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、諧波含量等電參數的實時計算，通過綜合分析判斷，控制電容器組的投切而獲得最優的無功補償效果。傳統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( 如UCOS II) 構成，由于ARM 芯片計算能力不強，嵌入式操作系統內核龐大，這樣構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，開發出跟蹤響應速度快、控制效果優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的效果，因此研制高性能無功補償控制一直是各研究機構的研究重點，無功補償裝置的原理框圖和無功補償控制器的硬件結構框圖分別見圖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構框圖

1.2 主控芯片F28335

無功補償裝置的主控芯片采用TI 公司C2000 系列DSP 浮點數字信號處理器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 諧波等大量的數據分析計算都能應付自如。F28335 片內高達的256 K FLASH 和34 K RAM 可以確保程序運行和數據存儲的需要。另外，F28335 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 開發系統，嵌入DSP BIOS5.3.3 多任務實時操作系統編程，使F28335 的程序結構清晰簡潔、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，以及電容器的投、切時間，投、切次數，異常事件記錄等，系統采用一片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 引腳經電平轉換芯片LCX245 后，驅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 系統時鐘

系統時鐘是無功補償裝置的重要組成部分，系統時鐘主要用于電網運行參數記錄時間，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 時鐘芯片作為系統時鐘，該芯片內嵌鋰電池，可確保芯片在外部斷電10 a 的情況下，片內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。通訊協議采用多功能電能表通信規約(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，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:隨機采集電網的電流和電壓，轉化成標準信號后送入單片機。經單片機內部的A/D 轉換器將模擬量轉換成數字信號，并計算出電網的功率因數P 和無功功率Q，根據裝置設定的目標功率因數，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是根據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，根據比較結果投入補償電容。

式中:QT為無功補償裝置的最小電容值;K 為可靠系數，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投切法等; 工程實踐中，最常推薦使用的是循環投切法。本裝置采用循環投切法，同時配合先投先切的循環控制方案，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 內順序切除所有電容，確保電網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據采集、運算控制和執行處理功能，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、負荷監控、通信傳輸等功能于一體。針對無功補償裝置軟件的開發引入了TI 公司的DSP/BIOS 嵌入式多任務實時操作系統內核。

3.1 DSP/BIOS 實時多任務系統的特點

DSP/BIOS 的線程共分為4 種:按照優先級的順序依次是HWI、SWI、TSK、IDL，其中SWI 有15個優先級，TSK 有16個優先級。DSP/BIOS 程序執行的順序是:源程序中，main()結束后將會自動進入空轉循環(IDL_loop)，此時如果有TSK 任務，則將按照優先級執行任務執行。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 基于消息驅動的任務線程

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

因此DSP/BIOS 程序設計中，靜態的任務線程結構是無限循環結構，任務線程的執行都是以消息的接收作為依據的，程序進入消息等待SEM_pend( ) 則交出CPU 的使用權。

3.4 看門狗函數的程序設計

F28335 芯片內部設計了看門狗軟件復位電路，需要向特定的寄存器連續寫入0x55 和0xAA 使看門狗復位，否則DSP芯片將被復位重啟。在DSP/BIOS 多任務程序結構中，只需將喂狗代碼放在IDL_LOOP 線程中即可，而不必象傳統的順序結構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，但需保證所有線程循環一次的執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、無功補償電容構成的無功補償裝置在0.4 kV 低壓配電網掛網運行，電容器為16 組三相△連接，單組容量分別為10 kVar、20 kVar、30 kVar。裝置掛網運行1 a 中，運行效果良好。電容投切過程中，系統運行平穩，未發生電容投切引起的沖擊振蕩，說明系統的跟蹤性能、響應能力達到了設計目標。電容投運后，電網功率因數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 論

1) 從無功補償最優控制性能出發，采用TI 公司的高性能32 位浮點DSP 芯片，結合嵌入式多任務DSP/BIOS 系統軟件開發，使得裝置的控制更加快速、智能與靈活，實現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性能和穩定水平。

2)無功補償裝置綜合了數據采集、分析計算、執行輸出、參數存儲、顯示、通訊等諸多任務功能，各任務之間需要配合協調工作，嵌入式DSP/BIOS 多任務實時操作內核的引入，使程序結構簡單清晰，極大地縮短了開發調試時間。實時多任務操作系統提高了系統的效率和可靠性，方便程序的維護和升級。

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