小功率快裝型汽輪發電機組控制器的設計

覃來豐

（艾默生過程控制有限公司，上海201206）

小功率快裝型汽輪發電機組具有成本低、啟動快、安裝調試簡單、應用場合廣泛的特點。隨著節能減排的發展，輸出功率在100～800KW 范圍內的單級沖動式背壓汽輪機，可應用于水泥、鋼鐵、玻璃、化工等過熱蒸汽、飽和蒸汽的余熱發電，以及爐頂煤氣余壓回收（TRT）場合，把生產過程中的大量低溫余熱轉化成電能，具有良好的社會效益和經濟效益[1]。

如果在低蒸汽參數、小功率的場合采用和更大功率機組相同的控制系統，往往成本太高。隨著國內自動化廠商技術的發展，高可靠性、高性價比、可快速開發的產品和服務越來越成熟,結合快裝式汽輪機機組的部件組成和控制要求，如能以經濟的方式完成汽輪機的啟停和運行控制流程，調速性能,以及發電機的同期和并網功能,具有較好的發展前景。

1 功能需求與劃分

汽輪發電機組的監控主要包括汽輪機的監控和發電機的監控兩部分。

汽輪機的監控主要由電液調節系統（DEH）調節調門開度，使蒸汽在轉子上產生的力矩和發電機轉子受到的電磁阻力矩平衡，適應各種工況下發電的轉速和負荷的需求。汽輪機保護系統（ETS）主要包括超速、潤滑油壓、軸承溫度等重要保護信號。小功率的汽機監測儀表（TSI）主要為振動和軸位移較少的幾個測點，可簡化配置采用變送表直接接入ETS，替代框架式可擴展模塊。

發電機控制和保護的基礎是交流電量采集，通過電壓互感器PT 和電流互感器CT，同時高速采集發電機和電網的三相交流電壓u 和一相電流i 瞬時值，計算處理可得到電壓U、電流I、頻率f、功率S 等c 參數。發電機保護可根據需要設置一些簡單的過/欠電壓、過電流、過負荷、逆功率判斷，其它主要保護按需獨立配置。

自動準同期系統(ASS)在收到合閘命令時，采集發電機出口開關（GCB）兩邊的相序，電壓，頻率和相位，給調速器和調壓器發出調整命令，自動尋找最佳合閘時間，發出合閘指令，完成機組并網。HMI 上也可手動進行同期操作[2]。

2 總體設計

綜上所述，如果將汽輪機、發電機、發電機出口開關當作一個整體控制對象考慮，將控制系統和保護系統采用標準化的控制箱集成安裝，形成一個標準化的產品和方案。一個完整的機組控制系統功能結構如圖1 所示。

根據上述功能劃分，交流電頻率和相位采集以及伺服控制為關鍵技術，性能要求也很高。硬件電路需重點對交流信號采集電路、相位測量電路、測頻電路進行設計。結合系統實現的功能，處理信息量大小，最小回路時間等因素，計算相應轉換時間和運算精度，主控CPU 和同期CPU 分開協同處理的方案。

圖1 發電機組控制系統功能框圖

圖2 發電機組控制器（雙CPU）結構原理圖

主CPU 選用英飛凌公司80MHz 以上主頻的16 位單片機，具有數字信號處理功能和強大的事件管理能力，同時它自帶了ModbusRTU 和Modbus TCP 通訊功能。DI、AI、AO、DO、FI 等普通IO 由FPGA 管理，實現對IO 的采集和輸出。同期CPU 采用意法半導體公司的增強型32 位高速單片機STM32F103，它以資源豐富、時鐘高速且指令精簡而著稱。兩個CPU 之間的數據互傳由FPGA 內部的雙口RAM實現。雙口RAM與同期CPU 之間通過SPI 口傳輸數據[3]。

3 主要技術及實現

電壓通道前端電路應選用高性能放大器，以高共模抑制比、高閉環精度和高輸入阻抗將差分信號調理為單信號，并匹配ADC 的量程。考慮低通濾波來濾除信號中的高頻分量，以避免混疊效應對結果產生影響。發電機側和系統側各三相電壓波形六路信號，模數轉換可采用集成6 個獨立ADC 的16 位模數轉換器，可實現高吞吐率和同步采樣功能。通道中的高性能ADC 對高頻噪聲具有較強的抑制作用，可適當簡化濾波電路的設計。電流通道與電壓通道前端電路類似，在電路中加50Ω 的采樣電阻，把電流信號轉化為電壓信號。

相位差的測量是確保控制精度的技術關鍵，其準確度影響了同期合閘的相位角，有功和無功功率的計算。AD 采樣頻率設定為51.2kB，一個周期采樣51200/50=1024 點。相角差測量電路的思路是，將系統電壓和發電機電壓經過電壓變送器變為幅值為+5V 的正弦電壓信號送入電壓模擬量采集電路，從電壓模擬量采集電路再通過過零比較電路得到2 個方波電壓，這2 個方波經過異或電路后得到一系列寬度變化的方波，把該方波信號與CPU 的計數器相連，通過計數器來測量方波的高電平時間，測量結果轉化為角度即所測相位差。

4 軟件結構圖

軟件在硬件平臺的基礎上，實現系統的初始化，中斷響應處理，信號采集與處理，自檢測，通訊功能，以及各種控制保護功能。

主控CPU 的主要任務是運行控制器底層軟件和用戶邏輯組態算法，處理上層組態軟件服務，通過Modbus TCP 或Modbus RTU 將數據與人機界面交互。同期CPU 主要完成同期并網功能，通過采集發電機或者母線側交流信號發出同期并網指令。同時將電壓采樣數據和電流數據一起其它運計算結果數據通過FPGA 模擬的雙口RAM 傳輸給CPU1 進行應用控制。FPGA 實現輸入通道數據的采集和輸出通道指令的輸出，輸入通道設計濾波功能。

同期并網功能，由單獨的STM32 控制器采集控制。前端通過高速采集AD 完成對模擬量的采集，由STM32 完成頻差、相差、壓差等的計算發出同期控制指令，控制同期通道輸出合閘命令。其原理設計如圖3。

同期并網主要是對發電機側和母線側的頻差、相差、壓差的采樣計算。由于電壓調整對其他參數沒有影響，可獨立調整，所以可首先調整電壓，然后進行頻率調整，在頻率滿足精度要求后，就是等待同期點，為了能快速并網，可以將滑差調整的快一些，這個時候需要考慮合閘提前量。確保在同期點合閘，滿足相位差合閘條件[5]。程序主流程圖如圖4。

圖3 同期并網信號原理圖

圖4 同期并網程序流程框圖

5 結論

上述方案可滿足主機廠家對小型發電汽輪機組控制的要求，選用了成熟可靠的方案和平臺，采用通用和可擴展設計，多CPU 設計分散負荷和風險。通過上述設計針對主機廠進行應用場景定制，能提高自動控制集成度，簡化運行操作流程，加快工程實施和調試進度，降低設備采購成本，具有一定的應用前景和經濟價值。