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基于单片机和CPLD的同步发电机自动准同期装置设计


第 27 卷第 8 期 2007 年 8 月

电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment

Vol.27 No.8 Aug.2007

基 于 单 片 机 和 CPLD 的 同 步 发 电 机 自动准同期装置设计
张晓英, 党存禄, 王树东
( 兰州理工大学 电信学院, 甘肃 兰州 730050) 摘要: 同步发电机的并列操作是电厂的一项重要而频繁的操作。为了避免并列时冲击电流过大, 要 求并列时断路器两侧电压的幅值差、 频率差和相角差都在允许范围内, 否则对发电机进行相应的调 频、 调压控制。对一种基于 AT89S52 单片机和复杂可编程逻辑器件( CPLD) 的同步发电机自动准同 期 装 置 进 行 了 研 究 。硬 件 结 构 分 为 8 个 模 块 ; 采 用 结 构 化 编 程 思 想 进 行 了 软 件 设 计 。该 装 置 结 构 简 单, 可靠性高, 便于维护, 实现了自动测频、 测压和测相角, 并实现了“ 智能” 调频、 调压; 同时提 供了便捷的人机交互界面, 使得参数设置简单灵活。 关键词: 自动准同期; AT89S52 单片机; CPLD; 自动测量; 智能调频; 智能调压 中图分类号: TM 762.3 文献标识码: B 文章编号: 1006 - 6047( 2007 ) 08 - 0102 - 04 计数器来设计同步发电机自动准同期装置, 简化了 结构、 提高了系统可靠性。



引言

同步发电机的并列操作是电厂的一项重要而频 繁的操作。一般采用准同期并列方法将发电机投 入 系统运行 [ 1] 。准同期并列的条件是待并发电机电 压与电网电压的幅值差、 频率差在允许范围内, 相角 差等于零之前的一段时间发出合闸命令, 使合闸瞬间 相角差为零。当压差和频差不在允许范围内时 , 对 发电机进行相应的调频、 调压控制 [ 2- 3] 。微机自动准 同期装置大多仅采用单片机实现 [ 4 - 6] 。由于发电机 自动准同期装置在测量发电机频率、 系统频率、 相位 差及输出的升压、 降压、 升频、 降频等控制信号时, 均 需使用定时器、 计数器, 而单片机内的定时 / 计数资 源是远远不够的, 这就要在单片机外扩展定时器、 计 数 器 。以 往 的 研 究 多 采 用 多 片 可 编 程 定 时 / 计 数 器 8253 , 使电路过于复杂并且稳定性不佳 [ 7] 。这里 提 出 采 用 复 杂 可 编 程 逻 辑 器 件 CPLD ( Complex Programmable Logic Device) 扩展单片机的定时器和
人机交互模块



准同期装置硬件设计

该 同 步 发 电 机 自 动 准 同 期 装 置 以 AT89S52 单 片机和 CPLD 为控制核心, 硬件结构分为: CPU、 CPLD、 人机交互、 输入、 输出、 相角 差 显 示 、 - 485 通 信 、 RS 电 源 等 8 个 模 块 。 硬 件 原 理图如图 1 所示。 1.1 CPU 模块 高 CPU 模 块 中 , AT89S52 是 一 种 低 功 耗 、 性 能 的 CMOS 8 位微控制器, 采用 12 M 的晶振, 使用片 内 8 K 程序存储器和 256 × bit 内部 RAM, 该单片机 8 具有看门狗功能, 有效地节省了 I / O 端口, 单片机外 部设置了上电复位电路和按键复位电路。模块 中 的 74LS373 将低 8 位地址进行锁存, 以便 P0 口地 址、 据 共 用 。 另 外 , 模 块 中 的 ADC0809 将 输 入的 数 模拟量转换成数字量送入单片机进行处理。
输出模块

CPU 模块 AT 89S52 ADC0809
电压限幅 整流滤波

LED 显示 8279

键盘

CPLD 模块

相角差显示模块

RS- 485
电源模块 通信模块

整形电路 光电隔离

电压变换

Us Ug

输入模块

图 1 同步发电机自动准同期装置硬件原理图 Fig.1 Block diagram of generator automatic quasi - synchronizing device 收稿日期: 2006 - 11 - 17 ; 修回日期: 2007 - 02 - 28 基金项目: 甘肃省中青年基金项目( ZS032 - B25 - 027 )

第8期

张晓英, 等: 基于单片机和 CPLD 的同步发电机自动准同期装置设计
OPTIMER1 DATAIN[ 7  ̄ 0 ] CLK LOAD DATAIN[ 7  ̄ 0 ] CLK LOAD OUTPUT OUTPUT

CPLD 模块 CPLD 模块的核心器件采用 Altera 公司的 EPM 9320LC84- 15( MAX9000 系列) 芯片。 MAX 9000 系列 把 MAX7000 的 有 效 宏 单 元 结 构 与 高 性 能 FLEX 器
件的可预测互连结合在一起, 能够适合于多系 统 级 功 能 的 集 成 。 MAX9000 器 件 通 过 工 业 标 准 4 引脚 JTAG 接口实现在线可编程 [ 9] 。通过输入模块, 将电 网和发 电 机 的 频 率 所 产 生 的 方 波 分 别 加 到 2 个 16 位计数器( 通过软件编程实现) 的门控端, 通过脉冲 计数的方法实现频率的测量。同样, 将电网和发 电机的频率所产生的方波经过异或门, 输出的信号加 到 16 位计数器的门控端, 通过脉冲计数的方法实现 相角差的测量。另外, 该模块也包含了输出调压、 调频脉冲控制器, 控制器的控制命令由 CPU 模块发 调 出 , 控 制 输 出 的 调 压 、 频 脉 冲 [ 10 ] 。 故 障 闭 锁 功 能 也由该模块实现。限于篇幅, 这里只介绍利用 CPLD 设计调频控制器。 采用硬件描述语言 VHDL( 源程序略) 设计了调频 控制电路如图 2 所示。调频控制器测试电路如图 3 所示[ 11] 。利用 Altera 公司的 MAX+plusⅡ开发软件对 调频控制器电路进行仿真, 仿真结果见图 4 和图 5 。 当控制字为 0X00 ~ 0X01 时, 该调频控制器输出
5 DATAIN[ 7  ̄ 0 ] 4 3 CLK LOAD INPUT VCC INPUT VCC INPUT VCC 2 FENPIN3 CLK OUTPUT

1.2

图 2 调频控制器电路 Fig.2 Frequency controller

控制信号的高电平宽度为 0 个 CLK, 控制字为 0X02 时 为 5 个 CLK, 到 控 制 字 为 0XC5 时 为 占 空 比 为 1 的 波 形 , 控 制 字 为 0XC5 ~ 0XFF 时 , 占 空 比 均 为 1 。 因此, 控制字在 0X02 ~ 0XC5 之间时, 输出控制信号 的占空比可连续变化。 根据 CPU 模块发出的调频控制字, 控制调频输 出波形的占空比, 调频波形的占空比在 0 ~ 100 % 连 续可调, 周期为 0.4 s。 1.3 人机交互模块 人机交互模块的核心器件为 8279 , 主要完成参 数设定以及电网和发电机的频率、 电压显示。 [ 12- 13] 1.4 输入模块 输入模块实时采集电网和发电机的频率、 电压 以及相位差信号, 并提供与 CPU 模块的电压输入接 口电路以及与 CPLD 模块的频率、 位 差 输 入 接 口 相 电路。电网和发电机的电压信号通过变压器和由

OPTIMER1 DATAIN[ 7  ̄ 0 ] CLK 1 LOAD OUTPUT OUTPUT 0 OUTPUT

图 3 调频控制器的测试电路( FENPIN3 为 40 分频) Fig.3 Test circuit of frequency controller( FENPIN3 divides input frequency by 40 )
0.0 ns 100 ms 200 ms 300 ms 400 ms 500 ms 600 ms 700 ms 800 ms 900 ms

Name : LOAD CLK OUTPUT DATAIN[ 7  ̄ 0 ]

Value 0 0 0 H02

1.0 s

1.1 s

1.2 s

02

图 4 控制字为 0X02 时的仿真波形图( CLK=500 Hz、 LOAD=100 Hz) Fig.4 Simulative waveform when control word is 0X02( CLK=500 Hz, LOAD=100 Hz)
0.0 ns 100 ms 200 ms 300 ms 400 ms 500 ms 600 ms 700 ms 800 ms 900 ms

Name : LOAD CLK OUTPUT

Value 0 0 0

1.0 s

1.1 s

1.2 s

DATAIN[ 7  ̄ 0 ] HC5

C5

图 5 控制字为 0XC5 时的仿真波形图( CLK=500 Hz、 LOAD=100 Hz) Fig.5 Simulative waveform when control word is 0XC5( CLK=500 Hz, LOAD=100 Hz)

电 力 自 动 化 设 备
集成运放构成的精密整流电路进行全波整流, 然后通 过有源滤波电路变成较平稳的直流信号, 输入 CPU 模块的 AD 转换器变成数字量, 被单片机读入, 实现 电压测量。另外, 输入信号还通过光耦整形成方波, 再利用施密特触发器进行边沿整形, 变换后的信号二 分频以后输出到 CPLD 模块, 进行频率和相位差的测 量。单片机利用采集到的电压、 率和相位差数 频 据 进 行准同期条件的判断, 确定合闸脉冲的发出时 机, 实现准确合闸。 1.5 输出模块 输出模块完成系统控制输出功能, 起到隔离和脉 冲功率放大的作用。控制信号通过 6 个光电耦合 器 实现控制设备与外界的隔离, 控制输出通过升压、 降压、 升频、 降频、 合闸、 报警继电器完成。这些继电 器为发电机的调速器、 励磁调节器和合闸开关提供 均频、 均压以及合闸脉冲, 同时在装置运行异常时, 能够进行报警, 并且使各继电器闭锁, 避免误动作的 发生。另外, 在该模块中也设有状态指示信号灯。 控 制指示的控制信号来自 CPLD 模块内的状态锁存 器 , 而其状态字是由 CPU 模 块 所 提 供 的 , 在 单 片 机 发 出调频、 调压控制字的同时, 更新状态字, 再输出到 CPLD 模块并将其存于状态锁存器。 1.6 相角差显示模块 相角差显示模块是一个环形指示器, 由 30 个发 光二极管组成, 相位差的大小编码成为不同位置的发 光 二 极 管 的 使 能 信 号 。 CPLD 模 块 接 收 CPU 模 块 发出的代表相角差大小的 4 位编码, 通过 CPLD 内的 4 - 16 译码将 4 位编码译为发光二极管位置编码, 该 位置编码送入相角差显示电路中发光二极管阴极。 1.7 RS- 485 通信模块 RS- 485 通信模块的核心器件为 MAX485, 另外 还有光电耦合器和 DC- DC 变换器, 提供了良好的隔 离, 增强了抗干扰能力。采用工业用 485 通信接口, 可实现与上位机的半双工通信。

第 27 卷



结语

基于单片机和 CPLD 的同步发电机自动准同期 装 置 , 在 硬 件 方 面 , 使 用 AT89S52 单 片 机 内 部 的 看 门狗功能, 有效地节省了 I / O 端口, 简化了设计。 CPLD 的采用, 使系统大部分逻辑电路和时序电路被 低规模的集 集成到一个芯片中, 避免了使用大量中、 成 电 路 , 结 构 简 化 、 靠 性 提 高 。 EDA 技 术 使 得 硬 可 件设计变成了软件设计, 不仅简化了硬件设计的过程, 缩短了开发周期, 而且使得硬件方案可以灵活修改。 在软件方面, 采用结构化编程思想, 使得该装置的软 件结构清晰, 便于维护和修改。软件不仅实现了装 智 的 置的测频、 压和测相角, 而且实现了“ 能” 均 测 频、 压 功 能 。 同 时 , 提 供 了 便 捷 的 人 机 交 互 界 均 面, 使得 参 数设置简单、 活。该装置的整体设 灵 计 样 机 , 经 过 几个月的试运行, 各项功能稳定可靠。 参考文献:
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准同期装置软件设计 [ 14 - 15]

图 6 为软件总流程图。 软件设计采用模块化设计思想, 主要包括主程序, 初始化、 转换、 显示、 取键值、 延时、 脉冲生成、 相 AD 角差译码指示、 压判 电 开始 Y 断、 频率判断、 相角差判 是否参数设置? N 调用初始 断等子程序及中断服 参数处理 化函数 务程序。其中, 主程序 主要完成各子程序的 输出控制 键处理 调用、 码的识别、 键 数 故障判断 值处理等功能, 而中断 参数设 N 合闸判断 置结束? 服务程序完成对电网和 Y 发电机的频率及相角差 图 6 软件总流程图 的测量、 计算和监视, 实 Fig.6 Flowchart of software 现与 PC 机的通信。

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( 责任编辑: 柏英武) 作者简介: 张 晓 英 ( 1973 - ) , 女 , 四 川 仁 寿 人 , 讲 师 , 硕 士 , 主 要 研 究 方向为电力系统自动化( E - mail: zhxy_ jb@yahoo.com.cn ) ; 党存禄( 1964 - ) , 男, 甘肃秦安人, 高级工程师, 主 要 研 究 方向为电力电子与电气传动; 王树东( 1965 - ) , 男, 山东青岛人, 副教授, 主要 研 究 方 向 为电气自动化。

Design of gener ator automatic quasi - synchr onizing device based on micr opr ocessor and CPLD
ZHANG Xiao- ying, DANG Cun - lu, WANG Shu - dong ( Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050 , China ) Abstr act : Generator synchronization is an important and frequent operation in power station. In order to avoid great impact current, the differences of voltage magnitude, frequency and phase between two sides of the breaker must be in the range permitted, otherwise the frequency and magnitude of generator voltage should be adjusted. A generator quasi - synchronization device based on AT89S52 microprocessor and CPLD( Complex Programmable Logic Device) is studied. Its hardware includes eight modules and its software is structuralized. The device structure is simple, its reliability is high and the maintenance is easy. It measures the voltage magnitude, frequency and phase automatically and realizes intelligent frequency and voltage adjustments. Convenient HMI makes the parameter setting simple and flexible.
This pr oject is suppor ted by the Gansu Pr ovincial Youth and Middle - age Science Foundation ( ZS032 - B25 - 027 ) .

Key wor ds: automatic quasi - synchronization; AT89S52 microprocessor; CPLD; automatic measuring; intelligent frequency adjustment; intelligent voltage adjustment !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
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Application of embedding technology in networ king of ser ial - por t devices
XI Bo, FANG Yan - jun ( Department of Automation , Wuhan University, Wuhan 430072, China ) Abstr act : The electric devices with serial port are put under the management of embedded networking equipment in uCLinux embedded system environment to realize the data communication between serial bus and Ethernet. The designed system is composed of superordinate computer , serial - port devices ( intelligent instrument ) and embedded networking equipment , which applies 32 - bit S3C4510B processor with the core of ARM7TDMI. The system software includes data packet processing and forwarding, assignment scheduling at all levels, hardware device drivers and so on. The application software of embedded networking equipment includes man - machine interface , data processing, data package forwarding, network communication and so on. Network data communication adopts TCP ( Transfer Control Protocol ) , while low- priority data takes UDP ( User Datagram Protocol ) . The application of the designed system proves its effectiveness and reliability. Key wor ds: embedding technology; networking; serial - port device ; ARM; uCLinux


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