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南瑞微机水轮机调速器使用与维护问答.doc 37页
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微机水轮机调速器
使用与维护问答
国电自动化研究院
南瑞电气控制公司
第一部分：电气柜 3
一、SAFR000微机调节器的硬件配置有哪些？ 3
二、SAFR000微机调节器的主机模件上有哪些资源？ 3
三、简述SAFR2000装置各主要模件（除CPU板）的功能。 4
四、SAFR2000微机电调控制程序如何下载更新？ 4
五、SAFR2000和SJ700微机电调更换备用板件时应注意哪些问题？ 5
六、SAFR2000电调工控机报电源故障应如何处理？ 6
七、SAFR2000电调工控机报励磁电源故障应如何处理？ 6
八、SAFR2000电调工控机报通讯故障应如何处理？ 6
九、SAFR2000电调工控机报水头采样或功率采样故障应如何处理？ 7
十、如何检查SAFR2000电调和监控的通讯是否正常？ 7
十一、电调频率及导叶故障分“死值、越限、跳变”，请说出三种故障区别？ 7
十二、简述SAFR2000电调报导叶液压的原理及处理方法？ 8
十三、简述SAFR2000电调报导叶采样故障的处理方法？ 8
十四、简述SAFR2000电调参数设置的方法以及各参数含义？ 9
十五、简述SAFR2000及SJ-700微机电调在残压测频故障时是如何处理的？ 10
十六、SAFR2000型软件包分为调试和运行两部分，请问该软件包如何安装？ 10
十七、SAFR2000装置，工控机出现串口1或2找不到故障，应如何处理？ 11
十八、简述手动综合控制模块的主要功能及调试方法？ 11
十九、简述BOSCH功放板上三个指示灯及相关文字的意义？ 13
二十、SAFR2000及SJ-700型采用了交直流双路供电，试画出原理图？ 13
二十一、简述SAFR2000电调CPU模件上各指示灯的含义？ 14
二十二、简述微机调速器A、B两套系统的切换原则是什么？ 14
二十三、简述采用旋转变压器来测量接力器行程的原理和特点？ 15
二十四、一般SAFR2000微机调速器投运时需要进行哪些试验项目？ 16
二十五、SAFR2000微机调速器静特性试验如何进行？ 16
二十六、在调速器静特性试验中如何简单计算频率死区、校核永态转差率Bp？ 17
二十七、简述微机测速装置输出接点的设置方法？ 18
二十八、简述SAFR2000微机调速器与监控系统的通讯规约？ 18
二十九、SAFR2000微机调速器采用了哪些电磁兼容技术？ 20
三十、电调发电过程中出现溜负荷或负荷波动如何处理？ 21
三十一、SAFR2000电调输入、输出信号采取了哪些抗干扰隔离措施？ 21
三十二、SAFR000及SJ-700型采用何种控制规律，与经典控制有何不同？ 22
三十三、简述水轮机模型的传递函数？ 23
三十四、试画出电调频率及导叶闭环调节原理框图？ 24
第二部分：机械柜 25
一、试画出伺服比例阀的阀位机能图，并简述其特点？ 25
二、ZFL型调速器液压柜有哪些特点？ 25
三、南瑞调速器液压柜有哪几种形式？每种液压柜结构如何？ 26
四、南瑞的调速器油压装置有哪几种型式？分几个压力等级？ 26
五、ZFL系列机械液压装置的开关机时间如何整定？ 26
六、简述ZFL系列液压控制装置伺服阀和液压集成块的清洗方法？ 27
七、如何调整ZFL机柜手动控制方式下的增减速度？ 28
八、如何调节DDT型液压调节柜的机械零点？ 28
九、DDT型液压调节柜的开、关机时间是怎样调节的？ 29
十、ZFL型液压调节柜检修时有那些注意事项？ 30
十一、简述ZFL/D型机械液压装置的系统调节原理？ 30
十二、如何调整ZFL机柜主配位移传感器零位？ 31
十三、南瑞调速器液压柜的滤油器有什么特点，如何更换滤芯？ 32
十四、如何更换和清洗液控柜电磁切换阀？ 32
十五、调速器主配拒动接点如何使用？ 33
十六、调速系统油压装置回油箱、压油罐、油泵容量如何估算？ 33
十七、调速系统主配压阀直径和调速器操作功一般如何估算？ 34
第三部分：传感器 35
一、SWB-4、SWB-5型位移变送器如何安装？ 35
二、SWB-4、SWB-5型位移变送器安装注意事项有哪些？ 35
三、SWB-4、SWB-5型位移变送器电气部分如何接线？ 36
第一部分：电气柜
一、SAFR000微机调节器的硬件配置有哪些？
答：调节器的硬件配置主要有：
主机模件　　　　　　　　　　2块，通讯、控制、计算等。
采样模件　　　　　　　　　　2块，频率、导叶、桨叶开度采集。
控制模件　　　　　　　　　　2块，导叶、桨叶电液转换控制信号。
数字模件　　　　　　　　　　2块，16路开关量输入，8路开出。
　　　　　　2块，5路模拟信号输入。
双机切换模件　　　　　　　　1块，可编
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洗衣机电机如何调速？
各位高人！我买了几十个吊扇的调速器，想用在洗衣机电机调速的，但我看到开关上写明一定要火线单进单出，但我插头经常要拔的，万一我插错了怎么办？还有这种调速器是不是利用降压来达到调速的目的？我之前想买风扇调速器是因为看到台扇电机可以调，但买回来我...
我有更好的答案
& &传统的滚筒冼衣机只有洗涤和脱水两种转速，采用双速电动机就可满足需要。近年来，很多新型滚筒洗衣机都具有两种以卜转速，采用的是可以调速的电动机。&&&&&国产滚筒洗衣机一卜用于调速的电动机，有与传绕滚筒洗衣机的双速电动机结构相同的感应电动机(仍称为双速电动机)和单相串励电动机(简称串励电动机)。这两种电动机都是通过调压来调速的。&&&&&一、双速电动机调速原理&&&&&1．电动程控控制式滚筒洗衣机&&&&&(1)分级调速电路&&&&&小鸭XQG50-428G洗衣机的调速电路如图1所示。图中所示开关都是电动程控器的触点开关：K-K1、K2是洗涤和脱水运转的转换开关，1-1T、1B是快轴触点，用以控制洗涤电动机L(即双速电动机低速绕组)的正、反转，S—S2、S3是调速开关，K—K1、K2和S—S2、S3构成调速开关组。洗涤时，K—K1接通，电动机L工作；脱水时，K—K2接通，脱水电动机C(即双速电动机高速绕组)工作。&&&&&在电路中TDA1085C⑤脚为调定速度信号输入端，在⑤脚和⑨脚(VCC端)问由4个电阻构成电阻网络，⑤脚和⑨脚间接入不同的电阻值，得到对应不同转速的基准电压，当K—K1接通，S置中间位置时，⑤脚和⑨脚间接入电阻4.3k，洗涤电动机L带动滚筒以55r／min的转速作洗涤运转；K—K1和S—S2接通时，⑤脚和⑨脚间一路接人电阻4．3k，另一路与4．3k电阻并联经晶体管接人另一个电阻4.3k和82Ω，电动机L带动滚筒以100r/min转速作脱水前的摆匀运转。而当K—K2和S—S2接通时，脱水电动机C带动滚筒以400r／min转速作低速脱水转动。当K—K2和S—S3接通时，⑤脚和⑨脚接入的电阻一路是4．3k，另一路是与电阻4．3k并联接入电阻82Ω和750Ω，电动机C带动滚筒以800r／min转速作高速脱水运转。也就是接于芯片⑤脚和⑨间的调速电阻值越小，电动机转速越高。&&&&&电动机及测速畿电机启动运转后，测速发电机TG将饥械转速以电压信号(即取样电压)形式输送给芯片12脚，芯片将设定速度的基准电压与取样电压的差值送到速度上升线性发生器(⑤、⑥、⑦脚)、控制放大器(16脚)和触发脉冲发牛器后，13脚输出触发脉冲，控制晶闸管的导通角，导致加在电动机上的电压(调速板1端与A端间的电压)变化，使其达到设定的转速。&&&&&(2)无级调速电路&&&&&双速电动机采用带有开关的可调电阻调速器实现无级调速。图2，SXQG50—868型洗衣机的调速电路，图中S4为电动程控器一组触点。冼涤时，S4的触点24、4、04都处于不接通状态，调速器芯片以调速板上的定值电阻对洗涤电动机L进行调速。由此可知，电动机L只有一种转速，洗涤、漂洗和排水时滚筒以同一种转速转动。&&&&&脱水时，有低速和高速两种速度。低速脱水时，程控器触点24—04闭合，使调速板④和⑤端相接，将调速扳上的定值电阻接入转速设定电路，芯片输出的触发脉冲控制调速板1端输出的电压，使设定电压加在脱水电动机C上，C的转速为550r／min。&&&&&在洗衣机最后一次脱水时，程控器触点24—4闭合，使调速板③、⑤端通过调速器ST相接，将ST的电阻接入转速设定电路。当调节碳膜电阻的阻值为最小时，电动机转速为最高(850r／min)。这样，脱水转速就可在550r／min～850r／min范围内连续可调。&&&&&2．电脑控制滚筒洗衣机&&&&&电脑控制式滚筒洗衣机双速电动机的调速由单片机来完成，单片机储存有对应于电动机转速的基准电压。双速电动机启动后，测速发电机同速运转并通过接线端向单片机输入转速的取样电压。当单片机检测到的取样电压与对应的基准电压相等时，表明双速电动机转述已达到设定值，电脑板输送给电动机的电压就不再变化，电动机就工作存设定的转速上。&&&&&二、串励电动机的调速原理&&&&&串励电动机多应用于滚筒洗衣干衣机上，也采用调速板来调速，调速原理与双速电动机相尉。下面以实例介绍串励电动机的调速原理。&&&&&1．分级调速原理&&&&&分级调速以电动程摔器触点和开关将调速板上的调速电阻接入转速设定电路，达到电动机调速目的。&&&&&图3是XQG50-428型洗衣机的调速电路图。图中，调速板ME上部的电路是转速设定电路，可设定标准洗、轻柔洗；低速脱水和高速脱水。调速板下面电路是串励电动机正反转控制电路。C1是电阻网络(即速度网络)的输入端。&&&&&洗衣机进水完成后，水位开关常开触点闭合，这时如双向晶闸管VS被触发导通，电动机M就能运转。晶闸管vs的导通角受芯片13脚输出的触发脉冲控制，使电动机得到不同的工作电压，进而改变电动机的转速。&&&&&调速板ME上的芯片TDA1085C⑤脚外，对应若干接线端接有若于个调速电阻，这样，在芯片⑨脚和⑤脚间的转速设定电路上，共可接入5种不同的电阻值，每种电阻值对应于电动机的一种转速。&&&&&2．无级调速原理&&&&&在图4电路中，脱水是通过调速器接通电路并实现无级调速的，无级调速的范围是400r／min～1100r／min。&&&&&选择脱水时，操作ST使其触点1-2接通。当洗衣机排水完成后，水位开关L3复位，这时接通的转速设定电路是调速板C35端经调速丌关组接通C34端，C35端与芯片5脚间接入的是定值电阻，对应的电动机设定转速是400r／min，这就是低速脱水的转速。&&&&&洗衣机由低速脱水转入高速脱水时，芯片⑤脚和⑨脚间接入的电阻为C36端和⑤脚间的定值电阻与可凋电阻，改变可调电阻的阻值就可使洗衣机的转速在400r／min～1100r／min之间连续变化，实现无级调速。可调电阻为10k的碳膜电阻。&&&&&调速板参数是：输入电压187V-，250V，频率50Hz，限流器电流8．5A±1．5A，电动机热保护器断开温度150℃，复位温度90℃。储存温度为一20℃～85℃。接线端有防氧化保护。
不清楚你说的洗衣机电机是哪一类，如果电机有接电容的话，那就是属于单相异步电动机。风扇通常也是单相异步电动机。对于单相异步电动机的调速方法大多采用斩波降压（也就是可控硅调压，就是上面你讲的无级调速器），这种方法成本比较低，同时效果并不是很理想，原因是斩波使交流波形产生了严重的畸变。只能说，在一定范围内速度可调。对于“吊扇能用，洗衣机电机却不能用”的原因应该是负载与调速器占空比的原因。可以了解一下可控硅电压电路，不是很复杂。
本回答被提问者采纳
普通洗衣机一般是电容启动正反转两个方向互换进行洗涤，保证不缠绕，洗涤面大，可以充分将衣服洗干净，只有控制电机正反转时间的长短，来实现强弱洗涤效果，不是用电机调速，用调速器降压使用，洗衣过程中负载过大，会烧毁电机。
洗衣机不可以调速 只能定时和正反转 电压必须220V 洗衣机是根据洗衣服来设定转速的 如果速度慢 衣服是洗不干净的 脱干也不会干的
电风扇调速器是分5档线圈减少电压来降低速度的 电机的速度是会变慢 但不能洗衣服 和脱干
不行。不是一样的东西
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调速器培训教材1
NARI微机水轮机调速器 培训教材国电自动化研究院 电气控制技术研究所 二○四年八月前言本书首先介绍了水轮机调节及水轮机调速器的基本概念、 控制对象的数学模 型、 水轮机调节系统的动静态特性，然后以南瑞电气控制技术研究所最新研制的 SAFR-2000 型 32 位微机调速器为例说明了微机调节器的电气部分，接着以南瑞 集团推出的 ZFL 系列自动复中式主配压阀液控装置为例说明了调速器机械液压 部分原理， 然后又介绍了调速器的压油装置和油压系统的控制部分，最后本书介 绍了 SAFR-2000 型调速器的现场实验以及水轮机调速器的非线性鲁棒控制等。 本书共分为八章， 主要由南瑞电气控制技术研究所调速工程部编写，其中第 五章由陈东民编写，第六章第二部分由蒋克文编写，其余由蔡卫江编写，全书由 蔡卫江统稿。 本书第三章引用了华中科技大学魏守平教授的《现代水轮机调节技术》中的 部分内容，在此表示感谢。其他部分章节引用的内容详见参考文献，在此对作者 一并表示感谢。 教授级高工曾继伦对本书进行了审阅，并提出了许多宝贵意见。南瑞电气控制技术研究所 于南京
目录第一章 1.1 1.2 水轮机调节概述 ....................................................................................................... 1 水轮机调节的任务 ................................................. 1 水轮机调速器的控制策略和结构 ..................................... 3 1.2.1 控制策略的发展 ............................................... 3 1.2.2 调速器装置的发展 ............................................. 8 1.2.3 控制策略的发展方向 .......................................... 10 控制对象数学模型 ................................................................................................. 12 水轮机组段模型 .................................................. 12 2.1.1 有压引水系统模型 ............................................ 12 2.1.2 水轮机模型 .................................................. 15 2.1.3 液压随动系统模型 ............................................ 17 2.1.4 同步发电机模型 .............................................. 18 2.1.5 包括水轮机组段-发电机-电力网络的整体系统模型 ................ 19 水轮机调节系统的静态和动态特性 ..................................................................... 20 水轮机调速系统国家标准……………………………………………………... 水轮机调速系统静态特性……………………………………………………... 水轮机调速系统动态特性……………………………………………………... 微机水轮机调速器电气调节装置 ......................................................................... 34 32 位微机水轮机调速器简介 ....................................... 34 32 位微控制器 MC68332 特性介绍 ................................... 36 4.2.1 概述........................................................ 36 4.2.2 内部结构 .................................................... 37 SAFR2000 微机调速器硬件系统 ..................................... 44 4.3.1 系统控制插箱简介 ............................................ 44 4.3.2 继电器层简介 ................................................ 46 装置硬件基本工作原理 ............................................ 46 SAFR2000 微机调速器软件系统 ..................................... 56 4.5.1 概述........................................................ 56 4.5.2 上位机运行监视软件 .......................................... 56 4.5.3 上位机智能化调试维护软件 .................................... 60 4.5.4 下位机软件基本构成及框图 .................................... 83 4.5.5 调节控制原理 ................................................ 87 微机测速装置 .................................................... 93 4.6.1 概述........................................................ 93 4.6.2 主要技术参数 ................................................ 93 4.6.3 装置的操作说明 .............................................. 94 4.6.4 装置工作模式说明 ............................................ 97 调速器机械液压控制装置 ..................................................................................... 99- I -第二章 2.1第三章 3.1 340 3.2 340 3.3 342 第四章 4.1 4.24.34.4 4.54.6第五章南瑞 ZFL 型液压控制装置概述 ...................................... 99 液压控制装置系统组成 ........................................... 100 5.2.1 系统原理概述 ............................................... 100 5.3 主要技术参数、性能指标及工艺特点 ............................... 103 5.3.1 主要技术参数 ............................................... 103 5.3.2 主要性能指标 ............................................... 103 5.3.3 主要工艺特点 ............................................... 104 5.4 主要液压元件原理介绍 ........................................... 104 5.4.1 伺服比例阀 ................................................. 104 5.4.2 双联可切换滤油器 ........................................... 105 5.4.3 主配压阀 ................................................... 105 5.5 液控柜操作说明 ................................................. 108 5.5.1 导、轮叶控制部分的操作 ..................................... 108 5.6 安装与调整..................................................... 109 5.7 插装阀式液压控制装置 ........................................... 111 5.7.1 插装阀概述 ................................................. 111 5.7.2 插装阀式调速器原理介绍 ..................................... 111 5.8 机械过速保护及事故关机装置 ..................................... 115 5.8.1 系统组成 ................................................... 115 5.8.2 工作原理 ................................................... 115 5.8.3 系统特点 ................................................... 116 5.8.4 机械过速保护装置与液压系统接口 ............................. 116 5.9 分段关闭装置 ................................................... 119 第六章 油压装置............................................................................................................... 121 6.1 YZ-8.0-6.3 油压装置工作原理 .................................... 121 6.2 油压装置控制柜 .................................................. 99 6.2.1 概述....................................................... 125 6.2.2 主要功能 ................................................... 125 6.2.3 供电方式 ................................................... 127 6.2.4 油源控制柜状态 ............................................. 128 6.2.5 油源控制柜控制方式及功能描述 ............................... 129 第七章 SAFR2000 微机调速器现场试验 ........................................................................ 134 7.1 电站及机组概况 ................................................. 134 7.2 试验项目....................................................... 135 7.3 现场试验录波 ................................................... 144 第八章 微机调速器的非线性鲁棒控制 ........................................................................... 153 8.1 概述........................................................... 153 8.2 工程上实用化的非线性鲁棒控制规律 ............................... 154 8.2.1 控制模型的线性化 ........................................... 154 8.2.2 鲁棒控制规律 ............................................... 157 8.3 非线性鲁棒控制调速器的实验验证 ................................. 159 参考文献....................................................................................................................................... 1645.1 5.2- II -第一章 水轮机调节概述第一章 水轮机调节概述水轮机是靠自然水能进行工作的动力机械。水轮发电机组把水能转变为电 能供工业、农业、商业及人民生活等用户使用，用户除了要求供电安全可靠外， 还要求电能的频率和电压保持在额定值附近的某一范围内， 我国电力系统规定： 频率应保持在 50Hz， 对于大容量系统不得超过额定值的± 0.2 Hz， 这就对水轮机 的控制设备（调速器）提出了较高的要求。 水轮发电机组输电系统包括水轮机及其有压过水系统、发电机和电力网。 可以分为水轮机组段子系统和发电机子系统两部分。水力系统在调控过程中由 于水流惯性有“反调”作用，即当打开导水叶时，水流惯性使水头减小，从而 导致机组出力在开始时反而减小，随后再增加。其结果从控制理论上看是使水 轮机组段成为一个非最小相位系统。因此，水轮机的调节还具有一定的特殊性， 必须考虑水流惯性的影响。1.1 水轮机调节的任务电力系统任何时刻的总能量都是平衡的。当某系统内各发电厂发出的有功 功率的总和大于系统的有功功率负荷（包括各种用电设备所需的有功功率和电 网的有功功率损耗）时，电力系统中储存的动能就会增加，系统的频率亦会随 之增加，反之频率降低。电力系统的负荷在不停地波动，由于电能不能大量储 存，负荷功率的变化将引起频率的相应变化。电负荷和发电机电磁功率的变化 可以是瞬时的，原动机输出功率由于调节系统的惯性和时延的存在，不可能实 时跟踪发电机电磁功率的瞬时变化，因此在任何瞬间严格地维持电力系统频率 不变是不可能的，调速系统的一个主要任务就是要把系统频率对于其额定值的 偏移限制在一个相当小的范围内（如?2%） 。即根据负荷的变化不断调节水轮发 电机组的功率输出，并维持机组转速在规定的范围内。这就是水轮机调节的基 本任务。- 1 -第一章 水轮机调节概述图1-1水电厂示意图水电厂的生产过程如图所示。水轮发电机一般是三相交流同步电机，频率 f 与转速 n 之间的关系为f ? Pn 60(1-1)式中 P 为发电机磁极对数，n 为转速，f 为频率。 水轮发电机组的转速由作用在机组转轴上的转矩决定，其运动方程式可写 为：J d? ? Mt ? M g dt(1-2)式中 J 为水轮机转动部分的转动惯量， ω 为机组旋转角速度， Mt 为水轮机转矩， Mg 为发电机负荷阻力转矩。上式表明，只有在水轮机转矩与负荷阻转矩相等的 时候，机组的转速才能稳定。否则，机组角速度将发生变化，由此引起频率波 动。 由水轮机原理，水轮机转矩的表达式为：Mt ??QH? t ?(1-3)式中γ 为水的重度，单位是 N/m3，Q 为通过水轮机的流量，H 为水轮机净水头， η t 为水轮机效率。可见，改变水轮机转矩的最有效方法是通过调速器改变水轮- 2 -第一章 水轮机调节概述机的流量。 如上所述，水轮机调节的基本任务是：当电力系统负荷发生变化、机组转 速出现偏差时，通过调速器相应的改变流入水轮机流量，以使水轮机转矩与发 电机负荷转矩达到新的平衡，以维持频率在规定的范围之内。 水轮机调速器除了完成调节机组频率这一任务外，还负有多种控制功能， 如机组启动、停机、工况转换、增减负荷等。 随着现代电力系统规模不断扩大，单台发电机的容量在整个系统的总容量 中所占的比重越来越小。当发电机与系统并网后，发电机的转速已经不能有较 大变化，调速器这时所调节的实际上是水轮机的输出转矩，它正比于发电机的 输出功率。当电力系统中发生大的扰动时，将引发电力系统的机电暂态过程， 引起机组转子摇摆。如果干扰过大，发电机组又没有适当的控制，机组可能会 失去同步。早期的水轮机水门调节方式是根据机组转速的偏差进行比例调节。 随着控制理论的发展，调速器已经有所改进，以图改善水轮机的运行状态。1.2 水轮机调速器的控制策略和结构1.2.1 控制策略的发展水轮机控制策略从较早的 20 世纪 70 年代的研究，发展到 21 世纪初，经历 了一个不断改进的过程。 PI 调节 早期的调速器是机械液压型的。根据其反馈系统的结构，可以分为两种： 一种是从主接力器引出反馈，称为辅助接力器型；另一种从中间接力器引出反 馈，称为中间接力器型。图 1-2 所示为采用从主接力器引出反馈的调速器的传 递函数结构图。图中输入量是速度偏差，输出量是导水机构行程。从理论上讲， 辅助接力器型和中间接力器型的动态特性是相近的，但工程实践表明，中间接 力器调节型的动态特性往往较易满足要求。其重要原因之一是在工程上主接力 器处于水轮机井内，其反馈系统较长，杠杆较多，易产生死程，从而导致动态- 3 -第一章 水轮机调节概述特性恶化。而中间接力器位于调速器柜内，易于保证反馈质量。b?x1 T y1 s1 Ty' sybpbt Td s Td s ? 1图1-2主接力器软反馈调节器系统结构图图 1-2 所示系统的传递函数为G( s ) ?Td s ? 1 Ty Td s ? (Ty ? b pTd ? bt Td )s ? b p2(1-4)其中，Ty1 为辅助接力器时间常数，Ty' 为主接力器时间常数，Ty ? b? Ty' ， bt 为暂 态转差系数，Td 为暂态反馈 （软反馈） 时间常数，b p 为永态转差系数。 在 Ty ? 0 ，b p ? 0 时，传递函数近似为G( s) ? K P ? KI s(1-5)这种比例加积分的控制方式调节响应时间较长，不能很好满足对调节特性 的需要。有关文献（孔昭年，水轮机调节系统极点分布域及调节器参数的整定， 大电机技术，1985） 、 （沈祖诒，水轮机调速器最佳参数整定――频率响应法， 水轮机调速器最佳参数整定――极点配置法，华东水利学院学报， 1984）讨论 了(1-4)式中 Td 和 b p 两个参数整定问题，并给出了选择这两个参数的计算方法。 PID 调节 为了改善调节性能，在比例-积分的基础上，增加了微分环节，这便是 PID 控制方式。其传递函数为：- 4 -第一章 水轮机调节概述G( s) ? K P ?KI ? KDs s(1-6)PID 控制主要适用于低阶、不太复杂的线性系统，它物理概念清晰、易于 实现，目前也是水轮机调速器中应用最广泛、技术最成熟的一种控制规律，由 于微处理器在水轮机调速器上的大量使用，PID 控制目前大多数由软件来实现， 以下图 4-3 所示结构比较常用，称为经典 PID 控制。KPx+ + +uKPxKI KD bp图1-3KD KI bp经典 PID 结构图上式中，输入的是转速偏差，输出的是与偏差成比例的控制量。永态转差率 bp 取自 PID 综合输出。经典 PID 控制传递函数为：KDs2 ? KPs ? KI G( s) ? b p K D s 2 ? (b p K P ? 1) s ? b p K I(1-7)对于微分环节的引入使水轮机调节系统稳定性和动态过程改善的研究，国 内外学者很早就有论述。1981 年 7 月，J.C.Howe 应用简化的数学模型，比较了 PI 调节器和 PID 调节器的动态性能，得出的结论是采用 PID 调节器可以显著改 善调节效果。但是，1983 年 1 月，G..D.Ransford 应用优化参数来比较 PI 与 PID 控制，认为 PID 调节器虽然改善了转速过渡过程，但是使水压变化巨大，并没 有带来实际效益。以上两者在分析时都没有考虑接力器时间常数。实际上，在 水轮机调速系统中，由于接力器平缓了微分环节的作用，因此微分环节的引入 效果，正如 1991 年，沈祖诒在《水轮机调节系统分析》一书中指出，既没有文 献 （ J.C.Howe, Predicting the stability of regulation, Water Power & Dam Construction, 1981,7 ） 认 为 的 那 么 大 ， 其 引 起 的 水 压 变 化 也 没 有 文 献 （ G..D.Ransford, P.i.d. regulation revisited, Water Power & Dam Construction, 1983,1）认为的那么大。- 5 -第一章 水轮机调节概述实现 PID 控制的具体结构很多， 例如在原有的 PI 反馈调节环节上增加测量 加速度的回路。到目前为止，大量的调速器还是采用 PID 控制规律。为了改善 水轮机的动态性能，提高输电系统的稳定性，PID 调节器的参数设定曾经成为 一项重要的研究课题。文献《水轮机调速器调节参数优化计算―拟牛顿法》提 供了一种参数空间寻优法――拟牛顿法求取 PID 调节器最佳参数整定。该方法 把调节参数作为输入的一部分，? ? f ( x, u, v) x(1-8)式中， x[ x1 ,?, xn ]T 为状态向量， u ? [u1 ,?, ul ]T 为输入向量， v ? [v1 ,?, vm ]T 为 调节参数向量，并设计一个目标函数来衡量调节系统的动态品质J ? ? x T Qxdt ? ?[ x(t f )]t0tf(1-9)将水轮机调节参数优化计算归结为在参数空间内寻找 (1-9)式所示的泛函的极小 值。 该算法虽然提供了一种优化调节参数的方法，但是该方法对于参数初值的 选取有依赖性，有可能得到只是目标函数的局部极小值；而且初值选取不当还 可能导致计算不收敛。 状态反馈 设对于图 1-4 所示系统，控制对象的状态方程和输出方程为? ? Ax ? Bu ?x ? ? y ? Cx是完全可控的。引入状态反馈 u ? v ? Kx ，其中 K 是状态反馈增益矩阵，则闭环 系统状态方程可写成? ? ( A ? BK) x ? Bv x根据现代控制理论，如果系统是完全可控的，对任意一种给定的闭环系统极点 配置总可以找到一相应的秩为 1 的状态反馈矩阵 K- 6 -第一章 水轮机调节概述Kv uB1 sxCyA图1-4 状态反馈控制结构图即闭环极点可根据系统动态特性的要求来设置。例如，可以根据对调节时间的 要求来确定， 也可以设计二次目标函数来确定闭环系统最优极点配置。 文献 《水 轮机调节系统分析》 （沈祖诒） 和 《通过长输电线与电网并列运行水轮机的控制》 （沈祖诒，黄宪培）给出了水轮机调速系统采用状态反馈的设计算例。必须指 出，上述状态反馈控制设计方法也是工作于基于系统的近似线性化模型。 变调节参数控制和自校正控制 为了进一步改进调速系统性能，有些作者试图将变增益控制方法用于调速 器。把运行工况分成若干子集，对每个子集确定一组最佳调节参数，并储存于 控制机中。在运行时，实测运行工况，并相应改变增益。文献《水轮机调节系 统的适应式变参数调节》 （魏守平）和《适应式变参数 PID 微型计算机调速器》 （叶鲁卿，魏守平）介绍了这种变增益调节的实用控制器。 根据上述方法，对于水轮机调节系统的变参数控制是把水轮机按照工况分 为几个集合，在线选择对应的增益。显然，采用这种控制技术的增益变化是不 连续的。 我们知道， 自校正控制由 K.J.?STR?M 提出 （K.J. ?STR?M, U.BORISSON, etc., Theory and Applications of Self-Tuning Regulators, Automatica, 1977, 13 ） ，并 被 D.W.Clarke 应用 于非 最小 相 位系 统（ D.W.Clarke, Self-tuning Control of Nonminumum-phase Systems, Automatica, 1984, 20） 。自校正控制有最小方差控 制、极点配置自校正控制、零极点配置自校正控制等几种形式。最小方差控制 以最小二乘参数估计法估计对象参数。当被估计的参数值收敛于某一数值时，- 7 -第一章 水轮机调节概述根据估计模型得到输出量偏差的方差最小控制。D.W.Clarke 试图将自校正控制 方法用于调速系统，但到目前为止，这种控制方式并没有在实际工程中得到应 用。1.2.2 调速器装置的发展机械液压型 我国曾广泛使用机械液压型的调速器。它使用离心摆作为测速元件，以离 心摆的移动支持块的机械位移作为输出，输出信号送至综合放大元件之一的引 导阀，经比较、放大后去调节水轮机导叶的开度。到 20 世纪 50 年代，机械液 压型调速器发展得比较完善。 随着生产的发展，用户对系统频率的要求更为严格；大机组大电网的出现， 对电站运行和自动化程度提出了新的要求。这就要求人们对调速器装置的性能 和结构进行不断的改进。20 世纪 40 年代，出现了电气液压型调速器。 电气液压型 电气液压型调速器是在机械液压型调速的基础上发展起来的，它保留了液 压放大部分，用“电-液转换器”代替了机械-液压转换器调速器，原来的离心摆 测速器也为先进的输出电信号的转速传感器所取代。 电气-液压型调速器比机械-液压调速器有以下明显的优点： (1) 具有较高的精确度和灵敏度。电液调速器的转速死区通常不大于 0.05%，而机械液压型调速器则为 0.15%，电液调速器接力器的 不动时间为 0.2 秒，而机械液压型调速器则为 0.3 秒。 (2) 制造成本低。用电气回路代替了较难制造的离心摆、缓冲器等机 械元件降低了成本。 (3) 便于综合各种信号（水头、流量、出力等） ，便于实现成组调节， 为电站的经济运行、自动化水平及调节品质的提高提供了很有利 的条件。广泛使用的功率与频率双调节的功频电液调节器就属于- 8 -第一章 水轮机调节概述这种形式。 (4) (5) 便于扩充新的控制模块。 便于与数字计算机连接，实现计算机控制，达到改善机组控制的 目的。 (6) 便于标准化、系列化，也便于实现单元组合化，以利于调速器生 产质量的提高。 (7) 微机型调速器 近年来，将微机用于电气-液压型调速器，使调速器的功能有了更进一步的 提高。近十多年来，国内外不少学者和研究单位都在研究和开发水轮机发电机 组的微机液压型调速器（简称微机调速器） 。微机调速器自 80 年代中期在国内 研制出来以后，经历了 8 位机，16 位机时代，现在已进入了百花齐放的局面， 有单片机型，PLC 型(可编程控制器)，工控机型等等。对于 32 位微机水轮机调 速器，目前已有电力自动化研究院选用 32 位微控制器 MC68332 研制成功，也有 部分厂家采用高性能 PLC 来实现 32 位机控制， 但由于硬软件均依赖于 PLC 生产 厂家，因此不易实现复杂的控制算法，也不易实现双机冗余结构。 在国外 32 位微机水轮机调器也处于研制阶段，目前已有美国 WOODWARD 公 司推出 723 PLUS 型 32 位微机调速器。三峡水电站水轮机调速器招标中已明确 提出要求 32 位机系统，目前该设备由法国阿尔斯通和美国伏依特公司提供，国 内现在投产的最大的水轮发电机组二滩电站其调速器由瑞士 HYDRO VEVEY(维维) 公司提供，采用的是摩托罗拉 68 系列的 16 位微处理器，可见研制和推广国产 的 32 位机调速器，可以使我国在这一行业的国际研究前列占据一席之地，有利 于大型水轮发电机组控制设备的国产化。 微机调速器与模拟试电液调速器相比，有许多明显的优点： (1) 调节规律用软件程序实现，不仅可以实现 PI、PID 调节规律，还 可以实现其他更复杂的调节规律，如前馈控制、自适应调节等。 (2) 调节参数的整定和修改方便，运行状态的查询和转换灵活。- 9 -安装、检修和测试调整都比较方便。第一章 水轮机调节概述(3)机组的开、停机规律可方便地用软件程序实现。即停机过程可根 据调保计算要求，灵活地实现折线关闭规律；开机过程可根据机 组增速及引水系统最大压力降的具体要求进行设定。(4)简化了操作回路。各种运行操作相互间的逻辑关系均可以用软件 程序完成， 取消了相应的继电器， 降低了成本， 也提高了可靠性。(5)便于与电厂中控室或区域电力系统中心调度所的上位机相连接， 提高水电厂和电力系统的自动化水平。对于水轮机调节系统的控制规律的研究，国内外调速器的研制基本上经历 了比例调节，PI 调节，PID 调节以及功频调节等过程，但水轮机调速系统是一 个复杂的水、机、电的综合非线性系统，上述控制规律都是基于水轮发电机组 的近似线性化模型设计的，没有考虑系统固有的非线性特性，从而难以适应电 力系统在动态过程中（如系统短路）的最佳调节，因此研制基于非线性控制规 律的水轮机调速器，可以最大程度的把握系统的非线性特性，代表着水电自动 化控制发展的方向。1.2.3 控制策略的发展方向近年来，随着控制理论和计算机技术的发展，新的控制策略被应用到调速 器的设计中。尽管这些设计还处于研制和数字仿真阶段，但离应用已经越来越 近了。 水轮机调节系统是一个非线性系统，对这样一个系统进行控制需要运用新 理论于新技术。已有的控制都是建立在适用于微小工况变化下的近似线性化模 型上，控制目标基本是跟踪转速给定。在对整个输电系统稳定性要求日益提高 的情况下，例如三峡水电站这样的大系统，仅仅跟踪转速给定是远远不够的。 只有综合考虑压力引水系统、水轮机、发电机和输配电系统，才能较好地达到 上述目的。以往对水轮机调节系统的非线性研究，主要限于两各方面，一个是 研究水轮机在不同工况下的非线性，而采用变参数控制。另一个是仅考虑接力 器与反馈系统内部的间隙、测速、主配压阀等环节的死区和输出的限幅等环节 的非线性特性。 以上对于非线性的研究没有涉及到整个电力系统的非线性问题， 对于电力系统的非线性控制问题的研究，我国的科技工作者已经取得了一些有- 10 -第一章 水轮机调节概述价值的成果。如： 《电力系统非线性控制》 （卢强、孙元章著） ， 《电力系统鲁棒 非线性控制的研究》[博士学位论文]， （孙春晓，清华大学，1996）等。 从 1989 年，微分几何控制理论首次应用于汽轮发电机汽门控制以来，非线 性控制理论、模糊控制理论、自适应控制理论被不断地应用于电力系统（孙元 章， 黎雄， 卢强， 《发电机调速系统的模糊逻辑控制器》 ， 控制理论与应用 , 1996） 。 1993 年， 非线性理论应用于水门控制， 讨论了刚性水锤的调速系统的控制问题。 文献《水轮发电机水门非线性控制器研究》 （孙元章，卢强，李国杰，等，清华 大学学报,)）给出了数字仿真和动模实验结果。同时，非线性控制理 论、非线性鲁棒控制理论也应用于励磁控制领域，在水轮机的调速控制方面， 既有对经典控制的改进，又有新理论的尝试。 国电自动化研究院和清华大学于 1999 年就开始研究非线性鲁棒控制理论 在大型水轮机调速系统的应用，当时由原国电公司立项，设立了重点攻关科研 项目《大型水轮发电机组调速系统的非线性鲁棒控制及工程实用化研究》 。本课 题研究就是要把非线性控制理论实用化,然后应用到水轮机控制系统中去，开发 出与常规调速器不同的全新概念的“非线性最优鲁棒控制水轮机调速系统” 。与 目前传统调速器相比，新型调速器将显著改善大型输电系统的传输能力和提高 系统安全稳定性。特别是在特大严重故障下，电力系统失稳后的短时间内，使 系统自动恢复再同步功能。该项目已经完成了实验室控制器样机、现场工业控 制样机的研制；开发了水轮发电机组和电力系统的硬件仿真装置，完成了动模 实验、常规性能试验、出厂仿真试验等，于 2004 年初通过专家组验收。专家组 认为该项成果技术水平达到了国际领先，推广应用前景广阔。- 11 -第二章 控制对象数学模型第二章 控制对象数学模型控制对象包括有压过水系统、水轮发电机组和电力网络，其中引水系统和 水轮机合称水轮机组段。对于水轮机组段的研究，虽然原则上可以用各种数值 方法（如三维有限元）求解分析水轮机内水的流动，或者用几何参数定性地表 示水轮机的过流量和力矩等，但实际上仍然只能依靠模型实验的方法来求得水 轮机特性的定量表示。目前还只能用水轮机稳态特性来分析调节系统的动态过 程。实践证明，在工况变化速度不太高，如 ? ? 11 / s 时，使用水轮机稳态特性 得出的理论结果与实测结果是比较接近的。对于发电机和电力网络则可以用一 组微分-代数方程来描述。另外对于设计控制器而言，应避免在模型中使用复杂 的电力网络参数，否则不容易求解控制规律。2.1 水轮机组段模型2.1.1 有压引水系统模型水电厂压力引水系统是由不同截面的过水段组成，包括压力进水管道、水 轮机过水管道、排水管道等。在水轮机调节过程中，由于水流惯性的影响会发 生水击造成“反调”现象，从而恶化了系统的动态调节过程。下图为单管单机 压力引水系统。U21Dx图2-1有压管道示意图- 12 -图2-2有压引水系统及示意图第二章 控制对象数学模型从文献《水轮机调节》和《水轮机调节系统分析》 （沈祖诒）我们知道，图 2-1 所示有压管道内非恒定流可用下述偏微分方程来描述（前一个为动量方程， 后一个为连续方程） ：? ?H 1 ?Q fQ 2 ? ? ?0 ? ? ?x gA ?t 2 gDA2 ? ?Q gA ?H ? ? ?0 ? ?x a 2 ?t ?(2-1)式中 Q 为流量；H 为压力；A 为截面；x 为上游端开始计算的长度；a 为波速； D 为管路直径；f 为摩擦损失系数。 经推导可得：1，2 断面流量和压力之间的关系式如下：? ch(r?x) ? H1 ( s ) ? ? ? Q ( s) ? ? ?? sh(r?x) ? 1 ? Zc ? ? ch(r?x) ? H 2 ( s)? ? ? Q ( s) ? ? ? sh(r?x) ? 2 ? ? Zc ? Z c sh(r?x)? ? ? H 2 ( s)? ? ch(r?x) ? ? ? Q2 ( s) ? ? Z c sh(r?x)? ? ? H1 ( s ) ? ? ch(r?x) ? ? ? Q1 ( s) ? ?(2-2)和(2-3)?r ? LCs 2 ? RCs ? r ? Zc ? Cs ? ? L ? Q0 ? gAH0 上式中 ? gAH0 ? ? C ? a 2Q 0 ? 2 fQ0 ? ? R ? gDA2 H 0 ?不考虑水头损失时，r ?(2-4)aQ0 1 s ，则：Z c ? 2hw ，式中 hw ? 为水管特征系数。 a 2 gAH0图 2-2 所示有压系统，根据式(2-2)，对于 A、B 断面可得：- 13 -第二章 控制对象数学模型? ch(r?x) ? H A ( s)? ? ? Q ( s) ? ? ?? sh(r?x) ? A ? Zc ?? Z c sh(r?x)? ? ? H B ( s)? ? ch(r?x) ? ? ? QB ( s ) ? ?(2-5)根据 H B ( s) =0（上游水位不变） ， ?x ? L ，得：H A ( s) sh(rl ) ? ?Z C ? ?Z c th(rl ) Q A ( s) ch(rl )不计水头损失，将 r ?(2-6)1 s ， Z c ? 2hw 代入(2-6)式得 A 点的水击传递函数： a H ( s) (2-7) Gh ( s ) ? A ? ?2hw th(0.5Tr s) Q A ( s)上式中：Tr ?2L ，为相长，由于(2-7)式含双曲正切函数，使用不方便，利用级 a数展开，可得下述两种实用计算公式：1 3 3 1 Tr s ? Tr s 2 Gh ( s) ? ?2hw 48 1 2 2 Tr s ? 1 8Gh (s) ? ?2hw (0.5Tr s) ? ?Tw s上式中， Tw ?(2-8)(2-9)LQ0 ，为水流惯性时间常数。式(2-7) ，式(2-8)称为弹性水击模 gAH0型， 式(2-9)则称为刚性水击模型。三式中都没有考虑沿程水头损失。 上述说明过程中，都认为管道是等截面的。若管道截面不等，则需将管道 分成若干段，分别计算：L ? ? Li ， A ?i ?1n? Li ?i ?1 i ?1 nnLi Ai， Tr ? ?i ?1n2 Li aQ0 ， hw ? ， Tw ? ai 2 gH0 A?AQi ?1 inLi0gH 0。- 14 -第二章 控制对象数学模型Tw 的物理意义是：压力引水系统中的水流在不变的水头 H 作用下，如不考虑管 道内的水力损失，流量（流速）从零增大到 Qr（或 Vr）所需要的时间。因此， Tw 也称为水流加速时间，表征引水系统中水流惯性的重要参数。在其他条件相 同时，Tw 越大，水击压力值也越大，对调节过程的影响也越大。 对于大型水力发电厂（单机 200MW 以上） ，大都属于单机单管引水的混流 式机组，引水管道也不是太长，所以上面式(2-7) ，式(2-8)，式（2-9）基本上 是适用的，对于含有分叉管、有调压井、有长尾水管等复杂管路的水轮机进口 流量-压力传递函数表达式，读者可以参考《水轮机调节系统分析》 。2.1.2 水轮机模型水轮机具有复杂的非线性时变特性，对其动态特性的研究至今尚不完善。 原则上，应使用水轮机的动态特性来分析调节系统，但后者至今也无法用模型 试验来求得。所以目前只能用水轮机的稳态特性来分析其动态特性，在工况变 化不剧烈的情况下，这种分析得出的理论结果和实测结果的误差是允许的。 对于混流式水轮机，可用水力矩 Mt、流量 Q、水头 H、转速 n 和导叶开度 a 等表示其动态特性:?M t ? M t ( H , n, a) ? ?Q ? Q( H , n, a)(2-10)由于导叶开度 a 与接力器行程 Y 有着对应关系，上式中 a 也可用 Y 代替。考虑 小波动情况下，水轮机动态特性可在工作点用台劳级数展开，并取第一项?M t ?M t ?M t ? ?M t ? ?H ? ?n ? ?Y ? ? ?H ?n ?Y ? ??Q ? ?Q ?H ? ?Q ?n ? ?Q ?Y ? ?H ?n ?Y ?(2-11)用偏差值表示：? mt ? e h h ? e x x ? e y y ? ? q ? eqh h ? eqx x ? eqy y- 15 -(2-12)第二章 控制对象数学模型式中mt ?h??M t 为水轮机水力矩偏差相对值， Mr?H 为水头偏差相对值， Hr ?n 为转速偏差相对值， nrx?y??Y 为接力器行程（导叶开度）偏差相对值， YM?Q 为流量偏差相对值， Qr?mt 为水轮机水力矩偏差相对值对水头偏差相对值的传递函数, ?h ?mt 为水轮机水力矩偏差相对值对转速偏差相对值的传递函数, ?xq?eh ?ex ?ey ?e qh ??mt 为水轮机水力矩偏差相对值对导叶开度偏差相对值的传递函数, ?y?q 为流量偏差相对值对水头偏差相对值的传递函数, ?h?q 为流量偏差相对值对转速偏差相对值的传递函数, ?xe qx ?eqy ??q 为流量偏差相对值对导叶开度偏差相对值的传递函数 ?y在额定工作点附近，转速变化很小，不考虑转速变化对水轮机力矩和流量的影 响，得到水轮机导叶开度变化对力矩影响的方块图 2-3：- 16 -第二章 控制对象数学模型eyqyheqyGh(s)ehmeqh图2-3 导叶开度变化对力矩影响水轮机组段传递函数为：G( s) ?e y ? (eqy eh ? eqh e y )Tw s 1 ? eqhTw s(2-13)对于理想水轮机，则有： G ( s) ?1 ? Tw s 1 ? 0.5Tw s(2-14)2.1.3 液压随动系统模型调速器输出的控制信号经过电液转换器变成液压信号，再通过引导阀、主 配压阀逐级放大，最后推动主接力器动作，带动水轮机导叶开启或关闭。这部 分通常是一个随动系统，对于混流式机组，只有导叶调节，其液压模型相对简 单，如下图 2-4 所示： 对于把控制信号转换为导叶开度的接力器，其模型相对比较简单：u1 1 ? Ty sy图2-4液压随动系统模型从图 2-4 中可得： y ?1 u 1 ? Ty s(2-15)- 17 -第二章 控制对象数学模型上式(2-15)中： u 为控制信号， y 为导叶开度， Ty 为接力器时间常数。 再考虑理想水轮机的水轮机组段模型， 两模型可以描述如下 （导叶开度统一用 y 来表示） ：1 ? Tw s ? ?m ? 1 ? 0.5T s y ? w ? ?y ? 1 u ? 1 ? Ty s ?(2-16)上式中： m 为机械力距，写成微分方程的格式为T 2 ? ? ? [? m ? y ? w (? y ? u )] ?m Tw Ty ? ? 1 ?y ?? (? y ? u ) ? T y ?(2-17)Pm ? ? ? m如果频率 ? 变化很小，计算机械功率 Pm 时可近似认为频率 ? 为额定， 则(2-17)式中力矩 m 可以用机械功率 Pm 近似代替Tw 2 ?? ? Pm ? T [? Pm ? y ? T (? y ? u )] w y ? ? 1 ?y ?? (? y ? u ) ? Ty ?(2-18)(2-19)2.1.4 同步发电机模型参考《水轮机调节系统计算机仿真》 （陈嘉谋） ，采用两阶发电机模型（其 中第一个方程为发电机转子角度 ? 的运动方程，第二个为发电机转子运动方 程） ，得：? d? ?Ta dt ? M t ? M e ? M D ? ? ? d? ? ? ? ? 0 ? ? dt- 18 -(2-20)第二章 控制对象数学模型式中： ? 0 为系统转速基值，M m 、M e 、M D Ta 为发电机转动惯量时间常数， 分别是机械转距、电磁转距、阻尼转距，其中阻尼转距主要和转速有关。 在额定转速附近，? 变化很小，可近似认为：M m = Pm ，M e = Pe ，M D = PD ， 另有 PD = D? ， D 为阻尼系数，全部采用标幺值，式(2-20)可变为：1 ? ? ? [ Pm ? D (? ? 1) ? Pe ] ?? Ta ? ??? ? (? ? 1)? 0 ?(2-21)其中Pe ?E q Vs' xd'' Vs2 ( x d ? x q ) sin ? ? sin 2? ' 2 xd xq(2-22)? 为 q 轴暂态电势， Vs 为母 ? 0 ? 2?f 0 ， ? 为发电机转子角度， ? 为角速度， Eq线电压， xq 为 q 轴电抗， x ' d 为 d 轴电抗（还应加上外部电抗） 。2.1.5 包括水轮机组段-发电机-电力网络的整体系统模型参考文献《电力系统非线性控制》 （卢强，孙元章著） ，且根据式 (2-19)及 (2-21)，可建立包括水轮机组段-发电机-电力网络的整体系统模型如下：? ? (? ? 1)? ?? 0 ? 1 ?? ? ? [ Pm ? D (? ? 1) ? Pe ] ? Ta ? 2 ?? ? ] ? Pm ? T [? Pm ? y ? Tw y w ? ? 1 ? ? (? y ? u ) ?y Ty ?其中Pe ? E q Vs' xd ' ' Vs2 ( x d ? x q ) sin ? ? sin 2? ' 2 xd xq(2-23)(2-24)此处 ? 0 ? 2?f 0 ， 考虑到频率变化很小， 计算机械功率时可近似认为频率为额定。? 为 q 轴暂态电势， Vs 为母线电压， 式中 ? 为发电机转子角度， ? 为角速度， Eqxq 为 q 轴电抗， x ' d 为 d 轴暂态电抗。 Tw 为水击时间常数， Ty 为接力器时间常数，u 为导叶控制变量。- 19 -水轮机调节系统的静态和动态特性第三章 水轮机调节系统的静态和动态特性水轮机调节系统在工作过程中，有两种工作状态：静态（稳态）和动态（暂 态）。调节系统的静态又称为稳定状态，是指机组在恒定负荷、给定信号和水 头下运行，水轮机调节系统的所有变量都处于平衡状态的运行状态。当调节系 统受到负荷、水头等扰动作用，或给定信号变化时，调节系统将出现相应的运 动，经过一段时间后，在新的条件下进入了新的稳定状态。从原稳定状态到新 稳定状态的运动过程就称为水轮机调节系统的动态。在实际运行中，水轮机调 节系统的稳定状态是相对的、暂时的，其动态则是绝对的、长期的。3.1 水轮机调节系统的国家标准水轮机调速器和水轮机调节系统应遵循的国家标准如下： ① GB/T9652.1― 1997 《水轮机调速器与油压装置技术条件》 ，开始实施日 期是 1998 年 4 月 1 日。 ② GB/T9652.2― 1997 《水轮机调速器与油压装置试验验收规程》 ，开始实 施日期是 1998 年 4 月 1 日。 ③ GB/T8191―95《水轮机调速器与油压装置术语》 。 此外，还可以参照下列国际标准： ● 《水轮机控制系统规范导则》IEC61362。 ● 《水轮机调速系统试验规范》IEC60308（征求意见稿） 。3.2 水轮机调节系统静态特性当给定信号恒定时，水轮机调节系统处于平衡状态，被控参量偏差相对值 与接力器行程相对值的关系如图 1-6 所示。在工程实际中，有时也采用图 1-7 所示的静态特性图---将图 1-6 所示的被控参量偏差相对值改用被控参量绝对 值表示。图 1-6 和图 1-7 中：Xf ?fg fr―机组频率的相对值；Xf ?pn ―机组频率 （Hz） ； 60- 20 -水轮机调节系统的静态和动态特性- 21 -水轮机调节系统的静态和动态特性3.3 水轮机调节系统动态特性- 22 -水轮机调节系统的静态和动态特性- 23 -水轮机调节系统的静态和动态特性- 24 -水轮机调节系统的静态和动态特性- 25 -水轮机调节系统的静态和动态特性- 26 -水轮机调节系统的静态和动态特性- 27 -水轮机调节系统的静态和动态特性- 28 -水轮机调节系统的静态和动态特性- 29 -水轮机调节系统的静态和动态特性- 30 -水轮机调节系统的静态和动态特性- 31 -水轮机调节系统的静态和动态特性- 32 -水轮机调节系统的静态和动态特性- 33 -微机水轮机调速器电气调节装置第四章 微机水轮机调速器电气调节装置国电自动化研究院于 2000 年初推出了 SAFR-2000 型 32 位微机水轮机调速 器，该装置具有较高的性能和较快的运算处理速度，可以较好的实现复杂的控 制算法和控制规律，本章就对该调节装置进行主要介绍。4.1 32 位微机水轮机调速器简介SAFR2000 微机水轮机调速器电气控制柜采用了摩托罗拉公司的 32 位 CPU MC68332 作为控制核心，高级 C 语言编程，其系统结构见图 3-1，其 CPU 内部集 成了 QSPI 同步串行总线模块和 TPU 定时处理模块以及 MCU 计算处理模块等。 通 过 QSPI 同步串行总线可以和许多串行芯片，如 A/D，D/A，D/I，D/O 等器件接 口，可处理有功功率、水头、水压等信号采集，导叶及桨叶模拟量输出，增减 令、开机令、停机令等开入信号采集，故障开出信号处理等。 TPU 模块则可处 理导叶及桨叶行程采样，频率测量和控制输出等，MCU 模块则可处理 PID 调节 计算等，该 CPU 集成度高，功能完善，可以充分提高系统的调节性能。水头水压 模拟量输出 工况命令 报警及状态 水头水压 模拟量输出 工况命令 报警及状态A/DD/AD/ID/OA/DD/AD/ID/OCANBUS 或 PROFIBUSM C UQSPI MC68332 TPU 切换信息 切换信息QSPI MC68332 TPU M C UCANBUS 或 PROFIBUS信号调理信号调理信号调理信号调理信号调理信号调理行程测量频率测量控制输出切换逻辑控制输出频率测量行程测量最终输出图4-1：SAFR2000 系统结构图- 34 -微机水轮机调速器电气调节装置装置硬件基本配置如下(见右图)： ? ? ? ? ? ? ? ? ?SAFR-2000 水轮机调速器32 位 CPU 主机模件 2 块 信号测量采集模件 2 块 控制输出通道模件 2 块 开关量输入/输出模件 2 块 双机切换及通讯模件 1 块 交直流双重供电模件 2 块 组合开关电源模件 2 块 控制及信号继电器部件 16 个 液晶显示工控机（人机界面） 1 套双 重 供 电 组 合 电 源 主 机 模 件 采 样 模 件 控 制 模 件 数 字 模 件 双 模 空双 机 拟 面机 切 模 板切 换 件 换平板机软件基本配置： ? ? ? ? 实时变参数、改进型 PID 调节及 开停机、发电控制程序 实时离线及在线维护诊断程序1ZJ 2ZJ抽屉式键盘双 重 供 电 组 合 电 源 主 机 模 件 采 样 模 件 控 制 模 件 数 字 模 件 模 空 空 拟 面 面 模 板 板 件3ZJ4ZJ5ZJ6ZJ7ZJ8ZJWindows-NT 界面下全中文智能9ZJ 10ZJ 11ZJ 12ZJ 13ZJ 14ZJ 15ZJ 16ZJ调试程序（测试、录波等） Windows-NT 界面下全中文智能 运行程序（显示、设置等） 装置基本特点： ? 采用 MOTOROLA 公司的 32 位嵌入式 微控制器 MC68332 作为控制核心。 该微控 制器基于 32 位的 CPU 内核，采用 RISC 精简指令集，具有 64 位数据处理能力。 时钟频率达 25MHz，寻址范围可达 128M 字节，在控制器内部集成了功能强大的 SAFR-2000 调 速 器 电 气 调 节 柜 正 视 图 时钟处理单元（TPU 模块） 、队列串行模块（ QSM） 、系统集成模块（SIM）等并 行处理模块以及 2K 字节内部静态高速 ? 主机模件采用了大容量的 FLASH 256K 字节。 ? 通过同步串行总线（QSPI）扩展了开关量输入/输出，D/A 输出，两个异 步通讯接口等模块，该串行总线采用三线制同步主从式全双工通信，速度高达 5MHz。此外装置还集成了 CANBUS 现场总线，能够与监控局域网方便连接，- 35 电力自动化研究院 南瑞电气控制公司 RAM，这使其具备很强的控制性能。设计 批准 日期蔡晓峰99.4.19RAM（电可擦除程序存储器） ，容量为256K 字节，可扩展至 1M 字节。还采用了大容量的 RAM（数据存储器） ，容量为微机水轮机调速器电气调节装置? 采用两套完全相同的微机控制系统(A、B)，互为备用；通过故障自诊断 进行双机切换，严重故障时（如伺服阀卡）可自动切换至手动运行。 ? 采用了工控机作为两套控制器的管理通讯机， 开发了 Windows-NT 界面下 全中文智能调试接口软件和运行状态下的显示操作人机界面。 ? 装置模件采用了先进的表面贴装工艺，在电磁兼容方面也采取了多种接 地、有源滤波、屏蔽、分布式隔离电源等抗电磁干扰技术，并通过了国电公司型 式实验室的电磁兼容试验。 总之，SAFR-2000 型调速器具有较高的运算速度、良好的外部扩展能力、方 便的调试手段，便于研究鲁棒控制规律的实践效果。4.2 32 位微控制器 MC68332 特性介绍4.2.1 概述MC68332 是由美国 MOTOROLA 公司推出的 32 位微控制器，它具有较高的执 行速度、较强的数据处理能力和较完善的系统保护功能，并且在内部集成了多 个强大的功能子模块。 MC68332 微控制器是世界上最早进入应用领域、最为成 熟可靠的 32 位微控制器之一，在许多方面代表了高级微控制器今后的发展方 向。 MC68332 微控制器主要特性如下： ? 采用了基于 MC68020 处理器开发的 32 位 CPU 内核，数据处理能力达到 32 位，并可进行 64 位扩展精度运算。 ? 时钟频率可高达 25MHz，即时钟周期 40ns，并可由软件编程灵活控制。 ? 寻址范围可达 8 个 16M 字节空间，片内集成了 12 根可编程片选信号。可 直接选通外部存储器和 I/O 芯片。 ? 具有高效的精简指令系统（RISC）指令集，其特有的查表和插值指令有 利于提高数据处理能力。 ? 片内集成了 2K 字节静态高速 RAM，具有掉电保护功能。 ? 片内集成了特有的功能十分强大的 TPU（Time processor unit）定时处 理单元模块。 ? 片内集成了一个高速同步队列串行口 QSPI（Queued serial peripheral interface）和一个 UART 通用异步串行口。 ? 支持特有的 BDM（Background debug mode）后台调试方式功能。- 36 -微机水轮机调速器电气调节装置? 具有完善的保护功能： 有管理/用户两种特权级， 以及周期性中断定时器、 总线监视器、HALT 监视器、WATCHDOG 等多种系统保护功能。 ? 总之， MC68332 微控制器具有资源丰富、功能强大、性能 /价格比高等 特点。同时，它还有很高的可靠性，是一种设计应用非常成熟的微控制器。其 设计目的最初主要是应用在汽车发动机控制上，并得到了非常成功的应用，相 当恶劣的工作环境对芯片性能提出了极高的要求， MC68332 的高可靠性由此可 见一斑。时至今日，MC68332 正以其优异的性能，日益广泛的应用于各种控制 领域。4.2.2 内部结构MC68332 微控制器采用了模块化结构，其结构如图 4-2。从图中可以看到， MC68332 主要由中央处理器 CPU32、系统集成模块 SIM（System intergration module） 、内部静态高速 RAM、定时处理单元 TPU 和队列串行模块 QSM（Queued serial module）等组成。 其中， SIM 模块又包含了片选 （Chip selects） 、 外部总线接口 EBI （External bus interface） 、系统时钟（Clock） 、系统保护、系统测试等子模块。而 QSM 模块则由 QSPI 和 SCI（Serial communication interface）两个子模块组成。 这些模块硬件上相互独立，同时又通过内部模块总线 IMB （ Intermodule bus）连接在一起。各个模块通常只需在系统复位初期，由 CPU 进行初始化，即 可并行独立工作。仅在必要时通过中断或特殊功能寄存器及双口 RAM 与 CPU 交 换数据信息。- 37 -微机水轮机调速器电气调节装置CHIP SELECTS TPU 2K BYTES RAMIMBEBIQSM (QSPI&SCI)CPU32 CLOCK TEST图 4-2MC68332 结构框图从图中可以看到，MC68332 主要由中央处理器 CPU32、系统集成模块 SIM （System intergration module） 、内部静态高速 RAM、定时处理单元 TPU 和队 列串行模块 QSM（Queued serial module）等组成。 其中， SIM 模块又包含了片选 （Chip selects） 、 外部总线接口 EBI （External bus interface） 、系统时钟（Clock） 、系统保护、系统测试等子模块。而 QSM 模块则由 QSPI 和 SCI（Serial communication interface）两个子模块组成。 这些模块硬件上相互独立，同时又通过内部模块总线 IMB （ Intermodule bus）连接在一起。各个模块通常只需在系统复位初期，由 CPU 进行初始化，即 可并行独立工作。仅在必要时通过中断或特殊功能寄存器及双口 RAM 与 CPU 交 换数据信息。 这种模块化的结构，一方面体现了 MC68332 芯片的复杂与强大，同时也是 其优异性能的根本所在。 尤其是其独特的 TPU 和 QSM 模块， 以及 BDM （Background debug mode）后台调试功能，很有实用价值。 MC68332 的主要功能模块的特性如下： 1、CPU32 模块 CPU32 具有以下主要特性：- 38 -微机水轮机调速器电气调节装置? 结构上具有 3 级指令流水线结构，在执行指令的同时，可以进行不同阶 段的指令预取和译码，使指令在 CPU 内并发的工作。从而大大的减少了执行时 间。 ? 内部具有 8 个数据寄存器和 7 个通用地址寄存器，以及程序计数器、堆 栈指针等多个 32 位专用寄存器。具有用户级和管理级两种特权级，在不同特权 级下运行的程序有不同的权限。通过这种复杂的特权级控制， CPU32 为系统的 核心程序提供了一种有效的保护机制。 ? CPU32 有 14 种寻址方式，100 余条指令。其查表和插值指令（TBLxx）为 MC68332 所特有，用一条指令即可对数据表（表中可容纳 256 个样本点）中的 数据进行线形插值运算。从而有效的提高了数据的处理能力。 ? CPU32 具有很强的异常情况处理功能。异常情况可分为内部陷阱和外部 事件。内部陷阱包括请求管理程序服务异常、程序运行检测异常。外部事件包 括中断事件、总线错误等。CPU32 的异常情况向量表有 256 个异常情况向量， 其中 192 个为用户自定义向量。异常情况分为 5 个优先级。其中，中断事件又 分为 8 个优先级，以及 15 个中断仲裁级别。MC68332 处理异常情况的过程与一 般单片机的中断服务过程类似，不同的是 MC68332 具有更为丰富的异常资源与 处理能力。 CPU32 有 4 种工作状态：正常状态、异常状态、后台状态和暂停状态。正 常状态下 CPU 正常运行程序。异常状态下 CPU 自动进入管理级处理异常情况。 后台状态即 MOTOROLA 微控制器所特有的 BDM 后台调试方式，将在下面简述。而 暂停状态是当出现了致命错误时，CPU32 停止活动，等待系统复位。 BDM 是 CPU32 的一种很有特色的操作方式。通过 BDM 接口，可以从外部控 制 CPU32 进入 BDM 状态。在这种状态下，CPU32 暂停执行正常指令，而在专用 的类似 QSPI 的高速同步串口控制下，运行微控制器内部集成的微代码。从而实 现对 MC68332 的内部状态进行监控，下载、运行、调试用户程序等功能。 BDM 有其专用的命令，包括：读/写存储器、读/写数据寄存器、读/写地址 寄存器、读/写系统寄存器、复位外设、调用程序、恢复正常运行等。在下一章 中将讨论有关 BDM 功能的特点和具体的应用实现。 SIM 模块 该模块主要包括： ? EBI（EXTERNAL BUS INTERFACE）外部总线接口：具有 16 位外部数据总 线、24 位外部地址总线，总寻址范围可达 8 个 16M 空间。具有 7 根外部中断线，- 39 -微机水轮机调速器电气调节装置以及 2 个 8 位双向 I/O 口和 1 个 7 位的单向输出口。 ? CHIP SELECTS 片选子模块：提供了 12 根片选信号线。每个片选信号都 有一个对应的基址寄存器和片选寄存器，可由用户编程选择外围芯片。 ? CLOCK 时钟发生子模块：可外接 32KHz 晶振，时钟频率 0～25MHz。并可 由软件内部编程控制。 ? 系统保护模块：具有管理/用户两种特权级。具有周期性中断定时器、总 线监视器、HALT 监视器、WATCHDOG 硬件看门狗等多种系统保护功能。 ? TEST 测试子模块：用于工厂测试。 在 SIM 模块中， 内部产生片选是一个较有特点、 并且很实用的功能。 MC68332 片内集成了片选逻辑，通过比较地址总线、控制信号和寄存器预设值，直接提 供地址译码信号，而不象一般单片机那样需要附加外部硬件逻辑来实现。修改 相应的寄存器设置即可灵活的产生所需片选，每根片选可选通 2K-1M 字节各种 大小的模块。片选逻辑还可产生内部中断应答信号，对自动向量中断进行应答。 3、TPU 定时处理单元模块 TPU 模块结构如图 4-3 所示。图 4-3TPU 结构框图从图中可以看到：TPU 与其他内部集成模块通过 IMB 内部模块总线相连， TPU 模块为此提供了一个主机接口，它包括： ? 系统配置功能：定义一组内部寄存器组，用来对整个 TPU 模块进行配置。 如：运行控制、TPU 时钟配置、仿真方式控制、TPU 模块中断设置等。 ? TPU 通道控制功能：定义一组内部寄存器组，用来对 TPU 的各个通道的 功能进行配置。如：各通道的中断设置、 TPU 功能选择、通道服务请求的设置- 40 -微机水轮机调速器电气调节装置以及通道优先级的设置等。 ? 自开发支持功能：定义一组内部寄存器组，用来实现用户自开发的功能 函数微代码。 ? 参数 RAM：提供了 256 个字节的双口 RAM，用来在 CPU32 与 TPU 模块之间 交换参数及数据。 ? TPU 模块内置了一个独立的微引擎处理单元，对 TPU 功能函数进行服务。 它能与 CPU32 并行工作，处理与定时相关的任务，从而减轻了 CPU 的负担，提 高系统的执行速度，优化了系统的整体性能。 ? TPU 模块具有一个 3 级优先级的任务调度器，它能根据预先的配置，划 分时间片，管理多个不同时间紧急要求的任务，以更好的满足实际应用中复杂 的定时操作要求。 ? TPU 模块具有 2 个独立的定时计数器：TCR1 和 TCR2，作为执行 TPU 功能 函数的时间基准。其中，TCR1 为内部时钟，最高可达系统频率的 1/4，即 6MHz； 而 TCR2 可外接外部时钟源，最高可达 3MHz。两者都可由内部寄存器灵活配置。 ? TPU 模块具有 16 个独立的可编程输入/输出通道，任何一个通道都可以 执行任意的 TPU 定时操作功能函数。各个通道有各自专用的硬件，因此所有通 道都可以独立并行操作。 MOTOROLA 提供了许多强大的 TPU 功能函数，作为对 TPU 模块硬件的支持。 目前已有 A 型、G 型、C 型等微代码，多达 20 余种定时功能函数可供选择使用。 ? 其中，A 型、G 型 TPU 功能函数分别是 MC68332 不同型号芯片的预先内置 的微代码，MC68332A 型 TPU 包括以下几种功能函数： ? DIO（Discrete Input/Output） 。用作开关量 I/O。作为输入时，可记录 当前及前 15 个电平状态。输出时，由 CPU 直接控制输出信号电平的状态。 ? ITC （Input Capture/Input Transition Counter ） ：当输入信号产生跳 变时捕捉 TCR 时钟值，并向 CPU 请求中断。 ? OC（Output Compare） ：产生输出信号的上升、下降或跳变沿。 ? PWM（Pulse-Width Modulation） ：产生脉宽调制信号输出。 ? SPWM（ Synchronized Pulse-Width Modulation ） ：产生同步脉宽调制信 号输出，多个通道的输出信号之间的相位关系可编程。 ? PMA（Period Measurement Additional Transition Detect ） ：用于检测 具有规则齿距的飞轮上的额外齿的输入跳变信号。 ? PMM （ Period Measurement Missing Transition Detect ） ：用于检测具 有规则齿距的飞轮上的缺少齿的输入跳变信号。- 41 -微机水轮机调速器电气调节装置? PSP（Position-Synchronized Pulse Generator） ：通常与 PMA、PMM 功 能一起应用，产生与测量的特殊齿位置和周期同步的脉冲输出信号。 ? SM（Stepper Motor） ：用一组通道（可多达 8 个）产生步进电机的控制 逻辑输出信号，可进行线性加速、减速，具有 14 种可编程步进速度。 ? PPWA（Period/Pulse-Width Accumulator） ：对输入信号的多个周期或脉 宽（1～255 个，可编程）累加，具有 24bit 计数精度。 ? QDEC（Quadrature Decode） ：与光电编码器配合，对输入的方波信号进 行解码，用于电机控制。 MC68332 G 型 TPU 包括以下几种功能函数： ? TSM（Table Stepper Motor） ：用于步进电机控制，使用表格而不是算法 来定义电机的加速原型，可产生多达 58 种步进速度的加速、减速控制逻辑输出 信号，并能通过设置 slew rate 参数产生更好的控制效果。 ? NITC（New Input Capture/Transition Counter） ：当输入信号产生跳变 时，捕捉 TCR 时钟值或参数 RAM 任意位置的参数值，可用于多个通道的信号链 接。 ? QOM（Queued Output Match） ：根据参数 RAM 中的定时参数表产生任意的 脉冲序列，可以用来产生 PWM 波形输出或作为开关量输出。 ? PTA（Progrmmable Time Accumulator） ：对输入信号的高电平、低电平 或周期进行累加，具有 32 位计数精度。累加周期数为 1～255 个，并可编程改 变。 ? MCPWM（Multichannel Pulse-Width Modulation） ：使用 2 个通道及外部 逻辑产生 1 路 PWM 脉宽调制信号。信号的占空比为 0～100%，采用边沿对齐或 中心对齐方式，并可定义死区。 ? FQD（Fast Quadrature Decode） ：与光电编码器配合，对方波输入进行 解码。通过禁止二路输入信号中的一路，可以实现对高频信号的解码。 ? UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter ） ：用 2 个通道 实现全双工的异步串行通信。字长 1～14 位，支持奇偶校验，波特率通过编程 设置，可达 100Kbps 以上。 ? COMM（Brushless Motor Commutation） ：与 FQD、HALLD 功能配合，用于 产生无刷电机的换相输出信号。 ? FQM（Frequency Measurement） ：通过对输入信号的脉冲数进行累加，实 现高频信号的频率测量。 ? HALLD（Hall Effect Decode） ：与 COMM 功能一起使用，对无刷电机的霍- 42 -微机水轮机调速器电气调节装置尔效应传感器信号进行解码。 ? 而 C 型 TPU 功能函数则是另外提供的经过验证的微代码，包括以下几种 功能函数： ? MHT（Measure High Time） ：用于周期性的测量输入信号各段的高电平的 时间，并可在第一次测量后向其他通道发出链接信号。 ? SQW（Square Wave） ：用于产生连续的方波输出信号。 ? RECTW（Rectangular Wave） ：用于产生单个脉冲输出或连续的矩形波输 出信号。 ? RWTPIN（Read/Write Timers & Pin） ：用于使 CPU 能够读取或设置 TCR1、 TCR2 定时计数器，并可控制 TPU 管脚的状态与输入/输出方向。 ? SIOP（Serial Input/Output Port） ：通过使用 2 或 3 个通道产生 1 个单 向或双向的同步串行口。通讯的波特率与长度、时钟极性、串行移位方向均可 编程。 ? DCPM（Degree Clock Driver And Period Measurement） ：用于测量齿盘 测速信号的周期，以整数倍的频率驱动 TCR2 时钟，实际测速脉冲信号间产生额 外的分度脉冲，并向其他通道发出链接信号。 可以看到，TPU 功能函数是相当丰富的。从频率测量、周期测量、开关量 输入、脉冲检测、光电编码器输出解码到开关量输出、各种脉冲量输出、 PWM 输出、步进电机脉冲输出等，完全能够满足数字量及脉冲量 I/O 的各种需要。 此外，还能实现 UART 通用异步串口和类似 QSPI 的同步串口等通讯接口功能。 作为一种专用于定时操作的特殊的微处理器， TPU 模块可以代替一部分外 围逻辑，独立完成复杂的时间处理任务，而不需要 CPU32 的直接干预。利用这 种并行处理的能力，将 TPU 模块用作 I/O 处理是非常实用与方便的。 4、QSPI 同步队列串行模块 具有以下特性： ? 标准的 SPI 特性：支持全双工三线制（同步时钟 SCK，数据线 MISO―― 主入从出、MOSI――主出从入）同步主从式通讯。也支持半双工二线制主从式 通讯。时钟的速度、极性及相位可编程，与外设的接口标准、简单。 ? 具有四根可编程片选线，可译码选择 16 个串行外设。支持队列操作，可 预编程 16 个发送任务。队列指针可任意修改，支持多重队列操作。 ? 作为一个独立的模块，支持环绕方式操作，可自动循环发送接收而不占- 43 -微机水轮机调速器电气调节装置用 CPU 资源。支持连续方式操作，一次可传送多达 256 位的数据。 ? 传送长度 8 - 16 位可编程，传送前后延时均可编程，以满足较慢特殊外 设的要求。 综上所述，QSPI 模块具有接口简单、易扩展、标准化、高速度、能与 CPU 并行运行、编程灵活等特点。同时，目前已有很多支持 SPI 接口的外围芯片可 供选择应用，包括数字量 I/O、A/D、D/A、LED/LCD 显示、UART 扩展等芯片。 此外，两片 MC68332 之间的双机通讯中也可采用 QSPI 来完成。 由于 QSPI 模块集成了可编程片选， 因此可以将 SPI 作为控制系统底层的高 速串行总线，把 MC68332 与多个串行外设连接起来，用主从方式循环通讯。这 样，有利于简化系统结构，降低复杂度，提高系统的可靠性。4.3 SAFR2000 微机调速器硬件系统参见 4.1 节系统硬件配置部分，系统硬件主要包括 A、B 两套控制插箱；工 业控制机显示部分；操作输出继电器部分等。下面就对各部分分别介绍。 4.3.1 系统控制插箱简介 A、 B 两套系统均为标准 8U 插箱， A 系统右侧比 B 系统多一块双机切换模件， 除此之外两套系统完全一样，以 A 套系统插箱为例，其插箱面板如图 4-4 所示：调 试 窗 双重供电 组合电源 主机模件 采样 模件 控制 模件 数字 模件 模拟 模件 空 面板 双机 切换图 4-4 插箱面板图- 44 -微机水轮机调速器电气调节装置各插件面板说明如下： ? 双重供电模件： 插件上有 3 个显示灯，自上而下，为“AC220V 交流输入” ， “DC220V 直 流输入” ，和“OUT 整流电源输出”分别显示电源当前状态。下方有 2 个按 键开关，分别控制交流电源和直流电源的通断。 ? 组合电源模件： 插件上有 3 个显示灯，自上而下为“+5V 输出” ， “+12V 输出”和“-12V 输出” ，分别显示电源当前状态。面板下方有 1 个按键开关，用来控制电源 的输出。 ? 主机模件： 插件上有 8 个显示灯，自上而下为“CAN 总线指示” ， “VCC 电源指示” ， “RXD1 串口 1 接收” ， “TXD1 串口 1 发送” ， “RXD0 串口 0 接收” ， “TXD0 串 口 0 发送” ， “RUN 运行”和“STAT 状态指示” 。 串口 1（ RXD1、TXD1）主要用于和监控系统通讯，通讯时 RXD1、TXD1 将闪烁；RXD0、TXD0 主要用于和工控机通讯，通讯时 RXD0、TXD0 将闪烁； 运行时 RUN 灯将闪烁，调试状态时熄灭；STAT 状态灯表示装置故障/正常 情况，其闪烁频率指示了当前系统状态，正常时频率为 1HZ，一般故障时 频率为 2HZ，严重故障时频率为 3HZ。 面板下方左侧的调试窗内有 1 个调试串行口，1 个 BDM 调试接口和复 位键，用作在线编程调试。 ? 采样模件： 插件上有 8 个显示灯，自上而下为“+12V 电源” ， “-12V 电源” ， “+5V 电源” ， “-5V 电源” ， “VCC 电源”及 3 个备用灯，分别显示电源当前状态。 ? 控制模件： 插件上有 8 个显示灯，自上而下为“+12V 电源” ， “-12V 电源” ， “+5V 电源” ， “-5V 电源” ， “VCC 电源”及 3 个备用灯，分别显示电源当前状态。 ? 数字模件： 插件上有 8 个显示灯，自上而下为“开机令” ， “停机令” ， “导叶手动” ， “调相令” ， “增加令” ， “减少令”和“油开关” ，分别显示各开关量输入信 号状态。 ? 切换模件： 插件上有 3 个显示灯，自上而下为“A 套主机” ， “B 套主机”和“切换 电源” 。切换电源灯用来指示切换模件的电源状态，当 A 套为主机时，A 套- 45 -微机水轮机调速器电气调节装置主机灯亮，B 套主机灯灭；当 B 套为主机时，A 套主机灯灭，B 套主机灯亮。 面板下方有 1 个切换键，用于控制主/从机切换。4.3.2 继电器层简介继电器层分为两条，各为 8 个继电器，如图 4-5 所示： 各继电器定义如下: WJ1-WJ4 受 A 套脉冲增减控制； WJ9-WJ12 受 B 套脉冲增减控制； WJ5，WJ13 分别为导叶、轮叶自动/脉冲切换； WJ6-WJ7 为模拟量输出切换，WJ14-W15 备用，WJ8，WJ16 备用。 交流电消失报警与直流电消失报警继电器安装在后面；WJ1WJ2WJ3WJ4WJ5WJ6WJ7WJ8WJ9WJ10WJ11WJ12WJ13WJ14WJ15WJ16图 4-5继电器层布置图4.4 装置硬件基本工作原理A、B 系统原理及功能 A 系统与 B 系统的结构基本一致，分别由一套标准插件及插箱构成。同一插 箱中的各插件通过 QSPI 高速同步串行总线相互通信，各插件（除电源及模件及 双机切换模件外）均为通用标准件，可根据要求任意互换、扩展，A、B 系统功 能相同，互为备用，从而使整个系统具有可靠性高、扩展性强，易于维护等特 点。装置的硬件配置图见下页。 下面再分别介绍各种模件的原理及功能。- 46 -ETHER_NET 内置式联网部件 CANBUS,RS422,RS232 交流220V 直流220V交流220V 直流220V内置式联网部件 CANBUS,RS422,RS232IPC双重供电电源模件32位多功能 高档主机板32位多功能 高档主机板双重供电电源模件QSM-HIGHSPEED-SERIAL-BUS运行监视 信息集成 数据处理 图形显示 故障分析 在线诊断 参数优化 系统仿真 QSM-HIGHSPEED-SERIAL-BUS微机水轮机调速器电气调节装置图 4-6：SAFR2000 硬件配置图- 47 MBD302 采样控制板 状态分析 切换模件 MBD305 MBD302 采样控制板 隔离部件 隔离部件 隔离部件 导 叶 控 制 故 障 信 号 故 障 切 换MBD310 通信扩展器MBD304 AD/DA 模件MBD303 DI/DO 模件MBD303 DI/DO 模件MBD304 AD/DA 模件MBD310 通信扩展器隔离部件隔离部件隔离部件隔离部件隔离部件PROFI_BUS OR FF水 功 行 位 率 程 量 量 量油开关、开机令 接力器行程 停机令、手动令 系统频率 调相令、增减令 机频：残压、齿盘 电源监视油开关、开机令 接力器行程 停机令、手动令 系统频率 调相令、增减令 机频：残压、齿盘 电源监视水 功 行 位 率 程 量 量 量PROFI_BUS OR FF SAFR-2000 调速器电气调节柜硬件配置图设计电力自动化研究院 南瑞电气控制公司批准 日期微机水轮机调速器电气调节装置主机模件： 主机模件是整个装置的核心，其性能优劣是装置能否长期稳定运行的关键。 因此，主机模件无论从设计开发上还是在制造工艺上都力求精益求精，成为 SAFR-2000 型调速器优良品质的重要保证。 主机模件具有以下功能特点： ? ? ? ? ? ? ? ? 32 位嵌入式微控制器，时钟频率达 25MHz，寻址范围达 128M 字节，内 部集成了功能强大的 TPU 模块、QSM 模块等并行处理模块， 。 程序代码空间为 256K 字节 FLASH 运行参数空间为 256K 字节 FLASH RAM，可扩展至 1M 字节。 RAM，可扩展至 1M 字节。数据存储器容量为 256K 字节，用来存储录波数据、临时变量等。 提供三路带光电隔离的 RS-232 串行口，具有带电热插拔功能。 提供一路 CANBUS 现场总线接口，并可扩展多种标准现场总线。 具有一个 BDM 调试接口，可进行在线仿真、调试和程序下载等。 主机模件通过 QSPI 高速同步串行总线与插箱内其他标准模件通信，并 行总线不出主板，从而有效提高了系统的抗干扰水平。TPU接口开入 扩展 开出 扩展256K程序 代码空间 MCK数据 存储空间256K参数 存储空间 总线 扩展口CAN总 线接口QSPI同步串 行总线模拟输 入扩展 串口 扩展1个RS22 BDM 串口 接口图 4-7 主板地址空间分配如下：FLA SH 1 RAM主板结构简图51 2 K*1 6= 1 MB 12 8 K*1 6= 2 56 KB00 00 00H~ 0 FFFFFH 10 00 00H~ 1 3 FFFFHCSBOOT CS0 CS1- 48 -微机水轮机调速器电气调节装置SRAM FLA SH 2 DO DI CAN2 K*8 =2 KB 51 2 K*1 6= 1 MB ERR1 ,ERR 2 ,RUN , GOUTCT L, ROU TCT L TEST, BAC K14 00 00H~ 1 40 80 0H 20 00 00H~ 2 FFFFFH 30 00 00H~ 3 00 7 FFH 30 08 00H~ 3 00 FFFH 30 10 00H~ 3 01 7 FFH CS2 CS3 CS4 CS5TPU 通 道 配 置 如 下 ：通道 TP 0 TP 1 TP 2 TP 3 TP 4 TP 5 TP 6 TP 7 TP 8 TP 9 TP 10 TP 11 TP 12 TP 13 TP 14 TP 15 功能 LA O 输 出 DA 输 出 0 导叶中接 DA 输 出 1 轮叶中接 LA O 反 馈 DA 输 出 2 残压测频 系统频率 DA 输 出 3 永磁测速 备用测速 保留 导叶输出 轮叶输出 振荡输出 OU T OU T OU T PW M 波 PW M 波 PW M 波 QO M QO M QO M I/ O OU T OU T IN IN IN IN OU T IN IN OU T IN IN 信号 方波 PW M 波 测上升沿 PW M 波 测上升沿 测上升沿 PW M 波 检测周期 检测周期 PW M 波 检测周期 检测周期 函数 QO M QO M NI TC QO M NI TC NI TC QO M PT A PT A QO M PT A PT A 优先级 M L M L M M L L L L L L DI S H H HTPUCLK 取 5MHz ， 一 个 TPU 时 钟 为 200ns ， 16 位 定 时 器 可 计 时 13.1ms ， 32 位 定 时 器 可 计 时 达 859s 。 除 PTA 功 能 使 用 32 位 定 时 器 外 ， 其 余 TPU 功 能 都 使 用 16 位 定 时 器 ， 各 通 道 功 能 均 可 满 足 要 求 。 主板异步串口分配：- 49 -微机水轮机调速器电气调节装置串行口 0 串行口 1 串行口 268 33 2 模 块 MAX3 10 0 MAX3 10 0与工控机通讯 与监控通讯 调试口光电隔离 去切换板隔离 光电隔离SAFR-2000 型调速器的实时控制软件以及智能调试软件的下位机部分均在 主机模件中运行处理。代码总量已达 64K 字节。采样模件 采样模件主要完成整个装置的多种控制反馈信号的采集工作。它具有以下 功能特点： ? 采样模件可对机组频率（共四个通道） 、系统频率、导叶中间接力器行 程、导叶主接力器行程及轮叶中间接力器行程信号进行采集，其中机组 频率又可分别通过残压测频和齿盘测频两种方式采样处理。 ? ? 采样模件专用一路独立电源，采用光电耦合器件，使核心控制系统与外 部在电气上隔离。 采样模件的测量信号经隔离由主机模件上的 MC68332 微控制器中的 TPU 模块直接并行处理，从而取代了大量外围逻辑电路。这样既简化了硬件 电路，同时也保证了极高的测量精度。 采样模件的工作原理是： ? 系统频率、残压测频信号经隔离变压器输入后，经过滤波、整形、隔离 后送主机模件的 TPU 模块直接处理。见下图。残压或 网频信号 主板TPU 通道变压器 隔离降压抗电磁 兼容电路限幅二阶低 通滤波整形和 隔离图 4-8频率采样通道? ?两路齿盘测频信号经滤波，隔离后分别送主机模件的 TPU 模块直接处 理。 行程处理电路和频率采样类似。 南瑞公司选用旋转变压器作为导叶行程 测量元件，导叶行程和轮叶行程信号是由 SWB-4 型数字式位移变送器产 生的，这 3 路反馈信号和位移变送器的励磁输入信号经过滤波、整形}