（电气工程专业论文）碳化硅非线性电阻灭磁系统在线监测研究.pdf

华北电力大学工程硕十专业学位论文 摘要 本文从安全、及时、准确地了解及分析碳化硅非线性灭磁电阻工作特性及其改 变的角度出发，以提高灭磁系统运行及维护水平、预防事故为目的，紧密结合工程 应用实际，对一种碳化硅非线性电阻灭磁装置在线监测系统进行了深入研究。据碳 化硅非线性电阻灭磁装置的安全要求、运行方式及结构特征确定了系统总体方案。 对性地设计了红外温度传感器阵列，为解决阀片温度测量问题开辟了新的途径。研 制了专用的智能化数据采集装置，编制了用于灭磁参数计算及碳化硅非线性电阻均 流特性、均能特性、伏安特性、温升特性分析的后台数据处理、分析软件。基于东 北电网白山电厂1 5 0 m w 机组完成了在线监测系统现场试验研究，在实际运行系统 中验证了在线监测方法的有效性及实用性。 关键词：碳化硅非线性电阻，灭磁系统，在线监测，红外温度传感器阵列 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r o nt h eb a s eo fs a f e l y , t i m e l ya n da c c u r a t e l yu n d e r s t a n d i n ga n d a n g l i c i z i n gt h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i e so fs i l i c o nc a r b i d en o n 1 i n e a ra n do nt h ev i e wo f c h a n g e s ，i m p r o v ed e - e x c i t a t i o ns y s t e mo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c el e v e l f o rt h ep u r p o s e o fa c c i d e n tp r e v e n t i o n ，c l o s e l yc o n n e c t i n gw i t ht h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ， d e e p l ys t u d yt h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fas i l i c o nc a r b i d en o n l i n e a rr e s i s t a n c e d e e x c i t a t i o nd e v i c e a c c o r d i n gt os a f c t yr e q u i r e m e n t ，o p e r a t i o nm o d ea n ds t r u c t u r e f e a t u r e sf o rt h es i l i c o nc a r b i d en o n - l i n e a rr e s i s t a n c ed e e x c i t a t i o n ，d e v e l o pt h es y s t e m o v e r a l lp r o g r a m s p e c i f i c a l l yd e s i g na ni n f r a r e dt e m p e r a t u r es e n s o ra r r a ya n dd e v e l o p an e wm e t h o dt os o l v et h ep r o b l e m so fv a l v ep i e c et e m p e r a t u r em e a s u r e m e n m p r e p a r ea s p e c i f yi n t e l l i g e n td a t aa c q u i s i t i o nd e v i c e ，a l s od e v e l o pa nb a c k g r o u n dd a t ap r o c e s s i n g a n da n a l y s i ss o f t w a r ef o rt h ed e e x c i t a t i o np a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n ，a n ds i l i c o nc a r b i d e n o n - l i n e a rr e s i s t o r sf l o we q u a l i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，e n e r g ye q u a l i z a t i o np r o p e r t i e s ， v o l t a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c s t e m p e r a t u r er i s i n gc h a r a c t e r i s t i e s b a s e do nl5 0 m wu n i to f b a i s h a np o w e rp l a n ti nt h en o r t h e a s tg r i d ，w eh a v ec o m p l e t e dt h eo n l i n em o n i t o r i n g s y s t e mf o rf i e l dt e s ts t u d y , a n dt e s t i f i e dt h ev a l i d i t ya n de f f e c t i v e n e s so fo n 1 i n e m o n i t o r i n gm e t h o d si na c t u a lr u n n i n gs y s t e m x i nf e n g ( s e n i o re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f l i ub a o z h u k e yw o r d s ：s i l i c o nc a r b i d en o n - l i n e a rr e s i s t a n c e ，d e e x c i t a t i o ns y s t e m ，o n l i n e m o n i t o r i n g ，i n f r a r e dt e m p e r a t u r es e n s o ra r r a y 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 研究背景与意义l 1 2 安装在线监测系统的必要性1 1 3 研究现状2 1 4 本文的主要工作3 第二章在线监测系统总体设计方案4 2 1系统功能概括4 2 2 系统构成4 2 3系统特性及实现手段6 2 4系统主要技术指标7 2 5 传感器配置及参数确定7 2 5 1 直流电压变送器8 2 5 2 直流电流变送器8 2 5 3 霍尔电流传感器8 2 5 4 温度传感器阵列8 2 5 5 附件和材料8 2 6 装置结构设计9 2 7 本章小结1 0 第三章红外温度传感器阵列11 3 1 前述l l 3 2 红外测温原理1 1 3 3 传感器阵列设计1 3 3 4 本章小结1 3 第四章数据采集系统设计14 4 1设计内容概述1 4 4 1 1 体系结构设计1 4 4 1 2 电路设计1 4 4 1 3 数据结构、算法设计1 4 4 1 4 软件设计、编写1 4 i l 华北电力大学工程硕l 专业学位论文 4 2 体系结构设计1 5 4 2 1 输入、输出分析1 5 4 2 2 数据流分析1 5 4 2 3 结构规划1 7 4 3 电路设计1 9 4 3 1 电源规划1 9 4 3 2 模拟通道2 0 4 3 3 开关量通道2 0 4 3 4d s p 信号采集板2 0 4 4 数据结构、算法设计2 1 4 4 1 参数数据结构设计2 l 4 4 2 记录启动判据算法2 3 4 4 3 记录数据格式2 5 4 5 软件设计2 5 4 5 1d s p 程序2 5 4 5 2w i n d o w s 应用程序2 7 4 6 本章小结3 5 第五章测试与验证3 6 5 1 碳化硅火磁系统在线监测装置现场试验结果3 6 5 2 本章小结4 0 第六章结论及展望4 1 6 1 结论4 1 6 2 展望4 l 参考文献4 2 致谢4 6 在学期间发表的学术论文和参加科研情况4 7 华北电力大学t 程硕士专业学化论文 1 1 研究背景与意义 第一章引言 目前在我国已投运或在筹建中的容量在5 0 0 m w - 7 0 0 m w 水轮发电机组已有近 百套，采用s i c 非线性电阻作为灭磁电阻构成的灭磁系统。在过去几年中，在一些 电厂的多台机组中，由m & i 公司提供的m e t r o s i l 系列s i c 灭磁电阻，先后曾经历 了在各种严重事故情况下的事故灭磁。s i c 非线性电阻在国外应用比较普遍，近几 年在国内大机组上开始应用，目前还没有统一的验证标准及有效的检测手段对其特 性及状态进行检测。对此，各相关电厂普遍关注的一个问题是：在经历上述严重事 故灭磁后仍在运行中的s i c 非线性电阻的工作特性( 包括均流、均能特性等) 是否 有所变化? 温升情况如何? 基于这一情况，在当前研制一种可在灭磁过程中在线监 视与测定s i c 非线性电阻实际运行特性的系统，已成为国内大型水电厂迫切需要解 决的重大课题之一。此外，容量在3 0 0 m w 以上的大型汽轮发电机灭磁装置中亦多 采用了s i c 非线性灭磁电阻，同样存在加装在线监测系统的需求。 做为解决上述问题的一种尝试，本文从安全、及时、准确地了解及分析碳化硅 非线性灭磁电阻工作特性及其改变的角度出发，以提高灭磁系统运行及维护水平、 预防事故为目的，对碳化硅非线性电阻灭磁装置在线监测系统进行了总体规划，并 具体地进行了红外温度传感器阵列、智能化数据采集装置，后台数据处理、分析软 件等系统组成部分的设计。 针对本课题在白山发电厂现场进行了系统试运行及一系列灭磁试验，这些试验 的结果充分证明了本课题研究结果的实用性。 1 2 安装在线监测系统的必要性 最近几年，随着电力系统的迅速发展，国内安装的3 0 0 m w 以上大型发电机组 越来越多，现在已有数百套，多数采用s i c 非线性电阻作为灭磁电阻构成的灭磁系 统。对于s i c 非线性电阻来说，只有国外制造厂提供的书面数据，现在尚无有效手 段验证其实际的工作特性。随着其应用范围的不断扩大及运行时间的不断延续，其 使用过程中发生的问题也不断增多：多家电厂发生了s i c 电阻阀片短路、穿孔、断 裂等事故。从概率上讲，发生一些问题可能是正常的，霞要的是：没有适当的理论、 经验和于段去预测和防止这些问题的发牛，众多用户对此充满疑虑。安装有效的在 线监测系统，在实际灭磁过程中了解s i c 电阻的特性，了解这些特性随灭磁次数的 变化，无疑是解决问题的一种可能的途径。 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 3 研究现状 s i c 灭磁电阻组件是一种由压制成饼状的阀片并联或混联组成的。受其成形工艺影 响，不同的阀片或同一阀片的不同位置的材料的密度有一定的差异，即电阻率不均匀， 这导致了不同的阀片或同一阀片的不同位置在同一次灭磁过程中吸收的能量的不均匀， 再加上阀片电阻的负温度系数，各部分的温升会有较明显的差异。虽然制造厂在装配组 件时会对阀片进行匹配，但若这种匹配4 i 能做到严格控制，或选配容量依据的数学模型 不够准确，抑或容量选择过于保守，这些组合因素的作用就有可能造成事故灭磁时个别 阀片的局部温升超过其能承受的极限，造成阀片烧损。 为了避免上述情况的发生，需要从两方面着手：一方面通过检测灭磁过程中在同一 电压作用下不同组件电流、累积能量、阀片温升的一致性及判别组件的可用性，定期的 这种检测还可掌握其时变性；另一方面应通过不同工况实测的灭磁能量验证s i c 灭磁 电阻容量选择时依据的数学模型是否准确。 笔者所了解的现阶段s i c 电阻特性测试方面的尝试有如下一些： 与z 、o 电阻特性的测量不同，对于s i c 组件v a 特性的离线测量由于其输 入功率及消耗的能量过大，试验甲台成本高昂( 合肥有一套这样的储能装 置) ，不具备经常实施的现实性。同时，试验模型与实际机组有较大差异。 对于s i c 组件电流、能量的在线测量，市场上已有可用的临时性测量仪器， 但这种方式只能判别组件问的差异，无法判别阀片问的差异，并且这种方 式只能记录试验灭磁数据，无法记录事故灭磁数据。 受s i c 组件结构限制，无法测量每个阀片的电流，因此，对阀片一致性或 其变化的检测基本上只能依赖对其表面温度的测量。国内有些研究机构曾 采用红外热像仪观测s i c 组件各阀片的表面温度，结果准确、直观，但这 一方法对测量条件要求较高，只能用于阀片表面面向柜门( 一些大型水轮 机组火磁屏是这一结构方式) 的组件温度的测量，测量距离不能小于1 5 m 。 且只能临时测量，这些特点决定了这一方法基本小具备推广空间。 根据这些情况可以发现，现阶段国内市场一卜还没有一种能系统地测量及跟踪s i c 电阻组件及阀片特性的实用在线监测装置。因此白山发电厂结合自身对设备的使用 情况进行科技立项，根据s i c 非线性电阻在灭磁过程中需要监测的电气参数，制定 监测方案，在准确、可靠的基础一卜对本项目开始实施。 2 华北电力大学工程硕上专业学化论文 1 4 本文的主要工作 本文的研究可分为系统策划、传感器设计、数据采集系统研制和实验四部分。 具体内容如下： 根据碳化硅非线性电阻灭磁装置的安全要求、运行方式及结构特征进行系 统总体策划。主要内容包括系统任务策划、信号选择及获取方式的策划、 系统工作方式的确定、系统机械结构规划、信息传递方式规划等。 设计红外温度传感器阵列。内容包括传感器的选择、转换函数的确定、传 感器阵列结构的设计、采集控制电路设计、信号传递、隔离方式设计。 数据采集系统研制。内容包括智能化前置数据采集单元的软硬件及结构设 计，编制数据通讯程序，编制用于灭磁参数计算及碳化硅非线性电阻均流 特性、均能特性、伏安特性、温升特性分析的后台数据处理、分析程序， 程序测试及功能验证等。 在东北电网白山电厂1 5 0 m w 机组上安装在线监测系统，进行现场试验研 究，在实际运行系统中验证在线监测方法的有效性及实用性。 3 华北电力大学i ：程硕l 专业学位论文 第二章在线监测系统总体设计方案 2 1系统功能概括 为了充分了解s i c 非线性电阻的特性及其随时间的变化，以及灭磁时整个灭磁 系统的能量分布及参量变化，同时兼顾对励磁调节过程的监测，系统的主要功能规 划如下： 实时采集励磁电压、励磁电流、磁场断路器弧压、各s i c 非线性电阻组件 电压、支路电流、阀片表面温度( 单片或多片) 。在正常及事故灭磁条件下， 通过适当的触发方式对这些数据进行采集及记录。 系统记录的数据，不仪可反映s i c 非线性灭磁电阻各支路电流的分配，同 时还能累计各支路吸收的能量，便于完整地了解灭磁能量在各支路中的分 布。 后台处理及分析软件可根据记录的数据生成各种曲线及图表，并提供必要 的计算功能，可分析s i c 灭磁电阻组件的均流特性、均能特性、温升特性、 伏安特性，分析整个装置的灭磁特性及用户需要的其它特性，并可实现与 原始数据的对比。可实现常态参数j l 测及启动报警。 2 2系统构成 本系统由励磁电流传感器、电压传感器、红外温度传感器、以d s p 为核心的前 置数据采集单元及后台数据处理工控平板计算机等部分构成，如图2 一l 。 u f l - - - - 啦2 _ i r n l 电 t 1 t 2 - - - - - 矗l 串行总线 阀片温度采集单元 以太网 图2 - 1 系统构成示意图 4 黛四 华北电力大学丁程硕士专业学化论文 电压、电流采集单元的输入内容如图2 2 所示。 整流输出电压u f l 发电机转子电压u f 2 断路器弧压u k 组件电压u r u 整流输出电流i f l 发电机转子电流i f 2 组件支路电流i 胁1 组件支路电流i r m n 跳闸指令 图2 - 2电压、电流、开关量测量方案 阀片温度采集单元的输入内容如图2 - 3 所示。 红 外 测 日 帆 组 件 1 红 外 测 ：目 皿 组 件 n 图2 - 3 红外温度测晕方案 5 华北电力大学t ：程硕上专业学位论文 2 3系统特性及实现手段 便于安装：系统各部分组件的安装方式可根据灭磁装置的原有结构进行针 对性设计，可在机组检修期间予以接入，不改变原有回路。例如：采用可 拆卸式穿心电流传感器测量电流可避免拆解原回路电缆。 安全可靠：系统中的电压量、分流器信号测量采用隔离耐压5 0 0 0 v a c 的电 量传感器；各灭磁组件及母线电流测量采用穿心式霍尔传感器( 见图2 - 4 、 图2 5 ) ；阀片表而温度测量采用红外传感器阵列。这些方式可保证灭磁装 置的安全性能不因系统接入而降低。 图2 - 4 组件电流传感器安装图 华北电力大学1 二稃硕l ：专业学位论文 数据准确：高保真、低噪声快速响应励磁信号测量传感器的使用保证数据 的可用性。 2 4系统主要技术指标 通道容量：前置信号采集单元可完成最多2 4 路电压电流量、2 4 只s i c 电阻 组件阀片表面温度及8 路开关量信号的采集任务。同时提供4 路输出接点， 可用作失电信号、录波启动信号、装置故障信号等。 准确度：励磁电压、分流器电压采集准确度为0 2 ；霍尔传感器测量的 励磁电流及各组件灭磁电流采集准确度为l ：阀片表面温度采集准确度为 士2 5 k 。 采集密度及长度：电压、电流采集频率为l k h z ，记录时间为1 0 秒；温度采 集频率为1 0 h z ，记录时间为l o 分钟。 触发方式：可通过开关量变化、模拟量突变、越限等方式触发数据记录过 程。 通讯功能：后台嵌入式计算机可通过串行接口或以太网将记录或监测数据 上传。 ， 2 5传感器配置及参数确定 - 根据现场励磁系统的实际接线，各传感器的位置安排如图2 - 5 所示。 妒 + 图2 - 5 系统测点布置图 7 华北电力大学工程硕十专业学位论文 2 5 1直流电压变送器 所有的直流电压均采用哈尔滨科力电力生产的f g 3 2 1 h f d 型高耐压快速响应 直流电压变送器。 为保证在各种情况下输入电压均不超过变送器的量程，与整流输出电压u f l 、 发电机转子电压u f 2 、s i c 组件电压u r m 相对应的变送器参数确定为： 输入2 1 0 0 0 v - - - - + 3 0 0 0 v ，对应输出为4 一- 2 0 m a 灭磁开关弧压u k 测量用变送器参数确定为： 输入2 5 0 0 v - - - , + 3 5 0 0 v ，对应输出为4 - - - 2 0 m a 2 5 2直流电流变送器 机组额定励磁电流i f n 为1 5 3 7 a ，极端情况下的电流可达到该值的三倍，即 4 6 1 1 a ，因分流器的变比为2 0 0 0 a 6 0 m v ，对应分流器电压应为： 4 6ll a 4 2 0 0 0 a 3 6 0 m v = l3 8 3 3 m y 发电机转子电流i f 2 测量变送器f g 3 1 l h f d 的参数确定为： 输入0 1 3 5 m v ，对应输出为4 2 0 m a 。 由于变送器的实际输出可以达到2 3m a ，其后续的采集单元的输入量程也有充 分的余量，所以没有选择更大的输入范围 2 5 3霍尔电流传感器 为便于现场安装，整流输出电流i f l 采用h d c 5 0 0 0 ch k 型可拆卸霍尔电流传 感器进行测量，s i c 组件支路电流i r m l i r m 3 采用h d c 1 5 0 0 e k 型可拆卸霍尔电流 传感器进行测量。参数选择根据上条最大励磁电流4 6 1 1 a 确定。因现场组件数为3 只，组件电流量程应按最大励磁电流的三分之一确定，具体如下： h d c 5 0 0 0 ch k ：输入0 - 5 0 0 0 a ，输出0 - - 4 v h d c 1 5 0 0 e k ：输入0 1 5 0 0 a ，输出o 4 v 2 5 4温度传感器阵列 见3 2 节红外测温原理 2 5 5附件和材料 为保证励磁回路的绝缘特性不降低，电量变送器输入回路接线采用硅橡胶导线 并串接熔断器，规格如下： 硅胶线：1 5 k v , 1 s m m 2 8 华北电力大学t 程硕。 二专业学位论文 熔断器：l u l 8 3 2 x 2 ，i a 2 6装置结构设计 电压、电流采集单元及温度采集单元共同构成如下图所示的信号采集单元： 图2 - 6 信号采集单元 各传感器通过转接板连接至采集单元，如图2 - 7 。 图2 - 7 转接板连线 9 华北电力大学工程硕十专业学位论文 系统总体布置如下图： 2 7本章小结 图2 - 8 系统总体布置 本章从系统需要实现的功能角度入手，简要介绍了系统的构成、系统的特性、 系统技术指标及硬件结构等。 1 0 华北电力大学丁程硕士专业学位论文 3 1前述 第三章红外温度传感器阵列 对于已经安装运行的碳化硅非线性灭磁电阻组件来说，通过对其电压、电流的 测量只能了解组件间的均流、均能特性，无法掌握阀片间的均能特性，这种方法显 然无法达到完整地了解组件各阀片的工作状态极其特性改变程度的目的。直接测量 阀片表面温度无疑是一种好方法，但实际可用的方案却很难设计，接触式测量不现 实，应用红外热像仪也有诸多限制，无法实现在线监测。 本系统采用特殊设计的红外传感器阵列解决了这一问题，这是一项针对性很强 的技术创新。 3 2 红外测温原理一 为了达到同时测量多片阀片表面温度的目的，选用了如下图3 1 所示的 p m l 6 2 6 4 型精度内部校准带环境温度补偿功能的集成红外温度传感器。 图3 - 1 红外温度传感器 该传感器体积小( 直径为9 3 m m ) ，安装方式为p c b 方式，适合组成传感器 阵列。其温度测量范围是2 0 1 8 0 ，环境温度为2 5 、目标温度为l o o 时的最 大测量误差为士1 5 。 p m l 6 2 6 4 为电压输出型传感器，其电压温度火系曲线如图3 2 所示。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 图3 2 电压温度关系曲线 图中的电压温度关系曲线可用下式表达： t o b j 。c = 一0 6 0 3 5 4 4x + 1 0 5 2 1 6 2x 5 7 4 9 5 9 5 9x + 2 8 1 3 6 4 9x 3 5 9 9 1 8 0 x 2 + 7 5 0 8 4x 一3 7 0 9 6( 3 1 ) 式( 3 一1 ) 中： t o b j 2 目标辐射温度 x 2 传感器输出电压 ( ) ( v ) 上述特性是在测量发射率大于9 9 的黑体表面温度时测得的，由于阀片表面不 是理想的黑体，考虑到环境背景辐射及阀片表面发射率的影响，近距离测量时阀片 表面 华北电力大学- t 程硕七专业学位论文 3 3 传感器阵列设计 为保证各阀片表面温度得到正确测量，每一灭磁组件配置一套传感器阵列。 每套阵列由钢制安装盒、传感器安装板、控制电路板、固定结构件等组成。1 6 只 传感器排成一列，按照与阀片间距相等的间隔焊接在安装板上，其视窗表面距阀 片圆弧表面设计为8 c m 。控制电路接受温度采集单元的指令后按一定时间间隔向后 者传送温度数据。传感器阵列的外形及安装方式如图3 - 3 所示。 图3 - 3 传感器阵列 红外传感器阵列测温方式具有以下特点： 非接触式的工作方式保证系统安全； 结构紧凑、灵活，基本不受安装空间限制； 结构简单，安装维护方便； 经济实用。 3 4 本章小结 本章根据阀片间能量分布的测量方法分析入手，比较了几种不同的测量方案， 最终确定了红外阵列测温方案，并对其进行了较为详细的介绍。 1 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 1设计内容概述 4 i i 体系结构设计 第四章数据采集系统设计 确定装置的通道容量、采样频率、计算精度、存储容量、通讯速度；确定装置 输入、输出要求。 通过分析装置内部的数据流，确定各环节及接口的数据吞吐、处理能力，并估 算成本，进而确定各环节的构成方案，生成装置的体系结构规划。并从可靠性、性 能、成本等方面进行评价。 根据运算速度、处理能力的要求，从主频、内部r a m 容量、i o 口线、外部扩 展能力等几方面，选择d s p ( 数字信号处理器) 、a d 芯片、嵌入式工控计算机等关键 器件，同时要考虑开发工具成本、是否易用、货源稳定性等问题。 从当前已投入商业运行的操作系统中，按照装置的要求，从可靠性、实时性、 界面支持能力、网络支持能力、应用程序开发工具等几个方砸进行选择，确定选用 的操作系统。 4 i 2 电路设计 装置硬件方面的设计工作重要包括电源规划、模拟通道电路设计、开关量通道 电路设计、采集板电路设计。其中，模拟通道部分主要功能是将输入信号隔离、经 适当滤波，并输入a d 芯片。采集板的功能主要接收采样通道选择、采样速率等设 置命令，并按要求完成a d 转换、数据排列、定时中断。采集板较为复杂，须经仔 细分析规划。 4 i 3 数据结构、算法设计 确定装置关键参数的结构、存储位置、传递方式，以及用户操作接口、限制值， 并生成文档。确定关键算法，包括数字滤波、有效值计算、复杂派生鼍、记录启动、 记录录制、谐波分析。必要时，对初步设计的算法作仿真验证。 4 1 4 软件设计、编写 从软件的角度，装置的主要环节包括d s p 程序、w i n d o w s 设备驱动程序、w i n d o w s 应用程序，三个环节实际上是三个功能层，下层为上层提供服务，指令和数据在层 1 4 华北电力大学t 程硕j ：专业学位论文 次间通过中断、调用接口等传递。其中d s p 程序完成数据采集、s r a m 队列输入，设 备驱动程序是中间环节，是数据流的缓冲区，w i n d o w s 应用程序完成数据计算以及 界面和通讯服务。各环节使用不同的开发工具和语言环境，须分别采用不同的软件 设计、编写方法。 4 2体系结构设计 此前，装置的主要技术指标，如装置的通道容量、采样频率、计算精度、存储 容量、通讯速度，已在汇总、分析现场需求后确定。 体系结构设计，首先需要确定装置输入、输出要求。其次分析装置内部的数据 流，确定各环节及接口的数据吞吐、处理能力，并估算成本，进而确定各环节的构 成方案选择个环节的核心器件。最后选择计算机操作系统。 4 2 1 输入、输出分析 装置最多需要同时测量2 4 路模拟信号，8 路开关量信号，以l k s 的采样频率 采集信号波形，以满足分析要求，需要记录3 0 秒的数据。 装置最多可能同时需要采集2 5 6 路s i c 阀片温度信号，采用l o s 的记录频率， 足以真实准确地描述s i c 阀片的温度变化，需要有3 0 分钟的数据缓冲区。由于信 号路数较多，且采集频率较低，需要设计某种形式的a d 通道复用。 由上面的简单分析可知，模拟量信号、开关量信号，与温度信号相比，采样频 率、记录时间差别较大，且采集的控制方式不同。由此，装景的前置采集功能，规 划为由二个采集单元构成，即温度测量单元和v a d ( 电压、电流、开关量) 测量单 元。二个采集单元并联接至连接计算机的通讯总线上，并且二个采集单元之间各有 2 位隔离的电平信号，可同步地传送4 种命令或信息。 v a d 测量单元运行记录启动判据算法，如果有判据满足，则立即通过电平信号 通知温度测量单元，二者同步地进入数据记录状态，由于温度记录时问较长，v a i ) 测量单元完成自己的记录后，须等待温度测量单元记录完成并发送完成信号( 同样 通过电平信号) 。 4 2 2 数据流分析 数据流分析，是在输入、输出分析的基础上，与f 一节“结构规划”迭代进行 的，其问包括任务划分、结构规划、器件选择、数据流计算等步骤。是一个又粗略 到详细的循环渐进过程。最后，得到的数据流图，如图4 1 、图4 - 2 。图中只表达 了装置连续运行时的信号数据流，没有画出参数、命令的存储和传递。信号数据流 1 5 华北电力大学i ：程硕l ：专业学位论文 量有多种t 况时，取最大值。 图4 一lv a d 测量单元数据流图 1 6 华北电力大学1 ：程硕，l 专业学位论文 4 2 3 结构规划 图4 - 2 温度测量单元数据流图 由已确定的技术指标，分析装置的输入输出，进而逐步地细化装置内部的数据 流，在保证数据流的处理能力的同时，兼顾装置结构的经济、简单、可靠，装置最 终确定的方案包含以下要点： 装置的所有环节应采用1 6 b i t 或以上器件，以满足处理、传输要求 采用d s p 作采集器件 采用外部扩展a d 器件，并行多片，满足同步采样要求。 采用s r a m 作数据的缓冲器件。 采用r s - 4 2 2 作为通讯总线，在保证一定的通讯速率的同时，兼顾工控机叮 能放置较远而带来的通讯电缆较长的现场要求。 采用w i n d v o s 操作系统，以满足显示画血、存储器管理、网络支持的要求。 模拟通道属性参数，存储在测量单元的e e p r o m 内，用i i c 总线与d s p 连接。 1 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 温度测量单元和v a d ( 电压、电流、开关量) 测量单元，采用同样的电路， 但编制不同的d s p 程序，并把a d 通道复用的电路另外设计外接接口电路。 后台嵌入式计算机选择 后台计算机采用嵌入式的硬件体系，采用上架式机箱。应具备较强的通讯、数 据处理和图形显示能力。 华北电力大学t 程硕士专业学位论文 4 3电路设计 前置测量单元由电源板、通道板、采集板构成。温度测量单元、v a d 测量单元 采用同样的设计：在采集板上，设计有跳线，以设定该板的类型。 4 3 1 电源规划 系统的设计要求可使用交直流两用电源，故采用多输出开关电源，输入为 a c 8 5 2 8 5 v 或d c 8 5 - 2 8 5 v 。仪器的电源规划如图4 - 4 。 d c 8 5 2 8 5 4 - 4 电源规划示意图 1 9 华北电力大学。i ：程硕卜号业学位论文 系统内部有多个部件，对电源的要求不同，有各自的标称电源电压、精度及容 量。本节主要在部件的层次上，关注电源的分配，及其供电与返回路径，不包括p c b 板上的电源走线以及电源滤波方式、器件。 在电源设计的过程中，也对之前的结构设计做过调整，主要是元件的替换，以 便： 减少标称电压的个数，简化电源设计 在开关电源的多路输出间分配功耗，以符合市场现有产品，避免定制开关电源。 经初步规划后，统计开关电源的多路输出的电压、容量。 最后选择的开关电源的输出是： + 1 2 v1 2 a 1 2 v0 3 a + 5 v4 a 4 3 2 模拟通道 模拟通道的功能是将输入的传感器信号经适当的限幅、滤波等处理后送至a o 转换电路。 4 3 3 开关量通道 开关量通道由内部隔离电源供出2 4 v ，以便测量外部无源节点状态。内、外回 路用光偶器件隔离。原理如图4 - 5 。 4 3 4d s p 信号采集板 图4 5 开关萤输入通道原理图 采集板由多片高速数字芯片构成，地址、数据总线密度较高，所以采用4 层电 2 0 华北电力大学- r ：程硕t ：专业学位论文 路板设计。设计的要点包括地平面的分区与连接。 在仪器中，d s p 的任务是驱动、读取a d 转换器、数字滤波、数据队列管理、 与工控机通讯。其中，数据处理包括根据当前采样频率选择l p f ，对信号作低通滤 波。d s p 选用德州仪器公司( t i ) 推出t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 。 a d 转换器安装在d s p 信号采集板上。系统的两个测量单元各有2 4 路模拟通道， a d 转换应满足同步采样、单通道最高采样通过率l k h z 的要求。a d 转换器选用 a d 7 6 5 6 。 4 4数据结构、算法设计 参数在装置多个功能层之间传递，是装置运行的基本数据。先于软件设计，确 定装置关键参数的结构、存储位置、传递方式，以及用户操作接口、限制值，并生 成文档。在参数结构确定之后，初步设计关键算法，包括数字滤波、有效值计算、 复杂派生量、记录启动、记录录制、谐波分析，并验证参数结构。 4 4 i 参数数据结构设计 装置需要存储、传递、使用的参数较多，并要在温度测量单元、v a d 测量单元 和工控计算机之间相互传递，并且大部分参数需要在某级界面提供应用程序接口或 软件工具，供用户设置或修正。参数数据结构是装置功能的核心支持，需要经过精 心设计，不仅是关键的算法设计的基础，更是各部件软件结构设计的基础。 参数数据结构的主要类别： ( 1 ) 、通道基本参数：模拟通道的类型、校准零点、系数等 通道基本参数使用e e p r o m 存储在测量单元上，在装置初始化时，由d s p 读入， 再通过r s - 4 2 2 总线向上一级( 工控计算机) 传递，供参量波形、有效值计算使用。 而在计算机模块上提供软件工具，供出厂前校准，或用户定期校准时使用，此时参 数的传递过程相反。 t y p e d e fs t r u c t _ a n a l o g _ c h a n n e l p a r a m u n s i g n e dl o n g1 i d ： i n ti a t t r i b u t e ： i n ti z e r o ： f l o a tf s h i f t ： f l o a tf r i v i s i o n ： f l o a tf m e a s u r e r a n g e ： ) a n a l o gc h a n n e lp a r a m ： 2 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 2 ) 、通道用户定义：名称、代号、变比、投退等 t y p e d e fs t r u c t d e v _ m o d u l e s h o r ts s o c k e t ： t c h a ru c s i g n 1 6 ： u l o n gu n s e r i a l n o ： u l o n gu l r e s e r v e o ： s t r u c t u n s i g n e ds h o r tn s t y l e ： t c h a rc n a m e 4 0 ： t c h a rc s y m 1 0 ： t c h a rc u n i t 6 ： s h o r tn n o r m f r q ： s h o r tn d e c i m a l d i g it s ： f l o a tf d a t u m ： f l o a tf r a t i 0 ： f l o a tf r a t i 0 1 ： f l o a tf r a t i 0 2 ： s h o r tn z e r o ： f l o a tf r e v i s i o n ： f l o a tf s t a r t s ： f l o a tf s t a r t u ： f l o a tf s t a r t l ： b o o lb h a s t r a n sf e r ： b o o lb i n r u n ： ) a c h l 3 ： ) d e v _ m o d u l e ，木l p _ d e v _ m o d u l e ： ( 3 ) 、记录判据定义：启动量、启动类型、启动值、回差 仅v a d 测量单元包含记录启动判据。 ( 4 ) 、记录数据录制结构：启动前保留、启动后录制时间 s t r u c t u l o n gu n m s b e f o r e f a ult ： u l o n gu n s e g m e n t n u m ： u l o n gu n f r q s p l i t s 2 ：u n s a m p l e f r e q 2 ：木每秒采样点数木 2 2 华北电力大学_ t 程硕：l 二专业学化论文 u l o n gu l m s r c d t i m e 2 ：u n d a t a c o u n t 2 ： 牢记录点数，l ) w f f o r m a t ： s t r u c t u l o n gu n m s b e f o r e f a u lt ： u l o n gu n f r q s p lit s ： u l o n gu n s a m ple f r e q ： u l o n gu l m s r c d t i m e ：u n d a t a c o u n t ： ) d s f o r m a t ： 4 4 2 记录启动判据算法 模拟量有3 种记录启动判据：突变、过量、欠量，用户可以设定各个启动判据 的投退，及其整定值。 ( 1 ) 、突变量启动判据算法 对于模拟量波形数据，其突变量启动采用逐点运算，例如对某交流电流信号， 计算公式如下： l li ( n ) - i ( n - n ) i li ( n - n ) - i ( n - 2 n ) i i i ( 4 - 3 ) 式中： i ( n ) ：电流在某一时刻的采样值： n ： 一个工频周期的采样点数； i ( n - n ) ：比i ( n ) 早1 个周期的采样值； i ( n - 2 n ) ：比i ( n ) 早2 个周期的采样值： i ( n ) ：i ( n ) 时刻的电流突变量。 式中i k 、i k - 1 、i k - 2 为相邻的三个同相点的测量值，i 为整定突变量。突变 量启动方式实质是记录分量启动，因此是一种有效的灵敏的启动方式。 对于派生量，由于装置每2 0 m s 生成一点值，故采用如下算法： t o 图4 - 6 突变启动判据示意图 2 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 假设某派生量的“突变启动值”整定值是h m 。如图4 6 ，如果该参量值有一 个大于等于h m 的阶跃( 正或负) ，启动判据将满足并启动记录记录，并把t 0 作为 记录零点。其中阶跃时间t 必须小于等于6 0 m s ，即装置不把缓变的模拟量有效值变 化认作突变。 ( 2 ) 过量启动判据算法 图4 - 7 过量启动判据示意图 假设某模拟量的过量启动值的整定值是v u 。如图4 - 7 ，如果模拟量有效值大于 v u ，装置立即启动记录记录，并把t o 作为记录零点。 ( 3 ) 欠量启动判据算法 t o 图4 - 8 欠量启动判据示意图 假设某模拟量的欠量启动值的整定值是v l 。如图4 - 8 ，如果模拟量有效值小于 v l ，测量单元立即启动记录记录，并把t 0 作为记录零点。 当某过量( 欠量) 判据满足而启动记录数据录制后，为避免该通道保持过量( 欠 量) 状态而持续启动记录录制，装置闭锁该通道的过量( 欠量) 启动，直到该通道 退出过量( 欠量) 状态，并超过设定的回差值，闭锁状态解除。但是，处于锁定状 态的通道，仍然可以以突变启动记录数据录制。 2 4 4 4 3 记录数据格式 当某判据满足时，即开始按用户设定的记录格式记录模拟量波形、开关量状态 及温度变化曲线。记录内容图4 - 9 , 图4 - 9 记