者简介：

吕杰（1982―），男，河南平顶山人，硕士，工程师，现供职于平顶山供电公司，主要从事电力系统变电运行及检修工作。

邢文涛（1983―），男，河南平顶山人，硕士，工程师，现供职于平顶山供电公司，主要从事电网调度运行研究工作。

殷红德（1979―），男，河南信阳人，硕士，工程师，现供职于平顶山供电公司，主要从事电力系统继电保护研究工作。

王伟利（1987―），女，河南安阳人，硕士，助理工程师，现供职于平顶山供电公司，主要从事电力系统变电运行研究工作。

王亚林（1984―），男，河南平顶山人，大学本科，现供职于平顶山供电公司，主要从事电力系统变电运行及检修工作。