PSVR 100励磁调节器的研制与应用

彭钢

(国电南京自动化股份有限公司，江苏 南京 210032)

0 引言

作为发电厂重要的二次设备，励磁系统对电力系统的安全、稳定、经济运行都有重要的影响。而作为励磁系统调节与控制核心元件的励磁调节器，其优劣会影响整套励磁系统的性能。因此，励磁调节器的硬件架构、软件设计、可靠性设计成为各励磁厂家的研制重点。同时，针对不同类型的励磁系统，要求励磁调节器都能提供优良的控制性能并具有较高的可靠性。

1 PSVR 100励磁调节器的研制

1.1 PSVR 100励磁调节器硬件架构设计

数字式励磁调节器主要采用如下3种硬件架构:

(1)单CPU模式，即采样、调节、功率器件触发脉冲形成等全部由1块CPU完成。

(2)多CPU模式，几个CPU协同工作，各有分工。

(3)单CPU工作，但脉冲形成等转移到可编程逻辑控制器完成。

励磁调节器的CPU要完成励磁系统模拟量、开关量等状态信息采集以及控制规律运算、运行控制等大量的运算任务，单CPU模式很难满足要求。

多CPU模式能够满足励磁系统的运算要求，较为常见的为三CPU架构(如图1所示):调节器CPU由单片机、数字信号处理器(DSP)、大规模逻辑可编程门阵列(FPGA)构成。在各个制造厂家的三CPU架构中，3个处理器的功能划分不尽相同。FPGA的功能大多相同，主要完成功率器件触发脉冲生成以及开入/开出功能;区别主要在于DSP与单片机的功能划分。

图1 励磁调节器三CPU架构

将单片机作为控制核心时，单片机完成励磁调节、控制算法实现以及对外通信功能，DSP则完成模拟量采样功能或作为独立手动通道。

将DSP作为控制核心时，DSP完成励磁调节及控制算法实现功能，单片机则完成外部通信处理等功能。

在微处理器运算性能不是很高的前提下，三CPU架构不失为一种较优良的CPU架构。但这种架构较为复杂，需要解决多CPU之间的时序配合、信息交换以及硬件布线等问题。

随着微处理器性能的不断提高，提出了单CPU+FPGA架构。在该架构中，1片单片机可以完成多CPU系统中由DSP与单片机共同承担的任务。FPGA则完成AD采样控制、功率器件触发脉冲形成、开入/开出量处理等任务。该架构有效减少了单片机的中断调用，提高了主程序的运行安全性。PSVR 100励磁调节器就采用了该种架构，如图2所示。

图2 PSVR 100励磁调节器CPU架构

PSVR 100调节器采用Freescale公司的MPC8247芯片作为主CPU，该处理器芯片主频可达200MHz，最高运算速度为280 MI/s(百万条指令/秒)，支持复杂的数学运算，功耗低，抗干扰能力强。

基于MPC8247芯片的上述特点，PSVR 100励磁调节器对CPU进行了图3所示的功能规划:将励磁系统状态采样、控制规律运算等核心任务分配给G2_LE内核完成，而将人机对话、对外通信等任务分配给CPM完成。

图3 PSVR 100调节器主CPU功能划分框图

PSVR 100励磁调节器中，FPGA完成图4所示功能，包括同步采样、周期相位测量、开入采样、脉冲生成、脉冲检测、逻辑组合、主CPU监视和AD监视等，实现了对CPU外设的统一管理，使CPU摆脱了频繁的外部事务中断，提高了CPU工作的可靠性。

1.2 PSVR 100励磁调节器的软件设计

1.2.1 引入VxWorks嵌入式实时操作系统

传统的励磁调节器软件设计采取前、后台程序的方式。随着励磁调节器软件功能日趋复杂，开发难度越来越高，相应地对软件的可移植性和可靠性也提出了越来越高的要求，前、后台程序的设计方式难以满足要求，从而在调节器软件设计中引入了嵌入式实时操作系统［1－2］。

针对励磁系统对于高可靠性、强实时性的要求，PSVR 100励磁调节器软件设计选用VxWorks嵌入式实时操作系统。该操作系统具有如下特点［3－4］:高可靠性;强实时性;高可移植性;良好的可剪裁性;强大的网络通信功能;开发工具支持度高。

图4 PSVR 100调节器FPGA功能框图

基于VxWorks操作系统，PSVR 100励磁调节器软件划分为平台程序和励磁应用程序2部分，程序调度由VxWorks系统内核完成，图5为PSVR 100软件结构框图。

图5 PSVR 100调节器软件框图

平台程序由硬件平台和软件平台2部分程序构成，硬件平台程序主要完成各类硬件驱动，软件平台程序主要完成文件系统管理、人机交互接口(MMI)等功能［5－6］。平台程序由专业的平台开发人员完成，使励磁应用程序开发人员得以专注于应用软件的开发，从而极大地提高了开发效率。

励磁应用程序采取定时中断调用，分为1/6周波(3.3 ms)调用1次的交流采样、调节计算子程序和1周波(20 ms)调用1次的运行控制、保护功能、实际值显示子程序，图6为励磁应用程序流程图。

1.2.2 引入图形化编程技术

在不同的工程应用现场，不可避免地要对励磁调节器的开关量名称定义及开出量的逻辑组合等进行修改，以往只能修改程序，受现场条件以及工程服务人员编程水平的影响很大，非常容易出错。

PSVR 100调节器采用图形化编程技术，将数据定义、逻辑组合等软件修改过程封装成逻辑图形和配置文件的形式，工程服务人员通过修改逻辑图形或配置文件，同时借助图形化软件提供的校验工具，可以零差错地完成软件修改。图7为PSVR 100调节器图形化编程工具画面。

1.3 PSVR 100励磁调节器可靠性设计

1.3.1 通道冗余

在励磁调节器中如果仅设置一个控制通道，将极大地增加励磁系统的运行风险［7］，所以，PSVR 100励磁调节器采用了图8所示的双微机控制通道冗余方式。

在图8中，双微机通道AVR1，AVR2从输入到输出各个环节完全独立，没有任何公用回路，做到了完全冗余。在调节器工作时，一个通道作为工作通道，另一个通道处于热备用状态。双通道之间通过图9所示开关量硬接线、422通信2种方式，实时监视对方的运行情况。备用通道实时监测工作通道控制下的机端电压、转子电压、转子电流等励磁系统状态，通过设置短延时环节等容错手段，跟踪工作通道的控制输出。一旦工作通道出现故障，热备用通道自动闭锁故障通道控制输出，并切换为工作通道。由于通道切换时间在40 ms以内，同时发电机存在一个时间常数，通道切换过程中可实现发电机电压、无功功率无明显扰动。

1.3.2 采样冗余

为防止发电机PT断线、同步PT异常、开入量接点接触不良等原因引起的励磁系统误强励、误切除等故障［8］，PSVR 100励磁调节器采用PT双重化结合双控制通道交叉接线方式，将发电变压器组出口开关接点与发电机有功功率采样值相结合判断机组并网/空载状态等冗余采样技术，有效提高了容错性。

1.3.3 实时自检技术

在采用软件、硬件看门狗监视CPU运行工况等常规的自检技术之外，PSVR 100励磁调节器进行了如下实时自检:

(1)FPGA芯片与MPC 8247芯片互相实时监视，在检查到对方故障时，发出本通道故障信号并及时切换到热备用通道。

(2)实时回读发给功率器件的触发脉冲信号，在回读信号偏离设定值达到一定范围时，闭锁本通道的触发脉冲，切换到备用通道。

(3)采用专用单片机芯片实时监测主板5 V，12 V电源电压值，在电压值越界后，判定本通道电源故障，切换到热备用通道。

(4)实时监测开出继电器前级光耦信号，在检测到光耦信号异常后，闭锁本通道开出，进行通道切换。

2 PSVR 100励磁调节器的应用

2.1 应用于自并励磁系统

PSVR 100励磁调节器应用于自并励系统的示意图如图10所示，PSVR 100采用图11所示的并联校正传递函数。

图12为某电厂自并励系统零起升压以及空载10%阶跃响应试验机端电压的录波图。发电机PT变比为6300 V/105 V。

表1、表2为图12相应试验的计算指标，均满足自并励系统试验要求［9－11］。

表1 某自并励系统零起升压指标 %

表2 某自并励系统空载10%阶跃响应指标

2.2 应用于三机及三机无刷励磁系统

PSVR 100调节器应用于三机及三机无刷励磁系统示意图如图13所示。

针对三机及三机无刷励磁系统，PSVR 100调节器采用图14所示的串联校正传递函数，采用发电机转子电压或励磁机磁场电流构成负反馈，减小励磁机时间常数，提高励磁系统的动态响应速度。

图15为某三机励磁系统转子电压负反馈试验转子电压以及空载5%阶跃响应试验机端电压的录波图。发电机PT变比为18 kV/100 V。

分析图15a可知，引入转子电压负反馈后，励磁机的等效时间常数明显减小。

表3为图15b阶跃响应试验的计算指标，满足三机励磁系统试验要求［9－11］。

2.3 应用情况总结

PSVR 100励磁调节器应用于自并励励磁和汽轮发电机三机(含三机无刷)励磁这2种主要励磁系统，各试验结果均满足相关国家和行业标准的要求。

表3 某三机系统空载5%阶跃响应指标

在各电厂实际运行的过程中，PSVR 100励磁调节器检测出多起发电机PT断线、发电机灭磁开关接点接触不良等异常情况，均准确动作，保证了励磁系统正常运行，极大地提高了机组运行的安全性。

3 结论

国电南自PSVR 100励磁调节器采用32位双核处理器MPC 8247+FPGA的CPU架构，为调节器高运算速度、高可靠性提供了硬件保障。在软件设计上，PSVR 100调节器引入VxWorks嵌入式实时操作系统，保证了励磁应用软件的实时性、简化了软件的开发过程并且提高了可移植性;采用图形化编程方法，提高了工程应用过程中软件修改的可靠性。PSVR 100调节器采用通道冗余、采样冗余、多重实时自检等技术，提高了励磁系统的可靠性。

PSVR 100励磁调节器应用于自并励励磁系统、汽轮发电机三机(含三机无刷)励磁系统这2种主要励磁系统上，都可以获得优良的控制指标和很高的可靠性。

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