专利名称：具有双中央处理器的自抗扰发电机励磁控制器及其控制方法
技术领域：
本发明涉及的是电力系统发电机励磁控制技术，特别涉及的是具有双中央处理器的 自抗扰励磁控制器及其控制方法。
背景技术：
励磁控制系统是稳定电力系统的主要装置之一。随着控制理论的进步，相继出现了 各种先进的控制规律。这对控制器内部控制电路的硬件提出了更高的要求。自抗扰技术 是一种先进的控制策略，它的计算量比起目前的各种控制规律要大很多。可以说自抗扰 控制器能否达到预定性能，决定于控制器内部控制电路的处理器能否在有限时间内完成 大量的数据处理任务。这种要求高实时性、可靠性和大容量的计算任务对传统的单处理 器控制构架是一个相当大的挑战。如果控制电路仅依靠采用高级芯片来提高处理器的速 度，不仅提高了产品的成本而且带来软件复杂性问题。
另一方面自抗扰控制技术中的扩张状态观测器要求一个输入信号周期内，扩张状态 观测器的软件模块计算多次直到跟踪精度达到要求。现有技术中单处理器架构难以胜任。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结合高性能的信号处理器和先进 的控制理论，采用双中央处理器架构的具有双中央处理器自抗扰发电机励磁控制器及其 控制方法。
本发明的技术方案是
一种具有双中央处理器的自抗扰励磁控制器，所述具有双中央处理器的自抗扰励磁 控制器包括数据采集模块、中央处理电路、功率输出电路；所述数据采集模块的输入
端连接电压互感器和电流互感器输出端，数据采集模块的输出端连接有两个中央处理器 的中央处理电路的输入端；中央处理电路的输出端连接功率输出电路的输入端；功率输
出电路的输出端连接发电机励磁绕组；所述电压互感器和电流互感器输入端连接电网。 一种具有双中央处理器自抗扰发电机励磁控制器的控制方法，所述控制方法包括以
下阶段
(2).信号采集阶段电压互感器、电流互感器采集电网的电压、电流、频率信号； (2).将采集信号进行放大、整形和变换为接受的信号阶段将上述采集电压、电
流、频率信号由数据采集模块的信号预处理电路转换为中央处理电路可接受的较低幅值
的相应信号；
(3).获得系统的实时数据阶段中央处理器l执行自抗扰算法模块采集数据；A\D 采用査询工作方式，当转换结束后，对采集到的电压、电流、频率信号进行数字滤波； 通过计算得到功率、电压、频率、功角信号，并保存到双端口随机存储器中。
(4).自抗扰算法的实现阶段中央处理器1在整个励磁控制器的一个控制信号输出
周期内循环计算，直到扩张状态观测器的输入信号和一阶输出信号间的误差小于设定值; 扩张状态观测器运算完成后，中央处理器1将估计出的系统内外扰动值保存到双端口随
机存储器中，并向中央处理器2发送一个计算完成信号；以上过程由自抗扰算法模块完 成；
(5) .控制信号的生成阶段中央处理器2得到中央处理器1的计算完成信号后， 从双端口随机存储器中读出功率、电压、频率、功角、扩张状态观测器的输出信号值； 根据自抗扰励磁控制规律对其进行简单的加减运算得出控制信号，输出到功率输出电路;
(6) .励磁电流生成阶段功率输出电路将控制信号放大，输出到绝缘栅晶体管整流 电路产生励磁电流。
本发明的有益效果是本发明励磁控制控器依托先进的非线性自抗扰控制技术，利 用高性能数字信号处理芯片实现发电机励磁的自抗扰控制规律。采用双中央处理器构架， 计算和控制基本上可并行工作，整个系统具有快速、高精度、高鲁棒性控制效果和较大 的可靠性，减少了由于普通单片机处理速度限制而引起的控制滞后，具有很好的调节性 能。该励磁控制控制系统，可加强电网的稳定性和安全性，是一种具有很大市场前景的 新一代发电机励磁控制装置。本发明利用自抗扰控制技术能够自动消除模型不精确和外 界扰动造成的干扰，从而减少外部扰动对电力系统正常运行的影响，提高了发电机的动 态性能。
图1是本发明励磁控制器电路连接框图； 图2a是图1数据采集模块中的信号预处理电路连接框图； 图2b是图1数据采集模块中的频率测量电路连接框图； 图3是图1中央处理电路连接框图； 图4是图1中功率输出电路连接框图； 《附图序号说明》
2:数据釆集模块 11:发电机励磁绕组 21:信号预处理电路 213:继电保护装置 224:光耦隔离器 32:中央处理器1 35:通信总线
43:绝缘栅晶体管整流电路
1:控制电路
4:功率输出电路
15b:电流互感器
212:开关量预处理电路
223:测频电路
31:中央处理器2 34:同步时序电路 42:脉冲调制放大电路
3:中央处理电路 15a:电压互感器
211:模拟量预处理电路
频率测量电路 事件捕捉模块 双端口随机存储器 移相脉冲形成电路
22:
225:
33:
41:
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详述。 图1是本发明励磁控制器电路连接框图。
如图1所示，本发明提供一种具有双中央处理器的自抗扰励磁控制器，所述具有双
中央处理器的自抗扰励磁控制器l包括数据采集模块2、中央处理电路3、功率输出电
路4;所述数据釆集模块2的输入端连接电压互感器15a和电流互感器15b输出端，数据 采集模块2的输出端连接有两个中央处理器31、 32的中央处理电路3的输入端；中央处理电路3的输出端连接功率输出电路4的输入端；功率输出电路4的输出端连接发电机 励磁绕组ll;所述电压互感器15a和电流互感器15b输入端连接电网。。
图2a是图1数据采集模块中的信号预处理电路连接框图2b是图1数据采集模块中的频率测量电路连接框图。
如图2a、 2b所示，所述的数据采集模块2包括信号预处理电路21和频率测量电 路22;所述信号预处理电路21包括:模拟量预处理电路211和开关量预处理电路212， 模拟量预处理电路211的输入端连接电压互感器15a和电流互感器15b的输出端，模拟 量预处理电路211的输出端连接，输出端连接中央处理器电路3，开关量预处理电路212 输入端连接继电保护装置213的输出端，开关量预处理电路212输出端连接输出端连接中 央处理器电路3，继电保护装置213的输入端连接在电网上；所述频率测量电路22包括 测频电路223、光耦隔离器224;测频电路223的输入端接电压互感器15a和电流互感器 15b的输出端，测频电路223的输出端串联光耦隔离器224后接到中央处理电路3输入端。
所述测频电路223将输入信号转换为方波，通过光耦隔离器224后接入数字信号处 理器的事件管理模块225，完成频率的测量。
图3是图1中央处理电路连接框图。
如图3所示，所述中央处理电路3包括中央处理器l (图中序号32)、中央处理 器2 (图中序号31)、双端口随机存储器33和同步时序电路44;所述中央处理器l (图 中序号32)的READY脚和双端口随机存储器33的BUSYL脚双向连接，中央处理器1 (图 中序号32)的R/W脚与随机存储器33的R/WL双向连接，中央处理器1 (图中序号32) 的数据线、地址线和随机存储器33对应的数据线、地址线连接；所述中央处理器2 (图 中序号31)的READY脚和双端口随机存储器33的BUSYR脚双向连接，中央处理器2 (图 中序号31)的R/W脚与双端口随机存储器的R/TO双向连接，中央处理器2 (图中序号31) 的数据线、地址线和双端口随机存储器33对应的数据线、地址线连接；提供同步时钟信 号的同步时序电路34连接中央处理器K图中序号32)和中央处理器2 (图中序号31); 通讯总线35双向连接中央处理器1 (图中序号32)和中央处理器2 (图中序号31)。
所述中央处理器1 (图中序号32)是型号为TMS320F2812的数字信号处理器芯片； 所述中央处理器2 (图中序号31)是型号为AT91RM9200的增强型精简指令计算机芯片； 双端口随机存储器33是型号为IDT70V24芯片。 图4是图1中功率输出电路连接框图。
如图4所示，所述的功率输出电路4包括移相脉冲形成电路41、脉冲调制放大电 路42及绝缘栅晶体管整流电路43;中央处理器2 (图中序号31)输出端连接移相脉冲形 成电路41输入端，移相脉冲形成电路41输出端依次串联脉冲调制放大电路42及绝缘栅 晶体管整流电路43，绝缘栅晶体管整流电路43的输出端连接发电机励磁绕组11。
上述移相脉冲形成电路41通过中央处理器2 (图中序号31)来实现，得到移相触发 角度。脉冲调制放大电路42将得到的脉冲信号进行功率放大。脉冲调制放大电路42的 输出端连接到绝缘栅晶体管整流电路43。
本发明提供一种具有权利要求1的具有双中央处理器自抗扰发电机励磁控制器的控
制方法，所述控制方法包括以下阶段
(1) .信号采集阶段电压互感器15a、电流互感器15b采集电网的电压、电流、频 率信号；
(2) .将采集信号进行放大、整形和变换为接受的信号阶段将上述采集电压、电
流、频率信号由数据采集模块2的信号预处理电路21转换为中央处理电路3可接受的较 低幅值的相应信号；
(3).获得系统的实时数据阶段中央处理器l (图中序号32)执行自抗扰算法模 块采集数据；AM)采用查询工作方式，当转换结束后，对采集到的电压、电流、频率信号 进行数字滤波；通过计算得到功率、电压、频率、功角信号，并保存到双端口随机存储 器33中。
(4).自抗扰算法的实现阶段中央处理器l (图中序号32)在整个励磁控制器的一 个控制信号输出周期内循环计算，直到扩张状态观测器的输入信号和一阶输出信号间的 误差小于设定值；扩张状态观测器运算完成后，中央处理器l (图中序号32)将估计出 的系统内外扰动值保存到双端口随机存储器33中，并向中央处理器2 (图中序号31)发 送一个计算完成信号；以上过程由自抗扰算法模块完成；
(5) .控制信号的生成阶段中央处理器2 (图中序号31)得到中央处理器l (图 中序号32)的计算完成信号后，从双端口随机存储器33中读出功率、电压、频率、功角、 扩张状态观测器的输出信号值；根据自抗扰励磁控制规律对其进行简单的加减运算得出 控制信号，输出到功率输出电路4;
(6) .励磁电流生成阶段功率输出电路4将控制信号放大，输出到绝缘栅晶体管整
流电路43产生励磁电流。
上述的步骤(3)与(4)中的自抗扰算法模块由以下流程组成
(1) 查询A/D转换器的状态，如果未完成则等待；如果转换已完成，则对采集到的
信号进行数字滤波；
(2) 计算扩张状态观测器，如果所得到的误差小于设定值则完成运算进入下一步骤， 如果未达到精度则循环计算；
(3) 查询随机存储器是否可写，如果不可写则等待，如果可写则向随机存储器写入 电压、电流、频率和自抗扰扩张观测器的结果，向中央处理器2发送完成信号；
(4) 返回程序开始处，进行下一轮运算。
本发明的工作过程是本系统主要是利用自抗扰技术和双中央处理器硬件对发电机
的励磁电流进行控制。交流采样电路把系统电压及电流变换为较低幅值交流电压和电流， 并测出频率。信号经模拟量预处理电路和开关量预处理电路送入中央处理器l中，中央 处理器l根据自抗扰算法计算出中间变量值，并将其送入双端口随机存储器。中央处理
器2从双端口随机存储器中读出控制规律中各个变量值，计算出控制信号，转化为脉冲， 控制绝缘栅晶体管整流电路输出励磁电流；中央处理器2同时兼有协调各个模块工组的 任务。
权利要求
1、一种具有双中央处理器的自抗扰励磁控制器，其特征在于，所述具有双中央处理器的自抗扰励磁控制器(1)包括数据采集模块(2)、中央处理电路(3)、功率输出电路(4)；所述数据采集模块(2)的输入端连接电压互感器(15a)和电流互感器(15b)输出端，数据采集模块(2)的输出端连接有两个中央处理器(31、32)的中央处理电路(3)的输入端；中央处理电路(3)的输出端连接功率输出电路(4)的输入端；功率输出电路(4)的输出端连接发电机励磁绕组(11)；所述电压互感器(15a)和电流互感器(15b)输入端连接电网。
2、 根据权利要求l所述的具有双中央处理器的自抗扰励磁控制器，其特征在于，所 述的数据采集模块(2)包括信号预处理电路(21)和频率测量电路(22);所述信号预处 理电路(21)包括:模拟量预处理电路(211)和开关量预处理电路(212),模拟量预处理 电路(211)的输入端连接电压互感器(15a)和电流互感器(15b)的输出端，模拟量预处 理电路(211)的输出端连接，输出端连接中央处理器电路(3)，开关量预处理电路(212) 输入端连接继电保护装置(213)的输出端，开关量预处理电路(212)输出端连接输出端 连接中央处理器电路(3)，继电保护装置(213)的输入端连接在电网上；所述频率测 量电路(22)包括测频电路(223)、光耦隔离器(224);测频电路(223)的输入端接电压互 感器(15a)和电流互感器(15b)的输出端，测频电路(223)的输出端串联光耦隔离器(224) 后接到中央处理电路(3)输入端。
3、 根据权利要求l所述的具有双中央处理器的自抗扰励磁控制器，其特征在于，所 述中央处理电路(3)包括中央处理器l (32)、中央处理器2(31)、双端口随机存储 器(33)和同步时序电路(44);所述中央处理器l (32)的READY脚和双端口随机存储 器(33)的BUSYL脚双向连接，中央处理器l (32)的R/W脚与随机存储器(33)的R/WL 双向连接，中央处理器l (32)的数据线、地址线和随机存储器(33)对应的数据线、地址 线连接；所述中央处理器2 (31)的READY脚和双端口随机存储器(33)的BUSYR脚双向 连接，中央处理器2 (31)的R/W脚与双端口随机存储器的R/WR双向连接，中央处理器 2 (31)的数据线、地址线和双端口随机存储器(33)对应的数据线、地址线连接；提供 同步时钟信号的同步时序电路(34)连接中央处理器1 (32)和中央处理器2(31);通 讯总线(35)双向连接中央处理器l (32)和中央处理器2(31)。
4、 根据权利要求3所述的具有双中央处理器的自抗扰励磁控制器，其特征在于，所 述中央处理器1 (32)是型号为TMS320F2812的数字信号处理器芯片；所述中央处理器 2(31)是型号为AT91賜9200的增强型精简指令计算机芯片；双端口随机存储器(33)是 型号为IDT70V24芯片。
5、 根据权利要求l所述的具有双中央处理器的自抗扰励磁控制器，其特征在于，所 述的功率输出电路(4)包括移相脉冲形成电路(41)、脉冲调制放大电路(42)及绝缘 栅晶体管整流电路(43);中央处理器2(31)输出端连接移相脉冲形成电路(41)输入端， 移相脉冲形成电路(41)输出端依次串联脉冲调制放大电路(42)及绝缘栅晶体管整流 电路(43)，绝缘栅晶体管整流电路(43)的输出端连接发电机励磁绕组(ll)。
6、 一种具有权利要求l的具有双中央处理器自抗扰发电机励磁控制器的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下阶段(1) .信号采集阶段电压互感器(15a)、电流互感器(15b)采集电网的电压、电 流、频率信号；(2) .将采集信号进行放大、整形和变换为接受的信号阶段将上述采集电压、电流、频率信号由数据采集模块(2)的信号预处理电路(21)转换为中央处理电路(3)可 接受的较低幅值的相应信号；(3) .获得系统的实时数据阶段中央处理器l (32)执行自抗扰算法模块采集数 据；A^采用查询工作方式，当转换结束后，对采集到的电压、电流、频率信号进行数字 滤波；通过计算得到功率、电压、频率、功角信号，并保存到双端口随机存储器(33) 中。(4) .自抗扰算法的实现阶段中央处理器l (32)在整个励磁控制器的一个控制信 号输出周期内循环计算，直到扩张状态观测器的输入信号和一阶输出信号间的误差小于 设定值；扩张状态观测器运算完成后，中央处理器l (32)将估计出的系统内外扰动值保 存到双端口随机存储器(33)中，并向中央处理器2 (31)发送一个计算完成信号；以上 过程由自抗扰算法模块完成；(5) .控制信号的生成阶段中央处理器2 (31)得到中央处理器l (32)的计算完 成信号后，从双端口随机存储器(33)中读出功率、电压、频率、功角、扩张状态观测 器的输出信号值；根据自抗扰励磁控制规律对其进行简单的加减运算得出控制信号，输 出到功率输出电路(4);(6) .励磁电流生成阶段功率输出电路(4)将控制信号放大，输出到绝缘栅晶体管整流电路(43)产生励磁电流。
7、根据权利要求6所述的具有双中央处理器的自抗扰励磁控制器的控制方法，其特 征在于，所述的步骤(3)与(4)中的自抗扰算法模块由以下流程组成(1) 査询A/D转换器的状态，如果未完成则等待；如果转换已完成，则对采集到的 信号进行数字滤波；(2) 计算扩张状态观测器，如果所得到的误差小于设定值则完成运算进入下一步骤， 如果未达到精度则循环计算；(3) 査询随机存储器是否可写，如果不可写则等待，如果可写则向随机存储器写入 电压、电流、频率和自抗扰扩张观测器的结果，向中央处理器2发送完成信号；(4) 返回程序开始处，进行下一轮运算。
全文摘要
本发明公开一种具有双中央处理器的自抗扰发电机励磁控制器及其控制方法，其自抗扰励磁控制器包括数据采集模块、中央处理电路、功率输出电路。其控制方法包括以下阶段(1)信号采集阶段；(2)将信号放大、整形变换为接受信号阶段；(3)获得实时数据阶段；(4)自抗扰算法实现阶段；(5)控制信号生成阶段；(6)励磁电流生成阶段。本发明有益效果是能实现发电机励磁的自抗扰控制规律，整个系统具有快速、高精度、高鲁棒性控制效果和较大的可靠性，减少了由于普通单片机处理速度限制而引起的控制滞后，具有很好的调节性能。从而减少外部扰动对电力系统正常运行的影响，提高了发电机的动态性能。
文档编号H02P9/14GK101170296SQ20071015068
公开日2008年4月30日 申请日期2007年12月3日 优先权日2007年12月3日
发明者刘增高, 周雪松, 尹向前, 张继东, 李显冰, 王新志, 郭润睿, 马幼捷 申请人:天津理工大学