摘要: 提出了一種基于可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC) 的測(cè)頻測(cè)相方法, 并用于發(fā)電機(jī)調(diào)速器的機(jī)組頻率、電網(wǎng)頻率及其相位差的測(cè)量, 研制了相應(yīng)裝置, 與傳統(tǒng)的單片機(jī)測(cè)頻測(cè)相裝置相比, 其硬件電路大為簡(jiǎn)化, 測(cè)頻測(cè)相裝置的可靠性極大提高, 而且測(cè)頻精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)也較高。
關(guān)鍵詞: 發(fā)電機(jī)調(diào)速器; 頻率相位測(cè)量; 可編程計(jì)算機(jī)控制器
目前發(fā)電機(jī)微機(jī)調(diào)速器頻率與相位測(cè)量裝置一般均采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn), 其硬件為自制件, 且各廠家均為小批量生產(chǎn), 故元件檢測(cè)、篩選、老化處理、焊接及生產(chǎn)工藝等都受到限制, 致使頻率與相位測(cè)量環(huán)節(jié)可靠性較低, 甚至運(yùn)行中還可能出現(xiàn)單片機(jī)死機(jī), 使頻率與相位測(cè)量環(huán)節(jié)失靈, 從而使調(diào)速器整機(jī)的可靠性大大降低, 嚴(yán)重影響調(diào)速器的安全可靠運(yùn)行。本文提出一種基于可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC) 的發(fā)電機(jī)調(diào)速器頻率與相位測(cè)量裝置, 克服了單片機(jī)頻率與相位測(cè)量裝置的缺點(diǎn)與不足。
1 PCC 及時(shí)間處理單元(TPU)
可編程邏輯控制器(PLC) 從誕生以來(lái), 不斷吸收微電子和微機(jī)技術(shù)的最新成果, 發(fā)展十分迅速。1994年奧地利B&R 公司提出了"可編程計(jì)算機(jī)控制器(Programmable Computer Controller, PCC) "的概念, 將計(jì)算機(jī)的多任務(wù)分時(shí)操作系統(tǒng)及高級(jí)編程語(yǔ)言引入可編程計(jì)算機(jī)控制器, 從而使PCC 既具有PLC 的高可靠性又具有計(jì)算機(jī)的快速、多任務(wù)和編程通用化的特點(diǎn)。本頻率相位測(cè)量裝置就是采用奧地利B&R 公司可編程計(jì)算機(jī)控制器2003系列的模塊CP474作為基本單元, 選用32 位MotorolaM 68300微處理器作為其CPU。該微處理器有一個(gè)時(shí)間處理單元(TPU ) , 主要用于外部處理事件計(jì)數(shù)、門電平時(shí)間測(cè)量、頻率測(cè)量、脈寬調(diào)制等與時(shí)間有關(guān)的任務(wù)( tim ing tasks) , 減少CPU 模塊為處理這些任務(wù)調(diào)用中斷服務(wù)程序所占用的時(shí)間。時(shí)間處理單元的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。TPU 由處理器、中斷寄存器、接口寄存器(RAM )、定時(shí)器TCR1及TCR2與輸入輸出通道等組成。TPU 由接口寄存器組通過(guò)1MB 的內(nèi)部總線與CPU 通信, 接口寄存器組包括系統(tǒng)配置寄存器、系統(tǒng)保留與測(cè)試寄存器、通道控制寄存器及通道參數(shù)寄存器, 它們分別用于系統(tǒng)配置、系統(tǒng)保留與測(cè)試、通道切換控制及通道參數(shù)傳遞。當(dāng)有外部事件發(fā)生時(shí), 由輸入輸出通道向中斷寄存器發(fā)出請(qǐng)求信號(hào), 中斷寄存器通知處理器并進(jìn)行相應(yīng)處理。定時(shí)器TCR1及TCR2的分頻系數(shù)確定TPU的時(shí)鐘頻率。對(duì)CP474來(lái)說(shuō), 分頻系數(shù)為8, 因而TPU的時(shí)鐘頻率為4MHz?；赑CC 的頻率相位測(cè)量就是直接利用可編程計(jì)算機(jī)控制器時(shí)間處理單元(TPU ) 在待測(cè)信號(hào)的周期內(nèi)以頻率為4MHz 的計(jì)數(shù), 從而測(cè)得電網(wǎng)頻率、機(jī)組頻率以及它們的相位差。
圖1 TPU 結(jié)構(gòu)框圖
2 測(cè)頻測(cè)相原理及軟硬件設(shè)計(jì)
2. 1 測(cè)頻測(cè)相環(huán)節(jié)系統(tǒng)
PCC 測(cè)頻測(cè)相裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。它由整形放大電路、數(shù)字量輸入模塊D I135及CPU 模塊CP474 3部分組成。整形放大電路將機(jī)組或電網(wǎng)頻率信號(hào)整形為同頻率的方波信號(hào), 經(jīng)D I135隔離并濾波后送入CP474的TPU 輸入通道。圖中機(jī)組頻率信號(hào)f j 整形放大后經(jīng)D I135的I1和I2通道送入TPU 的CH0和CH1, 而電網(wǎng)頻率信號(hào)f w 整形放大后經(jīng)D I135的I3和I4通道送入TPU的CH2 和CH3, 其中CH0和CH3分別用于測(cè)量機(jī)組頻率和電網(wǎng)頻率, 而CH2和CH4用于測(cè)量機(jī)組和電網(wǎng)頻率信號(hào)的相位差。
圖2 測(cè)頻測(cè)相硬件原理圖
2. 2 基于PCC 的頻率相位測(cè)量
2. 2. 1 功能模塊TPU
時(shí)間處理單元(TPU )功能模塊包含TPU 操作系統(tǒng)、TPU 配置、完成特定功能的TPU 程序模塊等, 應(yīng)用程序通過(guò)它與TPU 通信傳遞參數(shù)和數(shù)據(jù)。
該功能模塊由B&R 公司專門研制的TPU 編碼連接器(TPU Code L inker) 產(chǎn)生, 并在CPU 熱啟動(dòng)(warm start) 時(shí)將自己傳入TPU的RAM 中, 并從此接管TPU讓它完成用戶特定的功能。本裝置中頻率測(cè)量部分選用以內(nèi)部時(shí)鐘為基準(zhǔn)的門時(shí)間測(cè)量模塊TPXciX , 相位測(cè)量部分選用具有時(shí)間標(biāo)志的數(shù)字量輸入模塊L TXditX, 將D I135 配置在CP474的插槽SLOT1 (這時(shí)D I135的I1～ I2對(duì)應(yīng)于TPU的CH0～ CH3) , 機(jī)組頻率信號(hào)從D I135的通道I1與I2輸入, 電網(wǎng)頻率信號(hào)從D I135的通道I3與I2輸入, 其中通道I1與I3用于機(jī)組頻率與電網(wǎng)頻率測(cè)量, 通道I2與I4用于相位差測(cè)量。
2. 2. 2 頻率測(cè)量
頻率測(cè)量時(shí), 為了避免輸入信號(hào)電壓幅值變化影響測(cè)頻精度, 采用測(cè)1個(gè)信號(hào)周期而不是半個(gè)信號(hào)周期, 因此設(shè)置L TXciX為循環(huán)測(cè)量連續(xù)2個(gè)上升沿之間的周期長(zhǎng)度, 且每個(gè)信號(hào)周期均被測(cè)量。L TXciX在所測(cè)信號(hào)周期結(jié)束時(shí), 輸出該周期內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)差值D ifCnt 及有效測(cè)量序號(hào)RdyCnt,RdyCnt 的值在每個(gè)有效測(cè)量后加1。設(shè)TPU 計(jì)數(shù)器的頻率為f c, 則所測(cè)頻率為
f = fc/DifCnt
在額定頻率50 Hz 附近且f c= 4MHz 時(shí), 測(cè)頻分辨率為6. 25×10- 6Hz。雖然TPU 采用16位計(jì)數(shù)器, 但模塊TPXciX通過(guò)軟件方式將其擴(kuò)充為32位, 當(dāng)調(diào)用周期小于8. 2 m s 時(shí), TPXciX模塊可保證正確的32位計(jì)數(shù)器輸出, 因此理論上計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)范圍為0～ 4 294 967 295, 在時(shí)鐘頻率4MHz 時(shí), 測(cè)頻下限小于0. 001 Hz。但由于電壓互感器及隔離變壓器等因素的限制, 并考慮到實(shí)際應(yīng)用的需要, 取測(cè)頻下限為2 Hz, 且在2 Hz 以下時(shí)認(rèn)為頻率為0。D I135的輸入響應(yīng)為L(zhǎng)s 級(jí), 其最大輸入頻率為100 kHz, 可見(jiàn)該測(cè)頻方式的上限可以很高, 考慮到發(fā)電機(jī)調(diào)速器的實(shí)際需要, 取其測(cè)頻上限為100 Hz。
2. 2. 3 相位測(cè)量
由于TPU 的所有模塊采用同一時(shí)間基準(zhǔn), 僅需將機(jī)組頻率信號(hào)和電網(wǎng)頻率信號(hào)分別送入TPU
的2個(gè)通道即可用模塊L TXditX對(duì)其相位進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量時(shí), 以電網(wǎng)頻率信號(hào)為基準(zhǔn)。當(dāng)電網(wǎng)頻率信號(hào)的上升沿到達(dá)時(shí), TPU 通道CH3向通道CH1送一連接信號(hào), 并讀出計(jì)數(shù)值time0; 當(dāng)機(jī)組頻率信號(hào)的上升沿到達(dá)時(shí), TPU 直接讀出計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值time2, 因此電網(wǎng)頻率f w 超前機(jī)組頻率f j 的時(shí)間
式中U為超前相位角, 其數(shù)值范圍為0～ 360°。在實(shí)際應(yīng)用時(shí), 當(dāng)0< U< 180°時(shí)則表示電網(wǎng)頻率相位超前機(jī)組頻率相位; 當(dāng)180°< U< 360°時(shí)則表示電網(wǎng)頻率相位滯后機(jī)組頻率; 當(dāng)U= 180°時(shí)表示2個(gè)頻率信號(hào)反相。根據(jù)發(fā)電機(jī)調(diào)速器的實(shí)際需要, 相位差僅在機(jī)組頻率與電網(wǎng)頻率接近時(shí)測(cè)量, 當(dāng)它們的頻率差較大時(shí), 相位差測(cè)量程序關(guān)閉。有了機(jī)組頻率和電網(wǎng)頻率的相位差, 便可在機(jī)組空載跟蹤工況實(shí)現(xiàn)頻率與相位控制, 從而加快機(jī)組同期過(guò)程。
3 應(yīng)用實(shí)例
采用這種測(cè)頻測(cè)相方式的PCC 調(diào)速器, 2000年4月安裝于陜西石泉鵝項(xiàng)頸發(fā)電廠3號(hào)機(jī)組上, 并對(duì)該調(diào)節(jié)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的試驗(yàn)。試驗(yàn)表明, 其性能指標(biāo)滿足或優(yōu)于國(guó)標(biāo)GB?T 9652. 121997的要求。其中主要特性試驗(yàn)結(jié)果如下:
(1) 開機(jī)并網(wǎng)時(shí)間為65 s。
(2) 甩25% 額定負(fù)荷時(shí), 接力器不動(dòng)時(shí)間為0. 18 s;
(3) 甩100% 額定負(fù)荷時(shí), 轉(zhuǎn)速最大上升為額定轉(zhuǎn)速的132% , 調(diào)節(jié)時(shí)間為25 s。
試驗(yàn)后調(diào)速器即投入運(yùn)行, 同期并網(wǎng)速度快, 運(yùn)行穩(wěn)定, 且具有較高的可靠性, 獲得了用戶的好評(píng)。
4 結(jié)語(yǔ)
(1) 由整形電路和可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC)配以適當(dāng)軟件實(shí)現(xiàn)了測(cè)頻測(cè)相功能, 并取代單片機(jī)測(cè)頻測(cè)相裝置, 使測(cè)頻電路大為簡(jiǎn)化。
(2) 采用可編程計(jì)算機(jī)控制器(PCC) 作為測(cè)頻測(cè)相裝置的硬件, 其平均無(wú)故障率可達(dá)50×104 h,提高了系統(tǒng)的可靠性。
(3) 可編程計(jì)算機(jī)控制器內(nèi)部計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖頻率為4MHz (周期為0. 25×10- 3m s) , 用其直接測(cè)量頻率信號(hào)的當(dāng)前周期, 在50 Hz 附近其測(cè)頻分辨率可達(dá)0. 000 625 Hz, 因而該測(cè)頻裝置具有較高的測(cè)頻精度及動(dòng)態(tài)品質(zhì)。
(4) 增加相位測(cè)量, 提高了機(jī)組并網(wǎng)速度。
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作者: 南海鵬（男, 副教授, 研究方向?yàn)樗C(jī)械及自動(dòng)化） 姚李孝 王德意
(西安理工大學(xué)水電學(xué)院, 陜西省西安市710048)
(編輯 查仁柏)