（检测技术与自动化装置专业论文）基于uclinux的新型变压器监控器设计及应用.pdf

基于u c l i n u x 的新型变压器监控器设计及应用 摘要 本文主要阐述了新型变压器监控器的设计以及在电力系统中的应用。 本文中阐述的新型变压器监控器，面向电力系统的变压器系统。本文首先 从市场调研入手，分析市场需求、用户当前的解决方案、以及产品的市场环境， 确定产品所应具有的技术性能指标，以此确定该项目的开发价值和可行性。 根据产品的性能指标，结合企业对产品经济性的要求，通过大量调研并结 合企业自身状况，对比当今流行的厂家变压器监控器产品，选取硬件平台、软 件平台及其开发环境，为应用设计提供基础。采用科汇的m k 9 1 0 ( m o n k e yk i n g 9 1 0 ) 作为系统硬件平台，选取u c l i n u x 作为系统软件平台，使其具有良好的应 用前景、稳定的性能、完善的进程间通信机制、良好的可裁减性、丰富的资料、 成熟的开发环境、较低的成本等优点，由此降低开发难度，缩短设计周期。 采用面向对象的设计方法，确立以数据为核心的软件结构。各进程通过一 定的接口实现对数据的读写操作；设计统一的进程模型，统一的应用接口，简 化模块的设计；设计面向对象配置的工具，实现人性化的配置流程，使配置工 作易学易用。由此实现结构清晰、运行稳定、具有良好经济性、可扩展性、维 护方便的产品。 论文课题的研发成功为电力自动化系统提供了一种新的变压器监控装置， 为电力部门提高供电质量以为其分析用电情况提供了强有力的工具，同时填补 了企业的产品空白，为企业的发展创造了良好的基础，具有较好的经济及使用 价值。 关键词：变压器监控器实时多任务操作系统 u c l i n u x d e s i g na n da p p l i c a t i o no fn e w t r a n s f o r m e rm o n i t o r b a s e do nn c 。l i n u x a b s t r a c t t h ep a p e rm a i n l ye x p l a i n st h ed e s i g no ft h en e wt r a n s f o r m e rm o n i t o ra n di t s a p p l i c a t i o ni np o w e rs y s t e m t h en e wm o n i t o ri su s e di nt h et r a n s f o r m e ri np o w e rs y s t e m t h ep a p e rb e g i n s w i t ht h em a r k e ti n v e s t i g a t i o n t h e na n a l y z et h em a r k e td e m a n d s ，t h ec u r r e n t m e t h o da n dt h em a r k e te n v i r o n m e n to ft h ep r o d u c tt oc o n f i r mi t st e c h n i c a l p e r f o r m a n c ei n d e x ，f u r t h e rt oe s t i m a t ei t sr e s e a r c hv a l u ea n df e a s i b i l i t y b a s eo nt h ep r o d u c t s p e r f o r m a n c ei n d e x t h ed e m a n d so fe c o n o m i e a i e f f i c i e n c y ，t h ei n v e s t i g a t i o na n dt h es t a t u so fo u rc o m p a n y , t h i sp a p e rc o m p a r e s s o m ep r e v a l e n tp r o d u c to fo t h e rc o m p a n i e sc h o o s i n gs o f t w a r ep l a t f o r m ，h a r d w a r e p l a t f o r ma n de x p l o i te n v i r o n m e n t iu s em k 9 1 0 ( m o n k e yk i n g9 1 0 ) i nk e h u ia s h a r dp l a t f o r ma n du c l i n u xa ss y s t e m ss o f tp l a t f o r m t oe n d o wi tw i t hg o o d a p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d ，s t e a d yc a p a b i l i t y , p e r f e c t c o m m u n i c a t i o nm e c h a n i s m a m o n gc o u r s e s ，g o o do m i t - a b i l i t y , a b u n d a n td a t a ，g o o de x p l o i te n v i r o n m e n t ，l o w c o s te r e ，s ot or e d u c et h ed i f f i c u l t yo fe x p l o i t a t i o na n dt h ed e s i g np e r i o d ， a n diu s et h eo b j e c t o r i e n t e dd e s i g nm e t h o d ，d a t ac e n t e r e ds o f ts t r u c t u r ea n d i n t e r f a c el o g a r i t h mt or e a l i z et h ed a t ar e a d i n ga n dw r i t i n go p e r a t i o n ，d e s i g n u n i f o r mc o u r s e ，s i m p l i f ym o d u l ed e s i g n , a n dd e s i g no b j e c to r i e n t e dt o o l st or e a l i z e h u m a n ec o n f i g u r ef l o w , t om a k ec o n f i g u r a t i o no fl e a r n i n ga n du s a g ee a s i e r s oi c a np r o d u c et h ep r o d u c tw i t hg o o ds t r u c t u r e ，g o o ds t a b i l i t y , l o wp r i c e ，g o o d e x p a n d a b i l i t ya n di t sa l s oe a s i l yt or e p a i r t 沁s u c c e s so fm yd e s i g nw i l lg i v ep e o p l ean e wm o n i t o ri np o w e ra u t o m a t i c s y s t e m ，a n dp r o v i d et h ee l e c t r i c a lp o w e rs u p p l yd e p a r t m e n t sw i t hp o w e r f u l lt o o l st o i m p r o v et h e i rp o w e rs u p p l yq u a l i t ya n da n a l y z et h ee l e c t r i c i t yu s a g es t a t u s a tt h e s a m et i m e ，f i l l st h ep r o d u c tv a c a n to fo u rc o m p a n y ，c r e a t eg o o dd e v e l o p i n g f o u n d a t i o n ，f u l lo fp r e f e r a b l ee c o n o m i e a lv a l u ea n du s ev a l u e k e yw o r d s ：t r a n s f o r m e rm o n i t o r r t o s u c l i n u x 插图清单 图2 - 1 硬件平台原理框图5 图2 2p c a 9 5 5 5 原理框图9 图2 3 硬件功能结构原理1 l 图2 - 4 变压器监控器总体布局图1 1 图2 - 5 扩展板结构示意图1 2 图2 - 6 硬件锁相环原理框图1 3 图2 7 基于双口r a m 的a d 数据接口方案1 5 图2 8 基于s p o r t 口的a d 数据接口方案1 5 图3 71 变压器监控装置软件框架2 0 图3 2 变压器监控装置主程序流程图2 0 图3 3 共享内存发送链表队列2 4 图3 4 共享内存交换数据过程示意图2 5 图3 5 共享内存接收链表队列2 5 图3 6 保护功能模块程序流程图2 6 图3 7 无功补偿模块程序流程图2 8 图3 8i o p c o f g 配置图3 6 图3 9s c a l e 配置图3 6 图3 1 0r t u 配置图3 7 图3 1 1 进程配置图3 7 图4 - 1 原理样机测试接线示意图3 9 插表清单 表卜1 国内变压器监控器产品功能比较1 表2 一l 硬件配置表1 l 表3 一l 各种操作系统性能比较1 9 表3 2 历史数据记录类型及空间分配3 3 表3 3 事件记录详细地址分配表3 3 表p4 事件记录存储格式分配表3 3 表3 5d o 输出详细地址分配表3 3 表3 6d o 输出存储格式分配表3 4 表3 7 告警信息详细地址分配表3 4 表3 8 告警信息存储格式分配表3 4 表3 9 停电来电详细地址分配表3 5 表3 一1 0 整点数据详细地址分配表3 5 表3 一1 1 日统计数据详细地址分配表3 5 表4 - 1 各种功率因数情况下的理论补偿电容值4 0 表4 - 2 各种功率因数情况下的实际补偿电容值4 0 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 金胆王些太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 躲桶蚜期：夕锄多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金罡王些去堂有关保留、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 权金胆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) 黧了鬻：艚 签字日期：印年易b 弓日。 导师签名： 签字日期5 岬6 月岁日 电话： 邮编： 致谢 本产品的设计是在合肥工业大学张崇巍教授和淄博科汇电气有限公司徐丙 垠教授的悉心指导下完成的，整个论文工作从选题理论研究到论文的完稿都得 到了两位导师极其细致的指导，论文的字里行间处处都凝聚了两位导师的心血， 两位导师灵敏的思维，渊博的学识和严谨的治学态度都将使我受益终生，在此 表示诚挚的谢意。 本产品的设计也得到了淄博科汇电气有限公司王俊江、孙瑞正、贾明娜、 吕光林、王敬华等的大力协作，在此谨向大家表示衷心的感谢。 同时也感谢妻子于慧对我的大力支持。 杨建平 2 0 0 7 年3 月 第一章绪论 1 1 课题的背景和意义 当前电力系统，正在进行大规模的发展，随着电网规模的不断扩大、电力 市场的逐步完善、用户对供电质量要求的提高，现有供电设备虽经多次改造， 仍然难以满足日益增长的电力负荷需求，目前全国各地己不同程度地出现了缺 电和拉闸限电的现象解决电力供应紧张的问题，除了加快电厂建设以外，采 用合理的无功补偿不失为一条有效的途径。做好无功补偿工作，不但起到扩大 现有输变配电设备供电能力、改善电能质量、降低线路损耗、缓解供电能力不 足的作用，而且还能取得良好的经济效益，如延长供用电设备的使用寿命、降 低用户的电费支出等。无功补偿的重要性及其解决问题的现实性，目前已得到 了电力行业的认同。 对于电力系统监控产品 1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 l 【5 1 ，由于其种类繁多，功能各异，所以对企 业和各研究单位的开发、生产、调试等的要求也很高。综合各监控产品的功能 要求，可以发现，功能基本包括了模拟量测量( 包括交直流信号) ，数字量输入 ( 包括遥信量和脉 中电度输入) ，数字量输出，通讯口( 如r s 2 3 2 r s 4 8 5 ，e t h e r n e t 网络口，现场总线等) ，以及人机界面( 包括键盘显示等) 。区别在于各个变压 器监控装置对于变压器的数据的处理上。 以变压器监控装置器为例，简单比较了一下国内几个厂家的产品特点，从 中可以看到国内变压器监控装置产品的发展趋势，以及性能比较概况。 表1 - 1 国内变压器监控器产品功能比较 司 南京科大尚地银俊时代成功科陆许继北京 动能 谷峰鲁能之光科技集团电气电气集团富卓 电压，电流 333333333 直流无无2无 无 无有2不详 d o1 6无2 个2 个不详8不详1 2不详 s b os b o 遥信不详 484 不详 8 不详不详不详 无功补偿有 有 有有 有 有 有 有有 2 3 2 4 8 5可选可选可选可选可选 4 8 54 8 5 可选可选 过压告警有 有有有有有有 有有 低压告警有有有有有有有有有 谐波 2 1 32 1 52 1 9无3 23 1 有无无 规约 不详l o ll o l1 0 1l o l 1 0 l，d n p，d n pd n pm o d b u s 不详 d n p 部颁 u s b无无无无无无无无无 以太网口无无无无有无无无无 电源单相3 相输3 相输 不详单相单相 单相单相单相 入入 谐波告警有有有有有无无无 无 油温检测无无有无无无有无无 保存月数3 个月 2 个月3 个月 2 个月 不详 不详2 个月不详2 个月 3 1 0 3 u o无无有 无无 无无 无无 电压有有有无无 有 无无无 合格率 电压聚降无无无无无无无无无 从上表可以看到国内厂家生产的变压器监控产品均具有以下几个特点： 1 ) 为了很好的保证电力系统的供电质量，都具有无功补偿功能。 2 ) 都具有过压欠压等告警功能以及谐波处理功能。 3 ) 都具有长时间保存变压器监控装置纪录的用于供电部门查看的数据。 4 ) 都具有通讯功能( r s 2 3 2 r s 4 8 5 ) 。 根据以上产品的比较，提出了本产品的设计目标是：具有以上产品功能的 同时，还具有电压骤降、电压闪变记录功能。设计理念是：用户使用更方便， 工程维护更简单，设计开发更容易( 添加功能模块) 。 1 2 新型变压器监控装置的设计目标和主要论文工作 本设计要求大体实现以下功能： i ) 基本测控功能 模拟量测量和计算：电压、电流、有功功率、无功功率、频率、功 率因数、相位等； 开关量采集：采集开关状态，并记录相应动作时问，并作为时间记 录( s o e ) 加以存储。 数字量输出：数字量输出功能输出的是一种状态，如高电平或低电 平。 2 1 记录统计功能 每日有功功率、无功功率、电流、电压的最大最小值及其出现时间； 谐波超限及其出现时刻；记录电压骤降功能；电压合格率统计功能。 每日的电压偏差超上限和超下限累计时间；累计停电时问；( 停电时 间可以设定) ；累计缺相时间：电容器累计投运时间、累计动作次数。 三相电压、三相电流、三相无功功率、功率因素；有功电度、无功 电度；谐波电压、谐波电流记录到3 2 次；电容器投切状态。 2 能保存6 0 天以上各类记录数据( 可以配置) 3 1 告警功能 具有过压、欠压、缺相、零序电流( 负载不平衡) 超标、谐波超标、电压 骤降等故障报警功能。 4 ) 保护功能 当电网某相电压过压、欠压及谐波超限时快速切除补偿电容器；当电网缺 相或零序电流超限时快速切除补偿电容器，同时报警信号输出；每次通电，监 控器进行自检并复归输出回路，使输出回路处于断开状态。 5 ) 无功补偿功能 灵活地适应三相共补、三相分补的补偿方式；具有手动补偿和自动补偿两 种工作方式；智能选择电容器投切组合：投切控制取样物理量为无功功率或无 功电流，无投切振荡、无补偿呆区；控制输出能适应电子开关、交流接触器、 复合电子开关或真空接触器等不同投切元件；有延时及加速功能；具有自检复 归功能；有投入及切除门限设定值、延时设定值、保护设定值等设置功能；防 止投切振荡功能：在每次投入与切出的动作问保持最d 、3 0 0 秒的动作间隔，以确 保补偿装置在负荷较轻时不出现频繁投切的不良状态。 在无功补偿方面，可实现三相补偿、单相补偿或综合补偿，保证补偿方式 最优，效果最好。其中，电容容量用户在订货时可以自由选择补偿方式，即可 以由用户指定三相投切级数和单相投切级数，并指定各级容量。具有手动分相 补偿和自动补偿两种工作方式，方便用户调试试验和操作。可以按人工输入的 补偿目标，自动选择最佳模式进行投切补偿。 6 ) 通讯功能 通信1 2 1 ：r s 一2 3 2 ( 4 8 5 可选) ( 3 0 0b p s 1 9 2 0 0 b p s ) ；控制台口： k s 一2 3 2 ；维护口：u s b 口( 从模式) ；以太网口：变压器隔离。( 可 选) 通讯规约：i e c 6 0 8 7 0 5 1 0 1 ( 还可以添加其他的通讯规约) ；通讯主要 用于调试，可以实时显示电压电流，直流量，有功，无功，视在功 率；d o 输出，状态量显示等。 7 1 人机界面 采用1 2 8 x 6 4 点阵宽温液晶显示，- 2 5 一+ 5 5 对比度自动调整，全中文界 面，可实时显示电网所有的主要参数：电网即时运行参数及设定值调显功能。 8 ) 实时时钟 通过主站系统定时对时，采用精度较高的晶振，累积误差不大，满足实际 需要。在设计中考虑到系统交流电源输入可能断电，所以实时时钟在系统主电 源掉电时，切换成电池供电。 9 ) 掉电保护 因为变压器监控装置需要记录大量的用于分析的数据，光是采用实时上报 主站的方式是无法满足要求的，因为在通讯中断或不能和主站实时通讯的情况 下，一些重要的数据将会丢失，所以必须对一些重要数据进行掉电保持，如设 置参数，累加电度，事件纪录，大量的统计数据等等，为分析提供详细的数据。 在设计中采用了一种掉电保护方式即s r a m 加备份电池的方式。选择了低 功耗的s r a m ，因为保持电流一般在微安级，保持电压也可以低至2 v 左右另 外，许多电源监视芯片具有电源切换和掉电片选禁止功能，因此s r a m 加备份 电池的方式并不过时其最大优点是可选器件种类多，容量大，读写速度快。 本论文的写作基于作者在公司的工作实践，在论文工作过程中，作者进行 了以下方面的工作，所形成的产品具有一定的特色： 1 ) 硬件平台的设计。考虑到装置对模拟量的处理能力，结合市场和企业的 自身条件，设计m k 9 1 0 ( m o n k e yk i n g9 1 0 ) 通用平台作为变压器监控装置的 硬件平台。 2 ) 操作系统的选择比较当前通用操作系统和专用嵌入式操作系统，选取 通用u c l i n u x 作为其软件平台，对其内核进行裁减，并将其移植到m k 9 1 0 平台 上。 3 ) 软件整体结构设计。主要包括；数据空间如何分配；模块如何启动；数 据如何转发更新；数据的格式转换：通讯口读写接口设计；任务间的监控机制。 4 ) 模块的设计及实现。各个模块的设计主要是在变压器监控中设计到的过 压，欠压、缺相、日统计、整点统计等的模块设计，电压合格率，电压骤降记录 功能模块设计要求具有很高的可移植性，要与主程序分开设计，数据通信及交 换通过标准接口进行。 5 ) 系统的调试与验收完成变压器监控装置的基本功能，修改缺陷，改进 其性能。进行模拟运行，完成产品验收并使其投入现场运行。 本文设计的产品较国内外同类设备具有较好的性能价格比。 4 第二章变压器监控器硬件体系与关键设计 2 1 变压器监控器的硬件平台 对硬件平台的基本要求： 1 ) 可用性：能够满足现场对设备的技术要求，包括温度、湿度、电磁兼容 性等； 2 ) 通用性：易于获得，有利于降低成本，从而降低开发费用，缩短开发时 间； 3 ) 可扩展性：具有较多资源( 冗余度) ，便于其使用范围和功能的扩展， 适应较广应用需求； 4 ) 可靠性：进入电力市场的必要条件，也是减少维护成本的需要； 5 ) 合理成本：这是作为产品的基本要求； 在设计变压器监控装置的硬件平台时，除了要考虑硬件平台的资源、可用 性、通用性、易用性等一般指标外，一定要将系统的可靠性放在首位。 本硬件平台的结构如图2 1 所示。 图2 - 1 硬件平台原理框图 2 2 对关键器件及相关技术的描述 下面对该涉及的主要器件及其相关技术加以介绍。 2 2 1 微处理器m c f 5 2 7 2 m c f 5 2 7 2 微处理器【6 1 是基于第二代c o l d f i r ev 2 核心。它在6 6 m h z 下操作 速度为6 3 d h r y s t o n e2 i m i p s ，是迄今最高的v 2 性能。像所有c o l d f i r e 产品， m c f 5 2 7 2 系统结构提供优秀的编码密度，同畴达到出色的系统性能水平。由于 m c f 5 2 7 2 共用6 8 k 的编程模式，并为通信外围设备组的需要而提供了更高性 能选择，m c f 5 2 7 2 是6 8 3 0 2 系列产品的重要补充。 主要特征： lk b y t e 指令高速缓冲存储器 4 k b y t e 片上s r a m 1 6 x 1 6 位乘法及累计单元( m a c ) 硬件整数除法单元 业界先进的除错模块，提供背景和实时性能 集成处理器 合乎i e e e8 0 2 31 0 1 0 0 快速以太网控制器( f e c ) ，有专用d m a u s b i 1 设备控制器和收发器 q s p i 3 个p w m 输出 2 个u a r t 1 信道d m a 8 芯片选择 1 6 位通用i 0 4 个1 6 位计时器 s d r a m 控错4 器 6 3d h r y s t o n e2 1 m i p 6 6 m h z 3 3 v 电源，5 vi ，o 容差 1 9 6 脚m a p b g a 封装 2 2 2 数字信号处理器a d s p - 2 1 8 9 l 1 a d s p 2 1 8 x m 是a d s p 2 1 0 0 系列【7 】【8 l 框架下的新一代数字信号处理器，其 核电压为2 5 v ，i o 电压3 3 v ，能够保持1 3 n s 的指令周期( 7 5m i p s ) 。存储器 由两部分组成，即片上程序存储器为2 4 位s r a m ，片上数据存储器为1 6 位 s r a m 。像许多微控制器一样，a d s p 一2 1 8 6 m 包括有旨在简化系统设计的性能， 包括可编程存储器选通和独立的i o 存储器空问。多数指令都是单周期指令， 三总线机制允许单周期内双指令操作。据有1 6 x 1 6 乘加器和3 6 位结果寄存器， 乘、加和取下一次运算操作数可以在单周期内完成，非常适合数字信号处理算 法，如f f t 、f i r 、i i r 等。a d s p 2 1 8 9 m 的主要性能如下： 1 3 n s 指令周期时问( 7 5 m i p s ) 2 5 v 核电压，3 3 vi o 电源电压 3 2 k 字x2 4 位片上程序存储器s r a m 4 8 k 字x1 6 位片上数据存储器s r a m 6 传输 功耗0 4m 刖m i p s 1 6 b i ti n t e r n a ld m a 口用于高速访问片上内存 8 - b i t 字节d m a e l 用于字节内存( 含程序存储器和数据存储器) 的透明 双通道高速s p o r t e l 具有a u t o b u f f 王j j 能 a d s p 2 1 0 0 家族代码和功能兼容 1 0 0 脚l q f p 封装 2 2 3 现场可编程门阵列a p a l 5 0 a p a l 5 0 9 1 是a c t e l 公司推出的第二代基于f l a s h ( 闪存) 的可编程f p o a ( f i e l dp r o g r a m a b l e g a t e a r r a y ，现场可编程门阵列) 器件p r o a s i c p l u s 系列中 的一种。该系列器件兼具a s i c ( 专用集成电路) 的性能和f p g a 的灵活性于 一身，因此，可非常经济地替代a s i c 用于航空、消费电子、工业控制、网络 和通信市场。a p a l 5 0 的主要特点如下： 系统内可重复编程( i s p ) ； 非易失，采用0 2 2 u m 标准c m 0 s 工艺，内置f l a s h 单元，具有安全的非易 失代码存储功能，上电即可运行，无需额外配置p r o m 存储器： 高度保密，使用者可编程设置多位密钥以阻止外界自行读取或更改器件 的配置； 功耗低，芯片核心电压为2 5 v ： 具有与a s i c 类似的精细颗粒架构，支持流行的a s i c 工具流程，因而可 缩短产品上市时间，便于转换到a s i c 。 具有1 5 0 0 0 0 个系统门，逻辑单元为6 1 4 4 个： 内嵌3 6 k b 的双端口s r a m ； 最大支持2 4 2 个用户i o ，i o 电压有3 3 v 和2 5 v 两种可供选择： 支持3 3 v 、3 2 b i t s 、5 0 m h z 的p c i 总线，系统时钟最高频率为3 2 m h z ； 工作温度：工业级温度范围为4 0 8 5 。 2 2 41 2 c 总线芯片 1 2 c ( i n t e r i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 总线【m l 1 ij 是一种由p h i l i p s 公司开发的两线 式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。1 2 c 总线产生于在8 0 年代，最 初为音频和视频设备开发。 1 2 c 总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上， 因此1 2 c 总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降 低了互联成本。总线的长度可高达2 5 英尺，并且能够以1 0 k b p s 的最大传输速 率支持4 0 个组件。1 2 c 总线的另一个优点是，它支持多主控( m u l t i m a s t e r i n g ) ，其 7 中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号 的传输和时钟频率当然，在任何时间点上只能同时有一个主控。 1 2 c 总线是由数据线s d a 和时钟s c l 构成的串行总线，可发送和接收数据。 在c p u 与被控i c 之间、i c 与i c 之间进行双向传送，传送速率一般分为 1 0 0 k b p s 4 0 0 k b p s l m b p s 等几类。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像 电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地 址，在信息的传输过程中，1 2 c 总线上并接的每一模块电路既是主控器( 或被 控器) ，又是发送器( 或接收器) ，这取决于它所要完成的功能。c p u 发出的控 制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路， 确定控制的种类，其中高四位为器件类型识别符( 不同的芯片类型有不同的定 义，如e e p r o m 一般应为1 0 1 0 ) ，接着三位为片选，由器件上的三位地址线设 定；控制量决定该调整的类别( 如对比度、亮度等) 及需要调整的量。这样， 各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立。互不相关。 1 2 c 总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是：开始信号、 结束信号和应答信号。 开始信号：s c l 为高电平时，s d a 由高电平向低电平跳交，开始传送数据。 结束信号：s c l 为低电平时，s d a 由低电平向高电平跳变，结束传送数据。 应答信号：接收数据的i c 在接收到8 b i t 数据后，向发送数据的i c 发出特 定的低电平脉冲，表示已收到数据。c p u 向受控单元发出一个信号后，等待受 控单元发出一个应答信号，c p u 接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继 续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。 目前有很多半导体集成电路上都集成了1 2 c 接口。很多外围器件如存储器、 a d 转换器、r t c 等也提供1 2 c 接口。 基于1 2 c 的数字1 0 接i ：1 简介，采用的是变位中断的芯片，p c a 9 5 5 5 t 1 2 1 是一 种基于1 2 c s m b u s 总线的通用1 6 输入输出i o 扩展芯片，其特点如下： 电源范围：2 3vt o5 5v 驱动能力：输出驱动能力最大可达士2 0 m a 以上 输入输出电平；5 v 容差 1 2 c 总线：带噪声滤波器 复位：内部带上电复位 中断：集电极开路输出，低电平有效 时钟频率：最大可达4 0 0 k h z 功耗：待机功耗可以低至1 5 m a 保护：静电放电保护e s d 达2 0 0 0 v 以上 工作温度范围：一4 0 8 5 。 p c a 9 5 5 5 内含两个8 位输入输出口，每个口有单独的配置寄存器用于选择 相关管脚为输入或输出，单独的输入寄存器，单独的输出寄存器，单独的极性 翻转寄存器。所有寄存器都可以通过1 2 c 单独访问。其原理框图如图2 2 所示： p c 枷髓 m p ， p - 吨 目 1 c d h w n d 一凋： 商 懈作叫k 占 r i g i d m 一 - n 倒1 0 上 图2 - 2p c a 9 5 5 5 原理框图 p c a 9 5 5 5 有三根地址线a 2 、a i 、a 0 ，用于确定芯片地址，所以总共可以 在同一个1 2 c s m b u s 总线上扩展8 片，即1 2 8 个1 1 0 脚。 实际上，为了确保正常工作，p c a 9 5 5 5 的1 2 c 总线时钟频率最大只能设置 到3 3 0 k h z ，而不是理论值4 0 0 k h z 。 当然，具有类似功能的通用i o 扩展芯片还有很多。 鉴于实际应用中，用户普遍提出1 2 c 总线速度偏慢，p h i l i p s 公司于2 0 0 5 年推出了基于快速模式( f m + ) 1 2 c 总线的i o 扩展芯片，如p c a 9 6 9 8 。其 特点如下： 电源范围：2 3 v t o5 5 v 驱动能力：输出驱动能力最大可达1 0 m a 拉电流，2 5 m a 灌电流 输入输出电平：5 v 容差 通用i o 扩展口：4 0 个 1 2 c 总线：带噪声滤波器 复位：内部带上电复位，带外部中断输入脚 中断：集电极开路输出，低电平有效，对不需要的脚有可屏蔽控制功能 时钟频率：最大可达l m h z 功耗：待机功耗低 保护：静电放电e s d 达2 0 0 0 v 以上 9 工作温度范围：一4 0 8 5 从功能上看，无疑p c a 9 6 9 8 要远强于p c a 9 5 5 5 ，特别是其速度、复位输 入、中断可屏蔽不需要的引脚等。 时钟设计也是同1 2 c 总线连接的r i c o h 公司的r s 5 c 3 7 2 a 1 4 。它的特点 是： 时间保持电压低至1 4 5 v ； 电源电流低至1 0 9 a 3 v 4 0 8 5 ： 基于1 2 c 接口，速度可以达到4 0 0 k h z ； 自动闰年处理到2 0 9 9 年； 振荡器稳定电容内置： 内部数字调节可以使时钟快或慢3 0 秒( 用于温度补偿) ； 8 脚s s o p 封装； 工作温度范围：- 4 0 8 5 。 时间对时是由主站对时的。 2 2 5q s p i 串行总线与人机接口 串行外围接口( s p i ) 是f r e e s c a l e 公司提出的同步串行外设接口1 6 1 ，允许c p u 与各种外围接口器件以串行方式进行通信、交换信息。q s p i 模块提供队列传输 性能的串行外围接口，允许同时有1 6 个用户排队等候传输，在传输时不需要 c p u 参与。q s p i 模块中的r a m 可以通过地址和数据寄存器来间接存取。 q s p i 模块特点如下： 在没有用户的干预下，可编成队列最多支持1 6 个传输； 支持l 位增量的8 1 6 位的传输长度； 4 个外围器件片选信号，最多可以控制1 5 个外设； 在主频为6 6 m h z 的情况下，可以设置波特率为1 2 9 4 k b p s 3 3 m b p s ： 可编程控制传输前后的延时： 可编程的时钟相位和极性； 对于连续传输，支持环绕模式。 在此产品设计中主要用来与键盘和液晶通讯。 2 3 功能模块划分 根据变压器监控器设计输入提出的功能要求，总体设计具有如图2 3 的功 能结构。 功 能 扩 展 模 块 器黔 一 液晶 采集功能广 显示 中心 功能 糠鬻 。 监控 输出功能l 一 单元 模块 键盘 通信及维护功能| 输入 功能 图2 - 3 硬件功能结构原理 人 机 接 口 模 块 将变压器监控器的硬件分为中央监控单元、功能扩展、人机接口三个模块 进行设计，每个模块对应一块p c b 板，分别是m k 9 1 0 板、扩展板和h m i 板。 本章主要讨论功能扩展板和人机接口板的硬件设计。 扩展板、m k 9 1 0 板、h m i 板总体布局如图2 - 4 所示。 2 4 扩展板的设计 2 4 1 扩展板硬件方案 硬件配置为： 幽2 4 变压器监控器总体布局图 表2 1 硬件配置表 l 产品 a cd cd id o r $ 2 3 2t c p ，i pu s b l 扩展板 6 l41 22 ll 变压器监控器硬件设计方式为两端进出线：一端是模拟量输入，另一端是 通讯、遥信、数字量输出信息端口。 2 ) 扩展板结构示意图 圈2 5 扩展板结构示意图 2 4 2 基本测量功能 变压器监控器主要完成6 路交流模拟量和1 路直流模拟量的测量功能。6 路交流模拟量包括三相电压、三相电流，根据需要可以对零序电流进行测量。 根据电压、电流值，计算三相有功功率，无功功率、功率因数、有功电度、无 功电度、频率、谐波电压、谐波电流等电气量。 2 4 3 数字量输入功能 变压器监控器能对4 路数字量输入进行采集，可用于电容器投切状态等的 监视。 2 4 4 数字量输出功能 变压器监控器可以完成1 2 路数字量输出功能，采用光电耦合器隔离输出。 2 4 5 通信及维护功能 变压器监控器须具有通讯及维护功能，接口方式分为r s 2 3 2 、以太网、u s b 三种方式。 u s b 用作维护口，提供文件双向传输、目录浏览、实时数据读取、进程控 制等功能；采用文本格式的配置文件：设计基于 w i n d o w s 9 x w i n d o w s 2 0 0 0 w i n d o w s x p 的应用软件，便于对系统的维护。 以太网接口使变压器监控器可以方便地与互联网接口。 2 4 6 模拟量输入通道设计 1 ) 模拟量采样 在设计中，采用的是同步采样的方法，通常来讲，有两种方法可以认为是 同步采样。一种是采样数据在信号周期内是均匀的，即均匀采样，英文名称为 s y n c h r o n o u ss a m p l i n g ；另一种是多通道模拟信号在同一时刻采样，即同时采样， 英文名称为s i m u l t a n e o u ss a m p l i n g 。这里我们把s y n c h r o n o u ss a m p l i n g 叫做同 步采样，而s i m u l t a n e o u ss a m p l i n g 叫做同时采样。事实上，现有文献中，对于 同步采样一直有均匀采样和同步采样两种叫法，但其本质是相同的。 一般来说，电力系统的电压，电流可以描述为： v ( t ) = v 。s i n ( 2 a f t + 0 i ) ( 2 - 1 ) i ( t ) = i 。s i n ( 2 9 f l + 0 ，) ( 2 - 2 ) 此时，电压有效值定义为( 电流类似) v r m s = 辟r 扩西 协3 ) 以电压为例，各次谐波的参数为 仉= 睾r 1 ，c o s ( 1 w t ) d t ( 2 - 4 ) 1t b t = t f v s i n s ( k w t ) d t ( 2 5 ) 对于交流采样方法，实际上是对模拟信号进行离散化后，用离散的方法对 各种参数进行计算，其中 = 艇i i 4 面2 ， ( 2 6 ) 舻专荟“o c o s l 蔚等j ，( 2 - 7 ) 1 一1， 一、 铲专萎印州蔚制，( 2 - 8 ) 显然，以上公式成立的前提是同步采样，即假设t = n x t s ，其中，t 为系 统频率，n 为采样点数，t s 每次采样的时间间隔。 对于频率恒定的系统，由于数字测频系统的分辨率不能无限细分，这就带 来了时间分辨率问题，即n x t s 与实际系统的周期t 不完全相等，由此带来了 非同步采样问题。显然，此时式2 - 6 到2 8 计算的结果与实际值是有误差的。 由于电力系统的复杂性，系统频率并不是稳定不变的，按照国标要求，其 交化范围为4 9 8 h z 到5 0 2 h z 。当然，考虑到系统故障时的情况，国标一般对 监控产品的输入信号频率范围要求为4 5 h z 到5 5 h z 。显然，为了保证同步采样， 系统频率的测量和跟踪是关键因素。频率跟踪的方法一般包括硬件锁相环，软 件锁相环，和软件跟踪等方法。 硬件锁相环方法如下图所示：( 以每周波采样1 2 8 点为例) 匪p 墅严疆， 匝蠡卜电亘睇丝囱1 匝 圈2 - 6 硬件锁相环原理框图 硬件锁相环的关键器件为锁相环，如7 4 h c 4 0 4 6 等，当然，低频滤波部分 也是保证测量频率可靠性的前提显然，如果系统受到高频脉冲干扰时，过零 检测的方波输出可能无法真实反映信号频率。 在此基础上，软件锁相环使用数字信号处理的方法实现，基本原理与硬件 锁相环类似，但由于其频率的获取采用的是数字滤波的方法，可以避免高频脉 冲的干扰。 软件跟踪方法实际上是对软件锁相环的一种变通方法，主要改变是根据不 同的观测模型，采用合适的频率计算方法获得系统周期，再根据相应的时间间 隔控制a i d 转换器进行采样。 频率跟踪方法有许多种，但一个共同点就是，鉴于电力系统频率变化是缓 慢的。相邻两个或几个周期的频率可以近似认为是相同的。频率跟踪方法的本 质是利用前一个或几个周期的数据获取系统频率，再以此为标准，控制下一周 波的数据采样。 综合以上方法，系统频率的获取是同步采样的核心频率或周期的测量方 法有许多种，包括过零法，解析法等( 含傅氏滤波法，最小二乘法，正交去调 制法等) ，但由于数字系统的时间分辨率有限和系统频率是变化的，因此，真 正的同步采样是无法实现的。基于这个原因，许多人提出了各种补偿措施，如 双速率采样( d o u b l e s p e e ds y n c h r o n o u ss a m p l i n g ) ，准同步采样 ( q u a s i s y n c h r o n o u ss a m p l i n g a l g o r i t h m ) 等。这些算法实际上都是在同步采样 算法的基础上，加以多次迭代，无疑比同步采样前提下的算法增加了计算量。 2 )模拟量接口的数据流及控制方法 对于模拟输入量，控制采样方法和数字信号处理方法固然重要，a d 转换 器输出的数字信号如何与处理器接口也是一个关键环节。 随着电力系统对监控产品要求的提高和数字信号处理方法的快速发展，高 采样速度已经成