（电气工程专业论文）新型故障录波器的研究.pdf

摘要 故障录波器是常年投入运行，监视着电力系统运行状况的一种自动记录及分 析系统。利用故障录波器所记录的电气量，可保证电力系统的安全运行，起到极 为重要的作用。通讯一直是故障录波中数据传送的重要环节，合理的通讯方案可 进一步扩大录波的信息量，提高可靠性、准确件、灵活性、实时性、以及实现共 享信息资源。传统的上位机与下位机采用的串口通讯会产生瓶颈效应( 网络传输 速度大于串口速度) 。为此本文研究了一种新型故障录波器以解决上述问题。 本文提出了一种结合以太网和内存共享方式的新型通讯方案，并详细阐述了 软、硬件的实现。 新型故障录波器的硬件采用了全球定位系统( g p s ) 、嵌入式工控机、数字信 号处理器等先进技术和开发平台，采用多c p u 并行工作方式构成。 在新型故障录波器的软件设计方面，先分析了录波器的具体通讯任务，上位 机与中层管理机之间是基于t c p i p 协议的以太网通讯，由s o c k e t 编程实现，中 层机与下位机之间采用基于双端口r a m 的内存共享通讯方式，中层机软件是通讯 核心，采用c 语言编程，面向用户，面向解题的过程，并且可以对机器硬件进行 操作等诸多优势使软件更加易于开发，易于维护。 最后，系统地阐述了数据处理系统的实现，包括发变组故障录波器的模拟量 配置、开关量配置、启动方式和判据等。并对该系统的整体特点和其应用前景进 行了展望。 关键词：故障录波器，发变组，以太网通讯，启动判据 a b s t r a c t f a u l tr e c o r d i n gs y s t e mi saa u t o m a t i cr e c o r d i n ga n daa n a l y s i ss y s t e mw o r k i n g a l l t h ey e a r , m o n i t o r i n gt h eo p e r a t i o nc o n d i t i o no fe l e c t r i c a ls y s t e m e l e c t r i cv a l u e r e c o r d e db yf a u l tr e c o r d i n gs y s t e mt a k e sg r e a te f f e c tt o e n s u r es a f eo p e r a t i o no f e l e c t r i c a ls y s t e m c o m m u n i c a t i o ni sa l w a y si m p o r t a n ts e g m e n to ff a u l tr e c o r d i n g s y s t e m ，sd a t at r a n s m i s s i o n r a t i o n a lc o m m u n i c a t i o ns c h e m ec a ne n l a r g ei n f o r m a t i o n v o l u m eo ff a u l tr e c o r d i n g ，i n c r e a s er e l i a b i l i t y , a c c u r a c y , f l e x i b i l i t y , r e a l - t i m ea b i l i t y a n dr e a l i z er e s o u r c es h a r e t r a d i t i o n a l c o m m u n i c a t i o na d o p t i n gs e r i a lp o r tc a n d r o i l u c eb o u l e n e c ke f f e c t ( s p e e do fn e t w o r kt r a n s m i s s i o ni sh i g h e rt h a nt h a to fs e r i a l p o r t ) t h ep a p e ri n t r o d u c e sak i n do fn e wc o m m u n i c a t i o ns c h e m et h a tc o m b i n e s e t h e m e ta n di n t e r n a lm e m o r ys h a r ea n df o r m u l a t e sr e a l i z a t i o no fs o f t w a r ea n d h a r d w a r ei nd e t a i l h a r d w a r e ，t h en e wf a u l tr e c o r d e ru s i n gt h eg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) ， e h l b e d d e di n d u s t r i a l c o m p u t e r , d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r s ，a n do t h e r a d v a n c e d t e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m d e v i c eu s e st h ep a t t e r no fm a n yc p up a r a l l e l w o r k i n g s o f t w a r e ，i nt h ef i r s ta n a l y z e dt h ec o n c r e t ec o m m u n i c a t i o nt a s k so ff a u l t r e c o r d i n gs y s t e m t h ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h eu p p e ra n dt h em i d d l e b a s eo nt c p i pp r o t o c o la n di st a k e ne f f e c tb ys o c k e tp r o g r a m s a d o p tm e m o r ys h a r e c o m m u n i c a t i o nb a s e do nd u a l p o r tr a mb e t w e e nt h em i d d l ea n dt h el o w t h e m i d d l e ss o f t w a r ei st h ec o r eo ft h ec o m m u n i c a t i o n ，p r o g r a m m e db ycl a n g u a g e ， w h i c hi su s e r - o r i e n t e da n ds o l v i n g p r o c e s so r i e n t e d ，s u p e r i o r i t yo fcl a n g u a g e ，s u c h a so p e r a t eo nh a r d w a r ed i r e c t l ym a k e st h ed e v e l o p m e n ta n dt h em a i n t a i nm u c h e a s i e r f i n a l l y , i n t r o d u c e dt h ea n a l o gv a l u ec o n f i g u r a t i o n o n , s w i t c hv a l u ec o n f i g u r a t i o n , a n a b l em o d ea n db a s i s k e yw o r d s ：f a u l t r e c o r d e r , g e n e r a t i o n - t r a n s f o r m e r g r o u p ，e t h e r n e t c o m m u n i c a t i o n ，s t a r m pc r i t e r i a 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和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书面使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关螽良 签字日期： 钐口7 年胆月z 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘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，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：享互 导师签名：乏呼棚 签字日期：矽。 年1 1 ，月d 日签字日期：砂归g 年7 月砂日 第一章绪论 1 1 故障录波分析的意义 第一章绪论 电力系统故障录波装置主要在5 0 0 、2 2 0 k v 变电站及一些枢纽变电站中用作 记录和分析电网故障的设备。其记录的电网运行数据有电流、电压、开关量及有 关元件的有功、无功、非周期分量的初值电流及其衰减时间常数、系统频率变化 及各种参数变化的准确时间进行记录。故障录波分析的主要意义如下： ( 1 ) 正确分析事故的原因并研究对策 一个电力系统往往连接着广大地区的很多发电厂和变电所，当系统发生事故 时，除继电保护和自动装置动作切除故障外，还需尽快查明故障原因，以便确定 防止事故的对策。但是如无故障录波，就不可能得到可靠的直接数据，因此，在 分析事故时，不得不进行假设或推测，这样常常前后矛盾，难以解释。特别是当 保护装置发生拒动或误动而扩大了事故时，情况就更加复杂。同时，再加之发生 事故时，现场值班人员忙于处理事故，未能正确地记录继电保护和自动装置的动 作情况，就会给分析事故增加困难甚至造成混乱。而当有了故障录波时，通过录 取的各故障波形图的对照显示，可以准确地反映故障类型、相别、故障电流、电 压的数值以及断路器的跳合闸时间和重合是否成功等情况，这样就可以正确分析 和确定事故的原因，研究有效的防止措施，从而减少以至避免再发生类似事故【l 】。 ( 2 ) 正确评价继电保护和自动装置的工作 在电力系统发生事故时，继电保护装置虽动作跳闸，切除了故障，但有时可 能出现几套保护装置同时动作的情况，其中有的保护装置是正确动作，而有的则 可能是误动作。如无故障录波分析而单凭保护屏上的信号继电器来表示故障情 况，当保护屏上的信号继电器发生异常，例如信号继电器卡住或拒动时，甚至有 些地方还发生过保护装置检验后忘投信号电源的情况，以至线路发生瞬时性故障 时，保护装置虽动作正确动作跳闸并重合成功了，但保护屏上的信号继电器却毫 无表示，好象保护装置从未动作。因此，仅凭保护装置的信号表示，有时并不能 正确评价继电保护和自动装置的工作。而有了故障录波，对录波资料分析就可以 正确评价或验算继电保护装置工作的正确性。特别是当发生转换性故障时，更需 录波资料来正确评价继电保护和重合闸装置的工作。 ( 3 ) 帮助寻找故障点 第一章绪论 根据资料统计，在超高压线路上，接地故障约占9 5 左右。每次事故发生 后，一般均需及时巡线找到故障地点并进行处理，以保证线路安全供电。对于长 线路，特别是经过山区的长线路，例如一些大型水电站的出线，一般均经过较长 的山区，而山区往往交通不便，巡线非常困难，劳动强度很大。如无故障录波提 供故障点资料，即使交通方便的平原地区，遇到恶劣天气狂风大雨、酷暑严寒时 发生故障，全线巡线也很辛苦。有了故障录波装置，不仅可以利用录波图迅速判 明故障类型和相别，而且还可以利用录波资料提供的零序短路电流值，较准确地 计算出故障地点，这样就缩小了巡线范围，大大减轻工人巡线的劳动强度，同时 有利于迅速寻找故障点消除故障，及时恢复供电，减小经济损失。 实际上，保护中也有故障测距，但由于利用单端电气量，受过渡电阻的影响 其测距精度难以达到实用要求。在故障录波的实时性达到一定要求后，故障录波 的信息共享也有利于继电保护的故障测距。 ( 4 ) 发现继电保护和自动装置缺陷，便于改进和完善装置 在发电机组和超高压线路上装设的继电保护和自动装置接线回路的设计上， 虽然经过认真细致的研究，仍可能有不合理或考虑不周的地方，这些问题在做各 种模拟试验时甚至在运行中都不容易发现，但在系统发生事故时，就会造成装置 的拒动或误动。如无故障录波，这类问题有时很难发现，很难及时改进，结果就 可能重复发生类似的误动或拒动事故。有了故障录波，利用录波资料，经过分析， 就可以发现装置的缺陷，及时进行消除并改进装置的接线。 ( 5 ) 发现一次设备缺陷，及时消除隐患 在电力系统中，有的一次设备例如高压断路器存在缺陷，平常很难发现，而 这些缺陷将在不同程度上危及电力系统的安全运行。在我国某电力系统中，曾从 故障录波装置的录波图中发现：a p f 型断路器断不开电容电流，导致头间多次点 弧，结果使快速重合闸重合不成功；b b - - 2 2 0 型断路器断电时间缩短，去游离时 间不足而造成重合闸重合不成功；有的断路器断开时产生过电压电弧重燃，经检 查发现触头烧损和消弧室并联电阻烧坏；还曾经发现有的断路器合闸时多次跳 跃。因此，通过对录波图的分析，即可发现这些隐患并及时予以消除，使电力系 统能安全地运行。 ( 6 ) 提供转换性故障和非全相运行再故障资料 在电力系统运行中，机组内部或同一线路上有时在很短时间内可能会发生由 一种类型故障转换为另一种类型故障的现象。例如由于发电机外壳接地，发电机 易于发生单相接地，如不及时处理则可能发展为匝间短路或相间短路故障；在使 用综合重合闸时，当发生单相接地故障，故障相两侧跳开后，在非全相运行过程 中可能又发生故障。由于这些情况是发生在很短时间内，值班人员很难发现，主 第一章绪论 控室内的仪表也很难反映出来，如无故障录波就很难弄清这些情况，也很难判断 继电保护和自动装置能否适应此种情况。我国故障录波装置投入运行以来，积累 和提供了许多这方面的资料，从这些资料中，可了解线路故障时的故障类型转换 和非全相运行过程又发生事故的情况、特点和时间等等。 ( 7 ) 了解系统运行情况，迅速正确地处理事故 联接很多发电厂和变电所的电力系统，当发生事故后，继电保护装置动作， 有时跳开一回或几回线路，有时还可能联动切除某个电厂的发电机组，严重的甚 至可能造成地区系统瓦解。有了故障录波装置，从录波图的电气量变化曲线中， 就可清楚地了解系统的运行情况并迅速判明事故原因，及时正确地处理事故，迅 速地恢复供电，缩短停电时间。 ( 8 ) 实测系统参数 电力系统中有的元件如变压器、架空输电线，可用试验方法测得其参数。但 有的元件如y ( 全星型) 变压器的零序阻抗，因是非线性值，故其参数很难 用一般试验方法测得；若有故障录波装置，我们即可利用故障录波装置在故障时 记录的电气量( 零序电流和零序电压) 来实测全星型变压器的零序阻抗值，并且 从录波图上也可直接看到由于零序阻抗非线性而造成的零序电压波形的畸变。因 此在系统故障时录波资料提供的全电流、全电压、功率和相序电流、相序电压等 数值，不仅可核对系统参数和短路电流计算值的正确性，而且可实测某些难以用 普通试验方法得到的元件参数，以便及时修正有关参数，为整定计算和判断故障 点提供可靠数据。 ( 9 ) 分析研究系统振荡问题 电力系统由于动态稳定破坏、静态稳定破坏、非同期合闸未能拖入同步及发 电机失磁等原因均可能引起系统振荡。当系统发生振荡时，发电厂或变电所内的 仪表虽有摆动反映，但不能留下具体数据，更不能显示一些参数的变化规律。而 故障录波装置的录波图则可提供系统振荡从发生、失步、同步振荡、异步振荡和 再同步的全过程以及振荡周期、电流、电压等参数的特征和变化规律。因此，利 用录波资料，可帮助分析和研究系统振荡问题，以确定处理方法，缩短振荡时间， 实现快速再同步，尽快平息振荡。同时，从系统振荡过程的分析研究中，可提供 出供设计和改进继电保护装置的依据。 ( 1 0 ) 研究电力系统内部过电压 电力系统由于故障和操作常常引起内部过电压。内部过电压一般可分为 谐振过电压、操作过电压和弧光接地过电压。谐振过电压是由系统电感和电 容组成的谐振电路，当满足一定的条件，就可能激发起持续时间较长的铁磁 谐振过电压。操作过电压主要是操作高压断路器时改变了系统参数，产生电 第一章绪论 磁振荡暂态过程而引起的。弧光接地过电压则是由间隙性接地电弧引起的。 很多内部过电压的发生具有随机性质，难以预测和准确计算。内部过电压一 旦发生常常造成严重后果。而过电压的出现，有的持续时间较长，有的持续 时间则较短，特别是伴随电力系统故障持续的内部过电压，具有突发事故性 质，既不能事故前作好试验准备，也难以事故后模拟，因此很难得到发生内 部过电压时的真实数据。而利用故障录波或按特殊要求加快了记录速度的故 障录波，即可记录下发生内部过电压时的波形曲线。为分析研究系统内部过 电压问题，确定限制内部过电压的措施提供依据，以保证电力系统的安全运 行。 1 2 故障录波分析的发展状况 1 2 1 故障录波器的发展过程 故障录波器是电力系统发生故障及振荡时能自动记录各个模拟量、开关量数 据的一种装置，正常情况下不启动或只进行数据扫描，发生故障或振荡时进行录 波，并记录故障前后全过程的电压、电流、功率变化及继电保护动作情况等，从 而为分析事故提供科学依据。因此，这种装置对提高系统安全运行水平极为重要。 故障录波器目前已有三代产品。第一代是机械一油墨式故障录波器，现已被 淘汰；第二代是机械一光学式故障录波器，目前运行使用的也已很少；第三代是 微机一数字式故障录波器，由于硬件设计灵活经济，性能优越，广泛被国内各电 厂、变电站采用，是故障录波器当今发展的主流。 微机一数字式故障录波器由于其功能强、可靠性高等优点，一出现便备受青 睐。故障录波器的出现大大提高了电力网络的监测运行水平，采用单片机和微机 技术极大地提高了故障录波器的准确性和可靠性，丰富了其功能，方便了运行人 员，对电厂、变电站的微机监测，提高安全运行水平，有广阔的应用前景。 1 2 2 故障录波器的通讯系统现状 ( 1 ) s - 2 3 2 接口 所谓串行工作方式是指从串行口接收和发送的数据都是一位一位进行的，区 分于以字节作为每次信息交换单位的并行工作方式。串行口通讯可采用同步方 式，也可采用异步方式。因为异步方式所需的硬件设备相对简单，并且录波系统 中不要求同步的数据传输，所以常采用异步通讯方式。e i ar s 2 3 2 c 是美国电 子工业协会正式公布的串行总线标准，也是目前最常用的串行接口标准，用来实 第一章绪论 现计算机与计算机之间、计算机与外设之间的数据通讯。r s 2 3 2 串行接口总线 适用于：设备之间的通讯距离不大于1 5 m ，传输速率最大为2 0 k b s 用r s 2 3 2 总 线连接系统时，有近程通讯和远程通讯方式之分。近程通讯是指传输距离小于 1 5 m 的通讯，这时可以使用r s 2 3 2 电缆直接连接。1 5 m 以上的长距离通讯，需要 采用调制解调器( m o d e m ) 【2 】【3 】。 ( 2 ) r s 4 8 5 接口 r s 一2 3 2 接口虽然应用很广，但因推出较早，在现代网络通讯中已经暴露出 明显的缺点：如数据传输速率慢、通讯距离短、未规定标准的连接器、接口处各 信号间易产生串扰，鉴于此，e i a 指定了新的标准，除了与r s 2 3 2 接口兼容外， 还在提高传输速率、增加传输距离、改进电气性能方面做出了很大努力。r s 4 8 5 是一种多发送器的电路标准，它扩展了r s 4 2 2 a 的性能，允许双导线上一个发 送驱动3 2 个负载设备。负载设备可以是被动发送器、接受器或收发器( 发送器 和接受器的组合) 。r s 4 8 5 电路允许公用电话线通讯。电路结构是在平衡连接电 缆两端有终端电阻，在平衡电缆上挂发送器、接受器、组合收发器。r s 4 8 5 标 准没有规定在何时控制发送器发送或接受器接受数据的规则。电缆选择比 r s 4 2 2 a 更严格。根据给出的失真( ) 为纵轴，电缆的上升时间( t r ) 或时间 间隔单位( u - i ) 为横轴，给接受机的不同信号电压u 0 画出不同直线。根据直线 选择电缆。r s 4 8 5 最小型由两条信号电路线组成。每条连接电路必须有接大地 参考点，这电缆能支持3 2 个发送接收器对。为了避免地面路电流，每个设备一 定要接地。这电缆应包括连致每个设备电缆地的第三号参考线。若用屏蔽电缆， 屏蔽应接到电缆设备的机壳。 现有的故障录波通讯系统多采用以上两种方式，虽然r s 4 8 5 对r s 2 3 2 进行 了改进，但仍存在许多缺点。以下就是录波中采用传统通讯方式的具体的不足之 处 4 】： 1 ) 由于通讯系统的限制，大多数故障录波器的采样频率多为每周2 0 点，甚 至更低。显然不适应高速故障记录的要求。 2 ) 利用串行数据通讯转移数据速度慢，有时竟达到令人无法忍受的地步， 更不必谈实时故障信息的上传和加以充分的利用。 3 ) 在考虑信息远传时，各厂家的通讯规约不一致，为故障录波器的联网带 来了很大的困难。 1 2 3 发变组录波器的数据处理系统现状 由于低速m c u 的采用，前台机的启动判据不能投入所有通道，使录波启动 不够及时、可靠。 第一章绪论 前台机除了必不可少的录波器的启动条件和终止条件外，几乎没有分析功 能，许多的分析功能都在后台机中进行，而这往往在故障过程结束后的较长时间 后才进行，同样不能满足于实时性要求【5 】o 有限的随机存储器容量使得系统缺乏足够的灵活性，特别是当短时间内发生 多次启动时，不可避免地造成数据丢失。 1 3 本文的主要工作 结合现场实际需要，针对当前存在的问题，提出了一种新型的录波器方案， 对该方案和方案所采用的许多新技术、新方法进行了系统的阐述，给出了系统具 体的硬件方案，并系统地阐述了方案的通讯系统软件的实现，包括一些软件设计 和具体的问题的解决。还系统地阐述了数据处理系统的实现，包括录波量的基本 配置和启动判据等等。并对该系统的整体特点和其应用前景进行了展望。 第二章新型故障录波器中新技术的应用 第二章新型故障录波器中新技术的应用 本文所提出的新型录波器方案利用当今各种先进的技术手段及开发平台。其 中全球定位系统( g p s ) 解决了全系统时间对时和精确的a d 采样问题；嵌入式 工业计算机一p c i 0 4 的使用解决了系统的通讯管理和数据保存；数字信号处理器 ( d s p ) 解决了数据的快速采集和通讯；而基于t c p i p 协议的以太网的应用更 是解决了传统串口通讯的瓶颈效应，实现了快速、可靠的数据传输。 2 1 全球定位系统( g p s ) 在录波器中的应用 2 1 1g p s 概述 全球定位系统( g p s ) 是美国于1 9 9 3 年全面建成并运行的新一代卫星导航、 定位和授时系统。它由空间卫星、地面测控站和用户设备三大部分组成。空间卫 星共计2 4 颗，分布在6 条近似圆形轨道上，在距地球大约一万英里的高度上每 2 4 小时绕地球运行一周。g p s 以工作频率大约为1 5 g h z 载码的形式向地面发射 信号。它能全球覆盖，全天候工作，全天2 4 小时连续实时的向用户提供高精度 位置、速度和时间信息。g p s 传递的时间在地面测控站的监控下能与世界协调时 ( u n i v e r s a lt i m ec o o r d i n a t i o n u t c ) 保持高度同步，最高精度可达l o 一1 u s ， 这一特点使它成为目前世界上传播范围最广、精度最高的时间发布系统，具有极 高的可靠性，同时它较低的导航定位精度兼供民用。由于美国政府已同意将g p s 无条件应用于全世界民用领域，因此，g p s 实际上已成为一项全球共享技术资源。 2 1 2g p s 在电力系统上的应用 g p s 在电力系统的应用主要是在卫星同步时钟上的应用，具体表现在以下几 个方面 6 】1 7 ： ( 1 ) 为电网自动化装置提供时间标记 电站内安装的录波器、事件记录仪、微机继电保护及安全自动装置、远动及 微机监控系统采用统一的参考时间后，有助于进行故障分析与专家诊断，搞清事 故的起因与发展过程，以更好的采取反事故辅助决策，保证电力系统安全运行。 ( 2 ) 自适应继电保护 第二章新型故障录波器中新技术的应用 在使用g p s 卫星时钟的输出对采样进行同步后，继电保护可以获取到包括 电压、电流相位在内的更全面的系统状态信息，以对继电保护装置的整定值、灵 敏度、动作速度等进行在线调整，实现自适应保护。 ( 3 ) 相位测量 为了更好地了解电力系统的静态与动态行为，通常调度人员要知道电网各节 点( 电站) 之间的电压相位关系，以合理地进行发电量及负荷调度，采取有针对 性地稳定措施。通常的做法是把节点电压、电流幅值及功率值送到调度中心，e m s 系统根据这些测量值、网络结构及节点阻抗值计算出主要变电站间的电压相位关 系，作为系统状态变量显示出来。在系统的时钟统一以后，做到各电站输入信号 的采样脉冲同步，可以很容易地测出电站之间电压的相位关系。要保证相位测量 的准确性，采样脉冲同步误差要很小。通过g p s 秒脉冲则可以很好的满足精度 要求。 ( 4 ) 故障测距 阻抗原理的测距装置精度受过渡电阻影响严重。在系统的时钟统一后，调度 中心可利用故障线路两端的故障录波器送上来的数据，根据线路两侧故障电流的 相位关系，减小过渡电阻对母线处测量阻抗的影响，给出较为精确的故障点位置。 ( 5 ) 新型纵联保护应用 利用g p s 技术，借助于相应的数据传输通道，可以实现高频相差保护中同 时刻数据的比较计算，进一步提高保护的性能。 2 1 3 本系统中g p s 的应用 本系统中的g p s 采用的是日本古野公司生产的g n 7 7 n 型的g p s 接收器。 它有以下特点：体积小、重量轻、适应温度范围广、多种供电方式、接收频率高、 操作简便、输出数据格式多样化等。g n 一7 7 n 的输出有两种方式：串口输出和秒 脉冲输出。其中，在串口输出的方式下，可以有许多种命令格式( 如：$ x x g l l 、 $ x x g l l 等) 可以通过串口输入给g n 7 7 n ，而后，g n 7 7 n 将会按照所输入的 命令格式通过串口给出相应的输出信息( 如：$ x x g l l 输出的即是纬度、经度 的信息；而$ x x g l l 相应输出的则是u t c 时间的时、分、秒、年、月、日和当 地时问的时、分信息) 。而秒脉冲输出是g n 7 7 n 的一路单独脉冲输出。此脉冲 输出的间隔是1 秒。在本系统中，它的作用主要是在两个方面：采样时刻的控制 和全系统对时功能。分述如下： ( 1 ) 对a d 的采样时间的准确性的控制 为了提高计算上的精确度，系统仿真部分需要各个时刻准确的模拟量的信 息，而这又是和模拟量采集卡上的a d 的启动时刻有紧密关系的。如果没有一 第二章新型故障录波器中新技术的应用 个准确的时钟，那么在采样的过程中就会有在时间上误差的积累，而通过g p s 系统，可以利用逻辑电路控制的方法通过一高精度的晶振( 本身为i i s 级) 产生 的脉冲经过分频后( 经秒脉冲对时) 去控制a d 启动转换，这样误差积累就可 以保证在微秒级，保证了仿真结果的精度。 ( 2 ) 对全系统时间的对时功能 利用g p s 本身是可以完成对整个系统( 事件记录、序列控制、模拟仿真) 的各种数据保持其绝对时标的功能的。但是，在g p s 失效的情况下，系统内的 时钟芯片可以短期满足数据采集的同步性。为了维护系统内部的各个时钟的各自 绝对时间，可以通过g p s 来完成对它们进行对时工作。 2 2 嵌入式p c 机p c 1 0 4 应用于录波系统的信息管理 所谓嵌入式p c 机，就是针对工业、军事等非普通商用客户的高要求，把p c 机的体系结构内嵌到其产品内部，使其起到微控制器的功能。与其它的微控制器 相比，嵌入式计算机在以下两个方面有其强大的优势【8 】： ( 1 ) 硬件方面：系统开发者在每个项目的开始时都会去寻找最新最近的微 处理器，而且，实际上也有这种情况发生：基于早期的器件设计的老的产品，由 于设计它们的工程师们已经前进，对早期的结构以及相关的开发工具逐渐淡忘， 造成维护和改进变的很困难。而p c 机的硬件方面是有如此多的工程师，上面的 问题几乎是不存在的。 ( 2 ) 软件方面：它更多的开始使用结构化语言如c ，选用面向对象的编程 方法。在熟悉有广泛支持的如d o s 、u n i x 等操作系统上，有软件接口a p i ( 如 w i n d o w s 、t c p i p 等) 的软件环境。同时，有关p c 机软件产品如：实时操作系 统、设备驱动程序、函数库以及应用程序等都很多。而绝大多数的软件编程者都 有丰富的p c 机的软件编程方面的经验。 因此，将p c 机体系结构用于嵌入式应用意味着节约大量的开发时间和资金， 降低产品成本，而且减少了繁杂的的维护和技术支持。 2 2 1p c 1 0 4 简介 作为嵌入式p c 机的一种，在软件与硬件上，p c 1 0 4 与标准台式p c ( p c a t ) 体系结构完全兼容，但在形态上，p c 1 0 4 是十分紧凑、自栈式、模块化结构。 首先，p c 1 0 4 把各种将台式p c 重新包装以满足要求坚固、可靠、尺寸受限的嵌 入式系统的方法进行了标准化；其次，p c 1 0 4 为针对工业等不同情况的应用进 行了部分功能上的扩展。 第二章新型故障录波器中新技术的应用 p c 1 0 4 产品作为嵌入式p c 机领域里佼佼者，具有以下几个特剧9 】： ( 1 ) 微型尺寸：p c 1 0 4 模块的尺寸是9 0 9 6 m m ，有两种总线形式分别使用 于8 位和1 6 位模块，这样使得该模块更加容易的嵌入到产品中。 ( 2 ) 栈接式总线：为了减少复杂度，降低成本，减小通常母板、背板、卡 架等占用的空间，p c 1 0 4 采用了独特的“自栈式总线连接器，多块模块可直 接栈接。 ( 3 ) 总线信号功能与引脚定义：所有p c 1 0 4 总线信号之功能与一般的p c a t 总线相对应的信号完全相同，这样就使系统的设计上大为简单了。 ( 4 ) 减小总线驱动：为了降低功耗和减少芯片个数，总线驱动从2 4 m a 降 低到4 m a ，这样就允许大多数v l s i 芯片直接驱动总线，而无需另加缓冲芯片。 这样使得p c 1 0 4 较一般的p c 总线降低了电磁辐射( e m i ) 。 ( 5 ) 中断共享选择：当在嵌入式应用中采用p c 体系结构时，由于8 位总 线只有6 条中断线，而且大多指派给标准p c 接口，这样就会缺少总线中断，而 这在微控制器里是容易解决的。针对以上情况，p c 1 0 4 定义了多个中断源能共 享一个中断的机制，直接解决了上述问题。 在本系统中，c p u 模块是嵌在一个开发板上，上面有p c 1 0 4 总线，还有一 些其他的外围扩展电路，详细内容参照第三章第三节。 2 2 2h x l 4 8 6i i 介绍 实际上对于不同的工业领域的应用，p c 1 0 4 生产商集成了不同类型的模块， 结合本系统中的应用，我们选择了h x l 4 8 6 i i ，本小节将对其软硬件做了系统的 阐述。 硬件部分： ( 1 ) u t i l i t y 接口： 扬声器、复位开关( 电源正常) ，键盘和一个串行口在j 4 ，以下是关于该接口 信号的注意事项： 1 ) 扬声器的输出为1 0 0 毫瓦，8 欧姆 2 ) 使用a t 键盘 3 ) 你可在j 4 的引脚3 和引脚7 之间连接一个常开的复位开关，如果你所用 的电源有t t l 电平正常电源的信号( p o w e rg o o d ) ，就把它通过一个5 1 0 欧 姆电阻与j 4 的引脚3 连接。 4 ) 将备用电池( 3 0 - 3 6 d c ) 连接到j 4 的引脚9 ( + ) 和引脚2 ( 一) 上你可 第二章新型故障录波器中新技术的应用 以通过j 4 的引脚4 ( t x d ) 和( r ) 【d ) 与其他计算机或微控制器进行通讯联系。 与j 4 引脚和引脚1 0 相连的串行口和8 2 c 5 0 是兼容的。它仅有两条线路( t 肋 和i ) 。并只使用+ 5 v 的直流电源。 图2 - 1 接口与跳线分布图 ( 2 ) 直流电源 h x l 4 8 6i i 的使用电源为+ 5 vd c 。系统的耗电量取决于所使用的功能部件。 串行口生成“9 vd c ，它需要主板提供的5 v 电流。电源由模块j 6 上的引脚8 的电源接口提供。 ( 3 ) a t 主板逻辑电路 h x l 4 8 61 1 支持各种软件控制的配置选项。标准d o s 操作系统和d r a g o n 公司提供的实用程序和驱动程序的组合，能使你建立一个在h x l 4 8 6i i 基础上的 高度用户化的系统【i o 】。 c p u ：主板上的c p u 是低功耗的c m o s8 0 4 8 6 d x ，模块上的热大部分由8 0 4 8 6 d x 和d r a m 产生。要确保有足够的气流以确保冷却。 核心逻辑电路：h x l 4 8 6i i 的核心逻辑电路布置在两块工业化的a s i c ( 专 用集成电路) 板上，它的特点在于存储器和总线管理，d m a 、直接存储器，控 第二章新型故障录波器中新技术的应用 制、中断控制、计数器、扬声器和键盘接口、监视器、s s d ( 固态盘) 和重要的系 统控制逻辑电路。 8 kf l a s he p r o m ( 快速可擦除只读存储器) ：存储o e m ( 初始设备制造商) 数 据。r o mb i o s ( 只读存储器基本输入输出系统) 具有一些读写这种o e m 存储器 的功能，但需要特定软件来使用这些功能。 d r a m ：你可以安装多达4 个t s o pd r a m ，每个模块提供4 m 字节的系统 d r a m ，主板上的内存可被分为两块，0 或1 。h x l 4 8 6i i 不使用奇偶性。使用一 些存储时间在7 0 n s 以下的配件。当你在主板上安装存储器时，你必须装2 块或 1 块。最少的在板内存为4 m 字节。在同一栏上的存储器都必须是统一类型的。 r o m b i o s 可以监测所安装的内存的数量。 r o mb i o s 的设置：存在于u 1 5 的一个8 位的f l a s he p r o m 内。它所在的 地址为d 8 0 0 0 f f f f f h 和f e 0 0 0 0 0 0 f f f f f f f f h d m a 控制器：h x l 4 8 6i i 包括两个等效于8 2 3 7 a 的四通道的d m a 控制器， 在功能上与标准的a td m a 控制器完全一样。 可编程计数器：一种与8 2 5 4 等效，与p c a t 计时器计数器相兼容的配置也 包括在该模块的控制逻辑中。8 2 5 4 的每个通道均由一个1 1 9 0 m h z 的震荡器产 生，该震荡器以与标准p c 兼容的方式，可由内部往下分割从而提供各种频率。 每个计时器通道的最大分割率为8 4 0 n s 时钟电池：主板上有一个含有c m o sr a m 的并与标准p c 兼容的实时时钟。 该时钟配置没有装电池，你必须连接一个外部电池以便在没有系统电源时仍能保 存时间和日期的设定。将松下的c r 2 0 3 2 ( 或3 6 v ) 电池或等效电池连接到u t i l i t y 接口，连接到引脚7 ( ) 和引脚9 ( + ) 以保持时钟的工作状态。该时钟仅保存日期、 时间和s r a ms s d ( 固态盘) 。主板配置存储器在没有电源下保存s e tu p ( 安装) 数据。如果不使用电池，那只有s r a ms s d ，日期和时间的数据丢失。如果你不 需要s r a ms s d ，日期和时期信息，那你完全可以省去电池。 ( 4 ) 主板上的并行口和串行口 h x l 4 8 6i i 包括两个并行口和三个串行口。 除了数据是双向的之外，并行口( j 7 ) 是一个标准的p c a t 并行打印口当 启动时( 断开j 2 ) ，它便是地址为3 7 8 3 7 a 的系统基本并行接口。当关闭该接口 时( 短接j 2 ) ，它的地址便被其他设备使用。并行接口( j 1 2 ) 是一个装有上拉电 阻的8 位的双向并行口，当它启动时，所占i o 地址为3 7 f h ，关闭时地址便被其 他设备使用。 串行接口( j 5 ) 和( j 1 0 ) 都是标准的r s 2 3 2 接口，当启动时地址分别为3 f 8 和3 e 8 h ，如果不使用该串口，它们的地址便可被其他设备使用。 第二章新型故障录波器中新技术的应用 ( 5 ) w a t c h d o g 计时器 在板时钟电路的一个特点是其w a t c h d o g 计时器，进入s e t u pm e n u 来选 择其时间间隔，可供选择的选项有：关闭、1 5 秒、3 0 秒、6 0 秒。它的输出是和 r e s e t ( 复位开关) 相连接的。 ( 6 ) i d e 接口 是一种标准的硬盘接口，如果你不使用i d e 接口，必须进入s e t u p 中的 m e n u 关掉此功能。它能支持一个到两个i d e 电子盘( 4 m b 一1 0 0 0 m b ) 或普通 硬盘。 软件部分： ( 1 ) 操作系统： 任何与i b mp c a t 相兼容的操作系统都可在h x l 4 8 6i i 上运行。这些操作 系统包括：m s d o s 、p c d o s 、或d rd o s 之类的单任务处理的磁盘操作系统， u n i x 、w i n d o w sn t 、o s 2 、f l e xo s 、v r t x 和q n x 等多任务操作系统， 还可使用5 5 a a hb i o s 的扩展的独立专用代码。 ( 2 ) 实用程序： 配置在h ) ( l 4 8 6i i 使用程序软盘上，以下是其内容： s f m t * 用于格式化板上的固态盘( 1 0 0 k 字节) 宰方法：不安装硬盘，开启s s d 和写s s d ；软盘进行引导，运行s f m t ； 用软盘重新引导，运行s y s s s d 宰e p m s s d 宰s y s 一用于扩展h x l 4 8 6i i 的e p r o m ( 3 ) 使用d o c ( d i s ko nc h i p ) 和e p r o m 有了d r a g o n 公司的固态盘支持软件，你的系统就可以把固态盘作为一个 或多个d o s 控制驱动器，引导、操作和存储数据。 2 3 以太网( e t h e m e t ) 网络在录波器中的应用 随着计算机网络技术的发展，网络在电力上的发展应用也逐步的开展起来， 并且已经产生了广泛的影响。具体表现在以下几个方面】【1 2 】： ( 1 ) 电力传输信息系统：如美国e l e c t r o t e k 公司提供实时监测装置安装在传 输网的各个监测点上，报告网络负荷。 ( 2 ) 电站信息系统：如美国的d u k e 公司，早在1 9 9 5 年初，就开始试图把 电站的工程数据放到公司的w e b 上，并逐步扩展到整个公司下属电厂的数据。 到现在，操作和设备维护人员以及电厂各级管理人员都可以通过公司的i n t e m e t 网了解到电厂的布局图、模型和过程数据。在国内如北京四方公司的综合自动化 第二章新型故障录波器中新技术的应用 系统，采用以太网为测控网络的测控装置等。 ( 3 ) 电力系统远程专家会议系统：9 0 年代，网络技术、通信技术和图象技 术的迅速发展及其紧密结合，使得一些公司采用i m e m e t 网络方案，把电站现场 信息系统和电力设备制造厂家计算机连接起来。在某些电力设备的远程专家视频 会议系统中，w e b 服务器方便地提供数据交换且集成多媒体信息。 而在以上所提到的网络中，大部分都是以以太网作为网络构成的。它作为应 用最为广泛的网络技术，在商业、工业及军事等方面都占有了绝大部分的市场。 2 3 1 以太网的开放系统互联模型 ( 1 ) 以太网网络简介 以太网( e t h e r n e t ) 的名称是由美国加利福尼亚x e n x 公司的p a r c 研究中心的 b o b m e t c a l f e 工程师于1 9 7 3 年5 月首次提出的。利用以太局域网使许多计算机之 间能够通信和信息共享，是计算机应用方面的最主要变化。发展到今天，以太网 是使用最广泛的局域网技术，在所有的网络连接中，8 0 都是基于以太网的。以 太网的广泛应用是和它的许多优点结合在一起的【l3 1 。 1 ) 扩展性：以太网的传输速度有1 0 m b p s 系统、1 0 0 m b p s 系统和1 0 0 0 m b p s 系统。对于大部分应用来说，1 0 m b p s 系统可以满足要求，当1 0 m b p s 系统有必 要提高至1 0 0 m b p s 系统时，可以直接互联，扩展容易。 2 ) 可靠性：以太网是一种可靠的传输系统，它使用的是一种很简单的，但 又是很可靠的传输机制，这种传输机制每天在世界的各个站点之间可靠地传输数 据。近期以太网技术进步的发展，使其作为工业控制网络已经开始得到应用。 3 ) 成本：以太网技术的广泛应用产生了一个巨大的而又充满竞