[摘要] 介紹同步發(fā)電機勵磁調節(jié)控制系統(tǒng)，提出采用32bit微處理器AT91RM9200和FPGA(大規(guī)�？删幊炭刂菩酒�)組成雙機熱備勵磁調節(jié)器。圍繞勵磁調節(jié)控制的實現，介紹數字移相脈沖技術實現三相全控橋導通的方法，該方法優(yōu)于傳統(tǒng)的移相脈沖觸發(fā)，實現了功率柜的可控，軟件采用嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks，可保證勵磁程序的高效率運行。

關鍵詞 同步發(fā)電機 勵磁調節(jié)器 數字移相觸發(fā) 雙機熱備

0 引言

隨著嵌入式工業(yè)控制技術在電力自動化領域的應用，新一代數字化勵磁調節(jié)器應運而生。勵磁調節(jié)器作為發(fā)電機的重要輔助設備，與電網運行狀況有著直接的聯系，不僅可提高發(fā)電機功率極限、電力系統(tǒng)功率傳輸能力，改善電力系統(tǒng)及同步發(fā)電機的運行狀態(tài)，還直接關乎電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的能力和經濟價值[1,2]。更多資訊盡在中國電工網。

國際上知名度較高的勵磁研究廠家有ABB和西門子，而國內勵磁調節(jié)設備參差不齊。為打破國外對國內大型發(fā)電機組勵磁設備的壟斷，需加快勵磁系統(tǒng)國產化進程。本文將設計可靠性較高的冗余式雙機熱備勵磁調節(jié)器，它主要由ARM＋FPGA組成核心控制單元，使用嵌入式實時操作系統(tǒng)Vxworks，具有較強的以太網通信功能，能滿足當前對勵磁調節(jié)器的要求[3]。
 

1 發(fā)電機勵磁系統(tǒng)介紹

目前，在水力、火力發(fā)電廠，同步發(fā)電機普遍采用自并勵直流勵磁系統(tǒng)，其原理如圖1所示。勵磁變(T)主要用來采集發(fā)電機機端電壓，機端電壓經整流后作為勵磁的直流電源，同時也作為數字移相觸發(fā)模塊的同步信號；可控硅整流橋(RT)采用晶閘管構成三相橋式全控整流電路，在為發(fā)電機提供直流勵磁電流的同時，還可實現在電機停機或故障狀態(tài)下的順利滅磁[1]；電壓、電流互感器（TV、TA）主要用于采集機端定子電壓和定子電流，并供給勵磁調節(jié)器（AVR）；由嵌入式系統(tǒng)構成的AVR單元主要完成相關電信號的采集、分析和處理，并通過優(yōu)良的控制算法，實時調整脈沖觸發(fā)角度，實現勵磁電流的可控[4]，從而達到實時調節(jié)發(fā)電機機端電壓，實現電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行的目的。

圖1 自并勵勵磁系統(tǒng)原理圖
 

2 雙機熱備勵磁調節(jié)器的總體設計

雙機熱備勵磁調節(jié)器適用于多種可控硅勵磁控制方式，它主要面向自并勵同步發(fā)電機可控硅勵磁系統(tǒng)[5]。雙機熱備勵磁調節(jié)器即為1臺發(fā)電機配備2套勵磁調節(jié)器，分主套和從套，由主套的脈沖觸發(fā)可控硅導通。2套勵磁調節(jié)器通過自身的核心控制進行狀態(tài)監(jiān)測、邏輯仲裁，并實現脈沖的互鎖，即雙通道冗余設計。雙機熱備冗余框圖如圖2所示。

圖2 雙機熱備冗余結構框圖

勵磁調節(jié)器的雙機熱備工作原理：當勵磁調節(jié)器上電工作后，2套勵磁調節(jié)器采用搶先占用模式自主設定主機(假定為A機)，另1套則為熱備機(假定為B機)。2套勵磁調節(jié)器同時處理相同的開入量、模擬量等電信號，并完成控制角度的計算，但只有A機計算出的控制角度脈沖經過隔離放大整形后能實現功率柜晶閘管的整波，B機計算出的控制角度脈沖則被閉鎖。只有在A機出現故障并發(fā)故障信號給B機，B機檢測到A故障信號或手動切換B機為主機時，B機才接替A機成為主機運行，其觸發(fā)脈沖才取代A機脈沖輸出實現功率柜晶閘管的整波，同時A機自動閉鎖。這樣，發(fā)電機不會因其中一套勵磁調節(jié)器故障而停機，同時還可對故障勵磁調節(jié)器進行維護和修復[2]。

發(fā)電機雙機熱備勵磁調節(jié)器采用積木式板件結構，由電源板、CPU板、模擬量板、開關量板、同步板、脈沖放大板等構成[3]，勵磁控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。電源板為專業(yè)電源生產廠家定做的，分系統(tǒng)電源和脈沖電源，系統(tǒng)電源滿足交直流220V或110V輸入，直接輸出±12、5V。脈沖電源提供±24V電源輸出，主要為脈沖放大板提供脈沖調整放大電源。同步板和模擬量板主要完成交流采樣信號的調整，以滿足A/D采樣量程。開關量板主要完成信號的開入和開出，采用光電隔離器件實現板件和外部信號的隔離。CPU板是勵磁調節(jié)器的核心單元，控制器選用ATMEL公司的32bit處理器AT91RM9200及大規(guī)�？删幊踢壿嬁刂疲‵PGA）芯片，完成發(fā)電機勵磁系統(tǒng)相關參數的測量、通信及移相觸發(fā)控制。脈沖放大板實現脈沖的放大調整和脈沖故障監(jiān)測，同時實現雙套脈沖的故障切換。

圖3 發(fā)電機雙機熱備勵磁調節(jié)控制系統(tǒng)框圖

3 雙機熱備勵磁調節(jié)器的主要控制實現

3.1 數據交流采樣

發(fā)電機的機端電壓、定子電流、轉子電流等電參量采用交流采樣技術實現采集。以AT91RM9200處理器為核心，采用FPGA邏輯功能實現AD控制信號的邏輯時序控制，最終由AT91RM9200處理器控制AD完成數據的采集。采樣模塊采用AD公司的16bit真雙極性、多通道模數轉換器AD7656，該器件功耗僅為160mW。AD7656包含一個低噪聲、寬帶跟蹤保持放大器，以便處理頻率高達8MHz的信號[6]。信號輸入部分結合Maxim公司的MAX309多路開關，對三相電壓、三相電流進行同步采樣，以保證功率測量的準確性。

3.2對外通信

勵磁調節(jié)器通信部分包括雙套間的通信及與后臺PC機的數據交換，涉及到以太網、CAN網和RS-485總線的數據通信接口。雙套微機勵磁調節(jié)器間必須實時實現數據的交換，為此采用數據傳輸率高、抗干擾性強的雙CAN通信。CAN控制器采用Philips獨立CAN控制器SJA1000芯片，AT91RM9200控制器通過讀、寫外部數據存儲器的形式來訪問SJA1000實現數據的交換。CAN收發(fā)器采用Philips的PCA82C250，實現CAN控制器與物理總線的接口，它給總線提供差動發(fā)送能力，給CAN控制器提供差動接收能力，可同時操作2個CAN網絡，提供高達1Mb/s的傳輸速度[7]。

勵磁系統(tǒng)網絡化后，可方便與上位機及各種DCS系統(tǒng)通信，最終實現勵磁系統(tǒng)的網絡化控制。實時嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks的采用，大幅簡化了網絡層程序的設計。AT91RM9200內嵌了1個以太網控制器,但未提供物理層接口,因此需外接1片物理層芯片來實現以太網通信。常用的10M/100M以太網物理層器件主要有RTL8201、DM9161，均提供MII接口和傳統(tǒng)7線制網絡接口，本系統(tǒng)選用DM9161作為物理層芯片。信號的發(fā)送與接收通過網絡隔離變壓器和網絡水晶接頭RJ45接口并網，方便地實現了裝置與后臺的通信。

3.3全控橋的數字移相觸發(fā)控制

勵磁調節(jié)器的功率柜采用三相橋式全控整流電路。三相全控橋的控制靈敏度和靜差均優(yōu)于三相半控橋，且動態(tài)特性也較好，不僅可以完成交直流轉換，還可以在正常停機或故障跳閘時將儲存在電機勵磁繞組磁場中的能量經全控橋迅速反饋回交流電源，即進行直流變交流的逆變滅磁。常見的三相橋式全控整流電路如圖4所示。

圖4 三相全控整流橋

為保證全控橋的可控導通，采用數字移相觸發(fā)脈沖來觸發(fā)。而三相全控整流橋觸發(fā)電路的主要功能是根據同步電路獲得的同步信號以及給定的觸發(fā)角來實現對晶閘管的數字移相控制。由圖4可知，晶閘管的導通順序為VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1，因此觸發(fā)脈沖的順序為A＋，C－，B＋，A－，C＋，B－。

由三相橋式全控整流電路輸出的直流電壓平均值 與控制角 的關系可知，感性負載時有：

           （1）

式中， 為變壓器二次側線電壓； 為觸發(fā)角度。

通常，根據實時性要求，對 進行離散化計算，可得到1個輸出電壓與觸發(fā)角的關系表。根據PID計算結果進行快速查表即可求得觸發(fā)角 [2]。

晶閘管整流輸出端電壓靠改變觸發(fā)角來實現。當 ∈(0°，90°)時，整流橋處于整流狀態(tài)；當 ∈(90°，180°)時，整流橋處于逆變滅磁狀態(tài)。

為確保全控橋整流電路順利啟動，實現可控硅的觸發(fā)換流，必須保證晶閘管每周期導通的起始點即觸發(fā)延遲角 相同，即必須在其陽極承受正向電壓（或在陰極承受負向電壓）期間在控制極加觸發(fā)脈沖；為確保形成電流通路，還必須使共陽極組和共陰極組的元件在任一瞬間各有1只處于導通狀態(tài)，即若1個觸發(fā)脈沖加至共陰極組的1個元件，則另1觸發(fā)脈沖加至共陽極組中的前1個元件。因此，觸發(fā)脈沖要適應全控橋電路的要求，使6個晶閘管按序導通，解決的辦法有2種：一種是使每個脈沖的寬度大于60°（一般取60～80°），即為寬脈沖觸發(fā)；另一種是在觸發(fā)N號晶閘管的同時給N－1號晶閘管補發(fā)一個脈沖，相當于用2個窄脈沖等效代替1個寬脈沖，即為雙窄脈沖觸發(fā)。用雙窄脈沖觸發(fā)時，在1個周期內需對每個晶閘管連續(xù)觸發(fā)2次，2次的間隔為60°。雙窄脈沖觸發(fā)由于可減小觸發(fā)裝置的輸出功率和脈沖變壓器的鐵心，因此使用較廣。目前普遍采用數字移相技術實現雙窄脈沖觸發(fā)，原理如圖5所示。

圖5 數字移相觸發(fā)原理

目前，勵磁調節(jié)器6路雙窄脈沖的數字移相觸發(fā)多采用可編程定時計數器、PWM調制和可編程邏輯器件(FPGA)等完成�？删幊踢壿嬓酒�可選用FPGA和CPLD。FPGA處理速度較快，但時序的可控性較弱；對于對時序要求高的邏輯控制，則可選用CPLD[8]。全球可編程邏輯器件的制造商有XILINX、LATTICE、ALTERA。根據元器件的優(yōu)選及公司知識資源的積累，選用XILINX公司的FPGA芯片XCS30，它采用VHDL語言編程完成數字移相脈沖觸發(fā)，具有脈沖穩(wěn)定好、可靠性高的特點。它把同步板上同步變壓器采集到的交流同步電壓(Ua、Ub、 Uc)整成方波，作為同步信號送至FPGA。每個同步信號產生后，FPGA接收由AT91RM9200T構成的核心控制單元輸出的控制信號，并通過脈沖計數方式改變移相角（若同步脈沖頻率50Hz固定，脈沖計數個數為N,則移相角的脈沖數為 個），從而實現延遲角的雙窄觸發(fā)脈沖。由全控橋的輸出電壓與控制角的關系可知，發(fā)電機的勵磁調節(jié)就是通過改變來改變輸出電壓和功率。

3.4試驗波形及分析

通過雙通道泰克(TDS1012C)數字示波器測得的1組雙窄觸發(fā)脈沖波形如圖6所示。 

圖6 不同角度的移相觸發(fā)脈沖實驗波形

由于示波器通道有限，因此只能測量1組波形。圖6給出了當為30、60、90、150°時的4組圖像，其中CH1是A相同步電壓調整后的波形，CH2是觸發(fā)脈沖A＋經放大后的波形。由晶閘管導通順序及雙窄脈沖形成原理可知:以A相電壓為觸發(fā)源，取A相同步頻率的上升沿作為計數起始點，采用6個16位的計數器計數，當計數器計數達到觸發(fā)起始值即滿足移相角時，觸發(fā)脈沖輸出高電平，雙窄脈沖的寬度為 ，其它幾路以此類推。形成的6路雙窄脈沖數字移相時序圖如圖7所示。

圖7 6路雙窄脈沖數字移相時序圖

由雙窄脈沖時序圖可知，C-（VT2）脈沖與A＋(VT1)脈沖移相60°后完全相同，其它各序脈沖(B＋(VT3)，A-(VT4)，C＋(VT5)，B-(VT6))依次移相60°。試驗結果表明了數字移相的正確性。

4 勵磁調節(jié)器的軟件實現

雙機熱備勵磁調節(jié)器的軟件包括嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks、人機交互程序以及勵磁應用程序。

嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks包括操作系統(tǒng)本體、硬件底層驅動、系統(tǒng)任務配置、系統(tǒng)中斷配置等。使用嵌入式操作系統(tǒng)可提高代碼移植性。嵌入式操作系統(tǒng)的實時系統(tǒng)具有快速可靠的中斷響應，可保證勵磁程序高效率運行；多任務環(huán)境允許一個實時應用作為一系列獨立任務來運行，各任務有各自的線程和系統(tǒng)資源，從而可合理安排勵磁控制外圍程序的運行。這種軟件構架可保證系統(tǒng)和勵磁控制程序的安全可靠性。

人機交互的核心程序在通信報文處理任務中。該任務與網絡通信任務、RS-485通信任務一同構成人機交互的下位機系統(tǒng)。網絡通信任務、RS-485通信任務在收到上位機發(fā)出的指令后，將指令發(fā)送到一共同的消息隊列中；通信報文處理任務則從消息隊列中逐條取出命令并處理。

勵磁應用程序包括主程序和控制調節(jié)程序。主程序置于主任務中，用于完成勵磁應用程序的初始化以及機組狀態(tài)的判斷等功能；控制調節(jié)程序置于3.3ms中斷中，控制周期為3.3ms，用于完成所有的勵磁控制調節(jié)功能，以確�？刂普{節(jié)的速度和精度。

5 結束語

本文在雙機熱備勵磁調節(jié)器研制的基礎上，結合發(fā)電機勵磁的基本原理，概述微機勵磁調節(jié)器的基本框架。雙機熱備勵磁調節(jié)器硬件上采用冗余設計的雙通道結構，實現了雙機熱備切換，有效保障了發(fā)電機勵磁的穩(wěn)定性和可靠性。在介紹勵磁調節(jié)器系統(tǒng)的總體結構下，論述了具有較強控制性能的AT91RM9200微處理器運行嵌入式Vxworks系統(tǒng)。這種采用新器件實現的新系統(tǒng)，對產品的升級及新一輪數字勵磁調節(jié)裝置的研發(fā)具有實際的參考意義。

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