利用CompactRIO对低压海上变电所进行控制和测量

　　挑战:

　　为瑞典吕瑟希尔（Lysekil）波浪发电研究站开发一个低压海上变电所的控制和测量系统。

　　解决方案:

　　借助4个NI CompactRIO系统，其中三个系统位于海底而另外一个位于在海岸上，和 NI LabVIEW 软件在吕瑟希尔（Lysekil）波浪发电研究站开发一个控制和测量系统。

　　"我们成功实现了一个基于CompactRIO平台的控制和测量系统。系统被放置在一个接电装置中，并与之一起放置在海底。"

　　在2009年夏季，吕瑟希尔（Lysekil）波浪发电研究站由3个WEC（ 波浪能源转换器）、1个LVMS（低压海上变电所）和1个地面测量站组成。研究站的概况如图1所示。

图 1：2009年4月受控研究站示意图；WEC3是红色的，WEC 2是蓝色的，WEC 1是灰色的。LVMS位于电阻发电机负载和地面测量站之间。

　　LVMS低压海上变电所的控制

　　控制系统由3个位于LVMS内部的CompactRIO装置、1个CompactRIO和1台位于地面测量站的电脑组成。通信结构如图2所示。

图 2：通信结构（其中包括通过通信电缆实现的LVMS和测量站之间点对点通信）

　　第一个CompactRIO系统是一个保险装置，它是一个开/关系统，控制变电所中的接触器和继电器。第二个系统控制直流至交流电压的转换。第三个系统是一个专用数据采集系统，能够记录来自LVMS内部传感器的WEC数据和环境数据。图3展示了第一个CompactRIO系统、1个信号调节模块和调制解调器。第四个CompactRIO系统用于控制测量站外的电阻性电力负载并且测量上传至海岸的电压和电流。

图 3：在CompactRIO后面安装有2个基于可编程自动化控制器（PAC）的安全系统和调制解调器。

　　保险装置和继电器控制系统

　　第一个CompactRIO系统仅使用现场可编程门阵列（FPGA）开发完成，以增加系统稳定性。一个实时程序由许多进程组成，这些进程彼此互相依赖，并且经常存在一个进程阻碍另一个进程运行的风险。通常，我们使用三种方法类克服死锁：死锁预防、死锁规避和死锁检测。若仅利用部分计算资源，那么死锁的可能性会减少，然而实时系统不可能100%稳定。第一个CompactRIO系统会对WEC(波浪能源转换器)进行切换，从而达到整流的目的，或者，它会将一个WEC连接到地面测量站并把其他的WEC连接到它们的阻性负载。它还会测量电压和电流值，若超过限定值，就将WEC从LVMS上断开。

　　变频器控制

　　第二个CompactRIO系统负责将直流电压转换成50Hz交流电压。LVMS内部的变频器由1个CompactRIO和6个配有驱动器的IGBT（绝缘栅双极晶体管)组成。根据对直流母线和交流输出进行的测量，变频器会执行对IGBT（绝缘栅双极晶体管）的PWM（脉宽调制）。我们把高速的开关算法放在FPGA中，并与实时控制器通信以便进行校正计算，然后将脉冲宽度的信息传送回FPGA。

　　CompactRIO还把测量结果发送至地面站的电脑，并将数据储存到电脑的硬盘中。变频器最终测试结果如图4所示。控制界面如图8所示。

图 4：在乌普萨拉（Uppsala）进行的最终测试的电流和电压测量结果：a)测量到的交流电压，负载=107欧姆 b)测量到的交流电压，负载=107欧姆 c)通过变压器之后测量的交流电压，负载=36微法//107欧姆 d)通过变频器之前测量的直流电压。

　　专用数据采集系统

　　第三个系统是专用数据采集系统，它能够测量来自每个WEC的电压和电流以及两个WEC内部传感器。其中包括在WEC2和WEC3内部的译码器位置、发电机磁通量和定子温度。在WEC2的金属结构上还配备有应变计以及能够测量活塞水平运动的激光传感器。系统还可以测量LVMS内部的漏水情况、温度、压力和湿度。

　　数据采集系统的放置

　　因为电子设备最终需要维修和校准，所以我们把测量CompactRIO系统放在接电装置内部。这样我们可以将接电装置从海底提出海平面并把它拖进海港，但是提起一个WEC的费用则更加昂贵。

　　在评估测量数据的过程中，在时间同步性方面遇到了挑战。大多数数据记录系统时钟仅精确到秒。而为了评估来自WEC的数据，传感器必须实现毫秒级的同步，这可以利用IEEE-1588时钟同步协议实现。但是如果使用数据记录系统来实现同步，则会导致WEC内部的传感器数据将会与WEC生成电压和电流信号同步。因此，更好的方法是，将WEC生成的模拟信号直接传送出去，然后再在这个数据采集系统中采集所有的信号。

　　结 果

　　我们成功实现了基于CompactRIO 平台的控制和测量系统。我们把系统放在接电装置中，然后把接电装置放在海底。我们可以通过基于CompactRIO设计的变频器来控制直流至交流的转换。