具有同期及保护功能的水轮发电机励磁调节器的制造方法
【专利摘要】具有同期及保护功能的水轮发电机励磁调节器，包括电源电路、交流采样电路、32位CPU1、CPU1接口电路、通讯电路、LED指示电路、CPU2看门狗电路、励磁8位CPU2、励磁脉冲触发驱动电路；电源电路、交流采样电路、CPU1接口电路、通讯电路、LED指示电路均连接到32位CPU1；电源电路、交流采样电路、通讯电路、LED指示电路、CPU2看门狗电路分别连接到励磁8位CPU2；CPU2连接到励磁脉冲触发驱动电路；CPU1接口电路包括开入电路、开出电路、存储电路、CPU1看门狗电路。本实用新型具有集成度高、体积小、测量精度高、保护动作精确、维护方便、安装简单，励磁调节工作稳定的特点。
【专利说明】具有同期及保护功能的水轮发电机励磁调节器
【【技术领域】】
[0001]本实用新型涉及一种水轮发电机励磁装置，尤其是指一种具有同期及保护功能的水轮发电机励磁调节器。
【【背景技术】】
[0002]在中小水电站，一个比较完善的自动化控制系统，一般需要以下几种自动化设备:发电机机组保护设备、发电机组同期设备、数字化电度表设备、发电机组励磁控制设备、发电机组转速信号设备。但是这样整合起来的自动化系统存在以下几个缺陷:设备种类众多接口复杂，造成整个自动化系统接口及控制都比较困难，自动化可靠性较差。造成自动化布线复杂，设备维护困难。单种设备的成本不高，但是总体整个自动化成本较高。
[0003]从目前中小水电站设备的应用情况来看，许多电站自动化设备安装较早技术都相对落后，但是由于还能正常运行，设备成本较低等原因，所以仍然有许多此类型的设备还在中小水电站运行。这些正在运行的自动化设备普遍都存在一定的安全隐患，甚至有些自动化设备没有预留自动化接口，只能作为一个独立运行设备，无法并接到整个自动化系统中。例如目前许多正在运行的发电机组同期设备，仍旧采用比较陈旧的半数字化同期装置，这些同期装置在测量参数上误差较大，同期动作准确性不高，频繁地准同期并网操作有可能对机组可能产生比较大的冲击，对发电机造成较大的损伤。又例如发电机组保护装置，许多的保护设备仍旧采用简单的继电保护或普通的保护装置，这些保护装置大多只能作为一个简单的保护措施，并且多数都存在保护动作不准确或保护不动作的情况；同样发电机励磁设备也存在一样设备老旧的问题。
【
【发明内容】
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[0004]本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种具有同期及保护功能的水轮发电机励磁调节器，具有集成度高、体积小、测量精度高、保护动作精确、维护方便、安装简单，励磁调节工作稳定的特点。
[0005]本实用新型是这样实现的:
[0006]具有同期及保护功能的水轮发电机励磁调节器，包括电源电路、交流采样电路、32位CPUl、CPUl接口电路、通讯电路、LED指示电路、CPU2看门狗电路、励磁8位CPU2、励磁脉冲触发驱动电路；
[0007]所述电源电路、交流采样电路、CPUl接口电路、通讯电路、LED指示电路均连接到所述32位CPUl ；
[0008]所述电源电路、交流采样电路、通讯电路、LED指示电路、CPU2看门狗电路分别连接到所述励磁8位CPU2 ;所述CPU2连接到所述励磁脉冲触发驱动电路；
[0009]所述CPUl接口电路包括开入电路、开出电路、存储电路、CPUl看门狗电路。
[0010]进一步地，所述电源电路包括电源输入过压过流保护电路、电源转换电路；所述电源输入过压过流保护电路连接到所述电源转换电路。[0011 ] 进一步地，所述交流采样电路包括机端三相电流采样电路、机端三相电压采样电路、励磁75mv采样电路、系统单相电压采样电路、系统测频电路、机端测频电路、机端AD采集芯片、系统AD采集芯片；所述机端三相电流采样电路、机端三相电压采样电路分别连接到所述机端AD采集芯片；所述励磁75mv采样电路、系统单相电压采样电路分别连接到所述系统AD采集芯片；所述机端测频电路连接到所述励磁8位CPU2。
[0012]进一步地，所述通讯电路包括RS485接口、Zebee接口、UART接口。
[0013]本实用新型的优点在于:1、集成度高，功能强大:包含了机组同期、机组保护、机组转速信号测量、机组实时模拟量测量、机组电度统计、发电机励磁控制等多种功能。2、多CPU控制设计，可靠性能好:机组同期、机组保护、机组转速信号以及模拟量测量和电度统计均由所述32位CPU2来实现，发电机励磁控制由励磁8位CPU来实现，励磁控制与保护、同期部分是完全独立开的，增加了装置运行的可靠性。3、电路简单，实现设备自动化成本低:由于要实现比较多的功能，在电路设计上一些主要的电路都采用通用器件使得整个硬件电路比较简单，降低了设备的总体成本。4、测量精度高，设备控制动作更精确:交流采样采用16位专用AD芯片，采集电路电压和电流互感器均采用精度较高的器件，使得采集精度较高，设备控制动作精确。5、外边接线简单，安装及设备维护方便:设备外边接线采样高正端子进行连接，一种设备就实现原来需要多种多个设备才能完成的功能，相对来讲单个设备接线更为简单，安装和维护更为方便。5、通信接口方便、控制灵活:设备采样RS485接口方式与外部进行通信接口方便，采用MODBUS通信协议，可以直接读取所有测量参数和设置参数数据，通过设置设置参数可以直接对设备进行控制。
【【专利附图】
【附图说明】】
[0014]下面参照附图结合实施例对本实用新型作进一步的描述。
[0015]图1是本实用新型的硬件结构示意图。
[0016]图2是本实用新型保护功能实现结构示意图。
[0017]图3是本实用新型同期功能实现结构示意图。
[0018]图4是本实用新型励磁功能实现结构示意图。
[0019]图5是本实用新型硬件设备外部接线图。
[0020]图6是本实用新型的32位CPUl主流程实现框图。
[0021]图7是本实用新型的励磁8位CPU2主流程。
【【具体实施方式】】
[0022]如图1所示，是本实用新型的硬件结构示意图。具有同期及保护功能的水轮发电机励磁调节器，包括电源电路、交流采样电路、32位CPU1、CPUl接口电路、通讯电路、LED指示电路、CPU2看门狗电路、励磁8位CPU2、励磁脉冲触发驱动电路；
[0023]所述电源电路、交流采样电路、CPUl接口电路、通讯电路、LED指示电路均连接到所述32位CPUl ；
[0024]所述电源电路、交流采样电路、通讯电路、LED指示电路、CPU2看门狗电路分别连接到所述励磁8位CPU2 ;所述CPU2连接到所述励磁脉冲触发驱动电路；
[0025]所述CPUl接口电路包括开入电路、开出电路、存储电路、CPUl看门狗电路。
[0026]所述电源电路包括电源输入过压过流保护电路、电源转换电路；所述电源输入过压过流保护电路连接到所述电源转换电路。
[0027]所述交流采样电路包括机端三相电流采样电路、机端三相电压采样电路、励磁75mv采样电路、系统单相电压采样电路、系统测频电路、机端测频电路、机端AD采集芯片、系统AD采集芯片；所述机端三相电流采样电路、机端三相电压采样电路分别连接到所述机端AD采集芯片；所述励磁75mv采样电路、系统单相电压采样电路分别连接到所述系统AD采集芯片；所述机端测频电路连接到所述励磁8位CPU2。
[0028]所述通讯电路包括RS485接口、Zebee接口、UART接口。
[0029]其中机端部分交流参数采样工作过程如下:一方面由所述机端测频电路连接到所述32位CPU1，测量出机组的相关频率，产生对应频率的同步采样信号；另一方面交流三相机端电压、交流三相机端电流分别通过机端三相电压采样电路和机端三相电流采样电路，连接到机端AD采集芯片上，这样32位CPUl就可以控制机端AD采集芯片对机端三相电压、三相电流进行交流采样，经过傅里叶变换算法可以计算出当前三相电压、三相电流的实时测量值；系统电压交流采样部分类似于机端部分参数采样做法，这里不做具体的叙述。
[0030]请参阅图2，为方便说明保护功能原理，直接从图1硬件结构图上取出与保护有关的结构部分。包括机端测频电路、机端三相电压采样电路、机端三相电流采样电路、机端AD采集芯片、开出电路及32位CPUl。保护功能实现原理如下:32位CPUl上述的交流参数采样方法，采集到机端频率、机端电压和机端电流，并实时对采集到的数值与设置保护的动作值进行比较，如果达到某个保护条件，延时设置的保护动作时间后，通过所述开出电路开出保护。
[0031]请参阅图3，为方便说明同期功能原理，直接从图1硬件结构图上取出与同期有关的结构部分。主要包括机端测频电路、系统测频电路、机端三相电压采样电路、系统单相电压采样电路、机端AD采集芯片、系统AD采集芯片、开入电路、开出电路、RS485接口及32位CPUI ；机端测频电路、系统测频电路、机端三相电压采样电路、系统单相电压采样电路、机端AD采集芯片、系统AD采集芯片、开入电路、开出电路均连接32位CPUl。同期功能实现原理的方式如下:通过机端测频电路、系统测频电路由32位CPUl通过捕捉方式计算出机端频率、系统频率及相角差；通过上述交流参数采样方法计算出机端A相和系统A相电压。同期过程如下:首先通过开入电路或RS485接口给32位CPUl发同期命令，然后32位CPUl判断机端频率和系统频率差是否在设定的同期范围，频率差合格后才进入电压差比较，电压差比较合格最后才进入相角比较，只有在相角差合格的情况下才允许控制开出电路，进行同期并网。
[0032]请参阅图4，为方便说明励磁功能原理，直接从图1硬件结构图上取出与励磁有关的结构部分。主要包括所述机端测频电路、励磁8位CPU2、CPU2看门狗电路、励磁脉冲触发驱动电路、UART接口以及32位CPUl ；32位CPUl是通过UART接口与励磁8位CPU2进行通讯连接；机端测频电路、CPU2看门狗电路、励磁脉冲触发驱动电路、LED指示电路均连接到励磁8位CPU2上。励磁功能实现过程如下:首先励磁8位CPU2通过UART接口接收到由32位CPUl通过上述交流采样方法计算出来机端电压、励磁电流、调差电压、给定运行电压、给定运行励磁电流及励磁运行方式等参数，然后励磁8位CPU2根据运行方式对接收到的参数进行计算，按照PID控制方式，计算出可控硅输出角度，通过软件控制的办法输出可控硅触发脉冲，并连接到励磁脉冲触发驱动电路，控制外边可控硅；最后通过下次测量回来的数值进行闭环励磁控制。在整个控制过程中，交流采样和大多数的数据计算是由32位CPUl来实现的，PID控制算法和软件触发控制是由励磁8位CPU2来实现的，两个CPU通过UART接口进行数据通讯，励磁的运行模式和增减励磁是通过通讯方式进行设置，由32位CPUl通过通信中转给励磁8位CPU2来执行。
[0033]请参阅图5，整个调节器的外围电路包括可控硅模块KZ、励磁触发变压器LB、75mv直流励磁电流分流器FL、发电机机组F、发电机励磁线圈LQ、机端电压互感器PTl、机端电流互感器CT、系统电压互感器PT2以及发电机断路器辅助点DL ;机端电压互感器PTl和系统电压互感器PT2，是连接到本实用新型设备所述的机端测频电路、系统测频电路、机端交流采集电路和系统电压采样电路，实现机端、系统频率采样，作为交流采样的同步信号和交流采样数据采集；励磁变LB、可控硅模块KZ作为励磁的主控制回路，由8位励磁CPU2软件控制输出脉冲经过所述励磁脉冲触发驱动电路后连接到可控硅模块KZ，进行励磁控制；75mv直流励磁电流分流器FL作为励磁电流测量中使用；机端电流互感器CT是作为交流采样中的机端电流测量中使用；发电机断路器辅助点DL作为判断发电机组是否处于并网发电状态的依据。
[0034]请参阅图6和图7，分别为32位CPUl主流程和励磁8位CPU2主流程。32位CPUl主流程中程序首先对硬件10、定时中断、外边中断及串口通信DMA进行初始化后，然后读出存储电路中的设置信息，最后在循环中处理MODBUS通信、与励磁8位CPU2通信、交流采样计算、转速信号处理、同期处理、保护处理及看门狗喂狗处理；励磁8位CPU2主流程，首先对硬件10、全局变量及中断进行初始化，然后读取出存储在EEPROM中的设置信息，最后在循环中对看门狗进行处理，有同步频率信号输入时候才进行励磁调节计算和控制输出处理，如果没有同步信号只进行通信方面的处理。
[0035]综上所述，具有同期及保护功能的水轮发电机励磁调节器，优势在于其功能的高集成度，一个设备完成了原来需要多种不同功能设备才能完成的功能，同时设备通用性较强只需要通过软件通讯接口就可以对设备进行相应的设置和控制，实现在中小水电机组多种应用场合的不同需求；接口简单，通过简单的通信网络很快就可以实现一个小水电站的自动化系统，同时数据通信均采用通用《Modbus协议》通信规约，实用性强。
[0036]本实用新型是一种应用在中小水电站具有发电机组保护、同期、转速信号测量及数字电度表测量的多功能励磁调节器。
[0037]上述实施例和图式并非限定本实用新型的产品形态和式样，任何所属【技术领域】的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型的专利范畴。
【权利要求】
1.具有同期及保护功能的水轮发电机励磁调节器，其特征在于:包括电源电路、交流采样电路、32位CPUUCPU1接口电路、通讯电路、LED指示电路、CPU2看门狗电路、励磁8位CPU2、励磁脉冲触发驱动电路； 所述电源电路、交流采样电路、CPUl接口电路、通讯电路、LED指示电路均连接到所述32 位 CPUl ； 所述电源电路、交流采样电路、通讯电路、LED指示电路、CPU2看门狗电路分别连接到所述励磁8位CPU2 ;所述CPU2连接到所述励磁脉冲触发驱动电路； 所述CPUl接口电路包括开入电路、开出电路、存储电路、CPUl看门狗电路。
2.如权利要求1所述的具有同期及保护功能的水轮发电机励磁调节器，其特征在于:所述电源电路包括电源输入过压过流保护电路、电源转换电路；所述电源输入过压过流保护电路连接到所述电源转换电路。
3.如权利要求1所述的具有同期及保护功能的水轮发电机励磁调节器，其特征在于:所述交流采样电路包括机端三相电流采样电路、机端三相电压采样电路、励磁75mv采样电路、系统单相电压采样电路、系统测频电路、机端测频电路、机端AD采集芯片、系统AD采集芯片；所述机端三相电流采样电路、机端三相电压采样电路分别连接到所述机端AD采集芯片；所述励磁75mv采样电路、系统单相电压采样电路分别连接到所述系统AD采集芯片；所述机端测频电路连接到所述励磁8位CPU2。
4.如权利要求1所述的具有同期及保护功能的水轮发电机励磁调节器，其特征在于:所述通讯电路包括RS485接口、Zebee接口、UART接口。
【文档编号】H02P9/30GK204103814SQ201420528570
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月15日 优先权日:2014年9月15日
【发明者】郭谋发, 林泽峰, 李水珠 申请人:福建亿华源能源管理有限公司