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基于μC/OS-II+NiosII的电力谐波分析仪的研究

张文婷1,宋泽琳2,马令坤2

 

近年来,随着电力电子技术的快速发展,各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛,加之随着高压直流输电技术的应用和整流器、变频调速器等大量非线性负载的使用,使电网中产生了大量的高次谐波,造成了电压电流波形发生严重的畸变。当电网中存在的谐波成分超过限制标准时,将严重影响电力系统和用电设备运行的安全性、可靠性、稳定性和经济性,同时也严重污染了周围的电气环境。而关于谐波的问题涉及许多方面,其中谐波检测是谐波问题的一个重要分支,也是解决其他谐波问题的重要前提[1]。因此,对于谐波分析装置的研究对谐波污染的治理具有重要的意义。
目前,在对电网的谐波进行在线检测和分析时,常采用采样数字式分析装置,在其系统软件设计中,多采用单任务无顺序机制。这种机制使系统的安全性得不到完全保证,常常出现安全性差的问题[2]。而这个问题对于稳定性、实时性、准确性、快速性要求很高的谐波分析装置来说是不允许的。因此,在系统设计中,引入具有强实时性和抢占式多任务的嵌入式操作系统μC/OS-II作为操作平台,可以使系统的稳定性有很大的改善,使应用程序模块化,从而提高代码的可读性、可扩展性和可移植性,加快了程序开发的速度[3]。
本文分析了电力系统谐波测量要求以及μC/OS-II在NiosII上的移植来实现精确的谐波检测。
1系统设计
1.1μC/OS-II实时操作系统简介
μC/OS-II是基于优先级的抢占式实时多任务内核,优先级算法效率高,任务切换速度快,其性能与其他商业内核类似,其特点与优势可以概括为以下几个方面[4]:
(1)公开源代码:源代码清晰易读且结构协调,注解详尽,组织有序。
(2)可移植性:μC/OS-II源码绝大部分是用移植性很强的ANSIC编写的,而与微处理器硬件相关部分则采用汇编语言编写,并且压到了最低限度。只要该处理器有堆栈指针,有CPU内部寄存器入栈出栈指令就可以移植μC/OS-II。
(3)可裁剪:可以只使用μC/OS-II中应用程序需要的那些系统服务。这种可裁剪性是靠条件编译实现的。
(4)占先式:μC/OS-II完全是占先式实时内核,即总是运行就绪条件下优先级最高的任务。
(5)多任务:可以管理64个任务,但系统保留了8个任务,应用程序最多可以有56个任务。赋予每个任务的优先级必须是不相同的。
(6)可确定性:全部μC/OS-II的函数调用和服务的执行时间具有可确定性,即它们的执行时间是可知的,也就是说,μC/OS-II系统服务的执行时间不依赖于应用程序任务的多少。
(7)任务栈:每个任务有自己单独的栈,μC/OS-II允许每个任务有不同的栈空间。
(8)系统服务:μC/OS-II提供多种系统服务,如邮箱、消息队列、信号量、块大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等。
(9)中断管理:中断可使正在执行的任务暂时挂起,中断嵌套层数可达255层。
(10)稳定性与可靠性:μC/OS-II是基于μC/OS的,μC/OS自1992年以来己有好几百个商业应用。
1.2硬件平台简介
在本电力谐波分析系统中,其中包括嵌入式微处理器(嵌入式软核处理器NiosII)、FFT运算单元和对采集数据进行处理的信号处理电路,该信号处理电路包括信号获取电路、调理电路和采样转换电路,其中:信号获取电路包括精密电压互感器和精密电流互感器,精密电压电流互感器的输入端用于接收采集的电压电流信号,输出端接调理电路输入端,如图1所示。

从现场取来的电压和电流信号,首先进入精密电压、电流互感器组U1,电压和电流信号经其进行降压限流处理后进入信号调理电路U2;信号调理电路U2可由精密电阻和电位器配合高精度集成运放AD574组成,以完成对电压信号的电平调整;经过精密电压、电流互感器U1、信号调理电路U2处理后,从现场取来的高压、大电流信号就转换成适合后续电路处理的弱电信号,接着该弱电信号进入低通抗混叠滤波电路U3,低通抗混叠电路U3主要由低通抗混叠滤波器组成,用于滤除高频信号成分,使输入到后级电路中的AD转换器的信号为有限带宽信号,该电路U3是以很小的衰减让有效的频率信号通过,而抑制这个频带以外的频率信号,从而防止信号的频谱发生混叠及高频干扰。在本系统中,低通抗混叠滤波电路U3采用低通抗混叠滤波集成电路Max293低通滤波器,再由后级电路中AD转换器本身各通道都具有内置的抗混叠滤波器并采用∑-△以及过采样技术,使得本系统具有良好的抗干扰能力和抗混叠性能,保证了FFT运算能够得到准确的结果。

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