基于嵌入式DSP/BIOS的電力無功補償控制器的研究

林錦澤

( 廣西玉林水利電力勘測設計研究院，廣西 玉林537000)

無功補償控制器需要進行電壓、電流、有功、無功、功率因數(shù)、諧波含量等電參數(shù)的實時計算，通過綜合分析判斷，控制電容器組的投切而獲得最優(yōu)的無功補償效果。傳統(tǒng)的無功補償控制器采用嵌入式ARM 芯片通過移植多任務操作系統(tǒng)( 如UCOS II) 構(gòu)成，由于ARM 芯片計算能力不強，嵌入式操作系統(tǒng)內(nèi)核龐大，這樣構(gòu)成的控制器通常存在響應速度慢，實時跟蹤能力差等缺點。針對這些問題，本文提出了采用TI 公司目前最先進的 C2000 系列浮點數(shù)字信號處理器TMS320F28335 作為主控芯片，嵌入TI 公司的DSP/BIOS 實時多任務操作系統(tǒng)，開發(fā)出跟蹤響應速度快、控制效果優(yōu)良的無功補償控制器。

1 硬件設計

1.1 控制器硬件設計框圖

無功補償控制器是無功補償裝置的重要組成部分，無功補償控制器的性能很大程度上決定著無功補償?shù)男Ч虼搜兄聘咝阅軣o功補償控制一直是各研究機構(gòu)的研究重點，無功補償裝置的原理框圖和無功補償控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖分別見圖1、圖2。

圖1 無功補償裝置原理框圖

圖2 無功補償控制器硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.2 主控芯片F(xiàn)28335

無功補償裝置的主控芯片采用TI 公司C2000 系列DSP 浮點數(shù)字信號處理器TMS320F28335 (以下簡稱F28335)，該芯片支持32 位的單精度浮點運算，對于無功補償裝置的有功、無功、電壓、電流、FFT 諧波等大量的數(shù)據(jù)分析計算都能應付自如。F28335 片內(nèi)高達的256 K FLASH 和34 K RAM 可以確保程序運行和數(shù)據(jù)存儲的需要。另外，F(xiàn)28335 接口資源非常豐富，具有I2C、雙SCI 串口、雙SPI 同步串口、eCAN 總線接口等等，可最多支持64個IO 輸入輸出口。配合TI 公司CCS3.3 開發(fā)系統(tǒng)，嵌入DSP BIOS5.3.3 多任務實時操作系統(tǒng)編程，使F28335 的程序結(jié)構(gòu)清晰簡潔、多線程任務流暢、運行效率更高。

1.3 信號檢測模塊

該模塊主要是采集電網(wǎng)的電壓、電流信號，電壓信號和電流信號分別來自電壓互感器和電流互感器輸出的±1 V 交流信號，經(jīng)模擬濾波、放大后送至A/D 采樣芯片ADS8364 的采樣輸入端，ADS8364 為TI 公司生產(chǎn)的16 位高精度A/D 采樣芯片，具有對三相電壓、三相電流 等6個通道輸入信號同步采樣功能，極大地減少了因采樣延時而造成的有功功率、無功功率、電壓、電流的測量誤差。

1.4 信息存儲

為了記錄每相電壓、電流、有功功率、無功功率、功率因數(shù)，以及電容器的投、切時間，投、切次數(shù)，異常事件記錄等，系統(tǒng)采用一片32 M 的SD 存儲芯片AT45DB321。其接口電路為SPI 同步串口，只需要與F28335 主控芯片SPIA 同步串口的4 根控制線( SPICLKA、SPSSTEA、SPISIMOA、SPISOMIA) 進行連接即可，硬件接口非常簡單方便。

1.5 鍵盤和LCD 顯示

鍵盤和LCD 顯示是進行人機交互的重要手段，為降低成本，縮小控制器的體積，本系統(tǒng)采用復合式鍵盤接口，使用多功能鍵，設置4個按鍵，『確認/選擇』、『取消/返回』、『增加/上翻』、『減少/下翻』等，這4個接鍵與LCD 液晶屏的菜單項配合，即可完成控制器的操作。

1.6 輸出IO 控制

本裝置具IO 輸出采用F28335 的IO 引腳經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片LCX245 后，驅(qū)動光耦輸出裝置共設置18 路IO 接口，可以最多同時對9 組單相電容器及9 組三相電容器進行控制，可根據(jù)實際情況進行最理想的電容器組配置，達到最佳的補償效果。電容器的投、切采用復合開關控制，即采用雙向可控硅和磁保繼電器雙重控制。

1.7 系統(tǒng)時鐘

系統(tǒng)時鐘是無功補償裝置的重要組成部分，系統(tǒng)時鐘主要用于電網(wǎng)運行參數(shù)記錄時間，電容投切時間、異常情況記錄時間等。無功補償裝置采用一片SD2400 時鐘芯片作為系統(tǒng)時鐘，該芯片內(nèi)嵌鋰電池，可確保芯片在外部斷電10 a 的情況下，片內(nèi)的時鐘仍可正常工作

1.8 通訊方式

無功補償控制器設計了2個通訊接口，即GPRS 和RS485 通訊接口，GRPR 通訊接口負責與主控中心的遠程通訊:主控機采用通訊協(xié)議與主控中心通訊，主控中心可以遠程對每一臺無功補償進行遠程配。通訊協(xié)議采用多功能電能表通信規(guī)約(DL/T 645—1997)。

1.9 電源模塊

圖3 電源模塊接入示意圖

由于無功補償控制器工作地點為配電變壓器低壓側(cè)，220 V 工作電源方式一般從A、B、C、N( 中性線) 獲得，見圖3。A、B、C 三相同時通過二極管進行整流，只要任一相有電壓時，裝置即可正常工作，從而提高裝置供電的可靠性。開關電源模塊工作范圍為85 ～265 V。

2 控制策略

2.1 補嘗電容量計算

無功功率補償控制器基本原理是:隨機采集電網(wǎng)的電流和電壓，轉(zhuǎn)化成標準信號后送入單片機。經(jīng)單片機內(nèi)部的A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并計算出電網(wǎng)的功率因數(shù)P 和無功功率Q，根據(jù)裝置設定的目標功率因數(shù)，選擇合適容量的電容進行投切。

具有綜合實時有功、無功及功率因素的無功補償容量計算公式為:

式中:tanψ1、tanψ2分別為補償前后功率因數(shù)角的正切值;P 為當前有功功率值，kW;Qc為補償無功功率值，kVar。

無功補償電容的投切依據(jù)是根據(jù)無功補償計算以公式的計算值與無功補償裝置的最小電容值QT進行比較，根據(jù)比較結(jié)果投入補償電容。

式中:QT為無功補償裝置的最小電容值;K 為可靠系數(shù)，一般取K=0.9。

2.2 補償電容投切方式

2.2.1 自動控制方式

控制器采用自動方式進行控制時，將計算得出的無功功率缺額同電容的容量進行比較，找出最合適的電容投入或切除。目前常用無功補償控制器的電容投切策略有編碼投切法和循環(huán)投切法等; 工程實踐中，最常推薦使用的是循環(huán)投切法。本裝置采用循環(huán)投切法，同時配合先投先切的循環(huán)控制方案，可以保證電容器組工作時間均等，確保各電容器組的投運時間相同，延長補償電容的使用壽命。

2.2.2 手動控制方式

在手動控制方式時，通過菜單可以選擇任一組電容進行投切，此時裝置的自動投切功能暫時關閉，退出手動投切菜單項后，裝置的自動投切補償功能恢復。

2.3 異常情況處理

無功補償裝置在運行中，如遇到電壓過高(1.2 UN) 、電壓過低(0.8 UN) 、總諧波含量過大( ＞20%) 、回路斷相等幾種異常情況下，要求在1 min 內(nèi)順序切除所有電容，確保電網(wǎng)及無功補償裝置的安全運行。

3 軟件設計

無功補償控制器具有數(shù)據(jù)采集、運算控制和執(zhí)行處理功能，集三相電量測量、液晶綜合顯示、諧波分析、越限控制、開關量輸入/輸出( 電容投切) 、事件記錄、負荷監(jiān)控、通信傳輸?shù)裙δ苡谝惑w。針對無功補償裝置軟件的開發(fā)引入了TI 公司的DSP/BIOS 嵌入式多任務實時操作系統(tǒng)內(nèi)核。

3.1 DSP/BIOS 實時多任務系統(tǒng)的特點

DSP/BIOS 的線程共分為4 種:按照優(yōu)先級的順序依次是HWI、SWI、TSK、IDL，其中SWI 有15個優(yōu)先級，TSK 有16個優(yōu)先級。DSP/BIOS 程序執(zhí)行的順序是:源程序中，main()結(jié)束后將會自動進入空轉(zhuǎn)循環(huán)(IDL_loop)，此時如果有TSK 任務，則將按照優(yōu)先級執(zhí)行任務執(zhí)行。DSP/BIOS 任務的切換時間約為11個時鐘周期，即在150 MHz 運行的F28335 系統(tǒng)中，不同任務線程的切換時間僅為11個時鐘，即6.67ns* 11=73.4ns。

3.2 基于DSP/BIOS 的無功補償裝置程序設計框圖

圖4 無功補償裝置程序框圖

3.3 基于消息驅(qū)動的任務線程

DSP/BIOS 是基于優(yōu)先級的搶占式實時內(nèi)核，因此，任務線程的程序設計要充分考慮線程的執(zhí)行時間，執(zhí)行順序及任務的觸發(fā)條件等?？刂蒲b置程序設計中以消息傳遞作為任務順序執(zhí)行的條件，線程運行管理清晰。當任務線程接受到SEM_post( ) 函數(shù)發(fā)送的相關消息時，執(zhí)行相應的線程，執(zhí)行結(jié)束則重新進入消息等待。TSK 任務線程函數(shù)的基本結(jié)構(gòu)如下:

因此DSP/BIOS 程序設計中，靜態(tài)的任務線程結(jié)構(gòu)是無限循環(huán)結(jié)構(gòu)，任務線程的執(zhí)行都是以消息的接收作為依據(jù)的，程序進入消息等待SEM_pend( ) 則交出CPU 的使用權(quán)。

3.4 看門狗函數(shù)的程序設計

F28335 芯片內(nèi)部設計了看門狗軟件復位電路，需要向特定的寄存器連續(xù)寫入0x55 和0xAA 使看門狗復位，否則DSP芯片將被復位重啟。在DSP/BIOS 多任務程序結(jié)構(gòu)中，只需將喂狗代碼放在IDL_LOOP 線程中即可，而不必象傳統(tǒng)的順序結(jié)構(gòu)程序那樣將喂狗代碼寫進每一個運行時間較長的程序片段內(nèi)，但需保證所有線程循環(huán)一次的執(zhí)行時間小于看門狗最長允許時間，即約為250 ms。

4 運行試驗

將無功補償控制器、復合開關、無功補償電容構(gòu)成的無功補償裝置在0.4 kV 低壓配電網(wǎng)掛網(wǎng)運行，電容器為16 組三相△連接，單組容量分別為10 kVar、20 kVar、30 kVar。裝置掛網(wǎng)運行1 a 中，運行效果良好。電容投切過程中，系統(tǒng)運行平穩(wěn)，未發(fā)生電容投切引起的沖擊振蕩，說明系統(tǒng)的跟蹤性能、響應能力達到了設計目標。電容投運后，電網(wǎng)功率因數(shù)補償后提高到合理范圍，相應的負荷電流明顯下降，大大提高了設備利用率，減少了線路損耗。

5 結(jié) 論

1) 從無功補償最優(yōu)控制性能出發(fā)，采用TI 公司的高性能32 位浮點DSP 芯片，結(jié)合嵌入式多任務DSP/BIOS 系統(tǒng)軟件開發(fā)，使得裝置的控制更加快速、智能與靈活，實現(xiàn)了對無功補償電容的精確控制，極大地提高了無功補償裝置的動態(tài)性能和穩(wěn)定水平。

2)無功補償裝置綜合了數(shù)據(jù)采集、分析計算、執(zhí)行輸出、參數(shù)存儲、顯示、通訊等諸多任務功能，各任務之間需要配合協(xié)調(diào)工作，嵌入式DSP/BIOS 多任務實時操作內(nèi)核的引入，使程序結(jié)構(gòu)簡單清晰，極大地縮短了開發(fā)調(diào)試時間。實時多任務操作系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的效率和可靠性，方便程序的維護和升級。

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