基于嵌入式处理器的双机热备励磁调节器系统的研究与应用

摘要

励磁调节器是同步发电机励磁系统的核心组成部分。随着大容量、低能耗发电机组的发展，进一步推动国产化励磁系统改造，为巨型或大中型机组配备可靠安全、性能优良的励磁系统，需要研制新一代双机热备励磁调节器。
　　 本文在总结现有微机励磁调节器国内外背景和发展趋势的基础上，论述了双机热备系统基本设计要求。从双机热备的关键技术和必要性角度，讨论给出了稳定可靠的新一代双机热备励磁调节器架构。
　　 硬件设计选型建立在元器件优选认证的基础平台上，选用当前主流的ARM架构嵌入式处理器AT91RM9200，采用实时操作系统Vxwork作为基础核心软件。发挥AT91RM9200芯片丰富的片内外设和强大的数据处理及实时控制能力，实现了励磁调节器交流采样、频率测量、移相触发和网络通信功能，提高了励磁控制的运算速度和管理功能。控制软件在操作系统基础上，采用结构化的程序设计方法，通过PID主控制算法，实现了各种励磁功能。新系统较上一代单片机型励磁控制器具有运算速度快、集成度高、网络互连能力强、性价比高等优点。文中围绕双机热备励磁系统的研发，详细论述了双机热备励磁调节的硬件设计原理和软件开发实现方法。
　　 最后在励磁功能试验和故障案例分析的基础上，针对双机热备励磁调节器提出了其相应的改进措施。该措施对下一代双机热备励磁调节器的升级具有指导和借鉴意义。结合典型工程应用实例，总结讨论了系统的实际投运应用技术。应用表明，这种采用新技术实现的新励磁调节系统，在调节速度、可靠性和稳定性等方面性能优良，满足了电力系统对发电机励磁调节性能要求。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 发电机励磁系统概述

1．1．1 发电机励磁的含义

1．1．2 发电机励磁系统的分类

1．1．3 发电机励磁调节器的功能与作用

1．2 课题研究的背景及国内外现状

1．2．1 国外研究现状及发展动态

1．2．2 国内研究现状及发展动态

1．3 双机热备励磁调节器研究的意义

1．4 课题研究的目的及实际的工程应用价值

第2章 双机热备励磁调节器的总体结构

2．1 发电机对励磁调节器的系统功能需求

2．2 单微机及多微机系统的方案

2．2．1 单微机系统

2．2．2 多微机硬件容错系统

2．3 双机热备系统

2．3．1 双机热备系统

2．3．2 双机热备的关键技术

2．3．3 双机热备的必要性

2．4 双机热备励磁调节器的总体架构

第3章 双机热备励磁调节器硬件系统

3．1 核心系统电源电路

3．2 AT91RM9200核心系统

3．2．1 AT91RM9200主控制器

3．2．2 存储器模块电路

3．2．3 晶体振荡电路

3．2．4 电源监控及复位电路

3．2．5 RS232串口转换电路

3．3 交流采样电路

3．3．1 模数转换器的选型

3．3．2 模数转换器AD7656接口电路

3．3．3 模拟量输入信号调理电路

3．3．4 同步电压测量及测频电路

3．4 输入输出开关量及脉冲电路

3．4．1 开关量输入输出电路

3．4．2 三相桥式全控整流电路

3．4．3 数字移相触发控制

3．4．4 脉冲放大电路

3．4．5 脉冲回读及监测电路

3．5 系统通信接口电路

3．5．1 CAN通信电路

3．5．2 以太网接口电路

3．6 双机热备系统的冗余处理及切换模块

3．6．1 双机热备的冗余处理

3．6．2 双机热备的无干扰切换

第4章 双机热备励磁调节器软件系统

4．1 AT91RM9200底层系统软件

4．1．1 U-Boot的移植及Vxworks内核启动

4．1．2 AT91RM9200嵌入Vxworks内核的网络驱动

4．2 AT91RM9200励磁控制应用程序

4．2．1 交流采样程序

4．2．2 同步测频测量程序

4．2．3 移相触发角计算

4．2．4 励磁主控软件

4．2．5 双机热备无干扰切换优化程序

第5章 双机热备励磁调节器试验及故障案例分析

5．1 试验前的准备

5．2 励磁调节器I／O模块试验

5．3 模拟量校验试验

5．4 小电流试验

5．4．1 小电流试验接线方式

5．4．2 小电流试验波形记录

5．4．3 小电流试验故障分析

5．5 调节器双机切换试验

第6章 双机热备励磁调节器的改进及工程应用

6．1 I／O串并输出处理

6．2 双机切换硬件回路的改进

6．3 溪洛渡水电站I／O输出点应用的配置改进

6．4 小湾水电站励磁系统工程应用

第7章 结束语

致谢

参考文献

附录一 作者硕士期间发表论文

附录二 本论文专用术语注释表

附录三 小湾电站励磁系统现场屏柜

附录四 双机热备励磁系统配屏图

附录五 双机热备励磁调节器后台监控拓扑视图