（控制理论与控制工程专业论文）馈线远方终端之cpu模块的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 配电自动化是电力系统现代化的必然趋势，因为它可以大大提高配电网运行 的可靠性和效率，提高电能的供应质量馈线自动化( f a f e e d e ra u t o m a t i o n ) 是 配电自动化中的一个子集，它是指在正常情况下，远方实时监视馈线分段开关与 联络开关的状态和馈线电流、电压情况，并实现线路开关的远方合闸和分闸操作； 在故障时获取故障记录，并自动判别和隔离故障区域以及恢复对非故障区域供 电馈线远方终端( f 1 u f e e d e rt e r m i n a lu n i t ) 是目前馈线自动化系统的核心 单元，其主要功能就是远方数据采集和处理以及与主站的通信。f 1 u 一般由c p u 模块、互感器模块、咖模块、电源模块、充电器、蓄电池、外壳及各种附件组 成。本课题的主要内容是研制c p u 模块，包括硬件的设计和软件的算法设计和 实现。 整个硬件电路的设计采用p r o t e l9 9s e 完成，m a x 7 1 2 8 s 的内部逻辑实现还 采用了m a xp l u si i1 0 3 来完成。采用高性能的数字信号处理器t m s 3 2 0 f 2 0 6 作 为c p u 。提高了整个系统的数据处理能力；采用具有同步采样功能的m a x l 2 5 芯片，可以消除各相电压和电流由于非同步测量而带来的相位差；采用一片复杂 可编程逻辑器件m a x 7 1 2 8 s 来实现遥信输入，遥控输出和全部的译码电路，简 化了硬件电路的设计；采用硬件测频电路实时跟踪电网的频率，进而实时地改变 a b 的采样间隔，最大限度地保证了采样点在一个周期内的均匀分布 软件的开发是在t i 公司的集成丌发环境c o d e c o m p o s o r 4 2 中完成的。除极 少数涉及c p u 寄存器的部分采用汇编语言外，绝大多数程序采用标准c 完成。 本课题采用了嵌入式实时操作系统g c o s i iv 2 5 2 作为整个软件的基础。在成功 地将i t c o s i i 移植到1 = 2 0 6 上之后，根据f t u 应完成的功能将整个的应用软件分 解为多个任务，如遥测处理任务、遥信处理任务和保护任务等其中在保护任务 中，本课题采用了基于f f t 的全周傅立叶算法( 以下简称f f t 算法) ，提高了故 障检测的准确性，同时可以为谐波分析提供原始依掘。通信任务采用目前流行的 d n p 3 0 作为f t u 与配网子站或控制中心的通信规约。既大大提高了数据传送的 可靠性又充分保证了产品的兼容性。 通过对样板的测试表明，采用d s p 作为c p u 可以提高有效值计算和f f t 等数字信号处理的运算速度和精度。而在f t u 中采用r t o s 可以大大提高系统 的实时性特别是提高了遥信处理和保护处理等较高优先级任务的响应速度。同 时以! u c o s i i 作为整个软件体系的基础，非常方便应用软件的模块化设计可以 山东大学硕士学位论文 提高整个软件的可靠性，并且可以缩短丌发周期。通信任务采用增强协议结构的 d n p 3 0 作为通信规约，整个任务的层次结构非常清晰，也体现了软件的模块化 设计思想。 关键字：馈线远方终端数字信号处理器实时操作系统快速傅立叶变换 分布式网络规约 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ni sa ni n e v i t a b l ed i r e c t i o ni nt h em o d e r n i z a t i o np r o g r e s s o fp o w e rs y s t e m ，b e c a u s ei tc a l lo b v i o u s l yi m p r o v et h er e l i a b i l i t ya n de f f i c i e n c yo f d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，r a i s et h eq u a l i t yo fs u p p l i e dp o w e re n e r g y f e e d e ra u t o m a t i o ni s as u b s e to fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o n , w h i c hr e f e r at h a ti nc o m m o nc o n d i t i o nb r e a k e r s s t a t u sa n df e e d e r s c u r r e u ta n dv o l t a g ea r et e l e - w a t c h e di nt h ec o n t r o lc e n t e rw h i l e b r e a k e r s b r e a k i n go rc l o s i n go p e r a t i o nc a nb em a n i p u l a t e db yt h ec e n t e rw h e ni n n e e d ，i nf a u l ts i t u a t i o ni ta l s oa q u i r e st h ef a u l ti n f o m a t i o n ，d e c i d e sa n di s o l a t e st h ef a u l t a r e a ，a n dr e s u m e st h ep o w e rs u p p l y i n go fn o n - f a u l ta r e a f t u s ( f e e d e rt e r m i n a lu n i 0 a r et h ec o r eo fd i s t r i b u t i o na u t o m a t i o ns y s t e m ，w h oa r em a i n l yi nc h a r g eo fb o t ht h e r e m o t ed a t aa c q u i s i t i o na n dc o m m u n i t c a t i o nw i t hm a s t e rs t a t i o n f t u sa r em a d eu p o fc p um o d u l e ，和m o d u l e ，p o w e rs u p p l ym o d u l e ，c h a r g e r , s t o r a g eb a t t e r y , s h e l la n da l l k i n d so fa c c e s s o r i e s t h i sp a p e ri sl i m i t e do n l yt ot h ed e v e l o p m e n to fc p u m o d u l e ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h ea l g o r i t h mi m p l e m e mo f s o f t w a r e t h ew h o l eh a r d w a r ec i r c u i t d e s i g nw a sa c c o m p l i s h e d i np r o t e l9 9s e , f u r t h e r m o r e t h ei m p l e m e n to fm a x 7 1 2 8 si n n e rl o g i cw a sf i n i s h e di nm a xp l u sh v i o 3 t h eh i g h p o w e r e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r - - t m s 3 2 0 f 2 0 6i su s e da sc e n t r a l p r o c e s s i n gu n i t ，w h oc a ni m p r o v et h ed a t ap r o c e s s i n ga b i l i t yo f t h ew h o l es y s t e m t h e s i m u l t a n e o u s l ys a m p l i n ga dc o n v e r t e r - - m a x l 2 5i sa d o p t e dt od e c r e a s et h ep h a s e d i f f e r e n c eb e t w e e nv o l t a g ea n dc u r r e n tb e c a u s eo f n o n s y n c h r o n o u ss a m p l i n g ap i e c e o fc o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e - 一m a x 7 1 2 8 si si n t r o d u c e dt oa c c o m p l i s h t h et a s ko ft e l e i n d i c a t i o ni n p u t ，t e l e c o n t r o lo u t p u ta n dd e c o r d e r , a sc a nd r a s t i c a l l y s i m p l i f yt h ec i r c u i tb o a r dd e s i g n a l s o ，t h ea u t h o rd e v i s e saf r e q u e n c ym e a s u d n g c i r c u i tt ot r a c kt h ef l u c t u a t i o no fp o w e rn e t w o r kf r e q u e n c y , a c c o r d i n g l ya d j u s t i n gt h e s a m p l i n gi n t e r v a lo f 印c o n v e r t o r st og u a r a n t e et h ef u r t h e s te v e nd i s t r i b u t i n go f s a m p l i n gv a l u e si nac y c l e s o f t w a r ep r o g r a m m i n gw a sc o m p l e t e di nc o d ec o m p o s o r4 2 ，a ni n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tp r o v i d e db yt e x a si n s t r u m e n t s m o s tp r o g r a m m ew a s a c c o m p l i s h e dw i t ha n s icl a n g u a g e ，e x c e p tv e r yl i t t l er e l a t i n gt oc p ur e g i s t e r sw i t h a s s e m b l e l a n g u a g e t h i sp a p e ri n t r o d u c e s t h ee m b e d d e dr e a l - t i m eo p e r a t i n g 山东大学硕士学位论文 s y s t e m 一t t c o s i iv 2 5 2 a st h eb a s e o fw h o l es o f t w a r e s y s t e m a f t e rp c o s i i s u c c e s s f u l l yt r a n s p l a n t e di n t of 2 0 6 t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sd e v i d e di n t os e v e r a l t a s k ss u c ha st a s kt e l e m e t e r i n g ，t a s kt e l e i n d i c a t i o n ，t a s kc o m m u n i c a t i o na n d o n i nt a s kp r o t e c t i o n ，t h ea u t h o ra d o p t sf f t a l g o r i t h mt oi m p r o v et h ea c c u r a c yo ff a u h d e l e t i o n ，a tt h es a m et i m ep r o v i d i n go r i g i n a ld a t af o rh a r m o n i ca n a l y s i s i nt a s k c o m m u n i c a t i o nd n p 3 0i si n ”o d u c e da st h ep r o t o c o lb e t w e e n 刖sa n dm a s t e r s t a t i o n ，n o to n l yi n c r e a s i n gs h a r p l yt h ed e p e n d a b u i t yo fd a t at r a n s m i s s i o nb u ta l s o e n s u r i n gs t r o n g l yt h ec o m p a t i b i l i t yw i t ho t h e rc o m p a n y sp r o d u c t s t h er e s u l to ft e s ts h o w st h a tt h eo p e r a t i n gs p e e da n dc a l c u l a t i o np r e c i s i o ni n d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gh a sb e e ni n c r e a s e dd r a s t i c a l l yb yu s i n gf 2 0 6 m o r e o v e r , t h e s y s t e mr e a lt i m ep e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l yt h er e s p o n s es p e e do fh i g h e rp r i o r i t yt a s k s s u c ha st a s kt e l e i n d i c a t i o na n dt a s kp r o t e c t i o n , h a sb e e ni m p r o v e dd i s t i n c t l yw i t h t h eu s eo fr t o si n 刑p r o d u c t s a l s o i _ t c l o s i ib e i n gi n t r o d u c e da st h eb a s i so f w h o l es o f t w a r en o to n l yf a c i l i t a t e dt h em o d u l i z a t i o nd e s i g na n di n c r e a s e dt h e d e p e n d a b i l i t yo fa p p l i c a t i o ns o f t w a r e ，b u t a l s or e d u c e dt h ed e v e l o p i n gt i m e a n d b e c a u s eo fd n p 3 0b e i n ga d o p t e da s p r o t o c o l ，t h ea r c h i t e c t u r e o fw h o l et a s k c o m m u n i c a t i o nl o o k sv e r yc l e a r , a sa l s oc a r r y so u tt h em o d u l i z a t i o ni d e ai nd e s i g n i n g s o f t w a r e k e y w o r d s ：f e e d e rt e r m i n a lu n i t ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ； r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ；f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ；d n p 3 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 关于学位论文使用授权的声明 一本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名：孑生能日期： 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 配电自动化 配电自动化系统是对配电网上的设备进行远方实时监视、协调及控制的一个 集成系统，它是近几年来发展起来的新兴技术和领域，是现代计算机技术和通信 技术在配电网监视与控制上的应用。配电自动化可以大大提高配电网运行的可靠 性和效率，提高电能的供应质量，降低劳动强度，充分利用现有设备的能力。“ 1 1 1 配电自动化的意义 配电自动化是电力系统现代化的必然趋势，其主要意义在于：在正常运行情 况下，通过监视配网运行工况，优化配网运行方式；当配网发生故障或异常运行 时，迅速查出故障区段及异常情况，快速隔离故障区段，及时恢复非故障区域用 户的供电，缩短对用户的停电时间，减少停电面积；根据配网电压合理控制无功 负荷和电压水平，改善供电质量，达到经济运行的目的；合理控制用电负荷，从 而提高设备利用率；自动抄表计费，保证抄表计费的及时和准确，提高企业的经 济效益和工作效率，并可为用户提供自动化的用电信息服务等 1 1 2 配电自动化的功能要求 配电自动化系统必须能够采集配电网上的实时数掘( 即遥测和遥信) ，并对 其进行分析，从而使调度员能够随时监视网上运行情况和作出明智的决策。此 外，还要求能够通过遥控和遥调在控制中心就能对配电网进行必要的操作，从 而缩短故障处理时问和降低劳动强度。归纳起来。d a 有三个基本的功能要求。 即对配电网进行安全监视、控制和保护对配电网的安全监视功能是指通过采 集配电网上的状态量( 如开关位置和保护动作情况等) 和模拟量( 如电压、电流和 功率等) 以及电度量，从而对配电网的运行状况进行监视对配电网的控制功能 是指在需要的时候。远方控制开关的合闸或跳闸以及有载调压设备升压或降压， 以达到所期望的目的( 如满足电压质量的要求、无功补偿和负荷平衡等) 对配 电网的保护功能是指检测和判断故障区段并隔离故障区域。恢复j 下常区域供 电 配电自动化系统不但比输电网自动化系统对于设备的要求高。而且规模也 山东大学硕士学位论文 要大得多因而建设费用也要商很多配电自动化系统的难点主要体现在以下 几个方面： 1 ) 配电自动化系统的测控对象为进线变电站、1 0 k v 丌闭所、小区变电所、 配电变电所，分段开关、并联补偿电容器、用户电能表和重要负荷等，因此站 点非常多，通常要有成百上千甚至上万点之多因此要求设备的可靠性和可维 护性一定要高，否则电力公司会陷入繁琐的维修工作中同样，由于配电自动 化系统的站端设备很多。每台设备的成本就受至0 限制，否则整个系统造价会过 高，影响配电自动化潜在效益的发挥。 2 ) 配电自动化系统中的大量的站端设备不能安置在室内，如测控馈线分段 开关的馈线r t u ，就必须安放在户外，我们称这类安放于户外的远方终端为现 场r t u 。对于现场r t u ，因为其工作环境恶劣，通常要求在2 5 7 5 。c ，湿度高 达9 0 的环境下工作，这样设备的关键部分就必须采用工业级的芯片，还要考 虑防雨、散热、防雷等因素，这更要求配电自动化系统中的站端设备具有较高 的可靠性。这就不仅导致设备制造难度大，而且造价也高于户内设备。 3 ) 由于d a s 的站端设备数量非常多，会大大增加通信系统建设的复杂性。 因此往往综合采用多种通信方式，并采取多层集结的方式，以减少通道数量和 充分发挥高速信道的能力，这样就更加增加了通信系统的建设难度此外，在 配电自动化系统中，众多的站端设备难以采用统一的通信规约，进一步使问题 复杂化。 4 ) 在配电自动化系统中，还将面临输电网自动化中难以遇到的一些问题， 其中最重要的是控制电源和工作电源的提取问题。故障位置判断、隔离故障区 段与恢复正常区域供电，是配电自动化最重要的功能之一为实现这项功能必 须确保在故障期间能够获取停电区域的信息，并通过远方控制跳丌一部分丌关。 再合上另一些开关可是由于该区域停电，无论是计算机系统工作所需的电源 或者是通信系统所需的电源，以及跳闸或合闸所需的操作电源，都成了问题。 此时往往不得不安放足够容量的蓄电池以维持停电时的电力，与之配套还需要 有充电器和逆变器。 1 1 3 配电自动化的发展现状 因外的配电自动化的发展经历了从各种单项自动化林立，号称为“多岛自 动化”的配电系统。向丌放式、一体化和集成化的综合自动化方向发展的过程 2 山东大学硕士学位论文 目前已经具有相当的规模，并且从提高配电网运行的可靠性和效率，提高供电 质量，降低劳动强度，充分利用现有设备的能力，缩短停电时间和减少停电面 积等方面，均带来了可观的经济效益和社会效益。目前国外j 下致力于配电自动 化专家系统和配电网仿真培1 1 系统等研究，并且在研究通过负荷分配的优化来 减少网损，对变压器负荷进行管理，以最大限度地利用变压器容量并降低系统 有功损耗，以及按即时电价对用户负荷进行管理等 国内不少企业已成功地研制出能够满足配电自动化要求的产品，比如可靠 的柱上真空开关、重合器、馈线远方终端( f t u ) 、变压器终端单元仃t u ) 、开闭 所、小区变远程终端( r t u ) ，配电网地理信息系统( g i s ) 、负荷监控系统、配网 管理信息计算机网络、智能式电度表及远方抄表计算机系统，以及各种数据传 输设备( d c e ) 等。因此。从技术上讲实现配电自动化已没有任何困难。 1 2 馈线自动化 馈线自动化( f e e d e r a u t o m a t i o n 简称f a ) 是配电自动化中的一个子集，它是 指在正常情况下，远方实时监视馈线分段丌关与联络丌关的状态和馈线电流、 电压情况，并实现线路开关的远方合闸和分闸操作；在故障时获取故障记录、 并自动判别和隔离馈线故障区段以及恢复对非故障区域供电。 1 2 1 馈线自动化系统的组成结构 早在半个世纪前，国外就采用重合器或断路器与分段器、熔断器的配合使 用来实现馈线自动化，它对提高供电可靠性、减小运行费用具有一定作用。但 是这种方式的自动化程度不高，并且存在许多不足。基于重合器的馈线自动化 系统仅在线路发生故障时能发挥作用，而不能在远方通过遥控完成正常的倒闸 操作，不能实时监视线路的负荷。因此无法算握用户用电规律，也难于改进运 行方式。对于多电源的网格状网当故障区段隔离后，在恢复健全区段供电， 进行配电网络重构时，也无法确定最优方案“1 基于f t u 和通信网络的馈线自动化系统较好地解决了上述问题。典型的基 于f t u 的馈线自动化系统的组成如图1 1 所示： 山东大学硕士学位论文 一後缝 。卧” 拄翻技一麓l 胄钱 分段玎戈 。簸络歼戈i l 断鼹嚣 嘲i 1 肇于f l t 静馏鲢妇旃他最绶的壤威 1 2 2 馈线远方终端的功能 f t u 是基于f t u 的馈线自动化系统的核心设备。各f t u 分别采集相应柱 上开关的运行情况，如负荷、电压、功率和开关当前位置、贮能完成情况等， 并将上述信息由通信网络发向远方的配电网自动化控制中心各f 1 u 还可以接 受配网自动化控制中心下达的命令进行相应的远方倒闸操作在故障发生时， 各f t u 记录下故障前及故障时的重要信息，如最大故障电流和故障i ；i 的负荷电 流，最大故障功率等，并将上述信息传至远方控制中心，经计算机系统分析后 确定故障区段和最佳供电恢复方案，最终以遥控方式隔离故障区段、恢复健全 区段供电。对f t u 的性能要求如下：f 1 1 ( i ) 遥信功能。f t u 应能对柱上丌关的当前位置、通信是否j 下常、贮能完 成情况等重要状态量进行采集。若f t u 自身有微机继电保护功能的话，还应对 保护动作情况进行遥信。 ( 2 ) 遥测功能。f t u 应能采集线路的电压、丌关经历的负荷电流和有功功 率、无功功率等模拟量一般线路的故障电流远大于正常负荷电流，要采集故 4 山东大学硕士学位论文 障信息必须能适应输入电流较大的动态变化范围。刚一般还应对电源电压及 蓄电池剩余容量进行监视。 ( 3 ) 遥控功能。f 1 u 应能接受远方命令控制柱上开关合闸和跳闸等 ( 4 ) 统计功能f t u 还应能对丌关的动作次数和动作时间及累计切断电流 的水平进行监视。 ( 5 ) 对时功能。兀u 应能接受主站的对时命令，以便和系统时钟保持一致 ( 6 ) 事件顺序记录( s o e ) 记录状态量发生变化的时刻和先后顺序 ( 7 ) 事故记录记录事故发生时的最大故障电流和事故前一段时间( 一般是 i m i n ) 的平均负荷以便分析事故，确立故障区段，并为饮复健全区段供电时进 行负荷重新分配提供依据。 ( 8 ) 定值远方修改和召唤定值。为了能够在故障发生时及时地启动事故记 录等过程，必须对f t u 进行整定，并且整定值应能随着配网运行方式的改变而 自适应。为此，应使兀1 j 能接收d a s 控制中心指定修改的定值，并使d a s 控 制中心可以随时召唤刖的当前整定值。 ( 9 ) 自检和自恢复功能。f 1 u 应具有自检测功能。并在设备自身故障时及 时告警；f 1 u 应具有可靠的自恢复功能，一旦受干扰造成死机，则通过监视定 时器( w d t ) 重新复位系统恢复正常运行。 ( 1 0 ) 远方控制闭锁与手动操作功能。在检修线路或开关时，相应的f t u 应 能具有远方控制闭锁的功能，以确保操作的安全性，避免误操作造成的恶性事 故。同时，f t u 应能提供手动合闸跳闸按钮，以备当通道出现故障时能进行 手动操作，避免上杆直接操作开关 ( 1 1 ) 远程通信功能。f 1 u 具有远程通信功能，只须提供标准的r s 2 3 2 或 r s - 4 8 5 接口就能和各种通信传输设备( d c e ) 相连其中的关键问题是f t u 的通 信规约。 另外，还有以下三项功能可以进行选择。 ( 1 ) 电度采集。f t u 对采集到的有功和无功功率进行积分可以获得粗略的 有功和无功电能值，对于核算电费和估算线损有一定的意义 ( 2 ) 微机保护虽然在选用柱上丌关时，可以选择过流脱扣型设备，即利 用丌关本体的保护功能。但利用f t u 中的c p u 进行交流采样构成的微机保护。 则具有更强的功能和灵活性，因为这样做可以使定值自动随运行方式调整从 而实现自适应的继电保护策略。 5 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 故障录波。尽管故障时的电流、电压的波形记录是否具有作用仍是一 个有争议的问题但是对于我国这样的中性点不接地的配网，对零序电流的录 波用来判断单极接地区段显然是十分有效的。 1 2 3 馈线远方终端的组成结构 作为一个独立的智能设备，f 1 u 由c p u 模块、互感器模块、i o 模块、电源 模块、充电器，蓄电池、外壳及各种附件组成。c p u 模块是兀u 的核心，f 1 u 的主要功能就是由它来完成的，如遥测和遥信的测量、逻辑计算、遥控输出和通 信处理等。c p u 模块一般由高性能的嵌入式m c u 或d s p 来完成。互感器模块 主要包括c t 板和p t 板，因为互感器的二次输出为1 0 0 v 5 a 的信号，还必须再 经过该模块才能变换为a d 芯片可以接受的正负5 v 的电压信号。蓄电池在刖 中是不可或缺的，主要作为刖所有供电电源的后备电源。充电器完成交流降 压、整流和隔离，完成蓄电池的充放电管理，多电源自动切换，蓄电池容量监视 等功能。各种附件包括就地控制把手，分合闸按钮，指示灯和接线端子排等一 个典型f 1 u 的系统框图如图1 2 所示：n - 光纤接口 c 雕模块【雌2 3 2 接n f g s 4 9 5 棱口 l什h 揆块 控和；输出及 拜关量埃拟量辣冲量采艇模块 + l i i 簿模块 l： 接线端f 也池 交城 1 3 本课题的主要内容 圈i 2 阿u 结构把图 本课题的主要任务是研制f t u 中的c p u 模块，包括硬件的设计和软件的算 法设计及实现 整个硬件电路的设计采用p r o t c l9 9s e 完成，m a x 7 1 2 8 s 的内部逻辑实现还 6 山东大学硕士学位论文 要采用m a xp l u si i1 0 3 来完成为了提高整个系统的数据处理能力，有必要考 虑采用高性能的数字信号处理器作为c p u 为了消除各相电压和电流由于非同 步测量而带来的相位差，必须采用具有同步采样功能的a d 芯片由于f t u 还 需要采集开关的分合状态和对开关进行远方倒闸操作，故而还需要设计遥信输入 和遥控输出电路。为了简化了电路设计，也为了减少p c b 布线的复杂性，遥信 输入、遥控输出和全部的译码电路采用一片c p l d 芯片来实现电网的实际频率 是在5 0 h z 上下浮动的，要保证f f t 算法的精度，必须对频率进行跟踪，因此有 必要设计测频电路。刖的另一个重要功能就是将采集到的各种信息向控制中 心传送，同时根据接收到的控制中心下发的命令进行相应的操作因此f 1 u 还 应当包含串行通信电路。由于f 1 u 的工作环境非常恶劣，必须有相应的抗干扰 措施，因此看门狗和硬件复位电路是必不可少的。除此之外，兀u 还应能上报 s o e ，需要有比较精确的实标，日历时钟电路也是必不可少的。最后由于在f 1 u 中需要保存保护定值和串行通信格式等信息，这些信息在掉电之后仍需保持，故 而必须有n v r a m 的支持。 在嵌入式应用中使用实时操作系统( r t o s ，r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 不仅 已成为当前嵌入式应用的一个热点、一种时尚，而且在嵌入式应用中使用r t o s ， 可以简化应用软件的设计，最大限度地提高控制系统的实时性，同时模块化的设 计思想有助于提高系统的稳定性与可靠性。故而本课题还要研究r t o s 及其在 f 2 0 6 中的移植。 仅仅移植成功一个r t o s 还是远远不够的，还必须在此之上开发应用软件 软件开发计划在t i 公司的集成开发环境c o d ec o m p o s o r4 2 中完成为了加快 开发速度，同时增强软件的可移植性，除极少数涉及c p u 寄存器的部分采用汇编 语言外，绝大多数程序准备采用标准c 完成。首先必须根掘f 1 u 应完成的功能 将整个的应用软件划分为多个任务，如遥测处理任务、遥信任务和保护任务等， 并合理分配各个任务所需要的堆栈空日j 。此外中断服务予程序仍然是必需的。其 次任务所使用的全局变量及其物理内存的分配情况也需要精心设计最后任务间 以及任务和i s r 之日j 的通信机制也要仔细规划。在遥测任务中，需要计算电压电 流的有效值和功率，而在保护任务中，为了提高故障检测的准确性。同时为谐波 分析提供原始依掘，需要分离出基波及各次谐波。综合这两种需求后决定采用 基于f f t 的全周傅立叶算法( 以下简称f f t 算法) 。f f t 算法要求采样瞬时值必 须在一个周期内均匀分布。为此在设计测频电路的基础之上。还必须根掘频率实 7 山东大学硕士学位论文 测值对a d 的定时采样周期进行实时调整。f t u 与配网子站或控制中心的通信必 须有标准规约的支持，为此通信任务采用目前流行的d n p 3 0 ，既可以使数据传 送的可靠性大大提高，又可以充分保证产品的兼容性。 最后兀u 必须进行完整的功能测试，测试环境的搭建及测试方法应参照部 颁标准 d l t 7 2 1 2 0 0 0 配电网自动化系统远方终端中的试验方法和检验规 则的相关步骤，f 1 u 的功能应能达到部颁标准中规定的技术要求【1 4 1 2 硬件模块 2 1 结构框图 整个c p u 模块的结构如图2 1 所示： 幽2 if t u 之c p u 模块结构榧翻 整个c p u 模块有以下特点： 1 ) 采用t m s 3 2 0 f 2 0 6 为中央处理器，可以实现每秒2 0 0 c 万次定点运算； 2 ) f 2 0 6 片内集成4 5 k 的r a m ，可以存放数据或程序； 3 ) f 2 0 6 片内集成3 2 k i 勺f l a s h 存储器，可以存储固化程序或保存重要参数； 4 ) 片外扩展6 4 k 数掘存储器和2 k 的n v r a m ： 3 山东大学硕士学位论文 5 ) 3 2 通道的1 4 位分辨率、同时采样、每通道7 6 k s p s 采样率的模拟输入： 6 ) 1 6 通道的带光电隔离的数字量输入和1 6 通道的带光电隔离的数字量输出： 7 ) 1 通道测频输入：片内片外共三路异步串口，一路同步串口； 8 ) 具有看门狗和电源监测电路； 9 ) 具有仿真接口，方便软、硬件调试； 2 2 总体概况 2 2 1c p u 的选用 兀u 作为配电自动化系统( d a s ) e p 重要的组成部分，除担负最基本的测量与 控制任务外，还要与中心子站或主站通信，将来甚至还要求具有微机保护功能。 故而其核心部分一般采用高档次的1 6 位或3 2 位单片机，但在交流采样的情况下， 单片机计算u 、i 有效值以及p 、q 等参数时往往力不从心，导致实时性较差 虽然可以采用主一从结构来解决，这样无疑要增加成本d s p ( 数字信号处理器) 恰恰以数学计算( 如快速傅立叶变换f f t ) 而见长，虽然它的控制功能逊于单片机， 但由于f 1 u 只负责监控一路柱上开关，故而在这种测控量不多的情况下，一片 d s p 还是完全能够胜任的。 t i ( t e x a si n s t r u m e n t s 得州仪器) 生产的d s p 是目前市场上的主流产品。 t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列属于1 6 位定点d s p ，主要适用于电机控制、工业自动化及电力 行业我们以一片t m s 3 2 0 f 2 0 6 为核心构成f t u 的主电路，充分利用f 2 0 6 片内的 硬件外设，配以适当的a d 转换器等外围器件，即可完成测控、参数计算和通信 等任务，从而构成一款性能价格比极高的f t u 。f 2 0 6 的主要特点如下：“1 1 ) 运算速度最快可达4 0 m i p s ； 2 ) 个3 2 位算术逻辑单元a l u ，一个3 2 位累加器和一个1 6 x 1 6 位的乘法器； 3 ) 8 个1 6 位辅助寄存器和一个用于b j 接寻址的专用算术逻辑单元a r a u ； 4 ) 4 5 k 1 6 位片内r a m 和3 2 k 1 6 位片内零等待f l a s h 存储器； 5 ) 片内外设包含一个可编程定时器、一个同步串口和一个异步串口( a s p ) ； 2 2 2 存储器 9 山东大学硕士学位论文 该c p u 板上程序存储器的分配如表2 1 所示： 地址名称控制位用途 0 0 0 0 h - 4 ) 0 3 f h中断向量表 0 0 4 0 h 3 f f f h片上1 6 kf l a s h 0m p m c = 0存放固化程序 4 0 0 0 h 7 f f f h片上1 6 kf l a s h lm p m c = 0存放固化程序 数据存储器的分配如表2 2 所示： 地址名称控制位用途 0 0 0 0 h - 0 0 5 f h存储器映射寄存器c p u 寄存器 0 0 6 0 0 7 f h 片上d a r a mb 2 块3 2 字存放常量变量 0 0 8 0 h 0 1 f f h保留 0 2 0 0 h 0 2 f f h 片上d a r a mb o 块2 5 6 字c n f = 0存放运算系数 0 3 0 0 h 0 3 f f h 片上d a r a mb 1 块2 5 6 字存放常量变量 0 4 0 0 h 0 7 f f h保留 0 8 0 0 m 1 7 f f h 片上s a r a m4 k 字d o n = l存放中间数据 18 0 0 h f 6 f f h片外r a m6 4 k 字 全局局部数据 f 7 0 0 h f f f f h存储器映射外设 外设访问地址 异步串口、a d 口、开入开出口、测频输入口、看门狗刷新口、片外定时器 和n v r a m 映射到数据存储空间，如表2 3 所示： 功能 物理地址等待状态访问方式 异步串行口af 7 0 0 f 7 0 7 hl读写 异步串行口b f 7 1 0 h f 7 1 7 hl 读写 a d 输入口 f 7 3 0 h f 7 3 3 ho 读写 开入开出口f 7 3 4 h0读写 测频输入口f 7 3 5 h0只读 看门狗刷新口 f 7 3 6 h1只读 定时器日j 隔寄存器 f 7 3 7 ho只写 n v r a m 和实时时钟 f 8 0 0 h f f f f h2读写 o 山东大学硕士学位论文 2 2 3 片内外设及i o 空间 f 2 0 6 芯片的片内外围设备主要包括时钟产生器、定时器、同步串行口、异 步串行口、通用输入输出引脚及可编程等待状态产生器等，映射到i o 空间的 片内外设及寄存器如表2 4 所示： i ，o 空间名称说明 f f e 8 hc l kc l k o u t i 引脚控制寄存器 f f e c hi c r中断控制寄存器 f f f o hs d t r同步串行口发送与接收寄存器 f f f l h s s p c r同步串行口控制寄存器 f f f 4 h a d t r 异步串行口发送与接收寄存器 f f f 5 ha s p c r 异步串行口控制寄存器 f f f 6 h1 0 s r 输入 i 出状态寄存器 f f f 7 hb r d波特率除数寄存器 f f f 8 ht c r定时器控制寄存器 f f f 9 hp r d 定时器周期寄存器 f f 队h1 1 m定时器计数寄存器 f f f c hw s g r等待状态产生寄存器 时钟产生器：包括内部振荡器和内部锁相环( p l l ) 电路。时钟产生器可由内 部驱动，这时d s p 外接一晶体谐振电路即可，也可由外部时钟源直接驱动。p l l 电路把时钟源的频率乘以一特定系数产生内部c p u 时钟。本电路选择的是乘2 模式，即把外部输入的晶振频率1 0 m h z 乘以2 以2 0 m h z 的频率作为f 2 0 6 的工 作频率。 c l k o u t l 引脚控制寄存器( c l k ) ：控制在c l k o u t i 引脚上是否可得到 主时钟输出信号( c l k o u t i ) 。本电路中c l k 的b i t 0 = 0 ，在c l k o u t i 引脚上输 出c l k o u t l 信号 片上定时器：f 2 0 6 片内设置了一个1 6 位的可编程定时器，该定时器内含减 法计数器，可以通过软件控制它的停止、启动、重装及决定定时周期：它还内含 一个4 位前置分频器，有初值自动装入的功能和中断申请能力 等待状态产生器：软件可编程等待状态产生器( 不需任何外部硬件) 用于控制 f 2 0 6 与较慢的片外存储器和i o 设备接口。f 2 0 6 的等待状态产生器可产生0 7 山东大学硕士学位论文 个等待状态。这里使用的是产生2 个机器周期的等待状态。 片上异步串口( a s p ) ：用于与异步串行设备通信，最高传送速率为每秒 2 5 0 0 0 0 个字符( 假设每发送一个8 比特的字符需用1 0 比特) a s p 具有自动波特 率检测逻辑，它使a s p 自动锁定输入数据的波特率 通用输入输出引脚：1 0 0 、1 0 1 、1 0 2 和1 0 3 ，它们由映射到片内i o 空间 的输入，输出状态寄存器i o s r 中的对应比特0 0 0 - - 1 0 3 ) 所控制，可通过控制寄存器 a s p c r 独立地将这些比特配置为输人或输出。本电路只使用了1 0 0 和1 0 1 ，用于 闭锁遥控输出，只有1 0 0 = 0 且i