PSVR 100勵磁調節器的研制與應用

彭鋼

(國電南京自動化股份有限公司，江蘇 南京 210032)

0 引言

作為發電廠重要的二次設備，勵磁系統對電力系統的安全、穩定、經濟運行都有重要的影響。而作為勵磁系統調節與控制核心元件的勵磁調節器，其優劣會影響整套勵磁系統的性能。因此，勵磁調節器的硬件架構、軟件設計、可靠性設計成為各勵磁廠家的研制重點。同時，針對不同類型的勵磁系統，要求勵磁調節器都能提供優良的控制性能并具有較高的可靠性。

1 PSVR 100勵磁調節器的研制

1.1 PSVR 100勵磁調節器硬件架構設計

數字式勵磁調節器主要采用如下3種硬件架構:

(1)單CPU模式，即采樣、調節、功率器件觸發脈沖形成等全部由1塊CPU完成。

(2)多CPU模式，幾個CPU協同工作，各有分工。

(3)單CPU工作，但脈沖形成等轉移到可編程邏輯控制器完成。

勵磁調節器的CPU要完成勵磁系統模擬量、開關量等狀態信息采集以及控制規律運算、運行控制等大量的運算任務，單CPU模式很難滿足要求。

多CPU模式能夠滿足勵磁系統的運算要求，較為常見的為三CPU架構(如圖1所示):調節器CPU由單片機、數字信號處理器(DSP)、大規模邏輯可編程門陣列(FPGA)構成。在各個制造廠家的三CPU架構中，3個處理器的功能劃分不盡相同。FPGA的功能大多相同，主要完成功率器件觸發脈沖生成以及開入/開出功能;區別主要在于DSP與單片機的功能劃分。

圖1 勵磁調節器三CPU架構

將單片機作為控制核心時，單片機完成勵磁調節、控制算法實現以及對外通信功能，DSP則完成模擬量采樣功能或作為獨立手動通道。

將DSP作為控制核心時，DSP完成勵磁調節及控制算法實現功能，單片機則完成外部通信處理等功能。

在微處理器運算性能不是很高的前提下，三CPU架構不失為一種較優良的CPU架構。但這種架構較為復雜，需要解決多CPU之間的時序配合、信息交換以及硬件布線等問題。

隨著微處理器性能的不斷提高，提出了單CPU+FPGA架構。在該架構中，1片單片機可以完成多CPU系統中由DSP與單片機共同承擔的任務。FPGA則完成AD采樣控制、功率器件觸發脈沖形成、開入/開出量處理等任務。該架構有效減少了單片機的中斷調用，提高了主程序的運行安全性。PSVR 100勵磁調節器就采用了該種架構，如圖2所示。

圖2 PSVR 100勵磁調節器CPU架構

PSVR 100調節器采用Freescale公司的MPC8247芯片作為主CPU，該處理器芯片主頻可達200MHz，最高運算速度為280 MI/s(百萬條指令/秒)，支持復雜的數學運算，功耗低，抗干擾能力強。

基于MPC8247芯片的上述特點，PSVR 100勵磁調節器對CPU進行了圖3所示的功能規劃:將勵磁系統狀態采樣、控制規律運算等核心任務分配給G2_LE內核完成，而將人機對話、對外通信等任務分配給CPM完成。

圖3 PSVR 100調節器主CPU功能劃分框圖

PSVR 100勵磁調節器中，FPGA完成圖4所示功能，包括同步采樣、周期相位測量、開入采樣、脈沖生成、脈沖檢測、邏輯組合、主CPU監視和AD監視等，實現了對CPU外設的統一管理，使CPU擺脫了頻繁的外部事務中斷，提高了CPU工作的可靠性。

1.2 PSVR 100勵磁調節器的軟件設計

1.2.1 引入VxWorks嵌入式實時操作系統

傳統的勵磁調節器軟件設計采取前、后臺程序的方式。隨著勵磁調節器軟件功能日趨復雜，開發難度越來越高，相應地對軟件的可移植性和可靠性也提出了越來越高的要求，前、后臺程序的設計方式難以滿足要求，從而在調節器軟件設計中引入了嵌入式實時操作系統［1－2］。

針對勵磁系統對于高可靠性、強實時性的要求，PSVR 100勵磁調節器軟件設計選用VxWorks嵌入式實時操作系統。該操作系統具有如下特點［3－4］:高可靠性;強實時性;高可移植性;良好的可剪裁性;強大的網絡通信功能;開發工具支持度高。

圖4 PSVR 100調節器FPGA功能框圖

基于VxWorks操作系統，PSVR 100勵磁調節器軟件劃分為平臺程序和勵磁應用程序2部分，程序調度由VxWorks系統內核完成，圖5為PSVR 100軟件結構框圖。

圖5 PSVR 100調節器軟件框圖

平臺程序由硬件平臺和軟件平臺2部分程序構成，硬件平臺程序主要完成各類硬件驅動，軟件平臺程序主要完成文件系統管理、人機交互接口(MMI)等功能［5－6］。平臺程序由專業的平臺開發人員完成，使勵磁應用程序開發人員得以專注于應用軟件的開發，從而極大地提高了開發效率。

勵磁應用程序采取定時中斷調用，分為1/6周波(3.3 ms)調用1次的交流采樣、調節計算子程序和1周波(20 ms)調用1次的運行控制、保護功能、實際值顯示子程序，圖6為勵磁應用程序流程圖。

1.2.2 引入圖形化編程技術

在不同的工程應用現場，不可避免地要對勵磁調節器的開關量名稱定義及開出量的邏輯組合等進行修改，以往只能修改程序，受現場條件以及工程服務人員編程水平的影響很大，非常容易出錯。

PSVR 100調節器采用圖形化編程技術，將數據定義、邏輯組合等軟件修改過程封裝成邏輯圖形和配置文件的形式，工程服務人員通過修改邏輯圖形或配置文件，同時借助圖形化軟件提供的校驗工具，可以零差錯地完成軟件修改。圖7為PSVR 100調節器圖形化編程工具畫面。

1.3 PSVR 100勵磁調節器可靠性設計

1.3.1 通道冗余

在勵磁調節器中如果僅設置一個控制通道，將極大地增加勵磁系統的運行風險［7］，所以，PSVR 100勵磁調節器采用了圖8所示的雙微機控制通道冗余方式。

在圖8中，雙微機通道AVR1，AVR2從輸入到輸出各個環節完全獨立，沒有任何公用回路，做到了完全冗余。在調節器工作時，一個通道作為工作通道，另一個通道處于熱備用狀態。雙通道之間通過圖9所示開關量硬接線、422通信2種方式，實時監視對方的運行情況。備用通道實時監測工作通道控制下的機端電壓、轉子電壓、轉子電流等勵磁系統狀態，通過設置短延時環節等容錯手段，跟蹤工作通道的控制輸出。一旦工作通道出現故障，熱備用通道自動閉鎖故障通道控制輸出，并切換為工作通道。由于通道切換時間在40 ms以內，同時發電機存在一個時間常數，通道切換過程中可實現發電機電壓、無功功率無明顯擾動。

1.3.2 采樣冗余

為防止發電機PT斷線、同步PT異常、開入量接點接觸不良等原因引起的勵磁系統誤強勵、誤切除等故障［8］，PSVR 100勵磁調節器采用PT雙重化結合雙控制通道交叉接線方式，將發電變壓器組出口開關接點與發電機有功功率采樣值相結合判斷機組并網/空載狀態等冗余采樣技術，有效提高了容錯性。

1.3.3 實時自檢技術

在采用軟件、硬件看門狗監視CPU運行工況等常規的自檢技術之外，PSVR 100勵磁調節器進行了如下實時自檢:

(1)FPGA芯片與MPC 8247芯片互相實時監視，在檢查到對方故障時，發出本通道故障信號并及時切換到熱備用通道。

(2)實時回讀發給功率器件的觸發脈沖信號，在回讀信號偏離設定值達到一定范圍時，閉鎖本通道的觸發脈沖，切換到備用通道。

(3)采用專用單片機芯片實時監測主板5 V，12 V電源電壓值，在電壓值越界后，判定本通道電源故障，切換到熱備用通道。

(4)實時監測開出繼電器前級光耦信號，在檢測到光耦信號異常后，閉鎖本通道開出，進行通道切換。

2 PSVR 100勵磁調節器的應用

2.1 應用于自并勵磁系統

PSVR 100勵磁調節器應用于自并勵系統的示意圖如圖10所示，PSVR 100采用圖11所示的并聯校正傳遞函數。

圖12為某電廠自并勵系統零起升壓以及空載10%階躍響應試驗機端電壓的錄波圖。發電機PT變比為6300 V/105 V。

表1、表2為圖12相應試驗的計算指標，均滿足自并勵系統試驗要求［9－11］。

表1 某自并勵系統零起升壓指標 %

表2 某自并勵系統空載10%階躍響應指標

2.2 應用于三機及三機無刷勵磁系統

PSVR 100調節器應用于三機及三機無刷勵磁系統示意圖如圖13所示。

針對三機及三機無刷勵磁系統，PSVR 100調節器采用圖14所示的串聯校正傳遞函數，采用發電機轉子電壓或勵磁機磁場電流構成負反饋，減小勵磁機時間常數，提高勵磁系統的動態響應速度。

圖15為某三機勵磁系統轉子電壓負反饋試驗轉子電壓以及空載5%階躍響應試驗機端電壓的錄波圖。發電機PT變比為18 kV/100 V。

分析圖15a可知，引入轉子電壓負反饋后，勵磁機的等效時間常數明顯減小。

表3為圖15b階躍響應試驗的計算指標，滿足三機勵磁系統試驗要求［9－11］。

2.3 應用情況總結

PSVR 100勵磁調節器應用于自并勵勵磁和汽輪發電機三機(含三機無刷)勵磁這2種主要勵磁系統，各試驗結果均滿足相關國家和行業標準的要求。

表3 某三機系統空載5%階躍響應指標

在各電廠實際運行的過程中，PSVR 100勵磁調節器檢測出多起發電機PT斷線、發電機滅磁開關接點接觸不良等異常情況，均準確動作，保證了勵磁系統正常運行，極大地提高了機組運行的安全性。

3 結論

國電南自PSVR 100勵磁調節器采用32位雙核處理器MPC 8247+FPGA的CPU架構，為調節器高運算速度、高可靠性提供了硬件保障。在軟件設計上，PSVR 100調節器引入VxWorks嵌入式實時操作系統，保證了勵磁應用軟件的實時性、簡化了軟件的開發過程并且提高了可移植性;采用圖形化編程方法，提高了工程應用過程中軟件修改的可靠性。PSVR 100調節器采用通道冗余、采樣冗余、多重實時自檢等技術，提高了勵磁系統的可靠性。

PSVR 100勵磁調節器應用于自并勵勵磁系統、汽輪發電機三機(含三機無刷)勵磁系統這2種主要勵磁系統上，都可以獲得優良的控制指標和很高的可靠性。

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