（控制理论与控制工程专业论文）基于tms320f2812的微机线路保护装置的研究.pdf

基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的微机线路保护测控装置的研究 摘要 目前电力系统运行的微机保护装置选用的c p u 大多数是1 6 位单片机，由于 受到处理速度的限制，很难实现更强的保护功能。软件上大多还是采用汇编语言 编程和传统的线性程序流程，不便于软件的升级与维护。本文在充分分析和汲取 当前微机保护装置的先进技术后，提出了一种基于d s p 和嵌入式实时操作系统 心0 s 的微机线路保护测控装置。 装置硬件上采用d s p 加m c u 的双c p u 结构，以1 r i 公司的d s p 处理器 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为控制核心，实现保护、测量和通信功能，以p 8 9 c 6 6 9 h 单片机 实现人机接口功能。装置的软件采用基于嵌入式实时操作系统i l c o s i i 本文在 介绍了i l c i o s 的一些基本概念之后，详尽叙述了其在t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上的移植 过程。软件部分在介绍了装置的保护配置和采取的算法之后，概要介绍了基于 i z c o s i i 平台的应用程序任务划分和设计 本文所研究的微机保护测控装置在总体方案和设计思想上有新意，完全能够 满足保护的所要实现的基本要求 关键词：微机保护、线路、d s p 、p c o s i i 、任务 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h em i c r o p r o c e s s o r l i n ep r o t e c t i o nd e v i c eb a s e do nt m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 a b s t r a c t t h ec p uo fm o s tm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o nd e v i c ea tp r e s e n ti s1 6b i t s i n g l ec h i pm i c y o e n ，b e c a u s eo ft h es l o ws p e e d , i ti sh a r df o rt h es i n g l ec h i p m i c y o c ot or e a l i z et h em o l ec o m p l e xp r o t e c t i o nf u n c t i o n i na d d i t i o n , t h es o f t w a r e d e s i g ni sb a s e do nt h ea s s e m b l yl a n g u a g ea n dt r a d i t i o n a ll i n e a r i t yp r o g r a m m ef l o w c h a r t , w h i c hm a k e sa g a i n s th a r d w a r em a i n t e n a n c ea n du p g r a d e ，e t c a _ f x t e ra n a l y z i n g a n da b s o r b i n gt h ea d v a n c e ae x p a - i e l l c ea n dt e c h n o l o g yo fc u r r e n tm i c r o p r o c e s s o r p r o t e c t i o nd e v i c e ，t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dak i n do fm i c r o p r o c e s s o rl i n ep r o t e c t i o n d e v i c eb a s e do n a r ma n de m b e a d e dr t o st t c o s - i i t h eh a r d w a r ea d o p t sa n dm c ua sd o u b l ec p uc o n f i g u r a t i o n i tu s e st h ed s p p r o c e s s o rt m s 3 2 0 f 2 8 1 2m a d ei n1 1c o m p a n ya sc o n 廿o lk e r n e lt or e a l i z et h e p r o t e c t i o n , m e a s u r ea n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n b e s i d e s ，u s m gt h ep 8 9 c 6 6 8 hs c m t o c o m p l e t et h em a n - m a c h i n ei n t e r f a c e t h es o f t w a r ed e s i g n i sb a s e do nt h e e m b e d d e dr t o st t c o s a f t e ri n u o d u c i n gs o m eb a s a lc o n c e p to ft t c o s - i i t h e p a p e re m p h a s i z e si t sn a t u r a l i z a t i o nt ot m s 3 2 0 f 2 8 1 2 a n dt h e n , t h es o i t w a r ep a r t p r e s e n t st h ep r o t e c tc o n f i g u r a t i o na n da r i t h m e t i c ；m o r e o v e r , i ti n t r o d u c e st h et a s k p a r t i t i o na n d t h ed e s i g no f t h ea p p l i c a t i o ni nd e t a i l t h em i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c em e n t i o n e di nt h i sp a p 矗i sn o v e l 毓t h e a n g l eo f c o l l e c t i v i t ys c h e m ea n dd e s i g ni d e a t h er s 1 1 l ti n d i c a t e st h es c h e m es a t i s f i e s t h eb a s a lr e q u e s to f p r o t e c t i o n k e y w o r d s ：m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n ，l i n e ，d s p ，p c o s - i i ，t a s k 插图清单 图1 - 1 变电站综合自动化系统的基本配置图。1 图1 - 2 变电站典型结构图。 图3 1 微机保护装置硬件结构图1 2 图3 2 看门狗电路1 5 图3 3 模拟量输入通道结构框图。1 6 图3 - 4 保护电流信号调理电路i 1 7 图3 5a d 7 6 5 6 功能框图1 8 图3 - 6a d 7 6 5 6 并行接口读操作数据流2 0 图3 7 a d 7 6 5 6 与f 2 8 1 2 接口原理图 图3 8a d e 7 7 5 8 外围接口电路2 2 图3 - 9 开关量输入电路 图3 1 0 开关量输出电路 图3 ，l l 以太网接口电路 图3 1 2l c d 接口电路 图3 1 3 键盘接口电路 图3 ，1 4 + 5 v 转+ 3 3 vd c d c 电路 图3 1 5 + 3 3 v 转+ 1 9 vd c - d c 电路 图4 1pc o s i i 体系结构 图4 2 函数调用时堆栈使用情况示意图 图4 3 软件总体结构框图 图4 4 定时采样中断流程图 图4 5 保护逻辑判断任务程序流程图 凹凹如药扣钞如鲍 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 垒壁王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意 学位论文作者签名：锰i 窆友签字日舻钐年，明矿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金魍王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权金 照王些盔堂可以将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， 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 管。酝 签字日期：d 谇，。月玎日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 弋 导师虢p r 车， 签字日期：0 7 年，月步e t 电话： 邮编： 致谢 在论文完成之际，非常感谢合肥工业大学电气与自动化工程学院给我这个 再次学习和提高的机会，并衷心地感谢导师温阳东教授在我学习和论文写作过程 中给予的关怀和帮助导师渊博的学识、严谨的治学、开阔的视野、认真的态度 使我受益匪浅。研究生期间，导师在学习和工作上给我很多的关怀、帮助与鼓励， 在此学生表示衷心的感谢和深深的敬意 此外论文工作得以顺利完成还要感谢实验室王海义、喻春笋、王欣、尹浩、 程柏林、孙似海、刘艳丽、姬春义、李华忠、徐飞、季本春、袁亚东、张丹丹、 王祥好、张磊等同学给予的支持与帮助，在此深表谢意。 在整个学习和工作阶段，我的妻子给予了无微不至的照顾和支持，在此对我 所有家庭成员表示诚挚的谢意和最深的感激! 作者：贾贤龙 2 0 0 7 年1 1 月 1 1 引言 第一章绪论 变电站是电力系统中的一个重要组成部分，它担负着电能转换和电能重新分 配的繁重任务，对电网的安全和经济运行起着举足轻重的作用。随着电力系统的 发展，电网结构越来越复杂，各级调度中心需要获得更多的信息，以准确掌握电 网和变电站的运行状况。同时，为了提高电力系统的可控性，要求更多地采用远 方集中监视和控制，并逐步采用无人值班管理模式。显然，传统的变电站已经远 远不能适应现代电力系统管理模式的需求。 随着我国国民经济的快速增长，电力系统也获得了前所未有的发展，变电站 综合自动化技术在电力行业中引起了越来越多的重视，并逐渐得到了广泛的应 用。近年来，随着微电子技术、计算机技术和通信技术水平的不断进步，交电站 综合自动化技术也得到了迅速的发展。目前已经成为新建和改造中低压变电站的 主导技术。 1 1 1 交电站综合自动化的基本概念 变电站综合自动化是将变电站的二次设备( 包括测量仪表、信号系统、继电 保护、自动装置和远动装置等) 经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机 技术、现代电子技术、通信技术和信号处理技术，实现对全变电站的主要设备和 输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保护以及与调度通信等综合性 的自动化功能。变电站自动化系统，即利用多台微型计算机和大规模集成电路组 成的自动化系统，可以收集到所需要的各种数据和信息。利用计算机的高速计算 能力和逻辑判断能力，监视和控制变电站的各种设备。系统基本配置如图1 1 所 示 工柞 一络 叠信i 遁道 l 一” 碗砰元ll i 保护 r 石2ll 堡i ! 皇元3l 图1 - 1 变电站综合自动化系统的基本配置图 1 1 2 变电站综合自动化系统的基本特点 变电站综合自动化通过监控系统的局域网通信，将微机保护、微机自动装置、 微机远动装置采集的模拟量，开关量、状态量、脉冲量及些非电量信号，经过 数据处理及功能的重新组合，按照预定的程序和要求，对变电站实现综合性的监 视和调度。因此，综合自动化的核心是自动监控系统，而综合自动化的纽带是监 控系统的局域通信网络，它把微机继电保护、微机自动装置、微机远动功能综合 在一起形成一个具有远方功能的自动监控系统。变电站综合自动化系统最明显的 特点表现在以下几个方面： 1 动能综合化 变电站综合自动化技术是在微机技术、数据通信技术、自动化技术基础上发 展起来的。是技术密集，多种专业技术相互交叉、相互配合的系统，它综合了变 电站内除一次设备和交、直流电源以外的全部二次设备。在综合自动化系统中， 微机监控系统综合了变电站的仪表屏、操作屏、模拟屏、变送器屏、中央信号系 统等功能、远动的r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 功能及电压和无功补偿自动 调节功能、微机保护( 和监控系统在一起) 综合了故障录波、故障测距、小电 流接地选线、自动按频率减负荷、自动重合闸等自动装置功能。上述综合自动化 的综合功能通过局域两各微机系统硬、软件的资源共享形成的，对微机保护和自 动装置提出了更高的自动化要求。 2 结构分布、分层化 综合自动化系统是一个分布式系统，其中微机保护、数据采集和控制以及其 他智能设备等子系统都是按分布式结构设计的，每个子系统可能有多个c p u 分 别完成不同功能，是一个由庞大的c p u 群构成了一个完整的、高度协调的有机 综合( 集成) 系统。另外，按照变电站物理位置和各子系统功能分工的不同，综 合自动化系统的总体结构又按分层原则来组成。按i e c ( 国际电工委员会) 标准， 典型的分层原则是将变电站自动化系统分为两层，即变电站层和间隔层，由此可 构成分散( 层) 分布式综合自动化系统 3 操作可视化 变电站实现综合自动化后，操作人员面对彩色屏幕显示器，对变电站的设备 和输电线路进行全方位的监视与操作常规庞大的模拟屏被c r t 屏幕上的实时 主接线画面取代；常规的在断路器安装处或控制屏进行的跳、合闸操作，被c r t 屏幕画面闪烁和文字提示或语言报警所取代，即通过计算机上的c r t 显示器， 可以监视全变电站的实时运行情况和对各开关设备进行操作控制。 4 通信手段多元化 计算机局域网络技术和光纤通信技术在综合自动化系统中普遍采用，使得系 统具有较高的抗电磁于扰的能力，可实现高速数据传送，满足实时性要求，组态 更灵活，易于扩展，可靠性大大提高，而且大大简化了常规变电站繁杂量大的各 2 种电缆，方便施工。 5 运行管理智能化 变电站综合自动化另一特征是运行管理智能化。智能化表现在自动报警、自 动报表、电压无功自动调节、小电流接地选线、事故判别与处理等方面；还表现 在能够在线自诊断，不断将诊断结果送往远方的主控端。常规二次系统只能监测 一次设备，其本身故障靠维护人员去检查、去发现。综合自动化系统监测一次设 备，同时检测系统自身故障。 综合自动化系统按功能或间隔形成集中组屏或分散( 层) 安装的不同的系统 组态，打破了传统二次系统各专业界限和设备划分原则，改变了常规保护装置不 能与调度( 控制) 中心通信的缺陷 6 测量显示数字化 变电站采用指针式仪表作为测量仪器，其准确度低、读数不方便采用微机 监控系统后，常规指针式仪表全被c r t 显示器上的数字显示代替，直观、明了。 人工抄表记录完全由打印报表所完成。减轻值班员的劳动强度，提高了测量精度 和管理的科学性 1 2 微机保护测控装置 随着电力系统的日趋庞大和复杂，系统的稳定性和可靠性越来越突出目前 在变电站综合自动化系统中，通常把微机保护、自动重合闸、故障录波、测量和 控制功能集合在一起，构成微机保护测控装置。微机保护测控装置在变电站综合 自动化系统中被称作间隔层单元，与站控层、设备层一起构成变电站自动化系统， 完成信息的采集和控制。变电站综合自动化系统典型结构图如图1 2 所示。 图l - 2 变电站典型结构图 微机保护测控装置是变电站综合自动化系统的关键环节，作为该系统的一个 重要组成部分，除完成保护功能之外，还需要能够进行信息传递，从而实现远方 控制和实时监测因此，微机保护测控装置的技术水平直接影响着整个变电站综 3 合自动化的技术水平。 为了适应电力系统继电保护网络化、系统化的发展趋势，实现“无人值守” 或“少人值守”的要求，逐步提高电网运行自动化水平与管理水平，利用d s p 技 术及软件技术，不断改善继电保护装置性能，开发新一代的微机继电保护装置成 为广大继电保护工作者共同关注和研究的问题 1 2 1 国内外微机保护装置的发展现状 国外微机保护测控装置研究的起步较早。自2 0 世纪6 0 年代中期国外就有人 提出使用计算机构成继电保护，由于受到计算机价格昂贵和其他一些技术条件的 约束( 无法满足继电保护动作的速度要求) ，当时国外主要在计算机继电保护理 论和结构上开展大量的研究。 随着计算机技术和大规模集成电路技术的飞速发展，微机保护测控装置逐渐 进入了实用阶段目前，国外较典型的微机保护测控装置有：通用电气公司生产 的d d p 数字配电微机保护系统该装置具有保护、保护顺序配合、测量、重合 闸、断路器开断电流累计、人机对话、通信等功能。保护由瞬时过电流和延时过 电流组成。a b b 公司生产的配电微机保护系统。其装置具有保护、配合、测量、 显示、重合闸、事件记录、最大负荷统计、断路器开断电流累计和通信等功能。 保护由瞬时速断和延时速断组成。加拿大p o w e rm e a s u r e m e n tl t d 生产的3 7 0 0 系列高级电力综合监控仪等。其中3 7 2 0 a c m 能集采集、测量、控制、通信功能 于一体 国外的微机保护测控装置虽然功能强大、全面，但由于其操作较为复杂，加 上保护和测量合用一组电流互感器c t ( c u r r e n tt r a n s f o r m e r ) ，以及价格 昂贵等因素，不能完全符合我国的电网自动化的许需要。在国内，电力系统一般 要求保护用c t 和测量用c t 分开，主要是因为： 1 ) 对于保护和滤波用c t 的二次线圈，要求在大电流下能够准确反映电流 的实际情况 2 ) 对于测量用c t 的二次线圈，主要考虑在一次额定电流下运行时的最大 误差 国内对于微机保护测控装置的研究开始于2 0 世纪7 0 年代后期。初期是一些 继电保护工作者对国外微机保护测控装置的发展作了广泛而深入的介绍与分析。 上个世纪7 0 年代末至8 0 年代初，国内开始各种算法研究与样机的研制工作。1 9 8 4 年，原华北电力学院研制了国内第一套以6 8 0 9 c p u 为基础的距离保护样机并投 入使用，揭开了我国继电保护发展史的新篇章，为微机保护铡控装置的推广应用 开辟了道路。随着我国变电站自动化的全面实施，为数众多的科研院所开发出了 各具特色的微机保护测控新产品华北电力大学、华中科技大学、东南大学、上 海交通大学、西安交通大学、天津大学、重庆大学等高等院校以及南瑞集团、四 方公司、许继集团和东方电子等研究单位相继开发研制出一大批不同原理、不同 型式和不同应用领域的微机保护测控装置。 目前，市场上有代表性的产品有：南瑞生产的r c s 系列微机保护测控装置， 集微机保护、测量、通信功能于一体，采用单元式结构和独立的测量、保护回路。 1 2 2 当前微机保护测控装置中存在的问题 随着国民经济的快速发展以及广大电力科技工作者的不懈努力，我国继电保 护技术及装置应用水平有了较大的提高，但是国内目前正在运行使用的微机保护 测控装置还存在一些需要改进的地方主要表现在以下几个方面： 1 ) 功能简单 作为处理器和控制器的c p u 基本上还是采用传统的m c s 5 1 和8 0 9 6 系列单 片机，这些c p u 多是基于八十年代的技术和工艺，受结构、速度和总线方式的 限制，其指令功能有限、寻址空间小、运算能力弱。这些单片机虽然控制性能较 好，但是不善于数字信号的处理，因而微机保护装置在算法的实现上存在一定的 困难。另外，随着电力系统自动化水平的不断提高，微机保护装置除了要完成传 统的保护功能外，还需要完成正常运行条件下的系统参数的测量，包括电压、电 流、有功、无功等，这些都是传统微机保护装置难以实现的，不能保证微机保护 装置的高实时性、高可靠性和可扩展性。 2 ) 软件系统开发平台不完善 与硬件技术发展的速度相比，软件的发展相对滞后。传统微机保护测控装置 的软件设计通常采用主循环加中断的线性结构，称为前后台系统。一般是一个无 限循环，在循环中调用相应的子程序来完成对应操作，这被称为后台行为或任务 级；用中断来处理各种随机事件，这被称为前台行为或中断级这种程序虽然简 单直观，易于控制，但缺乏灵活性，不便于软件的维护和升级。随着电力系统自 动化水平的不断发展，对微机保护测控装置的功能的要求也越来越多，不仅要完 成继电保护功能，还要完成通信、自检和人机对话等功能。传统的线性程序结构 会导致软件复杂度增高，增加了开发难度和时间 目前的微机保护产品在软件开发上普遍采用汇编语言。然而，在汇编语言的 程序设计中，编程人员要全面规划内存安排、数据调度、资源分配、开入、开出 管理等相关条件，与高级语言( 如c 语言) 相比，软件开发难度大，周期长，软 件结构随意性很大，随编程人员的习惯、思维方式不同，相关条件约束不同而差 异很大，软件难以移植、交流和维护。 3 ) 通信的标准性、高速性、可靠性得不到保障 微机保护测控装置之间的通信技术是衡量一个变电站自动化系统先进程度 的一个重要指标最初的通信技术是用r s 4 8 5 总线将微机保护装置连接在一起， 利用主从方式进行通信。这种通信方式简单，技术上缺陷较多，实际运行中暴露 出诸多问题：通信速率低，一般不超过9 6 k b p s ，在传输大量数据时力不从心； 不能在通信网中设置一个以上的主机，因而不能享用多主机技术带来的各种优越 性能 随着用户对变电站自动化系统的功能不断提出新的要求，人们便把目光投向 各种现场总线技术由于其简单易用、组网方便、抗干扰能力强，在很短时间内 便成为变电站自动化系统的主流通信技术。随着变电站自动化系统从以前的 3 5 k v 、i i o k v 等级低压变电站系统向2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、5 0 0 k v 超高压大型变电 站系统发展，现场总线技术的诸多局限性也逐渐暴露出来，主要体现在以下几个 方面； a ) 当变电站系统比较复杂，通信节点达到一定数量后，相应速率会迅速下降， 不能满足大型变电站对通信的要求 b ) 在带宽上不能满足滤波等大数据量的传输，造成很大的通信延迟。 c ) 缺乏统一的国际标准，许多微机保护装置采用的标准不尽相同，目前各厂 家在通信方式上各不相同，采用的通信协议也不尽相同，缺乏通用性。很难使变 电站自动化的通信网络标准开放。 1 3 本论文研究的意义 随着电力系统对微机保护高速性、可靠性和稳定性的要求越来越高，需要实 现的功能越来越多，对微机保护装置各项性能要求也越来越强；另一方面，当前 微机保护测控装置还存在一些问题与不足，不能完全满足我国国民经济发展的需 求。因此，研究设计新型和可靠的硬件平台系统( 微机保护装置) 越来越成为当 务之急。 根据我国国民经济和国民教育发展的需要，目前研制新型的微机保护装置可 以在两大领域发挥重要作用： l 、通过将先进的微电子技术、计算机技术和通信技术应用于微机保护系统， 研制高性能微机保护装置，可进一步提高电力系统运行的稳定性和可靠性，提高 供电质量，确保我国国民经济的快速稳定发展。 2 、将基于先进微机保护装置的变电站综合自动化系统应用于高等学校( 特 别是工科院校) 的教学环节，将科研项目转化为实验教学项目，可为培养高素质 的创新特色人才做出重要的贡献。( 笔者参加了学校实验室自制仪器设备项目一 7 2 0 0 5 0 1 6 变电站综合自动化实验系统的研制，此项目2 0 0 6 年9 月经学校验收， 装置已在学校教学环节中使用) 基于以上两点的考虑，研究高性能的新型微机保护装置具有重要的现实意 义本论文从两个方面着手开展了相关研究，一是将先进的d s p 技术应用于微 机保护装置，搭建高速硬件平台；另一方面，研究开发基于嵌入式实时操作系统 p c o s - i i 的微机保护软件，构建稳定可靠的软件平台作者主要在硬件平台和保 6 护软件体系的构建上进行了初步研究。 1 4 本论文的研究内容和章节安捧 本论文在分析和汲取国内外微机保护测控装置的先进技术的基础上，研究一 种基于t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的微机线路保护系统，将d s p 技术应用于电力系统微机 线路保护装置中整个系统由硬件和软件两大部分组成，系统的硬件核心采用一 片1 1 ( t e x a si n s m a n e n t s ) 公司的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片和p 8 9 c 6 6 8 h 单片机 作为微控制器，并配以适当的外围电路来实现各种功能。为提高开发效率，系统 选择了源代码公开的小型嵌入式实时操作系统t t c o s - l l ，完成了其在 1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上的移植，并基于此操作系统采用结构化的程序设计语言c 语言 进行应用程序的编写。 论文的章节安排如下： 第一章：介绍了当前国内外微机保护测控装置的发展现状，分析其中存在的 一些缺陷和不足，论述研制新型高性能的微机保护装置的现实意义 第二章：从系统设计思想出发，按照高性能、成本低、体积小等技术要求提 出保护装置的总体设计方案。并阐述了方案选择的具体过程。 第三章：介绍硬件平台的总体设计方案，详细描述了各功能模块的设计思路， 包括主要芯片的选型、主要功能电路原理的介绍等 第四章：提出装置的软件系统设计思路，介绍了嵌入式实时操作系统 肛c o s a i 及其在t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 上的移植，最后介绍了微机保护的算法的选择与 实现，提出并分析了数字保护平台的软件实现流程。 第五章：对全文作了总结，并对未来需要进一步开展的研究工作做了展望。 7 第二章设计方案选择 由于当前的微机保护装置存在着功能简单、保护软件可维护性差以及通信高 速性、可靠性难以得到保障等诸多问题，本文有针对性地选择性能卓越的电子器 件和功能强大的系统软件进行设计。 2 1 硬件架构方案的选择 传统的微机保护装置采用的处理器和控制器c p u 基本上还是采用传统的 m c s 一5 1 和8 0 9 6 系列单片机，由于受到结构、速度和总线方式的限制，其指令 功能有限，寻址空间小、运算能力弱，这就使得微机保护的复杂算法难以实现。 选择什么样的电子器件作为运算和数据处理器是设计首先需要考虑的问题。 随着数字信号处理技术和微电子技术的发展，使得很多快速数字信号处理器 件应运而生，由于数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰能力强、设 备尺寸小、速度快、性能稳定和易于升级等优点，所以目前大多数设备采用数字 技术设计实现。 数字信号处理的实现方法一般有以下几种； ( 1 ) 在通用的计算机( 如p c 机) 上用软件( 如f o r t r a n 、c 语言) 实现； ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现： ( 3 ) 使用通用单片机( 如m c s - 5 1 、9 6 系列等) 实现，这种方法可用于一些 不太复杂的数字信号处理，如数字控制等： ( 4 ) 使用通用可编程d s p 芯片实现与单片机相比，d s p 芯片具有更加适合 于数字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法： ( 5 ) 使用专用的d s p 芯片实现。用于信号处理速度极高的一些特殊场合，例 如专用于f f t 、数字滤波、卷积、相关等算法的d s p 芯片，这种芯片将相应的 信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需进行编程。 在上述几种方法中，第1 种方法的缺点是速度较慢，一般可用于d s p 算法 的模拟；第2 种和第5 种方法专用性太强，应用受到很大的限制，第2 种方法也 不便于系统的独立运行；第3 种方法只适用于实现简单算法；只有第4 种方法才 使数字信号处理的应用打开了新的局面 随着d s p 芯片制造工艺和技术的快速发展，使得大量高速廉价的数字信号 处理器应用于生产实际成为可能再加上d s p 具有快速计算的特点，采用d s p 实现数字化处理与控制已经成为发展趋势。因此众多半导体制造商投入到高性能 d s p 的研发中 1 9 7 8 年a m i 公司发布了世界上第一个d s p 芯片$ 2 8 1 1 ，1 9 7 9 年美国i n t e l 公司发布的商用可编程器件2 9 2 0 。1 9 8 0 年，日本n e c 公司推出了第一个具有 乘法器的商用d s p 芯片l lp d 7 7 2 0 。在这之后，最成功的d s p 芯片当数美国德 8 州仪器公司( t e x a s 蛐e n t s ，1 1 ) 的系列产品。 目前，在国际上占市场份额最大的d s p 芯片制造商是美国德州仪器公司 ( t e x a si n s m m a e n t s ，t i ) ，其产品已发展至第六代，产品应用覆盖了工业控制、 音频识别与图像处理等诸多领域，而且已在生产实际中得到了广泛的使用，具有 技术资料丰富的优势，因此在微机保护装置中我们选择了1 1 公司用于工业控制 的t m s 3 2 0 c 2 0 0 0 系列d s p 。经过对比和分析，我们最终选择了t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 作为微机保护装置的主c p u 。采用t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片作为微机保护 测控装置的核心c p u 优点如下： 1 ) 处理速度快微机保护装置的首要性能评价指标就是速度。1 r i 公司推出 的c 2 9 x 系列高精度数字信号处理器( d s p ) ，其性能是目前任何现有可编程数字 信号处理器无可比拟的，t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是工业界首选的3 2 位控制专用、内含闪 存以及高达1 5 0 m i p s 的数字信号处理器，是当今世界上在数字控制应用方面性 能最高的d s p 内核t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 在变电站微机保护装置中的应用，大大提高 了数据处理的速度，容易实现多种复杂算法。 2 ) 3 2 位的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 整合了d s p 和微控制器的最佳特性，能够在一个周 期内完成3 2 x 3 2 位乘法累加运算，或两个1 6 x1 6 位乘法累加运算。此外由于器 件集成了快速的中断管理单元，使得中断延迟时间大幅减少，满足了实时控制的 需要。 3 ) t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 还拥有许多独特的性能。如：可以在一个周期内对任何内 存地址完成读取、修改、写入操作，使得效率及程序代码达到最佳。此外，还提 供多种自动指令提高了程序的执行效率，简化了程序开发。 4 ) 功耗低，价格低廉，降低了产品成本。 由此，本文研究的微机保护装置硬件系统架构最终采用d s p + m c u 结构， d s p 选用1 1 公司的t m $ 3 2 0 f 2 8 1 2 ，m c u 选用p h i l i p s 公司的p 8 9 c 6 6 8 h 。d s p 主要负责数据的采集、处理、计算、存储、故障的判断、跳闸出口以及与上位机 的通信等。m c u 主要负责人机接口的键盘和显示部分。两者通过串行通信总线 进行数据交换。 2 2 软件系统设计方案 随着微处理器芯片性能的提升、价格的下降及对软件的可重用性、可维护性 的提高，采用实时操作系统( 啪s ) 已经成为大势所趋。 实时系统，是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出响应 的计算机系统也就是说，实时系统对响应时间有严格要求，并不是指系统的响 应和处理速度要越快越好，而是指系统的响应要满足时间限制。微机保护测控装 置就是一个实时系统。 r t o s ( r e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ) 是实时系统中软硬件资源的总指挥部， 9 它以尽量合理、有效的方式组织和管理系统中的软硬件资源，是嵌入式应用软件 的基础和开发平台在嵌入式r t o s 环境下开发的实时应用程序使程序的设计和 扩展变得容易，无需较大改动就可以增加新的功能。通过将应用程序分割成若干 独立的任务模块，使应用程序的设计过程大为简化；而且对实时性要求苛刻的事 件都能得到快速和可靠地处理 采用r t o s 的微机保护铡控装置相比传统的微机保护装置具有以下几个方 面的优点： 1 ) 可靠性更高 继电保护的一个重要指标是可靠性采用基于r t o s 的微机保护软件，在遇 到很强干扰时，不会像传统的线性程序那样会引起死机，只会引起若干个任务中 的一个被破坏，可以利用其他的进程对其进行修复。r t o s 不仅可以将应用程序 分解成若干个独立的任务，还可以另外启动一个监控任务，监视各任务的运行情 况，从而大大提高了系统的可靠性。 2 ) 开发难度降低，可扩展性增强 微机保护采用r t o s 可以提高开发效率，缩短开发周期。采用基于r t o s 的 应用软件，通常将复杂的程序按功能划分为若干个相对独立的任务，简化了开发 流程。目前，大多数的嵌入式系统都采用c c h 开发语言，灵活性好，可移植性 强，方便了对软件的调试和升级。 由于r t o s 不可替代的优点，其发展速度很快，最近几十年涌现出了一大批 优秀的r t o s ，其中比较具有代表性的有l m u x 、w m c e 、e c o s 、o s e 、斗c o s 4 1 、 v x w o r k s 等。其中，p c o s - i i 以其源代码公开、体积小、可裁减、性能和安全稳 定性高以及面向教育系统的免费政策等优势在世界范围内获得了广泛应用。 p c o s 通过了联邦航空局( f a a ) 商用航行器认证，符合r t c a ( 航空无线电技 术委员会) d o - - 1 7 8 b 标准，该标准是为航空电子设备所使用软件的性能要求而制 定的。自1 9 9 2 年问世以来，p c o s - h 已经被应用到数以百计的产品中，涉及诸 多领域，如：手机、路由器、集线器、不间断电源、飞行器、医疗设备及工业控 制等。因此，我们选用了i l c o s 为系统软件的开发平台，并在其基础上开发 微机保护装置的应用软件。 综上所述，在3 2 位t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 上构建以嵌入式实时操作系统心o s i i 为平 台的开发应用近年来日益增多，但在微机保护测控装置方面的应用还不是很多， 因此，我们最终选择t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片与实时操作系统p c o s - 作为微机保护装 置的开发平台。 l o 第三章硬件系统设计 本章详细介绍了微机保护装置的硬件结构组成，以及装置中各功能模块的硬 件设计思路，最后阐述了在设计抗干扰方面的所采取的一些措施。 硬件系统是实现各种保护功能的基础，硬件设计的好坏不仅直接影响硬件系 统本身功能的实现，而且对后续软件系统设计与实现影响很大。因此，硬件电路 的设计不仅要考虑装置系统功能的要求，还需要考虑如何使得软件设计更加简单 与方便。 根据实现的功能不同，我们将微机保护装置分为：模拟量采集和信号调理模 块、主c p u 模块、开关量输入输出模块、通信接口模块、人机接口模块和电源 模块几个部分。 1 ) 模拟量采集及信号调理模块 基于现场的测控装置首先需要对现场的模拟量进行实时采集，模拟量采集及 信号调理模块先对电力系统一次侧t v 、t a 电压、电流信号进行采集和降幅( 二 次变换、隔离) ，并对这些模拟信号进行必要的低通滤波，滤出不需要的高频信号。 最后经数模转换器a d 转换成数字量送c p u 进行处理。此模块由交流变换电路、 信号调理电路、数模转换电路和电能测量等子模块组成。 2 ) 主c p u 模块 本模块是微机保护装置的核心部分。从交流变换及信号调理模块输出的模拟 信号，进行a d 转换成数字信号后。在主c p u 模块内进行运算和处理最后， 根据不同的保护配置，对这些数据作出相应的保护逻辑判断。此模块由主c p u 及其相关组件( 如外置的看门狗电路等) 构成。 3 ) 开关量输入输出模块 本模块包括开入、开出两部分开入部分用来负责采集电力系统中的各个断 路器的位置、隔离开关的位置、本地远方等各种状态量，作为保护逻辑判断的 个组成部分。开出部分用来执行保护逻辑判断模块发出的各种命令，驱动断路 器跳闸、信号告警等。这两部分的信号都容易受到强的电磁干扰，因此，本模块 还必须进行光电隔离等抗干扰处理 4 ) 通信接口模块 通信接口模块是各模块进行信息传递的桥梁线路上实时信息、对故障的判 断及处理结果都需要发送到上位机和人机接口模块进行录波、显示。这些都是通 过通信接口模块来完成。 5 ) 人机接口模块 本模块包括键盘和液晶显示两部分，通过串行总线来和其他模块进行通信， 用来负责实时数据的显示、保护定值的查询和修改、动作信息的查询等。 国电源模块 电源模块是整个装置工作的前提和基础，负责提供装置中所有芯片的工作电 源。电源模块输出电压有5 v 、1 2 v 、1 2 v 、2 4 v 由于装置中的一些芯片都是精 密芯片，所以要求电源的输出电压尽可能保持稳定。 整个系统的硬件结构图如图3 1 所示 图3 1 微机保护装置硬件结构图 整个系统的工作原理如下： 微机保护装置一经投入使用，就将监控电力系统的工作状态，其中线路工作 状态包括；三相线路的功率、实时电压和电流的大小以及各断路器的状态等信息 线路正常工作时，装置通过模拟量输入模块监测线路运行参数，通过开关量输入 输出模块了解断路器等执行器件( 输入继电器等) 的工作状态，再将这些参数和 状态信息定时通过人机接口模块进行显示( l c d ) 并通过通信模块向上位机发送 当线路发生故障时，线路的非正常参数将由模拟量采集与信号模块送给d s p ， d s p 根据保护定值和保护判据对故障类型做出判断，并发出保护指令由开关量输 1 2 入输出模块输出至执行器件( 输出继电器) ，完成对线路的保护。保护动作的信 息也将通过人机接口模块进行显示、录波，并通过通信模块向上位机发送故障信 息和处理结果。操作人员可以通过上位机查看线路工作状态和控制保护装置，也 可以通过人机接口模块完成上述功能。 3 1 主c p u 模块 主c p u 模块是本装置的核心部件，负责数据的接收、运算和发送；主c p u 接收的数据主要有：线路上的实时电气量( 三相电压、电流、功率) 经过模拟量 输入模块调理、a d 转化后的数字量；表征线路上各种执行器件的状态信息的状 态量；人机接口模块和上位机传送来的保护定值和指令。主c p u 接收的数据后， 进行运算，根据存储在e 2 p r o m 的保护定值和采用的保护判据对故障类型做出 判断，通过开关量输入输出模块发送保护指令，同时将线路实时信息发送到上位 机和人机接口模块。 本装置的主c p u 选用n 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2d s p 芯片。 3 1 1 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 简介 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 数字信号处理器( 以下简称f 2 8 1 2 ) 是1 r i 公司最新推出的3 2 位定点d s p 控帛4 器，是目前控制领域最先进的处理器之一其频率高达1 5 0 m h z ， 大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力f 2 8 1 2 芯片基于c c + + 高效3 2 位t m s 3 2 0 c 2 8 xd s p 内核，并提供浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上 方便地实现浮点运算。本课题选用的1 7 6 引脚l q f p 封装的f 2 8 1 2 工作温度为： 一4 0 + 8 5 ，其特性如下： 1 高性能的静态c m o s 技术： 主频达1 5 0 m h z ( 时钟周期6 6 7 n s ) ： 低功耗设计； f l a s h 编程电压为3 3 v 。 2 高性能3 2 位c p u ： 1 6 x1 6 位和3 2 x 3 2 位的乘法累加操作； 1 6 x1 6 位的双乘法累加器； 哈佛总线结构： 快速中断响应和处理能力； 统一寻址模式： 4 m b 的程序数据寻址空间； 高效的代码转换功能( 支持c c + + 和汇编) 。 3 片上存储器： 1 2 8 k x1 6 位的f l a s h 存储器： 1 k x 1 6 位的一次可编程e p r o m ( o t p ) 存储器： 1 8 k x l 6 位s r a m ( 分为m 0 、m 1 、l 0 、l 1 和h o 五块) 。 4 引导( b o o t ) r o m4 k 1 6 位 带有软件启动模式； 数学运算表。 5 外部存储器接口 i m b 的存储器； 可编程等待周期； 可编程读写选通计数器； 三个独立的片选端。 6 时钟与系统控制 支持动态的改变锁相环的频率； 片内振荡器： 看门狗定时器模块。 7 三个外部中断和三个3 2 位c p u 定时器 8 外设中断扩展模块( p 正) 支持4 5 个外设中断。 9 1 2 8 位保护密码 保护f l a s h o t p r o m 和l 0 l is r a m 中的代码； 防