基于DDS技术的发电机并网模拟系统设计

聂红伟，廖红星，程诗佳，张丹红



基于DDS技术的发电机并网模拟系统设计

聂红伟1，廖红星1，程诗佳2，张丹红2

(1. 中核武汉核电运行技术股份有限公司，武汉 430223 ；2. 武汉理工大学自动化学院，武汉 430070)

针对目前发电机并网培训的需要，采用意法半导体（ST）公司生产的32位低功耗单片机STM32F103和DDS芯片AD9832设计正弦信号发生电路，与上位机和同期表一起构成发电机并网模拟系统。首先根据同期表的使用方法，提出系统总体设计方案。然后详细描述AD9832的工作原理和以AD9832为核心的正弦波发生电路，给出了系统的主程序流程图。使用结果表明，该系统具有性能稳定、操作简单等特点。

直接数字频率合成 单片机 同期表 发电机并网

0 引言

由于电网运行的需要，发电机并网操作几乎每天都在进行，并网操作分为自动准同期并网与手动准同期并网[1-2]，前者由自动准同期装置控制，出错率较低；而后者为人工操作，需要借助同期表的指示选择并网的时机，若并网时机选择不对，并网将无法正常进行，会对电力系统的正常运行造成严重危害。熟练掌握同期表的使用方法，选择并网合闸的时刻，是成功进行并网的关键所在。

本文介绍基于直接数字频率合成（DDS）专用芯片[3-4]AD9832设计的发电机并网模拟系统，可应用于发电厂，供操作人员培训使用。该系统可产生两路可调正弦波电压，分别模拟电网端电压与发电机端电压。操作人员通过该系统学习同期表的使用方法，熟悉并网操作规程，减少实际并网中误操作的概率。

1 系统结构与功能

同期表是由频率差指示、电压差指示和同期指示三个测量和指示机构组成的仪表，是用于将发电机频率、电压、相位与电网参数进行对比的表计。发电机并网操作大量使用MZ10型同期表作为同期指示。它具有三个输入端口，其中一个端口接待并发电机，另外两个端口均接入电网，只是接入的时机不一样。在粗调阶段两个端口中标有A0、B0的端口接入电网，粗调完成进入细调时，在标有A0、B0的端口继续接入电网的同时，另外一个端口接入电网。根据MZ10的工作原理，单相的MZ10需要两路频率、幅值、相位可调正弦电压。基于此，设计了一块控制板，产生两路频率、幅值、相位可调的正弦波，分别模拟电网电压和发电机端电压。控制板上的3个继电器S1、S2和S3，控制两路正弦波是否与MZ10的对应端子相连。控制板、上位机和同期表共同构成了发电机并网模拟系统，总体结构框图如图1所示。

图1 系统总体结构框图

控制板的核心为ST公司生产的单片机[5]STM32F103，内嵌ARM 32位Cortex-M3 CPU,最高工作频率达72MHz，最高指令执行速度1.25DMIPS/MHz，高性能、低成本、低功耗及其丰富的外设资源给设计带来很大方便。正弦波产生电路为两片DDS芯片AD9832，通过控制字可改变正弦波的频率和相位。借助STM32F103内部集成的DAC模块给AD9832提供参考电压，实现对正弦波幅值的控制。DDS芯片AD9832及其附属电路所产生的正弦波经低通滤波器、电压放大器、功率放大器和变压器的变换后，变成能驱动同期表MZ10的信号。三路继电器S1、S2、S3的开闭控制2路正弦信号是否输出到同期表。

上位机通过RS-485总线与控制板相连，将操作人员的操作指令发送给控制板，控制A、B两路正弦信号发生电路产生的正弦电压的幅值、频率和相位。同时控制三路继电器S1、S2和S3的开闭。因为一台上位机要通过RS-485总线与多个控制板相连，所以控制板上设置拨码开关用以指定控制板的地址，以便上位机识别控制板。

2 正弦波发生电路

2.1 AD9832芯片工作原理

直接数字频率合成（DDS）是一种新的频率合成技术和信号产生方法，具有高速频率转换、高分辨率、高稳定度、低相位噪声、良好的相位连续输出信号易数字式调制等特点，因而得到广泛的应用。

主要由数控振荡器（NCO）、相位调制器、正弦查询表（LUT）以及一个10位数模转换器（DAC）组成。其中数控振荡器和相位调制器包括两个32位频率寄存器FREQ0和FREQ1、一个32位相位累加器和四个12位相位寄存器PHASE0、PHASE1、PHASE2和PHASE3。通过外部引脚FSELECT或内部寄存器中的FSELECT位来控制两组频率寄存器，改变频率寄存器的值，从而产生不同频率的正弦波，其工作原理框图如图2所示。

图2 AD9832工作原理框图

采用32位二进制累加器，具有很高的分辨精度，频率最小分辨率为

输出正弦波的相移角度通过向四个12位相位寄存器写入相位控制码来调整，精度达到0.001533°，其计算公式如下。

此外，通过芯片手册介绍，可以知道，输出端是一个高阻抗电流源，要生成电压信号，必须串联一个负载电阻并接地，其典型值为300Ω。根据DAC满度电流调制公式

2.2信号发生电路设计

为了降低输出噪声，模拟电压AVCC和数字电压VCC是隔开的，都加有退耦电容；模拟地GND_A和数字地GND也是分开的，在进行PCB布局时两者要分别走线，只在一点相连，保证数字回流不干扰模拟输出的稳定。串口信号线如SCLK，SDATA等应避免从芯片下面通过，以减少这些高速跳变的数字信号携带的高次谐波影响模拟输出。

图3 正弦信号发生电路

3 系统软件设计

系统软件主要由单片机STM32F103外设初始化程序、AD9832初始化程序、命令接收程序及定时器中断保护程序组成。主程序流程图如图4所示。

外设初始化包括通用I/O口配置，系统时钟、串口、定时器、看门狗使能等。AD9832初始化主要是配置控制寄存器，完成对频率及相位寄存器的设置。上电后，芯片应首先复位，相位累加器清零，为了避免内部DAC产生虚假输出，AD9832芯片在初始化时，SLEEP及RESET要一直保持高电平，直到芯片准备好输出为止。设置CLR位为高电平可以置零SYNC和SELSRC。如果将SYNC和SELSRC置1，表示同步读取数据及使用寄存器的位来选择频率寄存器和相位寄存器，SELSRC置0表示使用外部引脚来选择频率寄存器和相位寄存器。向所选择的频率及相位寄存器写入控制字后使能芯片工作，在6个系统时钟周期后开始一个新的输出。

图4 主程序流程图

初始化完成后系统即进入了正常工作状态，采用查询方式等待上位机发送命令，每帧命令由8个字节组成，包括帧头、地址、相应控制命令和帧尾等。当成功接收到第一个字节，将其装入数据缓冲器，数据接收计数器Count自动加1，并且开启中断周期为500 ms的定时器，随后继续查询等待第二个字节的接收，直到对第八个字节的接收成功，激活命令执行标志位，然后根据数组缓冲器中存储的数据执行相应的操作，执行完操作后将标志位清零。若对于其中任意连续的两个字节之间的接收等待时间超过500ms，定时器进入中断，对计数器清零并且关闭定时器，表示系统放弃对该帧的接收，程序回到最初查询接收状态，等待新一帧数据的到来。

4 实验结果

系统上电后，通过单片机STM32F103控制两片AD9832产生两路正弦电压，波形如图5所示。从图5可以看出，信号未出现明显失真，波形完整，并且可以任意改变A路和B路正弦波的频率及幅值，达到了预期设计要求。

（a）初始化波形

(b) 改变A路频率及幅值

(c)改变B路频率及幅值

5 结束语

本文设计的发电机并网模拟系统，以单片机STM32F103作为主控芯片，发挥了该芯片强大的数据处理及实时控制功能，充分利用了其丰富的外设资源，简化了控制结构。采用具有高稳定性、高分辨率DDS信号发生芯片AD9832，能准确模拟发电机并网中的正弦信号。经在发电厂现场调试和实际使用，结果表明该系统具有性能稳定、操作简单等特点，能较好地达到对操作人员培训的目标，让操作人员熟练掌握同期表的使用方法，进行并网操作，减少因操作不当而造成的并网事故，具有十分重要的现实意义。

[1] 李业兴, 邓志杰, 李文慧. 基于DSP的自动准同期装置的设计与实现[J]. 电气应用, 2006, 25（8）: 27-30.

[2] 孟祥忠, 王博. 电力系统自动化[M]. 北京: 北京大学出版社, 2006.

[3] 沈拓, 董德存. 直接数字频率合成芯片AD9832原理及其典型应用设计[J]. 测控技术, 2005, 23（12）: 68-70.

[4] 王凤臣, 李庆瑞, 乔卫民, 等. 基于DDS的波形发生器在加速器电源控制系统中的应用[J]. 计算机测量与控制, 2006, 14（6）: 762-764.

[5] 喻金钱, 喻斌. STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器开发与应用[M]. 北京: 清华大学出版社, 2011.

Design of Grid Connection Simulation System of Generator Based on DDS Technology

Nie Hongwei1, Liao Hongxing1, Cheng Shijia2, Zhang Danhong2

(1.China Nuclear Power Operation Technology Cooperation Ltd., Wuhan 430223, China; 2.School of Automation ,Wuhan University of Technology, Wuhan 430070, China)

TM302

A

1003-4862（2014）06-0010-04

2013-09-27

湖北省自然科学基金资助（2013CFB335）

聂红伟（1979-），男，硕士，工程师。研究方向：核电过程及其控制系统模拟。