CN102624079B - 一种基于双微处理器架构的固态开关控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于双微处理器架构的固态开关控制系统，包括控制系统单元和辅助单元；控制系统单元包括主处理器、可编程逻辑器件和协处理器；辅助单元包括：电压电流传感器单元、电压电流信号调理单元、辅助供电电路单元、人机接口单元及系统温度监测单元；所述主处理器用于实时控制，协处理器用于实时监测；可编程逻辑器件分别与主、协处理器交互，控制主、协处理器的互联；主、协处理器之间还通过直连接口进行交互；可编程逻辑器件还连接控制电子开关，该电子开关控制主、备用侧电源的负载接入。

Description

一种基于双微处理器架构的固态开关控制系统

技术领域

本发明涉及一种基于双微处理器硬件架构、应用于快速固态转换开关（SSTS）装置的硬件控制系统，属于电力电子在电力系统中的应用技术领域。

背景技术

随着科技的飞速发展，各种新器件新设备不断的出现，人们对电能质量以及其可靠性的要求越来越高。电压跌落以及电压短时中断的故障占所有电能质量问题的90%左右，而电力系统中因电压跌落而引起的事故次数大约是因完全供电中断而引起的事故次数的10倍。因此，治理电压跌落，有效改善电能质量成为当务之急。

快速固态切换开关（SSTS）装置是利用大功率电力电子技术以及基于微处理器、光纤通信和数字信号处理测控技术，其控制保护系统通过监测电网进线和出线的三相电压、三相电流，检测电压跌落，从而控制大功率电力电子器件实现两路进线电源的快速切换，解决电压跌落以及短时断电的问题，来实现对负载的不间断供电，保证用户的可靠供电。固态切换开关能够广泛运用在解决敏感、关键负荷电力供应场合不仅仅在于其的经济性，更在于它带来了MS级的切换速度。固态切换开关的切换速度取决于其基于的微处理器通信速度、数据运算处理速度以及系统控制响应速度。

本发明在传统固态切换开关控制架构的基础上，提出了基于双微处理器架构的固态开关控制系统，能够有效提高控制系统的响应速度、数据处理能力以及外部接口可扩展性，控制方便灵活且速度极快，与传统的固态开关相比，具有较高的系统稳定性、可靠性以及实时性，同时该硬件架构能够简化软件复杂程度实现真正的并行信号采集和处理能力，在现代配电网中有着广泛的应用前景。

发明内容

技术问题：本发明公开了一种基于双微处理器架构的固态开关控制系统，该装置的硬件架构是基于传统的单微处理器硬件架构的快速固态转换开关（SSTS）装置基础上，进行结构创新和功能拓展后提出的。该SSTS硬件控制系统的硬件架构由两个微处理器（主处理器21和协处理器23）和一个可编程逻辑器件22构成，通过对控制系统硬件结构创新及有效配置，有效提高了控制系统的数据通讯速度、运算处理速度以及系统控制响应速度，保证了基于此硬件架构的SSTS硬件控制系统具有超高速的投切功能，同时也提高了控制系统的稳定性及实时性。另外，该硬件架构也为将来的功能扩展提供了有力保障。

技术方案：

一种基于双微处理器架构的固态开关控制系统，包括控制系统单元和辅助单元；控制系统单元包括主处理器、可编程逻辑器件和协处理器；辅助单元包括：电压电流传感器单元、电压电流信号调理单元、辅助供电电路单元、人机接口单元及系统温度监测单元；所述主处理器用于实时控制，协处理器用于实时监测；可编程逻辑器件分别与主、协处理器交互，控制主、协处理器的互联；主、协处理器之间还通过直连接口进行交互；可编程逻辑器件还连接并控制电子开关，该电子开关控制主或备用侧电源的负载接入；辅助供电电路单元：为控制系统单元和辅助单元供电；电压电流传感器单元：包括主侧电源相电压或线电压传感器、主侧开关元件端电压传感器、备用侧电源相电压或线电压传感器、备用侧开关元件端电压传感器、主侧开关元件电流传感器和备用侧开关元件电流传感器；电压电流信号调理单元：对电压电流传感器单元中各个传感器的输出信号进行信号调理，再把调理后的信号输出给控制系统单元的主、协处理器；人机接口单元：包括接口电路模块，主、协处理器与接口电路模块连接；系统温度监测单元：包括监控开关器件工作壳温的温度传感器，温度传感器的信号输出端连接协处理器的信号输入端。

各个单元的原理说明如下：

电压电流传感器单元：分别测量主侧电源相电压、主侧开关元件端电压、备用侧电源相电压、备用侧开关元件端电压、负载侧相电压、主侧开关元件电流和备用侧开关元件电流；

电压电流信号调理单元：对电压传感器以及电流传感器的副边输出量进行信号调理；

辅助供电电路单元：输出控制系统单元和辅助单元所需电源；

人机接口单元：协微处理器连接开关装置的人机交互模块以及控制面板；该人机接口单元包括：串口、以太网接口、显示屏接口、触摸屏接口；还包括预留的冗余接口，为将来的功能扩展升级备用。

系统温度监测单元：协处理器连接系统温度监测单元，通过温度传感器监控开关器件（如晶闸管等）的工作壳温，如果出现异常，能够及时报警反馈，以使得快速固态转换开关装置稳定运行。

正常工作时，协处理器对主侧或备用侧电源的电能质量进行监测，通过对主侧备用侧电源的电压和电流实时采样和信号处理，对电能质量问题进行监测；

当发现异常时，协处理器通过系统互连接口实时将故障情况通知主处理器；主处理器根据接收到的故障报警信号，来控制主侧或备用侧电源的电子开关，决定负载切入哪一侧电源；

在切换过程中，主处理器通过对主侧和备用侧电子开关电压、电流的实时采样，来监测系统切换过程有无环流、电压切入时刻是否正确等状态，保证电源切换过程安全可靠。

可编程逻辑器件连接主、协两个微处理器，并协调系统外部数字接口的作用。

本发明公开的基于双微处理器硬件架构的快速固态转换开关（SSTS）装置硬件控制系统通过检测主侧电源和备用侧电源的电压和电流，利用数字信号处理技术实时监测电源状态。当出现故障时，如电压跌落，过流，欠压，闪变等等，控制系统根据监测的电源状态做出判断，实现对主侧或备用侧电力电子开关器件的控制，从而迅速完成主侧和备用侧电源的切换，保证负载能连续的接入健康的电源。其具体结构如附图1所示，主侧电源和备用侧电源分别通过电子开关连接到负载。

在正常工作时，负载接入主侧电源运行，此时，电压电流传感器模块以及信号调理电路实时监控系统主电源状态，通过模数转换模块反馈给控制系统。

当出现电压跌落或者过流等故障时，控制系统即时作出判断，通过控制电子开关迅速切断主侧电源，同时控制电子开关，把负载接入备用测电源，此时，备用侧电压电流传感器模块以及信号调理电路实时监控系统备用测电源状态，通过模数转换模块反馈给控制系统。

在以双微处理器为核心的控制系统模块中，主处理器主要功能包括电力电子开关器件控制，切换过程实时监控，根据电能质量状态，做出切换决策，并完成电源间的切换；协处理器完成对主侧或备用侧电源质量的监控，监控对象包括：欠压（电压跌落）、过流、过温和闪变等。两个处理器之间通过可编程逻辑器件连接，同时也具有少量直连接口。

该控制结构：

采用双处理器结构，两个微处理器均有AD采样信号输入功能。主处理器用于实时控制，协处理器用于实时监测。通过主、协处理器之间的协同工作，可达到高端处理器的响应速度，甚至更优的系统性能。同时大大简化了系统软件的复杂程度并增加了系统功能可扩展性。

双处理器之间采用可编程器件以及少量的直连接口进行交互。在拓扑结构上，主处理器、可编程逻辑器件、协处理器通过并行接口和多条GPIO口相连接，同时主处理器和协处理器之间有少量（仅2根）直连端口。可编程逻辑器件具有高速灵活的特点，通过内置的双口RAM，可使得两个微处理器以MHz级的速度并行通讯。少量的直连接口保证了系统连接的简洁和可靠性。由于目前的微处理器外部接口通常是多功能复用的。因此可配置成普通GPIO口或者串行通讯口，很灵活。当两线接口设置为GPIO时，速度很快，但信息量有限。当设置为串行通讯接口时，则可以完成较大信号量的传输。系统采用两类互连方式，确保了两个微处理器之间互联的可靠性、灵活性、速度以及可扩展性。

所述主、协处理器为嵌入式微处理器EMPU、嵌入式微控制器MCU、嵌入式DSP处理器或嵌入式片上系统；所述可编程逻辑器件是现场可编程门阵列FPGA或复杂可编程逻辑器件CPLD。

主、协处理器均扩展连接有外部人机接口，人机接口为触摸屏接口、以太网接口、RS485接口或GPIO接口。

协处理器监测主侧和备用侧电源的电能质量，因此外扩电能质量的显示屏接口和通讯接口，该接口可为RS485接口和以太网接口等。主处理器实现电源的连接控制功能，因此可扩展人机接口，允许用户直接对主备侧的连接状态进行监控和控制。该人机接口可为RS485接口、GPIO等。也可通过可编程逻辑器件实现主处理器和协处理器的互联，将所有的输入输出数据都交由某个处理器处理，从而形成唯一的系统人机接口。由上述可见，该控制架构具有很大的灵活性和可扩展性，可以开发不同成本和功能的应用系统。

主、协处理器分别通过并行口或串行口连接外部模数转换电路，或者使用微处理器内部模数转换电路对模拟信号进行采样。

有益效果：

基于双微处理器硬件架构的快速固态转换开关（SSTS）装置硬件控制系统，能够有效提高控制系统的数据通讯速度、数据运算处理速度以及系统控制响应速度，控制方便灵活且速度极快，与传统的固态开关相比，具有较高的系统稳定性、可靠性以及实效性，同时该硬件架构具有较好的软硬件适应性。其具体有益效果如下：

1、使用双微处理器配置，主处理器完成电子开关电压电流状态监测以及电子开关控制功能，协处理器完成电能质量监测功能，两者协调合作，可做到真正的并行采样和信号处理，可达到高端处理器的响应速度，甚至更优的系统性能，有效地提高了系统的整体运算速度，保证了控制算法运算的可靠性和时效性。

2、使用可编程逻辑器件和直连端口连接两个微处理器，一方面可以满足高速通信要求，如使用基于FPGA双口RAM通信，可以保证两个处理器之间进行高速可靠的信息传输，很好地解决并行性和速度问题，而且其灵活的可配置特性使得双口RAM易于进行修改、测试及系统升级，可降低设计成本。另外，主处理器将电力电子开关元控制信号通过可编程逻辑器件输出，可通过逻辑运算实现快速的保护功能，从而增强系统的响应实时性。例如当FPGA输入的过流信号有效时，可直接锁存响应的电力电子器件开关信号，而无需通过微处理器软件处理，系统的响应速度和可靠性。

3、丰富的外部接口。主处理器和协处理器均扩展有外部人机接口，人机接口可以为触摸屏、以太网、485、GPIO等。主处理器实现电源的连接控制功能。因此可扩展人机接口，允许用户直接对主备侧的连接状态进行监控和控制，该人机接口可为485接口、GPIO等。协处理器对主侧和备用侧电源的电能质量起着监测作用。因此外扩电能质量的显示屏接口和通讯接口，该接口可为485接口和以太网接口等。也可通过可编程逻辑器件实现主处理器和协处理器的互联，将所有的输入输出数据都交由某个微处理器或处理，从而形成唯一的系统人机接口。综述可见，该控制架构具有很大的灵活性和可扩展性，可以开发不同成本和功能的应用系统。

4、基于双微处理器的硬件架构具有结构灵活，适合于模块化设计，有较强的通用性以及适应性的特点，其能够显著提高算法效率，而且其软件开发周期短，整个控制系统易于维护和升级。

附图说明：

附图1基于双微处理器架构的固态开关控制系统应用示意图。

附图2基于双微处理器硬件架构的控制系统框图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明涉及的基于双微处理器架构的固态开关控制系统工作进行详细说明。

主侧电源11和备用侧电源12分别通过电子开关13、14连接到负载15。在正常工作时，负载15接入主侧电源11运行。此时，电压电流传感器模块16、17实时监控系统主电源状态，并把检测数据传给信号调理电路18。经过信号调理后，将主处理器21、协处理器23监控系统所需数据通过AD19、20传递。主处理器21、协处理器23通过监控系统实时应对可能的问题。工作时，协处理器23主要完成对主侧或备用侧电源的电能质量进行监测，通过对主侧备用侧电源的电压和电流实时采样和信号处理，对各种电能质量问题如：欠压（电压跌落）、过流、闪变、过温等，进行监测。当发现异常时，协处理器23通过系统互连接口实时将故障情况通知主处理器21；主处理器21根据接收到的故障报警信号，来控制主侧或备用侧电源的电子开关13、14，决定负载切入哪一侧电源。在切换过程中，主处理器21，通过对主侧和备用侧电子开关电压、电流的实时采样，来监测系统切换过程有无环流、电压切入时刻是否正确等状态。保证电源切换过程安全可靠。可编程逻辑器件22起到连接两个微处理器，并协调系统外部数字接口的作用。

下面对本发明的双微处理器硬件架构以及辅助其工作的各个单元（电压电流传感器单元、电压电流信号调理单元、辅助供电电路单元、人机接口单元、系统温度监测单元等）作进一步阐述：

电压电流传感器单元：根据控制要求，控制系统需测量主侧电源相电压、主侧开关元件端电压、备用侧电源相电压、备用侧开关元件端电压、负载侧相电压、主侧开关元件电流、备用侧开关元件电流。每个传感器的用途不同，传感器的参数不同，其调理电路也不同。

电压电流信号调理单元：由于电压传感器或者电流传感器副边得到的量不能够满足微处理器的AD转换接口对模拟量的要求，其是不能够直接送到微处理器的AD转换接口进行AD转换的，否则过大的电压会烧坏微处理器内部的AD转换芯片。因此，需要对电压传感器以及电流传感器的副边输出量进行信号调理，以满足AD转换对模拟量大小的要求。

辅助供电电路单元：本发明设计的硬件系统中使用了多种控制芯片，其需要不同的直流电压进行供电，因此需要单独设计可行稳定的辅助供电电路模块。

人机接口单元：协处理器连接开关装置的人机交互模块以及控制面板，根据系统设计需求可以提供串口、以太网接口、显示屏接口、触摸屏接口等，为固态开关装置的功能拓展提供保障。例如使用DSP作为处理器，可利用其内置外设以及IO口，设计多功能的人机接口单元，方便工作人员对控制系统进行人工控制。同时，硬件系统设计可预留相关冗余接口，为将来的功能扩展升级备用。

系统温度监测单元：协处理器连接系统温度监测单元，通过温度传感器监控开关器件（如晶闸管等）的工作壳温，如果出现异常，能够及时报警反馈，以使得快速固态转换开关装置稳定运行。

双微处理器控制系统单元：该单元包括主、协微处理器和一个可编程逻辑器件。主处理器、可编程逻辑器件、协处理器三者串联。正常工作时，协处理器主要完成对主侧或备用侧电源的电能质量进行监测，通过对主侧备用侧电源的电压和电流实时采样和信号处理，对各种电能质量问题如：欠压（电压跌落）、过流、闪变、过温等，进行监测。当发现异常时，协处理器通过系统互连接口实时将故障情况通知主处理器A；主处理器A根据接收到的故障报警信号，来控制主侧或备用侧电源的电子开关，决定负载切入哪一侧电源。在切换过程中，主处理器A，通过对主侧和备用侧电子开关电压、电流的实时采样，来监测系统切换过程有无环流、电压切入时刻是否正确等状态。保证电源切换过程安全可靠。可编程逻辑器件起到连接两个微处理器，并协调系统外部数字接口的作用。

结合图1，本发明公开的基于双微处理器硬件架构的快速固态转换开关（SSTS）装置硬件控制系统通过检测主侧电源11和备用侧电源12的电压和电流，利用数字信号处理技术实时监测电源状态。当出现故障时，如电压跌落，过流，欠压，闪变等等，控制系统根据监测的电源状态做出判断，实现对主侧或备用侧电力电子开关器件13、14的控制，从而迅速完成主侧和备用侧电源的切换，保证负载能连续的接入健康的电源。其具体结构如附图1所示。主侧电源11和备用侧电源12分别通过电子开关13、14连接到负载15。在正常工作时，负载15接入主侧电源11运行。此时，电压电流传感器模块16以及信号调理单元18实时监控系统主电源状态，通过模数转换模块AD19、20反馈给主处理器21、协处理器23。当系统出现电压跌落或者过流等故障时，控制系统21即时作出判断，通过控制电子开关13迅速切断主侧电源11，同时控制电子开关14，把负载接入备用测电源，此时，备用侧电压电流传感器模块以及信号调理电路18实时监控系统备用测电源状态，通过AD19、20反馈给主处理器21、协处理器23。

结合附图2，本发明的控制系统包括两个微处理（主处理器21、协处理器23）以及一个可编程逻辑器件22。在以双微处理器为核心的控制系统模块中，主处理器21主要功能包括电力电子开关器件控制，切换过程实时监控，根据电能质量状态，做出切换决策，并完成电源间的切换；协处理器23主要完成对主侧或备用侧电源质量的监控，包括：欠压（电压跌落）、过流、过温、闪变等。两个处理器之间通过可编程逻辑器件连接，同时也具有少量直连接口。该控制结构的主要特征在于：

采用双处理器结构，两个微处理器均有AD采样信号输入功能。主处理器21用于实时控制，协处理器23用于实时监测。通过处理器21、23之间的协同工作，可达到高端处理器的响应速度，甚至更优的系统性能。同时大大简化了系统软件的复杂程度并增加了系统功能可扩展性。

双处理器之间采用可编程器件以及少量的直连接口29进行交互。在拓扑结构上，主处理器21、可编程逻辑器件22、协处理器23通过并行接口和多条GPIO口相连接，同时主处理器21和协处理器23之间有少量（2根）直连端口29。可编程逻辑器件具有高速灵活的特点，通过内置的双口RAM，可使得两个微处理器以MHZ级的速度并行通讯。少量的直连接口保证了系统连接的简洁和可靠性。由于目前的微处理器外部接口通常是多功能复用的。因此可配置成普通GPIO口或者串行通讯口，很灵活。当两线接口设置为GPIO时，速度很快，但信息量有限。当设置为串行通讯接口时，则可以完成较大信号量的传输。系统采用两类互连方式，确保了两个微处理器之间互联的可靠性、灵活性、速度以及可扩展性。

根据系统需求（如硬件体积、系统功耗、成本要求等），微处理器21、23可以为嵌入式微处理器EMPU（如MIPS、ARM系列等）、嵌入式微控制器MCU（8051、P51XA等）、嵌入式DSP处理器（如Texas Instruments的TMS320系列、Motorola的DSP56000系列等）、嵌入式片上系统（如Siemens的TriCore等）；

可编程逻辑器件22可以为现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）等。

丰富的外部接口。如图2主处理器21和协处理器23均扩展有外部人机接口27、28，人机接口可以为触摸屏、以太网、485、GPIO等。协处理器23对主侧和备用侧电源的电能质量起着监测作用。因此外扩电能质量的显示屏接口和通讯接口，该接口可为485接口和以太网接口等。主处理器21实现电源的连接控制功能。因此可扩展人机接口，允许用户直接对主备侧的连接状态进行监控和控制。该人机接口可为485接口、GPIO等。也可通过可编程逻辑器件实现主处理器21和协处理器23的互联，将所有的输入输出数据都交由某个微处理器(21或23)处理，从而形成唯一的系统人机接口。由上述可见，该控制架构具有很大的灵活性和可扩展性，可以开发不同成本和功能的应用系统。

处理器21、23同时具有模拟信号采样功能。可如图2所示，分别通过并行口或串行口连接外部模数转换芯片AD24、25，或者使用微处理器内部AD对模拟信号进行采样。由于系统要同时监测两路电源的电压和电流状态。其信号采样量往往大于20路。单一处理器要实现对20路以上模拟信号的实时采样需要很高硬件成本，并占用大量的系统编程资源，有可能影响系统响应速度。通过双微处理器的结构可以真正实现模拟信号的并行采样处理，大大减轻系统负担以及对微处理器的要求，潜在减轻系统软件开发成本。

Claims (4)

1.一种基于双微处理器架构的固态开关控制系统，其特征是包括控制系统单元和辅助单元；控制系统单元包括主处理器、可编程逻辑器件和协处理器；辅助单元包括：电压电流传感器单元、电压电流信号调理单元、辅助供电电路单元、人机接口单元及系统温度监测单元；

所述主处理器用于实时控制，协处理器用于实时监测；可编程逻辑器件分别与主、协处理器交互，控制主、协处理器的互联；主、协处理器之间还通过直连接口进行交互；

可编程逻辑器件还连接并控制电子开关，该电子开关控制负载接入主或备用侧电源；

辅助供电电路单元：为控制系统单元和辅助单元供电；

电压电流传感器单元：包括主侧电源相电压或线电压传感器、主侧开关元件端电压传感器、备用侧电源相电压或线电压传感器、备用侧开关元件端电压传感器、主侧开关元件电流传感器和备用侧开关元件电流传感器；

电压电流信号调理单元：对电压电流传感器单元中各个传感器的输出信号进行信号调理，再把调理后的信号输出给控制系统单元的主、协处理器；

人机接口单元：包括接口电路模块，主、协处理器与接口电路模块连接；

系统温度监测单元：包括监控开关器件工作壳温的温度传感器，温度传感器的信号输出端连接协处理器的信号输入端；

正常工作时，协处理器对主侧或备用侧电源的电能质量进行监测，通过对主侧备用侧电源的电压和电流实时采样和信号处理，对电能质量状态进行监测；

当发现异常时，协处理器实时将故障情况通知主处理器；主处理器根据接收到的故障报警信号，输出控制信号给可编程逻辑器件，进而由可编程逻辑器件控制主侧或备用侧电源的电子开关，决定负载切入哪一侧电源；

在切换过程中，主处理器通过对主侧和备用侧电子开关电压、电流的实时采样，来监测切换过程有无环流、电压切入时刻是否正确。

2.根据权利要求1所述的一种基于双微处理器架构的固态开关控制系统，其特征是所述可编程逻辑器件内置有双口RAM，分别缓存主、协处理器的交互信息；主、协处理器的直连接口由主处理器和协处理器配置为普通输入输出端口GPIO，或配置成串行接口。

3.根据权利要求1所述的一种基于双微处理器架构的固态开关控制系统，其特征是所述主、协处理器为嵌入式微处理器EMPU、嵌入式微控制器MCU、嵌入式DSP处理器或嵌入式片上系统；所述可编程逻辑器件是现场可编程门阵列FPGA或复杂可编程逻辑器件CPLD。

4.根据权利要求1所述的一种基于双微处理器架构的固态开关控制系统，其特征是人机接口单元包括：串口、以太网接口、显示屏接口、触摸屏接口和预留的冗余接口；这些接口均与主、协处理器连接。

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