1 引言

在同步发电机的控制系统中，励磁调节器是其中的重要组成部分。当发电机单机运行时，励磁调节器通过调整发电机的励磁电流来调整发电机的端电压，当电力系统中有多台发电机并联运行时，励磁调节器通过调整励磁电流来合理分配并联运行发电机组间的无功功率，从而提高电力系统的静态和动态稳定性。因此，国内外相关专业人士一直致力于励磁调节器的研究。励磁调节器的发展也由机械式到电磁式，再发展到今天的数字式。目前，数字式励磁调节器的主导产品是以微型计算机为核心构成的，但其造价高，需要较高技术支持，在一些小型机组上推广有一定难度。由此，出现了以MCS-51单片机为核心的励磁调节器^[1][2]。MCS-51单片机内部资源较少使得外围电路复杂，从而影响了整个励磁控制系统的精确性、快速性和稳定性。本文提出了一种基于PIC16F877的同步发电机自并励微机励磁调节器的设计方法。

PIC16F877是美国Microchip公司生产的PIC16F87X系列芯片中功能最为齐全的微控制器。它可以实现在线调试和在线编程，内部带有8路10位A/ D 转换器 ，8KХ14位FLASH程序存储器,368Х8位RAM,256Х8位的EEPROM,14个中断源和3个定时/ 计数器,片内集成多达15个外围设备模块，因此外围电路大大简化，成本降低。

2 自并励微机励磁调节器基本工作原理^[4]

图1为自并励励磁系统的原理接线图。发电机励磁功率取自发电机端，经过励磁变压器LB降压，可控硅整流器KZL整流后给发电机励磁。自动励磁调节器根据装在发电机出口的电压互感器TV和电流互感器TA采集的电压、电流信号以及其它输入信号，按事先确定的调节准则控制触发三相全控整流桥可控硅的移相脉冲，从而调节发电机的励磁电流，使得在单机运行时实现自动稳压，在并网时实现自动调节无功功率，提高电力系统的稳定性。

启 励 装置

G

自动励磁调节器

给定电压

辅助控制信号

KZL

LB

TA

TV

图1 自并励励磁系统原理接线图

 

3 微机励磁调节器硬件设计

 微机励磁调节器硬件结构原理图如图2所示：

电压互感器

电流互感器

直流电压变换器

鉴相电路

直流电流变换器

整形滤波电路

采样保持电路

PIC 单 片 机

同步和数字触发

功率放大

可控硅

键盘与显示

通讯接口

故障报警

光电隔离

起停励、增减无功等开关量

UAC

IB

IL

UL

励磁绕组

 

图2  PIC自动励磁调节器硬件原理图

发电机的线电压U_AC和相电流I_B分别经电压互感器和电流互感器变送后，经鉴相电路产生电压周期的方波脉冲和电压电流相位差的方波脉冲信号送PIC16F877微控制器，用PIC的计数器测量这两脉冲的宽度，便可得到相位差计数值，即电网的功率因素角^[1]。然后通过查表得出相应的功率因素，进一步求出有功功率和无功功率。

控制单元选用一片PIC16F877单片机，因PIC16F877单片机内部有A/D转换功能，从而不用外部A/D模块，这样减少了外部器件，降低了成本，增强了抗干扰能力。PIC单片机根据从输入通道采集的发电机运行状态变量的实时数据，进行控制计算和逻辑判断，求得控制量。在可控硅整流电路中，要求控制电路按照交流电源的相位向可控硅控制极输出一系列的脉冲，才能实现可控硅顺利导通和自然换相。“同步和数字触发控制电路”的作用就是将计算机CPU计算出来的、用数字量表示的可控硅控制角转换为触发脉冲。由功率放大电路将触发脉冲放大后去触发可控硅，从而控制励磁电流。

3.1 CPU控制模块

CPU控制模块是励磁调节器的控制核心，采用美国Microchip 公司生产的PIC16F877 单片机。PIC16F877具有独特的RISC(精简指令集) 结构,数据总线和指令总线分离的哈佛总线结构,使指令只有单字长的特性,且允许指令码的位数可多于8 位的数据位数,这与传统的采用CISC 结构的8 位单片机相比,可以达到2∶1 的代码压缩,速度提高4 倍。PIC16F877内部带有8路10位A/ D 转换器，8KХ14位FLASH程序存储器,368Х8位RAM,256Х8位的EEPROM,14个中断源和3个定时/ 计数器,片内集成多达15个外围设备模块。此外，还有低功耗睡眠模式和片内看门狗电路，易于实现低功耗设计和抗干扰设计。

3.2 数据采集模块

PIC单片机励磁调节器采集反映发电机运行工况的4个模拟信号，即发电机机端电压U_AC和定子电流I_B，励磁电压U_L和励磁电流I_L。这4个模拟信号经过整形滤波后，分别送入对应的4片采样保持器LF398，采样保持器在PIC16F877微控制器RE1脚产生的同步控制信号下，完成4路信号同步采样，将此4路被测信号分别接入RA0、RA1、RA2、RA3 4个10位A/D端口引脚。模拟输入的模拟参考电压可以在寄存器中设定。PIC16F877的A/D转换结果储存在两个8位的寄存器ADRESH和ADRESL中。由于PIC的A/D模块是电压输入的，所以在回路输入中，电压信号可以直接输入，而电流信号要在输入处接一适当电阻，将其转换成电压后再输入。当A/D模块的输入中有输入电压超过它的最高输入电压5V时，就可能损坏器件。因此，在A/D输入端接上对地5V的稳压管，这样，当有高于最高允许电压的输入电压出现时，利用稳压管可以把它稳定在正常的范围之内。

开、停机，起、停励，手、自动，增、减功率等开关量通过光电隔离后与PIC16F877的端口B相连。

3.3 显示模块

  为了节约引脚，利用PIC16F877单片机强大的I/O扩展功能，采用MSSP模块的SPI方式和移位寄存器芯片74HC595实现数码管的静态显示。

3.4 通信模块

目前，绝大多数励磁系统与上位机的通信采用RS-485。RS-485是一种半双工的通信协议，只能构成主从式结构的通信网络，通信联络方式为命令型。这种机制使得在构建大型复杂工业现场的实时测控网络时存在不足。CAN总线具有点对点、一点对多点、全局广播传送数据等功能，以及可靠性高、抗电磁干扰能力强、传输速率快、通信距离较远、易于使用和维护、便于网络扩张等优点，并考虑到励磁系统是在强电磁干扰环境中使用，所以本系统使用CAN总线通信。PIC16F877芯片没有集成CAN功能模块，但可以通过其SPI方式和CAN控制器MCP2510芯片与带智能适配卡的PC机实现CAN通信。

4 微机励磁调节器软件设计

PIC微机励磁调节器的软件采用PIC16F877的汇编语言和C语言混合编程，人机界面友好，操作简单。另外，采用模块化设计思想，以主程序为核心，设计了各功能模块子程序，使大量的功能在子程序中实现，简化了软件设计结构。子程序模块主要包括系统初始化及上电自检模块、PID调节模块、运行方式跟踪模块、过励和欠励控制模块、开停机模块、通信模块等。系统主程序流程图如图4所示。

系统提供了三种不同的运行方式，即恒电压调节、恒励磁电流调节、恒无功功率调节。不同的运行方式可以通过键盘切换和设定给定值，此外，系统还设置了运行方式跟踪模块，即备用运行方式输出对当前运行方式输出的跟踪，以实现运行方式切换时的无扰动。

由于励磁系统有惯性和滞后的控制对象，同时要求有较高的控制精度和较快的响应速度，因此本设计中采用改进型PID调节方式，即通过采用积分分离算法消除积分饱和效益，减小超调，同时利用在动态响应中加大比例作用，稳态过程中减小比例作用的变增益方法，消除大偏差，加快过渡过程，使励磁调节器具有较理想的调节特性。

为了提高整个系统的可靠性，除了在上电时进行自检外，在每个计算周期内都进行了检错、容错处理和软件看门狗。

开始

初始化、自检

有开机信号？

键盘查询处理及显示刷新

采集数据

PID调节

过励、欠励？

停机？

结束

运行方式跟踪？

更新反馈量

报警

跳闸

N

Y

Y

Y

N

N

Y

N

图4  微机励磁系统主程序流程图

 

5 结束语

同步发电机微机励磁调节器利用PIC16F877单片机内部的A/D模块，完成了机端电压、电流，励磁电压、电流的采集，硬件电路简单。软件设计采用模块化，操作起来更灵活，程序设计中采取了抗干扰措施，使整个系统的可靠性增强。实践证明，基于PIC16F877的微机励磁调节器的快速性、可靠性、精确度、集成度等性能指标都得到了很大提高。

参考文献：

[1]施隆照. 单片机双CPU励磁控制器[J].福州大学学报，2003，31（3）：299-302.

[2]马淋淋，赵玉林、常志科. 小型同步发电机数字式励磁调节器的研制[J].东北农业大学学报，2004，35（5），604-606.

[3]李基成.现代同步发电机励磁系统设计及应用[M].中国电力出版社，2002.