基于μC/OS-II嵌入式操作系統的TCSC實驗控制器前置

在復雜的實時系統中,多任務處理是比較關鍵的環節,采用前后臺的單任務控制方式已經不能滿足要求,在高速數據采集系統中RS232明顯是個瓶頸。

本文采用arm處理器技術、嵌入式實時操作系統技術和通用串行總線(USB)技術來完成TCSC實驗系統控制器前置單元的實際開發。 實驗表明,實際系統數據采集速度與設計時預期的結果基本一致,印證了在實時性較強,多任務,需快速傳輸數據的復雜系統中,引入嵌入式操作系統μC/OS-II及USB傳輸方式的優勢和必要性。

可控串聯補償( TCSC) 是柔性交流輸電系統( FACTS)概念提出后的第一個FACTS裝置。 由于TCSC直接串入輸電線路,可以連續、快速、大范圍地調節線路阻抗(本身的阻抗從容性到感性變化) ,和其自身的數據采集與監控( SCADA)系統相配合,可以實現遠方阻抗和功率潮流調節,平息地區性功率振蕩,提高系統暫態穩定性,抑制次同步諧振。 本文通過一個在研項目——福建-華東電網互聯的可控串補研究,詳細介紹了可控串聯補償( TCSC)實驗控制器的前置單元部分設計,以便于為實際決策提供完整、準確的實驗數據。

TCSC的穩態特性分析電路模型

TCSC的基本結構是固定的串補電容C并聯一個由雙向晶閘管(實際也可把兩個單向晶閘管并聯反接在一起)控制的電抗L ,圖1所示為穩態分析用的TCSC模型:

它的運行模式有:

1) 晶閘管截止。 TCSC等同于固定串聯補償。

2) 晶閘管旁路。 在電流正或反方向流過VT時,雙向晶閘管VT分別在180°范圍內全導通,線路電流大部分通過L ,整個TCSC呈現小電抗特性。

3) 容性微調模式。 VT導通角較小,整個TCSC的阻抗呈現大于C本身的容抗特性。

4) 感性微調模式。 VT的導通角較大,整個TCSC的阻抗呈現感性電抗特性。

通過其運行模式可以看出,控制雙向晶閘管VT的導通角可以改變LC環路導通電流,從而可以連續快速調整TCSC阻抗值而達到其控制目的。

實驗控制系統由上位主機和前置控制單元組成,上位機主要負責系統分析,控制算法的確定。 前置單元實現高速數據采集,AD轉換,與上位機快速傳遞數據及觸發可控硅等多項功能。

前置單元的需求分析

前置單元的在整個TCSC實驗控制系統中主要完成以下3項工作。

和上位機的通訊

前置單元通過USB接口和上位機通訊。 這個功能是其它兩個功能的基礎,要實現這一功能,需要設計設備端(前置單元)和主機端(上位機)的USB 軟件,并定義上位機和前置單元間通訊的數據格式。

數據采集

前置單元要采集從電流(電壓)傳感器輸入的三相電流和三相電壓,共六路數據。當上位機需要三相電流電壓數據時,就發送命令給前置單元要求其開始采集數據,并設定所需采樣的周期數。前置單元收到命令后立即開始數據采集,并通過USB把采集的數據按約定的格式送給主機。要實現六路采樣功能,前置單元必須具備采樣保持器、多路選擇器和AD轉換器。

數據采集的速度分析:因為上位機需要對電壓電流信號進行高次諧波分析,所以數據采集的速度必須盡量快。S3C44B0X自帶的AD最高采樣頻率為100 kSPS(10μs一次) ,加上其多路選擇器的切換時間為15μs,實際的最快采樣速度為25 μs一次。這里選擇每0.2 ms對三相電壓和三相電流各采樣一次,即每33μs采樣一個數據。這樣每個周波可以采樣100 次,可以分析到5～7次諧波。

三相晶閘管的觸發控制

上位機計算出合適的晶閘管導通角并通過USB傳給前置單元,前置單元使用此導通角發出晶閘管觸發信號。要實現此功能,前置單元必須具有3路電壓過零監測器和晶閘管觸發電路,如圖2所示。

硬件設計

前置單元硬件電路的核心部分采用51EDA和勤研公司聯合研制的44B0X開發板。 該開發板使用SAMSUMG S3C44B0X處理器,并集成了其它外部設備,主要包括2 MB16 位數據寬度的線性Flash( SST39VF160) , 10M TCP / IP 接口(RTL8019 ) , USBDevice接口( Philip s PD IUSBD12) ,LCD接口, 7路ADC輸入,兩路標準RS232接口等等。此外,根據課題需要在設計中還自行擴展了過零檢測電路,采樣保持電路和可控硅觸發電路。

微處理器SAMSUNG S3C44B0X介紹

這是一款基于ARM7TDM I內核的32位的高性能R ISC處理器。 支持16位Thumb和32位ARM雙指令集,尤其是在使用16位Thumb指令集時仍然享受arm處理器的32位的特性,如32位長的寄存器, 32位的尋址空間等,并且得到更高密度代碼。 此外還集成很多外設,包括8通道ADC,外部存儲器控制器, LCD控制器, 4通道DMA, 71個通用IO口,具有日歷功能的RTC時鐘, 5個PWM定時器,一個內部定時器和一個看門狗定時器,片內鎖相環( PLL)時鐘發生器(最高時鐘頻率66 MHz) , 2 通道異步串口,帶有16 字節F IFO, IIC、IIS總線控制器等等。

USB接口器件PD IUSBD12介紹

這是Philip s公司推出的一款應用廣泛的USB 接口器件,符合USB1.1規范,集成SIE, F IFO存儲器,收發器以及電壓調整器,可與任何外部微控制器或微處理器實現高速并行接口(2 MB / s) ,完全DMA操作,主端點的雙緩沖配置增加了數據吞吐量并輕松實現實時數據傳輸。

電壓過零檢測電路

電壓過零檢測電路由一個電橋,光電隔離及其它器件組成,共3組,兩個74HC14反向門用來將電壓整形為TTL電平,輸入到微處理器S3C44B0X外部中斷端,當電力線電壓變為零時,光電隔離器中發光二極管截止,此時向中斷端輸出高電平脈沖引發中斷。

采樣保持電路

采樣保持器共6 路,其中3 路測電壓, 3 路測電流。采用LF398芯片,它有8個引腳, 1和4腳接電源,范圍為( ±5 ～ ±18) V之間, 3腳為輸入端,接電力線經變壓后的電壓或經電流互感器轉化的電壓, 2腳接1 kΩ電阻,用于調節漂移電壓。7腳接參考電壓, 8 腳接控制信號,控制芯片的采樣保持狀態。在這里通過S3C44B0X的通用I/O 引腳GPF0-5 分別控制6 路采樣保持器的8腳。6腳外接保持電容,這里考慮到實時性的要求,因此選擇較小的電容值,取C1 = 0.001μF,此時采樣時間不超過10μs,同時可以滿足8位的采樣精度。