电力系统智能稳定器PSS的毕业设计(DOC)

中国地质大学（北京）

现代远程教育

专科实习报告题目电力系统智能稳定器PSS的设计

学生姓名刘浩批次1403

专业电气工程及其自动化学号1419011910068 学习中心知金北京学习中心

2016年 3 月

摘要

随着社会的发展,电力系统的规模也在不断的扩大,重负荷远距离输电线路也在不断的增多,快速励磁系统以及快速励磁调节器得到普遍运用,这些都使得电力系统低频振荡问题日益突出,因此研究低频振荡问题对电力系统稳定产生的影响也日渐重要。发电机励磁控制向来是受人们关注的保障电力系统稳定运行的重要手段。在此背景下,人们采用电力系统稳定器(Power System Stabilizers,即PSS)作为励磁系统的附加控制。在发电机的励磁系统中，电力系统稳定器是其重要的组成部分。它直接影响发电机的运行特性，对电力系统的安全稳定运行有着重要的影响。电力系统规模的不断增大，系统结构和运行方式的日趋复杂，对发电机电力系统稳定器运行的可靠性、稳定性、经济性和灵活性提出了更高的要求。本文正是根据这些要求以及电力系统稳定器的国内外发展趋势，研究和设计了以TMS320F2812芯片为控制核心的电力系统稳定器。基于TMS320F2812的电力系统稳定器能够在较大的电力系统运行范围内向系统提供充分的阻尼，抑制低频振荡，提高系统的稳定性。

关键词：电力系统稳定器低频振荡 TMS320F2812 移相触发

ABSTRACT

With the development of the society, the size of power system is expanding.Heavy-load and long-distance transmission lines are increasing constantly , and the fast excitation system and A VR are widely used. All the development makes the problem of Power System Low Frequency Oscillation more and more significant .Therefore, it is important to study on how the low frequency oscillation in fluence, the power system stability.Excitation control has always been an important means of attention to the protection of power stability of the system. In this context, it is the power system stabilizer (Power System stabilizers PSS) as an additional control of the excitation system.The generator excitation system, excitation controller is an important part. It affects the operation characteristics of generator directly and is very important to safe and stable operation of the power system. With the increasing power of the large scale of the system and the system structure and operation mode of increasingly complicated, the power system requires that the generator excitation controller has higher reliability, stability, economy and flexibility. According to the these requirements, as well as the development trend both here and abroad, this paper researches and designs excitation controller of generator by TMS320F2812 chip as the control center.within the limits of the system to provide adequate damping power system stabilizer based on TMS320F2812suppress low-frequency oscillation and improve the stability of the system.

KEYWORDS:power system stabilizer Low-frequency oscillation MS320F2812 Phase-shift trigger

目录

1 引言 (7)

1.1 电力系统稳定器 (7)

1.2 电力系统稳定器国内外研究现状 (7)

1.3 电力系统稳定器发展趋势 (8)

1.4 本课题研究意义 (8)

2 电力系统低频振荡机理 (3)

2.1 电力系统低频振荡 (3)

2.2 电力系统数学模型分析方法 (4)

2.3 电力系统低频振荡分析模型 (5)

2.4 影响阻尼的因素及解决措施 (6)

3 电力系统稳定器的工作原理 (8)

3.1 电力系统稳定器抑制低频振荡的原理 (8)

3.2 电力系统稳定器的输入信号 (9)

3.3 PSS的传递函数 (9)

4 电力系统稳定器的结构 (16)

4.1 电力系统稳定器的结构图 (16)

4.1.1TMS320F2812芯片介绍 (11)

4.1.2TMS320F2812 引脚介绍 (11)

4.2 模拟量输入通道 (17)

4.2.1 交流信号采集调理电路 (19)

4.2.2 直流信号采集调理电路 (20)

4.2.3 ADC采样模块 (20)

4.3 开关量输入输出单元 (21)

4.3.1 开关量输入通道 (22)

4.3.2 开关量输出通道 (23)

4.4 同步检测及移相触发单元 (17)

4.4.1 同步信号的检测 (18)

4.4.2 移相脉冲的形.. (19)

4.4.3 脉冲功率放大电路 (19)

4.4.4脉冲故障检测单元 (26)

4.5 其它硬件模块 (28)

5电力系统稳定器的软件设计 (29)

5.1电力系统稳定器软件总体设计思想 (29)

5.2 主程序设计 (29)

5.2.1 系统初始化模快 (29)

5.2.2 电量计算模块 (24)

5.2.3 控制调节模块 (27)

5.2.4限制保护模块 (29)

5.3 中断程序设计 (37)

5.3.1 同步信号捕获中断 (37)

5.3.2 移相脉冲中断 (33)

5.3.3 AD转换完成中断 (37)

5.4 软件可靠性设计 (38)

结论 (39)

致谢 (42)

参考文献 (43)

引言

1.1 电力系统稳定器

电力系统稳定器（power system stabilizer，PSS）是一种安装在发电机自动电压调节装置上用于改善电力系统动态稳定性的附加励磁控制装置。它在励磁电压调节器中引入领先于轴速度的附加信号，产生一个正阻尼转矩去克服原励磁电压调节器中产生的负阻尼转矩作用，用于提高电力系统阻尼和解决低频振荡问题，是提高电力系统动态稳定性的重要措施之一。PSS抽取与此振荡有关的信号，如发电机有功功率、转速或频率，加以处理，产生的附加信号加到电力系统稳定器中，使发电机产生阻尼低频振荡的附加力矩。

1.2 电力系统稳定器国内外研究现状

近年来，随着电力系统发展到大电网、大机组、超高压、高度自动化的阶段以及微电子技术、计算机技术及控制技术的迅猛发展和日趋成熟，使得电力系统稳定器的研究和设计成为一个非常活跃的领域。

我国电力系统稳定器的研究和设计比较早，80年代初就有一些电力科研单位和高校开始研制电力系统稳定器[4][8]。第一台投入现场运行的是南京自动化研究所(现国电自动化研究院)研制的适用于大中型发电机的WLT-1型电力系统稳定器，WLT-1型电力系统稳定器以8位单板机为核心，采用PID调节方式。福州大学于1990年研制出SMER-C型微机电力系统稳定器，采用8位8051单片机，具有多种调节、控制和限制功能，用于福建省内的大部分中小型发电机组。中国电力科学研究院与南京自动化设备厂合作研制的WKKL-1型微机双自动电力系统稳定器选用16位工业控制机CCSDK-86，在控制规律上以PID调节为主，同时引入了电力系统稳定器（PSS）附加控制。清华大学与哈尔滨电机厂合作，研制了全数字式电力系统稳定器，采用STD总线结构或8098单片机结构，控制规律采用PID调节方式、PSS附加控制、线性最优励磁控制（LOEC）和非线性励磁控制（NEC），四种调节规律具备完善的保护、限制、报警功能。华中科技大学与东方电机股份公司和葛洲坝电厂能达通用电器有限公司合作，开发研制了线性最优和自适应最优微机电力系统稳定器。经过多年的努力，国内的一些院校、研究所和公司在电力系统稳定器的设计、生产和运行方面已经积累了丰富的经验，电力系统稳定器的优良性能在实际生产运行中也日益显示出来。

国外的电力系统稳定器进入实用也是在20世纪80年代，1989年7月日本东芝公司在日本八户发电所投运了双微机系统的数字式电力系统稳定器；1990年5月加拿大通用电器公司(CGE) 也开发出了电力系统稳定器；1993年日本三菱公司投运了MEC5000型系列微机电力系统稳定器。此外，奥地利ELIN公司、德国SIEMENS公司、英国的GEC公司等也都相继生产出微机电力系统稳定器。这些大公司均具有很强的科研开发能力，电力系统稳定器所用的计算机系统一般以专用的高速可编程控制器为核心，采用自行研制的专用控制板组成，因而具有结构紧凑，可靠性高的优点。其中，瑞士ABB公司的UNTROL- D型多微机电力系统稳定器在我国石洞口电厂、李家峡电厂等得到使用；三峡700MW机组的电力系统稳定器由德国SIEMENS公司提供；加拿大CGE公司生产的SILCO双通道型微机电力系统稳定器安装在我国隔河岩水电站的进口机组上。这些电力系统稳定器多采用PID+PSS控制，各种控制、限制功能较完善，装置整体制造水平也较高。

从整体上看，我国在电力系统稳定器的控制算法方面处于国际的先列，所开发的电力

系统稳定器的功能也非常强大，但装置所选用的元器件的可靠性以及生产制造工艺水平与国外相比还存在一定的差距。

1.3 电力系统稳定器发展趋势

随着我国三峡水电站的竣工和我国西部煤炭资源的利用和开发出现了西电东输的要求，从减少大气污染这个角度看也需要发电厂远离城市，这就造成了远距离重负荷输电的局面，电力系统稳定器（PSS）的发展和应用显得更为重要！

电力系统稳定器（PSS）也将朝着更智能，硬件结构更简单，互换性好，使用维护更简单易行的方向发展

1.4 本课题研究意义

电力系统的稳定问题是电力系统的根本问题。电力系统发展初期，系统的结构相对简单松散，其静态稳定问题通常表现为发电机与系统之间的非周期失步。随着电力系统的不断扩大，出现了大型电力系统的互联，系统联系因此变得越来越紧密，整个电力系统也变得越来越复杂。系统的静态稳定问题由此常表现为发电机组之间的功率动态振荡，特别是在互联系统的联络线上，这种振荡的表现更为突出。由于这种振荡的频率较低，一般在0.2-2.SHz 之间，因此通常称之为低频振荡。其振荡时产生的能量通过机电联系来传递，因此又称为机电振荡，表现为发电机电功率和功角的变化。低频振荡严重时会导致系统解列或失去稳定，是大型电力系统互联引起的最重要的影响系统稳定的问题之一自20世纪70年代以来，美国、日本及西欧等电力系统在运行中均发生输电线路低频功率振荡的事故，振荡严重时破坏互联系统之间的并列运行，造成联络线跳闸引发大面积停电。近十多年来，我国各大电网也相继发生了联络线低频振荡的现象所以为了解决低频振荡给电力系统带来的危害，研究电力系统稳定器是很有必要的。

2 电力系统低频振荡机理

2.1 电力系统低频振荡

由于电力系统规模的扩大，大型发电机普遍采用了由集成电路和可控硅组成的电力系统稳定器，使自动电力系统稳定器的时间常数从过去的几秒缩短到几十毫秒。快速励磁系统(晶闸管直接励磁或高起始响应励磁系统)的广泛采用，更使得励磁系统时间常数大为减小，从而降低了电力系统的阻尼。对联系较弱的电网系统影响较大，使系统中经常出现弱阻尼、甚至是负阻尼。因此，许多电力系统出现了每分钟几个至几十个周波的频率很低的自发性系统振荡。在这种情况下，当振荡严重时会破坏互联系统之间的并列运行，造成大面积停电，这种现象称为低频振荡。

在低频振荡研究领域世界各国的专家学者提出了一些不尽相同的低频振荡产生机理，主要的观点有以下几种[23]：

（1）欠阻尼原理

在对低频振荡的分析中，负阻尼机理相对来说是比较成熟的理论，得到学界的广泛认可[20]。负阻尼机理是由学者F.Demello提出的，按照F.Demelfo的分析，励磁系统是一个惯性系统，如果电力系统稳定器的放大倍数有所增加，就可能会造成对应转子机械振荡的特征根实部从小于零的负值渐渐上升。这样的情况下，再加上电力系统稳定器放大倍数过大的不利条件，特征根实部甚至有可能达到正值，进而使得系统发生增幅振荡。所以，也可将低频振荡的原因理解为励磁系统放大倍数过大引起了负阻尼增大，甚至将系统原先固有的正阻尼抵消了，使系统呈现出负阻尼状态或者阻尼极小。这样的系统在扰动出现的时候，就不能使扰动很快平息，反而会出现引起系统振荡的增幅振荡。负阻尼机理是一种经过多年的研究完善以及实践检验的机理，可说是一种公认的理论。

（2）发电机的电磁惯性引起的低频振荡

文献[24]指出由于发电机励磁绕组具有电感，则由励磁电压在励磁绕组中产生的励磁电流将是一个比它滞后的励磁电流强迫分量，而这种滞后的控制在一定条件下将引起振荡。这种电磁惯性引起的低频振荡的产生条件目前还无定论，这一方向正处在研究阶段。

（3）参数谐振

电力系统受到外界周期性扰动，当扰动频率与系统的自然频率存在某种特殊关系时，会产生谐振振荡，当其处于低频区时表现为低频振荡。

（4）非线性奇异现象(分歧现象)

电力系统的分歧有静态分歧和动态分歧两种情况，文献[14.15]根据动态分歧中的Hopf 分歧理论指出系统在临界点附近发生亚临界分歧的条件是临界点处的曲率系数β>0，从而系统的动态行为出现了奇异，即特征根仍在虚轴左侧时系统就开始出现不稳，出现了增幅性的低频振荡，此时稳定域由于亚临界分歧的出现而变小，不稳定区域扩到了左半平面；系统的稳定域变小。

(5) 混沌振荡机理

文献[25]中指出，混沌现象是在完全确定的模型下产生的不确定现象，它是由非线性系统中各个参数相互作用而导致的一种非常复杂的现象，目前人们只是感性的认识到混沌现象的一些典型特征。文献[26]针对低频振荡的参数进行分析得出了以下结论：(l)仅有阻尼而无周期性负荷扰动时，系统不会出现混沌振荡；(2)在周期性扰动负荷的作用下，且当扰动负荷的值超过一定范围时，系统出现混沌振荡；(3)在周期性负荷扰动下，当阻尼系数接

近某一数值时，系统发生混沌振荡。

上面的几种观点都从某一方面揭示了低频振荡的发生机理，欠阻尼原理研究的最早也最成熟，这主要得益于线性系统理论的成熟，目前已经形成了一套比较完整的理论体系，并在工程上得到实际应用。谐振理论主要是在设计和制造时加以考虑分歧现象主要用于低阶单变量系统，高阶多变量非线性系统的稳定分析目前在理论上还没有得到很好的解决，主要是通过数值分析来判断。混沌理论目前还停留在做理论上的探讨，在工程中目前难以应用。

2.2 电力系统数学模型分析方法

到目前为止，电力系统低频振荡的分析方法大致上可以分为两大类：一类分析方法是在建立电力系统全阶数学模型后，对该数学模型进行分析，即是基于理论的研究方法；而第二类方法则是对系统进行实际测量，然后再对实际测量得到的信号进行分析，即是基于实验的研究方法[21]。

就这两类方法来说，第一类方法只有建立了电力系统的全阶数学模型才能使用，而电力系统的全阶数学模型往往不易建立，因此这类方法会受到一定限制。基于电力系统数学模型的分析方法主要有以下几种：

(1）特征根分析法：特征根分析法也可称为复频域法，特征根分析法是指对电力系统状态方程的特征根进行计算，并据此获得电力系统的所有振荡模式，然后对特征根灵敏度和特征向量进行分析和计算，还能过得更多有关振荡的信息。QR方法可以用于求解低维矩阵的特征值，也曾被用来求解电力系统的特征值，但是在目前阶数常常达到上万的电力系统状态方程中己经显得不那么有用了，取而代之的研究热点是降阶方法。隐式重启动Amoldi算法也可以被用于计算大型电力系统机电模式特征值，隐式重启动Amoldi算法可以在大型电力系统中计算出特征值，且具有收敛迅速，可靠性高的优点[24]。

(2) 时域仿真法：这种方法是将全系统模型通过各个元件的模型在系统中所表现出来的拓扑关系建立，再将系统的稳态值和系统的潮流解作为运算的初始条件，解出系统状态量以及代数量随着时间变化的曲线，最后根据得出的曲线来对系统进行分析。时域仿真法分析的基础是经过仿真计算得出的系统时域曲线，其优势在于不受系统规模限制，缺点在于由研究人员自己设定的扰动未必能使研究工作获得全部振荡模式。同时该方法消耗较多计算资源，但是获得的必要信息量不大。

(3) 频域分析法：AESOPS方法在此类方法中极具代表性，AESOPS方法也属于部分特征值法。它是通过迭代计算得到系统在机电模式下的特征根，但只计算部分能对系统稳定性有重大影响的特征值。使用传递函数矩阵描述系统，通过代数方程代替微分方程描述输入输出关系。这样得到的传递函数矩阵维数远远小于状态矩阵维数，避免了。维数灾。。

(4) 正规形理论分析法：所谓正规形方法是指某种转换非线性方程到线性形式的方法，该方法可以从一定程度上描述出系统特性：比如某状态量与某些振荡模式间的关系，而计及非线性，会发生什么变化等等。该方法可与特征根法结合使用。另一类基于实验数据对低频振荡进行分析的方法，其具体含义就是对实际测量所得到的数据进行分析，从而得到所研究问题的物理特征，再根据这些特征提出理论假设，最后用实验对提出的理论假设进行检验不过电力系统非常特殊，实验过程中应该以不对电力系统的正常运行造成影响为原则，因此在电力系统运行时，现场往往会配备许多设备进行在线实时观测。每当系统出现了异常情况，如扰动等等，这些现场设备就会把扰动情况和系统输出情况等记录下来，以备后来的研究所用。这些真实有效的实验数据非常宝贵，它们对我们检验理论假说提出理论假说的研究工作十分重要。现场实际测量得到的数据可以帮助研究人员确定系统的振荡频率和振荡模式，有了这些分析结果，就能进一步对系统阻尼等问题进行定量分析。如果从实际测量得到的数据

中再采样各点特征，将不涉及系统的参数阶数等问题，并且这样得出的分析结果具有如实反映系统状态的特点。目前有很多数学方法用于对低频振荡特征进行分析，例如实时快速傅里叶变换(FFT)算法，wiener一Hopt线性预测法，MatrixPeneil法等等[27]。在各种方法中，主要被使用的还是Prony方法。此方法以实验为研究基础，又与理论结合进行分析，是一种具有科学态度的有效方法，为低频振荡的研究提供了有力的工具。

2.3 电力系统低频振荡分析模型

图

2

-1单机无穷大系统

图2-1为单机无穷大系统的示意图，在研究同步发电机电磁转矩时，一般将电磁转矩分解为两个分量，即同步转矩分量和阻尼转矩分量。同步转矩与发电机转角增量Δδ同相位，阻尼转矩与发电机转子转速增量Δω同相位。如果同步转矩不足，将发生滑行失步；阻尼转矩不足，将发生振荡失步。

低频振荡的研究涉及到同步发电机的数学模型。考虑有阻尼转矩作用的转子运动方程式，励磁绕组的方程式以及自动电压调节器的基本方程式，经过对这些方程式线性化后可以得到用于研究低频振荡的同步发电机的完整模型，如图2-2所示。图中的上半部分为转子运动方程式的机械回路，下半部分为电力系统稳定器及系统的电气回路。机械回路转矩增量ΔTω-ΔT e作为输入，转矩角度增量Δδ作为输出；M为发电机转子惯性时间常数，D为阻尼系数，ω0为同步转速。

电气回路的输入为附加励磁控制U E与机端电压增量ΔU t，之差，而输出为发电机内部的暂态电势增量ΔE q，该暂态电势的增量乘以常数K2(即K2/ΔE q)变为电气转矩ΔT e的一部分，ΔU t由K5Δδ占和K6ΔE q。两个分量组成。传递函数环节中T A和K A分别表示电力系统稳定器和励磁机系统的时间常数和总的放大倍数.T d0和K3分别表示转子励磁回路的有效时间常数和放大倍数。

图2-2单机无穷大系统传递函数框图

图2-1所示的同步发电机低频振荡模型写成矩阵形式为

???????????????????'???????????????---'-'-'----=???????????????????'???????fd q A A A A A d d d fd q E E T K K T K K K T K M K M K M D E E δωωδω101)1000006503004021(2-1)

???

?????-+-????????????++++??????=??????0''00''

0'0

021)()(01cos sin 0d d q q q d q d q d q I X X E I X X X X X X U X X U I K K δδ(2-2)

=3K 'd d X X X X ++,4K =0''sin )(δd d d d X X U X X +- (2-3)

????????????-????????????++++??????????=??????0000''

0'0006501cos sin 0t d q t q d d q d t q U U X U U X X X X X U X X U U U K K δδ (2-4)

式(2-l)是在系统某一典型运行点线性化后得到的，(2-2)和(2-4)式中的带下标0的标量表示系统典型运行点的数值，电力系统低频振荡的原因用图2-2的方框图可以得到解释。

2.4 影响阻尼的因素及解决措施

影响系统阻尼的因素很多，包括电力系统的运行方式、负载情况、网络结构、发电机

励磁机参数，都能影响到电力系统的阻尼。

(l) 运行方式的影响

当有功负荷较大，并且在电容性负荷情况下时，阻尼转矩变为负阻尼，容易发生统低频振荡。另外，联络线负荷增大，功角增大，阻尼减弱。所以低频振荡都在联络线功率较大时发生。一旦发生低频振荡，应该首先限制联络线输送的功率。如果发电机多送感性无功负荷，功角会减小，阻尼将增大，有利于电力系统稳定。

(2) 网络结构的影响

网络结构的强弱对电力系统的阻尼有很大影响：当电源与系统联系较弱时，系统等值电抗x越大，功角石越大，阻尼转矩越小，严重时甚至成为负值，容易产生负阻尼和振荡失步。加强系统结构虽然可以防止弱阻尼，但需要增加联络线或加强系统电网联系这样会使投资费用增大。而且随着电力系统电网的不断发展，原有弱联系电网加强后，又可能变成新的弱联系电网。

(3) 励磁机的影响

当δ较大时，K5为负，自动电力系统稳定器将提供负阻尼。当励磁机放大倍数K A在一定范围内增大时负阻尼将会增大。另外，励磁时间常数K A及转子绕组时间常数T d0越小，负阻尼越大。

（4) 调速器的影响

调速器对系统阻尼的影响一般没有自动电力系统稳定器明显。但是，当采用快速的电液调速器时，对振荡频率较低的低频振荡会产生一定的影响。

3 电力系统稳定器的工作原理

3.1 电力系统稳定器抑制低频振荡的原理

电力系统稳定器是通过采用转速偏差、频率偏差、电功率偏差、加速功率偏差这几个信号中的一个或者几个信号作为自动电力系统稳定器(AER)的附加输入，使得系统中产生正阻尼转矩，以提高电力系统的静态稳定性，从而达到抑制低频振荡的目的。

图3-1 PSS控制框图

图3-2 PSS控制向量图

电力系统稳定器的作用主要是假借加强发电机励磁控制的方法达到加强对系统振荡的阻尼的效果，借此使电能传输的稳定极限上升。如果系统对振荡的阻尼太弱，那么系统的输电能力在弱系统条件下就会被限制。所谓的弱系统条件就是指远距离发电厂需要经长距离线路送电或者是连接大区域的联络线相对较弱的系统条件。所以，电力系统稳定器的性能只能以其增加这种弱系统阻尼的能力来进行评价。图3-1，3-2为电力系统稳定器的控制框图和向量图。励磁系统为滞后单元，它由励磁机迟后角只和发电机磁场回路迟后角典组合而成，要是用GES(s)表示ΔP e/Δδ的传递函数，可从图3-1得出[16，17]：

（2-5）

因为GES(s)的迟后作用，如果K5小于零，此时电磁转矩劫岔。就会位于第四象限，在Δω轴上的投影为负，因此出现了使得系统阻尼为负的不稳定现象。倘若在励磁系统的相加点输入一个和Δω同相位的信号，就会产生一个正的、位于第一象限的，几乎与Δω同相位的电磁转矩ΔM ep，如图2-4所示。ΔM e与ΔM ep相量相加得到总的电磁转矩ΔM e，ΔM e位于第一象限，其在Δω上的投影变为正，这表明负阻尼转矩得到了有效补偿，电力系统稳定性得以提高。

3.2 电力系统稳定器的输入信号

(1) Δω为输入信号

对于以Δω为信号的电力系统稳定器，应该在发电机所带的负荷最重、电网联系最强时设计PSS参数。但是，当网络出现弱联系时，PSS提供的正阻尼作用反而减弱，而此时，电力系统正需要正阻尼，这一矛盾，需要采用别的控制信号或采用自适应控制方法来解决。另外，由于噪声以及发电机组本身扭动振荡频率都很高，而以Δω为输入信号的PSS使用的是超前网络，超前网络在高频时放大倍数会增大，所以，对发电机组轴扭动振荡极为敏感，使扭动振荡现象更为加重。因此必须采用窄频带的滤波器，以阻止扭振频率信号经PSS放大以后与发电机发生谐振。

(2) ΔP e为输入信号

以发电机输出电功率峨作为PSS输入信号，检测方便，所需的超前角度小，稳定性好，己得到广泛的采用，但是存在着反调现象。当电力系统发生低频功率振荡时，发电机输出电功率增加，PSS输出负值会使励磁电流减小，从而减小了发电机输出电功率，发挥了阻尼振荡的作用。但是，当调节原动机使机械功率增加时，发电机输出电功率也会增加，此时，PSS 会使励磁电流减小，这对电力系统静态稳定是不利的，这就是反调现象。以发电机输出电功率为输入信号的PSS对汽轮机和水轮机反调作用的影响是有差别的。对于水轮发电机，由于机械功率变化速度较快，反调影响较大，需要在改变原动机功率时，瞬间闭锁PSS输出信号。而对汽轮发电机，由于机械功率变化速度较慢，反调现象影响不大。

(3) Δ?为输入信号

PSS的Δ?信号通常取自发电厂母线，由于在暂态过程中在系统各点的叮是不同的，在单机无穷大系统中，好的分母特性基本上与电压沿线的分布是一致的，因此当系统的联系减弱时，以发电厂母线Δ?为信号的PSS对发电机转子角频率的灵敏度反而增加，恰好补偿了系统联系减弱时传递函数增益的减小，因此以Δ?为信号的PSS在发电机负荷及系统联系均在中等水平时调整，不必担心在系统联系增强时会导致增益过大。

(4)加速功率(P m-P e)为输入信号

它具有电功率输入信号的优点，不存在反调现象问题，但需要增加机械功率P m为输入信号。水轮发电机组可以取水门开度作为机械功率的信号，汽轮发电机组可以取气门开度为机械功率的信号。

3.3电力系统稳定器的传递函数

以Δω为输入信号的PSS传递函数框图如图2-5，PSS一般由放大环节，复位环节，相位补偿环节，限幅环节组成，其输出作为励磁附加信号。

图3-3 PSS传递函数框图

主要环节的作用如下：

放大环节：确保ΔT*e有足够的幅值。

复位环节：在过渡过程中使动态信号顺利通过，从而使PSS只在动态中起作用。

相位补偿环节：补偿T′d0及T E引起的相位滞后，以便使附加力矩ΔT*e和Δω同相位。由1～3个超前环节组成，一个超前环节最多可校正300～400。

限幅环节：防止大干扰时PSS的输出量对发电机端电压扰动过大而对PSS的输加以限制。

4 电力系统稳定器的结构

4.1 电力系统稳定器的结构图

电力系统稳定器硬件是整个励磁系统的关键，本论文的设计侧重基于电力系统稳定器的需求和发展趋势，充分利用所选32位DSP芯片TMS320F2812丰富的外设资源，完成电力系统稳定器各模块的硬件设计。本文设计的电力系统稳定器主要包括：模拟量输入通道、开关量输入输出单元、同步测频单元、移相触发单元、脉冲故障检测单元等。其硬件总体结构框图[8]如图4-1所示：

图4-1 电力系统稳定器的结构

4.1.1 TMS320F2812 芯片介绍

德州仪器所生产的TMS320F2812 数字讯号处理器是针对数字控制所设计的DSP，整合了DSP 及微控制器的最佳特性，主要使用在嵌入式控制应用，如数字电机控制(digital motor control, DMC)、资料撷取及I/O 控制(data acquisition and control, DAQ)等领域。针对应用最佳化，并有效缩短产品开发周期，F28x 核心支持全新CCS环境的C compiler，提供C 语言中直接嵌入汇编语言的程序开发介面，可在C 语言的环境中搭配汇编语言来撰写程序。值得一提的是，F28x DSP 核心支持特殊的IQ-math 函式库，系统开发人员可以使用便宜的定点数DSP 来发展所需的浮点运算算法。F28x 系列DSP预计发展至400MHz，目前已发展至150MHz 的Flash 型式。

4.1.2 TMS320F2812 引脚介绍

TMS320F2812引脚详细分析XINTF信号XA[0]~XA[18] --- 19位地址总线

XD[0]~XD[15] --- 16位数据总线 XMP/MC` --- 1 -- 微处理器模式 --- XINCNF7有效--0-- 微计算机模式 --- XINCNF7无效 XHOLD` --- 外部DMA保持请求信号。XHOLD为低电平时请求XINTF释放外部总线，并把所有的总线与选通端置为高阻态。当对总线的操作完成且没有即将对XINTF进行访问时，XINTF释放总线。此信号是异步输入并与XTIMCLK同步XHOLDA`---外部DMA保持确认信号。当XINTF响应XHOLD的请求时XHOLDA呈低电平，所有的XINTF 总线和选通端呈高阻态。XHOLD和XHOLDA信号同时发出。当XHOLDA有效(低)时外部器件只能使用外部总线XZCS0AND1`--- XINTF区域O和区域1的片选，当访XINTF 区域0或1时有效(低) XZCS2`--- XINTF区域2的片选，当访XINTF区域2时有效(低) XZCS6AND7`--- XINTF区域6和区域7的片选，当访XINTF区域6或7时有效(低)XWE`---写有效。有效时为低电平。写选通信号是每个区域操作的基础，由XTIMINGX寄存器的前一周期、当前周期和后一周期的值确定 XRD` --- 读有效。低电平读选通。读选通信号是每个区域操作的基础，由xTIMINGX寄存器的前一周期、当前周期和后一周期的值确定。注意：XRD`和XWE`是互斥信号 XR/W` --- 通常为高电平，当为低电平时表示处于写周期，当为高电平时表示处于读周期XREADY --- 数据准备输入，被置1表示外设已为访问做好准备。XREADY可被设置为同步或异步输入。在同步模式中，XINTF接口块在当前周期结束之前的一个XTIMCLK时钟周期内要求XREADY有效。在异步模式中，在当前的周期结束前XINTF接口块以XTIMCLK的周期作为周期对XREADY采样3次。以XTIMCLK频率对XREADY的采样与XCLKOUT的模式无关 JTAG和其他信号 X1/XCLKIN --- 振荡器输入／内部振荡器输入，该引脚也可以用来提供外部时钟。C28x能够使用一个外部时钟源，条件是要在该引脚上提供适当的驱动电平，为了适应1.8V内核数字电源 (VDD)，而不是3.3V的I/O电源(VLDIO)。可以使用一个嵌位二极管去嵌位时钟信号，以保证它的逻辑高电平不超过VDD(1.8V或1.9V)或者去使用一个1.8V的振荡器X2 --- 振荡器输出 TMS320F2812引脚详细分析 XCLKOUT --- 源于SYSCLKOUT的单个时钟输出，用来产生片内和片外等待状态，作为通用时钟源。XCLKOUT与SYSCLKOUT的频率或者相等，或是它的1/2，或是l/4。复位时XCLKOUT＝SYSCLKOUT/4TESTSEL --- 测试引脚，为TI保留，必须接地 TEST1 --- 测试引脚，为TI 保留，必须悬空 TEST2 --- 测试引脚，为TI保留，必须悬空TMS --- JTAG测试模式选择端，有内部上拉功能，在TCK的上升沿TAP控制器计数一系列的控制输入 TDI --- 带上拉功能的JTAG测试数据输入端，在TCK的上升沿，TDI被锁存到选择寄存器、指令寄存器或数据寄存器中 TDO --- JTAG扫描输出，测试数据输出。在TCK的下降沿将选择寄存器的内容从TDO移出 TCK --- JTAG测试时钟，带有内部上拉功能 TRST` --- 有内部上拉的JTAG测试复位。当它为高电平时扫描系统控制器件的操作。若信号悬空或为低电平，器件以功能模式操作，测试复位信号被忽略注意：TRST`上不要用上拉电阻。它内部有上拉部件。在强噪声的环境中需要使习附加上拉电阻，此电阻值根据调试器设计的驱动能力而定。一般取22K即能提供足够的保护。因为有了这种应用特性，所以使得调试器和应用目际板都有合适且有效的操作 EMU0 --- 带上拉功能的仿真器I/O口引脚0，当TGST`为高电平时，此引脚用作中断输入。该中断来自仿真系统，并通过JTAG扫描定义为输入/输出 EMU1 --- 仿真器引脚1，当TGST`为高电平时，此引脚输出无效，用作中断输入。该中断来自仿真系统的输入，通过JTAG扫描定义为输入/输出 XRS` --- 器件复位(输入)及看门狗复位(输出)。器件复位，XRS使器件终止运行，PC指向地址0x3FFFCO。当XRS为高电平时，程序从PC 所指出的位置开始运行。当看门狗产生复位时,DSP将该引脚驱动为低电平，在看门向复位期间，低电平将持续 512个XCLKIN周期。该引脚的输出缓冲器是一个带有内部上拉(典型值100mA)的开漏缓冲器，推荐该引脚应该由一个开漏设备去驱动

4.2 模拟量输入通道

TMS320F2812的ADC模块只能转换0～3V的模拟信号，模拟量输入通道的作用就是要将模拟量转换成TMS320F2812所能接收的数字信号。本文所设计的电力系统稳定器所要输入的模拟信号包括：发电机机端电压、机端电流、励磁电压、励磁电流、电网电压等。

4.2.1 交流信号采集调理电路

发电机机端电压、电流信号分别取自发电机端的电压互感器和电流互感器。电压互感器的输出为0～100V，电流互感器的输出为0～5A，由于电压太高，电流太大，而TMS320F2812的AD输入信号的范围要求为0～3V，所以需要添加交流信号的调理电路以满足AD的要求[11][13]。

在自动控制设备中，常采用电量变送器[6]对输入的模拟量进行测量。电量变送器是一种把某种形式的电量变换成与之成线性关系的直流信号的装置，它的输出通常为0～5V或4～20mA的直流信号。电量变送器接线简单、安装方便，通常这些电量变送器为保证变送电量的精度，会采取很多措施，如在变送器中加入了整流、滤波、补偿等环节，但是这样做使得整个装置的时间常数变大，对于需要快速响应的励磁系统来说是非常不利的。电量变送器一般只能反映被测量的单一信息(如有效值)，丢失了很多有用的信息，不能用于需要采集交流信号瞬时值的控制系统。针对电量变送器的这些缺点，本文采用由运算放大器组成的电平抬升电路作为模拟量输入信号的调理电路，其电路原理图如图4-2、4-3所示：

图4-2 电压输入调理电路

图4-3 电流输入调理电路

如图4-2,4-3所示，第一级采用射级跟随方式提高电路的输入阻抗，第二级为反相器，

通过可调电位器调节其放大倍数，第三级电路为对第二级的信号和1.5V电压基准进行反相求和，将输出信号调解到0～3V

4.2.2直流信号采集调理电路

测量直流信号有多种方案，如采用隔离放大器、霍尔传感器等，本文采用隔离放大器进行测量。在励磁电路里，交流信号可以通过电压互感器将主回路与控制器电路隔离开来，而直流信号励磁电流和励磁电压不能通过互感器，直流信号一般采取线性光耦或直流变送器来进行隔离。本文励磁电流采用线性隔离放大器SLC8000进行隔离,其隔离放大原理如图4-4所示：

图4-4 隔离放大电路原理图

首先励磁电流经过分流器调整为0～75mV，再通过上图所示的隔离放大电路将其调整为0～3V的电压信号接入TMS320F2812的ADCIN取引脚。励磁电压则通过变送器将其变换为0～5V的电压信号，然后经过电阻分压将其调整到0～3V接入ADCIN引脚。

4.2.3 ADC采样模块

发电机端电压/电流经调理电路后变为峰值为0～3V的信号，接入TMS320F2812的AD 通道。F2812的ADC模块有16个通道，可配置为2个独立的8通道模块，分别服务于事件管理器A和B，两个独立的8通道模块也可以级联构成一个16通道模块。TMS320F2812芯片的ADC模块的功能框图如图4-5所示：