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(diào)節(jié)作為發(fā)電機(jī)的重要輔助設(shè)備，不僅可以提高發(fā)電機(jī)功率極限和電力系統(tǒng)傳輸功率的能力、改善電力系統(tǒng)及同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，而且直接關(guān)乎電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的能力和經(jīng)濟(jì)價值。本文介紹了新一代采用積木式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性較高的冗余式雙機(jī)熱備勵磁調(diào)節(jié)器，主要采用ARM+FPGA組成核心控制單元，結(jié)合嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)Vxworks的設(shè)計(jì)方案，具備較強(qiáng)的以太網(wǎng)通信功能，能夠滿足當(dāng)前對勵磁調(diào)節(jié)器的發(fā)展要求。設(shè)計(jì)圍繞同步發(fā)電機(jī)勵磁調(diào)節(jié)控制的基本理論展開，采用32 bit ARM處理器，運(yùn)用嵌入式構(gòu)架的軟硬件設(shè)計(jì)，將可預(yù)見的勵磁發(fā)展前景運(yùn)用其中，使產(chǎn)品的淘汰周期大大延長。近年來其在各梯級水電站的實(shí)際投運(yùn)中，滿足發(fā)電機(jī)單機(jī)或并網(wǎng)運(yùn)行的要求，得到了用戶的好評。

1 發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)介紹

目前在水力、火力發(fā)電廠，同步發(fā)電機(jī)普遍采用的是自并勵直流勵磁系統(tǒng)，勵磁原理框圖如圖1所示。其原理如下:由勵磁變(T)采集發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，經(jīng)過降壓整流后作為勵磁電流的直流電源，同時作為數(shù)字移相觸發(fā)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(gòu)成勵磁系統(tǒng)的功率柜，在為發(fā)電機(jī)提供直流的勵磁電流的同時，還可滿足電動機(jī)在停機(jī)或故障狀態(tài)下的順利滅磁;電壓電流互感器(PT、CT)主要用來采集機(jī)端定子電壓和定子電流供給勵磁調(diào)節(jié)器(AVR);由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成的AVR單元主要完成相關(guān)電信號的采集、分析和處理，并通過控制算法，實(shí)時調(diào)整脈沖觸發(fā)角度，實(shí)現(xiàn)勵磁電流的可控，從而達(dá)到實(shí)時調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

圖1 自并勵勵磁系統(tǒng)原理框圖

2 雙機(jī)熱備勵磁調(diào)節(jié)器的總體設(shè)計(jì)

雙機(jī)熱備勵磁調(diào)節(jié)器適用多種晶閘管勵磁控制方式，本系統(tǒng)主要針對目前適用較廣泛且動態(tài)優(yōu)良的自并勵同步發(fā)電機(jī)晶閘管勵磁系統(tǒng)。雙機(jī)熱備勵磁調(diào)節(jié)器為一臺發(fā)電機(jī)配備2套勵磁調(diào)節(jié)器，分主套和從套兩個單元并機(jī)冗余運(yùn)行模式，由主套裝置的脈沖觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通，兩套裝置通過自身的核心控制進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、邏輯仲裁，實(shí)現(xiàn)脈沖的互鎖，即雙通道冗余設(shè)計(jì)，其框圖見圖2。

圖2 雙機(jī)熱備冗余結(jié)構(gòu)框圖

勵磁調(diào)節(jié)器的雙機(jī)熱備工作原理如下:勵磁調(diào)節(jié)器上電工作后，兩套勵磁調(diào)節(jié)器采用搶先占用模式，自主設(shè)定為主機(jī)(假定為A機(jī))，另一套則為熱備機(jī)(假定為B機(jī))。兩套勵磁調(diào)節(jié)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(jì)算，但只有A套機(jī)計(jì)算出來的控制角度脈沖，經(jīng)隔離放大整形后實(shí)現(xiàn)功率柜晶閘管的整波，B套機(jī)計(jì)算出的控制角度脈沖被閉鎖。只有A套機(jī)出現(xiàn)故障，發(fā)出故障信號給B套機(jī)，同時B套機(jī)檢測到A套故障信號或手動切換B套為主機(jī)時，B套機(jī)將接替A套機(jī)成為主機(jī)運(yùn)行，其觸發(fā)脈沖將取代A套脈沖輸出實(shí)現(xiàn)晶閘管的整波，同時A套自動閉鎖，這樣可繼續(xù)對發(fā)電機(jī)進(jìn)行勵磁工作，使發(fā)電機(jī)不會因其中一套勵磁調(diào)節(jié)器出現(xiàn)故障而停機(jī)，使發(fā)電機(jī)不間斷運(yùn)行，同時可對故障勵磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行維護(hù)和修復(fù)。

勵磁調(diào)節(jié)器采用積木式板件結(jié)構(gòu)，由電源板、CPU板、模擬量板、開關(guān)量板、同步板、脈沖放大板等構(gòu)成發(fā)電機(jī)雙機(jī)熱備勵磁調(diào)節(jié)器。勵磁控制系統(tǒng)總框圖如圖3所示。電源板采用專業(yè)的電源生產(chǎn)廠家定做，分系統(tǒng)電源和脈沖電源，系統(tǒng)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(diào)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(diào)整，以滿足A/D數(shù)據(jù)的采樣量程。開關(guān)量板主要完成信號的開入和開出，采用光電隔離器件實(shí)現(xiàn)板件和外部信號的隔離。CPU板是勵磁調(diào)節(jié)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(fā)電機(jī)電參數(shù)的測量及勵磁調(diào)節(jié)控制輸出，實(shí)現(xiàn)勵磁調(diào)節(jié)的優(yōu)良控制。脈沖板實(shí)現(xiàn)脈沖的放大調(diào)整和脈沖故障監(jiān)測，同時實(shí)現(xiàn)雙套脈沖的故障切換，功率柜采用全控橋?qū)崿F(xiàn)交流整波。

圖3 發(fā)電機(jī)雙機(jī)熱備勵磁調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)框圖

3 雙機(jī)熱備勵磁調(diào)節(jié)器的主要控制實(shí)現(xiàn)

勵磁調(diào)節(jié)控制的核心單元是CPU板，主要完成發(fā)電機(jī)勵磁系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的測量、通信及移相觸發(fā)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(yè)控制系統(tǒng)的處理器，可進(jìn)行嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)VxWorks設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)交流采樣

本文采用交流采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的機(jī)端電壓、定子電流、轉(zhuǎn)子電流等電參量的采集。以AT91RM9200控制器為核心，采用FPGA強(qiáng)大的邏輯功能實(shí)現(xiàn)A/D控制信號的邏輯時序，最終由AT91RM9200控制A/D完成數(shù)據(jù)的采集。采樣模塊采用的是A/D公司生產(chǎn)的16 bit真雙極性、多通道模數(shù)轉(zhuǎn)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(dá)8 MHz的信號。信號輸入部分結(jié)合Maxim公司的MAX309多路開關(guān)，對三相電壓和三相電流進(jìn)行同步采樣，保證了功率測量的準(zhǔn)確性。

3.2 對外通信

勵磁調(diào)節(jié)器通信部分包括雙套之間的通信，以及與后臺PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換，分別涉及了以太網(wǎng)、CAN網(wǎng)和RS-485總線的數(shù)據(jù)通信接口。雙套微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器之間處于主機(jī)和從機(jī)的從屬模式，必須實(shí)時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換，為此采用了數(shù)據(jù)傳輸率高，抗干擾強(qiáng)的雙CAN(Controller Area Network)通信。CAN控制器采用Philips的獨(dú)立CAN控制器SJA1000芯片，AT91RM9200控制器通過讀、寫外部數(shù)據(jù)存儲器的形式來訪問SJA1000，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。CAN收發(fā)器采用Philips的PCA82C250，實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)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(fā)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(wǎng)絡(luò)，提供高達(dá)1 Mb/s的傳輸速度。

勵磁系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化是以后的發(fā)展趨勢，強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能可方便的與上位機(jī)及各種DCS系統(tǒng)通信，最終實(shí)現(xiàn)勵磁系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制。實(shí)時嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks的采用，大大簡化了網(wǎng)絡(luò)層程序的設(shè)計(jì)。AT91RM9200T內(nèi)嵌了一個以太網(wǎng)控制器，但未提供物理層接口，需外接一片物理層芯片實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通信。常用的10 M/100 M以太網(wǎng)物理層器件主要有 RTL8201、DM9161，均提供MII接口和傳統(tǒng)7線制網(wǎng)絡(luò)接口。本系統(tǒng)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(fā)送和接收通過網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器和網(wǎng)絡(luò)水晶接頭RJ45接口并網(wǎng)，方便地實(shí)現(xiàn)了裝置與后臺的通信。

3.3 全控橋的數(shù)字移相觸發(fā)控制

勵磁調(diào)節(jié)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(yōu)于半控橋，而且動態(tài)特性也較好，不僅可以完成交、直流轉(zhuǎn)換的任務(wù)，還可以在正常停機(jī)或故障跳閘時將儲存在電機(jī)勵磁繞組磁場中的能量，經(jīng)全控橋迅速反饋回交流電源，即進(jìn)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(dǎo)通，采用數(shù)字移相觸發(fā)脈沖來實(shí)現(xiàn)。三相全控整流橋的觸發(fā)電路主要功能是根據(jù)同步電路獲得的同步信號，以及給定的觸發(fā)角實(shí)現(xiàn)對晶閘管的數(shù)字移相控制。按圖示的順序可知道晶閘管的導(dǎo)通順序依次為VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1，從而可知觸發(fā)脈沖的順序?yàn)锳+，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(guān)系可以導(dǎo)出在感性負(fù)載時滿足:

式中:UL——變壓器二次側(cè)線電壓;

α——觸發(fā)角度。

由式(2)進(jìn)行計(jì)算，就可由控制電壓得到觸發(fā)角α，一般情況下，根據(jù)實(shí)時性要求，對 α=進(jìn)行離散化計(jì)算，可得一張控制電壓與觸發(fā)角的關(guān)系表，根據(jù)PID計(jì)算的結(jié)果，進(jìn)行快速查表求得觸發(fā)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(fā)角的大小實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)α∈(0°，90°)時，整流橋處于整流狀態(tài)，當(dāng) α∈(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可順利起動，實(shí)現(xiàn)晶閘管的觸發(fā)換流，必須保證晶閘管每周期導(dǎo)通的起始點(diǎn)即觸發(fā)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(fù)向電壓)期間，在控制極上加觸發(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一只處于導(dǎo)通狀態(tài)，即如果一個觸發(fā)脈沖加至共陰極組的一個元件，則另一觸發(fā)脈沖加至共陽極組中的前一個元件。因此，觸發(fā)脈沖要適應(yīng)全控橋電路的要求，滿足6個晶閘管按序?qū)?，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(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(bǔ)發(fā)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(fā)。用雙窄脈沖觸發(fā)，在一個周期內(nèi)對每個晶閘管需要連續(xù)觸發(fā)兩次，他們的間隔為60°。由于雙窄脈沖觸發(fā)可減小觸發(fā)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(shù)字移相技術(shù)實(shí)現(xiàn)，原理框圖見圖5。

圖5 數(shù)字移相觸發(fā)原理

勵磁調(diào)節(jié)器六路雙窄脈沖的數(shù)字移相觸發(fā)目前采用較多的是可編程定時計(jì)數(shù)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(shí)現(xiàn)上采用軟件的開發(fā)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(shù)字移相脈沖觸發(fā)，具有脈沖穩(wěn)定好、可靠性高的特點(diǎn)。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(fā)源，每個同步信號產(chǎn)生后，由FPGA接收來自AT91RM9200T構(gòu)成的核心控制單元輸出的控制信號，通過脈沖計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)個數(shù)為N，則移相角α的脈沖數(shù)是αN/360個，從而實(shí)現(xiàn)延遲α角的雙窄觸發(fā)脈沖。由全控橋的輸出電壓與控制角的關(guān)系可知，發(fā)電機(jī)的勵磁調(diào)節(jié)就是通過改變α的大小，來實(shí)現(xiàn)改變輸出電壓、功率的目的。

3.4 試驗(yàn)波形及分析

通過示波器測得的一組雙窄觸發(fā)脈沖波形試驗(yàn)波形如圖6所示。由于示波器的通道數(shù)有限，只能測量一組波形，圖中給出了當(dāng)α=30°、60°、90°、150°時的四組圖像采集，其中 CH1 是A相同步電壓調(diào)整后的波形，CH2是觸發(fā)脈沖A+經(jīng)放大后的波形。由晶閘管導(dǎo)通的順序及雙窄脈沖形成的原理，C－的觸發(fā)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(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了數(shù)字移相的正確性，達(dá)到實(shí)際設(shè)計(jì)效果。

圖6 不同角度的移相觸發(fā)脈沖試驗(yàn)波形

4 勵磁調(diào)節(jié)器的軟件實(shí)現(xiàn)

雙機(jī)熱備勵磁調(diào)節(jié)器的軟件包括三個方面:嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks、人機(jī)交互程序及勵磁應(yīng)用程序。

嵌入式操作系統(tǒng)Vxworks部分包括操作系統(tǒng)本體，以及硬件底層驅(qū)動、系統(tǒng)任務(wù)配置、系統(tǒng)中斷配置等。使用嵌入式操作系統(tǒng)提高了代碼移植性。實(shí)時系統(tǒng)具有快速可靠的中斷響應(yīng)，保證了勵磁程序的高效率運(yùn)行。多任務(wù)環(huán)境允許一個實(shí)時應(yīng)用作為一系列獨(dú)立任務(wù)來運(yùn)行，各任務(wù)有各自的線程和系統(tǒng)資源，合理安排了勵磁控制外圍程序的運(yùn)行。這種軟件構(gòu)架保證了系統(tǒng)和勵磁控制程序的安全性和可靠性。

人機(jī)交互的核心程序位于通信報文處理任務(wù)中。該任務(wù)和網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)、RS-485通信任務(wù)一起構(gòu)成了整個人機(jī)交互的下位機(jī)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)通信任務(wù)、RS-485通信任務(wù)接收到上位機(jī)發(fā)出的指令后，將指令發(fā)送到共同的消息隊(duì)列中，通信報文處理任務(wù)從消息隊(duì)列中逐條取出并處理。

勵磁應(yīng)用程序包括兩個部分:主程序和控制調(diào)節(jié)程序。主程序放置于主任務(wù)中，完成勵磁應(yīng)用程序的初始化，以及機(jī)組狀態(tài)的判斷等功能;控制調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)功能，確保了控制調(diào)節(jié)的快速和精度。

5 結(jié)語

本文在雙機(jī)熱備勵磁調(diào)節(jié)器研制的基礎(chǔ)上，結(jié)合發(fā)電機(jī)勵磁的基本原理，概述了微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器的基本框架，適用于同步發(fā)電機(jī)各種直流勵磁系統(tǒng)。在硬件結(jié)構(gòu)上采用冗余設(shè)計(jì)的雙通道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了雙機(jī)熱備切換，有效保障了發(fā)電機(jī)勵磁的穩(wěn)定性和可靠性。在介紹勵磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)下，引出本文介紹的采用AT91RM9200微處理器運(yùn)行嵌入式Vxworks系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對整個系統(tǒng)的控制。限于篇幅，軟件部分概述了設(shè)計(jì)的基本實(shí)現(xiàn)方法，略去了裝置的抗干擾措施。通過實(shí)際投運(yùn)，論證了裝置穩(wěn)定運(yùn)行的可行性。這種采用新器件實(shí)現(xiàn)的新系統(tǒng)，對產(chǎn)品升級及新一輪數(shù)字勵磁調(diào)節(jié)裝置的研發(fā)具有實(shí)際的參考意義。

[1]樊俊.同步發(fā)電機(jī)半導(dǎo)體勵磁原理及應(yīng)用[M].北京:水利電力出版社，2002.

[2]王柯.基于DSP的同步發(fā)電機(jī)雙微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)器研究[D].西安:西安理工大學(xué)，2005.

[3]徐科，竇小波.基于ARM和VxWorks的新型發(fā)電機(jī)微機(jī)勵磁調(diào)節(jié)裝置[J].電力自動化設(shè)備，2007(3):73-76.

[4]陳利芳.淺談自并勵勵磁系統(tǒng)在大容量機(jī)組中的應(yīng)用[J].繼電器，2007，35(1):81-84.

[5]黨瑞榮，湯小松.基于AD7656的高性能輸電線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)量與測試技術(shù)，2008，35(9):8-10.

[6]崔成旺.基于CAN總線的智能化勵磁功率柜的研究[D].天津:天津大學(xué)，2007.

[7]田勇，丁世勇.關(guān)于大中型汽輪發(fā)電機(jī)自并勵靜止勵磁系統(tǒng)問的討論[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36(19):61-62.

[8]梁朝.基于CPLD的數(shù)字移相觸發(fā)單元設(shè)計(jì)[J].電力自動化設(shè)備，2004，24(12):56-58.

[9]邵國君.基于FPGA的數(shù)字移相觸發(fā)系統(tǒng)[J].微處理機(jī)，2008，4(2):33-35.