利用CompactRIO對低壓海上變電所進(jìn)行控制和測量

　　挑戰(zhàn):

　　為瑞典呂瑟希爾（Lysekil）波浪發(fā)電研究站開發(fā)一個(gè)低壓海上變電所的控制和測量系統(tǒng)。

　　解決方案:

　　借助4個(gè)NI CompactRIO系統(tǒng)，其中三個(gè)系統(tǒng)位于海底而另外一個(gè)位于在海岸上，和 NI LabVIEW 軟件在呂瑟希爾（Lysekil）波浪發(fā)電研究站開發(fā)一個(gè)控制和測量系統(tǒng)。

　　"我們成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于CompactRIO平臺的控制和測量系統(tǒng)。系統(tǒng)被放置在一個(gè)接電裝置中，并與之一起放置在海底。"

　　在2009年夏季，呂瑟希爾（Lysekil）波浪發(fā)電研究站由3個(gè)WEC（ 波浪能源轉(zhuǎn)換器）、1個(gè)LVMS（低壓海上變電所）和1個(gè)地面測量站組成。研究站的概況如圖1所示。

圖 1：2009年4月受控研究站示意圖；WEC3是紅色的，WEC 2是藍(lán)色的，WEC 1是灰色的。LVMS位于電阻發(fā)電機(jī)負(fù)載和地面測量站之間。

　　LVMS低壓海上變電所的控制

　　控制系統(tǒng)由3個(gè)位于LVMS內(nèi)部的CompactRIO裝置、1個(gè)CompactRIO和1臺位于地面測量站的電腦組成。通信結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖 2：通信結(jié)構(gòu)（其中包括通過通信電纜實(shí)現(xiàn)的LVMS和測量站之間點(diǎn)對點(diǎn)通信）

　　第一個(gè)CompactRIO系統(tǒng)是一個(gè)保險(xiǎn)裝置，它是一個(gè)開/關(guān)系統(tǒng)，控制變電所中的接觸器和繼電器。第二個(gè)系統(tǒng)控制直流至交流電壓的轉(zhuǎn)換。第三個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能夠記錄來自LVMS內(nèi)部傳感器的WEC數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)。圖3展示了第一個(gè)CompactRIO系統(tǒng)、1個(gè)信號調(diào)節(jié)模塊和調(diào)制解調(diào)器。第四個(gè)CompactRIO系統(tǒng)用于控制測量站外的電阻性電力負(fù)載并且測量上傳至海岸的電壓和電流。

圖 3：在CompactRIO后面安裝有2個(gè)基于可編程自動化控制器（PAC）的安全系統(tǒng)和調(diào)制解調(diào)器。

　　保險(xiǎn)裝置和繼電器控制系統(tǒng)

　　第一個(gè)CompactRIO系統(tǒng)僅使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）開發(fā)完成，以增加系統(tǒng)穩(wěn)定性。一個(gè)實(shí)時(shí)程序由許多進(jìn)程組成，這些進(jìn)程彼此互相依賴，并且經(jīng)常存在一個(gè)進(jìn)程阻礙另一個(gè)進(jìn)程運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)。通常，我們使用三種方法類克服死鎖：死鎖預(yù)防、死鎖規(guī)避和死鎖檢測。若僅利用部分計(jì)算資源，那么死鎖的可能性會減少，然而實(shí)時(shí)系統(tǒng)不可能100%穩(wěn)定。第一個(gè)CompactRIO系統(tǒng)會對WEC(波浪能源轉(zhuǎn)換器)進(jìn)行切換，從而達(dá)到整流的目的，或者，它會將一個(gè)WEC連接到地面測量站并把其他的WEC連接到它們的阻性負(fù)載。它還會測量電壓和電流值，若超過限定值，就將WEC從LVMS上斷開。

　　變頻器控制

　　第二個(gè)CompactRIO系統(tǒng)負(fù)責(zé)將直流電壓轉(zhuǎn)換成50Hz交流電壓。LVMS內(nèi)部的變頻器由1個(gè)CompactRIO和6個(gè)配有驅(qū)動器的IGBT（絕緣柵雙極晶體管)組成。根據(jù)對直流母線和交流輸出進(jìn)行的測量，變頻器會執(zhí)行對IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的PWM（脈寬調(diào)制）。我們把高速的開關(guān)算法放在FPGA中，并與實(shí)時(shí)控制器通信以便進(jìn)行校正計(jì)算，然后將脈沖寬度的信息傳送回FPGA。

　　CompactRIO還把測量結(jié)果發(fā)送至地面站的電腦，并將數(shù)據(jù)儲存到電腦的硬盤中。變頻器最終測試結(jié)果如圖4所示?？刂平缑嫒鐖D8所示。

圖 4：在烏普薩拉（Uppsala）進(jìn)行的最終測試的電流和電壓測量結(jié)果：a)測量到的交流電壓，負(fù)載=107歐姆 b)測量到的交流電壓，負(fù)載=107歐姆 c)通過變壓器之后測量的交流電壓，負(fù)載=36微法//107歐姆 d)通過變頻器之前測量的直流電壓。

　　專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　第三個(gè)系統(tǒng)是專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它能夠測量來自每個(gè)WEC的電壓和電流以及兩個(gè)WEC內(nèi)部傳感器。其中包括在WEC2和WEC3內(nèi)部的譯碼器位置、發(fā)電機(jī)磁通量和定子溫度。在WEC2的金屬結(jié)構(gòu)上還配備有應(yīng)變計(jì)以及能夠測量活塞水平運(yùn)動的激光傳感器。系統(tǒng)還可以測量LVMS內(nèi)部的漏水情況、溫度、壓力和濕度。

　　數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的放置

　　因?yàn)殡娮釉O(shè)備最終需要維修和校準(zhǔn)，所以我們把測量CompactRIO系統(tǒng)放在接電裝置內(nèi)部。這樣我們可以將接電裝置從海底提出海平面并把它拖進(jìn)海港，但是提起一個(gè)WEC的費(fèi)用則更加昂貴。

　　在評估測量數(shù)據(jù)的過程中，在時(shí)間同步性方面遇到了挑戰(zhàn)。大多數(shù)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)時(shí)鐘僅精確到秒。而為了評估來自WEC的數(shù)據(jù)，傳感器必須實(shí)現(xiàn)毫秒級的同步，這可以利用IEEE-1588時(shí)鐘同步協(xié)議實(shí)現(xiàn)。但是如果使用數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)同步，則會導(dǎo)致WEC內(nèi)部的傳感器數(shù)據(jù)將會與WEC生成電壓和電流信號同步。因此，更好的方法是，將WEC生成的模擬信號直接傳送出去，然后再在這個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中采集所有的信號。

　　結(jié) 果

　　我們成功實(shí)現(xiàn)了基于CompactRIO 平臺的控制和測量系統(tǒng)。我們把系統(tǒng)放在接電裝置中，然后把接電裝置放在海底。我們可以通過基于CompactRIO設(shè)計(jì)的變頻器來控制直流至交流的轉(zhuǎn)換。