聶紅偉，廖紅星，程詩佳，張丹紅

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基于DDS技術(shù)的發(fā)電機并網(wǎng)模擬系統(tǒng)設(shè)計

聶紅偉1，廖紅星1，程詩佳2，張丹紅2

(1. 中核武漢核電運行技術(shù)股份有限公司，武漢 430223 ；2. 武漢理工大學自動化學院，武漢 430070)

針對目前發(fā)電機并網(wǎng)培訓(xùn)的需要，采用意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的32位低功耗單片機STM32F103和DDS芯片AD9832設(shè)計正弦信號發(fā)生電路，與上位機和同期表一起構(gòu)成發(fā)電機并網(wǎng)模擬系統(tǒng)。首先根據(jù)同期表的使用方法，提出系統(tǒng)總體設(shè)計方案。然后詳細描述AD9832的工作原理和以AD9832為核心的正弦波發(fā)生電路，給出了系統(tǒng)的主程序流程圖。使用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、操作簡單等特點。

直接數(shù)字頻率合成 單片機 同期表 發(fā)電機并網(wǎng)

0 引言

由于電網(wǎng)運行的需要，發(fā)電機并網(wǎng)操作幾乎每天都在進行，并網(wǎng)操作分為自動準同期并網(wǎng)與手動準同期并網(wǎng)[1-2]，前者由自動準同期裝置控制，出錯率較低；而后者為人工操作，需要借助同期表的指示選擇并網(wǎng)的時機，若并網(wǎng)時機選擇不對，并網(wǎng)將無法正常進行，會對電力系統(tǒng)的正常運行造成嚴重危害。熟練掌握同期表的使用方法，選擇并網(wǎng)合閘的時刻，是成功進行并網(wǎng)的關(guān)鍵所在。

本文介紹基于直接數(shù)字頻率合成（DDS）專用芯片[3-4]AD9832設(shè)計的發(fā)電機并網(wǎng)模擬系統(tǒng)，可應(yīng)用于發(fā)電廠，供操作人員培訓(xùn)使用。該系統(tǒng)可產(chǎn)生兩路可調(diào)正弦波電壓，分別模擬電網(wǎng)端電壓與發(fā)電機端電壓。操作人員通過該系統(tǒng)學習同期表的使用方法，熟悉并網(wǎng)操作規(guī)程，減少實際并網(wǎng)中誤操作的概率。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能

同期表是由頻率差指示、電壓差指示和同期指示三個測量和指示機構(gòu)組成的儀表，是用于將發(fā)電機頻率、電壓、相位與電網(wǎng)參數(shù)進行對比的表計。發(fā)電機并網(wǎng)操作大量使用MZ10型同期表作為同期指示。它具有三個輸入端口，其中一個端口接待并發(fā)電機，另外兩個端口均接入電網(wǎng)，只是接入的時機不一樣。在粗調(diào)階段兩個端口中標有A0、B0的端口接入電網(wǎng)，粗調(diào)完成進入細調(diào)時，在標有A0、B0的端口繼續(xù)接入電網(wǎng)的同時，另外一個端口接入電網(wǎng)。根據(jù)MZ10的工作原理，單相的MZ10需要兩路頻率、幅值、相位可調(diào)正弦電壓?；诖?，設(shè)計了一塊控制板，產(chǎn)生兩路頻率、幅值、相位可調(diào)的正弦波，分別模擬電網(wǎng)電壓和發(fā)電機端電壓?？刂瓢迳系?個繼電器S1、S2和S3，控制兩路正弦波是否與MZ10的對應(yīng)端子相連?？刂瓢?、上位機和同期表共同構(gòu)成了發(fā)電機并網(wǎng)模擬系統(tǒng)，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

控制板的核心為ST公司生產(chǎn)的單片機[5]STM32F103，內(nèi)嵌ARM 32位Cortex-M3 CPU,最高工作頻率達72MHz，最高指令執(zhí)行速度1.25DMIPS/MHz，高性能、低成本、低功耗及其豐富的外設(shè)資源給設(shè)計帶來很大方便。正弦波產(chǎn)生電路為兩片DDS芯片AD9832，通過控制字可改變正弦波的頻率和相位。借助STM32F103內(nèi)部集成的DAC模塊給AD9832提供參考電壓，實現(xiàn)對正弦波幅值的控制。DDS芯片AD9832及其附屬電路所產(chǎn)生的正弦波經(jīng)低通濾波器、電壓放大器、功率放大器和變壓器的變換后，變成能驅(qū)動同期表MZ10的信號。三路繼電器S1、S2、S3的開閉控制2路正弦信號是否輸出到同期表。

上位機通過RS-485總線與控制板相連，將操作人員的操作指令發(fā)送給控制板，控制A、B兩路正弦信號發(fā)生電路產(chǎn)生的正弦電壓的幅值、頻率和相位。同時控制三路繼電器S1、S2和S3的開閉。因為一臺上位機要通過RS-485總線與多個控制板相連，所以控制板上設(shè)置撥碼開關(guān)用以指定控制板的地址，以便上位機識別控制板。

2 正弦波發(fā)生電路

2.1 AD9832芯片工作原理

直接數(shù)字頻率合成（DDS）是一種新的頻率合成技術(shù)和信號產(chǎn)生方法，具有高速頻率轉(zhuǎn)換、高分辨率、高穩(wěn)定度、低相位噪聲、良好的相位連續(xù)輸出信號易數(shù)字式調(diào)制等特點，因而得到廣泛的應(yīng)用。

主要由數(shù)控振蕩器（NCO）、相位調(diào)制器、正弦查詢表（LUT）以及一個10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）組成。其中數(shù)控振蕩器和相位調(diào)制器包括兩個32位頻率寄存器FREQ0和FREQ1、一個32位相位累加器和四個12位相位寄存器PHASE0、PHASE1、PHASE2和PHASE3。通過外部引腳FSELECT或內(nèi)部寄存器中的FSELECT位來控制兩組頻率寄存器，改變頻率寄存器的值，從而產(chǎn)生不同頻率的正弦波，其工作原理框圖如圖2所示。

圖2 AD9832工作原理框圖

采用32位二進制累加器，具有很高的分辨精度，頻率最小分辨率為

輸出正弦波的相移角度通過向四個12位相位寄存器寫入相位控制碼來調(diào)整，精度達到0.001533°，其計算公式如下。

此外，通過芯片手冊介紹，可以知道，輸出端是一個高阻抗電流源，要生成電壓信號，必須串聯(lián)一個負載電阻并接地，其典型值為300Ω。根據(jù)DAC滿度電流調(diào)制公式

2.2信號發(fā)生電路設(shè)計

為了降低輸出噪聲，模擬電壓AVCC和數(shù)字電壓VCC是隔開的，都加有退耦電容；模擬地GND_A和數(shù)字地GND也是分開的，在進行PCB布局時兩者要分別走線，只在一點相連，保證數(shù)字回流不干擾模擬輸出的穩(wěn)定。串口信號線如SCLK，SDATA等應(yīng)避免從芯片下面通過，以減少這些高速跳變的數(shù)字信號攜帶的高次諧波影響模擬輸出。

圖3 正弦信號發(fā)生電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要由單片機STM32F103外設(shè)初始化程序、AD9832初始化程序、命令接收程序及定時器中斷保護程序組成。主程序流程圖如圖4所示。

外設(shè)初始化包括通用I/O口配置，系統(tǒng)時鐘、串口、定時器、看門狗使能等。AD9832初始化主要是配置控制寄存器，完成對頻率及相位寄存器的設(shè)置。上電后，芯片應(yīng)首先復(fù)位，相位累加器清零，為了避免內(nèi)部DAC產(chǎn)生虛假輸出，AD9832芯片在初始化時，SLEEP及RESET要一直保持高電平，直到芯片準備好輸出為止。設(shè)置CLR位為高電平可以置零SYNC和SELSRC。如果將SYNC和SELSRC置1，表示同步讀取數(shù)據(jù)及使用寄存器的位來選擇頻率寄存器和相位寄存器，SELSRC置0表示使用外部引腳來選擇頻率寄存器和相位寄存器。向所選擇的頻率及相位寄存器寫入控制字后使能芯片工作，在6個系統(tǒng)時鐘周期后開始一個新的輸出。

圖4 主程序流程圖

初始化完成后系統(tǒng)即進入了正常工作狀態(tài)，采用查詢方式等待上位機發(fā)送命令，每幀命令由8個字節(jié)組成，包括幀頭、地址、相應(yīng)控制命令和幀尾等。當成功接收到第一個字節(jié)，將其裝入數(shù)據(jù)緩沖器，數(shù)據(jù)接收計數(shù)器Count自動加1，并且開啟中斷周期為500 ms的定時器，隨后繼續(xù)查詢等待第二個字節(jié)的接收，直到對第八個字節(jié)的接收成功，激活命令執(zhí)行標志位，然后根據(jù)數(shù)組緩沖器中存儲的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作，執(zhí)行完操作后將標志位清零。若對于其中任意連續(xù)的兩個字節(jié)之間的接收等待時間超過500ms，定時器進入中斷，對計數(shù)器清零并且關(guān)閉定時器，表示系統(tǒng)放棄對該幀的接收，程序回到最初查詢接收狀態(tài)，等待新一幀數(shù)據(jù)的到來。

4 實驗結(jié)果

系統(tǒng)上電后，通過單片機STM32F103控制兩片AD9832產(chǎn)生兩路正弦電壓，波形如圖5所示。從圖5可以看出，信號未出現(xiàn)明顯失真，波形完整，并且可以任意改變A路和B路正弦波的頻率及幅值，達到了預(yù)期設(shè)計要求。

（a）初始化波形

(b) 改變A路頻率及幅值

(c)改變B路頻率及幅值

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的發(fā)電機并網(wǎng)模擬系統(tǒng)，以單片機STM32F103作為主控芯片，發(fā)揮了該芯片強大的數(shù)據(jù)處理及實時控制功能，充分利用了其豐富的外設(shè)資源，簡化了控制結(jié)構(gòu)。采用具有高穩(wěn)定性、高分辨率DDS信號發(fā)生芯片AD9832，能準確模擬發(fā)電機并網(wǎng)中的正弦信號。經(jīng)在發(fā)電廠現(xiàn)場調(diào)試和實際使用，結(jié)果表明該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、操作簡單等特點，能較好地達到對操作人員培訓(xùn)的目標，讓操作人員熟練掌握同期表的使用方法，進行并網(wǎng)操作，減少因操作不當而造成的并網(wǎng)事故，具有十分重要的現(xiàn)實意義。

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[2] 孟祥忠, 王博. 電力系統(tǒng)自動化[M]. 北京: 北京大學出版社, 2006.

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Design of Grid Connection Simulation System of Generator Based on DDS Technology

Nie Hongwei1, Liao Hongxing1, Cheng Shijia2, Zhang Danhong2

(1.China Nuclear Power Operation Technology Cooperation Ltd., Wuhan 430223, China; 2.School of Automation ,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

TM302

A

1003-4862（2014）06-0010-04

2013-09-27

湖北省自然科學基金資助（2013CFB335）

聶紅偉（1979-），男，碩士，工程師。研究方向：核電過程及其控制系統(tǒng)模擬。