光伏控制系统中冗余技术的研究与应用

柯程虎，张辉

(1.西安理工大学 自动化与信息工程学院,陕西 西安 710048；2.西安交通大学 电力设备电气绝缘国家重点实验室,陕西 西安 710049)

太阳能是重要的可再生能源之一，是取之不尽、用之不竭、无污染、人类能够自由利用的能源，光伏能源被认为是二十一世纪最重要的新能源。

在几乎所有的光伏发电系统中，都涉及到一系列的大功率、高效率、高质量的能量转换和控制，这个过程需要对大量的光伏逆变控制系统进行研究[1-3]。

早期的光伏控制系统采用模拟电路来实现比例、积分、微分控制[4]，其优点是成本低、容易实现；缺点是参数调节困难，难以实现复杂的控制算法。现在逐渐转向采用数字信号处理器(DSP)，通过软件编程的方法实现控制算法，进而实现控制的功能，以往的光伏控制器只采用一片DSP芯片对全部信号进行处理，因而处理数据较大，从而限制了系统处理信号的效率，若工作时DSP芯片出现故障而停止工作，信号将不能被处理，从而不能实现光伏控制系统的信号处理，故系统可靠性不高。

针对单芯片光伏控制器的以上缺点，有必要考虑双机冗余备份技术[5]在光伏控制系统中的应用。

冗余技术主要包括两个方面：功能性冗余和结构性冗余。功能性冗余又分为静态功能冗余和动态功能冗余；结构性冗余又分为硬件冗余、软件冗余和时间冗余[6]。

二十世纪50年代，冯·诺依曼率先提出了适用容错技术中的复合冗余方法[7]，其基本思想是通过用多个器件冗余组成一个单个器件，来提高单个部件存在的可靠性不高的问题，在同一时期还出现了莫尔-香农冗余法[6-7]。二十世纪60年代则是以硬件冗余容错为主，硬件冗余是对关键性的部件配备多份，即在物理层面可通过元件的重复而获得自动恢复的作用，如三模冗余、N模冗余等，硬件冗余包括系统级冗余、部件级和元器件级冗余[6-8]。二十世纪70年代则是解析冗余容错发展时期，建立在解析数学模型之上的解析冗余技术得到关注，并逐渐发展起来，由美国首先提出了解析冗余技术代替硬件冗余技术的想法，即通过比较观测器的输出得到系统故障信息的新思想[9]。80年代至今，冗余技术向着智能化方面发展，促进了冗余技术发展进程[10-12]。

本文在硬件冗余的基础上加以改进并设计了双机冗余方案，以TMS320F2812 DSP[13-14]为核心，通过对故障检测模块[15]、自动判决模块关键技术的研究完成了一种双DSP冗余结构光伏控制系统的设计。

1 系统总体框架与设计方案

双DSP冗余结构光伏控制系统总体框架结构如图1所示。两级式并网逆变[16]的前级为BOOST升压电路，由光伏阵列PV板、输入储能电感L1、功率开关管Q0、二极管D组成，大电容C1存储DC-DC经BOOST电路升压后的电压，后级全桥逆变器由Q1～Q4四个开关管、并网滤波电感L2、并网滤波电容C2组成，io为并网逆变器的输出电流，ug为市电电压。

图1 系统框架结构图

DSP1采样市电电压、逆变电流、母线电压信号，输出PWM控制逆变桥电路。DSP2采样光伏板电压、光伏板电流信号,输出PWM信号控制BOOST升压电路。当DSP1发生故障，DSP2迅速切换执行采样市电电压、逆变电流、母线电压信号工作，输出PWM(即PWM 7～10)控制逆变桥电路。当DSP2发生故障，DSP1迅速切换并执行采样光伏板电压、光伏板电流信号工作，输出PWM(即PWM 2)控制BOOST升压电路。

双DSP冗余系统方案设计如图2所示。光伏板电压信号、光伏板电流信号、市电电压信号、母线电压信号、逆变电流信号经过信号调理模块的滤波和限幅后输入到两个DSP的A/D中，DSP1采样处理市电电压信号、母线电压信号、逆变电流信号并输出相应的PWM信号控制逆变桥电路，DSP2采样处理光伏板电压信号、光伏板电流信号并输出相应的PWM信号控制直流-直流升压变换器。

当DSP2发生故障，故障检测模块通过监测DSP2的CLKOUT信号及RESET信号的变化从而产生上升沿信号通知自动判决模块，自动判决模块被触发后产生由高电平到低电平的跳变并将此低电平送入DSP1指定的I/O口中，当DSP1检测到指定I/O口为低电平时就知道DSP2已经发生故障，从而DSP1程序作出跳转并执行光伏板电压信号、光伏板电流信号的采样处理及PWM输出任务。DSP1发生故障时，冗余切换原理同上。

图2 双DSP冗余系统方案设计框图

2 双DSP冗余系统关键技术设计

双DSP同时运行的情况下时刻检测故障发生并迅速切换备份DSP完成冗余工作，需要解决的关键技术有：硬件故障检测模块设计、软件故障检测模块设计、自动判决模块设计、双口RAM模块设计。

2.1 硬件故障检测模块设计

硬件故障与正常的DSP最大的区别就是时钟输出引脚CLKOUT信号不同，正常的DSP时钟输出引脚为周期性方波，而硬件故障DSP的时钟输出引脚停止输出。因此根据这一特点，设计硬件故障检测模块原理如图3所示。

图3 硬件故障检测模块原理图

图4 K与CX关系图

2.2 软件故障检测模块设计

系统在实际运行中出现最多的不是硬件故障而是像程序跑飞、进入不了中断、程序锁死等软件故障[19]。看门狗定时器是作为监控软件故障的理想部件，看门狗定时器是DSP芯片中一个独立的计数模块，如果不周期性地使看门狗计数寄存器复位，看门狗模块将产生计数溢出，从而导致整个系统复位，此时DSP的XRS引脚被拉低[20]。根据这一特点设计的软件故障检测模块原理如图5所示。

由图5可看出软件故障检测模块也是由一个74LS393与一个74LS123组成，只是接法顺序与硬件故障检测模块不同。DSP的XRS引脚(即RESET信号)接到74LS123的A2输入端，74LS123的输出端Q2接到74LS393的2A输入端，输出端2Qa接至自动判决模块。

软故障模块通过监测DSP的RESET信号的电平变化来判断是否需要切入冗余备份。通常在DSP正常工作的情况下RESET信号为高电平，此高电平输入到74LS123的A2端，当B2与Clear2都接高电平时，根据手册可知，74LS123的Q2输出低电平，而计数器74LS393只在2A有下降沿时才开始计数，因此计数器输出最低位2Qa保持低电平不变。当有软故障发生时并且看门狗溢复位，使得看门狗复位状态标志位置1，从而导致RESET信号输出低电平，即切入冗余备份。74LS123的Q2产生一正脉冲，使74LS393计数器的2A端出现下降沿跳变，即74LS393开始计数，2Qa产生由低电平到高电平的变化并输出至自动判决模块。

图5 软件故障检测模块原理图

2.3 自动判决模块设计

自动判决模块是根据故障DSP的硬件、软件检测模块送达的信号进行判决并将判决结果送至正常DSP的I/O中，当正常DSP的I/O检测到此信号时即刻作出冗余切换。自动判决模块主要由一个双上升沿触发的D触发器74LS74[19]、一个或门74LS32及一个非门74LS04[21]构成，如图6所示。

硬件故障检测模块或者软件故障检测模块的上升沿电平经过一个或门74LS32输入到触发器74LS74的1CLK中，当74LS74的1PRE、1CLR都接高电平的时候，根据手册可知，1Q的输出是和触发器的1D有关的，当1D为高电平时1Q为低电平，当1D为低电平时1Q为高电平。经过74LS04反向后进入DSP的I/O口。

图6 自动判决模块原理图

2.4 双口RAM模块设计

系统加入双口RAM模块设计主要是为了解决两个DSP之间的通信问题以及数据继承问题。本文采用CYPRESS公司2K×16CMOS双端口静态RAM芯片CY7C133-55，具有两套独立、完全对称的地址总线、数据总线、控制总线，两个端口允许访问存储器任意存储单元，-55表示芯片存取时间为55 ns，采用68管脚的PLCC封装形式。CY7C133-55电路连接如图7所示。

图7 双口RAM电路

DSP通过片选信号XZCS2接到CY7C133上，扩展区域为DSP的XINTF接口的Zone2区域，经过11根地址线连接，所以访问外部空间为0x080000～0x080800，由此可知当DSP读写双口RAM的过程如下：当DSP的WE、XZCS2脚同时为低电平，DSP将向CY7C133写入16位数据；当DSP脚WE为高电平、脚XZCS2、RD为低电平时，DSP将读出CY7C133中的16位数据。读、写数据的地址由该时刻地址线上的值决定，数据根据16位数据线传递。

3 双DSP冗余系统硬件、软件设计

3.1 双DSP冗余系统硬件设计

系统硬件主要分为六个大部分：双DSP模块、信号调理模块、故障检测[22]及判决模块、双口RAM模块、调试模块、电源及复位模块。系统硬件结构框图如图8所示。

1)电源模块原理设计

5V、2A的直流电源适配器通过电源接口给硬件系统供电，5V电压通过跳线帽选择，一路为双口RAM模块、故障检测及判决模块供电，另一路通过TI公司的TPS767D301双输出低稳压调节电源芯片为DSP提供3.3V和1.8V电压以及为JTAG口调试模块中缓冲芯片提供3.3V电压。3.3V、1.8V电源模块原理图如图9所示。

图8 硬件结构框图

图9 3.3V、1.8V电源电路

2)菊花型JTAG接口原理设计

系统要对两片TMS320F2812芯片进行联合仿真调试，双DSP系统和一般的单DSP芯片系统调试方式不同。

因此，必须在仿真器与两个DSP之间采用多处理器接法的菊花形链接，如图10所示。

图10 菊花型JTAG接口原理图

菊花型JTAG链接能把仿真器和处理器相隔离并将仿真信号进行缓冲以及为两个DSP提供足够的信号驱动。

3.2 双DSP冗余系统软件设计

DSP故障分为硬件故障和软件故障，都是通过程序检测各自指定I/O口电平得知是否另一DSP发生故障[23]。

对于每一个DSP都要在程序中启动看门狗程序，在程序中定时复位看门狗计数器。当软件发生故障时，例如程序跑飞、进入死循环等，如果没有及时复位看门狗计数器，会导致看门狗计数器溢出且看门狗复位即WDFLAG标志位置为1，进而DSP RESET引脚被置为低电平。对于每一个DSP硬件故障如掉电处理，DSP CLKOUT信号停止，从而通知故障检测及判决模块，又由于系统采样50Hz的正弦信号，对正弦信号一个周期采样400次，这样定时器周期设置为50 μs，一个定时器周期里有比较单元1、2中断，定时器T1比较中断及周期中断，每个中断时间相隔12.5 μs，从而设计系统整体程序流程如图11所示。

图11 DSP1整体程序流程图

在第一路A/D转换后插入等待程序，给DSP1及时写入0x55+0xAA程序并检测DSP1 I/O口电平，若为高电平则继续等待中断，若为低电平则程序跳转到冗余切换模块，开始采样处理5路正弦信号。从而可知程序每隔12.5 μs检测一次I/O电平，即一旦DSP2发生故障，DSP1最多12.5 μs切换冗余程序,完成冗余功能。

当DSP在等待中断处检测到DSP的I/O为低电平时，即程序调用切换程序，进入冗余切换程序，如下所示。

Uint32 io_flag; //定义循环标志位

io_flag=0; //置循环标志位0

while(io_flag==0)

{

if(GpioDataRegs.GPADAT.bit.GPIOA0= =0)

//检测DSP的I/O电平

{

void qiehuan()； //调用切换函数

}

}

在void qiehuan()程序中首先要关定时器和看门狗模块，其次重新初始化系统，打开定时器1、定时器3，开启5路AD转换，输出相应的PWM波形。程序如下所示。

Void qiehuan(void)

{

EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=0；

//禁止定时器T1

SysCtrlRegs.WDCR= 0x0068；

//禁止看门狗

InitRongyu()； //冗余配置初始化

InitAdc()； //ADC初始化

InitEv()； //EV初始化

EvaRegs.T1CON.bit.TENABLE=1；

//开定时器T1

EvbRegs.T3CON.bit.TENABLE=1；

//开定时器T3

io_flag=1; //置循环标志位1

}

4 系统容错功能调试及结果

本文主要解决的硬件故障是由于DSP芯片因损坏或掉电而不能正常工作时，导致其CLKOUT引脚输出异常的那一类故障，此类故障必须投入硬件冗余备份才能解决。所以本文通过以下两种方法来模拟硬件故障。

1)掉电故障

图12 CLKOUT脚输出时钟波形图

图13 发生故障后74LS123的脚跳变图

2)编写软件使得CLKOUT脚波形改变

上述掉电处理仅仅测试了CLKOUT引脚从正常到无的状况，现在还需要检测DSP1的CLKOUT时钟异常输出的情况下，系统是否能实现容错功能。

图14 改变CLKOUT脚周期波形图

经过74LS393后输出周期为2 128 ns的脉冲信号，因为2 128 ns远远大于1 020 ns，74LS393输出的负脉冲信号不会再被触发为低电平，因此在程序改变1 020 ns后74LS393输出由低电平变为高电平，此上升沿跳变进入自动判决模块并导致DSP2的IO脚发生由高电平到低电平的跳变，如图15所示。DSP2的程序检测到IO口为低电平时，因此认为DSP1发生故障从而通知DSP2做出反应。

图15 发生故障后DSP2 IO口电平跳变图

3)切换结果

设置DSP1的定时器T3为1 000 μs,在等待程序处插入检测DSP1 I/O口电平程序。设置DSP2的CLKOUT脚输出15MHz的方波。在两个DSP同时上电工作时，对DSP2突然掉电处理，此时DSP1检测到I/O低电平并切换程序输出相应的PWM波形，如图16所示。

图16 DSP1冗余切换后PWM输出波形图

5 结 论

本文详细讲述了双DSP冗余系统关键技术的原理设计，设计了双DSP冗余结构的光伏控制系统的硬件平台,并在此硬件平台上设计了实现系统冗余切换功能的程序。

针对传统冷备份系统冗余切换速度慢、数据采样频率低的缺点，设计了每个DSP分担处理信号并通过监测各自的关键信号来判断是否发生故障并迅速通知备份DSP做出切换的互为备份的系统。

实验结果表明，系统中一个DSP发生故障，另一DSP能够及时做出切换，实现双DSP系统的容错功能。

参考文献：

[1] 徐云.谁能驱动中国——世界能源危机和中国方略[M]. 北京：人民出版社，2006:10-15.

[2] 支娜,张辉,邢小文.直流微电网协调控制策略研究[J].西安理工大学学报，2012, 28(4)：421-426.

Zhi Na, Zhang Hui, Xing Xiaowen. DC microgrid coordinated control strategy research[J].Journal of Xi’an University of Technology,2012,28(4):421-426.

[3] 赵清林,郭小强,邬伟扬. 单相逆变器并网控制技术研究[J]. 中国电机工程学报,2007,27(16):60-64.

Zhao Qinglin，Guo Xiaoqiang，Wu Weiyang. Research on control strategy for single-phase grid-connected inverter[J]. Proceedings of the CSEE,2007,27(16):60-64.

[4] 李鹏.基于随机数直接搜索法的PID控制参数整定及鲁棒PID控制参数整定[D].北京：北京化工大学,2006.

Li Peng. PID parameter tuning and robustness PID tuning based on LJ method[D].Beijing: Beijing University of Chemical Technology,2006.

[5] 王建虹.一种高可靠性双机冗余系统的设计[J].国外电子测量技术,2008,27(4):42-44.

Wang Jianhong. Highly reliable hot standby redundant system of computer[J]. Foreign Electronic Measurement Technology,2008,27(4):42-44.

[6] 毛南.实时双机嵌入式容错系统的研究及应用[D]. 北京：中国农业大学,2007.

Mao Nan. Real fault-tolerant dual embedded system and investigation of schedulability[D]. Beijing:China Agricultural University,2007.

[7] 张汨.双机系统的冗余及仲裁策略研究[D].成都：电子科技大学,2010.

Zhang Mi. Research on fault-tolerance technology in dual redundancy computer[D].Chengdu: University of Electronic Science and Technology of China,2010.

[8] 冯秀丽.基于解析冗余技术的动态系统故障诊断方法研究[D].南京：南京理工大学,2004.

Feng Xiuli. Fault and diagnosis based on Redundant technology [D].Nanjing: Nanjing University of Science & Technology,2004.

[9] 钱华明.故障诊断与容错技术及其在组合导航系统中的应用研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2004.

Qian Huaming. Research on fault diagnosis and tolerant technology and its application to integrated navigation system[D].Harbin: Harbin Engineering University,2004.

[10] 张艳辉.双机冗余综合导航信息处理系统研究与设计[D]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学,2009.

Zhang Yanhui, The study and design of dual Computer redundancy integrated navigation[D]. Harbin: Harbin Engineering University,2009.

[11] 程海燕.智能交通信号协调控制系统研究[D].西安：西北工业大学,2006.

Cheng Haiyan. Research on intelligent traffic signal coordinated control system[D].Xi’an: Northwestern Polytechnical University,2006.

[12] 丁鑫. 基于网络冗余技术的应用[J]. 工业控制计算机,2014,(5):162,164.

Ding Xin. Application of network redundancy[J]. Industrial Control Computer,2014,(5):162,164.

[13] 苏奎峰,吕强,常天庆,等.TMS320F281x DSP原理及C程序开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008.

[14] 钟志国,周春桃,万金良. 冗余技术在维持DCS系统稳定运行中的作用[J]. 自动化应用,2012,(6):4,6.

Zhong Zhiguo, Zhou Chuntao, Wan Jinliang. Redundant technology applied in stable operation of DCS system[J]. Automation Application,2012,(6):4,6.

[15] 杨东东,马红光,徐东辉. 单输入单输出系统故障检测中匹配混沌激励的设计[J]. 物理学报,2014,63(12):79-87.

Yang Dongdong, Ma Hongguang, Xu Donghui. Design of the matched chaotic stimulation for fault detection of the single input single output system[J]. Acta Physica Sinica, 2014,63(12):79-87.

[16] 范永刚,陈曦.基于DSP的光伏发电并网系统研究[J].自动化博览,2012,(3):72-74.

Fan Yonggang,Chen Xi.Research on DSP-based photovoltaic grid-connected system[J]. Automation Panorama,2012,(3):72-74.

[17] 盛慧.基于单片机的8位频率计设计[J].信息与电脑，2011,(3):47-48.

Sheng Hui. Design of the 8 frequency meter based on SCM technology[J]. China Computer & Communication,2011,(3):47-48.

[18] 朱琳,刘爽,张伟.用于调Q的高压、超快脉冲发生器[J].现代电子技术，2009,(15):101-107.

Zhu Lin, Liu Shuang, Zhang Wei.High speed and voltage pulse generation for Q-switching[J].Modern Electronics Technique,2009,(15):101-107.

[19] 张玉杰.单片机软件监视抗干扰技术[J].陕西科技大学学报，2003,21(1):81-83.

Zhang Yujie. Design of anti-interference using software watchdog in MCU[J]. Journal of Shaanxi University of Science & Technology,2003,21(1):81-83.

[20] 周东华,史建涛,何潇. 动态系统间歇故障诊断技术综述[J]. 自动化学报,2014,40(2):161-171.

Zhou Donghua, Shi Jiantao, He Xiao. Review of intermittent fault diagnosis techniques for dynamic systems[J]. Acta Automatica Sinica, 2014,40(2):161-171.

[21] 高昆,陈勇.导弹地面测试系统液压源组件的研制[J]. 兵工自动化,2006,25(8):81-82.

Gao Kun,Chen Yong. Development of hydraulic power source subassembly for missile ground measurement system[J]. Ordnance Industry Automation,2006,25(8):81-82.

[22] 刘明华,南海鹏,余向阳. 基于非线性主元分析的水轮机调节系统传感器故障诊断[J]. 西安理工大学学报,2012,28(2):204-209.

Liu Minghua, Nan Haipeng, Yu Xiangyang. Fault diagnosis for sensors of hydro turbine regulation system based on nonlinear component analysis[J].Journal of Xi’an University of Technology,2012,28(2):204-209.

[23] 李婵虓,牛犇,曾嵘. 基于光电电场传感器的复合绝缘子内部绝缘故障检测[J]. 高电压技术,2014,40(8):2422-2428.

Li Chanxiao, Niu Ben, Zeng Rong. Detection of internal insulation defects of composite insulator based on electro-optic electric field sensor[J]. High Voltage Engineering, 2014,40(8):2422-2428.