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基于龙芯2K1000LA分布式励磁控制器硬件平台的关键技术

2024-06-04 50 上传者：管理员

摘要：励磁控制系统是同步发电机的核心控制设备，针对集中式励磁控制系统的不足及国外产品硬软件垄断，以龙芯2K1000LA芯片为核心设计自主可控分布式励磁控制器。控制器硬软件系统采用解耦设计，提供以太网通讯、逻辑控制与数据存储功能。硬件设计包括控制器供电、2K1000LA外设硬件设计、逻辑控制、IRIG-B码对时、模拟信号、开关量监视、光纤通讯、以太网通讯等单元。商业运行证明，分布式励磁控制器组成高冗余励磁控制系统是同步发电机控制系统智能化发展方向。

关键词：
分布式励磁控制器
同步发电机
系统安全
自主可控
龙芯2K1000LA
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励磁控制系统是同步发电机的核心控制设备。分布励磁控制系统的硬软件长期依赖进口，核心控制系统被ABB、西门子、GE等国际巨头在硬件、软件、通讯、专用算法建立的技术壁垒，导致分布式励磁控制系统安全受制于人[1,2]。随着国际形势的变化和贸易争端的日趋激烈，研发与应用自主可控的分布式励磁控制系统，可以规避国际环境变化导致物料成本变换与供应紧缺[3],保障发电厂、电力系统关键基础设施安全运行。

分布式励磁控制系统是指在励磁系统的调节器，功率柜及灭磁柜间有独立控制通道器，控制器间以通讯方式实现数据传输；控制器出现故障无扰动退出运行；故障解除可动投入运行[4,5]。当前，国产励磁厂商分布式励磁系统控制器关键物料依赖进口。本文以龙芯2K1000LA为CPU核心，选用兆易创新GD32F450的MCU、高云GW2N-LV55的FPGA组成以“CPU+MCU+FPGA”硬件架构。在硬件上，设计控制器供电、2K1000LA外设硬件设计、逻辑控制、IRIG-B码对时、模拟信号、开关量监视、光纤通讯、以太网通讯等单元。商业化运行，验证2K1000LA分布式励磁控制器硬件设计方案可行性。

1、新型主控系统设计方案

分布式励磁控制器CPU为2K1000LA拓展DDR3、PCIE的硬件设计是支持LINUX操作系统，针对LINUX抢占中断实时性响应时间及励磁控制系统实时性与要求[6]。控制器2K1000LA独立运行，处理IEC61850智能协议转换、在线监测、故障分析等，GD32F450与GW2N-LV55处理励磁系统逻辑运算与光纤通讯及人机界面通讯。为了保证分布式励磁控制器在数据处理与励磁逻辑控制的稳定性与可靠性，CPU与MCU+FPGA间通过串行总线实现数据传输。

根据龙芯2K1000LA芯片硬件资源，分布式励磁控制器中2K1000LA芯片用作主站，GD32F450芯片用作从站。以嵌入式为硬件控制理论基础，采用分布式控制实现整体架构。分别从硬件与软件2个层面分层解耦[2]。

根据励磁控制实时性与可靠性需求，分布式励磁控制器在硬件上设计采用解耦方法，在软件采用模块化设计理念；硬件与软件系统在功能上实现以太网通讯、控制与数据存储解耦。

2K1000LA为龙芯64位双精度浮点双核处理器核，主频为1 GHz,负责通讯协议转换与对外通讯。GD32F450为兆易创新32位，主频200 MHz MCU芯片，负责励磁主控制环实时控制。GW2N-LV55为高云的FPGA,主要负责I/O扩展与光纤通讯。分布式励磁控制器硬件系统如图1。

图1分布式励磁控制器硬件系统图

分布式励磁控制系统主控制环框图采用PID+PSS2B励磁控制算法[4]。

2、分布式励磁控制器硬件设计

根据励磁系统在使用中需要的功能及环境分布式励磁控制系统功能从硬件上分为供电单元、逻辑控制单元、模拟信号单元、以太网通讯单元、静态与动态数据存储、开关量监视、IRIG-B码对时、光纤通讯等单元。其中，模拟信号、开关量监视及光纤通讯单元硬件设计参考文献[2]。

2.1电源单元硬件设计

根据龙芯2K1000LA用户手册，结合励磁系统使用环境，分布励磁控制器电源24 V经共模电感、X与Y电容EMC滤波后经过VRB2405ZP-30WR2隔离变换输出5V_RSM电源。

CPU芯片2K1000LA、MCU芯片GD32F450及FPGA芯片GW2N-LV55供电及外设供电共计16种电源。其中龙芯2K1000LA与FPGA芯片上电有严格时序要求。

1)龙芯2K1000LA电源设计。

龙芯2K1000LA上电时序为：RTC时钟3.0 V电源，2K1000LA的RSM域1.1 V与3.3 V电源，2K1000LA的CORE域PL与PS,PL为2K1000LA的CORE内核1.15 V电源，PL为DDR3驱动回路1.5V电源。根据2K1000LA电源功率参数值，选用同步DC转换芯片、线性受控LDO及DDR3模拟电源芯片。

2)MCU与FPGA电源设计。

GD32F450及其拓展RAM、FLASH与以太网等外设供电为3.3 V;FPGA内核供电为1 V;GW2N-LV55拓展FLASH、BANK的GPIO电源3.3 V,光纤收发器外围回路电源5V_RSM。电源DC芯片选用MP1484TR经过降压变换成1 V与3.3 V电源GD32F450与GW2N-LV55供电。

2.2 2K1000LA外设单元硬件设计

在分布式励磁器系统中，2K1000LA用于通讯协议转换，采用Linux系统和IEC61850对外通信，IEC61850传输为一对多模式。

采用主动上传数据的机制，单个网口可以将文件同时传输至多设备，数据/文件上传速度快，数据传输更稳定。同时，充分利用Linux与IEC61850的文件系统对外通信是电站智能化的需求而设计。2K1000LA外设硬件设计如图2。

图2 2K1000LA外设硬件设计图

根据2K1000LA硬件资源配制，芯片支持：SATA存放系统文件、DDR3拓展、PCIE用户数据存储、双千兆以太网网口、RS232调试串口、HDMI为调试显示端口、GD25Q32存放系统开机文件。

2.3逻辑控制单元硬件设计

分布式励磁系统GD32F450在执行PID+PSS2B励磁控制算法，同时也励磁控制系统自动调节的关键数据录波。GD32F450集成512KB的SRAM,为了p实现励磁控制系统稳定给与软件通用性，拓EMI516NF16TM,拓展GD25Q32[2]。

分布式励磁控制系统不同模块间采用抗干扰能力强的点对点光纤通讯组网，光纤通讯最大传输速率为DC-10MBd。GD32F450与GW2N-LV55间以并口总线通讯实现数据传输；同步信号共享通过GD32F450与GW2N-LV55特殊通讯口实现。IRIG-B码对时信号经光藕变换成TTL电平传输给GD32F450的PB0引脚。

模拟信号分成模拟信号输入与模拟信号输出，模拟信号输入选用2片CL1606采集发电机参数，CL1606与GD32F450通过串行总线实现数据传输；模拟信号输出选用1片TPC116S4用于PSS信号、PUM(相量测量装置)信号反馈，TPC116S4与GD32F450通过串行总线实现数据传输[2]。

开关量监视信号、光纤通讯GW2N-LV55负责处理。GW2N-LV55的GPIO引脚经光藕变换监视分布式励磁与监控系统下发开关量输入输出信号，实现励磁系统状态监视闭环控制。FPGA的GPIO引脚经过电平转换芯片AIP74LVC4245TA实现，转换后的信号经过AiP74LVC244TA驱动电光转换器FT10MXNR实现电信号转光信号对外输出；外部光信号经FR10MXIR变换成5V电信号，再给AIP74LVC4245TA变换成3.3V信号传输给FPGA的GPIO引脚实现外部光信号接收。

2.4以太网单元硬件设计

1个百兆以太网用于分布式励磁控制系统中人机界面通讯、1个百兆以太网用于励磁控制系统与电网调度中心PMU模块通讯。2个千兆以太网充分利用Linux与IEC61850的文件系统向电厂调度中心传输机组运行参数，便于调度中心对机组建模、状态分析与智能诊断[7]。

3、控制软件算法简介

在分布式励磁控制系统调节器、功率柜与灭磁柜中配置励磁控制器，在调节器中，2个控制器组成双通道冗余调节系统；各励磁控制器间采用点对点光纤通讯实现调节器控制器、功率柜控制器和灭磁柜控制器间全双工环网通信[2]。

智能功率柜是调节器双通道冗余控制器同时出现故障并退出运行后的应急措施，智能功率柜励磁控制方案以阳极电压为控制对象，参考标准对手动方式的要求，能够维持发电机电压平稳[1]。

考虑到自并励系统中阳极电压与发电机机端电压正向相关，智能功率柜独立运行时以阳极电压为控制对象，使用串联PID进行控制，图3给出了传递函数[8]。

图3智能功率柜控制模型图

4、仿真与实验

葛洲坝0号机分布式励磁控制系统由调节器，2个功率柜，1个灭磁柜共4个分布式励磁控制器组成的励磁系统。

4.1葛洲坝0号机实验

葛洲坝0号机分布式励磁系统中，模拟电网调度中心。在机组并网时，通过人机界面手动修改给定值(+3%),调节器控制器以光纤通讯方式下发给2个功率柜中的控制器，进行额定机端电压负载阶跃实验，并通过调节通道控制器的录波数据观察阶跃过程，如图4输出值U曲线图基与给值定重合，性能测试满足国标要求[7]。

4.2葛洲坝0号机IEC61850实验