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静止同步补偿器控制器开发 摘要 无功功率是电网运行的一个重要参数。电网中无功功率不平衡会降低电网功 率因数和电网传输能力。因此，无功补偿装置对电力系统十分重要，对它的研究 与应用也一直是相关学科研究的热点。传统的无功补偿设备由于控制器运算能力 有限，难以实时、有效地分析电网信号，影响了补偿效果。 本文分析了静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) 的基本工作原理，比较了各种无功补偿算法的优缺点；然后介绍了嵌入式实时操 作系统的相关概念，并从理论和实用的角度分析了嵌入式系统，设计了一种基于 a r m 和d s p 的新型低压智能静止无功同步补偿器控制器。 在硬件设计方面，设计了3 2 位高性能n x pl p c 2 2 1 4 作为控制核心，t i t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为运算核心的s t a t c o m 系统，扩展了片外外设f l a s h 存储 器、s r a m 静态存储器、u s b 通信接口和串行通信接口等。 在软件设计方面，基于a r m 软件开发平台a d s l 2 ，讨论了基于嵌入式实 时操作系统i i c o s i i 的s t a t c o m 控制器的软件实现。详细叙述了p c o s i i 在 l p c 2 2 1 4 平台的移植和任务划分。根据操作系统软件设计的思想，设计了硬件驱 动和任务级应用程序。同时，设计了基于l p c 2 2 1 4i a p 功能的软件升级应用程 序，并在硬件平台上验证了程序的正确性。此外，为了扩展s t a t c o m 控制器的 通信能力，设计了基于n x pl p c 2 1 3 4 和s i e m e n sm c 3 9 i 的通用g p r s d t u ( g p r s d a t at r a n s f e ru n i t ，g p r s 数据传输单元) 。软硬件调试结果表明，基于a r m 和 d s p 多处理器结构的s t a t c o m 控制器具有良好的可扩展性和实用性。设计成 果为进一步研究s t a t c o m 系统及其控制算法奠定了坚实的基础。 关键词：静止无功同步补偿器，a r m ，d s p ，嵌入式操作系统，p c o s i i d e v e l o p m e n to fs t a t c o mc o n t r o l l e r a b s t r a c t r e a c t i v ep o w e ri sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e rf o r t h er u n n i n go fe l e c t r i c a ln e t w o r k t h ei m b a l a n c eo fe l e c t r i c a ln e t w o r kr e a c t i v ep o w e rc a u s e st h ef a l lo fp o w e rf a c t o r a n dt h ec a p a b i l i t yo fe l e c t r i c a ln e t w o r kt r a n s m i s s i o n t h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n s a b o u tr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o ra r ea l w a y st h ef o c u so fr e l a t i v ei n t e r d i s c i p l i n a r y s t u d y t h ep r e v i o u sr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o ro w e si t sl i m i t so nt h ee f f e c to f c o m p e n s a t i o nf o rt h ep r o c e s s i n gc a p a c i t yo ft r a d i t i o n a lc o n t r o l l e rw h i c hi s n o t e f f e c t i v ew h e na n a l y z i n gt h er e a l t i m es i g n a l t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e d o p e r a t i o n a lp r i n c i p l e o fs t a t c o ma n dt h e c o m p a r i s o na m o n gk i n d so fr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na r i t h m e t i c t h e nt h e r e l a t i v ec o n c e p t i o n so fe m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e d l a s t ，t h e d i s s e r t a t i o nf o r w a r d san e wr e a l i z a t i o no fs t a t c o mc o n t r o l l e rw i t ha r mc o n t r o l l e r a n dd s p p r o c e s s o ra c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n dp r a c t i c a b i l i t yo fe m b e d d e ds y s t e m i ns t a t c o mh a r d w a r ed e s i g n 3 2b i th i g hp e r f o r m a n c ea r mc o n t r o l l e rn x p l p c 2 214w o r k sa st h ec o r ec o n t r o l l e r , w h i l et h e3 2b i td i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rt i t m $ 3 2 0 f 2 812w o r k sa st h ec o r ea r i t h m e t i cp r o c e s s o r t h ed i s s e r t a t i o nd i s c u s s e st h e e x t e r n a li n t e r f a c e c i r c u i t s ，i n c l u d i n gf l a s h ，s r a m ，u s ba n du a r ts e r i a l c o m m u n i c a t i n gp o r t ，e t c 蚴e nr e f e r r i n gt ot h es o f t w a r ed e s i g n 。t h ed i s s e r t a t i o ne x p a t i a r e so nt h es o f t w a r e d e v e l o p i n go fs t a t c o mc o n t r o l l e ro nt h eb a s i so fa r md e v e l o p m e n tp l a t f o r m a d s1 2a n de m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e ml x c o s i i e s p e c i a l l y , p o r t i n g g c o s i it ol p c 2 2 14 t a s k sp a r t i t i o n i n ga r ed e s c r i b e di nd e t a i l t h eh a r d w a r ed r i v e r s a n dt h et a s k l e v e l a p p l i c a t i o n sa r ed e s i g n e da c c o r d i n gt os o f t w a r es t r u c t u r e o f o p e r a t i n gs y s t e m b e s i d e s ，s o f t w a r eu p g r a d i n ga p p l i c a t i o nb a s e do nl p c 2 2 14i a p f u n c t i o ni sr e a l i z e d ，a n dt h ec o r r e c t n e s si sv e r i f i e do nt h eh a r d w a r ep l a t f o r i l l f u r t h e r m o r e ，ag e n e r a lg p r s - d t u ( g p r sd a t at r a n s f e ru n i t ) b a s e do nl p c 213 4 a n ds i e m e n sm c 3 9 ii sr e a l i z e df o re x t e n d i n gt h ec o m m u n i c a t i o nc a p a c i t yo ft h e s t a t c o mc o n t r o l l e r t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e b u g g i n gr e s u l t ss h o wt h a tt h e m u l t i p l e p r o c e s s o r sr e a l i z a t i o no fs t a t c o mc o n t r o l l e ri sg r e a t l ye x p a n s i v ea n d p r a c t i c a b a l e t h ea c h i e v e m e n tc o n t r i b u t e sal o tt ot h ef u t u r er e s e a r c ho fs t a t c o m s y s t e ma n di t sr e l a t i v ec o n t r o l l i n ga r i t h m e t i c k e y w o r d s ：s t a t c o m ，a r m ，d s p , e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，l x c o s i i i l 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 敝作者签名：专锄 加罗年多月岁夕日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 龆即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 敝作者虢毒包1 导师躲、。夕年护厂月岁口日 静止同步补偿器控制器开裳 致谢 通过不懈的努力，终于完成了我的硕士研究生毕业论文。在三年的研究生学习期间， 很多人给予了我许多的帮助和鼓励，在本文完成之际，我在此衷心地感谢他们。 首先，我要感谢我的导师何小阳副教授。何老师以他渊博的知识、严谨的科学风范、 认真的做事风格和对学生的悉心关怀与指导深深地影响了我，使我受益终生。同时，感 谢姚普粮高工，感谢他对我的鼓励、支持和帮助，感谢姚老师为我这几年的学习和实习 提供了良好的环境和机会。在此，我向何老师和姚老师表示诚挚的谢意! 感谢我的好友李源源、叶高生、何伟强、实验室的同门和师兄师弟们，关于论文的 方向，他们给我提供了很多宝贵的建议。正是在与这些好友的支持与鼓励，我才能克服 开发工作和论文编写过程中的困难。 感谢和我一起度过充实、快乐的研究生生活的同学们，谢谢你们平时对我的帮助。 深深感谢我的家人，我的每一点进步都有你们的默默地支持和鼓励! 谢谢你们在我 求学道路上不停地支持我，鼓励我! 最后，感谢为评阅本文付出辛勤劳动的所有专家! 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任 何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。 5 2 广西大学硕士学位论文 静止j a l 步补偿器控制器开发 1 1 课题背景及意义 第一章静止同步补偿器概述 中国电网建设和运行中，快速响应的无功设备不多及可调节的无功容量不足是长期 存在的问题。近年来，随着大功率非线性负荷的不断增多，负荷对电网的冲击以及谐波 污染呈不断上升的趋势，无功调节手段的缺乏造成了电网母线电压变动大、电网损耗增 加和电网传输能力下降。此外，随着电网不断发展，电网系统的稳定性问题显得越来越 重要。电网的动态稳定性与快速无功调节器性能有关，电网电压稳定性与无功功率快速、 有效提供有关【l 】。 静止无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) ，目f ； 应用比较广泛。虽然通 过采用先进的智能控制方法可以得到较佳的补偿性能，但s v c 自身损耗大，谐波较多。 相比于s v c ，静止同步补偿器( s t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) 由于响 应快、谐波少、能有效地调节电网无功功率平衡，并网运行后改善电网电能质量的效果 更佳，目前已成为无功补偿技术的研究热点和未来发展方向1 2 j 。 1 2 国内外发展现状 静止同步补偿器，又称s v g ( s t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 、a s v g ( a d v a n c e ds t a t i cv a r g e n e r a t o r ) 或a s v c ( a d v a n c e ds t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) ，在欧洲习惯称为s v g 或a s v g 。 1 9 9 5 年电力、电子工程师学会与国际高压大电网会议建议采用静止同步补偿器( s t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ，s t a t c o m ) 【3 1 。 2 0 世纪8 0 年代出现了基于变流器的无功补偿装置，其典型的代表是s t a t c o m 。 相比于以往呈阻抗特性的无功补偿装置，基于交流器的无功补偿装置完全可控、工作范 围大、调节速度快，在交流系统电压较低时依然具有良好的无功调节特性【lj ，这些优点 使得基于变流器的无功补偿装置在工程实际中得到了广泛地应用，越来越多的学者开始 研究相关的先进控制算法，这也带动了s t a t c o m 装置的发展。 日本三菱公司和关西电力公司于1 9 8 0 年开发出第一台基于变流器的2 0 mv a r 容量 s t a t c o m 3 。2 0 世纪9 0 年代以来，s t a t c o m 装置在输配电系统中获得了越来越广 泛的应用。目前日本三菱公司、瑞士a b b 公司、德国西门子公司、法国阿尔斯通公司 和美国g e 公司等都推出了s t a t c o m 装割引。我国投入电网运行的首台s t a t c o m 装 置是河南电力局和清华大学共同研制的2 0 mv a rs t a t c o m ，该装置1 9 9 9 年3 月在洛 阳朝阳变电站成功并入电网【4 1 ，标志着我国的s t a t c o m 研究的阶段性成功和电力技术 发展进入了一个新阶段。在这之后，国家电力公司南京自动化研究院也成功研发了 5 0 0 kv a ts t a t c o m t ) j 。 广西大掌硕士学位论文 静d z 同步补偿器控制器开发 s v c 装置呈恒阻抗特性，因此在电网电压降低时，s v c 无法提供电网所需的无功 支持。此外s v c 应付电网突发事件的能力较弱，过多的s v c 并网运行容易引起电网系 统振荡【2 l 。s t a t c o m 具有恒流源特性，在很大电压变化范围内其无功电流输出可保持 恒定，所以当电网电压降低时，s t a t c o m 仍能提供较强的无功功率支持，并可从电感 性到电容性全范围内连续调节【6 】。相比于s v c 装置，s t a t c o m 无功调节能力强、无功 调节速度快、谐波电流小、抑制电压闪变能力强，很大程度上提高了电网系统的暂态稳 定水平。 s t a t c o m 主要有单相桥二电平、三相桥二电平以及三相桥三电平三种主要结构。 目获得前最广泛应用的逆变器结构是三电平逆变器【7 j 。 开关器件的容量限制了s t a c o m 的容量。多个逆变器组合成多重化结构、多级并 联逆变器结构或多电平结构可以有效地扩大s t a t c o m 的无功补偿容量【8 】。基于多重化 多电平结构的s t a t c o m 作为真正意义上的无功发生器，并不具备s v c 能在系统不平 衡情况下运行的能力，更不具备平衡三相的功制6 1 。这是s t a t c o m 技术在电网中应用 的致命不足，也是s t a t c o m 未能广泛推广应用的主要技术原因。为此学者和相关研究 机构一直致力在电路拓扑结构上寻找新的方式，以促进s t a t c o m 技术的发展和应用。 多重化的结构提高了s t a t c o m 的容量，减少了输出电流和输出电压的谐波【9 】。常 用的多重化结构有等相位角差结构和不同相角差结构两种。日本三菱公司制造的安装在 犬山开关站的8 0 mv a rs t a t c o m 和河南孟砦变电站的3 0 0 kv a rs t a t c o m 均采用了多 重化结构【9 j 。因为电力变压器成本高、体积大、损耗大，所以在大功率场合多重化逆变 器方案使用不多。 多级并联逆变器结构可灵活配置s t a t c o m 装置的容量。多个小容量s t a t c o m 并联运行，提高了系统的可靠性和可维护性。但是多级并联逆变器结构主要面临三个技 术难点：l 、多个s t a t c o m 控制电路的电压同步信号的获取；2 、各个s t a t c o m 装 置的稳态均流和动态均流；3 、少量s t a t c o m 装置发生故障时如何进行有效地热切换。 这三个难点阻碍了多级并联逆变器结构在实际工程中的应用。在工程实践中，根据 s t a t c o m 装置的电压无功特性和各个s t a t c o m 装置的额定无功容量来动态调整负 荷量，以实现多个s t a t c o m 装置协调工作，达到了提高无功补偿可靠性的目的【1 0 l 。 多电平逆变器能有效地减少谐波含量。由于多电平逆变器结构中功率开关器件上电 压应力低，而且开关器件一次动作速率快，所以减轻了电磁干扰的影响。当开关器件以 较低的频率进行开关动作时，损耗减少，效率得到了较大的提升【l 。鉴于这些优点，多 电平逆变器在高电压大功率s t a t c o m 场合具有广泛的应用前景。目前在工程实践中应 用较多的也是多电平逆变器结构。 电网中谐波的存在使得电网功率在一个周期内波动很大，实现s t a t c o m 装置快速 无功补偿功能的前提是快速地检测出无功电流和有功电流。检测无功电流用于产生所需 的无功补偿电流，检测有功电流用于补偿有功损耗。传统的有功功率、无功功率是定义 2 广西大掌硕士掌位论文 静止同步补偿器控制器开发 在平均值基础上的，三相瞬时无功理论( i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ) 为 s t a t c o m 中无功电流、有功电流、功率因数、和无功功率等电气参量计算提供了理论 基础。1 9 8 3 年日本学者赤木泰文提出的将三相瞬时电流分解成有功电流和无功电流的 p q 分解法被广泛应用【1 2 】。p q 分解法是在三相无中线的情况下，将三相电流和电压经0 【b 正交变换成两相，再通过从( i t d 到a b c 坐标的转换即可得到a b c 三相坐标下的各相瞬时 无功电流分量。此外，d q 矢量变换控制法也是种快速有效的检测方法【1 3 】。 改变补偿电流的参考值可以调节s t a t c o m 产生的无功电流的大小和相位【6 1 。在实 际应用中采用的电流控制方法主要有直接电流控制和间接电流控制。顾名思义，直接电 流控制是采用输出反馈直接控制无功电流的瞬时值【6 ，1 4 】；而间接电流控制则通过调节逆 变器上电压基波的幅值和相位，从改变无功电流的幅值和相位【6 , 1 5 1 。一般来说，直接电 流控制法对s t a t c o m 系统中的开关器件的开关频率有较高的要求，并不适合大功率 s t a t c o m 应用场合。 多重化、多电平结构主要采用正弦载波p w m 、和空间矢量p w m 以及选择性谐波 消除p w m 等控制方法【l6 1 。相比于其他方法，空间矢量p w m 方法电压调制比高、中点 电压易控、开关次数相对少【l7 1 ，因此受到更加普遍的应用。但由于空间矢量p w m 技术 上的复杂性，目前国内这方面的应用还不多见。 微电子集成技术的快速发展以及微处理器功能的日益强大，使得s t a t c o m 控制器 的硬件实现越来越方便。d s p 数字信号处理器具有强大的数学运算能力并能兼顾运算的 快速性，目前，s t a t c o m 控制器多采用d s p 为运算核心，由复杂可编程逻辑器件 ( c o m p l e xp r o g r a ml o g i cd e v i c e ，c p l d ) 实现触发控n 器f 1 8 1 ，采用单处理器或多处理 器结构，实时采集电网电压、电流信号，实现对瞬时有功、瞬时无功等电气量的实时高 精度的计算，并采用先进的控制算法补偿电网无功功率，提高了功率因数和电网传输能 力，降低了系统的硬件设计复杂程度【1 9 ，2 0 ，2 。在多处理器结构中，由d s p 进行电网数据 实时采集和电气参量计算；通用微处理器进行外围电路控制、人机接口控制、通信接口 控制等。利用d s p 微处理器，采用瞬时无功算法和p w m 控制相结合的方法来控制 s t a t c o m 主电路电力半导体器件的通断，取代以往的多重化和多电平技术，不仅可以 抑制交流测电流谐波，同时也能降低系统的复杂程度，提高控制的可靠性和精度【2 引。 基于集成门极换向型晶闸管( i n t e g r a t e dg a t ec o m m u t a t e dt h y r i s t o r ，i g c t ) 的10 0 m v a rs t a t c o m 已投入商业运行多年【2 引。目前在绝缘栅双极晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a r t r a n s i s t o r ，i g b t ) 和i g c t 的基础上发展的新一代大功率器件电子注入增强门极晶 体管( i n j e c t i o ne n h a n c e dg a t et r a n s i s t o r ，i e g t ) 已进入实用阶段。 电压型逆变器( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ，v s i ) 采用电容作为储能元件，而电流型逆 变器( c u r r e n ts o u r c ei n v e r t e r ，c s i ) 采用电感作为储能元件。相比于v s i ，c s i 的储能 效率更高。但c s i 的直流测电感上始终有电流流过，该电流在电感的内阻上会产生较大 的损耗；此外，常见的电力能源都是电压源，所以现在工程应用中s t a t c o m 基本采用 广西大掌硕士掌位论文静止同步补偿器控制器开发 v s i 结构。随着科技的进步，尤其是高温超导技术的发展，基于c s i 的s t a t c o m 装置 具有广泛的应用前景【2 4 1 。 提供快速无功补偿功能的并联补偿装置在增强电力系统安全稳定性方面发挥了不 可替代的重要作用，用于输配电系统的并联补偿s t a t c o m 装置将获得广泛的应用。 s t a t c o m 作为一种新型的无功功率补偿调节装置，已经成为国内外电力系统行业的重 点研究方向1 2 引。 1 3 静止同步补偿器典型结构 s t a t c o m 是一个复杂的电气系统，主要由变流器、检测电路、控制器、驱动电路 和保护电路等组成1 2 引，其系统框图如图1 1 所示。变流器是s t a t c o m 系统中的最核心 器件，其电路结构一般根据设计容量和电压等级确定。检测电路中的电压互感器、电路 互感器将电网和s t a t c o m 输出的电压、电流输送到检测运算电路，检测运算电路按给 定的算法计算出所需要的指令信号传送到控制器中。控制器根据给定的控制策略对从检 测环节输送过来的指令信号进行处理，产生触发变流器门级的驱动信号传送到驱动电 路。驱动电路对控制器发送的驱动信号进行功率放大，然后控制变流器的导通与截止， 完成对s t a t c o m 的控制。保护电路是保障s t a t c o m 正常工作的必要部件。构成 s t a t c o m 的每一个环节都是必不可少的，在设计时需要统筹考虑。 1 4 本论文的主要工作 图1 1s t a t c o m 系统构成图 f i g l 一1b l o c kd i a 黟a mo fs t a t c o m 本文从系统设计、硬件设计和软件设计三个方面讨论静止无功同步补偿器控制器的 设计，并对设计过程中的几个关键性问题进行了重点论述。本文完成的主要工作如下： l 、针对以往s t a t c o m 控制器多用8 位单片机作为主处理器，处理器速度和代码 4 广西大学硕士学位论文静止同步补偿器控制器开发 量有较大限制的问题，本文设计的s t a t c o m 控制器采用n x p 公司推出的a r m 7 处理 器l p c 2 2 1 4 为核心，围绕它设计低压无功补偿系统，包括控制器部分的硬件设计，以 满足s t a t c o m 系统对可靠性和快速性的要求。 2 、针对以往s t a t c o m 控制器软件设计多采用前后台系统，程序升级困难，实时 性较差等缺点，s t a t c o m 控制器的软件设计采用了嵌入式实时多任务操作系统 i - t c o s i i ，模块化软件设计过程，提高了开发效率，增强了软件系统的实时性和可靠性。 3 、现有的无功补偿设备大部分需要人力手工去现场抄取数据，耗时耗力，无法和 电力监控系统形成一个实时通信网络。本文设计了一套基于l p c 2 1 3 4 和m c 3 9 i 的通用 g p r s d t u ，满足s t a t c o m 控制器通过g p r s 网络无线传输数据的要求，减少了人工 抄表带来的滞后和差错，提高了数据传输的实时性和安全性，方便了电力部门的管理。 最后对全文进行总结，在目前研究的基础上，讨论了所开发的s t a t c o m 控制器需 要改进的方面。 静止同步补偿器控制器开发 第二章嵌入式实时操作系统 实时系统是有一定时间约束的计算机系统。在实时系统中使用的满足实时性要求的 操作系统称为实时操作系统( r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 1 2 7 。 实时系统的逻辑和控制时序出现偏差，会导致系统无法按照预期工作，甚至会引起 严重后果( 比如飞行器自动驾驶系统) 。实时系统分为软实时系统和硬实时系统，两者 的区别主要是在调度算法上的选择【27 1 。在软实时系统中，任务执行的时间限制是灵活的， 可以容忍任务执行偶尔超时，造成的后果不严重，仅仅轻微地降低了系统的吞吐量。软 实时系统中各任务运行得越快越好，并不限定任务必须在多长时间内完成。硬实时系统 中任务有一个不可改变的运行时间限制，它要求所有任务在指定的时间内完成，不允许 任何超时错误。硬实时系统中任务运行超时会导致系统崩溃而无法实现系统预期目标。 大多数实时系统是硬实时系统和软实时系统的结合。 多数实时系统是嵌入式的，一般称为嵌入式系统。嵌入式系统面向具体应用，软件 硬件可裁剪、功能性强、可靠性高，功耗低。一个典型的嵌入式系统由微处理器、接口 电路、外设、嵌入式操作系统和应用软件组成【2 引。嵌入式系统的硬件部分包括微处理器、 外部存储器、接口电路和外设；软件部分包括操作系统和应用程序。应用程序完成具体 功能，而操作系统为应用程序和硬件设备之间提供操作接口和相应的内核服务。使用操 作系统可有效地缩短应用程序开发周期。 嵌入式系统的应用很广泛，几乎包括了日常生活和工业生产中的所有电器设备，如 消费电子产品、银行a t m 设备、工业仪器等。 2 1 嵌入式实时操作系统 2 1 1 嵌入式实时操作系统简介 嵌入式实时操作系统是嵌入式系统的操作系统软件，它是嵌入式系统的软件组成部 分，通常包括硬件驱动程序、操作系统内核服务、通信协议、图形用户界面( g r a p h i cu s e r i n t e r f a c e ，g u i ) 和文件系统等。嵌入式实时操作系统的主要任务是提高处理器的使用 效率，以满足系统实时性的要求。嵌入式实时操作系统一般提供了任务管理、任务调度、 信号量、资源互斥管理、时钟管理和内存管理等功能，有些商业操作系统还集成了g u i 、 文件系统和t c p i p 网络通信协议等。 在前后台系统中主要由应用程序和中断服务程序的配合来保证实时性。在使用操作 系统的情况下，操作系统的性能极大程度上决定了系统的实时性。在工程实践中使用的 性能优秀的各种实时操作系统一般具有如下4 个特点【2 8 】： 1 r t o s 支持多任务。多任务特性使任务管理和多任务调度透明化，开发人员无需 6 广西大学硕士掌位论文静止j - a l 步补偿器控制器开发 关注任务管理过程，提高了开发效率，缩短了开发周期。 2 r t o s 是可剥夺型内核。可剥夺型内核允许高优先级任务打断低优先级任务的执 行，能在预知的时间阈度内及时响应系统关键操作，提高了实时响应性。 3 r t o s 的任务切换时间与任务个数无关且可预知。一个优秀内核的任务切换时间 应该与操作系统的调度算法和处理器的性能息息相关，而与创建的任务个数无关。任务 的个数并不影响操作系统调度任务所花费的时间。 4 内核提供的服务( 如信号量、互斥、队列等) 花费的时间以及中断服务程序的最 大切换时间短且可预知。在嵌入式系统实际运行中，关键性的系统操作是通过中断来完 成的，所以中断服务程序的切换时间是内核切换时间中最重要的一个参数。 2 1 2 嵌入式实时操作系统的选择 目前，市场上存在很多性能优秀的商业内核。如m i c r o s o f t 公司的w i n c e 、w i n dr i v e r s y s t e m 公司的v x w o r k s 和i s i 公司的p s o s 等，其中v x w o r k s 是当前嵌入式系统领域 中使用最广泛、市场占有率最高的操作系统。这类商业内核性能优越，但是价格昂贵。 除了商用内核之外，在工程应用中被广泛使用的还有基于l i n u x 的实时操作系统 ( i t c l i n u x 、r t l i n u x 和a r m l i n u x 等) 、j e a nj l a b r o s s e 开发的l x c o s - i i 、c y g n u s 的 e c o s 等一些开放源码的免费内核【2 8 】。 在设计嵌入式产品时，嵌入式操作系统的选择至关重要。一般而言，要选择一个合 适的操作系统，必须统筹考虑软件开发周期、操作系统移植的难易度、操作系统的使用 付费成本等因素。 2 2l a c o s i i 操作系统简介 p c o s i i 是美国工程师j e a nj l a b r o s s e 开发的源码开放的免费嵌入式实时操作系 统。l x c o s i i 内核提供任务管理、共享资源互斥、消息队列、邮箱服务、信号量和内存 管理等功能。l x c o s i i 是可剥夺型内核，调度算法优秀，实时性表现优秀，通过了美国 航空管理局的认证，可以用于例如飞行器的安全紧要系统上【2 9 j 。此外，i - t c o s i i 的开发 者还提供了非免费的文件系统l a c f s 和图形系统i a c g u i ，使用配套的文件系统和图形 系统需要向开发者支付一定的许可费用。但是，暂时还没有基于i t c o s i i 的t c p i p 协 议，这使得在开发网络化产品上i - t c o s i i 相比于其他嵌入式操作系统并不占优势。 i t c o s i i 绝大部分的代码是用a n s i 的c 语言编写的，包含一小部分汇编代码，使 之可供不同架构的微处理器使用。至今，i t c o s i i 已在4 0 种以上不同架构的微处理器 上运行。p c o s i i 已经在世界范围内得到广泛应用，包括很多领域， 如手机、路由器、 集线器、不间断电源、飞行器、医疗设备及工业控制上。 i a c o s i i 具有如下4 个特点1 2 9 j ： 7 广西大掌硕士学位论文静止同步补偿器控制器开发 l 、i - t c o s i i 是源码公开的实时内核。在非商业应用中，它是免费的；当在商业产 品中使用r t c o s i i 时，仅需要向作者j e a nj l a b r o s s e 支付少量的许可费用。相比于市场 上其他一些昂贵的商业内核，其成本优势不言而喻。但是，l x c o s i i 缺乏必要的支持， 没有建立完整的驱动程序库，也缺乏t c p i p 协议支持，开发网络化的产品时软件设计 周期较长。 2 、i t c o s i i 是一个可剥夺型内核。该特性使得已就绪的高优先级任务可以打断正 在运行的低优先级任务，抢占处理器的使用权。i ，t c o s i i 的任务调度算法优秀，任务切 换时间仅与处理器运行速度相关，实时性强。 3 、r t c o s i i 是基于优先级的实时操作系统，其任务的优先级各不相同。在开发应 用软件的过程中，可以将关键性任务设置为高优先级，使得处理器有更多机会调度到高 优先级任务，保证了实时性。 4 、l x c o s i i 对共享资源提供了保护机制。p , c o s i i 是支持多任务的操作系统，在软 件设计时可以把一个完整的应用划分成几个任务，不同的任务执行不同的功能。各任务 在执行过程中都可能向内核申请共享资源( 比如串行口) 的使用权，如果没有一种机制 保证共享资源不被滥用，内核在实际运行过程中会出现一些不可预知的错误。i _ t c o s i i 对于共享资源提供了信号量和互斥两种内核服务，保证了共享资源在释放后才能被另一 个任务使用。 2 3p c o s i i 操作系统的移植 l x c o s i i 是可移植、可剪裁的实时多任务内核，它仅有5 左右的汇编移植代码， 其他提供内核服务和任务调度的代码均使用a n s ic 编写。至今i 上c o s i i 已在4 0 种以 上不同架构的处理器上运行。 2 3 1u c o s i i 的移植条件 因为不同厂家的处理器往往架构不一样，所以需要对操作系统进行移植，使其能在 不同架构的微处理器或微控制器上运行。大部分i r t c o s i i 的代码是用c 语言编写的， 但是在编写与处理器硬件相关的代码时还是不得不使用汇编语言。移植的主要工作就是 编写与处理器架构相关的代码。 移植 t c o s i i 要求处理器及相应的编译器具有如下5 个条件【2 9 】： 1 、处理器所用的编译器支持可重入函数( r e e n t r a n c yf u n c t i o n ) 。一个函数在运行 过程中可能会因为产生了中断而被抢占处理器的使用权或主动交出处理器的使用权，可 重入特性保证了函数在任意时候都能被打断，重新进入函数后不用担心函数的内部数据 被其他代码所破坏。目前，几乎所有的编译器都支持产生可重入代码。 2 、使用c 语言可以打开中断和关闭中断。i - t c o s i i 定义了两个宏( m a c r o ) 8 广西大掌硕士掌位论文静止同步补偿器控制器开z l t c o se n t e rc r i t i c a l ( 进入临界区，关中断) 和o se x i tc r i t i c a l ( 退出临界区， 开中断) ，在宏观上统一了开关中断使用的函数。在移植时仅仅需要在实现细节上修改 o se n t e rc r i t i c a l 和o se x i tc r i t i c a l ，以避免不同处理器和编译器使用不同 的方法来开关中断所带来的内核难以移植的问题。 3 、处理器支持中断，且能产生定时中断。操作系统内核需要时钟节拍( t i m et i c k ) 来完成任务调度。时钟节拍相当于r t o s 的“心跳”，没有定时中断，物理上无法实现时 钟节拍，也就无法执行操作系统内核提供的各种服务。 4 、处理器支持堆栈。 5 、处理器有将处理器寄存器和处理器状态字保存到堆栈和从堆栈读出的汇编指令。 图2 1 说明了i _ t c o s i i 的结构以及它与硬件的关系。 f i g2 1i t c o s - 1 1h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r c h i t e c t u r e 2 3 2p , c o s i i 的移植步骤 如果理解了处理器、编译器技术细节和i t c o s i i 软件结构，移植l x c o s i i 的工作遵 照一定的要求和步骤就可以完成。前提是处理器和编译器满足了j - t c o s i i 的要求，并且 已经有了必要的工具。移植工作包括以下几个内容： 1 、在o s c p u h 中定义处理器堆栈生长方向和处理器开关中断的方式。 2 、在o sc p u h 中定义与处理器架构相关的“c o s i i 中统一的数据类型。 9 静止j a l 步补偿器控制器开发 3 、在o sc p u h 中定义三个宏，它们提供了c 语言和汇编语言之间的接口，分别 是o se x i tc r i t i c a l ( 允许中断) 、o se n t e rc r i t i c a l ( 禁止中断) 和 o st a s ks w ( 任务级任务切换) 。 4 、在o sc p uc c 中使用c 语言按照一定的原则编写任务堆栈初始化函数，并实 现9 个空的c 钩子函数( h o o kf u n c t i o n ) 。 5 、在o sc p ua a s m 中使用汇编语言编写任务切换代码，包括i r q 中断服务函 数、f i q 中断服务函数、s w i 中断服务函数、任务及任务切换函数和中断级任务切换函 数。 代码移植结束后的下一步就是测试工作。i _ t c o s i i 在不新建任何应用任务的情况 下，可以根据空闲任务来测试内核的工作情况。空闲任务是由内核创建的，它在实际运 行中没有任何功能，仅仅实现一个3 2 位的变量的自增操作。若在测试过程中出现了错 误，可以确定故障是由于内核移植不正确所引起的，这种测试方法在内核移植不正确的 情况下方便了开发人员修改移植代码。一旦i - t c o s i i 测试正常，就可以根据系统的功能 来添加相关的应用程序。 2 4 本章小结 在本章中介绍了嵌入式实时系统的概念，然后讨论了应用嵌入式实时操作系统的特 点和如何选择合适的操作系统。在此基础上，介绍了源码公开的嵌入式实时操作系统 g c o s i i 的特点，说明了g c o s i i 的移植条件和移植思路。 1 0 广西大学硕士掌位论文 静止同步补偿器控制器开发 第三章静止同步补偿器控制器硬件设计 目前市场上的无功补偿设备控制器多采用8 位或1 6 位单片机作为处理器。受到处理 器本身功能的限制，此类无功补偿设备往往只能用于无功补偿动态响应速度不高的场 合，无法在保证补偿速度的前提下实现电网各种参数的实时检测。为此，本章给出了一 种基于a r m 和d s p 的智能静止无功同步补偿器控制器的设计方案，该方案采用3 2 位 高性能n x pl p c 2 2 1 4 作为控制核心，t it m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为运算核心，实时跟踪检测电 网的无功功率和电压变化，实现无功功率