風(fēng)電變流器大功率試驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

中廣核新能源華北分公司 溫德勝 逯登龍 羅文軍 張秉元

1 引言

風(fēng)電變流器生產(chǎn)檢測(cè)存在能耗大、工況模擬難、效率低下等諸多問(wèn)題，本文就這些問(wèn)題設(shè)計(jì)了一款監(jiān)控系統(tǒng)，其整體架構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了信號(hào)調(diào)理模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、ADSP-21262數(shù)據(jù)處理模塊以及存儲(chǔ)器片外擴(kuò)展等模塊，并為用戶提供了人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)電變流器多參數(shù)和大功率的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 總體設(shè)計(jì)

檢測(cè)風(fēng)電變流器質(zhì)量的一種有效方式是建立高效可靠的變流器大功率試驗(yàn)平臺(tái)，這種試驗(yàn)平臺(tái)可全面實(shí)時(shí)監(jiān)控風(fēng)電變流器的保護(hù)特征、控制系統(tǒng)運(yùn)行及工作狀態(tài)，有助于提高風(fēng)電變流器產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與質(zhì)量。試驗(yàn)平臺(tái)中，電能依次經(jīng)過(guò)網(wǎng)側(cè)變壓器、網(wǎng)側(cè)大開(kāi)關(guān)，最終進(jìn)入環(huán)形功率回饋系統(tǒng)，其中環(huán)形功率回饋系統(tǒng)的組成部分有變流器、電抗器、開(kāi)關(guān)柜及變壓器等，大功率環(huán)流建立使用了變流器逆變和自身整流的能力[1]。在深入分析試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)際需求的基礎(chǔ)上布置相應(yīng)測(cè)點(diǎn)，整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)使用集中監(jiān)控和分布式測(cè)控的方式，分布式測(cè)控用于測(cè)量各路信號(hào)，并借助通信介質(zhì)完成和集中監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)通訊，與此同時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)實(shí)現(xiàn)虛擬示波器功能，此外，還具有自動(dòng)測(cè)試、報(bào)表及數(shù)據(jù)分析的功能。

3 監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)控系統(tǒng)的總體要求

考慮到數(shù)據(jù)運(yùn)算量大及信號(hào)測(cè)量的實(shí)際要求，本文的試驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)采用集中監(jiān)控和分布式測(cè)量的方案，先利用測(cè)控設(shè)備測(cè)量各測(cè)點(diǎn)，再使用交換機(jī)統(tǒng)一管理測(cè)量結(jié)果與信息。該測(cè)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，可根據(jù)實(shí)際需要靈活地減少或增加部分測(cè)控設(shè)備，即使是某一個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障也不會(huì)干擾其他測(cè)點(diǎn)。該測(cè)控系統(tǒng)的主要組成部分有終端顯示器、交換機(jī)及核心測(cè)控器，由于系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求高、數(shù)據(jù)處理量大，因此核心測(cè)控器主要用于數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)控制與傳輸、柜內(nèi)開(kāi)關(guān)量、模擬量采集以及測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算；對(duì)于數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)采集單元使用向量同步測(cè)量，這有助于提升綜合診斷能力以及反映數(shù)據(jù)時(shí)序關(guān)系；對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸，在交換機(jī)與測(cè)控設(shè)備之間使用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，這便于集中管理數(shù)據(jù)[2]。用戶界面用于接收和顯示數(shù)據(jù)、人機(jī)交互及與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心交換數(shù)據(jù)。

3.2 監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)的核心是硬件電路，系統(tǒng)的所有功能實(shí)現(xiàn)均依賴硬件，硬件設(shè)計(jì)的基本思路是先明確監(jiān)控系統(tǒng)目標(biāo)，后選擇芯片、元器件、管腳間的信號(hào)連接以及外圍電路擴(kuò)展等。常見(jiàn)的幾種測(cè)控方案有：基于工控機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計(jì)方案、基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案以及基于DSP 的設(shè)計(jì)方案等。第一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、采集功能強(qiáng)大，但體積大、成本較高且不適合需要現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控的應(yīng)用場(chǎng)景；第二種數(shù)據(jù)處理能力弱，因此實(shí)時(shí)性差，使用以太網(wǎng)進(jìn)行通信難度大；第三種DSP 的內(nèi)部集成了專門用于運(yùn)算的累加器、乘法器等硬件，適用于實(shí)時(shí)性要求高、運(yùn)算量較大的系統(tǒng)。由此測(cè)控系統(tǒng)采用了第三種即基于DSP 的設(shè)計(jì)方案，使用兩塊DSP，一塊用來(lái)計(jì)算和處理數(shù)據(jù)，另一塊用來(lái)控制和管理外圍通訊設(shè)備等，在測(cè)控系統(tǒng)使用雙芯片實(shí)現(xiàn)了較好的控制效果，達(dá)到最初設(shè)計(jì)測(cè)控系統(tǒng)的期望。

3.3 主要元器件選型

實(shí)際工程需要監(jiān)控系統(tǒng)能長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行，即使在環(huán)境惡劣條件下也能工作，元器件為了符合這一要求需要具備抗干擾強(qiáng)、壽命較長(zhǎng)的特點(diǎn)，在選擇元器件時(shí)應(yīng)遵循的原則如下。

一是所選元器件具有較長(zhǎng)的壽命以及較強(qiáng)的抗干擾能力；二是工業(yè)級(jí)且應(yīng)用廣泛；三是具備完善的技術(shù)支持及售后服務(wù)；四是符合數(shù)據(jù)計(jì)算的精度，具備較強(qiáng)的計(jì)算能力。由此監(jiān)控系統(tǒng)的傳感器選型為：電壓型傳感器選擇可以測(cè)量交流、直流及脈沖電壓的LEM LV25-1000；電流型傳感器使用LEM hax500-1000s 和LEM hax500-2000s；A/D 轉(zhuǎn)換器選用分辨率16位以保證足夠的轉(zhuǎn)換精度；DSP選用ADSP-21262與ADSP-BF536兩款。

4 測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。該監(jiān)控系統(tǒng)使用雙DSP 結(jié)構(gòu)，不僅保證一定的數(shù)據(jù)處理能力和測(cè)量精度，還盡可能使電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、性能穩(wěn)定，有信號(hào)調(diào)理模塊、通信模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、ADSPBF536模塊、ADSP-21262模塊及對(duì)應(yīng)接口等組成部分。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

4.1 信號(hào)調(diào)理模塊

由于傳感器的輸出信號(hào)量級(jí)不同且變化幅度大，大多數(shù)不在AD 芯片要求范圍內(nèi)，因此需要增加一個(gè)信號(hào)調(diào)理模塊平移或縮放信號(hào)，同時(shí)適當(dāng)濾波信號(hào)以使處理后的信號(hào)符合ADC 的實(shí)際模擬輸入要求。信號(hào)調(diào)理模塊本質(zhì)是一個(gè)信號(hào)調(diào)理電路，使用差分放大原理有效抑制了零點(diǎn)漂移從而降低了共模干擾的影響。基本思路是利用運(yùn)算放大器“虛斷”特征完成分壓，再利用運(yùn)算放大器的“虛短”特性來(lái)靈活調(diào)整信號(hào)幅值從而調(diào)整寬帶。

4.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

AD7565內(nèi)置6個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器，這些轉(zhuǎn)換器低功耗、快速、吞吐率可達(dá)260KSPS，同時(shí)內(nèi)置低噪聲放大器，處理的輸入頻率可達(dá)4.5MHz。數(shù)據(jù)采集與模數(shù)轉(zhuǎn)換使用內(nèi)部振蕩器與CONVST 信號(hào)來(lái)控制，另外，三個(gè)CONVST 引腳支持ADC 獨(dú)立同步采樣，若是連在一起則支持對(duì)六個(gè)ADC 同步采樣或?qū)τ闪鶄€(gè)隨機(jī)組合的三對(duì)同步采樣。CONVST 在上升沿過(guò)程中，ADC 開(kāi)啟保持模式并進(jìn)行轉(zhuǎn)換，到上升沿后BUSY 信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖剑@表示正在轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換使用內(nèi)部時(shí)鐘，只要BUSY 信號(hào)一直處于高電平就不會(huì)注意其他CONVST 上升沿，轉(zhuǎn)換結(jié)束的標(biāo)志是BUSY 信號(hào)由高電平恢復(fù)到低電平，這時(shí)可使用串行或并行接口讀取數(shù)據(jù)。

4.3 ADSP-21262數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊的功能是運(yùn)算并處理數(shù)據(jù)，AD0-15作為數(shù)據(jù)端口，用于接收來(lái)自轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)，AD13-15向鎖存器發(fā)送數(shù)據(jù)并連接在芯片的片選端進(jìn)而判斷數(shù)據(jù)來(lái)源。兩塊AD 的BUSY 信號(hào)分別經(jīng)過(guò)或門接入DSP 芯片的FLG1標(biāo)志腳，其作用是檢測(cè)芯片的狀態(tài)。該DSP 處理器使用外接輸入頻率為25M 的有源晶振并擴(kuò)展1M 用于存儲(chǔ)的空間，不僅可以存儲(chǔ)程序，還可存儲(chǔ)運(yùn)行中的錄波數(shù)據(jù)或故障數(shù)據(jù)等。

4.4 BF536模塊電路

BF536模塊電路的作用是檢測(cè)和管理整個(gè)系統(tǒng)并保持與上位機(jī)的通訊。該處理器的內(nèi)核供電電壓是1.2V，外部供電電壓是3.3V，DIN1-10是10路開(kāi)關(guān)狀態(tài)量的輸入，其中DIN1-4狀態(tài)量輸出用來(lái)控制四路繼電器的閉合和開(kāi)關(guān)。另外，為了保證輸出DOU 和輸入DIN 相匹配于DSP 接口電平，使用SN74LVCC4245芯片轉(zhuǎn)換電平，如5V 和3V 電平之間的相互轉(zhuǎn)換。PH0-15是以太網(wǎng)接口，PG10-15是SPORT0和ADSP-21262的通訊接口；PJ6-11是SPORT1和ADSP-21262的通訊接口。

4.5 存儲(chǔ)器片外擴(kuò)展

為了降低布線復(fù)雜度、減小PCB 的面積及使用地址鎖存器的數(shù)量，該監(jiān)控系統(tǒng)選用SPI 的FLASH AT25F1024。這種存儲(chǔ)器不僅可以存儲(chǔ)程序，還可以存儲(chǔ)運(yùn)行中的錄波數(shù)據(jù)和故障信息等。ADSP-21262具有提供SPI 接口、數(shù)據(jù)總線與地址復(fù)用、程序可設(shè)置為從SPI FLASH 引導(dǎo)啟動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。該芯片工作電壓區(qū)間是2.7～3.6V，設(shè)置輸入電壓為3.3V 以方便統(tǒng)一管理電源，SO 和SI 分別是串行數(shù)據(jù)的輸出端口與輸入端口，SCK 是串行數(shù)據(jù)時(shí)鐘，可直接和控制器的SPI 接口相連，HOLD 是暫停串行輸入，低電平狀態(tài)為有效，作用是暫時(shí)停止和主控制器之間的串行通信，但不進(jìn)行串行序列復(fù)位，因此不需要時(shí)要將HOLD 設(shè)置為高電平。

4.6 時(shí)鐘和復(fù)位電路

因?yàn)橛性淳д窬哂胁恍枰獌?nèi)部振蕩器、相對(duì)穩(wěn)定、連接方式簡(jiǎn)單、信號(hào)質(zhì)量好且不需要配置復(fù)雜的電路等優(yōu)點(diǎn)，該監(jiān)控系統(tǒng)所有時(shí)鐘都使用了有源晶振，為便于調(diào)試程序系統(tǒng)采用了ADM708S 型復(fù)位芯片，該芯片有一個(gè)支持手動(dòng)復(fù)位的輸入引腳，當(dāng)手動(dòng)復(fù)位輸入引腳被拉低或是監(jiān)控系統(tǒng)的工作電壓小于3.08V 時(shí)，復(fù)位端會(huì)形成一個(gè)低電平且時(shí)間保持在200ms 左右，與此同時(shí)，復(fù)位電路還有一個(gè)用于檢測(cè)輸入電壓的電壓檢測(cè)引腳。

5 DSP 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 DSP 程序結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)

首先為監(jiān)控系統(tǒng)通電，一段時(shí)間延遲后系統(tǒng)開(kāi)始初始化，初始化僅在復(fù)位或統(tǒng)一上電時(shí)執(zhí)行一次，主要包含定時(shí)器、中斷標(biāo)志位、存儲(chǔ)器、時(shí)鐘模塊、I/O 模塊、狀態(tài)寄存器以及A/D 模塊等的初始化。而后采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，設(shè)置數(shù)據(jù)采集長(zhǎng)度是1024點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采樣完成后使用相應(yīng)算法分析并計(jì)算數(shù)據(jù)，其中主要有三相不平衡度、諧波及基本電參量等參數(shù)的運(yùn)算，然后將計(jì)算得出的結(jié)果保存并經(jīng)串口發(fā)送給上位機(jī)，最后利用人機(jī)交互界面呈現(xiàn)結(jié)果。

5.2 諧波分析及相應(yīng)FFT 算法改進(jìn)

電力系統(tǒng)中諧波問(wèn)題包含來(lái)源分析、抑制與監(jiān)測(cè)等，其中諧波檢測(cè)是關(guān)鍵和基礎(chǔ)。

實(shí)際信號(hào)處理中，頻譜泄漏是一種非常普遍的現(xiàn)象，對(duì)此系統(tǒng)構(gòu)造和選取合適的窗函數(shù)有效抑制甚至消除頻譜泄漏問(wèn)題，依次應(yīng)用多種矩形窗來(lái)插值FFT 分析，考慮到函數(shù)特性、復(fù)雜度和實(shí)際工程要求，選擇Blackman 窗函數(shù)，同時(shí)適用于高次諧波和小信號(hào)諧波的成分分析。

5.3 信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)

在DSP 硬件和A/D 芯片連接合理的前提下設(shè)計(jì)信號(hào)采集模塊，程序進(jìn)入中斷保護(hù)，并將斷點(diǎn)標(biāo)志位、地址壓入堆棧，DSP 開(kāi)啟外部中斷等待busy信號(hào)，使用AD conv 開(kāi)啟A/D 進(jìn)行信號(hào)采樣，而后再利用中斷查詢判斷A/D 轉(zhuǎn)換狀態(tài)，如果信號(hào)仍在轉(zhuǎn)換則繼續(xù)進(jìn)行中斷循環(huán)查詢操作，直到信號(hào)轉(zhuǎn)換完成為止；如果結(jié)束，接收、讀取并存儲(chǔ)A/D 中的數(shù)據(jù)并返回終端。

5.4 數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理模塊的作用是處理采樣來(lái)的數(shù)字信號(hào)，使用合適的算法來(lái)計(jì)算電能質(zhì)量以及基本電參數(shù)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，基本的電參數(shù)計(jì)算包含功率、電流和電壓有效值的計(jì)算，使用改進(jìn)的FFT 變換信號(hào)以提取各次諧波分量與基波，在此基礎(chǔ)上完成三相不平衡及閃變等計(jì)算。

6 結(jié)語(yǔ)

該監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)諧波提取能力、基本電參量精度、功能以及系統(tǒng)等系列測(cè)試表明，系統(tǒng)各模塊功能均達(dá)到了最初設(shè)計(jì)目標(biāo)與實(shí)際要求，且該試驗(yàn)平臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)展現(xiàn)了良好的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的自動(dòng)化水平，這大幅提高風(fēng)電變流器產(chǎn)品的生產(chǎn)效率與質(zhì)量。