基于嵌入式处理器的同步发电机双机热备励磁调

[摘要] 介绍同步发电机励磁调节控制系统，提出采用32bit微处理器AT91RM9200和FPGA(大规模可编程控制芯片)组成双机热备励磁调节器。围绕励磁调节控制的实现，介绍数字移相脉冲技术实现三相全控桥导通的方法，该方法优于传统的移相脉冲触发，实现了功率柜的可控，软件采用嵌入式操作系统Vxworks，可保证励磁程序的高效率运行。

关键词 同步发电机 励磁调节器 数字移相触发 双机热备

0 引言

随着嵌入式工业控制技术在电力自动化领域的应用，新一代数字化励磁调节器应运而生。励磁调节器作为发电机的重要辅助设备，与电网运行状况有着直接的联系，不仅可提高发电机功率极限、电力系统功率传输能力，改善电力系统及同步发电机的运行状态，还直接关乎电力系统稳定运行的能力和经济价值[1,2]。更多资讯尽在中国电工网。

国际上知名度较高的励磁研究厂家有ABB和西门子，而国内励磁调节设备参差不齐。为打破国外对国内大型发电机组励磁设备的垄断，需加快励磁系统国产化进程。本文将设计可靠性较高的冗余式双机热备励磁调节器，它主要由ARM＋FPGA组成核心控制单元，使用嵌入式实时操作系统Vxworks，具有较强的以太网通信功能，能满足当前对励磁调节器的要求[3]。
 

1 发电机励磁系统介绍

目前，在水力、火力发电厂，同步发电机普遍采用自并励直流励磁系统，其原理如图1所示。励磁变(T)主要用来采集发电机机端电压，机端电压经整流后作为励磁的直流电源，同时也作为数字移相触发模块的同步信号；可控硅整流桥(RT)采用晶闸管构成三相桥式全控整流电路，在为发电机提供直流励磁电流的同时，还可实现在电机停机或故障状态下的顺利灭磁[1]；电压、电流互感器（TV、TA）主要用于采集机端定子电压和定子电流，并供给励磁调节器（AVR）；由嵌入式系统构成的AVR单元主要完成相关电信号的采集、分析和处理，并通过优良的控制算法，实时调整脉冲触发角度，实现励磁电流的可控[4]，从而达到实时调节发电机机端电压，实现电力系统稳定运行的目的。

图1 自并励励磁系统原理图
 

2 双机热备励磁调节器的总体设计

双机热备励磁调节器适用于多种可控硅励磁控制方式，它主要面向自并励同步发电机可控硅励磁系统[5]。双机热备励磁调节器即为1台发电机配备2套励磁调节器，分主套和从套，由主套的脉冲触发可控硅导通。2套励磁调节器通过自身的核心控制进行状态监测、逻辑仲裁，并实现脉冲的互锁，即双通道冗余设计。双机热备冗余框图如图2所示。

图2 双机热备冗余结构框图

励磁调节器的双机热备工作原理：当励磁调节器上电工作后，2套励磁调节器采用抢先占用模式自主设定主机(假定为A机)，另1套则为热备机(假定为B机)。2套励磁调节器同时处理相同的开入量、模拟量等电信号，并完成控制角度的计算，但只有A机计算出的控制角度脉冲经过隔离放大整形后能实现功率柜晶闸管的整波，B机计算出的控制角度脉冲则被闭锁。只有在A机出现故障并发故障信号给B机，B机检测到A故障信号或手动切换B机为主机时，B机才接替A机成为主机运行，其触发脉冲才取代A机脉冲输出实现功率柜晶闸管的整波，同时A机自动闭锁。这样，发电机不会因其中一套励磁调节器故障而停机，同时还可对故障励磁调节器进行维护和修复[2]。

发电机双机热备励磁调节器采用积木式板件结构，由电源板、CPU板、模拟量板、开关量板、同步板、脉冲放大板等构成[3]，励磁控制系统框图如图3所示。电源板为专业电源生产厂家定做的，分系统电源和脉冲电源，系统电源满足交直流220V或110V输入，直接输出±12、5V。脉冲电源提供±24V电源输出，主要为脉冲放大板提供脉冲调整放大电源。同步板和模拟量板主要完成交流采样信号的调整，以满足A/D采样量程。开关量板主要完成信号的开入和开出，采用光电隔离器件实现板件和外部信号的隔离。CPU板是励磁调节器的核心单元，控制器选用ATMEL公司的32bit处理器AT91RM9200及大规模可编程逻辑控制（FPGA）芯片，完成发电机励磁系统相关参数的测量、通信及移相触发控制。脉冲放大板实现脉冲的放大调整和脉冲故障监测，同时实现双套脉冲的故障切换。

图3 发电机双机热备励磁调节控制系统框图

3 双机热备励磁调节器的主要控制实现

3.1 数据交流采样

发电机的机端电压、定子电流、转子电流等电参量采用交流采样技术实现采集。以AT91RM9200处理器为核心，采用FPGA逻辑功能实现AD控制信号的逻辑时序控制，最终由AT91RM9200处理器控制AD完成数据的采集。采样模块采用AD公司的16bit真双极性、多通道模数转换器AD7656，该器件功耗仅为160mW。AD7656包含一个低噪声、宽带跟踪保持放大器，以便处理频率高达8MHz的信号[6]。信号输入部分结合Maxim公司的MAX309多路开关，对三相电压、三相电流进行同步采样，以保证功率测量的准确性。

3.2对外通信

励磁调节器通信部分包括双套间的通信及与后台PC机的数据交换，涉及到以太网、CAN网和RS-485总线的数据通信接口。双套微机励磁调节器间必须实时实现数据的交换，为此采用数据传输率高、抗干扰性强的双CAN通信。CAN控制器采用Philips独立CAN控制器SJA1000芯片，AT91RM9200控制器通过读、写外部数据存储器的形式来访问SJA1000实现数据的交换。CAN收发器采用Philips的PCA82C250，实现CAN控制器与物理总线的接口，它给总线提供差动发送能力，给CAN控制器提供差动接收能力，可同时操作2个CAN网络，提供高达1Mb/s的传输速度[7]。

励磁系统网络化后，可方便与上位机及各种DCS系统通信，最终实现励磁系统的网络化控制。实时嵌入式操作系统Vxworks的采用，大幅简化了网络层程序的设计。AT91RM9200内嵌了1个以太网控制器,但未提供物理层接口,因此需外接1片物理层芯片来实现以太网通信。常用的10M/100M以太网物理层器件主要有RTL8201、DM9161，均提供MII接口和传统7线制网络接口，本系统选用DM9161作为物理层芯片。信号的发送与接收通过网络隔离变压器和网络水晶接头RJ45接口并网，方便地实现了装置与后台的通信。

3.3全控桥的数字移相触发控制

励磁调节器的功率柜采用三相桥式全控整流电路。三相全控桥的控制灵敏度和静差均优于三相半控桥，且动态特性也较好，不仅可以完成交直流转换，还可以在正常停机或故障跳闸时将储存在电机励磁绕组磁场中的能量经全控桥迅速反馈回交流电源，即进行直流变交流的逆变灭磁。常见的三相桥式全控整流电路如图4所示。

图4 三相全控整流桥

为保证全控桥的可控导通，采用数字移相触发脉冲来触发。而三相全控整流桥触发电路的主要功能是根据同步电路获得的同步信号以及给定的触发角来实现对晶闸管的数字移相控制。由图4可知，晶闸管的导通顺序为VT1→VT2→VT3→VT4→VT5→VT6→VT1，因此触发脉冲的顺序为A＋，C－，B＋，A－，C＋，B－。

由三相桥式全控整流电路输出的直流电压平均值 与控制角 的关系可知，感性负载时有：

           （1）

式中， 为变压器二次侧线电压； 为触发角度。

通常，根据实时性要求，对 进行离散化计算，可得到1个输出电压与触发角的关系表。根据PID计算结果进行快速查表即可求得触发角 [2]。

晶闸管整流输出端电压靠改变触发角来实现。当 ∈(0°，90°)时，整流桥处于整流状态；当 ∈(90°，180°)时，整流桥处于逆变灭磁状态。

为确保全控桥整流电路顺利启动，实现可控硅的触发换流，必须保证晶闸管每周期导通的起始点即触发延迟角 相同，即必须在其阳极承受正向电压（或在阴极承受负向电压）期间在控制极加触发脉冲；为确保形成电流通路，还必须使共阳极组和共阴极组的元件在任一瞬间各有1只处于导通状态，即若1个触发脉冲加至共阴极组的1个元件，则另1触发脉冲加至共阳极组中的前1个元件。因此，触发脉冲要适应全控桥电路的要求，使6个晶闸管按序导通，解决的办法有2种：一种是使每个脉冲的宽度大于60°（一般取60～80°），即为宽脉冲触发；另一种是在触发N号晶闸管的同时给N－1号晶闸管补发一个脉冲，相当于用2个窄脉冲等效代替1个宽脉冲，即为双窄脉冲触发。用双窄脉冲触发时，在1个周期内需对每个晶闸管连续触发2次，2次的间隔为60°。双窄脉冲触发由于可减小触发装置的输出功率和脉冲变压器的铁心，因此使用较广。目前普遍采用数字移相技术实现双窄脉冲触发，原理如图5所示。

图5 数字移相触发原理

目前，励磁调节器6路双窄脉冲的数字移相触发多采用可编程定时计数器、PWM调制和可编程逻辑器件(FPGA)等完成。可编程逻辑芯片可选用FPGA和CPLD。FPGA处理速度较快，但时序的可控性较弱；对于对时序要求高的逻辑控制，则可选用CPLD[8]。全球可编程逻辑器件的制造商有XILINX、LATTICE、ALTERA。根据元器件的优选及公司知识资源的积累，选用XILINX公司的FPGA芯片XCS30，它采用VHDL语言编程完成数字移相脉冲触发，具有脉冲稳定好、可靠性高的特点。它把同步板上同步变压器采集到的交流同步电压(Ua、Ub、 Uc)整成方波，作为同步信号送至FPGA。每个同步信号产生后，FPGA接收由AT91RM9200T构成的核心控制单元输出的控制信号，并通过脉冲计数方式改变移相角（若同步脉冲频率50Hz固定，脉冲计数个数为N,则移相角的脉冲数为 个），从而实现延迟角的双窄触发脉冲。由全控桥的输出电压与控制角的关系可知，发电机的励磁调节就是通过改变来改变输出电压和功率。

3.4试验波形及分析

通过双通道泰克(TDS1012C)数字示波器测得的1组双窄触发脉冲波形如图6所示。 

图6 不同角度的移相触发脉冲实验波形

由于示波器通道有限，因此只能测量1组波形。图6给出了当为30、60、90、150°时的4组图像，其中CH1是A相同步电压调整后的波形，CH2是触发脉冲A＋经放大后的波形。由晶闸管导通顺序及双窄脉冲形成原理可知:以A相电压为触发源，取A相同步频率的上升沿作为计数起始点，采用6个16位的计数器计数，当计数器计数达到触发起始值即满足移相角时，触发脉冲输出高电平，双窄脉冲的宽度为 ，其它几路以此类推。形成的6路双窄脉冲数字移相时序图如图7所示。

图7 6路双窄脉冲数字移相时序图

由双窄脉冲时序图可知，C-（VT2）脉冲与A＋(VT1)脉冲移相60°后完全相同，其它各序脉冲(B＋(VT3)，A-(VT4)，C＋(VT5)，B-(VT6))依次移相60°。试验结果表明了数字移相的正确性。

4 励磁调节器的软件实现

双机热备励磁调节器的软件包括嵌入式操作系统Vxworks、人机交互程序以及励磁应用程序。

嵌入式操作系统Vxworks包括操作系统本体、硬件底层驱动、系统任务配置、系统中断配置等。使用嵌入式操作系统可提高代码移植性。嵌入式操作系统的实时系统具有快速可靠的中断响应，可保证励磁程序高效率运行；多任务环境允许一个实时应用作为一系列独立任务来运行，各任务有各自的线程和系统资源，从而可合理安排励磁控制外围程序的运行。这种软件构架可保证系统和励磁控制程序的安全可靠性。

人机交互的核心程序在通信报文处理任务中。该任务与网络通信任务、RS-485通信任务一同构成人机交互的下位机系统。网络通信任务、RS-485通信任务在收到上位机发出的指令后，将指令发送到一共同的消息队列中；通信报文处理任务则从消息队列中逐条取出命令并处理。

励磁应用程序包括主程序和控制调节程序。主程序置于主任务中，用于完成励磁应用程序的初始化以及机组状态的判断等功能；控制调节程序置于3.3ms中断中，控制周期为3.3ms，用于完成所有的励磁控制调节功能，以确保控制调节的速度和精度。

5 结束语

本文在双机热备励磁调节器研制的基础上，结合发电机励磁的基本原理，概述微机励磁调节器的基本框架。双机热备励磁调节器硬件上采用冗余设计的双通道结构，实现了双机热备切换，有效保障了发电机励磁的稳定性和可靠性。在介绍励磁调节器系统的总体结构下，论述了具有较强控制性能的AT91RM9200微处理器运行嵌入式Vxworks系统。这种采用新器件实现的新系统，对产品的升级及新一轮数字励磁调节装置的研发具有实际的参考意义。

参考文献

[1] 樊俊,等.同步发电机半导体励磁原理及应用[M].北京:水利电力出版社,2002 

[2] 王柯.基于DSP的同步发电机双微机励磁调节器研究[D].西安理工大学,2005

[3] 袁宁.基于双微机励磁调节器脉冲板的设计及改进[J].水电自动化与大坝监测,2010,34(5):22～25

[4] 徐科,窦小波等.基于ARM和VxWorks 的新型发电机微机励磁调节装置[J].电力自动化设备，2007(3):73～76

[5] 陈利芳.浅谈自并励励磁系统在大容量机组中的应用[J].继电器,2007,35(1):81～84