基于DSP的柴油发电机组控制系统自动并网模块设计

李 琳，赵 宇，闫宏量

（西安石油大学 陕西省钻机控制技术重点实验室，陕西 西安 710065）

钻井现场中，电动钻机动力系统配套的数台同步发电机通常会根据钻井工艺的变化及用电量的需求进行选择性的并联运行。并联运行可以使柴油机和发电机在较高的效率下运行，也可以提高供电的可靠性，并且能够提高供电质量，对钻井设备安全性，提高钻井工作效率有重要意义。随着技术发展，现在的自动准同期并网装置大部分以DSP芯片作为数据处理核心，其强大的数据采集和计算能力可以满足快速性和准确性的要求，同时发电机组控制系统也发展到了使用DSP芯片实现的数字控制阶段。但是两者在硬件上自成一体，因而硬件投资较大，而且硬件接线复杂。文中将自动并网功能作为发电机控制系统的模块进行一体化综合设计，以解决此问题。

文中以TMS320F2812为控制核心，在原有开发的柴油发电机组数字控制系统[1]基础上设计了自动并网模块。该模块可以实现安全可靠的自动并网操作，并且具有快速、准确等特点。

1 自动并网模块工作原理

进行并列操作时，为了使瞬时冲击电流不影响电网，需要在理想条件下发出并网信号[2]。理想条件如下：

1）待并网发电机的电压和母线电压大小相等。

2）待并网发电机的电压和母线电压相位相同。

3）待并网发电机的频率和母线频率相等。

4）待并网发电机的相序和母线相序相同。

在发电机并网时，任意一项条件不满足都不能发出并网信号。在实际的并列操作中，并列的实际条件允许有一定的偏差，即准同期条件。发电机实际并网时的准同期条件为：

通常状况下满足上述偏差时，即可保证在并网瞬间不会引起较大的电流冲击。自动并网模块在接收到上位机发出的并网指令时，开始实时采集发电机和电网并列的所需参数，并对所采集到的参数进行分析计算，当压差和频率差不符合上述准同期条件时，利用自动调节部分调节发电机电压和转速。通过调节使压差和频率差满足要求，然后根据采集到的相位差快速捕获合闸时机，在两电压向量重合之前一定时间（越前时间）发出合闸指令，完成并网操作。

2 并网模块的整体设计

并网模块主要包括并网参数的采集，参数的分析计算，电压、转速的自动调节，合闸信号的发出，与上位机的通讯以及参数的显示。参数采集部分主要使用电压转换、滤波及调理电路将发电机端和电网端的电压信号转化为DSP可以直接采集的信号。DSP通过ADC模块完成对电压的采集，并且利用事件管理器（EV）的捕获单元完成对两者频率和相位差的采集。DSP对参数进行分析计算，当压差与频率差不满足时，通过D/A输出控制电压和转速的自动调节使其满足并网要求；当条件满足时则捕捉时机发出合闸脉冲信号，通过合闸控制电路完成并网。DSP利用内置的CAN控制器与发电机组控制系统的通信单元[3]完成与司钻台PLC的通讯。司钻台PLC通过总线对发电机控制系统进行控制，使发电机组可以高效的适应整个井场的用电量变化，从而完成对井场的整体控制优化。

并网模块结构图如图1所示。

图1 并网模块结构图Fig.1 Grid-connected module structure

3 并网模块的硬件设计

该自动并网模块主要应用了DSP和CAN总线技术，采用了TI公司的TMS320F2812芯片。该芯片为32位定点芯片，具有强大的数字信号处理能力，并且还具有较为完善的事件管理能力和嵌入式控制功能，因此被广泛应用于工业控制领域。该芯片内置事件管理器（EV），A/D转换器及丰富的I/O控制引脚，可以方便地实现对并网所需的电压、频率、相位差等参数的检测。其强大的计算能力保证系统可以快速准确地进行信息分析，发出调压、调频指令，计算合闸时机实现断路器合闸。该模块需要接收外界的模拟信号、开关量信号以及上位机的通信信号，因此利用芯片内置的CAN控制器设计了与上位机的通讯接口，并且设计了显示模块[4]。

3.1 参数采集

并网模块的主要参数来自发电机组和电网的电压信号，电压差、频率差以及两者之间的相位角的计算信号源都来自电压信号。

1）电压的检测

电压参数的检测主要是通过传感器和模数转换模块ADC实现的。传感器将电网和发电机端电压PT的信号转换为0～3 V的电压信号接入ADC中，进行数据采集即可获得两者的电压。

2）频率和相位差的检测

频率和相位差的检测是将电网和发电机端电压经过传感器获得的正弦信号送入电压比较电路，比较器将两路信号转换为各自周期不变的方波，接入DSP的捕获单元，这样可以得出各自的频率。对两路方波信号进行异或运算，可得到两者的相位差。比较电路如图2所示。

图2 电压比较电路Fig.2 Voltage comparison circuit

3.2 合闸控制

并网过程中，自动并网模块需要准确、可靠地发出合闸脉冲信号，合闸脉冲信号经中间继电器驱动并列断路器快速合闸并网。考虑到断路器触点从断开状态过度到闭合状态需要走过一段行程，因此需要一定的时间，即断路器合闸时间tQF，只要这段时间内频率差不等于零，则这段时间内的相位差变化量为：

为了保证断路器触点闭合瞬间相位差等于零，就要求并网模块发出合闸命令时的相位差δ应满足：

由此得并网模块的合闸原理：即根据当前频率差和断路器的合闸时间计算合闸越前角，并在当前相位差等于合闸越前角时发出合闸命令。由于用相位差作为合闸判据，所以称为越前相角原理。注意到此越前相角并不恒定，而是随频率差变化而变化，所以这种控制器总是根据变化的频率差不断的修正越前相角。虽然越前角不恒定，但越前时间却是恒定的，它等于断路器的合闸时间，所以也称为恒定越前时间原理。文中设计的断路器合闸脉冲放大电路原理图如图3所示。

图3 合闸脉冲放大电路Fig.3 Switching pulse amplification circuit

4 自动并网模块软件设计

自动并网模块的软件部分主要完成参数的分析计算、并网条件的判断以及条件符合时合闸信号的发出。其主要工作是对采样获得的发电机端和电网端的电压、频率以及相位进行计算比较，在此基础上预测合闸时机并发出合闸信号。

并网控制程序流程图如图4所示，模块实时检测并网条件，在接收到上位机发出的并网请求信号时进行计算，首先计算发电机端和电网端的电压差和频率差是否满足并网需求，如不满足则进入相应调节模块对其进行调整，待两者都满足后进行合闸越前角和相位差的计算，捕捉最佳合闸时机发出合闸信号。

图4 并网控制程序流程图Fig.4 Flow chart of grid-connected control program

5 结束语

文中介绍了一种利用TMS320F2812芯片实现的柴油发电机组控制系统中的并网模块。该模块作为控制系统的一部分可以使用仿真器在CCS开发环境下进行软硬件调试。

该模块可以替代并网装置实现快速、准确的并网，节省了硬件资源，并且总线接口及通讯功能为以后在现有系统上添加功率均衡及自动保护等功能模块，实现整个控制现场的优化提供了便利。

[1]吕海卫，李琳.基于DSP的柴油发电机组数字控制器设计[J].电机与控制应用，2008（3）:41-44.

LV Hai-wei，LI Lin.Design of digital controller in diesel generating set based on DSP[J].Electric Machines&Control Application，2008（3）:41-44.

[2]张奇志，李琳.电动钻机自动化技[M].北京：石油工业出版社，2006.

[3]申小会，李琳.电动钻机柴油发电机组控制系统通信单元设计[J].电子设计工程，2010（2）:29-30.

SHEN Xiao-hui，LI Lin.Communication module design of electrically operated drilling machine diesel dynamo control system[J].Electronic Design Engineering，2010（2）:29-30.

[4]张奇志，康杰.柴油发电机组DSP控制系统人机界面设计[J].现代显示，2012（1）:5-8.

ZHANG Qi-zhi，KANG Jie.Design of human machine interface fortheDSPcontrolleddieselgeneratorset[J].AdvancedDisplay，2012（1）:5-8.

[5]TexasInstrumentsTMS320F2810，TMS320F2812 Digital Signal Processors Data Manual[P].2003.

[6]苏奎峰，吕强，耿庆锋，等.TMS320F2812原理与开发[M].北京：电子工业出版社，2005.

[7]闫宏亮.TMS320F2812 DSP在柴油发电机组频率测量中的应用[J].现代电子技术，2009（3）:103-104.

YAN Hong-liang.Application of TMS320F2812 DSP in frequency measurement of diesel generating set[J].Modern Electronics Technique，2009（3）:103-104.