基于DDS技術的發電機并網模擬系統設計

聶紅偉，廖紅星，程詩佳，張丹紅

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基于DDS技術的發電機并網模擬系統設計

聶紅偉1，廖紅星1，程詩佳2，張丹紅2

(1. 中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢 430223 ；2. 武漢理工大學自動化學院，武漢 430070)

針對目前發電機并網培訓的需要，采用意法半導體（ST）公司生產的32位低功耗單片機STM32F103和DDS芯片AD9832設計正弦信號發生電路，與上位機和同期表一起構成發電機并網模擬系統。首先根據同期表的使用方法，提出系統總體設計方案。然后詳細描述AD9832的工作原理和以AD9832為核心的正弦波發生電路，給出了系統的主程序流程圖。使用結果表明，該系統具有性能穩定、操作簡單等特點。

直接數字頻率合成 單片機 同期表 發電機并網

0 引言

由于電網運行的需要，發電機并網操作幾乎每天都在進行，并網操作分為自動準同期并網與手動準同期并網[1-2]，前者由自動準同期裝置控制，出錯率較低；而后者為人工操作，需要借助同期表的指示選擇并網的時機，若并網時機選擇不對，并網將無法正常進行，會對電力系統的正常運行造成嚴重危害。熟練掌握同期表的使用方法，選擇并網合閘的時刻，是成功進行并網的關鍵所在。

本文介紹基于直接數字頻率合成（DDS）專用芯片[3-4]AD9832設計的發電機并網模擬系統，可應用于發電廠，供操作人員培訓使用。該系統可產生兩路可調正弦波電壓，分別模擬電網端電壓與發電機端電壓。操作人員通過該系統學習同期表的使用方法，熟悉并網操作規程，減少實際并網中誤操作的概率。

1 系統結構與功能

同期表是由頻率差指示、電壓差指示和同期指示三個測量和指示機構組成的儀表，是用于將發電機頻率、電壓、相位與電網參數進行對比的表計。發電機并網操作大量使用MZ10型同期表作為同期指示。它具有三個輸入端口，其中一個端口接待并發電機，另外兩個端口均接入電網，只是接入的時機不一樣。在粗調階段兩個端口中標有A0、B0的端口接入電網，粗調完成進入細調時，在標有A0、B0的端口繼續接入電網的同時，另外一個端口接入電網。根據MZ10的工作原理，單相的MZ10需要兩路頻率、幅值、相位可調正弦電壓。基于此，設計了一塊控制板，產生兩路頻率、幅值、相位可調的正弦波，分別模擬電網電壓和發電機端電壓。控制板上的3個繼電器S1、S2和S3，控制兩路正弦波是否與MZ10的對應端子相連。控制板、上位機和同期表共同構成了發電機并網模擬系統，總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

控制板的核心為ST公司生產的單片機[5]STM32F103，內嵌ARM 32位Cortex-M3 CPU,最高工作頻率達72MHz，最高指令執行速度1.25DMIPS/MHz，高性能、低成本、低功耗及其豐富的外設資源給設計帶來很大方便。正弦波產生電路為兩片DDS芯片AD9832，通過控制字可改變正弦波的頻率和相位。借助STM32F103內部集成的DAC模塊給AD9832提供參考電壓，實現對正弦波幅值的控制。DDS芯片AD9832及其附屬電路所產生的正弦波經低通濾波器、電壓放大器、功率放大器和變壓器的變換后，變成能驅動同期表MZ10的信號。三路繼電器S1、S2、S3的開閉控制2路正弦信號是否輸出到同期表。

上位機通過RS-485總線與控制板相連，將操作人員的操作指令發送給控制板，控制A、B兩路正弦信號發生電路產生的正弦電壓的幅值、頻率和相位。同時控制三路繼電器S1、S2和S3的開閉。因為一臺上位機要通過RS-485總線與多個控制板相連，所以控制板上設置撥碼開關用以指定控制板的地址，以便上位機識別控制板。

2 正弦波發生電路

2.1 AD9832芯片工作原理

直接數字頻率合成（DDS）是一種新的頻率合成技術和信號產生方法，具有高速頻率轉換、高分辨率、高穩定度、低相位噪聲、良好的相位連續輸出信號易數字式調制等特點，因而得到廣泛的應用。

主要由數控振蕩器（NCO）、相位調制器、正弦查詢表（LUT）以及一個10位數模轉換器（DAC）組成。其中數控振蕩器和相位調制器包括兩個32位頻率寄存器FREQ0和FREQ1、一個32位相位累加器和四個12位相位寄存器PHASE0、PHASE1、PHASE2和PHASE3。通過外部引腳FSELECT或內部寄存器中的FSELECT位來控制兩組頻率寄存器，改變頻率寄存器的值，從而產生不同頻率的正弦波，其工作原理框圖如圖2所示。

圖2 AD9832工作原理框圖

采用32位二進制累加器，具有很高的分辨精度，頻率最小分辨率為

輸出正弦波的相移角度通過向四個12位相位寄存器寫入相位控制碼來調整，精度達到0.001533°，其計算公式如下。

此外，通過芯片手冊介紹，可以知道，輸出端是一個高阻抗電流源，要生成電壓信號，必須串聯一個負載電阻并接地，其典型值為300Ω。根據DAC滿度電流調制公式

2.2信號發生電路設計

為了降低輸出噪聲，模擬電壓AVCC和數字電壓VCC是隔開的，都加有退耦電容；模擬地GND_A和數字地GND也是分開的，在進行PCB布局時兩者要分別走線，只在一點相連，保證數字回流不干擾模擬輸出的穩定。串口信號線如SCLK，SDATA等應避免從芯片下面通過，以減少這些高速跳變的數字信號攜帶的高次諧波影響模擬輸出。

圖3 正弦信號發生電路

3 系統軟件設計

系統軟件主要由單片機STM32F103外設初始化程序、AD9832初始化程序、命令接收程序及定時器中斷保護程序組成。主程序流程圖如圖4所示。

外設初始化包括通用I/O口配置，系統時鐘、串口、定時器、看門狗使能等。AD9832初始化主要是配置控制寄存器，完成對頻率及相位寄存器的設置。上電后，芯片應首先復位，相位累加器清零，為了避免內部DAC產生虛假輸出，AD9832芯片在初始化時，SLEEP及RESET要一直保持高電平，直到芯片準備好輸出為止。設置CLR位為高電平可以置零SYNC和SELSRC。如果將SYNC和SELSRC置1，表示同步讀取數據及使用寄存器的位來選擇頻率寄存器和相位寄存器，SELSRC置0表示使用外部引腳來選擇頻率寄存器和相位寄存器。向所選擇的頻率及相位寄存器寫入控制字后使能芯片工作，在6個系統時鐘周期后開始一個新的輸出。

圖4 主程序流程圖

初始化完成后系統即進入了正常工作狀態，采用查詢方式等待上位機發送命令，每幀命令由8個字節組成，包括幀頭、地址、相應控制命令和幀尾等。當成功接收到第一個字節，將其裝入數據緩沖器，數據接收計數器Count自動加1，并且開啟中斷周期為500 ms的定時器，隨后繼續查詢等待第二個字節的接收，直到對第八個字節的接收成功，激活命令執行標志位，然后根據數組緩沖器中存儲的數據執行相應的操作，執行完操作后將標志位清零。若對于其中任意連續的兩個字節之間的接收等待時間超過500ms，定時器進入中斷，對計數器清零并且關閉定時器，表示系統放棄對該幀的接收，程序回到最初查詢接收狀態，等待新一幀數據的到來。

4 實驗結果

系統上電后，通過單片機STM32F103控制兩片AD9832產生兩路正弦電壓，波形如圖5所示。從圖5可以看出，信號未出現明顯失真，波形完整，并且可以任意改變A路和B路正弦波的頻率及幅值，達到了預期設計要求。

（a）初始化波形

(b) 改變A路頻率及幅值

(c)改變B路頻率及幅值

5 結束語

本文設計的發電機并網模擬系統，以單片機STM32F103作為主控芯片，發揮了該芯片強大的數據處理及實時控制功能，充分利用了其豐富的外設資源，簡化了控制結構。采用具有高穩定性、高分辨率DDS信號發生芯片AD9832，能準確模擬發電機并網中的正弦信號。經在發電廠現場調試和實際使用，結果表明該系統具有性能穩定、操作簡單等特點，能較好地達到對操作人員培訓的目標，讓操作人員熟練掌握同期表的使用方法，進行并網操作，減少因操作不當而造成的并網事故，具有十分重要的現實意義。

[1] 李業興, 鄧志杰, 李文慧. 基于DSP的自動準同期裝置的設計與實現[J]. 電氣應用, 2006, 25（8）: 27-30.

[2] 孟祥忠, 王博. 電力系統自動化[M]. 北京: 北京大學出版社, 2006.

[3] 沈拓, 董德存. 直接數字頻率合成芯片AD9832原理及其典型應用設計[J]. 測控技術, 2005, 23（12）: 68-70.

[4] 王鳳臣, 李慶瑞, 喬衛民, 等. 基于DDS的波形發生器在加速器電源控制系統中的應用[J]. 計算機測量與控制, 2006, 14（6）: 762-764.

[5] 喻金錢, 喻斌. STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發與應用[M]. 北京: 清華大學出版社, 2011.

Design of Grid Connection Simulation System of Generator Based on DDS Technology

Nie Hongwei1, Liao Hongxing1, Cheng Shijia2, Zhang Danhong2

(1.China Nuclear Power Operation Technology Cooperation Ltd., Wuhan 430223, China; 2.School of Automation ,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

TM302

A

1003-4862（2014）06-0010-04

2013-09-27

湖北省自然科學基金資助（2013CFB335）

聶紅偉（1979-），男，碩士，工程師。研究方向：核電過程及其控制系統模擬。