1、SoC 励磁调节器设计与实现袁占辉 张凌俊 （北京四方吉思电气有限公司 北京 100084）【摘要】 在励磁调节器的设计中，高性能与低成本往往不可兼得。GEC-300S 励磁调节器是采用先进的 SoC（片上系统）技术和系统分层化设计理念研制的面向中小型容量机组应用的新型励磁调节器，目标是实现低成本、功能完善、高性能和高可靠性的融合。配合友好的图形化操作界面，利用单片 DSP 实现励磁调节所需的采样、控制规律计算、触发脉冲生成、通讯等全部功能。【关键词】 励磁调节器 DSP SoC 分层化设计 零动态恒无功1. 概述出于对电网更高稳定水平的需求，部分电网对系统中小容量机组的励磁系统提出较高要求。
2、如多目标控制要求励磁调节器的计算性能更高效；快速控制要求励磁调节器的控制性能更加实时精准；电厂信息自动化（DCS、LAN、Internet）要求微机励磁控制器的通讯性能更加方便快捷；与此同时，用户对厂家产品的成本控制也提出更加严格的要求。为了满足用户的以上需求，采用全新的设计理念和当今最前沿的 SoC 技术，研制低成本、高性能、功能完善基本同大型机组励磁系统的励磁调节器的必要性日益紧迫。GEC-300S 是在评估了电厂、电网用户的全方位需求后研制的，其设计目标为：采用尽量少的控制板件（1-2 块） 、低硬件成本、免维护、控制高性能、软件功能齐全、保护限制完善、高通讯性能。GEC-300S 励磁
3、调节器开发的全新设计理念体现在以下两个方面：基本功能单元的简单化与高度集成化和系统结构的合理分层化。整体设计采用代表了目前最高的集成度水平的片上系统(System-on-Chip)技术，实现了系统的简单化与高可靠性。但另一方面，虽然目前 SoC 的性能已非常全面，但企图以单个 SoC 实现新励磁调节器的所有功能是非常不合理的，为此 GEC-300S 励磁调节器配置了合理的图形化人机界面操作系统，从而简化 SoC 功能，保证了励磁调节器的高效性。2. 硬件设计2.1 硬件系统构成GEC-300S 励磁调节器采用分层的控制体系结构来满足用户对励磁产品的控制性能、图形化界面、通讯等多方面的要求。为保
4、证其高效性能，GEC-300 励磁调节器适当分解DSP 主处理器的功能，使其调试操作、参量修改和显示、波形数据保存及提取功能由彩色智能触摸液晶屏模块实现，因此将控制体系分为两层结构：自动电压调节单元 AVR(AER)、人机交互界面 HMI。同时，结构上采用双层板卡，灵活紧凑的设计减小了控制器的体积，进一步减少了成本。其硬件系统组成框图如图 1 所示。图 1 硬件系统组成框图2.2 自动电压调节单元设计自动电压调节单元采用双层板卡结构，顶板主要包括主处理器模块、数字量开入开出模块、现场总线通讯模块等。底板主要信号采样调理模块、D/A 输出模块、触发脉冲隔离放大模块及电源转换模块等。2.2.1 主
5、处理器模块GEC-300S 调节器自动电压调节单元主处理器选用 TI 公司 C28x 系列的 TMS320F28121 DSP 芯片。在目前测控领域应用中，TMS320C28x 是最先进、功能最强大的 32 位定点 DSP 处理器。它既有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能，同时还集成了闪存、高速 A/D 转换器、高性能的 CAN 模块等。具有较高的性价比，利用它可以降低开发难度，缩短产品面市时间，有效地降低了开发成本。2.2.2 信号采样调理模块TMS320F2812 内部集成了 ADC 采样模块，内嵌模拟多路复用开关，采样保持电路，所以只需把交流信号变换放大为最大不超
6、过 3V 的电压，输入到模拟量输入通道即可。GEC-300S 调节器信号采样调理模块由 6 路交流电压采样回路、3 路交流电流采样回路、3 路交直流隔离放大输入回路及 1 路同步电压测频回路组成。同时，为兼容双路测频功能，由交流电压采样环节冗余 1 路测频回路。2.2.3 D/A 输出模块利用 TMS320F2812 芯片的事件管理模块，通过逻辑门缓冲器输出周期和占空比均可变、幅值为 5V 的脉宽调制信号（ PWM） ，再通过三阶模拟低通有源滤波器滤掉 PWM 输出的高频部分，保留低频的直流分量，即得到对应的 D/A 输出。2.2.4 数字量开入开出模块数字量输入输出电路采用光电隔离，同时在光
7、藕的输入端加一个二极管防止反接。2.2.5 触发脉冲隔离放大模块GEC-300S 调节器触发脉冲由 TMS320F2812 事件管理模块直接生成，通过光耦隔离和三极管放大后输出。2.2.6 现场总线通讯模块现场总线模块包括 RS485/422、CAN 通讯方式，板上设计有 RS232 接口与 HMI 单元通讯。DSP TMS320F2812 片上内嵌了增强型 CAN 控制器（eCAN）模块，是 TI 公司新一代 32位高级 CAN 控制器。收发器选用了 PHILIPS 公司生产的 82C250 高性能 CAN 总线收发器。它是 CAN 总线控制器和物理总线的接口，可以提供对 CAN 总线的差动
8、发送和接受能力，具有抗瞬间干扰、保护的能力，同时可以通过调整 CAN 总线通讯脉冲的边沿斜率来降低射频干扰。2.2.7 SoC 励磁控制器的 EMC 性能SoC 技术实现了总线不出芯片，在板件上除 CPU 内其他全部是低频信号，从而根本上提高了系统的 EMC 性能。GEC-300S 控制器可以轻易通过 EMC 三级以上测试。2.3 人机交互界面单元设计方便快捷的图形化人机交互操作系统向来是维持励磁调节器高效性的强力手段，为此，GEC-300S 配置了由彩色智能液晶触摸模块为核心的人机交互界面单元，通过 RS232 接口与 DSP 连接。它承担着参数的传输、读取、显示和设置，波形的显示及保存提取
9、，状态量的读取及显示，报警信息的显示等功能。GEC-300S 励磁调节器运行状态的设置，励磁操作和控制参数的修改均可以通过 HMI 的触摸屏来操作实现，对运行状态的查看可以直观的在显示屏上看到相关的曲线图形、数字量、控制码和控制参数。控制参数查看修改时直接对应图形化的传递函数，界面友好直观2。图 2 HMI（人机接口）监控软件3. 软件设计为了提高软件开发效率及软件质量，并保证其可靠性，可测试性及可维护性，GEC-300S 调节器采用结构化程序设计，子程序不但本身具有单入口，单出口的模块特性，而且其内部也是由若干同样特性的子模块组成，近而方便进行测试及维护工作。软件流程如图 3 所示 2。GE
10、C-300S 励磁调节器软件主要包含以下功能模块组：交流采样模块、控制规律计算模块、脉冲直接形成模块、励磁操作和保护限制模块等。3.1 交流采样模块GEC-300S 励磁调节器对输入信号进行每周波 32 点采样。为实现此目的，CPU 时间将分成 32 个时间片，每个时间片内先执行紧急、公共的任务，再执行各自独立的任务。在公共任务中，先启动采样信号，等到采样结束后读取 ADC 结果，利用递推式傅立叶算法算出所有交流量的实部和虚部。采用全波采样，快速递推算法保证了机端电压、有功等重要反馈参数的采样时间小于 16ms。图 3 GEC-300S 软件流程图3.2 控制规律计算模块励磁控制规律的设计是励
11、磁反馈控制的核心，它决定了整个励磁系统的调节性能，在整个系统中有着十分重要的地位。GEC-300S 励磁控制系统的励磁控制规律有最常规的 PID控制（并联校正 PI 与二阶超前滞后串联校正可选择） 、电力系统稳定器 PSS2A/PSS2B 以及依据先进的控制理论设计的新型控制规律 NR-PSS，用户可以根据实际情况灵活选择。3.3 脉冲直接形成技术利用 TMS320F2812 内部的事件管理模块（EV）中的比较功能，实现六路双脉冲直接生成，经外部硬件回路隔离放大后触发三相全控可控硅整流桥，从而改变励磁电压和电流，控制发电机的运行状态。为了保证输出直流电压连续可调和逆变运行，控制角由软件控制在
12、10-150（以自然换相点为参考点） 。3.4 励磁控制功能和保护限制模块为了保证发电机的安全稳定运行，GEC-300S 励磁调节器内部设有各种保护和限制模块，在发电机异常状态下运行时，限制和保护模块将限制给定量 Ur/控制电压 Uc/控制角 等变量在符合工况的合理范围内。GEC-300S 励磁调节器设有强励顶值限制及保护、强励反时限及保护、欠励限制及保护、V/Hz 限制及保护、过无功限制，定子电流限制及保护和 PT断线保护等。 恒机端电压运行方式/恒励磁电流运行方式 恒无功功率运行方式/恒功率因数运行方式 PSS2B 型电力系统稳定器 伏赫兹报警、限制、保护 低励报警、限制、保护 瞬时/延时
13、过励磁电流报警、限制、保护 PT 断线保护 定子过电流/过无功报警、限制、保护 误强励保护 空载励磁电流报警、限制 并网最小励磁电流报警、限制、保护 无扰动跟踪切换功能 NR-PSS/功角保护/转子超温保护（可选）3.5 软件防误处理为了适应电厂现场的严酷工业环境，GEC-300S 对各模拟量输入/输出通道、开关量输入/输出通道、通讯信号全部进行了软件防误处理。4. 零动态恒无功控制规律设计及仿真对于小机组来说，由于受机组容量的限制，无功的调节不能确保母线电压的恒定。TRT 机组、自备电厂机组等都可能直接连接本地大容量负荷，因而小机组在系统发生扰动时，确保发出恒定的无功功率，或在发出一定量的有
14、功的同时，发出相应量的无功即功率因数恒定是有实际意义的。现在普遍在小机组上使用的励磁控制方法还是常规的反馈励磁控制方法。本文提出了用零动态思想方法实现的中小机组的恒无功功率控制规律。零动态方法是通过坐标变换和状态反馈，将一个系统的动态行为分为外部动态和内部动态两个部分。对于我们关心的外部动态，即发电机恒无功运行方式，不仅要求发电机按预先设定的无功运行，而且还要求具有良好的动态品质。对于系统的内部动态稳定性的要求也是最基本的 3。4.1 零动态恒无功控制规律设计按照隐极机、晶闸管快速励磁系统设计。 fdsdqdq emVTXTEPDPH0000 1co1 )14()( 整个系统的状态方程可表示为
15、以下的矩阵形式：(4-2)()Xfgu其中， = , , ， TqE cos11 in)()( 000ddqd dsqmVXTEEHHDPXf 01)(dTgfVu发电机输出无功功率的偏差作为输出函数：（4-3）0)(eQXhy综合（4-2）和（4-3）式，即可得到恒无功功率控制的单输入单输出仿射非线性系统的方程：（4-4）)()(Xhyugf根据（4-4）式所示的恒无功功率控制系统方程，由零动态控制设计思想便可推导出恒无功励磁控制规律。（4-5）cos)()(sin 00dedqff VTQXKEV将功率角 用 代替，即可得到恒无功功率的励磁控制规律为：eQP和（4-6）)()200dsed
16、qeqff XTEE其中: ttdeqVXQ系统的外部动态响应为指数衰减，即系统受到扰动后，系统的输出 y 随时间指数衰减至 0。从物理概念上看，当发电机受到扰动后，发电机发出的无功功率随时间指数衰减至所希望的参考值。由此可以看出在用零动态方法设计的发电机恒无功功率励磁控制规律下，系统有着良好的外部动态品质。4.2 零动态恒无功控制规律稳定性仿真应用电力科学研究院的 PSASP(Power System Analysis Software Package)电力系统分析综合程序， 对以下中小机组的单机无穷大系统进行仿真计算。图 4 仿真系统图发电机采用 电势变化的 5 阶模型。用户自定义的 AV
17、R 模型来实现发电机qdqE,的恒无功励磁控制。在仿真研究中分别针对三种故障类型， 即负荷微增扰动，双回线中单回三相断线故障和发电机有功出力微增扰动进行了仿真计算。0.250.260.270.280.290.30.310 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10无功时 间 t恒 无 功 控 制 常 规 反 馈 控 制零 动 态 控 制图 5 有功负荷微增扰动下的无功曲线0.70.720.740.760.780.80.820.840 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10有功时 间 t恒 无 功 控 制 （ 有 功 ） 常 规 反 馈 控 制零 动 态 控 制图 6 有功负荷微增扰动下的有功曲线051015200.27.80.29.30.1.320.34 Y Axis QX axis t图 7 无功负荷扰动下的无功曲线02468100.2.40.26.80.3.20.34.60.38.40.2 Y Axis (X axis (t)图 8 三相断线故障的无功曲线
