毕业设计--电力系统稳定器的设计

景德镇陶瓷学院 本科生毕业设计（论文）

中文题目： 电力系统稳定器的设计 英文题目：THE DESIGN OF POWER SYSTEM STABILIZER

院 系： 机械电子工程学院

专 业： 自动化

姓 名： 学 号： 200910320122 指导教师：

完成时间： 2013年6月

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摘 要

随着社会的发展,电力系统的规模也在不断的扩大,重负荷远距离输电线路也在不断的增多,快速励磁系统以及快速励磁调节器得到普遍运用,这些都使得电力系统低频振荡问题日益突出,因此研究低频振荡问题对电力系统稳定产生的影响也日渐重要。发电机励磁控制向来是受人们关注的保障电力系统稳定运行的重要手段。在此背景下,人们采用电力系统稳定器(Power System Stabilizers,即PSS)作为励磁系统的附加控制。在发电机的励磁系统中，电力系统稳定器是其重要的组成部分。它直接影响发电机的运行特性，对电力系统的安全稳定运行有着重要的影响。电力系统规模的不断增大，系统结构和运行方式的日趋复杂，对发电机电力系统稳定器运行的可靠性、稳定性、经济性和灵活性提出了更高的要求。本文正是根据这些要求以及电力系统稳定器的国内外发展趋势，研究和设计了以TMS320F2812芯片为控制核心的电力系统稳定器。基于TMS320F2812的电力系统稳定器能够在较大的电力系统运行范围内向系统提供充分的阻尼，抑制低频振荡，提高系统的稳定性。

关键词： 电力系统稳定器 低频振荡 TMS320F2812 移相触发

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ABSTRACT

With the development of the society, the size of power system is expanding.Heavy-load and long-distance transmission lines are increasing constantly , and the fast excitation system and AVR are widely used. All the development makes the problem of Power System Low Frequency Oscillation more and more significant .Therefore, it is important to study on how the low frequency oscillation in fluence, the power system stability.Excitation control has always been an important means of attention to the protection of power stability of the system. In this context, it is the power system stabilizer (Power System stabilizers PSS) as an additional control of the excitation system.The generator excitation system, excitation controller is an important part. It affects the operation characteristics of generator directly and is very important to safe and stable operation of the power system. With the increasing power of the large scale of the system and the system structure and operation mode of increasingly complicated, the power system requires that the generator excitation controller has higher reliability, stability, economy and flexibility. According to the these requirements, as well as the development trend both here and abroad, this paper researches and designs excitation controller of generator by TMS320F2812 chip as the control center.within the limits of the system to provide adequate damping power system stabilizer based on TMS320F2812suppress low-frequency oscillation and improve the stability of the system.

KEYWORDS: power system stabilizer Low-frequency oscillation MS320F2812 Phase-shift trigger

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目 录

1 引言.............................................................. 1 1.1 电力系统稳定器 ................................................ 1 1.2 电力系统稳定器国内外研究现状 .................................. 1 1.3 电力系统稳定器发展趋势 ........................................ 2 1.4 本课题研究意义 ................................................ 2 2 电力系统低频振荡机理............................................. 4 2.1 电力系统低频振荡 .............................................. 4 2.2 电力系统数学模型分析方法 ...................................... 5 2.3 电力系统低频振荡分析模型 ...................................... 7 2.4 影响阻尼的因素及解决措施 ...................................... 9 3 电力系统稳定器的工作原理........................................ 10 3.1 电力系统稳定器抑制低频振荡的原理 ............................. 10 3.2 电力系统稳定器的输入信号 ..................................... 11 3.3 PSS的传递函数 ............................................... 12 4 电力系统稳定器的结构............................................ 13 4.1 电力系统稳定器的结构图 ....................................... 13 4.1.1 TMS320F2812 芯片介绍..........................................................................................13 4.1.2 TMS320F2812 引脚介绍......................................................................................14 4.2 模拟量输入通道 ............................................... 14 4.2.1 交流信号采集调理电路 ..................................... 16 4.2.2 直流信号采集调理电路 ..................................... 17 4.2.3 ADC采样模块.............................................. 18 4.3 开关量输入输出单元 ........................................... 19 4.3.1 开关量输入通道 ........................................... 19 4.3.2 开关量输出通道 ........................................... 21 4.4 同步检测及移相触发单元 ....................................... 22 4.4.1 同步信号的检测 ........................................... 23 4.4.2 移相脉冲的形 .............................................24 4.4.3 脉冲功率放大电路 ......................................... 25 4.4.4脉冲故障检测单元.......................................... 25 4.5 其它硬件模块 ................................................. 27 5电力系统稳定器的软件设计 ......................................... 28 5.1电力系统稳定器软件总体设计思想 ............................... 28

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5.2 主程序设计 ................................................... 28 5.2.1 系统初始化模快 ........................................... 28 5.2.2 电量计算模块 ............................................. 29 5.2.3 控制调节模块 ............................................. 33 5.2.4限制保护模块.............................................. 35 5.3 中断程序设计 ................................................. 37 5.3.1 同步信号捕获中断 ......................................... 37 5.3.2 移相脉冲中断 ............................................. 40 5.3.3 AD转换完成中断........................................... 44 5.4 软件可靠性设计 ............................................... 46 6 结论............................................................ 47 致 谢............................................................. 51 参 考 文 献........................................................ 52

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使用，而电力系统的全阶数学模型往往不易建立，因此这类方法会受到一定限制。基于电力系统数学模型的分析方法主要有以下几种：

(1）特征根分析法：特征根分析法也可称为复频域法，特征根分析法是指对电力系统状态方程的特征根进行计算，并据此获得电力系统的所有振荡模式，然后对特征根灵敏度和特征向量进行分析和计算，还能过得更多有关振荡的信息。QR方法可以用于求解低维矩阵的特征值，也曾被用来求解电力系统的特征值，但是在目前阶数常常达到上万的电力系统状态方程中己经显得不那么有用了，取而代之的研究热点是降阶方法。隐式重启动Amoldi算法也可以被用于计算大型电力系统机电模式特征值，隐式重启动Amoldi算法可以在大型电力系统中计算出特征值，且具有收敛迅速，可靠性高的优点[24]。

(2) 时域仿真法：这种方法是将全系统模型通过各个元件的模型在系统中所表现出来的拓扑关系建立，再将系统的稳态值和系统的潮流解作为运算的初始条件，解出系统状态量以及代数量随着时间变化的曲线，最后根据得出的曲线来对系统进行分析。时域仿真法分析的基础是经过仿真计算得出的系统时域曲线，其优势在于不受系统规模限制，缺点在于由研究人员自己设定的扰动未必能使研究工作获得全部振荡模式。同时该方法消耗较多计算资源，但是获得的必要信息量不大。

(3) 频域分析法：AESOPS方法在此类方法中极具代表性，AESOPS方法也属于部分特征值法。它是通过迭代计算得到系统在机电模式下的特征根，但只计算部分能对系统稳定性有重大影响的特征值。使用传递函数矩阵描述系统，通过代数方程代替微分方程描述输入输出关系。这样得到的传递函数矩阵维数远远小于状态矩阵维数，避免了。维数灾。。

(4) 正规形理论分析法：所谓正规形方法是指某种转换非线性方程到线性形式的方法，该方法可以从一定程度上描述出系统特性：比如某状态量与某些振荡模式间的关系，而计及非线性，会发生什么变化等等。该方法可与特征根法结合使用。另一类基于实验数据对低频振荡进行分析的方法，其具体含义就是对实际测量所得到的数据进行分析，从而得到所研究问题的物理特征，再根据这些特征提出理论假设，最后用实验对提出的理论假设进行检验不过电力系统非常特殊，实验过程中应该以不对电力系统的正常运行造成影响为原则，因此在电力系

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统运行时，现场往往会配备许多设备进行在线实时观测。每当系统出现了异常情况，如扰动等等，这些现场设备就会把扰动情况和系统输出情况等记录下来，以备后来的研究所用。这些真实有效的实验数据非常宝贵，它们对我们检验理论假说提出理论假说的研究工作十分重要。现场实际测量得到的数据可以帮助研究人员确定系统的振荡频率和振荡模式，有了这些分析结果，就能进一步对系统阻尼等问题进行定量分析。如果从实际测量得到的数据中再采样各点特征，将不涉及系统的参数阶数等问题，并且这样得出的分析结果具有如实反映系统状态的特点。目前有很多数学方法用于对低频振荡特征进行分析，例如实时快速傅里叶变换(FFT)算法，wiener一Hopt线性预测法，MatrixPeneil法等等[27]。在各种方法中，主要被使用的还是Prony方法。此方法以实验为研究基础，又与理论结合进行分析，是一种具有科学态度的有效方法，为低频振荡的研究提供了有力的工具。

2.3 电力系统低频振荡分析模型

图2-1单机无穷大系统

图2-1为单机无穷大系统的示意图，在研究同步发电机电磁转矩时，一般将电磁转矩分解为两个分量，即同步转矩分量和阻尼转矩分量。同步转矩与发电机转角增量Δδ同相位，阻尼转矩与发电机转子转速增量Δω同相位。如果同步转矩不足，将发生滑行失步；阻尼转矩不足，将发生振荡失步。

低频振荡的研究涉及到同步发电机的数学模型。考虑有阻尼转矩作用的转子运动方程式，励磁绕组的方程式以及自动电压调节器的基本方程式，经过对这些方程式线性化后可以得到用于研究低频振荡的同步发电机的完整模型，如图2-2所示。图中的上半部分为转子运动方程式的机械回路，下半部分为电力系统稳定器及系统的电气回路。机械回路转矩增量ΔTω-ΔTe作为输入，转矩角度增量Δδ作为输出；M为发电机转子惯性时间常数，D为阻尼系数，ω0为同步转速。

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电气回路的输入为附加励磁控制UE与机端电压增量ΔUt，之差，而输出为发电机内部的暂态电势增量ΔEq，该暂态电势的增量乘以常数K2(即K2/ΔEq)变为电气转矩ΔTe的一部分，ΔUt由K5Δδ占和K6ΔEq。两个分量组成。传递函数环节中TA和KA分别表示电力系统稳定器和励磁机系统的时间常数和总的放大倍数.Td0和K3分别表示转子励磁回路的有效时间常数和放大倍数。

K1ΔTm+∑-ΔTmΔTe1Δωω0SΔδ-K2-D+SMK4K5ΔE'qK3-∑+ΔE?dKA1+TAS-∑UE-ΔUt+Ug1+Td0K3S-K6

图2-2单机无穷大系统传递函数框图

图2-1所示的同步发电机低频振荡模型写成矩阵形式为

?????????DM??????????0?????0?????Eq????0???Efd???K1M0?K4Td?0?KAK5TA?K2M0?1(Td?0K3)?KAK6TA?0???1Td?0???1TA?0??????????????(2-1) ??Eq??????Efd????Usin?0'?K1??0??X?Xd?K???I???1?2??q0???X?X'd?Ucos?0?X?Xq???0??'?(Xq?Xd?)Iq0?'?(2-2) '??Eq0?(Xq?Xd)Id0?? K3?X?XdU'(X?X)sin?0 (2-3) K,=dd4''X?XdXd?Xd 8

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?0?Usin?0??'?K5??X?Xd? ????Uq0????1?K6???Ut0???X?X'd?Uco?s0?X?Xq???0??Uq0??'??Xd?Ut0?? (2-4) ?Ud0??Xq?Ut0??式(2-l)是在系统某一典型运行点线性化后得到的，(2-2)和(2-4)式中的带下标0的标量表示系统典型运行点的数值，电力系统低频振荡的原因用图2-2的方框图可以得到解释。

2.4 影响阻尼的因素及解决措施

影响系统阻尼的因素很多，包括电力系统的运行方式、负载情况、网络结构、发电机励磁机参数，都能影响到电力系统的阻尼。 (l) 运行方式的影响

当有功负荷较大，并且在电容性负荷情况下时，阻尼转矩变为负阻尼，容易发生统低频振荡。另外，联络线负荷增大，功角增大，阻尼减弱。所以低频振荡都在联络线功率较大时发生。一旦发生低频振荡，应该首先限制联络线输送的功率。如果发电机多送感性无功负荷，功角会减小，阻尼将增大，有利于电力系统稳定。

(2) 网络结构的影响

网络结构的强弱对电力系统的阻尼有很大影响：当电源与系统联系较弱时，系统等值电抗x越大，功角石越大，阻尼转矩越小，严重时甚至成为负值，容易产生负阻尼和振荡失步。加强系统结构虽然可以防止弱阻尼，但需要增加联络线或加强系统电网联系这样会使投资费用增大。而且随着电力系统电网的不断发展，原有弱联系电网加强后，又可能变成新的弱联系电网。 (3) 励磁机的影响

当δ较大时，K5为负，自动电力系统稳定器将提供负阻尼。当励磁机放大倍数KA在一定范围内增大时负阻尼将会增大。另外，励磁时间常数KA及转子绕组时间常数Td0越小，负阻尼越大。 （4) 调速器的影响

调速器对系统阻尼的影响一般没有自动电力系统稳定器明显。但是，当采用快速的电液调速器时，对振荡频率较低的低频振荡会产生一定的影响。

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3 电力系统稳定器的工作原理

3.1 电力系统稳定器抑制低频振荡的原理

电力系统稳定器是通过采用转速偏差、频率偏差、电功率偏差、加速功率偏差这几个信号中的一个或者几个信号作为自动电力系统稳定器(AER)的附加输入，使得系统中产生正阻尼转矩，以提高电力系统的静态稳定性，从而达到抑制低频振荡的目的。

图3-1 PSS控制框图

图3-2 PSS控制向量图

电力系统稳定器的作用主要是假借加强发电机励磁控制的方法达到加强对系统振荡的阻尼的效果，借此使电能传输的稳定极限上升。如果系统对振荡的阻尼太弱，那么系统的输电能力在弱系统条件下就会被限制。所谓的弱系统条件就是指远距离发电厂需要经长距离线路送电或者是连接大区域的联络线相对较弱的系统条件。所以，电力系统稳定器的性能只能以其增加这种弱系统阻尼的能力来进行评价。图3-1，3-2为电力系统稳定器的控制框图和向量图。励磁系统为

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滞后单元，它由励磁机迟后角只和发电机磁场回路迟后角典组合而成，要是用GES(s)表示ΔPe/Δδ的传递函数，可从图3-1得出[16，17]：

（2-5）

因为GES(s)的迟后作用，如果K5小于零，此时电磁转矩劫岔。就会位于第四象限，在Δω轴上的投影为负，因此出现了使得系统阻尼为负的不稳定现象。倘若在励磁系统的相加点输入一个和Δω同相位的信号，就会产生一个正的、位于第一象限的，几乎与Δω同相位的电磁转矩ΔMep，如图2-4所示。ΔMe与ΔMep相量相加得到总的电磁转矩ΔMe，ΔMe位于第一象限，其在Δω上的投影变为正，这表明负阻尼转矩得到了有效补偿，电力系统稳定性得以提高。

3.2 电力系统稳定器的输入信号

(1) Δω为输入信号

对于以Δω为信号的电力系统稳定器，应该在发电机所带的负荷最重、电网联系最强时设计PSS参数。但是，当网络出现弱联系时，PSS提供的正阻尼作用反而减弱，而此时，电力系统正需要正阻尼，这一矛盾，需要采用别的控制信号或采用自适应控制方法来解决。另外，由于噪声以及发电机组本身扭动振荡频率都很高，而以Δω为输入信号的PSS使用的是超前网络，超前网络在高频时放大倍数会增大，所以，对发电机组轴扭动振荡极为敏感，使扭动振荡现象更为加重。因此必须采用窄频带的滤波器，以阻止扭振频率信号经PSS放大以后与发电机发生谐振。 (2) ΔPe为输入信号

以发电机输出电功率峨作为PSS输入信号，检测方便，所需的超前角度小，稳定性好，己得到广泛的采用，但是存在着反调现象。当电力系统发生低频功率振荡时，发电机输出电功率增加，PSS输出负值会使励磁电流减小，从而减小了发电机输出电功率，发挥了阻尼振荡的作用。但是，当调节原动机使机械功率增加时，发电机输出电功率也会增加，此时，PSS会使励磁电流减小，这对电力系统静态稳定是不利的，这就是反调现象。以发电机输出电功率为输入信号的PSS对汽轮机和水轮机反调作用的影响是有差别的。对于水轮发电机，由于机械功率

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变化速度较快，反调影响较大，需要在改变原动机功率时，瞬间闭锁PSS输出信号。而对汽轮发电机，由于机械功率变化速度较慢，反调现象影响不大。 (3) Δ?为输入信号

PSS的Δ?信号通常取自发电厂母线，由于在暂态过程中在系统各点的叮是不同的，在单机无穷大系统中，好的分母特性基本上与电压沿线的分布是一致的，因此当系统的联系减弱时，以发电厂母线Δ?为信号的PSS对发电机转子角频率的灵敏度反而增加，恰好补偿了系统联系减弱时传递函数增益的减小，因此以Δ?为信号的PSS在发电机负荷及系统联系均在中等水平时调整，不必担心在系统联系增强时会导致增益过大。 (4)加速功率(Pm-Pe)为输入信号

它具有电功率输入信号的优点，不存在反调现象问题，但需要增加机械功率Pm为输入信号。水轮发电机组可以取水门开度作为机械功率的信号，汽轮发电机组可以取气门开度为机械功率的信号。

3.3 电力系统稳定器的传递函数

以Δω为输入信号的PSS传递函数框图如图2-5，PSS一般由放大环节，复位环节，相位补偿环节，限幅环节组成，其输出作为励磁附加信号。

图3-3 PSS传递函数框图

主要环节的作用如下：

放大环节：确保ΔT*e有足够的幅值。

复位环节：在过渡过程中使动态信号顺利通过，从而使PSS只在动态中起作用。

相位补偿环节：补偿T′d0及TE引起的相位滞后，以便使附加力矩ΔT*e和Δω同相位。由1～3个超前环节组成，一个超前环节最多可校正300～400。

限幅环节：防止大干扰时PSS的输出量对发电机端电压扰动过大而对PSS的输加以限制。

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4 电力系统稳定器的结构

4.1 电力系统稳定器的结构图

电力系统稳定器硬件是整个励磁系统的关键，本论文的设计侧重基于电力系统稳定器的需求和发展趋势，充分利用所选32位DSP芯片TMS320F2812丰富的外设资源，完成电力系统稳定器各模块的硬件设计。本文设计的电力系统稳定器主要包括：模拟量输入通道、开关量输入输出单元、同步测频单元、移相触发单元、脉冲故障检测单元等。其硬件总体结构框图[8]如图4-1所示：

六路触发脉冲输出脉冲功率放大电路脉冲触发单元PWM1~PWM6XA15~XA18XD0~XD7XWE液晶显示单元液晶驱动电路液晶显示A相电压B相电压C相电压同步信号检测电路同步检测单元CAP4~CAP6GPIOA11~GPIOA14键盘驱动电路键盘单元键盘励磁电压励磁电流直流信号调理电路励磁变压器二次侧电流发电机定子电压发电机定子电流模拟量采集ADCIN交流信号调理电路GPIOA6GPIOA712344存储驱动电路存储存储单元开关量输入开关量输入电路GPIOB0~GPIOB7GPIOB11~GPIOB15GPIOA8~GPIOA10开关量输出开关量输出电路开关量输入输出SCITXDBGPIOF0~GPIOF14SCIRXDB串口通信电路串口通信TMS320F2812串行通信单元 图4-1 电力系统稳定器的结构

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4.1.1 TMS320F2812 芯片介绍

德州仪器所生产的TMS320F2812 数字讯号处理器是针对数字控制所设计的DSP，整合了DSP 及微控制器的最佳特性，主要使用在嵌入式控制应用，如数字电机控制(digital motor control, DMC)、资料撷取及I/O 控制(data acquisition and control, DAQ)等领域。针对应用最佳化，并有效缩短产品开发周期，F28x 核心支持全新CCS环境的C compiler，提供C 语言中直接嵌入汇编语言的程序开发介面，可在C 语言的环境中搭配汇编语言来撰写程序。值得一提的是，F28x DSP 核心支持特殊的IQ-math 函式库，系统开发人员可以使用便宜的定点数DSP 来发展所需的浮点运算算法。F28x 系列DSP预计发展至400MHz，目前已发展至150MHz 的Flash 型式。 4.1.2 TMS320F2812 引脚介绍

TMS320F2812引脚详细分析 XINTF信号 XA[0]~XA[18] --- 19位地址总线 XD[0]~XD[15] --- 16位数据总线 XMP/MC` --- 1 -- 微处理器模式 --- XINCNF7有效 --0-- 微计算机模式 --- XINCNF7无效 XHOLD` --- 外部DMA保持请求信号。XHOLD为低电平时请求XINTF释放外部总线，并把所有的总 线与选通端置为高阻态。当对总线的操作完成且没有即将对XINTF进行访问时，XINTF释放总线。此信号是异步输入并与XTIMCLK同步XHOLDA`---外部DMA保持确认信号。当XINTF响应XHOLD的请求时XHOLDA呈低电平，所有的XINTF 总线和选通端呈高阻态。XHOLD和XHOLDA信号同时发出。当XHOLDA有效(低)时外部器件只能使用外部总线XZCS0AND1`--- XINTF区域O和区域1的片选，当访XINTF区域0或1时有效(低) XZCS2`--- XINTF区域2的片选，当访XINTF区域2时有效(低) XZCS6AND7`--- XINTF区域6和区域7的片选，当访XINTF区域6或7时有效(低)XWE`---写有效。有效时为低电平。写选通信号是每个区域操作的基础，由XTIMINGX寄存器的 前一周期、当前周期和后一周期的值确定 XRD` --- 读有效。低电平读选通。读选通信号是每个区域操作的基础，由xTIMINGX寄存器的前 一周期、当前周期和后一周期的值确定。注意：XRD`和XWE`是互斥信号 XR/W` --- 通常为高电平，当为低电平时表示处于写周期，当为高电平时表示处于读周期XREADY --- 数据准备输入，被置1表示外设已为访问做好准备。XREADY可被设置为同步或异步 输入。在同步模式中，XINTF接口块在当前周期结束之

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前的一个XTIMCLK时钟周期内要求XREADY有效。在异步模式中，在当前的周期结束前XINTF接口块以XTIMCLK的周期作为周期对XREADY采样3次。以XTIMCLK频率对XREADY的采样与XCLKOUT的模式无关 JTAG和其他信号 X1/XCLKIN --- 振荡器输入／内部振荡器输入，该引脚也可以用来提供外部时钟。C28x能够使 用一个外部时钟源，条件是要在该引脚上提供适当的驱动电平，为了适应1.8V内核数字电源 (VDD)，而不是3.3V的I/O电源(VLDIO)。可以使用一个嵌位二极管去嵌位时钟信号，以保证它 的逻辑高电平不超过VDD(1.8V或1.9V)或者去使用一个1.8V的振荡器X2 --- 振荡器输出 TMS320F2812引脚详细分析 XCLKOUT --- 源于SYSCLKOUT的单个时钟输出，用来产生片内和片外等待状态，作为通用时 钟源。XCLKOUT与SYSCLKOUT的频率或者相等，或是它的1/2，或是l/4。复位时XCLKOUT＝ SYSCLKOUT/4TESTSEL --- 测试引脚，为TI保留，必须接地 TEST1 --- 测试引脚，为TI保留，必须悬空 TEST2 --- 测试引脚，为TI保留，必须悬空TMS --- JTAG测试模式选择端，有内部上拉功能，在TCK的上升沿TAP控制器计数一系列的控 制输入 TDI --- 带上拉功能的JTAG测试数据输入端，在TCK的上升沿，TDI被锁存到选择寄存器、指 令寄存器或数据寄存器中 TDO --- JTAG扫描输出，测试数据输出。在TCK的下降沿将选择寄存器的内容从TDO移出 TCK --- JTAG测试时钟，带有内部上拉功能 TRST` --- 有内部上拉的JTAG测试复位。当它为高电平时扫描系统控制器件的操作。若信号悬 空或为低电平，器件以功能模式操作，测试复位信号被忽略注意：TRST`上不要用上拉电阻。它内部有上拉部件。在强噪声的环境中需要使习附加上 拉电阻，此电阻值根据调试器设计的驱动能力而定。一般取22K即能提供足够的保护。因为有了这种应用特性，所以使得调试器和应用目际板都有合适且有效的操作 EMU0 --- 带上拉功能的仿真器I/O口引脚0，当TGST`为高电平时，此引脚用作中断输入。该中 断来自仿真系统，并通过JTAG扫描定义为输入/输出 EMU1 --- 仿真器引脚1，当TGST`为高电平时，此引脚输出无效，用作中断输入。该中断来自 仿真系统的输入，通过JTAG扫描定义为输入/输出 XRS` --- 器件复位(输入)及看门狗复位(输出)。器件复位，XRS使器件终止运行，PC指向地址0x3FFFCO。当XRS为高电平 时，程序从PC所指出的位置开始运行。当看门狗产生复位时,DSP将该引脚驱动为低电平，在看门向复位期间，低电平将持续 512个

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正向电压，故不发光，从而导致其输出端的光电三极管不导通。这时在上拉电阻的作用下，总线收发送器的A端引脚呈现为高电平，该电平状态经TMS320F2812读取后存入相应开关量状态变量。同理，当接在光电耦合器输入端限流电阻外侧的开关量为高电平时，光电耦合器输出端的光电三极管就会导通，由于光电三极管饱和导通时，其c～e间的电压很小，这时总线收发送器的A端引脚相当于接地，即为低电平，然后F2812控制器就接受外部的命令。 4.3.2开关量输出通道

开关量输出通道电路原理如图4-7所示：

图4-7 开关量输出电路

开关量输出通道同样也采用了总线收发送器74LV245作为TMS320F2812的开关量输出扩展。图3-7中只给出了控制一路指示灯和控制一路继电器的情况。总线收发送器的B端口接于数据总线上，A端口接于光电耦合器的输入端，总线收发送器的DIR端接+5V电源，其数据传送方向为从A到B。开关量输出通道中的总线收发送器的使能端G也由地址线及CS_Kout信号来控制。与开关量输入通道相比，开关量输出通道中多了一个74AHC373锁存器，用于锁存由TMS320F2812发出的数字开关量信号。当TMS320F812通过OUT或IN指令访问开关量输入输出通道时，IS控制线由高变低，与此同时地址线也变成与OUT或IN指令中的I/O空间地址相对应的状态，经地址译码器译码后，选通与I/O地址相对应的总路收发送器。对于开关量输入通道来说，当其总线收发送器被选通后，来自光电耦合器的开关量输入信号将通过总线收发送器被送到数据总线上，并在IN指令的作

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用下被保存到相应的数据存储器单元。而对于开关量输出通道来说，当其总线收发送器被选通后，数据总线上的数据通过总线收发送器被送到74AHC373锁存器的输入端，并在74AHC373的时钟信号下降沿到来时，锁存由OUT指令送出的数据，以驱动相应的指示灯和继电器。

4.4 同步检测及移相触发单元

在励磁系统中，移相触发单元的任务是产生可以改变相位的脉冲，用来触发整流桥中的晶闸管，使触发脉冲的相位及控制角随控制电压的大小而改变，从而达到自动调节励磁的目的。电力系统稳定器的移相触发单元的组成一般包括同步、移相脉冲形成、脉冲功率放大等几个基本环节。如图4-8所示：

控 制 信 号同步信号同 步移 相 脉冲 形 成脉 冲 功 率 放 大 α去 整 流桥

图4-8 移相触发单元组成框图

同步信号的捕获和移相脉冲的形成由软件实现，而同步信号整形和脉冲功率放大由硬件电路实现。

在现代大中型同步发电机励磁系统中，功率单元基本上都是采用晶闸管整流桥来控制励磁电流的大小。对于不同的接线方式的晶闸管整流电路，由于晶闸管在每个周期内导通的区间不同，故触发电路与主电路之间的相位配合关系也就不同。本文中的主回路采用三相全控桥，如图4-9所示：

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图4-9 三相全控整流电路

在整流工作状态下，共阴极组的晶闸管只有在其阳极电位最高的一段区间内才有可能导通，因此共阴极组的触发脉冲应在这一段区间内发出。三相触发脉冲按+A、+B、+C相的顺序依次相隔120°发出。共阳极组的晶闸管只有在其阴极电位最低的一段区间内才有可能导通，共阳极组的触发脉冲应在这一段区间内发出。三相脉冲按－C、－A、－B相的顺序依次相隔120°发出，这样对于整个三相全控桥来说，六相触发脉冲应按+A、－C、+B、－A、+C、－B的顺序依次隔60°发出。

4.4.1 同步信号的检测

同步整形电路将交流同步电压信号整形成同周期的方波信号，送入电力系统稳定器的捕获单元，当捕获到方波信号的上升沿时，产生中断请求，作为移相触发脉冲的起点。同步方式可分为两种方式，即单相同步方式和三相同步方式。单相同步方式与三相同步方式相比，单相同步方式简化了硬件电路，减少了中断源，大大提高了系统运行的可靠性，在实际运行中被广泛采用。因此，本文中所设计的电力系统稳定器采取单相同步方式。

在励磁控制系统中，频率的测量具有重要的地位，实时准确地测量到系统频率是实现跟踪采样、脉冲形成以及限制保护的基础。本文中测频电路和同步电路采用同一电路，同步信号检测电路原理图如图4-10所示：

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图4-10 同步信号检测电路

该同步检测电路由滤波电路、LM358比较电路、TLP181高速光电隔离器件等元件组成。在同步电压输入到LM358之前，采用了低通滤波电路对输入的同步电压信号进行滤波，滤除同步电压中的高频干扰信号。通过LM358完成同步电压的过零点检测，形成同步方波信号，最后经过光电隔离器件TLP181与DSP进行隔离。

此同步信号既可以作为可控硅触发脉冲的同步信号，又可兼做DSP电力系统稳定器电量采样的测频信号。同步电压经电压比较器整形成方波，并经过光耦隔离接入TMS320F2812的事件管理器的捕获单元，当CAP口捕获到方波信号的上升沿时，作为移相脉冲的同步信号；当再次捕获到方波信号的上升沿时，记下两次跳变的周期，从而得到当前系统频率。 4.4.2 移相脉冲的形成

脉冲形成环节的作用是在决定了触发脉冲的起始时刻后，由单稳电路产生一定宽度的触发脉冲，并为下一次的触发作好准备，它最终影响着励磁控制系统的性能和安全可靠性。 在可控硅整流系统中，可控硅的触发需要由脉冲移相和脉冲放大两部分组成。脉冲移相触发控制一般有不同方案，例如：用软件中断方法，利用外部硬件锁相环电路和比较器实现硬件延时、分相、 利用计数器实现延时等。

本文脉冲的形成和移相[10]是通过TMS320F2812片上的脉宽调制电路（PWM）来实现的，PWM脉冲的产生受片内比较器的比较动作影响，具体的移相触发脉冲的形成由软件完成。

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4.4.3 脉冲功率放大电路

功率放大环节的作用是对前面产生的具有一定宽度的触发脉冲进行电流放大，以满足触发电路的要求。PWM电路输出的脉冲功率小，不能够直接驱动可控硅导通，为保证可控硅的可靠触发，触发脉冲应有一定的陡度、幅度和宽度，所以必须添加功率放大模块进行功率放大。对于不同机组，其脉冲形成部分是相同的，但其功率放大部分是有所不同的。本文中采用的是三相全控桥式整流电路，具有六组结构相同的脉冲功率放大电路，每组脉冲功率放大电路原理图如图4-11所示：

图4-11 脉冲功率放大电路原理图

图3-11中为防止干扰，光耦把励磁系统与外部隔离， R2、C1限流并使脉冲前沿变陡。脉冲变压器突然关断时，Dl起到续流的作用，D2与D3用于保护晶闸管触发极，R3为限流电阻，R4和发光二极管LED用于脉冲指示。该电路在F2812脉宽调制电路输出的触发宽脉冲基础上，使之变成与之对应的一系列窄脉冲，从而形成脉冲列输出，经功率放大后输出到可控硅的门极，触发相应的可控硅导通。 4.4.4 脉冲故障检测单元

电力系统稳定器的工作是否正常可通过晶闸管触发脉冲的正常与否反映，为保证晶闸管触发脉冲的正常发出，本文的电力系统稳定器采用了脉冲故障检测单元来检测晶闸管触发脉冲的丢失情况，以便使电力系统稳定器能及时纠正错误，若是电力系统稳定器无法恢复的故障，则停止触发脉冲输出，并自动切换到另外

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一个控制通道，以免损害发电机。F2812片上有一个功率驱动保护引脚(PDINT)，该引脚的状态为低电平时将会产生一个功率驱动保护中断，若该中断使能位被置位时，F2812的CPU将会响应该中断，使事件管理器模块的所有输出引脚都变为高阻态，从而停止触发脉冲输出。本文就是利用这一引脚将触发脉冲的故障情况传递给CPU以便作进一步处理。脉冲故障检测电路[12]的原理图以及与扩展PDINT连接的情况如图4-12所示：

图4-12 脉冲故障检测电路图

图4-12所示的脉冲故障检测单元适用于三相桥式全控整流晶闸管触发脉冲的故障检测，主要部分为可重复触发的单稳态触发器，它由555定时器构成。在图中，最上面的可重复触发的单稳态触发器为+A相晶闸管触发脉冲的脉冲故障检测电路，然后依次下来为B、C相的脉冲故障检测电路。下面以+A相脉冲故障检侧电路为例说明其工作原理。

在电源接通时，在+A相没有触发脉冲的情况下，光电耦合器输出端不导通，电容C1充电，当VC1(555定时器的2脚电压)达到2/3VCC时，555定时器复位，

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输出引脚3呈低电平，电路进入稳态。此后当+A相出现第一个触发脉冲时，光电耦合器UIA输出端导通，电容C1放电，当C1放电至VC1小于1/3VCC时，555定时器置位，输出为高电平，电路进入暂稳态。当第一个触发脉冲消失后，C1重新充电，如果在VC1未达到2/3VCC之前，+A相又有新的脉冲到来，则光电耦合器输出端导通，C1再次放电，电路仍维持在暂稳态。只有在此后一段时间内，+A相没有新的触发脉冲到来时，由于C1充电，故VC1重新达到2/3VCC，电路才回到稳定状态，555定时器输出低电平。其它5相的情况与此类似。由于本文设计的电力系统稳定器的每一相晶闸管在一个周期内只需触发一次，也就是说同一相的两个连继触发脉冲的间隔约为10ms，为保证在触发脉冲正常发出时，脉冲故障检测单元处于暂稳态，电容C1、C3和C5的充电时间必须大于10ms。它们的充电时间可由下式整定：

t?RCln3?1.1RC 上式中，R、C分别对应图3-14中的R2、R4、R6和C1、C3、C5。

当电力系统稳定器正常发出触发脉冲时，脉冲故障检测电路的输出引脚都呈高电平(555定时器的3脚处于暂稳态)，四输入与门CD4082的输出为高电平，没有引起功率驱动保护引脚(PDINT)中断。当电力系统稳定器遇到软件或硬件的问题而致使至少有一相触发脉冲发出不正常时，将会使相应的脉冲故障检测电路的输出引脚呈低电平，与门CD4082输出也为低电平，这将引起PDINT引脚中断，促使F2812在中断服务子程序中做出相应反应。

4.5 其它硬件模块

完成一个完整的电力系统稳定器的硬件设计，出了上述介绍的各硬件模块外，还应包括液晶显示、键盘、存储等模块。设计键盘可作为运行维护人员向电力系统稳定器输入数据及控制命令的输入设备，采用显示器可作为显示运行状态和运行结果的输出设备。由于时间等方面的原因，这些模块的详细设计将不在本文中体现了。

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5 电力系统稳定器的软件设计

5.1电力系统稳定器软件总体设计思想

在完善的硬件装置的基础上，电力系统稳定器的主要功能均通过软件完成。电力系统稳定器的软件设计是整个励磁控制系统的核心，它关系到励磁控制系统的性能及其功能的实现。在电力系统稳定器的软件设计中，主要的设计思想有三个方面：一是满足控制的实时性要求；二是软件要充分发挥TMS320F2812指令和硬件特点；三是软件要有很强的灵活性、通用性和可靠性。为了体现以上设计思想，本文中的电力系统稳定器的软件设计采取了以下措施：

（1）电力系统稳定器的所有软件设计均采用模块化、子程序化设计思想。根据电力系统稳定器所要完成的不同功能，将整个电力系统稳定器的软件划分为主程序和中断服务程序。主程序包括系统初始化模块、电量计算模块、控制调节模块和限制保护模块等，中断服务程序主要包括同步信号捕获中断、移相脉冲中断、AD转换完成中断等。

（2）在程序设计中，能用中断的尽量采用中断方式。但进入中断的时间不易过长，以避免在某一中断处理程序中，因CPU停留时间过长而导致不能及时响应其它中断的请求，使程序出现控制错误。本文的软件设计共使用了四个中断程序完成了大部分主要工作，为CPU节约了部分执行时间。

（3）为了提高整个装置的可靠性和稳定性，在程序中加看门狗中断。

5.2 主程序模块设计

5.2.1 系统初始化模快

当TMS320F2812上电开始运行前，首先要对系统进行初始化，主要包括下面几点：

（1）TMS320F2812系统时钟的初始化和片内外设时钟的初始化； （2）通用GPIO的初始化； （3）中断向量表的初始化；

（4）ADC模块的初始化，主要包括：AD的启动、AD时钟频率的选择、采样模式的选择、采样通道的设定以及AD中断程序的设定；

（5）事件管理器模块的初始化，主要包括捕获单元的设定、通用定时器的

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设定和中断程序的设定；

（6）电压给定值、励磁电流给定值、PID控制参数的设定等。 主程序的设计流程图如下图所示：

开 始系统初始化开 中 断电量计算控制调节模块限制保护模块等 待 中 断清 除 看 门 狗返 回

图5-1 主程序设计流程图

5.2.2 电量计算模块

电量计算模块须完成以下电量的测量：机端电压、机端电流、电网电压、励磁电流、励磁电压和开关量输入的检测。对于励磁电压和励磁电流可以通过ADC模块对直流调理电路的输出直接测量得到，开关量输入可以通过TMS320F2812的GPIO模块对开关量调理电路的输出直接测量得到。

对于交流信号，本文通过交流采样的方法得到。理想的电压和电流为纯正弦的交流信号[4]，其表达式为：

u(t)?Umsin(?t??) （5-1） i(t)?Imsin(?t??) （5-2）

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其有效值分别为： U?1T1T?T0u2(t)dt （5-3）

I??T0i2(t)dt （5-4）

电网线路中某一相的有功功率和无功功率分别为：

101Tp(t)dt?u(t)i(t)dt （5-5） ??T0TT101T? Q??q(t)dt??u(t)i(t?)dt （5-6）

TTT02 P?式中，Um、Im分别表示电压和电流的峰值； ?表示角速度； T表示周期；

由于这些信号的瞬时值是随时间变化的交变量，而在实际应用中，计算机所处理的信号均为离散的，因此要对连续的信号进行离散化，即对于周期为T的连续信号，在一个周期内均匀采样N点。所以需要根据不同的算法计算得该信号的各个特征量，比如有效值、平均值、功率等。在励磁系统中需要计算电压和电流的有效值以及有功功率和无功功率。

目前交流采样的算法有很多种，分别应用于不同的场合如最大值算法、单点算法、半周期积分法、两点采样法、傅里叶算法和均方根算法等。前四种算法对输入信号要求较高，在励磁控制的采集电量非严格正弦（含高次谐波）的情况下误差较大。下面对后两种方法加以介绍：

（1）傅氏算法[[8] [19]

在傅氏算法中，对于一个周期为T的信号 f(t)?f(t?T)，在满足一定的条件下可展开为傅立叶级数，各次谐波为：

a0? f(t)???(ancosn?0t?bnsinn?0t) （5-7）

2n?0式中，n为自然数，an和bn分别为n次谐波的余弦和正弦的振幅。其中，

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2a0?T?T2T?2f(t)dt?0?2?T2Tan??2Tf(t)cosn?0tdt

T?22bn?T?T2T?2f(t)sinn?0tdt因此基波分量即当n=l时的余弦和正弦系数分别为：

2Ta1??2Tf(t)cosn?0tdtT?2

2Tb1??2Tf(t)sinn?0tdtT?2于是f(t)中的基波分量为：

f(t)?a1cos?0t?b1sin?0t （5-8） 对式（4-8）进行离散化，积分改为求和。则电压各次谐波的实部和虚部分别为：

实部：uRn2?N2?N2???ucos(ni)? ?i?N?i?1?N虚部：uXn2???usin(ni)? ?i?N?i?1?N当采样点数n?32时，傅式算法计算公式为：

?3???u?u?cos(u?u?u?u)?cos(u?u?u?u)01611517312141830??168??3????cos(u?u?u?u)?cos(u?u?u?u)?31319294122028?1?164 UR??? （5-9）

5?3?16???cos(u5?u11?u21?u27)?cos(u6?u10?u22?u26)??168??7???cos(u7?u9?u23?u23)?16?? 31

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?3???u?u?sin(u?u?u?u)?sin(u?u?u?u)82411517312141830??168??3????sin(u?u?u?u)?sin(u?u?u?u)?31319294122028?1?164UI???（5-10）

5?3?16???sin(u5?u11?u21?u27)?sin(u6?u10?u22?u26)??168??7???sin?(u7?u9?u23?u23)16??有功功率P为：

P?UARIAR?UAIIAI?UBRIBR?UBIIBI?UCRICR?UCIICI （5-11） 无功功率Q为：

Q?UAIIAR?UARIAI?UBIIBR?UBRIBI?UCIICR?UCRICI （5-12） 发电机的输出功率S为：S?P?jQ （5-13） 功率因数为：cos?? （2）均方根法

在均方根方法中，将式（4-3）和式（4-4）离散化可近似表示为： U?1N1NPP?Q22 （5-14）

?uK?1NN2K （5-15）

I??iK?12K （5-16）

由式（5-5）可见，有功功率是瞬时功率在一个电网周期T内的平均值，而瞬时功率是同一时刻电压和电流瞬时值的乘积，对电压、电流模拟量进行离散采样后，有功功率可表示为：

1 P?N?uK?1NKKi （5-17）

同理分析可知，电网线路中的无功功率可表示为：

1 Q?N?uK?1NKK?N4i （5-18）

三相功率为各相功率之和。

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式中，N表示采样点数；uK、iK表示同一时第K点电压、电流的采样值；

iK?N4 表示第(K?N)采样点电流的采样值，比电压采样值uK滞后电网1周期，

44即相位上滞后

?。 2比较上述两种算法，考虑到傅立叶算法的系统开销较大，相对均方根算法而

言响应速度较慢，所以本文选用后者，采用32点的均方根算法对AD转换结果进行计算。

5.2.3 控制调节模块

控制算法是电力系统稳定器的核心，它在硬件支持下完成励磁调节的数据采集、调节算法、控制输出等主要任务。本文设计的电力系统稳定器采用基本比例-积分-微分（PID）励磁控制算法实现对同步发电机的励磁控制调节，其调节原理图如图5-2所示：

Uf同步U比例Pf_积分IUg+++微分D综合放大脉冲形成可控硅主回路发电机Uf+V/F限制过励限制欠励限制过压保护PQUf

图5-2 电力系统稳定器PID调节原理图

图中Uf为机端电压，Ug为电压给定值，P、Q分别表示发电机有功功率和无功功率。由图可知，该电力系统稳定器以发电机端电压Uf作为反馈量，通过PID调节，从而达到维持发电机端电压恒定的目的。PID控制算法主要有位置式和增量式两种控制算法，下面将分别介绍：

（1）位置式PID[21]

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KTk u(k)?Kpe(k)?Ki?[e(j)?e(j?1)]?d[e(k)-e(k?1)] （5-19）

2k?0T式中，u(k)表示k时刻的输出控制量 e(k)表示k时刻的偏差值 e(k?1)表示k?1时刻的偏差值

e(j)表示j时刻的偏差值，j?0?k

T表示采样周期

Kp表示比例系数

Ki表示积分系数 Kd表示微分系数

（2）增量式PID

u(k)?u(k?1)?Kp[e(k)?e(k?1)]?KiKT[e(k)?e(k?1)]?d[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]2T （5-20）

式中，u(k?1)表示k?1时的输出控制量。 增量式PID和位置式PID相比，有以下优点：

1)增量型PID控制器只输出增量，误动作影响小，控制作用变化不会很明显，必要时可用逻辑判断的方法去掉；

2)采用增量式PID算法，易于实现手动到自动的无冲击切换；

3)位置型PID每次输出与整个过去状态有关，算式中要用到过去偏差的累加值，因而较易产生较大的积累误差和积分饱和，从而影响控制效果。而增量型PID只需计算增量，算法中不需要做累加，控制增量只跟最近的几个采样值有关，容易通过加权处理获得较好的控制效果，并且消除了当偏差存在时发生饱和的危险。

基于增量型PID具有上述优点，在电力系统稳定器的设计中，本文采用了增量型PID控制算法作为励磁控制调节算法。

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5.2.4 限制保护模块

励磁限制[24]是电力系统稳定器的辅助控制环节。同步发电机出于安全稳定运行的需要,要求现代电力系统稳定器必须配备完善的励磁限制保护功能，包括V/F限制、强行励磁功能、过电压保护、过励限制、欠励限制等。

（1）V/F限制

V/F限制也称磁通限制或低频过励限制，它的作用主要是在机组解列运行时，确保机端电压与其频率的比值不超出安全值。如果比值过高，则发电机及其相连的主变压器的铁芯就会发生磁饱和，使空载激磁电流过大，造成铁芯过热，因此有必要对比值加以限制，其特性曲线如图5-3所示：

UFGUBFG2AUFG1逆变0454750f(Hz)

图5-3 V/F限制关系图

当发电机空载频率高于47Hz 时， 电压给定值不受限制；若频率在45～47Hz之间时，如图中的曲线AB，电压给定值UFG?k(f?45)?UFG1，其中f为发电机频率；当频率小于45 Hz 时，则逆变灭磁。

（2）强行励磁功能

为了防止发电机转子励磁绕组长期过负载造成转子励磁绕组发热，应对发电机进行强行励磁。当强励时,其容许的强励时间随发电机的励磁电流的增大而减小，励磁电流成倍增大，励磁电压也会升高，长期作用会造成发电机损坏。进行强励时开始计时，当达到允许强励时间时，励磁电流自动地被减到其长期运行允许的最大值。根据国家有关标准，励磁系统允许强励时间应不小于10秒，最长持续时间可达50秒，并在一次强励后一小时内不再进行强励。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6sm.html