（电力电子与电力传动专业论文）基于嵌入式平台的电力系统故障录波装置研究.pdf

s u b j e c t ：t h er e s e a r c ho ff a u l tr e c o r d e r b a s e do ne m b e d d e ds y s t e m s p e c i a l t y ：p o w e re l e c t r o n i c s & e l e c t r i cd r i v e c a n d i d a t e ：l it a o s u p e r v i s o r ：f uz h o u x i n g a b s t r a c t ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) f a u l tr e c o r d e ri sak i n do fd e v i c er e c o r d i n ga n da n a l y s i sp o w e rs y s t e m sf a u l t s ，i th a s e x p e r i e n c e dp h o t o e l e c t r i cf a u l tr e c o r d e ra n dc o m p u t e r i z e df a u l tr e c o r d e rd e v e l o p m e n ts t a g e c o m p u t e r i z e df a u l tr e c o r d e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l e i nm o d e mp o w e rs y s t e m so nf a u l t d i s p o s a la n dp o w e rr e s t o r a t i o n h o w e v e r , c o m p u t e r i z e df a u l tr e c o r d e rh a se x p o s e ds o m e p r o b l e m sd u et oi t ss p l rs t r u c t u r e t h i sp a p e rf o c u s e so nu s i n gu m l ( u n i f i e dm o d e l i n gl a n g u a g e ) t oe s t a b l i s ht h em o d e l o ff a u l tr e c o r d e rd e v i c ea n dh o wt or e a l i z et h eu m lm o d e lo ne m b e d d e ds y s t e m f i r s t l y ， u s i n gc a s ed i a g r a m ，s e q u e n c ed i a g r a m ，c l a s sd i a g r a ma n da c t i v i t yd i a g r a mt of i n i s ht h e s t a t i cm o d e l i n ga n dd y n a m i cm o d e l i n g ，t h e np r o p o s ea ne m b e d d e d ，i n t e g r a t i v ep o w e rs y s t e m s f a u l tr e c o r d e rs c h e m eb a s e do nt h eu m lm o d e l ，l a s t l y ，e s t a b l i s h e dt h ee m b e d d e ds y s t e m p l a t f o r mb a s e do na r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) m i c r o p r o c e s s o r ，io m io o me t h e m e ta n d e m b e d d e du c l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，u s i n gd i a g r a ma n dp r o g r a m st os h o wh o wt oc a r r i e do u t t h i sf a u l tr e c o r d e rm o d e lo nt h ee m b e d d e dp l a t f o r m t h i sn e wk i n do ff a u l tr e c o r d e r sm a i n f u n c t i o n sa r ed a t ac o l l e c t i o n ，f a u l tj u d g i n g ，f a u l ti n f o r m a t i o ns t o r a g ea n dn e t w o r k c o m m u n i c a t i o n t h ee m b e d d e ds y s t e ms o l u t i o nf o rf a u l tr e c o r d e rc a na l s ob eu s e dt or e a l i z e o t h e ri n f o r m a t i o n a ls m a r tn e t w o r kd e v i c e s k e y w o r d s ：f a u l tr e c o r d e r d a t ac o l l e c t i o nr e m o t em a n a g e m e n t t h e s i s ： a p p l i c a t i o nr e s e a r c h u c l i n u xo p e r a t i o ns y s t e ma r m 妻种技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：确 日期： 洳长7 乒 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名： 巷涛 指导教师签名： ，l 抑司长 & 。年7 月笋日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着高压电力系统的构成、大电网间的互联以及西电东送项目的实施，电力系统从 发电、输电到配电的各个环节越来越复杂，系统容量也越来越大，从而使电力系统故障 的发生、发展趋于严重化和复杂化。为不断提高电力系统的安全稳定性，对电力系统故 障的分析记录显得极为重要。 故障录波装置( 也叫动态记录装置) 【l 】是电力系统发生故障或扰动时能自动一记录 故障信息的一种自动装置，系统正常运行时不启动或只是进行数据采集和判断，发生故 障时则自动录波，记录故障前后全过程的电压、电流、功率等的变化情况和继电保护、 自动装置的动作情况，从而为分析电力系统故障和事故恢复提供科学依据。 故障录波装置实时、完整、准确地记录故障全过程的信息，通过分析故障信息，从 事故中吸取教训，不仅可以指导专业人员正确分析事故的原因，较准确的计算出故障地 点，有利于迅速消除故障，而且还可以正确评价继电保护和自动装置的工作，发现继电 保护和自动装置的缺陷，便于改进和完善装置，等等，这是电力系统不断提高系统的安 全、稳定和可靠性的重要措施，通过这样的过程，可以有效地在减少系统故障的发生， 或减少系统故障发生时电网事故的发生，从而减少电力系统故障对国民经济、居民生活 的影响。 在今天的电力系统中，故障录波装置发挥着越来越重要的作用。 1 2 故障录装置的发展 在8 0 年代引用微机技术之前，第一代的故障录波装置是光电式故障录波装置，这 类故障录波器存在以下缺点 2 1 ： ( 1 ) 因为启动带延时，很难录到故障前和故障开始瞬间的故障波形，而这段时间的 波形对分析故障是极为重要的。 ( 2 ) 故障波形记录在感光胶片或紫外线感光纸上，波形分辨能力和记录长度均受胶 片的限制，且前者冲印繁琐，不便保存；仅能以波形输出，精度低，不便于定量分析故 障电流和电压。 ( 3 ) 设备使用和维护复杂。 第二代微机录波装置以质的变化解决了光电录波器起动延时长，故障数据不能存 储、不能定量分析、不能即时打印等缺点，不仅如此，由于微机录波器采用了工业控制 微机，以及前后台的结构形式，提高了微机故障录波器录波的可靠性、提高了储存数据 西安科技大学硕士学位论文 和分析数据的能力。 历经2 0 余年的发展，微机故障录波装置已经完全取代了光电式录波装置，成为电 网故障信息记录的主力，在许多重大事故的调查和分析中发挥了重要作用。基本已经具 有记忆功能强、存储容量大、能进行故障记时、故障类型判别、故障参数和事件顺序记 录、能实现数据远传和便于进行后台分析，为正确分析事故原因和性质，及时准确地处 理事故，提供交准确的科学依据。尽管如此，前后台微机式故障录波装置也暴露出了一 些问题。 存在的主要问题： ( 1 ) 硬件结构不合理。 数据采集、计算和判断由以单片机形式为主的前台机完成，而后台机进行对数据的 整理、分析以及保存和输出、打印等任务。 前台机由于受单片机速度、数据宽度和性能的限制，计算和判断故障算法都比较简 单，更重要的是前台机本身不具备保存的故障数据功能，要依靠与后台机的通讯，把数 据传输到后台机进行存储数据。因此，前台机依赖于与后台机的通讯和后台机状态，如 果发生通讯中断，或后台机故障，对连续发生的故障就很难保证得到完整保存，造成故 障数据丢失。 ( 2 ) 系统设置不合理。 后台机只有在前台机启动录波时才启动上电，由于后台机是一台工控机，一般运行 w i n d o w s 操作系统，其启动受到种种因素的影响，而且启动本身需要一定的时间，因此， 也造成了微机故障录波装置存储数据的不可靠性。 ( 3 ) 数据传输速率低 以单片机形式为主的前台机一般使用串口与后台机交换数据，这样，对于需要大容 量数据传输的故障录波装置来说，就自然会出现种种问题，数据不能完整传输到后台服 务器，或者发生数据丢失。 一 目前，电力故障诊断系统中普遍使用的微机型故障录波装置均采用属于前后台结 构，录波装置生产厂商的都针对以上问题，对其产品作了不同程度的改进，但是这都不 能从根本上解决前后台式结构的缺点：前台机依赖于后台机状态，以及与后台机的通讯， 前台机、后台机、前后台通讯，三者中任一系统出现故障，都将导致整个录波装置失效。 近年来，随着微电子技术、计算机技术、通信技术的快速发展，嵌入系统技术逐渐 成熟，并以其体积小，性能好，低功耗，可靠性高以及面向行业应用的突出特征，广泛 应用于军事国防、消费电子、智能家电、网络通讯、工业控制等领域。与此同时，嵌入 式系统结合高速以太网的软硬件_ 体化平台，也成为新型故障录波装置的发展趋向。由 于采用一体化结构作为故障录波装置硬件平台，不仅避免了传统前后台微机式录波装置 所不能克服的缺点，同时具有体积小，性能好，低功耗，可靠性高、低成本等优点。 2 1 绪论 目前，国内外许多科研院所和录波装置生产厂商都致力于这种新型装置的研究。 1 3 课题的提出及内容安排 故障录波装置经历了光电式、前后台微机式的发展过程。前后台微机式录波装置已 经完全取代了光电式录波装置，成为电网故障信息记录的主力，对于电网事故、故障分 析，故障后快速电力恢复都起到了重大作用，但是前后台微机式录波装置也有其自身的 缺点 3 - 5 1 。 本论文在分析电力系统故障录波装置和嵌入式系统的基础上，引入面向对象建模思 想，运用统一建模语言( u m l ) ，结合嵌入式系统平台，建立电力系统录波装置的u m l 模型，提出基于3 2 位r i s c 微处理器、u c l i n u x 嵌入式操作系统、高速以太网的嵌入式 平台上，构建一体化新型故障录波装置的设计方案；并通过建立嵌入式系统实验平台， 编制计算机程序，详细说明了数据采集、故障判断、故障信息存储和远程设备管理实现 方法，充分论证了设计方案的可行性。同时，本论文建立的基于嵌入式系统和高速以太 网的平台，已经构成了“工业智能化、网络化综合测量数字平台”，可以用于构建其它 信息化、图形化、网络化的智能设备仪表，在未来的工业智能化改造中将有更大的应用 前景。 从功能上看，本论文提出的一体化新型故障录波装置设计方案，并不包括传统录波 装置的后台分析功能。这种新型故障录波装置可以通过电力信息系统网络组成分布式的 故障诊断系统。 图1 1 基于以太网络的分布式故障诊断系统 3 西安科技大学硕士学位论文 论文内容安排： 第一章绪论 介绍论文选题依据，论文提出背景，电力系统故障录波装置的发展以及论文内容安 排。 第二章电力系统故障录波装置 分析了故障录波装置的工作原理、录波装置的作用和电力系统行业对故障录波装置 的功能、技术要求，以及故障录波装置检测算法。 第三章嵌入式系统以及实验平台选型 介绍嵌入式系统的发展，以及本论文所使用的硬件、系统软件平台选型。 第四章基于u m l 的故障录波装置分析设计 分析电力系统故障录波装置的功能性和非功能性需求，运用面向对象建模思想和统 一建模语言，结合所选用的嵌入式系统平台，为故障录波装置的建立模型，并从不同的 角度对故障录波装置进行分析设计。 第五章嵌入式故障录波装置设计方案 依据建立故障录波装置的模型以及所选用的嵌入式系统实验平台，提出嵌入式一体 化故障录波装置解决方案，详细说明在实验平台上部署软、硬件模块，实现故障录波装 置的方法。 第六章结论和展望 对本论文进行总结，说明有待进一步研究的问题。 4 2 电力系统故障录波装置 2 电力系统故障录波装置 2 1 故障录波装置的工作原理 电力系统是一个包含了电能生产、传输和使用的复杂、实时系统，由电力系统的运 行经验可知，输电线路的故障占重要比例；其次，由于线路断路器的频繁动作，相应的 故障率也很高；另外，保护装置由于元件性能老化或干扰等原因而引起的误动、拒动或 越级动作，或由于保护、断路器动作性能的不协调或异常而引起的故障问题也时有发生 的。 在电力系统的故障、操作、大负荷启停、雷电等扰动过程中，电压、电流信号含有 丰富的高频分量，蕴含大量的系统状态信息。提取并分析这些高频信息，可实现对电力 系统结构、参数和状态的快速辨识，实现电网故障准确定位和故障后全面的事故分析。 故障录波装置是长年投入运行，时刻监视电力系统运行状况的一种自动记录装置。 系统正常运行时，故障录波装置不录波。当系统发生事故或震荡时，通过外部启动装置 和内部判据迅速启动录波器进行录波，直接记录下反映录波装置安装处的系统故障模拟 量数据和直接改变系统状态的继电保护跳闸命令、安全自动装置的操作命令和纵联保护 的通道信号。所记录的模拟量为电流互感器和电压互感器的二次侧值，这些故障数据是 分析系统事故的可靠依据。 2 2 故障录波系统的作用 2 2 1 正确分析事故的原因 一个大的电力系统往往连着广大地区的很多发电厂和变电站，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，尚需尽快查明事故原因，以便确定防止事故的 对策。但如无故障录波装置，就不能得到可靠的直接数据，因此在分析事故时，不得不 进行假设和推测，这样的假设和推测常常前后矛盾，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，情况就将更为复杂。有了故障录波装置，通过录取的故障 过程中的故障电流、电压的数值以及断路器的跳合闸时间、时序和重合闸是否成功等情 况，可以正确分析和确定事故原因，以便消除系统中的薄弱环节，提高运行可靠性。 2 2 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，继电保护装置有时会出现拒动或误动的情况。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。有了故障录波装置， 西安科技大学硕士学位论文 利用故障录波资料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，更需要录波资料来正确评价继电保护和重合闸装置的工作。 2 2 3 进行故障定位 电力系统中，超高压输电线路上发生的系统故障绝大部分是接地故障，每次故障发 生以后一般都需要及时巡线找到故障地点进行处理，而全线的巡查将受到地理因素、天 气状况等的限制，特别是超越高山、峡谷的高压、超高压线路，巡线是及其困难和艰苦 的。同时，这样作的效率也很低。而利用故障录波数据，录波装置可通过软件判明故障 线路、类型，进行故障测距( 故障定位) ，较准确的计算出故障地点，从而可以大大的 缩小巡线的范围，有利于迅速消除故障，保证线路的安全输电。 2 2 4 发现继电保护和自动装置的缺陷 超高压线路上装设的继电保护和自动装置在设计安装上，可能有不合理或考虑不周 的地方。这些问题在作各种模拟实验，甚至在运行中都不易被发现，但在系统发生故障 时，就会暴露出来，造成装置的误动或拒动。利用录波资料可以分析发现装置的缺陷， 并及时予以改进。 2 2 5 发现一次设备缺陷，及时消除隐患 在超高压电力系统中，有的一次设备，例如高压断路器存在的缺陷，平时不易发现， 但从录波数据的分析，就很容易找到问题所在。 2 2 6 提供转换性故障和非全相运行故障资料 利用录波资料可以正确评价或验证继电保护装置工作的正确性，特别是发生转换性 故障时和非全相运行时故障，更需要用录波资料来正确评价继电保护和重合闸装置的工 作，同时电力系统由于故障和误操作常常引起内部过电压，录波装置可拍录其波形曲线， 在分析研究之后为确定限制内部过电压的措施提供依据。 由此可见，故障录波装置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，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，对保证电力系统安全运行的作 用极其重要。因此，故障录波装置对保证电力系统的安全运行是十分重要的。 2 3 电力系统故障录波装置的技术要求 根据电力行业标准：2 2 0 k v 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则， d l 厂r 5 5 3 9 4 ，电力系统的对故障录波装置的功能以及技术水平都作了详尽的要求 1 】。 6 2 电力系统故障录波装置 2 3 1 电力系统动态记录装置的功能 电力系统的动态记录分三种不同的功能。 ( 1 ) 高速故障记录 要求记录因短路故障或系统操作引起的、由线路分布参数参与作用在线路上出现的 电流及电压暂态过程，主要用于检测新型高速继电保护及安全自动装置的动作行为，也 可用以记录系统操作过电压和可能出现的铁磁谐振现象。其特点是：采样速度高，一般 采样频率不小于5 k h z ；全程记录时间短，例如不大于l s 。 ( 2 ) 故障动态过程记录 记录因大扰动引起的系统电流、电压及其导出量，如有功功率、无功功率以及系统 频率的全过程变化现象。主要用于检测继电保护与安全自动装置的动作行为，了解系统 暂( 动) 态过程中系统中各电参量的变化规律，校核电力系统计算程序及计算模型参数的 正确性。其特点是采样速度允许较低，一般不超过1 0 k h z ，但记录时间长，要直到暂态 和频率大于0 1 h z 的动态过程基本结束时才终止。己在系统中普遍采用的各种类型的故 障录波装置及事件顺序记录仪均属于此一类别。 ( 3 ) 长过程动态记录 在发电厂，主要用于记录诸如汽流、汽压、汽门位置，有功及无功功率输出，转子 转速或频率以及主机组的励磁电压；在变电所，则用于记录主要线路的有功潮流、母线 电压及频率、变压器电压分接头位置以及自动装置的动作行为等。其特点是采样速度低 ( 数秒一次) ，全过程时间长。 2 3 2 电力系统故障动态过程记录的基本要求 电力系统故障动态过程记录的主要任务是，记录系统大扰动如短路故障、系统振荡、 频率崩溃、电压崩溃等发生后的有关系统电参量的变化过程及继电保护与安全自动装置 的动作行为。 ( 1 ) 当系统发生大扰动，包括在远方故障时，能自动地对扰动的全过程按要求进行 记录，并当系统动态过程基本终止后，自动停止记录。 ( 2 ) 存储容量应足够大，当系统连续发生大扰动时，应能无遗漏地记录每次系统大 扰动发生后的全过程数据，并按要求输出历次扰动后的系统电参数( i 、u 、p 、q 、f ) 及 保护装置和安全自动装置的动作行为。 ( 3 ) 所记录的数据可靠安全，满足要求，不失真。其记录频率( 每一工频周波的采样 次数) 和记录间隔( 连续或间隔一定时间记录一次) ，以每次大扰动开始时为标准，宜分时 段满足要求。 ( 4 ) 各安装点记录及输出的数据，应能在时间上同步，以适应集中处理系统全部信 西安科技大学硕士学位论文 息的要求。 2 3 3 故障动态过程记录设备的基本要求 ( 1 ) 具有按反映系统发生大扰动的系统电参量幅度及变化率判据而自起动和反应系 统动态过程基本结束而自动停止的功能，也能由外部命令而起动和停止。 ( 2 ) 每次记录的数据必须随即快速地转出到中间载体，以迎接可能随之而来的下一 次故障数据记录。其内存容量应满足连续在规定时间内发生规定次数的故障时能不中断 地存入全部故障数据的要求。 ( 3 ) 有足够的抗干扰能力。满足规定的电气量线性测量范围；记录的数据可靠，不 失真；记录的故障数据有足够安全性，不因供电电源中断或人为偶然因素丢失和抹去。 ( 4 ) 记录数据带有时标，并适应记录时间同步化要求。 ( 5 ) 按要求输出原始采样数据和经过处理取得的规定电参量值。 2 3 4 故障动态记录量的有效范围及分辨率 ( 1 ) 交流电流量：以额定电流有效值i n = s a 或1 a 为标准，要求线性测量范围为工 频有效值( o 1 - 、一2 0 ) i n ，考虑直流分量。 ( 2 ) 交流电压量：以额定相电压有效值u = 1 0 0 3v 为标准，要求线性测量范围 为工频有效值( 0 0 1 2 o ) u n 。 ( 3 ) 开关量：分辨率不劣于1 0 m s 。 2 3 5 起动故障动态记录的参数 ( 1 ) 内部自起动判据推荐值： 各相和零序电压突变量：沈銎5 u n ；a u _ o 独2 u n 。 电压越i i i 曼- 11 0 u n u i 9 0 u n ；c 控3 u n ；【控2 u n 。 主变压器中性点电流：3 i 记1 0 i n 。 频率越限与变化率：5 0 5 h z 1 0 m i n 。 输出数据的时间标签，对短路故障等突变事件，以系统大扰动开始时刻，例如短路 开始时刻，为该次事件的时间零坐标，误差不大于l m s ；事件的标准时间由调度中心给 定。 2 3 7 起动条件 ( 1 ) 第一次起动：符合2 3 5 规定的任一条件时自起动，由s 开始按a _ b _ c _ d _ e 时 段顺序执行。 ( 2 ) 重复起动：在已经起动记录的过程中，如遇：电压突变量判据有输出或输入断路器 跳合闸信号，则每次均应由s 开始重新沿a _ b _ c _ d e 时段顺序重复执行。 ( 3 ) 自动终止条件：记录时间 3 s 或所有的起动量全部复归，则自动停止记录。 2 4 故障录波装置常用算法 电力系统故障录波装置通过实时分析被电气信号的离散数字采样值，进行运算、判 断以实现对各种故障的检n t 6 1 0 】。 2 4 1 基频稳态分量检测算法 基频稳态分量算法主要用于故障状态的基频分量计算，以及各种异常运行状态下的 9 西安科技大学硕士学位论文 基频电量的计算。由于故障和异常运行情况下，电气量信号的变化特点不同，因此，可 根据实际检测需要，采用不同的计算方法。在故障情况下，输入的电压、电流信号中除 基频分量外还包含有相当丰富的各种谐波分量，为确保计算结果的准确性，故障基频分 量的算法本身应具有良好的滤波能力。目前，常用的基本算法是全周付氏算法。 全周付氏算法： 假设输入信号u 中包含有基频分量、恒定直流分量以及整数次谐波分量即： u ( f ) = u o + 口。c o s ( n o ) o t + t p 。)( 2 1 ) 式中：口。为n 次谐波分量幅值，纯为其初相角，国。为基频角频率。 将上式展开， u ( f ) = u o + 羔妙r n c o s o f ) 一u i s i n ( 刀c o o t ) 2 2 = a 。c o s q ，为n 次谐波分量的实部， = a 。s i n 纯，为n 次谐波分量的虚部。 a n = 厩，纯= a r g t a n 争 根据正弦和余弦函数的正交特点，不难证明： u 砌= i 1p ( f ) c o s r t d t 3 1r 偿 u i 2 亭j u ( t ) s i n n a ) o t d t ( 2 4 ) r = 竺，为基频周期。 用离散量计算时，上式则为： 吣号篓晰谳等 5 ) 吣号篓啉m 尼等 组6 ) n 为一个基频周波内的采样点数，u ( k ) 为信号采样值。 在( 2 5 ) 、( 2 6 ) 式中取n = l ，可求出输入信号中所包含的基频分量的实部和虚部，进 而可求得基频分量的幅值和相位。 全周付氏算法的主要优点是当输入信号中除基频分量外只包含恒定直流分量和整 数次谐波分量时，计算精度高，并且对其它分数次谐波，算法也具有良好的抑制效果。 但当输入信号中存在衰减的直流分量时，算法的计算精度有所降低。为此需要采用其它 1 0 2 电力系统故障录波装置 措施进行弥补，以减小直流分量的影响。 0 尸。w n 0 3 图2 2 输入信号函数波形 如图2 2 ：含有非周期分量的输入信号，可表示为： 厂u ( f ) = u 向( f ) + u 刃( ( 2 7 ) l u 励( f ) = v o e 一仇 u 细( d 为非周期分量，u w 为周期分量。 每一个基频周期( t ) 时间内采样n 点，连续采样2 个周期，对于周期分量，在一个周 期内，其采样值和( 尼) = 0 ，因此： ( 2 8 ) 在第一个采样周期内，在非周期分量曲线上可以找到一个】，尸艺笔竽，对应时间。在 i = o v 第二个周期，也可以找到砭= 鬻，对应时间f ：，将两式展开，相除得：t 2 - - t i = t , 、 后 f 幻 u 脚 = 、- 、 后 - u 脚 西安科技大学硕士学位论文 即有： fh a ( r 。k ) 一 l 端 弦9 ) 于是可以得到消除直流衰减分量影响的采样值： 吃( 尼) = u ( 后) 一2 一r 7 州后 2 1 0 将u 朋( 尼) 带入( 2 5 ) ( 2 6 ) 计算，可求得相应的基频分量的幅值和相位。 a u ( k ) = i | u ( 七) 一u ( k u ) l iu ( k 一) 一u ( k 一2 n ) i i ( 2 1 2 ) 褂a 目 眩 _ ，等：一三+ 孚，口2 等：孚 1 2 2 电力系统故障录波装置 2 4 4 频率检测算法 电力系统在故障状态过程中，电气信号波形由于受各种非周期分量和谐波分量的影 响，可能发生严重畸变，如果采用硬件组成的过零比较电路测量频率，虽然实时性较高， 不占用处理器，但在故障暂态过程中，该方法容易受到谐波的影响，误差较大。采用滤 波算法，分析电气信号波形过零点的时间差进行频率测量，虽然有一定的计算量，但是 计算量小，可以满足实时计算要求，但也存在一定的误差，为提高测频精度，常常采用 其它补偿措施，如通过延长测频时间以改善测频精度，但这样不利于频率的快速跟踪。 设由( 2 1 3 ) 式计算得到的电压相量为： u = u 砌+ j u 砌 2 1 4 ) 程序每个采样间隔计算一次，这个电压向量在空间逆时针旋转，程序通过比较实部 和虚部的符号可以检测出第一个过零向量，即对应于过零相角的向量，由过零向量计出： 盯吲a n 器汜 由此可得到一个序列溉 ，可计算出： 厂：2 n f ：塑：q g + l + 2 v r - c o 1 d ta t 1 厂：旦墨! 堡皱土皿! 二丝 1 6 式中a t 为两次计算相角之间的时间，可以通过对两次计算之间的采样间隔数得到。 2 4 5 直流电压、电流检测算法 在发电机一变压器组的应用场合，包含有励磁系统直流电压和电流的检测计算，为 减少直流电压、电流信号中所含有的各种谐波分量的影响，直流量的计算一般采用平均 值算法，以提高计算精度，其离散值形式为： u = 寺u ( 七) ( 2 1 7 ) 智、7 h 2 5 小结 本章详细分析了录波装置的工作原理、录波装置的作用，电力系统对故障录波装置 的功能、技术要求，以及录波装置检测算法。 西安科技大学硕士学位论文 3 嵌入式系统以及实验平台选型 3 1 嵌入式系统的发展历程 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体 积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。具有软件代码小、高度自动化、响应速 度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系【1 1 1 。 嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统 等组成。 综观嵌入式技术的发展，大致经历了以下3 个阶段： 第一阶段：嵌入技术的早期阶段，以功能简单的专用计算机或单片机为核心的可编 程控制器形式存在，具有监测、伺服、设备指示等功能。这种系统大部分应用于各类工 业控制和飞机、导弹等武器装备中。 第二阶段：以嵌入式c p u 和嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。这一阶段系统 的主要特点是：计算机硬件出现了高可靠、低功耗的嵌入式c p u ，如p o w e rp c 。 第三阶段：以芯片技术和i n t e r n e t 技术为标志的嵌入式系统。微电子技术发展迅速， s o c ( 片上系统) 使嵌入系统越来越小，功能却越来越强。 嵌入式操作系统是嵌入式系统极为重要的组成部分，通常包括与硬件相关的底层驱 动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器等。嵌入式操 作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复杂的系统资源；能够把 硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来；能够提供库函数、 驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时 高效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。 嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了三个比较明显的阶段： 第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，通过汇编语言编程对系统进行直接控制， 运行结束后清除内存。系统结构和功能都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几 乎没有用户接口，比较适合于各类专用领域中。 第二阶段：以嵌入式c p u 为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。由于c p u 种 类繁多，通用性比较差；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，操作系统具有一 定的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制负载以 及监控应用程序运行。 1 4 3 嵌入式系统以及实验平台选型 第三阶段：通用的嵌入式实时操作系统阶段，以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系 统。能运行于各种类型的微处理器上，兼容性好；内核精小、效率高，具有高度的模块 化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户 界面等功能；具有大量的应用程序接口a p i ；嵌入式应用软件丰富。 3 2 嵌入式操作系统的特点 3 2 1 实时性 所谓实时性，其核心含义在于操作系统在规定时间内准确完成应该做的事情，并且 操作系统的执行线索是确定的，而不是单纯的速度快；【1 2 】 大多数嵌入式操作系统工作在对实时性要求很高的场合，主要对仪器设备的动作进 行检测控制，这种动作具有严格的、机械的时序，比如，用于控制火箭发动机的嵌入式 系统，它所发出的指令不仅要求速度快，而且多个发动机之间的时序要求非常严格，否 则就会失之毫厘，谬以千里。在这样的应用环境中，非实时的普通操作系统无论如何是 无法适应的。即使我们所开发的并不是生命攸关的或者生产控制那样的关键任务系统， 实时性、可靠性仍然是非常值得重视的问题。实时性是嵌入式系统最大的优点，在嵌入 式软件中最核心的莫过于嵌入式r t o s 实时操作系统。 3 2 2 可剪裁性 能否根据系统的功能模块进行配置是嵌入式系统与普通操作系统的另一区别。应用 于嵌入式环境的r t o s ，在研发的时候就必须立足于面向对象，改变自身、开放自身， 让开发人员可以根据硬件环境和应用环境的不同而对操作系统进行灵活的裁剪和配置， 因为对于任何一个具体的嵌入式设备，它的功能是确定的，因此只要从原有操作系统中 把这个特定应用所需的功能拿来即可以。 3 2 3 可靠性 一般来说，嵌入式系统一旦开始运行就不需要人的过多干预。在这种条件下，要求 负责系统管理的嵌入式操作系统具有较高的稳定性和可靠性。而普通操作系统则不具备 这种特点。这导致嵌入式操作系统与致普通操作系统在设计思路上有重大的不刚1 3 】。 ( 1 ) 普通操作系统假定应用软件与操作系统相比而言是不可靠的，而嵌入式环境假定应 用软件与操作系统一样可靠。运行于嵌入式环境中的r t o s 要求应用软件具有与操 作系统同样的可靠性，这种设计思路对应用开发人员提出了更高的要求，同时也要 求操作系统自身足够开放。 ( 2 ) 普通操作系统比较庞大复杂，而嵌入式系统提供的资源有限，由于硬件的限制，嵌 西安科技大学硕士学位论文 入式操作系统必须小巧简捷。对于系统来说，组成越简单、性能越可靠，组成越复 杂，故障概率越大是一个常理。局部的不足会导致整体的缺陷，系统中任何部分的 不可靠都会导致系统整体的不可靠。 3 3 嵌入式实验平台选型 嵌入式系统的核心部件是嵌入式处理器。据不完全统计，目前全世界嵌入式处理器 的品种总量已经超过1 0 0 0 多种，流行体系结构有3 0 几个系列，仅以3 2 位的c p u 而言， 就有1 0 0 种以上嵌入式微处理器。但与全球p c 市场不同的是，没有一种微处理器和微 处理器公司可以主导嵌入式系统。 3 3 1 处理器选型标准 选择处理器时要考虑的主要因素有： ( 1 ) 处理器的性能 一个处理器的性能取决于多个方面的因素，如时钟频率，内部寄存器的大小，指令 是否对等处理所有的寄存器等。对于许多嵌入式系统设计来说，目标不是在于挑选速度 最快的处理器，而是在于选取能够完成作业的处理器和加子系统。 ( 2 ) 处理器的集成度 当前，嵌入式处理器都集成了许多外围设备的功能，减少了芯片的数量，降低了整 个系统的开发费用。开发人员首先考虑的是，系统所要求的一些硬件能否无需过多的胶 合逻辑( g l ：g l u el o g i c ) 就可以连接到处理器上。其次是考虑该处理器的一些支持芯片， 如d m a 控制器，内存管理器，中断控制器，串行设备和时钟等。 ( 3 ) 操作系统、软件工具支持 微处理器是否有较好操作系统、开发工具的支持。选择合适的操作系统、软件开发 工具对整个嵌入式系统的实现会起到事半功倍的作用。 ( 4 ) 是否内置调试工具 处理器如果内置调试工具可以大大缩小调试周期，降低调试的难度。 3 3 2 嵌入式系统处理器比较 目前应用较为成熟的嵌入式系统，大概可分为以下四类【l l 】： ( 1 ) 基于微处理器( m p u ) 的嵌入式系统 ( 2 ) 基于微控制器( m c u ) 的嵌入式系统 ( 3 ) 基于d s p 的嵌入式系统 ( 4 ) 基于微处理器的片上系统( s o c ) 嵌入式系统 其中s o c 属于深嵌入系统，m c u 和d s p 属于中等嵌入系统，而m p u 属于浅嵌入 1 6 3 嵌入式系统以及实验平台选型 系统。 基于微处理器( m p u ) 的嵌入式系统，如p c i 0 4 、s t d 总线的嵌入式系统，是从p c 机发展而来，多采用与微机通用的处理器，如奔腾三处理器，虽然处理器集本身成度非 常高，但是基于微处理器( m p u ) 的嵌入式系统集成度并不高，用户扩展部分，均要遵守 1 0 4 总线协议，接口要外接板卡，还要为板卡外接电源，系统功耗大，结构复杂，可靠 性低。 基于微控制器( m c u ) 的嵌入式系统，如5 l 系列的微控制器，虽然功能上较无操作 的阶段有很大提高，但是由于速度较慢且内太小，扩展应用接口困难，难以满足故障录 波装置的需求。 表3 1a r m ( s o c ) 、d s p 嵌入式系统比较 由表3 1 可见，d s p 具有很强的数据计算处理能力，但本身的外围接口相对较少， 基本上停留在普通单片机的水平，扩展应用接口难度很大。而a r m 是面向控制、面向 嵌入式应用、面向数据通信的基于精简指令的片上系统。功耗小于1 0 0 m w 。它所具有的 流水线和超标量功能，使其在中断处理和实时性方面更具特色，是嵌入式控制的最佳选 择。 3 3 3a r m 简介 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 是微处理器行业的一家知名企业，是知识产权( i p ) 供应商，本身不生产芯片，靠转让设计许可由合作伙伴来生产各具特色的芯片。a r m 公司设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s c 处理器、相关技术及软件【1 1 】。 西安科技大学硕士学位论文 3 3 4a r m 微处理器特点 ( 1 ) 小体积、低功耗、低成本、高性能 ( 2 ) 1 6 3 2 位双指令集，能很好的兼容8 位1 6 位器件； ( 3 ) 大量使用寄存器，指令执行速度更快； ( 4 ) 大多数数据操作都在寄存器中完成； ( 5 ) 寻址方式灵活简单，执行效率高，指令长度固定； a r m 3 2 位体系结构被公认为业晃领先的3 2 位嵌入式r i s c 处理器结构，所有a r m 处理器共享这一体系结构。这可确保开发者转向更高性能的a r m 处理器时，由于所有 产品均采用一个通用的软件体系，所以相同的软件可在所有产品中运行。 3 3 5a 王m 核系列 ( 1 ) a r m 7 系列 a r m 7 采用a r m v 4 t ( n e w m a n ) 结构，分为三级流水，空间统一的指令和数据 c a c h e ，平均功耗为0 6 m w m h z ，时钟速度是6 6 m h z ，每条指令平均执行1 9 个时钟 周期。其中的a r m 7 1 0 ，a r m 7 2 0 和a r m 7 4 0 为内带c a c h e 的a r m 核。a r m 7 t d m i ( t h u m b ) ，这是公司授权用户最多的一项产品，a r m 7 指令集同t h u m b 扩展组合在 一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式i c e 调试技术来简化系统 设计，并用一个d s p 增强扩展来改善性能。a r m 7 小型、快速、低能耗、集成式r i s c 内核，用于移动通信。该产品的典型用途是数字蜂窝电话和硬盘驱动器。 ( 2 ) a r m 9 系列 a r m 9 采用a r m v 4 t ( h a r v a r d ) 结构，五级流水处理，指令与数据分离的c a c h e 结构，平均功耗为0 7 m w m h z ，时钟速度是1 2 0 - - - - 2 0 0 m h z ，每条指令平均执行1 5 个 时钟周期。与a r m 7 系列相似，其中的a r m 9 2 0 ，a r m 9 4 0 和a r m 9 e 均为含有 c a c h e 的a r m 核，性能为1 3 2 m i p s ( 1 2 0 m h z 时钟，3 3 v 供电) 或2 2 0 m i p s ( 2 0 0 m h z 时钟) 。a r m 9 同时配备t h u m b 扩展、调试和h a r v a r d 总线，在生产工艺相同的情况下， 性能是a r m 7 t d m i 的两倍多，常用于信息家电和机顶盒。 ( 3 ) a r m l 0 系列 a r m l 0 采用a r m v 5 t 结构，六级流水处理，指令与数据分离的c a c h e 结构，时 钟速度是3 0 0 m h z ，每条指令平均执行1 2 个时钟周期。其中的a r m l 0 2 0 为内带c a c h e 的版本。a r m l 0 t d m h 与所有a r m 核的二进制代码兼容，内带高速3 2 x 1 6 m a c ， 预留d s p 协处理器接口。其中的v f p l 0 ( 矢量浮点单元) 为七级流水结构。a r m l 0 2 0 t ： 删1 0 t d m i + 3 2 ki & dc a c h e s + m m u 结构，3 0 0 m h z 时钟，功耗为1 w ( 2 0 v 供电) 或1 0 0 m w ( 1 5 v 供电) 。指令c a c h e 和数据c a c h e 分别为3 2 k ，宽度为6 4 b i t ，适用 1 8 3 嵌入式系统以及实验平台选型 于下一代高性能手持式因特网设备及数字式消费类应用。 ( 4 ) s t r o n g a r m s t r o n g a r m 是融合了i n t e l 公司的设计和处理技