基于工業(yè)嵌入式發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器實現(xiàn)發(fā)電機(jī)故障錄波系統(tǒng)的設(shè)計

1. 引言

發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的重要組成部分，它的可靠運行對于保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要意義。發(fā)電機(jī)故障錄波裝置所記錄的數(shù)據(jù)為工作人員正確分析發(fā)電機(jī)故障原因，研究事故對策，及時處理事故提供了可靠的依據(jù)，同時，根據(jù)故障錄波數(shù)據(jù)還可以分析系統(tǒng)的故障參數(shù)、各電氣量的變化規(guī)律，進(jìn)行故障定位等，這些對于保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行起著十分重要的作用。可編程控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）作為工業(yè)控制專用的計算機(jī)，由于其結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)良，抗干擾性能好，可靠性高，在機(jī)械、化工、橡膠、電力等行業(yè)工業(yè)控制現(xiàn)場已日趨廣泛地得到應(yīng)用，成為工控現(xiàn)場進(jìn)行實時控制的最主要的控制裝置。本文介紹一種利用可編程控制器和擴(kuò)展模擬量模塊實現(xiàn)發(fā)電機(jī)故障錄波的方法。

2. 系統(tǒng)的組成和工作原理

系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示，由上位計算機(jī)和1套PLC測控系統(tǒng)組成。PLC通過外部變送器、互感器與發(fā)電機(jī)組相連，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓U、定子電流I為三相交流電，分別經(jīng)電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）轉(zhuǎn)換成三相100V、5A的二次信號，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流經(jīng)過分流器RS轉(zhuǎn)換成75mV信號，再經(jīng)過三相功率（含有功、無功）變送器、三相電壓變送器、直流電流變送器轉(zhuǎn)換成與其成比例的0～10V電壓信號后輸入到PLC的模擬量模塊。模擬量經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，然后根據(jù)互感器、變送器的變換比例計算出機(jī)端電壓U、轉(zhuǎn)子電流If、有功功率P和無功功率Q的等機(jī)組運行量。PLC每隔20毫秒采樣一次，每40毫秒將采樣的數(shù)據(jù)保存到故障數(shù)據(jù)區(qū)中。當(dāng)發(fā)生故障后，PLC記錄下故障發(fā)生以后的13秒數(shù)據(jù)，故障數(shù)據(jù)記錄過程結(jié)束。當(dāng)PLC接收到上位機(jī)發(fā)送來的傳送命令時，PLC將記錄的故障數(shù)據(jù)通過串口通訊傳送給上位機(jī)。上位機(jī)將數(shù)據(jù)完整的接收下來，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理顯示出機(jī)組運行量U、If、P、Q、Ug（電壓給定）在故障前7秒、后13秒的波形曲線，這樣就可以對發(fā)電機(jī)故障進(jìn)行分析了。在本系統(tǒng)中，PLC選用SIMATIC S7-226;模擬量模塊選用與S7-226配套的產(chǎn)品EM235LC與計算機(jī)之間通過PC/PPI電纜連接以串行方式進(jìn)行通訊。

圖1 發(fā)電機(jī)故障錄波系統(tǒng)框圖

3. 下位機(jī)程序設(shè)計

PLC屬于下位機(jī)，其程序共分為3個模塊，它們是初始化子程序、錄波子程序和通信子程序。以下將分別說明各模塊的設(shè)計思想。

3.1 初始化子程序

初始化子程序包括初始化自由口通信參數(shù)，設(shè)置接收命令RCV啟動和結(jié)束條件，數(shù)據(jù)指針賦初值，連接20ms采樣、接收和發(fā)送中斷。

3.2 錄波子程序

錄波子程序在20ms采樣中斷中調(diào)用，負(fù)責(zé)記錄機(jī)組運行量U、If、P、Q、Ug在故障前7秒、后13秒的數(shù)據(jù)。

在PLC中定義一個連續(xù)的數(shù)據(jù)區(qū)VW4000～VW8998，用來保存故障數(shù)據(jù)。每個運行量的數(shù)據(jù)占用1000字節(jié)的數(shù)據(jù)塊，地址分配如下，U：VW4000～VW4998 If：VW5000～VW5998 P：VW6000～VW6998 Q：VW7000～VW7998 Ug：VW8000～VW8998。

錄波子程序每隔40毫秒將采樣的數(shù)據(jù)送到各自的數(shù)據(jù)塊中。為每個數(shù)據(jù)塊定義一個數(shù)據(jù)指針，其初始值分別指向各數(shù)據(jù)塊的首地址。每傳送一次數(shù)據(jù)，各指針向下移動2字節(jié)。故障前7秒數(shù)據(jù)（350字節(jié)）是循環(huán)記錄的，即如果在故障到來之前數(shù)據(jù)已存滿，各數(shù)據(jù)指針將重新指向數(shù)據(jù)塊的首地址。定義指針index用來記錄20秒故障數(shù)據(jù)開始的位置。當(dāng)故障到來時，數(shù)據(jù)指針指向故障后13秒數(shù)據(jù)（后650字節(jié)），此時指針index將前7秒數(shù)據(jù)分為前后兩部分，正確的順序是將前后兩部分交換過來。當(dāng)后13秒數(shù)據(jù)記錄完后，錄波子程序結(jié)束。程序流程圖如圖2所示。

3.3 通信子程序

通信子程序負(fù)責(zé)與上位機(jī)通信，將存儲在數(shù)據(jù)區(qū)的故障數(shù)據(jù)通過串口分批傳送給上位機(jī)。上位機(jī)每發(fā)送一次傳送命令（用整數(shù)255表示），PLC在接收中斷程序中判斷收到的字符是否為傳送命令，如果是則將傳送命令標(biāo)志M6.0置位并且在主程序中調(diào)用通信子程序。

定義指針tran_pointer用來指向待傳送數(shù)據(jù)的首地址，其初值為&VW4000，即指向數(shù)據(jù)區(qū)首地址。定義變量count用來記錄傳送的次數(shù)。在通信子程序中，首先停止自由口的接收，然后將以指針tran_pointer為首地址，大小200字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送緩沖區(qū)中，接著用發(fā)送命令通過串口發(fā)送出去。每發(fā)送一次數(shù)據(jù)，將指針tran_pointer向下移動200字節(jié)，變量count值加1， M6.0復(fù)位。當(dāng)上位機(jī)發(fā)送完第26次傳送命令時，PLC中數(shù)據(jù)區(qū)VW4000～VW8998的5000個字節(jié)已發(fā)送完畢，再將額定電壓、額定電流、額定有功功率、額定無功功率和指針index發(fā)送出去， count值清零，指針tran_pointer重新初始化，M6.0復(fù)位。至此，一次完整的故障數(shù)據(jù)傳送過程結(jié)束。

圖2. 錄波子程序流程圖

4. 上位機(jī)程序設(shè)計

上位機(jī)程序設(shè)計是以Visual Basic 6.0 為平臺，利用MS Comm控件，以事件驅(qū)動方式實現(xiàn)計算機(jī)與PLC之間串行通訊，完成數(shù)據(jù)間的交換。上位機(jī)程序包括用戶界面設(shè)計、通訊和數(shù)據(jù)處理程序、顯示程序等。

4.1 用戶界面設(shè)計

本系統(tǒng)中，設(shè)計了兩個窗體（Form1和Form2）。其中Form1為主界面，F(xiàn)orm2為波形顯示界面。在Form1中設(shè)計了一個MSComm控件、一個定時器控件（Timer1）和兩個按鈕控件（Command1和Command2）。其中Command1是開始按鈕，即按下時開始和PLC通訊，讀取其中的數(shù)據(jù)。Command2是顯示按鈕，即按下時調(diào)用窗體Form2，顯示每個運行量的波形曲線。在Form2中設(shè)計了一個圖片框控件（Picture1），用來顯示圖形。

4.2 通訊和數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計

設(shè)置Timer1 的Interval屬性等于500，MSComm的InputMode屬性為二進(jìn)制方式，RThreshold屬性等于5010。定時器每隔500毫秒發(fā)送一次傳送命令，當(dāng)發(fā)送到第26次時，關(guān)閉定時器，這時接收緩沖區(qū)將收到5010個字節(jié)的數(shù)據(jù)并觸發(fā)MSComm的OnComm事件。在OnComm事件子程序中，將接收緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)依次分配到全局?jǐn)?shù)組U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data中，再根據(jù)各運行量的額定值計算出百分比值。各個數(shù)組的前350字節(jié)需要根據(jù)指針I(yè)ndex進(jìn)行調(diào)整，具體方法是將數(shù)組下標(biāo)范圍Index～349的數(shù)據(jù)移到前面，下標(biāo)范圍1～I(xiàn)ndex-1的數(shù)據(jù)移到后面。

4.3 顯示程序設(shè)計

在窗體Form2的裝載事件Form_Load中編寫圖形顯示程序。首先在圖片框控件Picture1中設(shè)置自定義坐標(biāo)系。設(shè)置ScaleMode屬性值等于3，即以象素為度量單位。然后在該坐標(biāo)系下畫出坐標(biāo)軸。X軸以秒為單位，曲線上兩點間的時間間隔是40毫秒，換算成象素等于1.47。Y軸以百分比為單位，每個單位刻度換算成象素等于2.1。最后根據(jù)數(shù)組U_data、If_data、P_data、Q_data和Ug_data分別畫出相應(yīng)運行量的波形圖。以機(jī)端電壓波形為例，給出編寫的程序如下：

Picture1.DrawWidth = 1 ‘線寬為1

Picture1.CurrentX = 0 ‘指定當(dāng)前坐標(biāo)的位置

Picture1.CurrentY = U_data（0） ＊ 2.1

For i= 1 To 499 ‘畫出曲線

Picture1.Line -（1.47 ＊ i， U_data（i） ＊ 2.1）， vbBlue

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5. 系統(tǒng)的運行與實驗結(jié)果

在系統(tǒng)運行前，要對PLC的通訊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，包括波特率、校驗方式、數(shù)據(jù)位位數(shù)和停止位位數(shù)等，此設(shè)置要和上位機(jī)一致。在S7-226中使用自由口模式和上位機(jī)進(jìn)行串口通信時，可以通過特殊寄存器SMB30（端口0）或SMB130（端口1）來設(shè)定。下面以發(fā)電機(jī)空載停機(jī)實驗為例說明系統(tǒng)的運行過程。

當(dāng)發(fā)電機(jī)在正?？蛰d下停機(jī)時，PLC檢測到停機(jī)信號，將故障標(biāo)志置位，然后記錄下停機(jī)后13秒的數(shù)據(jù)。運行上位機(jī)程序，在主界面上按下“傳送”按鈕后，上位機(jī)開始讀取PLC中數(shù)據(jù)。等到程序提示“數(shù)據(jù)傳送完畢”后，按下“顯示”按鈕，將彈出“波形顯示”窗口如圖3所示。從圖中可以看出，該曲線較好的反映了發(fā)電機(jī)停機(jī)前后機(jī)端電壓、勵磁電流的變化。

圖3 波形顯示窗口

6. 結(jié)束語

此系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于中、小型同步發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)中，通過發(fā)電機(jī)的動態(tài)模擬實驗和實際中的應(yīng)用來看，該系統(tǒng)性能可靠、操作方便、界面友好，能夠較好地滿足電力系統(tǒng)對于故障記錄、故障分析的需要。

一般情況下，采用微機(jī)控制或以微處理器為內(nèi)核的工業(yè)嵌入式發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器較容易實現(xiàn)發(fā)電機(jī)運行參量的故障錄波，采用PLC作為發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的硬件平臺，具有應(yīng)用成本低、運行可靠性高但程序設(shè)計難度大的特點，其內(nèi)部成功地嵌入發(fā)電機(jī)重要運行參量的故障錄波具有較大的實用價值，尤其適用于目前大量開發(fā)的中小型水力發(fā)電站的水輪發(fā)電機(jī)組，對于保證發(fā)電機(jī)組的安全、穩(wěn)定、可靠運行具有重要的意義。

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