基于嵌入式處理器的同步發電機雙機熱備勵磁調節器的設計

袁 寧，劉 培，江忠龍

(國電南瑞科技股份有限公司，江蘇南京 210061)

0 引言

勵磁調節作為發電機的重要輔助設備，不僅可以提高發電機功率極限和電力系統傳輸功率的能力、改善電力系統及同步發電機的運行狀態，而且直接關乎電力系統穩定運行的能力和經濟價值。本文介紹了新一代采用積木式系統設計的可靠性較高的冗余式雙機熱備勵磁調節器，主要采用ARM+FPGA組成核心控制單元，結合嵌入式實時操作系統Vxworks的設計方案，具備較強的以太網通信功能，能夠滿足當前對勵磁調節器的發展要求。設計圍繞同步發電機勵磁調節控制的基本理論展開，采用32 bit ARM處理器，運用嵌入式構架的軟硬件設計，將可預見的勵磁發展前景運用其中，使產品的淘汰周期大大延長。近年來其在各梯級水電站的實際投運中，滿足發電機單機或并網運行的要求，得到了用戶的好評。

1 發電機勵磁系統介紹

目前在水力、火力發電廠，同步發電機普遍采用的是自并勵直流勵磁系統，勵磁原理框圖如圖1所示。其原理如下:由勵磁變(T)采集發電機機端電壓，經過降壓整流后作為勵磁電流的直流電源，同時作為數字移相觸發模塊的同步信號;晶閘管整流橋(RT)由晶閘管組成的三相橋式全控整流電路構成勵磁系統的功率柜，在為發電機提供直流的勵磁電流的同時，還可滿足電動機在停機或故障狀態下的順利滅磁;電壓電流互感器(PT、CT)主要用來采集機端定子電壓和定子電流供給勵磁調節器(AVR);由嵌入式系統構成的AVR單元主要完成相關電信號的采集、分析和處理，并通過控制算法，實時調整脈沖觸發角度，實現勵磁電流的可控，從而達到實時調節發電機機端電壓，提高電力系統的穩定運行。

圖1 自并勵勵磁系統原理框圖

2 雙機熱備勵磁調節器的總體設計

雙機熱備勵磁調節器適用多種晶閘管勵磁控制方式，本系統主要針對目前適用較廣泛且動態優良的自并勵同步發電機晶閘管勵磁系統。雙機熱備勵磁調節器為一臺發電機配備2套勵磁調節器，分主套和從套兩個單元并機冗余運行模式，由主套裝置的脈沖觸發晶閘管導通，兩套裝置通過自身的核心控制進行狀態監測、邏輯仲裁，實現脈沖的互鎖，即雙通道冗余設計，其框圖見圖2。

圖2 雙機熱備冗余結構框圖

勵磁調節器的雙機熱備工作原理如下:勵磁調節器上電工作后，兩套勵磁調節器采用搶先占用模式，自主設定為主機(假定為A機)，另一套則為熱備機(假定為B機)。兩套勵磁調節同時處理相同的開入量和模擬量等電信號，并完成控制角度的計算，但只有A套機計算出來的控制角度脈沖，經隔離放大整形后實現功率柜晶閘管的整波，B套機計算出的控制角度脈沖被閉鎖。只有A套機出現故障，發出故障信號給B套機，同時B套機檢測到A套故障信號或手動切換B套為主機時，B套機將接替A套機成為主機運行，其觸發脈沖將取代A套脈沖輸出實現晶閘管的整波，同時A套自動閉鎖，這樣可繼續對發電機進行勵磁工作，使發電機不會因其中一套勵磁調節器出現故障而停機，使發電機不間斷運行，同時可對故障勵磁調節器進行維護和修復。

勵磁調節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、脈沖放大板等構成發電機雙機熱備勵磁調節器。勵磁控制系統總框圖如圖3所示。電源板采用專業的電源生產廠家定做，分系統電源和脈沖電源，系統電源滿足輸入交直流220 V或110 V，直接輸出電源±12 V，5 V雙路輸出。脈沖電源提供±24 V電源輸出，主要為脈沖板提供脈沖調整的放大電源。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數據的采樣量程。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板是勵磁調節器的核心單元，控制器選用ATMEL公司的32 bit處理器AT91RM9200及FPGA芯片完成發電機電參數的測量及勵磁調節控制輸出，實現勵磁調節的優良控制。脈沖板實現脈沖的放大調整和脈沖故障監測，同時實現雙套脈沖的故障切換，功率柜采用全控橋實現交流整波。

圖3 發電機雙機熱備勵磁調節控制系統框圖

3 雙機熱備勵磁調節器的主要控制實現

勵磁調節控制的核心單元是CPU板，主要完成發電機勵磁系統相關參數的測量、通信及移相觸發控制。選用了32 bit的AT91RM9200，是一款高性能、低價位、基于嵌入式工業控制系統的處理器，可進行嵌入式實時操作系統VxWorks設計。

3.1 數據交流采樣

本文采用交流采樣技術實現發電機的機端電壓、定子電流、轉子電流等電參量的采集。以AT91RM9200控制器為核心，采用FPGA強大的邏輯功能實現A/D控制信號的邏輯時序，最終由AT91RM9200控制A/D完成數據的采集。采樣模塊采用的是A/D公司生產的16 bit真雙極性、多通道模數轉換器AD7656。該器件僅有160 mW功耗，比最接近的同類雙極性輸入ADC的功耗降低了60%。AD7656包含一個低噪聲、寬帶跟蹤保持放大器，以便處理輸入頻率高達8 MHz的信號。信號輸入部分結合Maxim公司的MAX309多路開關，對三相電壓和三相電流進行同步采樣，保證了功率測量的準確性。

3.2 對外通信

勵磁調節器通信部分包括雙套之間的通信，以及與后臺PC機的數據交換，分別涉及了以太網、CAN網和RS-485總線的數據通信接口。雙套微機勵磁調節器之間處于主機和從機的從屬模式，必須實時實現數據的交換，為此采用了數據傳輸率高，抗干擾強的雙CAN(Controller Area Network)通信。CAN控制器采用Philips的獨立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收發器采用Philips的PCA82C250，實現CAN協議控制器和物理總線之間的接口，此器件對總線提供差動發送能力，對CAN控制器提供差動接收能力，可以同時操作兩個CAN網絡，提供高達1 Mb/s的傳輸速度。

勵磁系統的網絡化是以后的發展趨勢，強大的網絡通信功能可方便的與上位機及各種DCS系統通信，最終實現勵磁系統的網絡化控制。實時嵌入式操作系統Vxworks的采用，大大簡化了網絡層程序的設計。AT91RM9200T內嵌了一個以太網控制器，但未提供物理層接口，需外接一片物理層芯片實現以太網的通信。常用的10 M/100 M以太網物理層器件主要有 RTL8201、DM9161，均提供MII接口和傳統7線制網絡接口。本系統中選用DM9161作為物理層芯片，由于信號定義明確，連接比較簡單。信號的發送和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控制

勵磁調節器的功率柜采用的是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于半控橋，而且動態特性也較好，不僅可以完成交、直流轉換的任務，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，即進行將直流變換為交流的逆變滅磁。常見的三相橋式全控整流電路如圖4所示。為保證全控橋的可控導通，采用數字移相觸發脈沖來實現。三相全控整流橋的觸發電路主要功能是根據同步電路獲得的同步信號，以及給定的觸發角實現對晶閘管的數字移相控制。按圖示的順序可知道晶閘管的導通順序依次為VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1，從而可知觸發脈沖的順序為A+，C －，B+，A－，C+，B －。

圖4 三相全控整流橋

由三相橋式全控整流電路輸出的直流電壓平均值Ud與控制角α之間的關系可以導出在感性負載時滿足:

式中:UL——變壓器二次側線電壓;

α——觸發角度。

由式(2)進行計算，就可由控制電壓得到觸發角α，一般情況下，根據實時性要求，對 α=進行離散化計算，可得一張控制電壓與觸發角的關系表，根據PID計算的結果，進行快速查表求得觸發角α。

由式(1)、式(2)可知，晶閘管整流輸出端電壓的大小靠改變其觸發角的大小實現的。當α∈(0°，90°)時，整流橋處于整流狀態，當 α∈(90°，180°)時，整流橋處于逆變滅磁狀態。

為確保全控橋整流電路可順利起動，實現晶閘管的觸發換流，必須保證晶閘管每周期導通的起始點即觸發延遲角α相同，即都必須在其陽極承受正向電壓(或在陰極承受負向電壓)期間，在控制極上加觸發脈沖，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一只處于導通狀態，即如果一個觸發脈沖加至共陰極組的一個元件，則另一觸發脈沖加至共陽極組中的前一個元件。因此，觸發脈沖要適應全控橋電路的要求，滿足6個晶閘管按序導通，解決辦法有兩種:一種是使每個脈沖的寬度大于60°(一般取60°～80°)，稱寬脈沖觸發;另一種是在觸發N號晶閘管的同時給N-1號晶閘管補發一個脈沖，即用兩個窄寬脈沖等效代替一個寬脈沖，稱雙窄脈沖觸發。用雙窄脈沖觸發，在一個周期內對每個晶閘管需要連續觸發兩次，他們的間隔為60°。由于雙窄脈沖觸發可減小觸發裝置的輸出功率，減小脈沖變壓器的鐵心，使用比較廣泛。目前普遍采用數字移相技術實現，原理框圖見圖5。

圖5 數字移相觸發原理

勵磁調節器六路雙窄脈沖的數字移相觸發目前采用較多的是可編程定時計數器、PWM和FPGA等完成。可編程邏輯芯片可選用的有FPGA和CPLD，在選用原則上FPGA處理速度較快，但時序的可控性較弱。對于時序要求非常高的邏輯控制，如通信電路中的時序傳遞可選用CPLD。在功能實現上采用軟件的開發方法基本相通。選用XILINX公司的FPGA芯片XCS30，采用VHDL語言編程完成數字移相脈沖觸發，具有脈沖穩定好、可靠性高的特點。通過把同步板上同步變壓器采集到的交流同步電壓(Ua、Ub、Uc)整形成方波，作為同步信號送至 FPGA，作為FPGA的觸發源，每個同步信號產生后，由FPGA接收來自AT91RM9200T構成的核心控制單元輸出的控制信號，通過脈沖計數的方式改變移相角α的大小，如同步脈沖頻率50 Hz是固定的，脈沖計數個數為N，則移相角α的脈沖數是αN/360個，從而實現延遲α角的雙窄觸發脈沖。由全控橋的輸出電壓與控制角的關系可知，發電機的勵磁調節就是通過改變α的大小，來實現改變輸出電壓、功率的目的。

3.4 試驗波形及分析

通過示波器測得的一組雙窄觸發脈沖波形試驗波形如圖6所示。由于示波器的通道數有限，只能測量一組波形，圖中給出了當α=30°、60°、90°、150°時的四組圖像采集，其中 CH1 是A相同步電壓調整后的波形，CH2是觸發脈沖A+經放大后的波形。由晶閘管導通的順序及雙窄脈沖形成的原理，C－的觸發脈沖在A+脈沖移相60°后與A+是完全相同的脈沖，其他各序脈沖(B+，A－，C+，B －)依次移相60°。通過實際的試驗驗證，證明了數字移相的正確性，達到實際設計效果。

圖6 不同角度的移相觸發脈沖試驗波形

4 勵磁調節器的軟件實現

雙機熱備勵磁調節器的軟件包括三個方面:嵌入式操作系統Vxworks、人機交互程序及勵磁應用程序。

嵌入式操作系統Vxworks部分包括操作系統本體，以及硬件底層驅動、系統任務配置、系統中斷配置等。使用嵌入式操作系統提高了代碼移植性。實時系統具有快速可靠的中斷響應，保證了勵磁程序的高效率運行。多任務環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資源，合理安排了勵磁控制外圍程序的運行。這種軟件構架保證了系統和勵磁控制程序的安全性和可靠性。

人機交互的核心程序位于通信報文處理任務中。該任務和網絡通信任務、RS-485通信任務一起構成了整個人機交互的下位機系統。網絡通信任務、RS-485通信任務接收到上位機發出的指令后，將指令發送到共同的消息隊列中，通信報文處理任務從消息隊列中逐條取出并處理。

勵磁應用程序包括兩個部分:主程序和控制調節程序。主程序放置于主任務中，完成勵磁應用程序的初始化，以及機組狀態的判斷等功能;控制調節程序放置于3.3 ms中斷中，控制周期為3.3 ms，完成所有的勵磁控制調節功能，確保了控制調節的快速和精度。

5 結語

本文在雙機熱備勵磁調節器研制的基礎上，結合發電機勵磁的基本原理，概述了微機勵磁調節器的基本框架，適用于同步發電機各種直流勵磁系統。在硬件結構上采用冗余設計的雙通道結構，實現了雙機熱備切換，有效保障了發電機勵磁的穩定性和可靠性。在介紹勵磁調節器系統的總體結構下，引出本文介紹的采用AT91RM9200微處理器運行嵌入式Vxworks系統，負責對整個系統的控制。限于篇幅，軟件部分概述了設計的基本實現方法，略去了裝置的抗干擾措施。通過實際投運，論證了裝置穩定運行的可行性。這種采用新器件實現的新系統，對產品升級及新一輪數字勵磁調節裝置的研發具有實際的參考意義。

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