电力系统自动化课设讲解.docx

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电力系统自动化课设讲解

辽宁工业大学

电力系统自动化课程设计（论文）

题目：

发电机自并励励磁自动控制系统设计

（2）

院（系）：

电气工程学院

专业班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

起止时间：

2014.12.01—12.12

课程设计（论文）任务及评语

院（系）：

电气工程学院教研室：

电气工程及其自动化

学号

学生姓名

专业班级

课程设计题目

发电机自并励励磁自动控制系统设计

（2）

课程设计（论文）任务

基本参数及要求：

1水轮发电机容量280MW，功率因数0.9，定子额定电压20KV，空载额定转子电压220V。

2要求电压调差系数在±10%范围内可调。

3强励倍数1.8，不小于10秒

4调压精度，机端电压静差率小于1％。

5自动电压调节范围：

60％～140％。

6起动升压至额定电压时，超调量不大于6％。

设计要求

1.阐述发电机励磁控制系统的控制原理。

2.确定励磁控制系统方案。

3.设计输入接口及电力参数数据采集通道。

4设计输出接口及输出励磁控制通道。

5确定控制算法，设计系统软件。

6对设计进行总结

进度计划

1、布置任务，查阅资料，理解掌握系统的控制要求。

（1天）

2、系统总体方案设计，选择CPU，设计单片机最小系统。

（1天）

3、设计输入接口及电力参数数据采集通道。

（2天）

4、设计输出接口及输出励磁控制通道。

（3天）

5、系统软件设计。

（2天）

6、撰写、打印设计说明书（1天）

指导教师评语及成绩

平时：

论文质量：

答辩：

总成绩：

指导教师签字：

年月日

注：

成绩：

平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算

摘要

在电力系统正常运行或事故运行中，同步发电机的励磁控制系统起着重要的作用。

优良的励磁控制系统不仅可以保证发电机可靠运行，提供合格的电能，而且还可以有效地提高系统的技术指标。

因此本文采用了单片机AT89C51作为控制核心和适合大容量的自并励方式设计了280MVA的水轮发电机励磁控制系统。

在硬件电路中进行单片机最小系统设计和模拟量检测电路设计，通过软件编程控制单片机。

在软件上实现了对同步发电机励磁系统调压范围的调节与控制，还兼顾了功率及功率因数角的测量。

关键词：

单片机AT89C51；自并励励磁；自动控制系统；MATLAB仿真；

目录

第1章绪论1

1.1励磁控制系统概况1

1.2本文主要内容2

第2章发电机自并励励磁自动控制系统硬件设计3

2.1发电机自并励励磁自动控制系统总体设计方案3

2.2单片机最小系统设计3

2.2.1CPU的选择4

2.2.2复位电路设计5

2.2.3时钟电路设计6

2.3发电机自幷励励磁自动控制系统模拟量检测电路设计7

2.3.1电压形成电路8

2.3.2低通滤波（ALF）9

2.3.3采集保持器（S/H）9

2.3.4多路转换开关（MUX）9

2.4直流稳压电源电路设计10

2.5驱动电路设计11

2.5.1开关量输入通道11

2.5.2开关量输出通道12

第3章自并励励磁控制系统软件设计13

3.1软件实现功能综述13

3.2流程图设计13

3.2.1主程序流程图设计13

3.2.2模拟量检测流程图设计14

3.2.3程序清单15

第4章系统仿真与分析17

4.1系统仿真模型建立17

4.2系统仿真模型的设计17

第5章课程设计总结20

参考文献21

第1章绪论

励磁控制系统概况

在电力系统正常运行时，发电机励磁电流的变化主要影响电网的电压水平和并联运行机组间无功功率的分配。

在某些故障情况下，发电机端电压降低将导致电力系统稳定水平下降。

为此，当系统发生故障时，要求发电机迅速增大励磁电流，维持电网的电压水平及稳定性。

可见，同步发电机励磁的自动控制在保证电能质量、无功功率的合理分配和提高电力系统运行的可靠性方面都起着十分重要的作用。

励磁系统主要作用是为同步发电机励磁绕组提供直流电流，并且励磁调节器通过控制励磁电压及励磁电流，担负着对电力系统稳定运行的控制和保护功能。

励磁控制系统是由励磁功率单元、励磁控制器和同步发电机共同组成的反馈系统。

励磁功率单元和励磁控制器组成的系统就是人们通常所说的励磁系统。

励磁功率单元负责向发电机转子提供直流励磁或交流励磁电流；励磁控制器负责根据检测到的发电机的电压、电流或其他状态量的输入信号，按照给定的励磁控制准侧自动调节励磁功率单元的输出。

随着大规模集成电路技术及计算机技术发展，采用微处理器作为硬件控制核心的微机励磁控制器将成为今后励磁控制器发展方向。

数字控制的励磁调节器由以下几个优点：

（1）由于计算机具有计算和逻辑判断功能，使得复杂的控制策略可以在励磁控制中得到实现。

（2）调节准确、精度高，在线该变参数方便。

在数字是励磁调节器中，信号处理、调节控制规律都由软件来完成，不仅简化控制装置，而且信号处理和控制精度高。

（3）可靠性高，无故障时间长等。

不论是直流励磁机励磁系统还是交流励磁机励磁系统，一般都是与主机同轴旋转，为了缩短主轴长度，降低造价，减少环节。

后又出现用发电机自身作为励磁电源的方法，即以接于发电机出口的变压器作为励磁电源，经硅整流后供给发电机励磁，这种励磁方式称为发电机自幷励系统，又称为静止励磁系统。

还有一种无刷励磁系统，交流励磁机于发电机励磁绕组中间不需要滑环和电刷等接触元件，这就实现了无刷励磁。

300MW及更大容量机组的励磁系统用最多的是无刷励磁和自并励两种方式。

发电机自并励系统它由机端励磁变压器供电给整流电源，经三相全控整流桥直接控制发电机的励磁。

它具有明显的优点，被推荐用于大型发电机组，特别是水轮发电机组。

国外某些公司把这种方式列为大型机组的定型励磁方式。

我国已在一些机组上以及引进的一些大型机组上，采用静止励磁方式。

因此本文采用了单片机进行控制的发电机励磁系统。

本文主要内容

本文根据发电机励磁系统的基本原理设计了容量280MW水轮发电机的励磁系统。

基于数字式励磁系统的优势和所学知识选择单片机AT89C51作为发电机励磁系统的控制核心，并选择静止励磁方式进行励磁系统设计。

根据励磁机要实现的功能，整个系统分为不同模块：

分别是直流稳压电源模块、复位电路模块、时钟电路模块、单片机89C51模块和励磁开关驱动控制电路模块。

对每个模块进行设计，并通过软件设计达到励磁目的。

通过设计基本参数达到如下要求：

1.水轮发电机容量280MW，功率因数0.9，定子额定电压20KV，空载额定转子电压220V。

2.要求电压调差系数在±10%范围内可调。

3.强励倍数1.8，不小于10秒。

4.调压精度，机端电压静差率小于1％。

5.自动电压调节范围：

60％～140％。

6.起动升压至额定电压时，超调量不大于6％。

第2章发电机自并励励磁自动控制系统硬件设计

发电机自并励励磁自动控制系统总体设计方案

励磁控制器总体可分为五个模块，分别是直流稳压电源模块、复位电路模块、时钟电路模块、单片机89C51模块和励磁开关驱动控制电路模块，实现单片机控制外部电路。

如图2.1所示。

在AT89C51单片机模块中，应用内部的软件编辑程序，实现对励磁系统驱动控制电路的控制。

在复位电路模块中，复位操作可以使单片机初始化，也可以使机状态下的单片机重新启动。

复位电路需要外加电源，而题目中只给出AC220V交流电源，因此在复位电路前加入了直流稳压电源模块，为复位电路提供可靠的直流稳压电源。

在时钟电路模块中，时钟电路为单片机提供工作所需的时钟信号。

励磁开关驱动控制电路模块中，采用光电隔离器，是单片机与外部电路实现隔离，并且能有效地控制外部电路。

单片机最小系统设计

单片微型计算机简称单片机。

它是在一块芯片上集成了中央处理器（CPU），一定容量的RAM和ROM，定时/计数器以及I/O接口电路等部件，构成一个完整的微型计算机。

AT89C51提供以下标准功能：

4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。

同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。

空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。

掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

CPU的选择

本文中选用的单片机型号为89C51。

89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的89C51是一种高效微控制器，89C2051是它的一种精简版本。

89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

本科设所用到的单片机引脚如下:

1、电源引脚VSS和VCC

VCC（40脚）：

电源端。

VSS（20脚）：

接地端。

2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

XTAL1（19脚）：

外接部晶体和微调电容的一端。

它是振荡电路反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

当采用外部振荡器时，此引脚输入外部时钟脉冲。

XTAL2（18脚）：

外接部晶体和微调电容的另一端。

他是振荡电路反向放大器的输出端。

当采用外部振荡器时，此引脚应悬浮。

3、控制信号引脚RESET、ALE/

、

。

RST（9脚）：

复位输入，高电平有效。

当振荡器工作时，要保持RST引脚有两个机器周期以上的高电平，就可以使单片机复位。

ALE/

（30脚）：

地址锁存允许信号。

此频率为振荡器频率的1/6。

通过用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，可以确认89C51芯片的好坏。

ALE信号可以用作对外输出的时钟或定时信号。

需要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

在对89C51片内4KBFlashROM编程（固化）时，此引脚用于输入编程脉冲

。

（29脚）：

外部程序存储器的读选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次

有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的

信号将不出现。

4、输入输出引脚P0口、P1口、P2口

P0口（32～39脚）：

P0口为一个8位双向三态I/O口。

在访问外部存储器时，可分时用作低8位地址线和8位数据线；在本课设中作为地址数据线总线使用。

P1口（1～8脚）：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，在FlashROM编程时，它接收低8位地址。

在本课设中只用做普通I/O口。

P2口（21～28脚）：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部储存器时，它送出高8位地址。

在对FlashROM编程和程序验证时，它接收高8位地址和其他控制信号。

复位电路设计

复位操作可以使单片机初始化，也可以是死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。

单片机复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机就能实现复位。

复位电路的第一功能是上电复位。

一般危机电路正常工作需要供电电源为5V±5%，即4.75～5.25V。

由于微机电路是时序数字电路，它要稳定的时钟信号，因此在电源上电时，只有当VCC超过4.75V低于5.25V以及晶体振荡器稳定工作时，复位信号才被撤出，微机电路开始正常工作。

复位电路工作原理如图2.4所示，是按键式复位电路。

VCC上电时，电容器C充电，在电阻R2上出现电压降，RESET引脚为高电平，使得单片机复位；几个毫秒之后，电容C充电完成，电阻R2上电流降为0，电压也为0，复位结束，使得单片机进入工作状态。

工作期间，按下RST按键，电容器C放点，松手后循环上述过程。

按键的时间决定复位的时间。

时钟电路设计

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。

时钟信号可以由两种方式产生：

内部时钟方式和外部时钟方式。

时钟电路是单片机系统的核心部分之一，它可以简单定义成如下两点：

（1）、这是产生像时钟一样准确的振荡电路。

（2）、单片机系统内，任何工作都按时间顺序。

用于产生这个时间的电路部分就是时钟电路。

51单片机最小系统晶振Y1也可以采用6MHz或者11.0592MHz，在正常工作的情况下可以采用更高频率的晶振，51单片机最小系统晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，频率越大处理速度越快。

本课题中选择的时钟方式是内部时钟方式，内部时钟发生器实质上是一个二分频的触发器，其输出是单片机工作所需的时钟信号，所以选择的晶振频率为11.2MHz，电容C1、C2均为33pF。

时钟电路是用来配合外部晶体实现振荡的电路，一般由晶体振荡器、晶振控制芯片和电容组成。

硬件连线如图2.4所示：

综合以上所作分析与选择，形成了如图2.5所示的完整的CPU最小系统图

发电机自幷励励磁自动控制系统模拟量检测电路设计

在励磁系统中需要测得参数包括发电机的极端电压、发电机输出电流、励磁电压、励磁电流、有功功率、无功功率以及功率因数，经过一系列限制计算和调节计算来得到整定后的励磁电压所对应的可控硅的导通角，从而触发可控硅，使发电机出口电压稳定在一个新水平。

励磁系统模拟量检测电路包括信号采集部分、信号转换部分、A/D转换部分。

1、信号采集

交流量的采样有两种方法：

①直流采样法；②交流采样法。

交流采样则是交流电量经互感器后直接进行采样，这种采样方法能实时反映出电参量瞬时值的大小以及动态变化情况，这就使同步采样或准同步采样成为了可能。

由于采样电路不存在直流滤波电容，所以不存在滞后，有利于实时控制。

本文采用交流采样法采集的交流量，即采用电压互感器和电流互感器来获取机端电压和电流，以及励磁电流。

2、信号转换

从互感器获得电压、电流信号很大，而数模转换器只能对一定范围内输入电压转换，故需要通过变换器对输入的电压、电流信号进行处理。

本文中选择电压变换器UV来实现电压信号的变换，电流变换器UA来实现电流信号的转变。

变换器的原理图如图2.6所示。

电压形成电路

RTU要从电流互感器（TA）和电压互感器（TV）取得信息，但这些互感器的二次侧电流或电压量不能适应模/数变换器的输入范围要求故需对他们进行变换。

电压变换器将由电压互感器二次侧引来的电压进一步降低。

电流变换器将电流互感器二次侧引来的电流变换成电压信，并进一步降低电压。

电压形成电路除了起电量变换作用外，另一个重要作用是将一次设备的电流互感器TA、电压互感器TV的二次回路与微机A/D转换系统完全隔离，提高抗干扰能力。

低通滤波（ALF）

为了使信号被采集后不失真，采样频率必须为不小于2倍的输入信号最高频率，这是采集定理的要求。

实际上，大多数的模拟量输入回路都再采集之前将最高的信号频率分量限制在一定频带以内，即限制输入信号的最高频率，以降低采集频率。

这样，只需要在采集前用一个模拟低通滤波器（ALF）将高频分量滤去即可。

采集保持器（S/H）

采样保持器（S/H）的基本原理是：

A/D转换器完成一次完整的转换需要一段时间，这段时间里，模拟量不能变化，否则就不准确了，必须引入采样/保持电路，将瞬间采集的模拟量“样本”冻结一段时间，以保证A/D转换的精度。

多路转换开关（MUX）

多路开关也称采样切换器，是一种受CPU控制的高速电子切换开关。

由采样保持器送来的多路模拟量公用一套模/数转换器A/D，只有被选中的一路才可以通过多路开关进入A/D，其余各量则需要等候下一次的选择。

通过检测励磁电流使励磁调节器能够实时的监控以及控制励磁电流的大小，及时防止过励或欠励现象。

励磁电流测量可通过测量整流桥交流测的交流电流得到。

（1）

时整流元件有效值。

此时，流过各元件的电流波形均为宽度120度的矩形波，与控制角

大小无关。

原件有效值为：

整流桥交流侧电流的有效值流过同一相两个元件的电流组成，所以交流有效

值为：

，

（2）当

时，电流有效值为：

交流侧电流有效值I为元件电流有效值的

倍，系数

约为0.955，由此可认为：

。

直流稳压电源电路设计

本次课设要求控制器选用AC220V电源供电，而单片机的工作电源是+5V的直流电源，因此需要利用使用直流稳压电源为单片机提供电源。

直流稳压电源由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。

如图2.7所示：

电网供给的交流电压

（220V,50Hz）经电源变压器降压后，得到符合电路需要的交流电压

，然后由整流电路变换成方向不变、大小随时间变化的脉动电压

，再用滤波器滤去其交流分量，就可得到比较平直的直流电压

。

但这样的直流输出电压，还会随交流电网电压的波动或负载的变动而变化。

在对直流供电要求较高的场合，还需要使用稳压电路，以保证输出直流电压更加稳定。

一般情况下，生产生活中所需的直流电压的数值与电网电压的有效值相差较大，一次需要通过电源变压器降压后，在对交流电压进行处理。

变压器副边电压有效值决定于后面电路的需要。

目前，也有部分电路不用变压器，利用其他办法进行升压与降压。

变压器副边电压通过整流电路从交流电压转化为直流电压，即将正弦波电压转化为点一方向的脉动电压，半波整流和全波整流电路的输出波形。

本次可设选用桥式全波整流。

可以看出它们均含有较大的交流分量，会影响负载电路的正常工作；例如，交流分量将混入输入信号被放大电路放大，甚至在放大电路的输出端所混入的电源交流分量大于有用信号；因而不能直接作为电子电路的供电电源。

为了减小电压的脉动，需要通过低通滤波电路滤波，使输出电压平滑。

理想情况下，应将交流分量全部滤去，是滤波电路的输出电压仅为直流电压。

然而由于滤波电路位无源电路，所以接入负载后势必影响其滤波效果。

对于稳定系要求不高的电子电路，滤波后的直流电压可以作为供电电源。

稳压电路的功能是使输出直流电压基本上不受电网电压波动和负载电阻变化的影响，从而获得足够高的稳定性。

本次设计主要应用三端稳压器，型号后面的两位数字表示输出电压值。

LM7805表示的输出电压为5v。

最大电压为1.5A，因此选用LM7805三端稳压器。

如图2.8所示即为直流稳压电源电路图。

驱动电路设计

本次课课设的目的在于用弱电控制强电，因此在这一部分，强电与弱电的隔离成为关键，现在有许多种开关控制输出电路，其中大多数是通过芯片给出的电压电流如TTL电平信号，这种电平信号一般不能直接驱动外部设备，而需经过转化后才能驱动外部设备，许多外设如大功率交流接触器、制冷剂等在开关控制过程中会产生较强的电磁干扰信号，不加隔离就会对系统造成误动作或伤害。

因此，在接口处理中，还要包括隔离技术。

针对这个问题，所选光电耦合器作为开关量输入输出计算机的隔离器。

开关量输入通道

当有输入信号时，开关S闭合，二极管导通，发出光束，使光敏三极管饱和导通，于是输出端U0表现地电位。

在光电耦合器中，信息的传递介质为光，但输入和输出都是电信号，由于信息的传递和转换的过程都是在密闭环境下进行，没有电的直接联系，它不受电磁信号干扰，所以隔离效果比较好。

如图2.9所示为光电耦合器原理图

开关量输出通道

为了提高干扰能力，开关量输出通道最好也经过一级光电隔离，只要通过软件使并行口PB0输出“0”，PB1输出“1”，便可使与非门DAN1输出低电平，光敏三极管导通，继电器K被吸合。

在初始化和需要继电器K返回时，应使PB0输出“1”，PB1输出“0”

如图2.10开关量输出通道所示

第3章自并励励磁控制系统软件设计

软件实现功能综述

本次设计所提供的电源是220V交流电源，运用直流稳压电源将其变换为可靠稳定的直流+5V电源，从而能够安全稳定的为AT89C51单片机提供电源，从而使单片机可以正常工作，通过选择合理的内部时钟电路和复位电路，并且对单片机软件进行编程，使单片机能够对外部驱动电路进行控制。

其中直流稳压电源经历了变压，整流，滤波和稳压四个环节，在整流阶段，选用三相桥式半波整流的方法，在稳压过程中选用了三端稳压器LM7805，从而使输出的直流电源是可靠稳定的+5V电源。

在驱动控制电路中使单片机与外部驱动控制电路进行光电隔离，并且利用单片机对外部电路进行控制。

流程图设计

为了更好的完成上述功能，本设计采用单片机来完成，首先单片机完成数据采集、控制角的计算、调节PID系数等功能，再完成六路脉冲的产生和触发的功能。

主程序流程图设计

控制系统上电后首先执行的是初始化和自检，初始化包括标志位和变量的初始化、中断初始化、设置各接口芯片初始化、还包括各种程序模块的初始化等等。

初始化结束以后，表明励磁调节器已经准备就绪，接着程序进入起励的设置和起励条件的判别，励磁调节器等待转速信号，在发电机开机而转速未达到额定转速的95%之前将电压给定值设置在空载额定位置，转速一旦达到额定转速的95%，则主程序立刻进入主循环:

首先是数据采集和处理部分，主要由三个子模块组成:

电机出口交流电压采样处理子模块、电机出口交流电流采样处理子模块和励磁电压采用处理子模块。

然后进入功率因数采集计算，它利用徽处理器的外部中断0和定时器1的联合使用来完成对功率因数的采样和计算，并且采用数字滤波的方式最后求得功率因数；无功调差模块可以实现无功的合理分配，以适应发电机并列运行的需要。

PID调节计算模块根据采集的数据结果与额定值进行比较，从而进行PID调节计算来算出可控硅的控制角；限制控制子模块则是为保证发电机的正常及安全运行而设置的。

主程序流程如图3.1所示：

模拟量检测流程图设计

模拟量检测发电机出口电压、出口电流和励磁电压。

通过A/D转换器对这几个量进行采集，采用PID算法来实现调节控制，计算两个相邻时刻电压的偏差值，出口电流也是如此。

由于功率因数在系统中是一个很重要的参数，电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。

它反映了发电机所带负载的性质，是衡量电气设备效率高低的一个系数。

功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。

而且在计算有功功率和无功功率的时候都必须用到它，所以必须对它进行很细致的采集。

在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值

模拟量检测流程如图3.2所示：

程序清单

ORG0000H

SJMPMAIN

ORG0030H

START:

MOVSP,#60H

MOVTMOD,#10H

MOVTL1,#00H

MOVTH1,#4BH

MOVR0,#00H

SETBTR1

LCALLL_DELAY

SJMP$

INT_T1:

PUSHACC

PUSHPSW

PUSHDPL

PUSHDPH返

CLRTR1

MOVTL1,#00H

SETBTR1

MAIN：

MOVTMOD,#21H;

SETBTR0;

SETBTR1

MOVR7,#8;

MOVA,#00H

LOOP:

MOVP1,A;

RLA

INCA

ACALLMAIN0;

DJNZR7,LOOP

MAIN1:

MOVA,#0FFH

MOVP1,A；

SUBBA