实时多任务系统在发电机励磁调节器中的应用

王 勤，李显彤

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨150040)

在电力系统的运行中，同步发电机的励磁系统起维持发电机或系统的电压水平、合理分配发电机间的无功负荷、提高电力系统的静态稳定性和动态稳定性的作用［1］。目前，国内运行的发电机励磁调节器的软件平台一直采用单任务操作系统。对于外设控制终端少、任务单一的应用程序，可以采取一个定时主循环和其他顺序调用的子程序模块方案［2］。但是随着励磁系统控制软件功能日益繁多和要求实时响应的任务增多，对主循环控制周期要求更精确，单任务系统的软件方案可能会造成控制主循环的延时未响应和多子程序模块之间的资源分配及动态调整不当，从而引起死机重启。本文结合励磁调节器的实际运行特点和软件功能要求，分析实时多任务操作系统在其软件运行中的应用，实现调节器可靠的多任务实时响应。

1 实时多任务操作系统概述

实时多任务操作系统是指能够及时响应外部事件的请求，在规定的严格时间内完成对该事件的处理，并控制所有实时设备和实时任务协调一致工作的操作系统，其主要特点为对多任务的并行处理和对事件响应时间的确定［3］。

多任务并行处理体现在系统的多线程并行处理技术。针对每一个任务或子程序都设置一定的优先级，占有各自的CPU寄存器和栈空间。这样，每个子程序变形成一个单独的工作循环，有不同的运行状态［4］。

事件响应确定性的主要性能特征为本身时间的精确性、循环周期及理论值和实际运行循环周期的差别。实时系统的时间确定性保证了重要任务的实际执行周期控制在每个抖动时间的误差之内。

2 单/多任务系统编程方法的比较

2.1 单任务系统中励磁调节器软件的编制

传统的控制程序是线性程序，直观，易于理解;程序的流向固定，缺乏灵活性，难以运用在复杂系统中。在单任务系统中，运行励磁调节器软件中的各功能模块按顺序执行，有时为了保证可靠性，在程序中运用大量的延时循环等待语句［5］。但是不同功能模块对运行速率要求不同，对实际的反应时间要求也不同，如此浪费了很多CPU的资源和时间。

励磁系统调节器是双机冗余，互为主备。软件功能包括系统初始化、输入信号处理部分、调节控制部分和通信部分。输入信号处理部分包括模拟量采集处理、数字量输入输出;调节控制部分是调节器的核心，不但要完成电压调节、电流调节、恒无功调节等方式的要求，而且要完成大量的报警、限制功能和数据记录存储功能;通信系统包括双机之间的通信与跟踪，双机分别与人机交互系统之间的通信，以及双机和励磁系统外部设备之间的通信。整个调节器控制程序是一个完整的定时循环，按照常规的机组运行状态逐步运行，检查判断项跳转，但是不可以越步骤执行［6］。也就是说，当后面的判断条件更改时，需要逐步执行到此判断条件的语句才可以生效。在励磁系统运行中这是应该避免的，尤其是对故障或停机信号的响应。另外，为保证励磁系统的运行可靠性，对外部输入信号的检测需要延时准确判断，这又是对CPU资源的一种浪费。

2.2 实时多任务系统中励磁调节器软件的设计框架

在实时多任务系统中，程序的编写比较灵活，分成各自独立的任务，每个任务可独立编写，分配总资源，根据重要程度设置时间确定任务和优先级。总任务负责调度，执行顺序比较灵活［7］，不必在分任务中浪费CPU循环等待。程序的流向按照总调度的数据方向，根据设备的实际运行状态相应调整，子程序不存在固定先后顺序的问题。如有要求，程序的升级扩充相对比较简单，只需更改相关的独立模块，不用去全面更改源程序的整体结构。实际励磁设备运行中程序的调试也相对比较容易实现。实时多任务系统下励磁调节器的软件结构如图1所示。

整体上按照设备的功能分为变量定义与映射、数据处理、与励磁外设间通信、调节、限制保护报警五大部分，每部分有数个子任务。子程序按照独立功能单独编写，总程序负责根据励磁调节器的实际工况，按照规律调用子程序。在调节器控制循环的同时，各种限制、保护、报警等任务也在运行，出现异常可以及时响应。数据记录在励磁设备的运行中是十分重要的，可以并行于调控程序，而不必等待程序轮询，这样保证了运行和试验的真实数据存档。

图1 实时多任务系统下励磁调节器的软件结构示意框图

3 励磁调节器实时多任务系统软件功能的实现

使用实时多任务系统来编制调节器软件时，采用多任务并行处理的技术，需实现如下几个重要功能。

1)时间确定性的实现。励磁调节器功能繁多、相互影响，时间确定性的任务应该是励磁设备实时性要求最关键的任务。在具体的励磁调节器软件设计中，三相电压电流模拟信号的同步采样处理、控制角计算、触发脉冲的形成是要求时间确定性的［8］。模拟信号的采集处理，数字信号的输入，与外设之间通信信号优先级次之;数字信号的输出，数据存储等较低优先级。这只是大致分类，具体每一个子任务虽然属于一类模块，但是优先级也不同。例如，数字信号的输入输出，根据不同的信号要划分不同的响应优先级。

2)存储映射的实现。励磁调节器双机主备，这就要求双机的实时通信以及双机与人机界面的信息交互，采用共享变量映射实现通讯功能，节省了硬件资源，提高了速率。再加上为了调试方便，各种状态下要读取状态变量的值，这就要求软件编制中将所有的物理量、计算量和中间变量定义出相应的机组数据库。

实时多任务系统下编程分任务模块编程，也可分模块单独测试。调节器程序中关键控制环节设置为时间确定性任务，可严格保证要求的时间精准性，其它多任务如通信、报警等并行运行，在系统资源分配合理的情况下，无程序中断及延时等待。

4 结语

本文根据实时多任务系统的特点和励磁调节器的功能要求，分析了在励磁调节器程序编制中的多任务并行的必要性，并且可保证重要控制程序的时间确定性。给出实时多任务系统中励磁调节器软件的设计框架和编制方法。经过实践测试及分析，实时多任务系统中励磁调节器软件可以实现精准控制调节周期等功能，实现调节器可靠的多任务实时响应，较好地解决任务响应延迟、输入信号需等待处理等问题。同时，在实际的框架搭建和编程中，由于任务划分和总程序调度还有很大的难度和较大的优化空间，因此需要进一步的试验和完善。

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