雙微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器數(shù)據(jù)跟隨及故障切換

劉 偉，張朕滔，譚宇航

(重慶理工大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，重慶 400054)

發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁調(diào)節(jié)器是勵(lì)磁控制系統(tǒng)的主要部分和核心部分。它能感受到發(fā)電機(jī)組的機(jī)端電壓、機(jī)端電流或其他參數(shù)的變化，然后對(duì)勵(lì)磁功率單元施加控制作用［1］。隨著控制策略的發(fā)展和新技術(shù)、新器件的不斷出現(xiàn)，勵(lì)磁調(diào)節(jié)方式從手動(dòng)發(fā)展到自動(dòng)，調(diào)節(jié)器功能從單一電壓調(diào)節(jié)發(fā)展到多功能的勵(lì)磁控制?，F(xiàn)代發(fā)電機(jī)組對(duì)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的可靠性要求越來(lái)越高，單微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制已經(jīng)不能滿足可靠性的要求，因此現(xiàn)階段主要采用的是雙微機(jī)雙通道熱備用勵(lì)磁系統(tǒng)。但在雙機(jī)熱備用自動(dòng)切換時(shí)，為了保證切換過程中不引起發(fā)電機(jī)組機(jī)端電壓及無(wú)功功率的波動(dòng)，必須要求雙機(jī)熱備用的元件參數(shù)、綜合放大單元的輸出特性等做到一致［2－3］。傳統(tǒng)的雙微機(jī)故障檢測(cè)與切換通常運(yùn)用外圍邏輯電路進(jìn)行故障判斷，并配合合理的邏輯關(guān)系進(jìn)行故障切換。此類方法原理簡(jiǎn)單，可靠性高，但是外圍電路臃腫復(fù)雜。本文利用DSP中豐富的通訊功能實(shí)現(xiàn)雙機(jī)之間的數(shù)據(jù)跟隨，充分運(yùn)用DSP中斷服務(wù)子程序，配合位置式PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)組雙機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器之間的數(shù)據(jù)跟隨和工程運(yùn)用中典型故障的無(wú)擾動(dòng)自動(dòng)切換［4－13］。

1 雙微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)組成

雙微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)工作通道與備用通道整體均相互獨(dú)立。本系統(tǒng)采用如圖1所示的硬件結(jié)構(gòu)。圖1中:DSP調(diào)節(jié)器A采用TMS320F2810芯片，是該系統(tǒng)的主機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，由模擬量數(shù)據(jù)采集單元、開關(guān)量輸入輸出單元、人機(jī)接口單元、通訊單元等構(gòu)成，主要完成數(shù)據(jù)采集、計(jì)算、觸發(fā)脈沖形成以及與熱備用機(jī)B數(shù)據(jù)通訊等功能;DSP調(diào)節(jié)器B是雙微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的備用機(jī)，組成單元與DSP調(diào)節(jié)器A相同，該調(diào)節(jié)器工作于跟蹤調(diào)節(jié)器A和正常調(diào)節(jié)兩種狀態(tài)。當(dāng)工作于跟蹤狀態(tài)時(shí)，DSP調(diào)節(jié)器B主要完成數(shù)據(jù)采集、電參量計(jì)算、雙機(jī)之間的數(shù)據(jù)跟蹤與通訊、觸發(fā)脈沖形成等功能;當(dāng)處于正常調(diào)節(jié)器狀態(tài)時(shí)，和DSP調(diào)節(jié)器A完成相同的調(diào)節(jié)功能。高效eCAN通訊是雙微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的最大特點(diǎn)，使得雙機(jī)實(shí)時(shí)了解彼此的工作情況和工作狀態(tài)，相互之間交換數(shù)據(jù)信息。切換電路發(fā)生在雙微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器正常運(yùn)行過程中。當(dāng)主機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器A發(fā)生故障時(shí)，通過DSP的中斷響應(yīng)功能迅速發(fā)現(xiàn)故障，經(jīng)過開關(guān)量輸出到切換電路完成從A到B的故障切換。開關(guān)量輸入通常包括屏內(nèi)輸入信號(hào)(停機(jī)滅磁、滅磁開關(guān)信號(hào)、起勵(lì)信號(hào)、信號(hào)公共端)和屏外輸入信號(hào)(斷路器觸點(diǎn)、中控室增磁、中控室減磁、中控室切除)。模擬量輸入通常包括勵(lì)磁電流信號(hào)、勵(lì)磁電壓信號(hào)。

圖1 雙微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器硬件結(jié)構(gòu)

2 數(shù)據(jù)跟隨

雙微機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)跟隨，首先要求兩個(gè)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器A、B之間相互通信，實(shí)現(xiàn)雙調(diào)節(jié)器之間狀態(tài)量和測(cè)量值的實(shí)時(shí)交換。當(dāng)調(diào)節(jié)器A正常運(yùn)行時(shí)，調(diào)節(jié)器B跟隨其調(diào)節(jié)器A的運(yùn)行狀態(tài);當(dāng)調(diào)節(jié)器A出現(xiàn)故障需要調(diào)節(jié)器B投入運(yùn)行時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)故障切換時(shí)的無(wú)擾動(dòng)切換。所以雙微機(jī)之間通信能力的好壞將直接影響到整個(gè)雙微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的可靠性。本文采用TMS320F2810提供的eCAN網(wǎng)絡(luò)通訊方式，通過對(duì)其郵箱分配進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后實(shí)現(xiàn)雙微機(jī)之間的相互通訊。

eCAN模塊有32個(gè)郵箱，共占用512字節(jié)的存儲(chǔ)空間。也就是說，每一個(gè)郵箱具有16字節(jié)的存儲(chǔ)空間。對(duì)于本次雙微機(jī)調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的A、B雙方，在發(fā)送本機(jī)狀態(tài)量的同時(shí)，還需要接收對(duì)方所發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。雙微機(jī)之間需要相互通訊的狀態(tài)量及數(shù)據(jù)量包括發(fā)電機(jī)組機(jī)端電壓信號(hào)、發(fā)電機(jī)組機(jī)端電流電壓給定值、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電流給定值、觸發(fā)控制角，以及發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)。eCAN模塊支持多節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，只要合理設(shè)置各個(gè)郵箱的標(biāo)示符就可以實(shí)現(xiàn)雙微機(jī)之間的數(shù)據(jù)跟隨。具體的郵箱分配如表1和2所示。

表1 A系統(tǒng)郵箱分配

表2 B系統(tǒng)郵箱分配

3 跟隨系統(tǒng)故障檢測(cè)及自動(dòng)切換

本文利用eCAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了雙微機(jī)之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊，因此eCAN網(wǎng)絡(luò)通訊在雙微機(jī)勵(lì)磁控制中起著至關(guān)重要的作用。當(dāng)eCAN網(wǎng)絡(luò)通訊在發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中發(fā)生故障時(shí)將對(duì)整個(gè)機(jī)組產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。傳統(tǒng)方法一般設(shè)置2條eCAN網(wǎng)絡(luò)通訊，如圖2所示。當(dāng)微機(jī)控制器A和eCAN網(wǎng)絡(luò)通訊同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，利用備用eCAN網(wǎng)絡(luò)通訊硬件冗余的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)微機(jī)控制器A的數(shù)據(jù)跟隨，完成雙機(jī)之間的無(wú)擾動(dòng)切換。該方法原理簡(jiǎn)單，工程上易于實(shí)現(xiàn)，但可靠性不高，硬件電路臃腫。

圖2 eCAN通訊網(wǎng)絡(luò)硬件原理

本文采用基于軟件冗余的方法解決eCAN網(wǎng)絡(luò)通訊發(fā)生故障時(shí)雙機(jī)的無(wú)擾動(dòng)切換。首先利用DSP芯片CAN模塊與郵箱相關(guān)的中斷完成對(duì)eCAN網(wǎng)絡(luò)通訊的故障判斷。工作于eCAN模式時(shí)，0～31號(hào)郵箱都可以發(fā)送或者接收中斷，所以本文采用“請(qǐng)求－應(yīng)答”模式進(jìn)行故障判斷。當(dāng)郵箱在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒有接收信息或者完成發(fā)送信息后，則會(huì)產(chǎn)生一個(gè)超時(shí)事件，超時(shí)狀態(tài)寄存器CANTOS的位TOSn和全局中斷標(biāo)志寄存器CANGIF0/1的位MTOF0/1將被置位。如果CANGIM寄存器中的屏蔽位MTOM已經(jīng)置位，則郵箱超時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷，相應(yīng)的中斷線向PID控制寄存器提出中斷請(qǐng)求，并啟動(dòng)定時(shí)寄存器TICNT。當(dāng)接收郵箱連續(xù)幾個(gè)周期收到消息時(shí)，定時(shí)器寄存器TICNT將與設(shè)定的周期寄存器產(chǎn)生周期中斷，此時(shí)微機(jī)處理器響應(yīng)此周期中斷，說明eCAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障。

當(dāng)eCAN通訊網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)，運(yùn)用軟件冗余實(shí)現(xiàn)該跟隨系統(tǒng)的故障切換，流程原理框圖如圖3所示。

圖3 軟件冗余流程原理框圖

當(dāng)雙微機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)的eCAN通訊網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，雙微機(jī)之間不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通訊。此時(shí)利用位置式PID算法實(shí)現(xiàn)對(duì)原主機(jī)控制量的跟隨，從而完成雙微機(jī)之間的無(wú)擾動(dòng)切換。式(1)為位置式PID算法的基本原理。

其中:y(k)為k時(shí)刻的輸出控制量;e(k)為k時(shí)刻的偏差值;e(k－1)為k－1時(shí)刻的偏差值;e(i)為i時(shí)刻的偏差值(i=0－k);T為采樣周期;KP為比例系數(shù);KI為積分系數(shù);KD為微分系數(shù)。

雖然備用微機(jī)在機(jī)組中未投入系統(tǒng)工作，但其一直處于熱備用狀態(tài)，該狀態(tài)下微機(jī)實(shí)時(shí)采集機(jī)端電壓、機(jī)端電流等數(shù)據(jù)，但微機(jī)處理器采集到的數(shù)據(jù)因外圍硬件電路等原因會(huì)導(dǎo)致不一致，故現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)往往存在巨大的差異。為了避免在切換時(shí)由于雙微機(jī)之間采集到的數(shù)據(jù)存在差異引起電壓等的過大波動(dòng)，故采用位置式PID算法對(duì)備用機(jī)組采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，這樣，當(dāng)從主機(jī)切換到備用機(jī)時(shí)保持了雙機(jī)數(shù)據(jù)之間的一致性。應(yīng)用位置式PID算法將數(shù)據(jù)輸入微機(jī)處理器運(yùn)算，微機(jī)處理器的數(shù)字輸出量經(jīng)過D/A電路轉(zhuǎn)換得到模擬輸出量，該模擬輸出量直接用于控制發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)的勵(lì)磁電流，因此該模擬輸出量是否符合標(biāo)準(zhǔn)十分關(guān)鍵。通常將該模擬輸出量與設(shè)定的輸出量進(jìn)行比較，如滿足偏差則要求系統(tǒng)繼續(xù)使用備用機(jī)為主機(jī)，使控制系統(tǒng)正常運(yùn)行，如偏差過大或過小則報(bào)警。

另外一種方法是利用DSP微機(jī)處理器豐富的數(shù)據(jù)A/D采樣端口，直接對(duì)主機(jī)發(fā)生故障時(shí)D/A模擬量輸出電路的模擬量進(jìn)行采集，并將此模擬量直接設(shè)定為備用機(jī)的初始值。該方法原理簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可靠，但是TMS320X2810 DSP處理器有16路A/D采樣通道，針對(duì)無(wú)多余A/D采樣的控制通道系統(tǒng)時(shí)將不再適用。

4 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

雙微機(jī)勵(lì)磁要實(shí)現(xiàn)雙微機(jī)之間的狀態(tài)跟隨、故障模式下的自動(dòng)切換，首先要對(duì)其通信進(jìn)行測(cè)試，主要目的包括:保證通信的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性;加入通信之后在故障模式下能滿足雙機(jī)無(wú)擾動(dòng)切換的數(shù)據(jù)跟隨條件。

本文的eCAN通訊測(cè)試實(shí)驗(yàn)是將主機(jī)調(diào)節(jié)器A采集到的狀態(tài)數(shù)據(jù)量通過eCAN通訊發(fā)送給備用機(jī)調(diào)節(jié)器B，將備用機(jī)調(diào)節(jié)器B的狀態(tài)數(shù)據(jù)與主機(jī)調(diào)節(jié)器A的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。表1中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如機(jī)端電壓、機(jī)端電流、機(jī)端電壓給定為標(biāo)么值格式，觸發(fā)控制角為有名值格式。通過表3可以看到:所采用的eCAN通信網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確度能達(dá)到99.7%，滿足了對(duì)數(shù)據(jù)跟隨的精度要求。

表1 數(shù)據(jù)比較

eCAN通訊測(cè)試完成之后，將針對(duì)雙微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)最核心的系統(tǒng)自動(dòng)切換功能進(jìn)行切換實(shí)驗(yàn)，模擬在工程上最容易發(fā)生的兩類故障下的系統(tǒng)切換，即eCAN通訊模式在正常情況下的故障無(wú)擾動(dòng)切換和當(dāng)eCAN通訊模式與主機(jī)同時(shí)發(fā)生故障時(shí)的故障無(wú)擾動(dòng)切換。

4.1 eCAN通訊模式正常情況下的故障無(wú)擾動(dòng)切換

本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證eCAN通訊模式是否正常，模擬主機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器A發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能否及時(shí)進(jìn)行故障檢測(cè)及無(wú)擾動(dòng)切換到備用調(diào)節(jié)器B。而引起調(diào)節(jié)器A發(fā)生故障的類型很多，本次實(shí)驗(yàn)用假設(shè)調(diào)節(jié)器A發(fā)生掉電事故來(lái)模擬主機(jī)調(diào)節(jié)器A發(fā)生故障。對(duì)于單微機(jī)控制的勵(lì)磁系統(tǒng)來(lái)說，如果調(diào)節(jié)器發(fā)生掉電事故，調(diào)節(jié)器將無(wú)法發(fā)出觸發(fā)脈沖。如圖4所示，單微機(jī)系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組已處于空載狀態(tài)，圖中記錄的是發(fā)電機(jī)組的機(jī)端電壓，通過記錄圖形可清楚看到機(jī)端電壓降快速下降至0。

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的雙微機(jī)控制勵(lì)磁系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生此類事故時(shí)，系統(tǒng)將快速切換到備用系統(tǒng)調(diào)節(jié)器B，如圖5所示。當(dāng)模擬事故時(shí)，發(fā)電機(jī)組機(jī)端電壓波形快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，基本實(shí)現(xiàn)了無(wú)擾動(dòng)切換，明顯提高了系統(tǒng)可靠性。

圖4 單微機(jī)控制故障時(shí)機(jī)端電壓波形

圖5 雙微機(jī)控制故障切換機(jī)端電壓波形

4.2 eCAN通訊模式發(fā)生故障時(shí)的故障無(wú)擾動(dòng)切換

本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證eCAN通訊模式在與主機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器A同時(shí)發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能否及時(shí)進(jìn)行故障檢測(cè)及無(wú)擾動(dòng)切換到備用調(diào)節(jié)器B。主機(jī)故障同樣采用掉電事故模式，eCAN通訊網(wǎng)絡(luò)采用直接斷開模擬eCAN通訊故障。圖6為雙微機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)端電壓輸出波形。圖7為模擬eCAN網(wǎng)絡(luò)通訊與主機(jī)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器A同時(shí)發(fā)生故障時(shí)機(jī)端電壓輸出波形。

圖6 雙微機(jī)控制正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)端電壓輸出波形

圖7 雙微機(jī)控制故障切換的機(jī)端電壓輸出波形

通過圖6、7的對(duì)比發(fā)現(xiàn):模擬事故發(fā)生時(shí)，機(jī)端電壓波形與正常運(yùn)行情況下的波形相比沒有明顯變化，可在很短的時(shí)間內(nèi)重新達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，基本做到了無(wú)擾動(dòng)切換。

5 結(jié)束語(yǔ)

研究了發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)在故障模式下，利用DSP控制的雙微機(jī)系統(tǒng)中的eCAN通訊網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)跟隨;針對(duì)工程運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)的典型故障，通過DSP豐富的中斷服務(wù)子程序?qū)崿F(xiàn)雙機(jī)無(wú)擾動(dòng)切換;利用模擬故障實(shí)驗(yàn)分別驗(yàn)證了在eCAN通訊網(wǎng)絡(luò)正常與故障模式下的雙機(jī)切換策略的正確性。結(jié)果表明:相比傳統(tǒng)采用的硬件電路，本文方法不但保持了可靠性，且明顯降低了整個(gè)微機(jī)控制器外圍電路的復(fù)雜性。本文方法廣泛適用于可靠性較高的發(fā)電機(jī)組控制系統(tǒng)。在實(shí)際工程運(yùn)用中，發(fā)電機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)故障的預(yù)測(cè)與預(yù)判同樣具有現(xiàn)實(shí)意義。如何在現(xiàn)有軟硬件資源條件下實(shí)現(xiàn)故障預(yù)判將是后續(xù)研究中待解決的問題。

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