Особенности моделирования автоматического регулятора возбуждения сильного действия синхронного генератора в среде разработки PLC «CoDeSys»

С ов рем е нн ое ра з в и тие и нф орм а ционны х технол оги й поз в о л яе т осу ществ лять м оде лиров а н ие р а з л ичн ых тех н иче с к их систе м и проце с с ов с ц елью их изучения, а т ак ж е дл я ре а лиз а ц ии эффективны х а л гори тм ов у пра в л ени я им и. Пр и м оде л ир ован ии эл ектротех ни чес к и х с ис те м и устройс т в прим е н яютс я ра з л ич ные пр огра м м ные с ре ды, т акие как MATLAB/Simulink, Vi s Sim, LabView и др. С и х п омощью в оз м ож но моде л иров ание ка к систем автома ти ческого у пра вл е н ия ( СА У ) тех нологиче ск им и п роце сс а ми, та к и с а м их тех нол ог ически х проц ес с ов . При этом ис пол ьзу ю тс я у до бные дл я в ос прия ти я гра фиче ск ие с х е м ы и яз ык и.

Од н ак о п р и п р ак т и ч еск о й р е али зац и и мо д ел ей С АУ, со зд ан н ых с п о мо щ ью п ер еч и слен н ы х про гр а мм, тр еб у ет ся д о по лн и т ельно о су щ ествл я т ь п ер ево д р аз р аб о т ан н ы х а лг о р и т мо в н а я зы к и пр о г р а мми ро ван и я ло г и ч еск и х ми кр о к о н т р о лл еров (PLC) [ 1, 2] . Н е см о т ря н а то , ч т о в т ом же MATLAB/Simulink для э т ого им ее тс я с пе ц иа лиз ированный пакет Simulink PLC Coder , такой подход имеет определенные недостатки:

• а ) ав том а тиче ски ге не рир у е м ый код, пол уч а ющи йс я на в ы х оде в по добны х с лу ча я х , из б ыточно с л ож ен , тр у ден для поним а н ия и тре б у е т дополни те л ь ного ре да кт иров а н ия и от л а д ки;

• б ) п рофил ь ные ф у нк ци и с ист е м у пра в л ен ия (контроль п ре дел ь н ых уровне й, б л ок иров ки, м а сштабирование и т. п. ) на мн ого п роще ре а л из ов а ть в среде разработки логики PLC , н е жели м од е л и ровать их в средах, подобных M A TL A B /Simulink, не уч итыв а ющи х и х особ ен н ости .

В этой связи имеет смысл совместить в среде программирования устройств PLC разработку логики управления с моделированием работы технической системы. С одной стороны, это позволит получить практически готовый алгоритм для записи в PLC на удобных для отладки языках программирования, единственной доработкой которого будет привязка входных и выходных перемен- ных к физическим интерфейсам, а с другой – получить устройство с имитационной моделью внутри.

Целью настоящей работы является разработка и исследование модели автоматического регулятора возбуждения сильного действия (АРВ СД) турбогенератора с интеграцией алгоритмов и вычислительной модели непосредственно в среде разработки PLC CoDeSys. Научная новизна работы заключается в методе моделирования АРВ СД на базе PLC, при котором логика регулирования и модель объекта объединены в единой программной среде без использования внешних пакетов моделирования и автогенерации кода, с реализацией дискретного ПИД-регулятора напряжения с учетом реальной длительности цикла работы микроконтроллера и масштабирования временных интервалов в режиме моделирования. Практическая значимость состоит в том, что полученная модель может быть использована как имитационный стенд на базе PLC для настройки, тестирования и отладки алгоритмов АРВ СД с минимальной доработкой при переходе к реальной эксплуатации.

Ниже демонстрируется реализация алгоритмов управления АРВ СД турбогенератора с моделированием его работы в различных режимах непосредственно в среде CoDeSys [3].

Блок-схема алгоритма АРВ СД для синхронного генератора

Как известно, система возбуждения генератора предназначена для формирования тока ротора и поддержания на выводах синхронного генератора заданной величины напряжения за счет применения автоматического регулятора возбуждения. На рис. 1 приведена структурная схема разрабатываемой модели системы возбуждения с АРВ СД. Схема соответствует турбогенератору ТГВ-200-2М Челябинской ТЭЦ-3. Турбогенератор оснащен статической тиристорной системой независимого возбуждения типа СТН-470-2500-2,5 с одногрупповым тиристорным преобразователем (ТП).

Рис. 1. Структурная схема синхронного генератора с системой возбуждения и АРВ СД Fig. 1. Structural diagram of a synchronous generator with an excitation system and high-effect automatic excitation regulator

В о сно ве логики р або т ы АР В силь но г о де й ствия лежит закон ПИД- рег улир о ван ия на п ря ж е н и я на вы во д а х г е н ера т ор а, к ото р ы й п ри м ен и т е л ь н о к сис т ем е воз б уж де н и я р ассмат р иваем о г о г е н ер атора может быть записан как [4]

и упр ( t ) = P ( t ) + 1 ( t ) + D ( t ) =

T

= KP A U + K ( A Udt + KD----,

P       I ₀           D _{d t}

где A U - от к лон е ни е н апр яже н и я г ен ерат о р а U г от уставки U _гз ; K_P , K_I , K_D – коэффициенты ПИД-составляющих; т - в р е м я н ак опл е н ия инт егральной части.

В си ст ем е во збужде н ия т о к р от о р а син хро нно г о генер ат о ра фор м ир у е т ся н е по ср едст ве нно т ир ис тор ным пр ео бр азо ват е лем . Поэт ом у в м о дели р егул ир ование на п ря жения и т о ка р от о р а до лж н о о с ущ е ствля т ь ся п утем из м енения врем ени зад ер жки откр ытия т и р и ст оро в и п рив о д и т ь к и зменению ЭДС и напряжения U _г н а вывод а х синхро нн ого г ен ер а т ор а. При э т ом д л ит ельно ст ь заде рж к и вр ем ени откр ытия т и ри с т о ро в – угол «α» пр ео бр азо ват еля , э т о в ел и ч и на, пр о по рцио на ль ная сигналу U _упр с вых о да АР В С Д . С ледо ва т ельно , во- п ервы х, в м од ел и р егуля тор а д олжн ы б ы т ь пр ед у см о т ре ны к ак д искр ет ны е, т ак и а на л о г о вы е сигналы, а во-в т ор ых , д ля реа л и заци и и от л адки лог ик и его р аб от ы м о дель д олжна в к л ю чат ь расчетные выражения и ли по д м о де л и д ля вычи с л ения р ежим н ых пар ам ет р о в т урбог е нер ат о ра в р аз л ичных режимах его работы.

В о т лич ие о т р аспр о ст р аненных мо д ел е й , р еализ уем ы х во вне ш них ср едах ( MATL AB /Sim ul ink и д р . ), р асч ет ные по д мо д е ли ре жимн ы х пар ам е тров в данном иссл е до ван ии выпо лн яю т ся н еп оср едств е н но в C o D eS ys и и н т егри р у ют ся с л о ги ко й

АРВ СД на уровне одного и того же программного проекта PLC. Это позволяет использовать одну и ту же реализацию алгоритмов как в режиме моделирования, так и при работе на реальном контроллере, ограничившись лишь привязкой переменных к физическим входам и выходам.

На рис. 2 приведена блок-схема алгоритма АРВ СД в модели. Алгоритм учитывает и реализует следующие режимы работы генератора и системы возбуждения:

• –    начальное возбуждение с пропорциональным регулированием;

• –    нормальный режим с ПИД-регулированием;

• –    режим предельного возбуждения (форсировка по току ротора);

• –    режим останова с пропорциональным регулированием.

Согласно блок-схеме при запуске синхронного генератора на вход АРВ СД поступает дискретная команда запуска. При ее получении АРВ СД отдает команду на включение тиристорного преобразователя. После получения от преобразователя сигнала о включенном состоянии команда сбрасывается, а АРВ СД переходит в режим начального возбуждения.

В режиме начального возбуждения регулятор сравнивает поступающее на его вход значение уставки по напряжению генератора с текущим измеренным значением и при достижении уставки переходит в режим ПИД-регулирования. В этом режиме на выходе модуля формируется регулирующее воздействие на ток возбуждения генератора, компенсирующее отклонение текущего значения напряжения от уставки. В случае поступления на вход АРВ СД команды на отключение генератора происходит переход в режиме останова, ток ротора и напряжение на выводах генератора снижаются до нулевого значения.

Рис. 2. Блок-схема алгоритма работы АРВ СД в модели

Fig. 2. Block diagram of the operation algorithm for the high-effect automatic excitation regulator in the model

Разработка модели в среде CoDeSys

В с р ед е п р о г р амми р ования р еал и зо ва т ь с т ру ктурн у ю сх е му м одел и у доб не е в с е го на яз ыке SFC в в и д е п осл едовател ьнос т и подп рограм м . Д л я этого в е с ь код м оде ли был раз бит на 24 блока, как показано на рис. 3. Р а с с м отрим не которые б л ок и, ч ья ре а л из а ц ия м ож ет пре д с та в лять пра кт иче с к ий интерес.

Рис. 3. Структурирование кода модели в виде блоков (начальный фрагмент)

Fig. 3. Structuring the model code into blocks (first snippet)

Реализация закона ПИД-регулирования

А л гори тм ра з дел е н на три подб л ока и ре а л изов а н в с оотв е тств и и с в ы ра ж е ние м (1) в бл оке «ПИД-регулирование» (см. рис. 2). Первый подбл ок, пре д на з на че н ны й для опре де л ения ра с согл асов а ни й напряж ен ий, и в ы пол н яе т ра с че т рас с огласования «Delta» м е жд у з а да н ным « Ugz» и текущим «Ugen » з на чен иям и на пря ж ени я с и н х ро нного ге не ратора с з а пис ью и х ра нение м в па м я ти пре дыд у щего ра с с огл а с ов а н ия в пе ре м е нно й «Del-ta_last». Соответствующая блок-сх е м а а л горитм а , составленная на языке CFC, п рив еде на на рис . 4.

На схеме переменная «ms_byte», отвечающая за временной интервал дискретизации расчета, умножается на коэффициент пропорциональности по времени «Ktime_c3», что в режиме моделирования приводит длительность интервала дискретизации к реальной скорости работы микроконтроллера со временем цикла, равным 1 мс. Тем самым обеспечивается динамическое подобие между вычислительным процессом в режиме эмуляции и работой алгоритма на реальном PLC, что критично для АРВ СД из-за высокой скорости изменения электромагнитных процессов. Данный прием масштабирования времени позволяет корректно реализовать и настроить дискретный ПИД-регулятор непосредственно в CoDeSys без перенастройки его параметров при переносе кода в реальное устройство.

Полученное значение длительности поступает на вход таймера «TP_count», который запускается по команде «start counter». По окончании отсчета таймера срабатывает триггер «trig_count» и производится запись текущего значения рассогласования в переменную «Delta_last». Триггеры «Trig_off» и «Trig_on» на схеме предназначены для перезапуска таймера.

Второй подблок предназначен для расчета интегральной составляющей и осуществляет накопление интегральной части ПИД-регулятора в промежуточную переменную (рис. 5). При выполнении условий, а это наличие разрешения на накопление интегральной части от переменной «Start_integ» и нахождение выхода ПИД-регулятора в установленных пределах, выполняется сложение текущего значения «Delta», умноженного на масштаб по времени, с накопленной ранее интегральной частью. Результат записывается в переменную «Part_i». В случае выхода из режима ПИД-регулирования эта переменная обнуляется.

Завершается алгоритм подблоком, отвечающим за формирование управляющего сигнала на выходе ПИД-регулятора. В данном блоке осуществляется вычисление приращения рассогласования на интервале дискретизации расчета и вычисление значения выходной переменной «OutPID», как показано на рис. 6.

Рис. 4. Алгоритм определения рассогласования напряжений Fig. 4. Algorithm for determining voltage misalignment

Накопленная интегральная часть

Startinteg I

| 20000 [

| -20000 [

| OutPID |-

Пределы интегрирования msbyte

Ktime сЗ

П pid resi

Рис. 5. Алгоритм вычисления интегральной части ПИД-регулятора Fig. 5. Algorithm for calculating the integral part of the PID-regulator

Домножение на коэф дифференцирования

Домножение на коэф интегрирования ms_byte

Ktime_c3

Рис. 6. Алгоритм вычисления управляющего сигнала на выходе ПИД-регулятора Fig. 6. Algorithm for calculating the control signal at the PID controller output

Домножение на коэф пропорциональности

П рира ще ни е ра с с огл а с ов а н ия «Difference» в подб л оке опре де ляет с я ка к ра з нос ть м е ж д у теку щ и м зн аче н ие м ра с с огл а с ов а н ия и пре ды д у щим . П ос л е этого в ычис л яетс я пр оиз в одная ка к ча с т ное от деления «Difference » на длит ел ь нос ть и нте рв ал а дис кретиз аци и. Получе н ное зн аче н ие п роиз в о дной ум н ож аетс я на коэффи циент д иффе ре нц иров а н ия «Kd» , в ре зу л ьта те че го ф орм ируе тся д иффе ре н циал ьная с ос та в ляюща я. В с в ою оче ре дь инт егральная и пропорциональная соста вл яю щие оп р е д ел яю тс я ка к произ в е ден ие накоп л е н ной ин т е грал ьной части и коэффи ц ие н та и нтегриров а н ия «Ki » и как произ в е ден ие т е к уще го ра с с ог л а с ова ни я на к оэ ффиц иент п роп орциона л ь нос т и « Kp» соотв е тс тв енно. На в ы х оде подб л ока в с е три с оставляющие складываются, а с ум м а пом е ща е тся в переменную «OutPID».

Масштабирование интервала дискретизации расчетов

Дл я корре ктног о ра с че та проце с с ов с в ыс око й ди на м ико й, ос обе нно пр и б ол ьшом объ е м е пром е ж у точн ых в ычисл е н ий, н е обх оди м о уч и тыв а ть разницу между длительностью ци кл а ра боты ре ал ьного м и кроконтролл е ра и д л и те л ь нос тью в ы ч и с лител ь н ого ци кл а в реж им е м оде лиров а н ия.

В модели это делается путем умножения временных задержек всех таймеров на упомянутый ранее коэффициент пропорциональности из переменной «Ktime_c3», рассчитанный по следующей формуле:

t РДЦ

K T =-------,

N Ц ■ t РК

где t _РДЦ – время расчета длительности цикла; N _Ц – количество циклов за расчетное время; t _РК – длительность рабочего цикла реального микроконтроллера.

Моделирование обмотки ротора как апериодического звена

Изменение тока возбуждения синхронного генератора в переходных режимах можно описать передаточной функцией вида [5]

If(s) = If0 +    77,

TfS +1

где I f ₀ - начальный ток ротора; t f - постоянная времени обмотки возбуждения.

В связи с тем, что в среде CoDeSys по умолчанию отсутствует возможность записи передаточных звеньев, для реализации апериодического

Рис. 7. Алгоритм вычисления тока возбуждения ротора Fig. 7. Algorithm for calculating the rotor excitation current

звена п о ф орм у л е (3) был и прим е нены числ енные ин те грат о ры и ари ф м етичес кие бл ок и [6]. Предл ож ен н ый с пос об поз в оляет в ос произ в е с т и д инами ку обм отк и ротора в ста нда рт ны х с ре дств ах PL C бе з при в л е че н и я сп е ц и али зи ров а н ны х па к етов мод ел и ров а н и я, сох ра ня я в оз м ож нос ть тонкой на строй ки в рем е нны х па ра м е тров и ша га и нте грир ован ия. С оотв етс тву ющи й програ м м ный код н а языке CFC представлен на рис. 7.

В да нном бл оке в на ча л е вычис л яетс я пр ин уж денна я сос та вл яющая тока ротора , а з а те м е е откл онени е от н оми нал ьн ого зн аче ни я «Delta If». И з этого откл оне н ия вычита е тся пе ре м е нная «ifpp 1», котора я в на чал ь ный м ом е н т в ре м е н и р а в н а н у лю. Р е з у л ьтат пом е ща е тс я в пе р еменную «ifpp 2», а з а те м пода е тся на в х од б л ока и нте гр иров ан и я. З н а че н ие , по луча е м о е на в ых о де интегратора, записывается в переменную «Par t _i_PP1», после ч ег о у м н ожае т ся на ч ас тн о е о т д е ле ни я едини цы н а постоянную времени ротора «Tf». В р е зул ьт ате получает с я знач е ни е п ер еме нн о й « ifpp1», которая в след ую щ ем цикле буд е т в ы ч ит ать ся и з ве л и чин ы рассогласования «Delta_If » . П р и э то м т екущее з н ачение тока ротора «If1r » опр ед ел я е тся ка к с умма н ач а ль но г о з н ач е ни я и п ер ем енн о й «ifpp1».

Т о чн ость ра с че т пр и тако м моделировании бу дет з а вис е ть от д лител ьн ос ти и нте гр иров а н ия и мож е т быть с корре ктиров ана з а с че т подс тройк и интегратора «Integr_PP 1» п о в х од у « ТМ » . Д л я эт ого дос таточн о в ы п олни ть п робное м оде л иров а н ие , за да в шис ь не ко торым на ча л ьным з на чение м дл ительности T ₁ в переменной «TM_integr_PP1», посл е че го ра с с чита ть корре кт ное з на че н ие , ка к

T2 = T К (4) tр где tр и tф – расчетная и фактическая длительности переходного процесса.

В каче с тве с ве р очн ог о пе р е х одног о п роцесса ра сс м а т рив а л с я пере хо д крив ой ток а р от ор а

из номинального режима при токе возбуждения I f_{H ом} = 2500 А в режим форсировки с током I f_{H ом} = 5000 А. Реальная длительность перехода

от первого значения ко второму оценивалась заранее по формуле [7]

t _ф

= т f

• ln

KU

KU

- 1

- 2

( 2.5-1 1

= 0,5 • ln -,----- = 0,55 с,

U,5-2j

где K_U – кратность форсировки по напряжению; т f - постоянная времени обмотки возбуждения ротора турбогенератора.

Путем коррекции постоянной интегрирования «TM_integr_PP1» по формуле (4) была получена требуемая длительность перехода тока ротора с отклонением от рассчитанной по выражению (5) не более чем на 0,2 %.

Таким образом, подбор шага интегрирования и временных коэффициентов по измеренным переходным процессам обеспечивает высокую точность воспроизведения динамики обмотки возбуждения в среде PLC, что подтверждает применимость предложенного подхода к моделированию быстропро-текающих электромагнитных процессов.

Подбор параметров в модели

Для подбора коэффициентов и постоянных времени в модели были использованы осциллограммы реальных переходных процессов турбогенератора ТГВ-200-2М, полученные при нормальных и аварийных режимах. С их помощью удалось добиться моделирования с погрешностью от 0,2 до 1,8 % в зависимости от рассматриваемого режима, вида и длительности возмущения.

В качестве примера на рис. 8 демонстрируется фронтальное окно модели с кривыми изменения параметров турбогенератора при снижении по-

Автомат

Режимы СВ

Задание

Текущие параметры режима Г

Пар-ры ПИД

Показатели ПП |

Пуск СВ Останов СВ

Авт режим ИВ отключен

ВГЗ = 15750 В РГЗ - 220 МВт Огз = 160 МВАр

Ur = 15750 В Р - 167 МВт Q = 160 МВАр 5 = 231 МВА Е - 21980 В

; Е

KUg = 1.0 КР = 50 0 KQ = 50 0 KQ = 50 0 КЕ= 1.0

Uf= 434 В If = 2310 А а = 66 768 град

4

KUf =21.3 Klf = 4.0 Ка = 100.0

Разр П Разр И Разр Д

Запись Сброс Ur без рег-я

Разр форс Тф = 250 МС

ИВ в работе Нач-е возб ПИД рег-е

Постоянная времени ротора

Кр = 70.00 Ki = 10.00

Тпп = 0.00 с игмакс. = 16150 В

Откл-е СВ

Крр = 304.2

Lim 11ф 80 проц 0 мс

I = 8472 А

а

KI = 1.0

Kd = 25.00 dt = 10 0

иг.МИН. = 15491 В

Форсировка

Расфорсировка

2нагр= 1.073 0м

KZ = 3000.0

Отличительной особенностью предложенного подхода является интеграция вычислительных моделей объекта регулирования и алгоритмов АРВ СД в одном программном проекте PLC, что упрощает

отладку, сокращает количество этапов разработки (исключая стадию автогенерации кода) и обеспечивает согласованность настроек регулятора на стадиях моделирования и эксплуатации.