6. Микропроцессорный автоматический регулятор возбуждения

Алгоритм микропроцессорной реализации автоматического регу­лирования возбуждения описывается разностным уравнением и z- преобразованием временной функции (5.14). В соответствии с извест­ным [8] соотношением

1

(5.22)

— 1 ¹ 1-1 -⁼ Т ⁼ zT

где Т — интервал дискретизации АЦП,

и р-изображением (5.15) регулирующего воздействия его 2-изображение

A

Црег(^)

+

1 - г

-1

1 + Г/Гд._р 1 - 2^-1/(1 + Г/Гд.р) Г

k'f

а/(г)+

U{z) +

+ 7^(1 - 2 ^/„(г)- (5.23)

С

t/pe_r(nT) = kuAU (пТ) +

+

1 + T/Tj

+

*/^Г

Af(nT) - Af(nT - Т)

AU(nT) - AJJ{nT - Т) 1

+

+

Д-Р L

Af(nT) - Af(nT - Т)

Т

1 + Т/Тд._р

/_в(пТ) - I_B(nT - Т)

Д'ДпГ -Т) +

, (5.24)

оответствующее разностное уравнение [8]

где Д'/(пТ — Г) — дискретное значение выходного сигнала цифрово­го реального дифференциатора (сигнала изменения частоты) в предше­ствующем интервале дискретизации; к'_и, к], k'j, к\ — коэффициенты настройки регулятора с размерностями постоянных времени.

Функциональная схема. Микропроцессорный автоматический ре­гулятор возбуждения сильного действия (АРВ-СДМ) поставляется АО «Электросила» комплектно с турбогенератором. Он выполнен на основе разработок ВЭИ [18] сначала на базе микросредств управляющей вычи­слительной техники В7 (МСУВТ В7), а затем, как указывалось, на ми­кропроцессорном комплекте (МПК) БИС серии К1810. При его создании были разработаны алгоритмы программных измерительных органов и цифровой реализации алгоритма функционирования АРВ-СД, использу­емые и в последующих разработках.

Функциональная схема АРВ-СДМ (рис. 5.17) состоит из вычисли­тельной части ВЧ, содержащей две взаимно резервируемые микроЭВМ, измерительно-преобразовательной ИПЧ и исполнительной Ис. Ч частей.

В цифровых устройствах на ЭВМ и микропроцессорах измерительно­преобразовательная и исполнительная функциональные части, как ука­зывалось, обычно объединяются под общим названием — устройство связи с управляемым объектом (УСО).

Измерительно-преобразовательная часть содержит вторичные изме­рительные трансформаторы напряжения ИТН и тока ИТТ (или шун­ты), пассивные малоинерционные (Т — 1 мс) первого порядка ФНЧ и элементы аналогового измерительного преобразования напряжений и то­ков АИН и АИТ, формирующие сигналы в виде:

• чисто синусоидальных напряжений, пропорциональных фазным напряжениям и токам синхронного генератора, используемые за­тем программными измерительными органами вычислительной части;

• постоянных напряжений, пропорциональных напряжениям генера­тора и на шинах электростанции;

• импульсных напряжений управления прерываниями и микроЭВМ в целом (длительностью Т_и = 30 мкс).

Они формируются усилителями, трехфазными выпрямителями с ак­тивными ФНЧ и аналого-дискретным преобразователем АДП, входящи­ми в состав элементов АИН и АИТ. На схеме показаны элементы ввода дискретных сигналов НДС в виде малогабаритных реле с герметизиро­ванными контактами (герконов).

Исполнительная часть состоит из цифро-аналогового преобразовате­ля ЦАП: элементов аналогового гальванического отделения (развязки) ЭГР вычислительной части от цепей управления в виде усилителей- преобразователей с модулятором и демодулятором, исполнительных уси­лителей ИУ аналогового регулирующего воздействия U_per на устрой­ства управления УУ тиристорами преобразователей VST (см. рис. 5.9) возбудителя; времяимпульсного преобразователя ВИП и выходных герконов вывода дискретных сигналов (комплекта выходных реле КВР).

Регулятор имеет развитой программно-аппаратный контроль ис­правностей всех его частей. Элементы контроля ЭК формируют сигна­лы неисправностей, поступающие в элемент коммутации ЭКМ выход­ных сигналов микроЭВМ, который переводит вычислительные операции на резервную микроЭВМ или выводит регулятор из действия.

«О

от ТА от TV

Рис. 5.17. Функциональная схема микропроцессорного автоматического регулятора возбуждения син­хронного генератора

Автоматическое регулирование U и Q синхронных генераторов

Основной группой программ комплекса математического обеспече­ния АРВ-СДМ являются программы автоматического регулирования возбуждения и синхронизации генератора.

Они обеспечивают выполнение алгоритма (5.15) регулирования воз­буждения сильного действия, выполнение условий точной автома­тической синхронизации (см. §2.3) и вычисление угла опережения по закону (2.19) равнопеременного вращения синхронного генератора (см. §2.7).

Измерительные органы микропроцессорного автомати­ческого регулятора. Аналого-дискретный преобразователь.

Функционирование программных измерительных органов АРВ СДМ обеспечивается импульсами управления аналого-дискретного преобра­зователя (АДП), формирующего короткие импульсы и_па, и_Иъ, и_ас в мо­менты времени изменения знака мгновенными синусоидальными напря­жениями трех фаз и_а, щ, и_с с отрицательного на положительный — в момент положительных их переходов через нуль (рис. 5.18).

Компаратор ЕА сравнивает мгновенное напряжение и_а, например, на инвертирующем входе с нулевым значением на неинвертирующем входе интегрального усилителя А с гибкой положительной обратной свя­зью (Rо.с, С₀._с), функционирующей только при переходном процессе фор­мирования переднего и заднего фронтов прямоугольных импульсов по­ложительного напряжения U_Ki длительностью в половину периода про­мышленной частоты. Они выделяются из разнополярного напряжения U_к на выходе компаратора диодом VD2 и согласующим выход усили­теля А с логическими элементами микросхемы серии К155 логическим элементом И-НЕ типа К511ПУ1, включенным по схеме инвертора DU. Прямоугольные импульсы U_Bых._п = U_K\ и являются выходными дискрет­ными потенциальными сигналами АДП одной фазы.

Импульсные выходные сигналы и_ВЫХЛ1 формируются элементом крат­ковременной (по сравнению с длительностью прямоугольного напряже­ния U_K) памяти его появления, выполненном на логических элементах DXU микросхем К266ЛАЗ, К155ЛА7 и резисторно-конденсаторной це­пи RC.

При отсутствии напряжения U_Ki (положительном U_K и отрицатель­ных мгновенных напряжениях и_а) на входах DXU1 логические нули (0), поскольку конденсатор С разряжен. На нижнем (по расположению на схеме) входе DXU2 логическая единица (1), а на верхнем 0, на его выхо-

со

w

п п

(а)

Рис. 5.18. Функциональная схема (а) и временные графики (в) аналого- дискретно го преобразователя (окончание рис. на стр. 194)

Автоматическое регулирование U и Q синхронных генераторов

194

Рис. 5.18. Окончание

Г лава 5

де 1, а на выходе DXU3, на всех входах которого 1 (на втором и третьем от DXU2 аналогичных АДП двух других фаз), т.е. на выходе трехфаз­ного АДП в целом, напряжение отсутствует.

В момент появления напряжения U_Ki состояние DXU 1 не изменяется (конденсатор С разряжен), a DXU2 переключается (на обоих его вхо­дах 1). Нуль его выхода, поступая на верхний (первый) выход DXU3, обусловливает его переключение и появление напряжения д_вых._и = и_1Ш. Время его наличия, т.е. длительность выходного короткого импульса, определяется временем заряда конденсатора С (под воздействием J7_Ki) до напряжения Uc > Е_п/2, соответствующего логической 1 на ниж­нем входе DXU 1. Элемент DXU 1 переключается, обусловливая пере­ключение DXU2 и DXU3, т.е. исчезновение напряжения и_иа на выхо­де АДП.

На входах каждой фазы установлены малоинерционные (с постоян­ной времени Т » 1 мс) пассивные ФНЧ (Аф, Сф) и ограничитель (ста­билитроны VD1) мгновенных значений преобразуемых фазных напря­жений.

Измерительный орган амплитуды напряжения. Быстродей­ствие измерительного органа напряжения АР В СДМ достигается фик­сированием положительных амплитудных мгновенных значений напря­жений трех фаз U_ma, U_mb, U_mc (рис. 5.19). Производится вычисление среднего значения амплитуды, которое сравнивается (путем вычитания) с заданным (предписанным) значением — вычисляется ее отклонение. На основе численного дифференцирования определяется производная ам­плитуды. Указанные операции производятся за время, не превышающее 1/3 длительности периода Т_п промышленной частоты.

Амплитуда фиксируется путем управления соответствующим кана­лом мультиплексора АЦП, включаемого импульсным напряжением и_ит на несколько микросекунд практически в момент прохождения фазным напряжением генератора через положительное амплитудное мгновенное значение.

Включение канала мультиплексора производится вычитающим счет­чиком тактовых импульсов (частотой 2 МГц), в который в момент 7\ прохождения мгновенным фазным напряжением через нуль записыва­ется число Ajn/4, равное количеству тактовых импульсов, размещаю­щемуся на интервале времени в 1/4 периода промышленной частоты. Запись числа производится импульсом и_И, формируемым АДП в момент

Рис. 5.19. Временные графики, иллюстрирующие формирование им­пульсных сигналов управления АЦП и ЭВМ (см. рис. 5.17) цифрового программного измерительного органа амплитуды напряжения

изменения знака с отрицательного на положительный (положительного перехода через нуль) мгновенным фазным напряжением.

В момент времени Тз обнуления счетчика по переднему фронту им­пульса и_шт контроллером прерываний работы микропроцессора (МП) включается в работу программа ввода информации в микроЭВМ и вы­числения среднего значения амплитуды напряжения. Вычисления от­клонения амплитуды и ее производной производятся отдельными про­граммами.

Измерительный орган изменения частоты. Формирование сигналов по изменению и производной частоты согласно (5.14) произво­дится на основе вычислений длительности периода промышленной ча­стоты. В измерительном органе используется второй вычитающий счет­чик тактовых импульсов, в который периодически после каждого считы­вания до нуля вновь записывается число импульсов N'_a = jV_max ^ А^гх_п/4 (рис. 5.20). Поэтому за время, равное длительности периода промыш­ленной частоты, число импульсов в счетчике уменьшается на неболь­шую часть iVmax-

Разность числа импульсов, например AN_a = N'_a — N”, фиксируемых импульсными напряжениями и'_иа, и_ва, соответствующими положитель­ным переходам через нуль мгновенного напряжения фазы А, получается пропорциональной истинной длительности периода промышленной час­тоты. По трем таким замерам AN_a, ANb = N'_b — IV" и AN_c = N'_c — TV", производимым с использованием напряжений и'_иЬ, и”_ь и соответствен­но и'_ис, д"_с (на графике рис. 5.20 м"_с и IV" не показаны), вычисляется средняя истинная длительность Г периода напряжения синхронного ге­нератора и, как указывалось, по правилу дифференцирования дробей — производная частоты.

Выше на рис. 5.19 показаны включения (импульсами в моменты вре­мени Гг) программ ввода информации и вычислений. Формирование цифровых сигналов об изменениях частоты производится пропускани­ем сигналов о ее производной через программный ФНЧ первого порядка (апериодическое звено).

Измерительный орган реактивного и активного тока. Не­обходимое быстродействие измерительного органа достигается запоми­нанием мгновенного тока генератора. Для этого по задним фронтам импульсов напряжения и_в и и_вт (см.рис. 5.19) включаются (в момен­ты Гг и Г4) соответствующие каналы мультиплексора АЦП, фиксирую­щего в двоичном коде мгновенные значения тока одной из фаз, например i_a — Im sin(u>_ntf — ip), равные в момент t = 0 реактивной 1_Р = I_m sin <р, а в момент t = Г_п/4 активной /_а = I_m cos ip составляющим тока синхронного генератора. Они используются для измерительного органа потребляе­мой генератором реактивной мощности, определяющего минимально до­пустимый (по условию статической устойчивости электропередачи) ток возбуждения синхронного генератора. Сигнал о минимально допусти­мом возбуждении формируется как функция 1_Р и /_а (5.20) расчетами по отдельной программе.

Измерительный орган угла сдвига фаз. В измерительном ор­гане угла сдвига фаз между напряжением на шинах электростанции час­тотой /_с и напряжением холостого хода синхронного генератора часто-

Рис. 5.20. Временные графики, иллюстрирующие способ формирования цифрового сигнала изменения частоты

той /_г ф /_с, непрерывно изменяющегося при подготовке генератора к включению на параллельную работу с электроэнергетической системой (синхронизации) в функции частоты скольжения f_s — |/_с — /_г|, исполь­зуется времяимпульсное преобразование фазы. Формируемый импуль­сом одной из фаз, например и_И,_г = и_иа (см. рис. 5.19), и аналогич­ным импульсом и_И,_ш (на графиках рис. 5.19 не показаны), фиксирую­щим переход через нуль мгновенного напряжения на шинах электро­станции, времяимпульсный сигнал является линейной функцией угла сдвига [8].

Измерительное преобразование угла сдвига фаз в цифровой сигнал производится аналогично рассмотренному фиксированию длительности периода путем считывания из третьего вычитающего счетчика с перио­дически записываемым числом тактовых импульсов iV_max > Ajn/4 чи­сел в моменты времени появления указанных импульсов напряжений и_и._г и и_и._ш- По отдельной программе в измерительном органе вычисляется угол сдвига фаз в начальный момент воздействия на привод выключа­теля синхронного генератора, необходимый для совпадения по фазе на­пряжений на шинах электростанции и генератора в момент включе­ния (соединения силовых контактов выключателя), — угол опережения (см. §2.3).