专利名称：碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的装置和方法
技术领域：
本发明属于电力应用的技术领域，具体地涉及碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线 监测的装置，以及利用该装置的方法。
背景技术：
采用SiC(碳化硅)非线性电阻作为灭磁电阻构成的灭磁系统在国外应用比较普 遍，近几年在国内电厂的大机组上开始应用，目前还没有统一的标准和明确的检测手段去 对碳化硅的特性进行检测及维护。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Metrosil系列SiC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。国内 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SiC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 当前研制一种在灭磁过程中在线监视与测定SiC非线性电阻实际运行特性的装置，已成为 相关电厂迫切需要解决的重大课题之一。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种碳化硅非线性电阻灭 磁过程中在线监测的装置。本发明的技术解决方案是该装置包括VAD电压电流开关量测量单元、温度测量 单元和工控计算机；VAD测量单元包括第一电源板、第一通道板、第一采集板，第一电源板 为第一通道板和第一采集板供电，第一通道板包括模拟量通道和开关量通道，第一采集板 包括A/D转换器、锁存器、DSP数字信号处理器、EEPROM电可擦可编程只读存储器、SRAM数 据缓冲器，模拟量通道前端连接直流电压变送器、直流电流变送器或霍尔电流传感器，且后 端与A/D转换器连接，开关量通道与锁存器连接，A/D和锁存器分别通过I/O总线连接到 DSP, DSP通过1 总线连接到EEPROM并通过外部数据总线连接到SRAM，DSP连接工控计算 机；温度测量单元包括第二电源板、第二通道板、第二采集板，第二电源板为第二通道板和 第二采集板供电，第二通道板上的模拟量通道的前后端分别连接红外温度传感器和A/D，采 集板包括A/D、DSP、EEPR0M，A/D通过I/O总线连接到DSP，DSP通过1 总线连接到EEPROM 并通过外部数据总线连接到SRAM，DSP连接工控计算机。还提供了碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的方法，包括VAD测量单元的 DSP应用方法、温度测量单元的DSP应用方法、工控计算机的控制方法。碳化硅非线性电阻灭磁过程中的电压、电流、无源节点状态可以通过VAD测量单 元实时采集数据，阀片表面温度可以通过温度测量单元实时采集数据，然后这些数据通过 两个DSP分别处理后送入工控计算机在线地记录并监测。
图1示出了根据本发明的装置的结构示意图2示出了电源板与通道板、采集板的连接图；图3示出了开关量通道的电路图；图4示出了 VAD测量单元的DSP应用方法的流程图；图5示出了温度测量单元的DSP应用方法的流程图；图6示出了 CThreadTCP的流程图；图7是PMI6264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的电 压/温度关系曲线；
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具体实施例方式下面通过附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。图1示出了根据本发明的装置的结构示意图。根据本发明的装置包括VAD电压电 流开关量测量单元、温度测量单元和工控计算机；VAD测量单元包括第一电源板、第一通道 板、第一采集板，第一电源板为第一通道板和第一采集板供电，第一通道板包括模拟量通道 和开关量通道，第一采集板包括A/D转换器、锁存器、DSP数字信号处理器、EEPROM电可擦可 编程只读存储器、SRAM数据缓冲器，模拟量通道前端连接直流电压变送器、直流电流变送器 或霍尔电流传感器，且后端与A/D转换器连接，开关量通道与锁存器连接，A/D和锁存器分 别通过I/O总线连接到DSP，DSP通过1 总线连接到EEPROM并通过外部数据总线连接到 SRAM, DSP连接工控计算机；温度测量单元包括第二电源板、第二通道板、第二采集板，第二 电源板为第二通道板和第二采集板供电，第二通道板上的模拟量通道的前后端分别连接红 外温度传感器和A/D，采集板包括A/D、DSP、EEPROM，A/D通过I/O总线连接到DSP，DSP通过 I2C总线连接到EEPROM并通过外部数据总线连接到SRAM，DSP连接工控计算机。在此详细说明红外测温的方法。为了达到同时测量多片阀片表面温度的目的，经 过大量的调研工作，选用了 PMI6264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。该传感器为电压输出型，其电压/温度关系曲线如图7所示。图7中的电压/温 度关系曲线可用下式表达Tobj [°C ] = -0. 603544x6+10. 52162x5-74. 95959x4+281. 3649x3-599. 180x2+750. 84χ-370. 96该式中Tobj-目标辐射温度(°C )，χ-传感器输出电压(V)上述特性是在测量发射率大于99%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，传感器经销商提供了第二计 算公式TcF Tf0 (1/ ；/"该式中=Tci-阀片表面实际温度⑷，Γ；；一阀片表面辐射温度(K)，ε -阀片表面发 射率验证时发现，该公式在室温时有很大误差，后来查阅文献，找到了测量目标表面实 际温度的精确公式τ Λ (i/ O [ τ' - (1 - O τ 4Λ } /4该式中九为环境温度，对于涂漆的阀片表面，发射率ε确定为0.95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。16只传感器排成一列，
5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8cm。控制 电路接受温度测量单元的指令向后者传送温度数据。图8示出了该装置中全部传感器的位置安排图。其中各传感器的参数确定如下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re_321HFD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Uf 1、发电 机转子电压Uf2、SiC组件电压Uem相对应的变送器参数确定为输入-1000V +3000V，对应输出为4 20mA灭磁开关弧压Uk测量用变送器参数确定为
输入-500V +:3500V，对应输出为4 20mA2、直流电流变送器机组额定励磁电流Ifn为1537A，极端情况下的电流可达到该值的三倍，即4611A， 对应分流器电压为4611A + 2000AX60mV = 138. 33mV发电机转子电流If2测量变送器re_311HFD的参数确定为输入0 i;35mV，对应输出为4 20mA3、霍尔电流传感器为便于现场安装，整流输出电流Ifl采用HDC-5000C HK型可拆卸霍尔电流传 感器进行测量，SiC(碳化硅非线性电阻是图8中的RM1-RMn)组件支路电流1 广1 3采用 HDC-1500EK型可拆卸霍尔电流传感器进行测量，参数确定依据同上条，具体如下HDC-5000C HK 输入 0 5000A，输出 0 4VHDC-1500EK 输入 0 1500A，输出 0 4V4、温度传感器阵列(以上以说明)另外，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15kV，1. 5mm2，熔断器RT18_32X/2，ΙΑ。图2示出了电源板与通道板、采集板的连接图。优选地，所述电源板采用 AC85485V或DC85-285V的交直流两用电源。装置内部有多个部件，对电源的要求不同，有 各自的标称电源电压、精度及容量。本文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PCB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，主 要目的是1.减少标称电压的个数，简化电源设计；2.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。通过电源滤波器得到开关电源的输出是+12V、1. 2A，-12V、0. 3A，+5V、4A。图3示出了开关量通道的电路图。优选地，所述开关量通道由通道板中的隔离的 电源提供MV电压，以便测量通道板的外部无源节点的状态；装置的内、外回路用光偶器件 隔1 °优选地，所述采集板采用4层电路板，所述A/D是AD7656，所述DSP是德州仪器公 司的 TMS320M8335。优选地，DSP通过RS-422通讯总线连接到工控计算机。由于RS-422总线支持较长的通讯距离，所以工控计算机可靠近DSP，也可远离DSP。优选地，工控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。本发明采用的工控平板电脑的技术指标如下=Intel Pentium M 1. 4GHz,512M DDR SDRAM，120G硬盘；10/100Base-T LAN接口 ；LCD显示触摸屏； 串行总线通讯接口 ；ECP打印机接口 ；USB闪盘/打印机接口，键盘/鼠标接口。还提供了碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的方法，包括VAD测量单元 的DSP应用方法、温度测量单元的DSP应用方法、工控计算机的控制方法。当然，还包括 Windows设备驱动程序。两个DSP应用方法均使用C语言编写，开发环境是"Texas Instrument公司的Code Composer V4. 10，其中滤波函数使用汇编编写。DSP上电后，首先读入EEPROM的参数，并 做相应初始化，然后进入采集循环。采集驱动信号，由DSP的定时器的外部总线驱动，4片 AD7656的采样驱动引脚连在DSP的定时器口线上。初始化时，DSP根据当前的采样频率初 始化DSP，使得定时器的外部口线发送周期脉冲。AD7656—次转换完成后，驱动一个状态引 脚发送一个脉冲，主程序采样循环通过查询AD7656的状态线，周期地读入采样数据，并滤 波处理后，排入SRAM的数据循环缓冲队列，并更新队列指针。对于VAD测量单元，采集的同时，DSP逐点运算记录启动判据，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，由于温度记录时间 较长，VAD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)。 图4示出了 VAD测量单元的DSP应用方法的流程图。所述VAD测量单元的DSP应用 方法包含以下步骤(al)DSP、I/0总线、中断服务程序、AD7656初始化，如果是来自AD7656 的外部中断则AD7656的数据读入DSP临时缓冲区、加载AD7656的初始化程序FIR、中断返 回；(a2)读入EEPROM的通道参数；(a3)启动循环采样定时器；(a4)如果已一次采样则执行 步骤(a5)，否则执行步骤(a4) ； (a5)读入、零点、滤波，数据排入SRAM队列，更新队列指针； (a6)如果处于记录状态则执行步骤(a7) ； (a7)运算启动判据，如果有判据满足则执行步骤 (a8)，否则执行步骤(M) ； (8)向温度测量单元发送启动同步信号；进入记录状态，运行成 功后返回步骤(a3)。图5示出了温度测量单元的DSP应用方法的流程图。所述温度测量单元的DSP 应用方法包含以下步骤(bl)DSP、1/0总线、中断服务程序、AD7656初始化，如果是来自 AD7656的外部中断则AD7656的数据读入DSP临时缓冲区、加载FIR、中断返回，如果外部中 断是来自VAD单元的2位电平信号则进入读入信息、置位相应状态标志、中断返回；(b2)读 入EEPROM的通道参数；(b3)启动循环采样定时器；(b4)如果已一次采样则执行步骤(b5)， 否则执行步骤(b4) ； (b5)读入、零点、滤波，数据排入SRAM队列，更新队列指针，运行成功后 返回步骤(b3)。所述工控计算机的控制方法采用Microsoft Visual C++6. 0，包括用户界面线程、 数据处理线程、网络通讯线程、串口通讯线程，用户界面设计用于显示实时值、分析记录数 据、设置VAD电压电流开关量测量单元和温度测量单元，数据处理线程用于采集数据读入 后转换为工程单位，网络通讯线程用于为远程计算机提供记录数据，串口通讯线程用于与 VAD电压电流开关量测量单元和温度测量单元通讯。
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以下对Windows应用程序的几个关键线程的运行机理及线程间关系进行详述1.数据处理线程将数据读取(从驱动程序)、工程单位值计算功能包括在一个线程循环中，不仅仅 因为它们是一个数据流的按次序的处理过程，更重要的是保证这些功能的实时性，而不受 用户界面、磁盘操作、数据通讯的影响。数据处理线程具有THREAD_PRIORITY_HIGHEST(其 为C++语言内部通用命令代码)优先级，这是MainFrame: OnCreate ()(其为C++语言内部 通用命令代码)函数创建这个线程时赋予的。通常因用户操作或通讯传输的要求而打开一 个Mbytes的数据文件，需要数秒的时间，这个最高优先级保证类似的操作不会阻塞数据处 理线程而导致驱动程序的数据缓冲区溢出。计算线程与主线程(用户界面线程)之间使用事件量、消息通讯以便同步。 MainFrame OnCreateO 创建 hRelnitEvent、hEndEvent (其为 C++ 语言内部通用命令代 码)用来指示计算线程的初始化和停止。而计算线程通过向MainFrame: AMainFrm发送消 息，传递一次有效值计算完成、记录启动、录制过程等等状态，MainFrame hMainFrm响应消 息后，选择地进行画面刷新、传递状态给其它线程等动作。2.记录数据文件线程根据用户设置的记录数据录制格式的不同，记录数据文件的容量通常从几百 Kbytes (千字节)到几Mbytes (兆字节)，存储在CF (FLASH闪存，类似硬盘的存储介质)卡 中，数据文件的访问需要一定的时间，如果读写操作放在主线程中，则会导致画面刷新的迟 滞。因此读写操作由主线程启动数据文件线程完成，数据文件线程被赋予较低的优先级 THREAD_PRI0RITY_BEL0W_N0RMAL。线程启动时，由 MainFrame: hMainFrm 传递给线程一个 参数结构。读写操作完成后，线程向MainFrame: AMainFrm发送消息，然后退出。这个线程 不需要用于同步目的的事件量。3.通讯服务线程通讯服务线程向装置外部的系统提供了服务接口，基于这些服务，可扩展独立的 装置的功能，例如构成分布式监测系统。装置外部的功能部分不在本文的范围内。通讯线 程提供的这些服务接口包括 参数设置 通道校准，这种非主体功能以装置外部的软件包的形式提供，以避免使用者误 操作 实时数据(波形、有效值)，共给外部的实时画面 连续实时有效值，每20ms —点数据，供给外部的趋势图 记录文件列表 记录数据文件 远程启动记录录制通讯服务包括2个线程网络通讯线程、串行口通讯线程，由外部设备(系统)的 通讯能力动态选择，但不可同时工作，避免同时到达的、但是相互冲突的指令。将通讯服务 设计为线程，主要基于通讯设备的操作特性，网络、串行口的驱动程序，都需要指令流循环 监测其提供的事件量。网络、串行口的驱动程序由Windows. Net提供，在裁减操作系统时 选择，对本装置选用的工控计算机模块，提供了全面的驱动程序支持，也是系统规划时选用Windows操作系统的原因之一。2个通讯服务线程有很大部分的一致功能，如对来自外部的指令的分析、执行， 这部分数据、行为抽象为CBaseComm类。而对网络、串行口的具体操作，则有各自派生类 (CThreadTCP, CThreadCOMM)完成。图6示出了 CThreadTCP的流程图。CThreadTCP运行在传输控制协议 (Transmission Control Protocol，TCP)之上，TCP是一种面向连接的、可靠的、基于字节流 的运输层通信协议，在该协议传输模式中在将数据包成功发送给目标计算机后，TCP会要求 发送一个确认；如果在某个时限内没有收到确认，那么TCP将重新发送数据包。另外，在传 输的过程中，如果接收到无序、丢失以及被破坏的数据包，TCP还可以负责恢复。相对于CThreadTCP，CThreadCOMM必须自己完成流控、校验，虽然线程在初始化 时，可以指令使用CTS/RTS作为硬件流控，但是考虑到用户可能通过外接转换器，将RS-232 转换成没有硬件流控支持的RS-485或RS-422，所以CTS/RTS只能作为用户选项，而软件必 须要做UART的超越错判断。线程同样要做数据流校验。线程定义了一个数据包格式，并向 外部用户开放，用以数据传递。本装置及方法的主要功能为A、实时采集励磁电压、励磁电流、磁场断路器弧压、各SiC非线性电阻组件支路电 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。B、系统记录的数据，不仅可反映SiC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，便于较完整地了解灭磁能量在各支路中的分布。C、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SiC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。D、可实现常态参数监测及启动报警。本装置及方法的优点如下A、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。B、安全可靠系统中的电压量、分流器信号测量采用隔离耐压5000V. AC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；阀片表面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。C、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。以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依 据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明 技术方案的保护范围。
权利要求
1.碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的装置，其特征在于该装置包括VAD电压 电流开关量测量单元、温度测量单元和工控计算机；VAD测量单元包括第一电源板、第一通 道板、第一采集板，第一电源板为第一通道板和第一采集板供电，第一通道板包括模拟量通 道和开关量通道，第一采集板包括A/D转换器、锁存器、DSP数字信号处理器、EEPROM电可 擦可编程只读存储器、SRAM数据缓冲器，模拟量通道前端连接直流电压变送器、直流电流变 送器或霍尔电流传感器，且后端与A/D转换器连接，开关量通道与锁存器连接，A/D和锁存 器分别通过I/O总线连接到DSP，DSP通过1 总线连接到EEPROM并通过外部数据总线连 接到SRAM，DSP连接工控计算机；温度测量单元包括第二电源板、第二通道板、第二采集板， 第二电源板为第二通道板和第二采集板供电，第二通道板上的模拟量通道的前后端分别连 接红外温度传感器和A/D,采集板包括A/D、DSP、EEPR0M，A/D通过I/O总线连接到DSP，DSP 通过1 总线连接到EEPROM并通过外部数据总线连接到SRAM，DSP连接工控计算机。
2.根据权利要求1所述的碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的装置，其特征在 于所述电源板采用AC85485V或DC85-285V的交直流两用电源，通过电源滤波器得到开关 电源的输出是+12V、1. 2A，-12V、0. 3A，+5V、4A。
3.根据权利要求2所述的碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的装置，其特征在 于所述开关量通道由通道板中的隔离的电源提供MV电压，以便测量通道板的外部无源 节点的状态；装置的内、外回路用光偶器件隔离。
4.根据权利要求3所述的碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的装置，其特征 在于所述采集板采用4层电路板，所述A/D是AD7656，所述DSP是德州仪器公司的 TMS320F28335。
5.根据权利要求4所述的碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的装置，其特征在 于所有器件均采用Wbit或以上器件。
6.根据权利要求5所述的碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的装置，其特征在 于DSP通过RS-422通讯总线连接到工控计算机。
7.根据权利要求6所述的碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的装置，其特征在 于所述工控计算机接入以太网并采用上架式机箱，技术指标为化切1 Pentium M 1.4GHz、 512M DDR SDRAM、120G硬盘、10/100Base-T LAN接口、LCD显示触摸屏、串行总线通讯接口、 ECP打印机接口、USB闪盘/打印机接口、键盘/鼠标接口。
8.根据权利要求7所述的碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的方法，其特征在 于包括VAD测量单元的DSP应用方法、温度测量单元的DSP应用方法、工控计算机的控制 方法。
9.根据权利要求8所述的碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的方法，其特征在于所述VAD测量单元的DSP应用方法包含以下步骤(al)DSP、I/O总线、中断服务程序、 AD7656初始化，如果是来自AD7656的外部中断则AD7656的数据读入DSP临时缓冲区、加载 AD7656的初始化程序FIR、中断返回；(a2)读入EEPROM的通道参数；(a3)启动循环采样定 时器；(a4)如果已一次采样则执行步骤(a5)，否则执行步骤(a4) ； (a5)读入、零点、滤波， 数据排入SRAM队列，更新队列指针；(a6)如果处于记录状态则执行步骤(a7) ； (a7)运算启 动判据，如果有判据满足则执行步骤(a8)，否则执行步骤(M) ； (8)向温度测量单元发送启动同步信号；进入记录状态，运行成功后返回步骤(a3)；所述温度测量单元的DSP应用方法包含以下步骤(bl)DSP、I/O总线、中断服务程序、 AD7656初始化，如果是来自AD7656的外部中断则AD7656的数据读入DSP临时缓冲区、加 载FIR、中断返回，如果外部中断是来自VAD单元的2位电平信号则进入读入信息、置位相应 状态标志、中断返回；(b2)读入EEPROM的通道参数；(b3)启动循环采样定时器；(b4)如果 已一次采样则执行步骤化5)，否则执行步骤(b4) ； (b5)读入、零点、滤波，数据排入SRAM队 列，更新队列指针，运行成功后返回步骤(b3)。
10.根据权利要求9所述的碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的方法，其特征在 于所述工控计算机的控制方法采用Microsoft Visual C++6. 0，包括用户界面线程、数据 处理线程、网络通讯线程、串口通讯线程，用户界面设计用于显示实时值、分析记录数据、设 置VAD电压电流开关量测量单元和温度测量单元，数据处理线程用于采集数据读入后转换 为工程单位，网络通讯线程用于为远程计算机提供记录数据，串口通讯线程用于与VAD电 压电流开关量测量单元和温度测量单元通讯。
全文摘要
公开了一种碳化硅非线性电阻灭磁过程中在线监测的装置，包括VAD电压电流开关量测量单元、温度测量单元和工控计算机；VAD测量单元和温度测量单元均包括电源板、通道板、采集板，采集板上的DSP通过通讯总线连接到工控计算机。还提供了利用该装置的方法，包括VAD测量单元的DSP应用方法、温度测量单元的DSP应用方法、工控计算机的控制方法。碳化硅非线性电阻灭磁过程中的电压、电流、无源节点状态可以通过VAD测量单元实时采集数据，阀片表面温度可以通过温度测量单元实时采集数据，然后这些数据通过两个DSP分别处理后送入工控计算机在线地记录并监测。
文档编号G01J5/00GK102062804SQ201010551040
公开日2011年5月18日 申请日期2010年11月19日 优先权日2010年11月19日
发明者刘守茹, 徐海峰, 朴顺花, 李振, 王世彬, 程振江, 辛峰, 邵明航, 马跃林, 高连伟 申请人:白山发电厂