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。
　
作者:
　　Olle Svensson - Division of Electricity, Uppsala University
　
行業(yè):
　　能源/電力, 科研
　
產(chǎn)品:
　　CompactRIO, LabVIEW
　
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,。
　
鳴謝
　　瑞典呂瑟希爾（Lysekil）項(xiàng)目于2009年由Vattenfall AB,、Statkraft AS、Fortum oy,、瑞典能源機(jī)構(gòu),、Draka Cable AB、哥德堡能源研究基金,、 Falkenberg Energy AB,、Wallenius 基金、Helukabel,、ProEnviro,、Seabased AB、Olle Engkvist基金,、The J. Gust. Richert 基金,、Ångpanneföreningen研發(fā)基金、CF 環(huán)境基金,、Göran Gustavsson研究基金和Vargöns研究基金資助,。