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PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的研制與應(yīng)用

2012-10-19 05:44彭鋼
綜合智慧能源 2012年3期
關(guān)鍵詞:調(diào)節(jié)器勵(lì)磁嵌入式

彭鋼

(國電南京自動化股份有限公司,江蘇 南京 210032)

0 引言

作為發(fā)電廠重要的二次設(shè)備,勵(lì)磁系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有重要的影響。而作為勵(lì)磁系統(tǒng)調(diào)節(jié)與控制核心元件的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器,其優(yōu)劣會影響整套勵(lì)磁系統(tǒng)的性能。因此,勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的硬件架構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)成為各勵(lì)磁廠家的研制重點(diǎn)。同時(shí),針對不同類型的勵(lì)磁系統(tǒng),要求勵(lì)磁調(diào)節(jié)器都能提供優(yōu)良的控制性能并具有較高的可靠性。

1 PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的研制

1.1 PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字式勵(lì)磁調(diào)節(jié)器主要采用如下3種硬件架構(gòu):

(1)單CPU模式,即采樣、調(diào)節(jié)、功率器件觸發(fā)脈沖形成等全部由1塊CPU完成。

(2)多CPU模式,幾個(gè)CPU協(xié)同工作,各有分工。

(3)單CPU工作,但脈沖形成等轉(zhuǎn)移到可編程邏輯控制器完成。

勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的CPU要完成勵(lì)磁系統(tǒng)模擬量、開關(guān)量等狀態(tài)信息采集以及控制規(guī)律運(yùn)算、運(yùn)行控制等大量的運(yùn)算任務(wù),單CPU模式很難滿足要求。

多CPU模式能夠滿足勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)算要求,較為常見的為三CPU架構(gòu)(如圖1所示):調(diào)節(jié)器CPU由單片機(jī)、數(shù)字信號處理器(DSP)、大規(guī)模邏輯可編程門陣列(FPGA)構(gòu)成。在各個(gè)制造廠家的三CPU架構(gòu)中,3個(gè)處理器的功能劃分不盡相同。FPGA的功能大多相同,主要完成功率器件觸發(fā)脈沖生成以及開入/開出功能;區(qū)別主要在于DSP與單片機(jī)的功能劃分。

圖1 勵(lì)磁調(diào)節(jié)器三CPU架構(gòu)

將單片機(jī)作為控制核心時(shí),單片機(jī)完成勵(lì)磁調(diào)節(jié)、控制算法實(shí)現(xiàn)以及對外通信功能,DSP則完成模擬量采樣功能或作為獨(dú)立手動通道。

將DSP作為控制核心時(shí),DSP完成勵(lì)磁調(diào)節(jié)及控制算法實(shí)現(xiàn)功能,單片機(jī)則完成外部通信處理等功能。

在微處理器運(yùn)算性能不是很高的前提下,三CPU架構(gòu)不失為一種較優(yōu)良的CPU架構(gòu)。但這種架構(gòu)較為復(fù)雜,需要解決多CPU之間的時(shí)序配合、信息交換以及硬件布線等問題。

隨著微處理器性能的不斷提高,提出了單CPU+FPGA架構(gòu)。在該架構(gòu)中,1片單片機(jī)可以完成多CPU系統(tǒng)中由DSP與單片機(jī)共同承擔(dān)的任務(wù)。FPGA則完成AD采樣控制、功率器件觸發(fā)脈沖形成、開入/開出量處理等任務(wù)。該架構(gòu)有效減少了單片機(jī)的中斷調(diào)用,提高了主程序的運(yùn)行安全性。PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器就采用了該種架構(gòu),如圖2所示。

圖2 PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器CPU架構(gòu)

PSVR 100調(diào)節(jié)器采用Freescale公司的MPC8247芯片作為主CPU,該處理器芯片主頻可達(dá)200MHz,最高運(yùn)算速度為280 MI/s(百萬條指令/秒),支持復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算,功耗低,抗干擾能力強(qiáng)。

基于MPC8247芯片的上述特點(diǎn),PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對CPU進(jìn)行了圖3所示的功能規(guī)劃:將勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài)采樣、控制規(guī)律運(yùn)算等核心任務(wù)分配給G2_LE內(nèi)核完成,而將人機(jī)對話、對外通信等任務(wù)分配給CPM完成。

圖3 PSVR 100調(diào)節(jié)器主CPU功能劃分框圖

PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中,F(xiàn)PGA完成圖4所示功能,包括同步采樣、周期相位測量、開入采樣、脈沖生成、脈沖檢測、邏輯組合、主CPU監(jiān)視和AD監(jiān)視等,實(shí)現(xiàn)了對CPU外設(shè)的統(tǒng)一管理,使CPU擺脫了頻繁的外部事務(wù)中斷,提高了CPU工作的可靠性。

1.2 PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 引入VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

傳統(tǒng)的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件設(shè)計(jì)采取前、后臺程序的方式。隨著勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件功能日趨復(fù)雜,開發(fā)難度越來越高,相應(yīng)地對軟件的可移植性和可靠性也提出了越來越高的要求,前、后臺程序的設(shè)計(jì)方式難以滿足要求,從而在調(diào)節(jié)器軟件設(shè)計(jì)中引入了嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)[1-2]。

針對勵(lì)磁系統(tǒng)對于高可靠性、強(qiáng)實(shí)時(shí)性的要求,PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件設(shè)計(jì)選用VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)[3-4]:高可靠性;強(qiáng)實(shí)時(shí)性;高可移植性;良好的可剪裁性;強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信功能;開發(fā)工具支持度高。

圖4 PSVR 100調(diào)節(jié)器FPGA功能框圖

基于VxWorks操作系統(tǒng),PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器軟件劃分為平臺程序和勵(lì)磁應(yīng)用程序2部分,程序調(diào)度由VxWorks系統(tǒng)內(nèi)核完成,圖5為PSVR 100軟件結(jié)構(gòu)框圖。

圖5 PSVR 100調(diào)節(jié)器軟件框圖

平臺程序由硬件平臺和軟件平臺2部分程序構(gòu)成,硬件平臺程序主要完成各類硬件驅(qū)動,軟件平臺程序主要完成文件系統(tǒng)管理、人機(jī)交互接口(MMI)等功能[5-6]。平臺程序由專業(yè)的平臺開發(fā)人員完成,使勵(lì)磁應(yīng)用程序開發(fā)人員得以專注于應(yīng)用軟件的開發(fā),從而極大地提高了開發(fā)效率。

勵(lì)磁應(yīng)用程序采取定時(shí)中斷調(diào)用,分為1/6周波(3.3 ms)調(diào)用1次的交流采樣、調(diào)節(jié)計(jì)算子程序和1周波(20 ms)調(diào)用1次的運(yùn)行控制、保護(hù)功能、實(shí)際值顯示子程序,圖6為勵(lì)磁應(yīng)用程序流程圖。

1.2.2 引入圖形化編程技術(shù)

在不同的工程應(yīng)用現(xiàn)場,不可避免地要對勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的開關(guān)量名稱定義及開出量的邏輯組合等進(jìn)行修改,以往只能修改程序,受現(xiàn)場條件以及工程服務(wù)人員編程水平的影響很大,非常容易出錯(cuò)。

PSVR 100調(diào)節(jié)器采用圖形化編程技術(shù),將數(shù)據(jù)定義、邏輯組合等軟件修改過程封裝成邏輯圖形和配置文件的形式,工程服務(wù)人員通過修改邏輯圖形或配置文件,同時(shí)借助圖形化軟件提供的校驗(yàn)工具,可以零差錯(cuò)地完成軟件修改。圖7為PSVR 100調(diào)節(jié)器圖形化編程工具畫面。

1.3 PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器可靠性設(shè)計(jì)

1.3.1 通道冗余

在勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中如果僅設(shè)置一個(gè)控制通道,將極大地增加勵(lì)磁系統(tǒng)的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)[7],所以,PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用了圖8所示的雙微機(jī)控制通道冗余方式。

在圖8中,雙微機(jī)通道AVR1,AVR2從輸入到輸出各個(gè)環(huán)節(jié)完全獨(dú)立,沒有任何公用回路,做到了完全冗余。在調(diào)節(jié)器工作時(shí),一個(gè)通道作為工作通道,另一個(gè)通道處于熱備用狀態(tài)。雙通道之間通過圖9所示開關(guān)量硬接線、422通信2種方式,實(shí)時(shí)監(jiān)視對方的運(yùn)行情況。備用通道實(shí)時(shí)監(jiān)測工作通道控制下的機(jī)端電壓、轉(zhuǎn)子電壓、轉(zhuǎn)子電流等勵(lì)磁系統(tǒng)狀態(tài),通過設(shè)置短延時(shí)環(huán)節(jié)等容錯(cuò)手段,跟蹤工作通道的控制輸出。一旦工作通道出現(xiàn)故障,熱備用通道自動閉鎖故障通道控制輸出,并切換為工作通道。由于通道切換時(shí)間在40 ms以內(nèi),同時(shí)發(fā)電機(jī)存在一個(gè)時(shí)間常數(shù),通道切換過程中可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)電壓、無功功率無明顯擾動。

1.3.2 采樣冗余

為防止發(fā)電機(jī)PT斷線、同步PT異常、開入量接點(diǎn)接觸不良等原因引起的勵(lì)磁系統(tǒng)誤強(qiáng)勵(lì)、誤切除等故障[8],PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用PT雙重化結(jié)合雙控制通道交叉接線方式,將發(fā)電變壓器組出口開關(guān)接點(diǎn)與發(fā)電機(jī)有功功率采樣值相結(jié)合判斷機(jī)組并網(wǎng)/空載狀態(tài)等冗余采樣技術(shù),有效提高了容錯(cuò)性。

1.3.3 實(shí)時(shí)自檢技術(shù)

在采用軟件、硬件看門狗監(jiān)視CPU運(yùn)行工況等常規(guī)的自檢技術(shù)之外,PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器進(jìn)行了如下實(shí)時(shí)自檢:

(1)FPGA芯片與MPC 8247芯片互相實(shí)時(shí)監(jiān)視,在檢查到對方故障時(shí),發(fā)出本通道故障信號并及時(shí)切換到熱備用通道。

(2)實(shí)時(shí)回讀發(fā)給功率器件的觸發(fā)脈沖信號,在回讀信號偏離設(shè)定值達(dá)到一定范圍時(shí),閉鎖本通道的觸發(fā)脈沖,切換到備用通道。

(3)采用專用單片機(jī)芯片實(shí)時(shí)監(jiān)測主板5 V,12 V電源電壓值,在電壓值越界后,判定本通道電源故障,切換到熱備用通道。

(4)實(shí)時(shí)監(jiān)測開出繼電器前級光耦信號,在檢測到光耦信號異常后,閉鎖本通道開出,進(jìn)行通道切換。

2 PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用于自并勵(lì)磁系統(tǒng)

PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)用于自并勵(lì)系統(tǒng)的示意圖如圖10所示,PSVR 100采用圖11所示的并聯(lián)校正傳遞函數(shù)。

圖12為某電廠自并勵(lì)系統(tǒng)零起升壓以及空載10%階躍響應(yīng)試驗(yàn)機(jī)端電壓的錄波圖。發(fā)電機(jī)PT變比為6300 V/105 V。

表1、表2為圖12相應(yīng)試驗(yàn)的計(jì)算指標(biāo),均滿足自并勵(lì)系統(tǒng)試驗(yàn)要求[9-11]。

表1 某自并勵(lì)系統(tǒng)零起升壓指標(biāo) %

表2 某自并勵(lì)系統(tǒng)空載10%階躍響應(yīng)指標(biāo)

2.2 應(yīng)用于三機(jī)及三機(jī)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)

PSVR 100調(diào)節(jié)器應(yīng)用于三機(jī)及三機(jī)無刷勵(lì)磁系統(tǒng)示意圖如圖13所示。

針對三機(jī)及三機(jī)無刷勵(lì)磁系統(tǒng),PSVR 100調(diào)節(jié)器采用圖14所示的串聯(lián)校正傳遞函數(shù),采用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電壓或勵(lì)磁機(jī)磁場電流構(gòu)成負(fù)反饋,減小勵(lì)磁機(jī)時(shí)間常數(shù),提高勵(lì)磁系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

圖15為某三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子電壓負(fù)反饋試驗(yàn)轉(zhuǎn)子電壓以及空載5%階躍響應(yīng)試驗(yàn)機(jī)端電壓的錄波圖。發(fā)電機(jī)PT變比為18 kV/100 V。

分析圖15a可知,引入轉(zhuǎn)子電壓負(fù)反饋后,勵(lì)磁機(jī)的等效時(shí)間常數(shù)明顯減小。

表3為圖15b階躍響應(yīng)試驗(yàn)的計(jì)算指標(biāo),滿足三機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)試驗(yàn)要求[9-11]。

2.3 應(yīng)用情況總結(jié)

PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)用于自并勵(lì)勵(lì)磁和汽輪發(fā)電機(jī)三機(jī)(含三機(jī)無刷)勵(lì)磁這2種主要勵(lì)磁系統(tǒng),各試驗(yàn)結(jié)果均滿足相關(guān)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表3 某三機(jī)系統(tǒng)空載5%階躍響應(yīng)指標(biāo)

在各電廠實(shí)際運(yùn)行的過程中,PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器檢測出多起發(fā)電機(jī)PT斷線、發(fā)電機(jī)滅磁開關(guān)接點(diǎn)接觸不良等異常情況,均準(zhǔn)確動作,保證了勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行,極大地提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性。

3 結(jié)論

國電南自PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器采用32位雙核處理器MPC 8247+FPGA的CPU架構(gòu),為調(diào)節(jié)器高運(yùn)算速度、高可靠性提供了硬件保障。在軟件設(shè)計(jì)上,PSVR 100調(diào)節(jié)器引入VxWorks嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),保證了勵(lì)磁應(yīng)用軟件的實(shí)時(shí)性、簡化了軟件的開發(fā)過程并且提高了可移植性;采用圖形化編程方法,提高了工程應(yīng)用過程中軟件修改的可靠性。PSVR 100調(diào)節(jié)器采用通道冗余、采樣冗余、多重實(shí)時(shí)自檢等技術(shù),提高了勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性。

PSVR 100勵(lì)磁調(diào)節(jié)器應(yīng)用于自并勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)、汽輪發(fā)電機(jī)三機(jī)(含三機(jī)無刷)勵(lì)磁系統(tǒng)這2種主要勵(lì)磁系統(tǒng)上,都可以獲得優(yōu)良的控制指標(biāo)和很高的可靠性。

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