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NES5100技术说明书V1.0


NES5100 发电机励磁调节器技术说明书
V1.0

前言
本说明书介绍了南瑞集团电气控制分公司的 NES5100 发电机励磁调节器的功能、特点、 硬件及软件配置、工作原理,供工程人员、市场人员以及用户参考,以便对 NES5100 有较全 面的了解。 与本说明书有关的技术文件: ? ? ? ? ? 硬件框图 软件框图 配线表 使用说明书

界面说明书

NES5100 发电机励磁调节器说明书 文件版本:V1.0 南瑞集团电气控制分公司版权所有

目录


第一章 概述
NES5100 发电机励磁调节器是南瑞集团电气控制分公司的第三代励磁调节器,适用于同 步发电机各种励磁系统。 NES5100 发电机励磁调节器继承了我公司前两代励磁调节器 SJ800 和 SAVR2000 的核心 技术,借鉴了前两代励磁调节器几十年现场运行经验,参考了 IEEE Std 421.5 -2005 励磁 系统数学模型,还吸收了目前数字控制领域内最先进的研究成果和工艺。在计算速度、控制
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TM

周期、抗电磁干扰、可靠性方面均有极大的进步。 NES51000 发电机励磁调节器控制单元采用主频高达 180MHz 的 32 位高性能微处理器为 核心的硬件平台,采用积木式多通道冗余结构,并配备网络化的人机交互系统,采用嵌入式 实时多任务操作系统,可实现逻辑现场组态。基于上述的硬件平台和软件构架,NES5100 具 有设计理念超前、可靠性高、操作简单、维护方便、使用灵活、扩展和兼容性高等特点。

1.1

适用范围
煤、天然气、水力、风力、太阳能等┅都可以用来产生电能。通常,上述形式的能量首

先变换为机械能,然后通过发电机变换为电能。 电能转换大都使用同步发电机, 其输出电压由励磁系统来控制, 电能经过输电线路分配 到负荷中心。图 4-1 为电能的产生环节:

水能

机械能

电能

机端电压

励磁电流

励磁系统

图 1-1 电能的产生环节 NES5100 发电机励磁调节器适用于各种方式的可控硅励磁系统, 适用 10MW 到 1000MW 各 种容量机组。典型的励磁方式如下: 1、自并励励磁系统,如图 1-2; 2、自复励励磁系统; 3、两机他励可控硅励磁系统;

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4、三机励磁系统; 5、无刷励磁系统; 可根据实际工程设计出具体的实际方案。

AVR 2 AVR 1 功率柜 n 功率柜 2 功率柜 1 保护限制模块

测量模块
监测模块 功率柜控制 AVR+FCR

逻辑控制

G

磁场断路器 初励、灭磁

图 1-2 典型自并励励磁系统框图

1.2

装置功能

1.2.1 装置的主要功能
配有励磁调节器的并网发电机,可以按简图 1-3 来表示。图中,同步发电机为被调节对 象,励磁调节器根据电网电压调节同步发电机的励磁电流。此时,电网影响闭环调节电路的 性能,从这个意义上来说,电网是一个外部的干扰变量。同步发电机与电网的特性在很大程 度上是已定的。励磁系统只是校正、优化其全部性能。
被控对象
IL UF

干扰量

同步发电机

电网

励磁系统

NES5000励磁调节器

图 1-3 励磁系统调节回路方框图
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而 NES5100 作为励磁调节器的主要目的是精确地控制和调节同步发电机的端电压和无 功功率。为了实现这个目的,磁场电压必须快速地对运行条件的变化作出反应,即响应时间 不超过几毫秒。为此需要一个快速的控制器,它应当不断地将给定值与反馈值进行比较,在 尽可能短的时间内进行调节计算,最终去改变可控硅整流器的触发角度。 另外作为计算机类产品,NES5100 还具备实时故障诊断和容错功能、智能调节及辅助分 析功能、信息网络化等功能。

1.2.2 基本调节和控制功能
调节规律:PID+PSS: ? ? 并联 PID 和串联矫正,通过设置二选一使用 PSS1A 和 PSS32A 模型,通过设置二选一使用

多种运行控制方式可选: ? ? ? ? ? 恒机端电压闭环方式(AVR,基本配置) 恒转子电流闭环方式(FCR,基本配置) 定角度方式(试验) 恒无功功率运行(选用) 恒功率因数运行(选用)

独特的多重切换技术,保证各种情况下的切换无冲击,确保机组可靠运行 保证发电机按要求升压、并网、增减无功负荷及逆变停机 保证发电机稳定运行于空载、发电、调相、停机等工况 主备励无扰切换(选用) 余弦移相

1.2.3 限制器功能
为保证运行中的机组安全,保证机组与系统之间的运行稳定性,NES51000 配置了完善 的限制功能。主要有如下限制器: 转子过流过热限制器 过励延时限制器 欠励瞬时限制器 瞬时强励限制器 VHz 限制器

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1.2.4 保护功能
励磁调节装置为保证机组安全,还具有如下保护功能: 过电压保护(OVP)功能 PT 断线防误强励(PTP)功能 防止失磁措施低励切换(UEP)功能 失磁检测可保护(LOE)功能 防止过激磁措施切换(VFT)功能 过激磁保护(VFP)功能

1.2.5 辅助功能
励磁控制软件还具备一些必要的辅助控制功能,以及试验功能。 多种起励升压方式可选: ? ? ? 快速零起升压控制(ZBC) 机组软起励控制(SBC) 自动初值起励升压

可控硅整流装置因为故障而限制功率单元出力控制(RCL) 高起始响应机组的励磁机电压限制器(EVL) 负载阻抗补偿控制(ZCOM) ,可任意设定正、负调差方式,且调差率大小可选择 系统电压跟踪控制(HVT) 用于水电机组制动用的柔性电制动控制器(FEB) 突然甩负荷限制器(TLL) 励磁电压反馈(ESS) 正弦波扫频

1.2.6 自检自诊断
为了保证励磁系统的运行可靠性,励磁调节装置不间断地检测自身各重要环节的状况, 对异常或发生错误的环节进行及时的容错处理, 对冗余的系统, 闭锁发生异常或错误的通道。 具体的自检和自诊断内容有: 电源电压过低、过高、或消失的检测 PT 断线的检测 可控硅同步电压相序及发电机机端电压相序的检测

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交流采样检测 可控硅触发脉冲号及数量的检测 控制角度的检测 双机通讯故障的检测 硬件和软件看门狗检测

1.2.7 容错控制
根据调节装置自检的结果, 对各种信息进行分析, 取得正确的信息维持励磁系统的正常 运行。具体有: 机端电压测量容错 定子电流测量容错 转子电流测量容错 发电机频率测量容错 有功功率及无功功率测量容错 起励令及逆变令容错 增减磁信号容错 主断路器信号容错

1.2.8 智能维护和显示系统
图形化界面显示,可根据现场实际系统拓扑结构定制 传递函数显示,便于系统各项试验和仿真 信息网络化,实现远程监控和诊断 逻辑组态技术 在线帮助系统 调节装置配置了录波功能,每组波形记录所有模拟量和所有的开关量 20 秒内的数值及变位 信息, 装置内存可存储多组波形, 停电不丢失, 且记录波形实时上送给后台储存, 永不丢失。 录波保存有 3 种形式,分别是: ? 故障或异常自动保存: 由故障信号和异常信号自动保存, 记录在故障或异常发生前 10 秒和后 10 秒的波形和异常状态,完全保护故障现场,有利于故障的分析和事故 的追忆; ? ? 手动保存:由人为操作,记录及显示任何一段 20 秒时间内的数据; 试验自动保存:由阶跃试验自动保存,记录试验过程的机组参数数据。
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故障分析系统 异常情况纪录,包括动作和返回时间,最大可纪录 1000 条 波形分析 采样示波器模块,该模块以 100ms 的刷新频率对励磁调节器 24 个采样通道进行数据采集和 图形显示。用户能方便地查看 A 套或 B 套调节器的任意通道的采样实时数据。

1.3 装置特点
1.3.1 设计理念超前
几十年励磁实际工程经验: 总结过去现场运行经验,可预见励磁的发展前景,应用到新产品中,使得产品的淘汰周 期大大延长 瞬时无功理论: 利用瞬时无功理论提高采样的准确性和判据的可靠性, 为调节计算提供准确可靠的数据 嵌入式实时多任务操作系统: 使用嵌入式操作系统提高了代码移植性。 实时系统具有快速可靠的中断响应, 保证了励 磁程序的高效率运行。 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, 合理安排了励磁控制外围程序的运行。 这种软件构架保证 了系统和励磁控制程序的安全性和可靠性 组态技术: 可根据现场要求进行逻辑组态,使得调试的灵活性大大提高 图形化界面: 可根据现场实际系统的拓扑进行组态,界面直观,便于使用 模块化设计: 程序各功能模块化,接口规范化,方便软件升级

1.3.2 可靠性高
工艺结构设计: 标准 19 英寸 6U 机箱结构,所有功能板件均采用了全金属屏蔽技术,大大增强了散热、 防尘及抗电磁干扰的水平。 前插式的功能板件经过了专门的工业设计和工艺改进, 在外 观、结构强度、工艺水平等方面都得到显著的提升。采样先进的板件生产技术,成套表

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贴生产流水线批量生产,质量可靠 电磁兼容设计: NES5100 励磁调节器在整体机柜和局部设计上均考虑到提高装置的电磁兼容能力。针 对电磁兼容的多项试验,在接地、滤波、屏蔽、布线、电路设计、EMC 器件选用等方面均 采取了多种措施和精心设计。 着重在电磁干扰的传播途径和装置本身接受方抗扰度能力上多 采取措施,提高装置的电磁兼容的能力。 柜体、插箱、板件安全接地,各控制模块功能接地,遵循就近接地原则,使得接地距 离尽可能短,减少干扰。地线根据功能划分成数字地、模拟地等,接地方式多样。 除了常规的无源、有源滤波外,还采用了诸如磁阻、扼流器等多种专用 EMC 器件。 采取三重屏蔽,既可提高抗外部干扰能力,还可减少对外部的干扰。 采用合理的布线方式,综合考虑导线的种类、信号的强弱、导线的长短、导线的屏蔽 方式等,减少布线方式对导线电感、电阻、噪声耦合等的影响。 电路设计时充分考虑到信号的噪声,采用各种手段和电路来抑制噪声的传导和干扰。 器件选型时将器件本身的抗干扰的品质考虑在内。 通道冗余设计: NES5100 发电机励磁调节器柜是由两个或多个 NES5100 控制单元组成,可配置多达 6 台大功率可控硅整流柜,为发电机组提供励磁。每个控制单元均作为一个独立的调节通道, 可独立承担所有的励磁调节任务,互不公用,互不干扰,一套为主,从套跟踪热备用,组成 冗余的两通道或多通道系统, 保证任一套控制单元发生任意故障时不会影响其它控制单元的 正常工作,从而保证系统的可靠运行。 严格的质量保证体系: 南瑞电控公司自 1997 年通过 ISO9001 质量体系认证以来,在南瑞集团的统一要求下, 建立并完善了一整套严格的质量保证体系,从元器件的选型、部件的生产、装置的安装到整 体的调试、验收等,都有专业的质量监控人员全程跟踪和监督,在生产流程上提高装置整体 的可靠性。

1.3.3 扩展性和兼容性高
预留可扩展板件: 预留可扩展板件位置,可根据实际需要扩展开关量数量,或脉冲输出。 通讯接口多样化: 可提供 RS232、RS485、CAN BUS、以太网、GPS 对时等通讯接口。以太网通讯协议
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参考 IEC60870-103 规约的通用报文服务,面向对象,可实现报文的自解释。 调节软件标准化: 大量参考长期以来关于励磁调节方面的论文,以 IEEE Std 421.5 -2005 励磁系统数学 模型为蓝本,结合长期以来我公司现场运行的经验,使得调节软件标准化,可满足多种现场 运行以及励磁系统现场试验的要求。 外部接口标准化: 模拟量接口、开关量接口、通讯接口等标准化,充分考虑到前两代产品的升级要求。
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1.3.4 操作性强
界面图形化: 专用的人机界面,界面图形化,可显示整套励磁系统的模拟量、数字量等运行信息。操 作形象简单,满足新老运行人员的需求。 数据格式多样: 提供数据的三种格式,即实际值、百分值、码值。便于不同使用习惯人员使用。 试验接口简洁: 装置试验接口明确,可满足励磁系统试验的要求,试验界面操作简单,便于试验人员操 作。 试验结果录波分析: 提供试验结果的录波功能, 并可对试验结果进行简单分析, 减少试验人员对数据的处理 工作。

1.3.5 维护方便
故障录波: 当装置故障时,可自动触发故障录波功能,为故障的分析提供原始的数据。 故障及复位纪录: 可纪录多达 1000 条(可增多)的故障以及故障复位纪录,纪录故障、告警、限制等信 号的动作和复位时间。 故障专家诊断: 当故障发生时,不仅给出故障的种类,而且可根据检修人员需要,给出该种故障产生的 原因以及维护的方法。使得检修人员可根据提示,尽快的解决故障。 故障预警系统: 综合系统内部大量信息,对故障发生的可能性作出判断并预警,在不影响系统正常运行
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的前提下,对可能发生的故障作出相应的处理。可提前通知检修人员,为系统的长期稳定运 行创造条件。 插箱结构一体化: 一体化的插箱设计,插箱可方便整体装卸,每套插箱可独立运行,单套插箱维修方便 简单。

第二章 主要技术参数 2.1 整柜配置
NES5100 发电机励磁调节机柜采用拼装式结构。前门单开,后门双开,前后门均为扑门 结构,柜前门为有机玻璃,前后门均配有带锁门把;柜内为立柱加插箱形式,以四根立柱为 主体,形成内框架;柜外表采用喷塑工艺,亚光橘纹,可按色卡配色。 柜内配置为:两套或三套互为独立、互为备用的调节控制单元(插箱) ,每套含有自动 和手动控制环节再加独立手动控制环节; 显示操作层, 可采用彩色液晶显示工控机或显示操 作模块;可编程逻辑控制器(选用) 。 装置与外部连接的总端子排设再内框架后部两侧, 沿后立柱设走线槽。 机柜底部开有电 缆走线孔,提供用户将现场信号和装置输出信号引入或引出。机柜后部内侧下方,装有两只 隔离变压器,用于调节器交流电源隔离。上方设有空气开关,用于投切电源。 正视图和背视图如图 2-1 和 2-2 所示。

2.2 机械结构
2.2.1 结构数据
机柜尺寸 NES5100 发电机励磁调节器机柜,采用标准尺寸的机柜,尺寸有以下几种可选:
? 600 ? 800 ? 800 ? ? ? ? ?宽 ? ? ?1000 ?1000 ? ? ?1200 ? ? ? ?深 ? ? ? ? ?

? 2260 ? ? ? ?高 ? ? 2360 ?

单位: mm

1、 一般性原则:根据实际工程的厂房布置的统一规划进行选择

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2、 机柜宽度:当励磁调节器作为全套励磁系统装置之一供货并布置在一起时,励磁调节器 机柜结构尺寸与系统其它机柜的宽度一致;有其它实际要求可另行设计 3、 机柜深度:调节器独立供货或独立布置时,可选 600mm 或 800mm;随整套系统供货并布 置在一起时,深度与其它机柜一致;有其它实际要求可另行设计 4、 机柜高度:2260mm 或 2360mm 插箱尺寸 NES5100 励磁调节单元装置的结构尺寸是:
60 ?宽 ? ? 60 ?深 ? ? 60 ?高 ? 单位: mm

2.2.2 防护等级
机柜防护等级:IP20 插箱防护等级:IP40 插箱振动跌落:II 级

2.3 环境条件
使用地点的海拔高度不大于 2500 米 环境温度为 ? 10 ? C ~ 40 ? C 运输及存储温度为 ? 25 ? C ~ 70 ? C 环境相对湿度不大于百分之九十,无冷凝 使用环境的周围介质无爆炸性危险, 不应含有腐蚀性气体, 所含导电尘埃的浓度不应使绝缘 水平降低到允许极限值以下 抗地震能力:当振动频率为 10 Hz ~ 150 Hz 时,振动加速度不大于 5 m / s
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2.4 电气配置参数
2.4.1 电源参数
每 套 均 是 交 、 直 流 并 联 供 电 。 交 流 输 入 220 V ? 15 % , 直 流 输 入 220 V ? 20 % ( 或
110 V ? 20 % ) 。

显示操作模块电源为+24V 供电,装置内配置相应电源转换模块。 网络路由器为 220V 供电。
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每套调节单元的电源各自独立。每套电源配置如下: 芯片工作电源:+1.8V,+3.3V,+5V,+12V,-12V 各一路 开出信号电源:+24V 一路 开入信号电源:+24V 一路 脉冲电源:+24V 一路 通讯电源:+5V 一路

2.4.2 模数转换输入参数
24 路模拟量采样通道: 定子电压 同步电压 系统电压 PT2 电压 定子电流 转子电流 3 相交流,线电压额定值 100V,3 通道 3 相交流,线电压额定值 100V,3 通道 3 相交流,线电压额定值 100V,3 通道 3 相交流,线电压额定值 100V,单通道 3 相交流,输入范围为 0~5A,3 通道 3 相方波,输入范围为 0~5A,交流采样,由励磁变压器低压侧的电流互 感器来,3 通道 噪声信号 Eq 测量 工作电源 地信号 输入范围 0~5V,单通道 单通道 芯片工作电源检测,5 通道 单通道

2.4.3 数模转换输出参数
4 路 14 位 D/A 转换通道,可编程定义输出信号 输出参数范围:0~5V 信号,可外配变送器端子转换为 4~20mA 信号输出

2.4.4 开关量开入开出参数
26 路无源开入信号输入(最大可扩展至 46 路) ,其中有 6 路直接开入 CPU 板,开入信号电 源由调节器提供 16 路继电器开出信号输出(最大可扩展至 32 路) ,开出信号为无源干节点,节点容量为 220V/1A

2.4.5 脉冲输出参数
输出脉冲:可输出六相双脉冲供三相全控整流桥用,或可扩展至十二相脉冲输出 触发功率:每相脉冲可供 10 组脉冲变压器回路负载
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2.5 指标参数
可控硅控制角α 分辨率:最高可达 40MHz A/D 转换量分辨率:16 位采样 采样方式:直接交流采样,每周期采样 36 点 控制计算调节速度:3.3 毫秒 调压范围:5%∽130% 调压精度:<0.1% 移相范围:0∽180 度,上下限值可程序设置 调差:由软件设置无功调差率,正负及大小任选,级差为±0.1% 频率特性:发电机频率每变化 1%,发电机端电压变化不大于额定值的±0.1% 增减调节速度:可编程,满足不大于 1%每秒,不小于 0.3%每秒 电压响应时间:上升<0.08S,下降<0.15S 频率相应范围:5∽500Hz 故障和试验自动记录波形性能参数: 步长:3.3ms 录波模拟量通道数:15 录波开关量通道数:80 事故前记录时间:10 事故后记录时间:10

2.6 通信接口
以太网接口:每套调节单元带一个以太网接口,通过机柜上配置的网络路由器,可以与外部 网络联接 CAN BUS: 每套调节单元带两个 CAN BUS 接口,两条 CAN BUS 可互为热备用,励磁系 统内部节点通信使用,BASIC CAN 方式,也可以与外部 CAN BUS 联接 RS232: 每套调节单元的 ARM 和 DSP 均自带两个 RS232 接口,一个用于相互间的通 讯,一个用于调试 RS485: 每套调节单元带一个 RS485 接口,用于用户通讯,MODBUS 协议

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GPS 对时: 每套调节单元带一对 GPS 脉冲对时接口

2.7 遵循标准
2.7.1 励磁标准
IEEE Std 421.5 -2005 励磁系统数学模型 GB 10585-89 中小型同步电机励磁系统基本技术要求 DL/T 489-92 大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置试验规程
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2.7.2 电磁兼容标准
GB/T 14598.9 辐射电磁场干扰试验的规定 GB/T 14598.10 快速瞬变干扰试验的规定 GB/T 14598.13 脉冲群干扰试验的规定 GB/T 14598.14 静电放电试验的规定 GB/T 17626.5 浪涌(冲击)抗扰度试验的规定 GB/T 17626.6 射频场感应的传导骚扰抗扰度试验的规定 GB/T 17626.8 工频磁场抗扰度试验的规定 GB/T 17626.9 脉冲磁场抗扰度试验的规定

2.7.3 绝缘耐压标准
GB/T 14598.3-93 6.0 绝缘试验的规定 GB/T 14598.3-93 8.0 冲击电压试验的规定

2.7.4 其它相关标准
GB/T 15153.1-1998 远动设备及系统 GB 3797-83 电控设备 第 2 部分 装有电子器件的电控设备 GB 2423 电工电子产品基本环境试验规程

第三章 调节单元硬件配置 3.1 简述
NES5100 励磁调节控制单元以 ARM 芯片为自动通道计算控制核心, FPGA 为 I/O 中心、 DSP 为纯手动通道计算控制核心, 构成了三 CPU 系统。 ARM 为主, 以 配置 A/D、 D/A、 FPGA、 ETHNET、
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FLASH、CAN、DSP 从而构成励磁调节 CPU 板;加上模拟量板、开关量板、同步板、脉冲放大 板,电源板等构成励磁调节控制单元。 外部电流和电压输入经模拟量板的隔离互感器隔离变换后, 由低通滤波器输入至模数变 换器,经采样处理后,形成各种采集量。 控制信号、现场状态信号由开关量板进入,经光电隔离后形成可读信号。 输出状态信号由开关量板继电器输出。 控制脉冲由脉冲板隔离放大后输出。 以 ARM 为中心的 CPU 板完成励磁调节器的对外通讯功能,包括 RS485、RS232、LAN 等。 ARM 和 DSP 之间通过串口交换信息。 通道之间通过双 CAN 网络通讯, CAN 网络互为热备用。 双 板间通过总线背板交换信息,有部分使用 SPI 通讯。 框图见图 3-1。图中加入 D/A

RAM

FLASH A/D

模拟量

开入量

RS232 RS485 通讯接口 CAN2 LAN ARM

UART

DSP

地址线 数据线 FPGA

脉 冲 切 换 逻 辑

脉 冲 输 出

同步电压
图 3-1 NES5100 励磁调节控制单元硬件框图

开出量

3.2 板件布置
如 3.1 中所述,NES5100 调节器单套由多块板件构成。每块板件外加全金属外壳,加强 了防尘、散热,以及抗电磁干扰的性能,如图 3-2。图 3-3 表示 NES5100 调节器单套的单 板插件组合示意图。另有背板一块图中未显示出。
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图 3-2

板件全金属外壳

EX01

EX02

EX03

EX04

EX05

EX06

EX07

EX08

图 3-3 NES5100 调节器单通道的单板插件组合示意图 图 3-3 中,单板的名称见表 2-1: 单板编号 EX01 EX02 EX03 EX04 EX05 EX06 EX07 EX08 单板名称 脉冲电源板 系统电源板 CPU 板 模拟量板 同步电压板 开关量板 扩展板 脉冲放大板

表 3-1:单板的名称

3.3 各板功能
3.3.1 脉冲电源板
脉冲电源板用来提供脉冲输出的+24V 电源,交直流双路供电,AC220V、DC220V(或 DC110V)输入,通过电压转换成所需+24V。 为了保证励磁系统的可靠性, 脉冲电源板是由专业厂家特制, 按照军工标准设计的开关 电源,另外在板件结构上也充分考虑了防电磁干扰、防尘和散热,通过了严酷的 EMC 测试
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和高温湿热测试。

3.3.2 系统电源板
该板为双路供电,AC220V、DC220V(或 DC110V)输入,输出+12V、-12V、+5V 各 一路用于芯片工作电源,输出一路+5V 用于通信电源,输出两路 24V 用于开关量输入输出 电源。 为了保证励磁系统的可靠性, 系统电源板同样是由专业厂家特制, 按照军工标准设计的 开关电源,另外在板件结构上也充分考虑了防电磁干扰、防尘和散热,通过了严酷的 EMC 测试和高温湿热测试。

3.3.3 CPU 板
主要功能: CPU 板是核心控制板,主要功能有: ? ? ? ? ? ? ? ? ? 将 5V 电源变换成 1.8V,3.3V 供部分芯片使用 将模拟信号进行 A/D 变换采样 部分开入信号 根据 A/D 采样的结果及开入信号逻辑判断进行控制计算,产生小脉冲 根据逻辑判断程序发开出信号 测频及脉冲回读检测 工作电源检测 双套切换逻辑和手自动切换逻辑的实现 通讯功能

核心模块: 核心部分由自动通道和独立手动通道构成。 自动通道采用 32bit 的 ARM 芯片和大规模可编程控制芯片 FPGA 组成控制核心, 根据 A/D 采样的结果及开入信号逻辑判断进行控制计算,发出控制脉冲,并完成数字信号开出,测频 及脉冲回读检测等功能。 32bit 的 ARM 芯片的通讯功能很强,支持以太网 10/100M Base-T、USB2.0 等通讯协议。 纯手动通道采用 16bit 的 DSP 作为控制芯片, 完成模拟量采样, 相关开入开出信号处理, 发出脉冲等功能。 A/D 变换: 将模拟量板、同步板调理好的模拟信号转换为数字量。自动通道采用 16 bit 真双极性、
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多通道模数转换器(ADC) ,该器件仅有 160 mW 功耗,它比最接近的同类双极性输入 ADC 的功耗降低了 60%。包含一个低噪声、宽带跟踪保持放大器以便处理输入频率高达 8 MHz 的 信号,还具有高速并行和串行接口,从而允许该器件与微处理器(MPU)或者数字信号处 理器(DSP)连接。 然后结合多路开关, 同时对一路三相电压和一路三相电流进行同步采样, 保证了无功功 率测量的准确性。 纯手动通道利用 DSP 自带的 12 bit 模数转换器(ADC) ,对励磁电流进行采样。 脉冲切换: NES5100 励磁调节器正常工作时,自动通道和纯手动通道都根据各自的计算发出控制 脉冲, 然后根据逻辑判断确定自动通道或是纯手动通道的控制脉冲传送给脉冲放大板。 脉冲 切换框图如图 3-4。
自动通道脉冲

多路开关
手动通道脉冲

脉冲输出

脉冲切换逻辑

图 3-4 脉冲切换框图 通讯功能: 通讯模块包括 CAN BUS 硬件部分和 Ethernet 硬件部分以及 GPS 脉冲对时。 功能设定: 可通过拨码开关来选通以下设定:内部/外部启动、自动/手动、串口选择、运行/调试。

3.3.4 模拟量板
该板的主要功能进行信号调理,调理的信号包括机端电压、系统电压、同步电压、定子 电流、转子电流等,调理过程是将高压(100V) 、大电流(5A)信号进行隔离并转换为±10V 电压信号,然后传输到主 CPU 板。 该板还包括 D/A 输出部分,有 4 路 12 位的 D/A 输出。

3.3.5 同步板
同步板的主要功能就是将外部送来的高压(100V)左右的同步电压信号进行变换,然后 传输到 CPU 板,在本板上,根据同步频率和同步接法的不同,要选择不同的跳线和不同的阻
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容吸收元件的参数。

3.3.6 开关量板
该板上有 20 路开关量输入通道,通过光耦隔离输入;16 路开关量输出,经过光耦隔离 后通过继电器接点输出。 开关量板具有很强的显示功能, 每一个开关量的状态都可以通过面 板上的灯的状态来显示,从而可以直观地观察开关量的状态。

3.3.7 扩展板
扩展板位置通常扩展相同的一块开关量板,以增加开关量数目。

3.3.8 脉冲放大板
该板的主要功能是将 CPU 板上形成的小脉冲通过光电隔离及电平转换送至 6 片 CMOS 管 放大,然后输出。脉冲切换继电器主要控制脉冲是否输出。常闭节点可保证在操作电源消失 时仍然能输出脉冲。该板的另一功能是将发出的脉冲进行取样,并回读至主 CPU 板,以检查 脉冲是否丢失。 脉冲板还包括电源检测和故障开出功能, 电源检测用于对系统的+5V、 ±12V、 24V 电源进行检测,若检测到本套电源掉电或故障,则立即开出故障进行双机切换,以保证 系统的可靠性。 图 3-5 为脉冲放大板的原理框图和视图:

图 3-5 脉冲放大板的原理框图

3.3.9 背板
背板的主要功能是实现各板件之间的数据和信号的传递。 另外外部进入的信号也通过背 板进入插箱,所以在背板上装有多组端子,其中包括大电流端子。所选用的大电流端子可保 证误拔时不会使电流回路开路,避免由此引起的事故。

19

第四章 调节软件 4.1 软件构架
自动通道软件组成包括三个方面:嵌入式操作系统、人机交互程序以及励磁应用程序。 嵌入式操作系统部分包括操作系统本体,还包括硬件底层驱动软件、系统任务配置、系 统中断配置等。底层驱动包括 FLASH 驱动、以太网驱动等。操作系统提供的多任务机制中 对任务的控制采用了优先级抢占(Preemptive Priority Scheduling)和轮转调度(Round-Robin Scheduling)机制,充分保证了可靠的实时性,使同样的硬件配置能满足更强的实时性要求, 为应用的开发留下更大的余地。系统中共划分四个任务,优先级从高到低为:主任务、通信 报文处理任务、RS232 和 RS485 任务、网络通信任务。在操作系统下,中断由硬件产生, 操作系统将中断和中断处理程序(ISR)关联起来。所有 ISR 都不同于任何一个任务,并且使 用同一个栈进行数据存储,中断将不会引起上下文切换,以实现高效的中断响应。系统中包 括五个中断,优先级从高到低为:同步中断、采样中断、励磁控制中断、通信中断、对时中 断。
开始

ISR GPS对时

系统初始化

创建消息队列和初 始为empty信号量 ISR 555us采样中断 ISR 3.3ms控制中断 开入开出控制 控制计算 双机通信处理 故障检测

共 享 内 存 / 消 息 队 列 / 信 号 量

使能中断

创建任务

主任务

ISR 20ms中断 采样同步

网络通信任务

ISR 网络通信中断

RS232和485通信 处理任务

通信报文处理任务

图 4-1 软件构架
20

人机交互的核心程序位于通信报文处理任务中。该任务和网络通信任务、RS232/RS485 通信任务一同构成了整个人机交互的下位机系统。 网络通信任务、 RS232/RS485 通信任务接 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, 通信报文处理任务从消息队 列中逐条取出并处理。 励磁应用程序包括两个部分:主流程和控制调节程序。主流程放置于主任务中,约每 160ms 运行一次,完成励磁应用程序的初始化以及机组状态的判断等功能;控制调节程序放 置于 3.3ms 中断中,完成所有的励磁控制调节功能,确保了控制调节的快速和精度。 整体构架见图 4-1。

4.2 励磁应用程序主流程
主流程完成机组状态的判断以及各状态下的初始化功能。程序中,机组状态分为:空 闲、等待、开机、停机四种状态。程序根据上一次流程判断出机组的运行状态,对各状态进 行相应的初始化,同时再次判断机组状态,以便下一次流程中使用。主流程框图见图 4-2。

开始

空闲? 否 等待? 否 开机? 否 停机? 否 状态检测



空闲初始化

状态检测



等待初始化

状态检测



开机初始化

状态检测



状态检测

结束

图 4-2 主流程框图
21

状态检测模块完成了机组状态的判断以及状态之间的转换,总体来说状态的转换包括: 空闲状态转换成等待状态;等待状态下判断开机条件,满足条件则转换成开机状态;开机状 态下判断停机条件,满足调节则转换成停机状态;停机状态下延时回到空闲状态。状态检测 框图见图 4-3。

开始

空闲? 否 等待?



转为等待



满足开机条件? 否



开机前设置

转为开机



仍为等待

开机?



满足停机条件? 否



转为停机



仍为开机

停机? 否 转为等待



延时时间到? 否



转为空闲

仍为停机

结束

图 4-3 状态检测框图 开机条件和停机条件可根据各厂的不同要求通过逻辑组态完成。开机前设置主要是将 电压给定设置在要求的值上,并将一些标志信号量置位或复位。

4.3 励磁应用程序控制调节程序

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