（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的继电保护程控测试源的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t w i t ht h e ld e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e m ，i nt h em o d e m p o w e rs y s t e m ， w h e t h e rt h ep r o t e c t i v er e l a yh a v et h ea b i l i t y o f o p e r a t i n gc o r r e c t l y , t i m e l y , r e l i a b l y 0 rn o t ，i so n eo f t h e c r i t i c a lf a c t o r s ，w h i c ha r ed e t e r m i n ew h e t h e rt h ew h o l e p o w e r s y s t e ms t e a d i l yo p e r a t eo rn o t , s o ，q u i c k l yt e s t t h ep r o t e c t i v er e l a yo v e r a l li s n e c e s s a r yl i n k i nt h ep r o c e s so f t e s t i n g , i ti si m p o r t a n tw h e t h e r t h ep o w e r s o u r c e ， s u p p l i e db yp r o g r a m m e dt e s t i n gs o u r c ef o rp r o t e c t i v er e l a y , i sr e l i a b l eo r n o t a tp r e s e n t ，t h er e q u i r e m e n tt oam e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mo fi t s p r e c i s i o n , l a r g eq u a n t i t yd a t ao p e r a t i o ns p e e da n d r e a l - - t i m ep r o c e s s i n gi sh i g h e r t h a nb e f o r e t h es y s t e mb a s e do nt h es i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e rc a n tm e e tt h e d e m a n di nm a n ys i t u a t i o n s ，a n d , i sb e i n gr e p l a c i n gb ys y s t e mb a s e do nd s e s y s t e mb a s e do nd s p h a sr e m a r k a b l ep e r f o r m a n c e ，s u c ha sh i g h o p e r a t i o ns p e e d ， p r e c i s i o na n da l r e a d y b e c o m eat e c h n i c a lh o t s p o t i nt h i st h e s i s ，t h ei m p o r t a n c eo ft h ep r o t e c t i v er e l a yi ns t e a d i l yo p e r a t i o no f p o w e rs y s t e m w a si n t r o d u c e da tf i r s t ，m e a n w h i l e ，s u r v e y e dt h es i t u a t i o no f t e s tf o r p r o t e c t i v er c 妇y i nt h ew o r l d ，a n d ，s i m p l yi n t r o d u c e dt h el a t e s tt e c h n o l o g i e si n t h ef i e l do f t h et e s tf o rp r o t e c t i v er e l a y t h e n ，t h es t r u c t u r ea n df u n d a m e n t a lo f t e s t s y s t e m f o rp r o t e c t i v er e l a ya r cd e s c r i b e d a l s o ，t h ec o m p o s i t i o n ，f e a t u r ea n d d e s i g np r o c e s so f d s p a p p l i c a t i o ns y s t e ma r ep r e s e n ti nt h et h e s i s ，f i n a l l y , t h e t h e s i sc e n t e r e do nt h ep r o g r a m m e dt e s t i n gs o u r c es y s t e m ，b a s e d0 1 1t h ed s r t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ，t i sd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , w h i c h a r ew i d e l ya p p l i e di np o w e r s y s t e m ，w a sa d o p t e di n t h i s s y s t e m ，t h e r e h a v eb e e nf i n i s h e dt h eh a r d w a r e s y s t e m sc i r c u i td e s i g n ，p r i n t e dc i r c u i tb o a r d f a b r i c a t e da n dd e b u g ，a l s o ，h a v eb e e n f i n i s h e d p a r t s o f s o r w a r e f r o mr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni nt h ew o r l d ，t h et e s td e v i c ef o rp r o t e c t i v e r e l a y ，b a s e d o nt h ed s p ，w i l lh a v ea b r i g h ta p p l i c a t i o np r o s p e c t k e y w o r d s ：t e s tf 研p r o t e c t i v er e l a y ；, p r o g r a m m a b l et e s t i n gs o u r c e ；d i g i t a ! s i g n a l p r o c e s s o r 谣南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 1 1 引言 第一章绪论 随着电力系统规模的扩大和快速发展，对电力系统继电保护的要求越来 越高。继电保护在保证电力系统可靠运行过程中起着十分重要的作用。近些 年来，新型继电保护装置不断涌现，新的原理和技术在继电保护及安全自动 装置大量采用。微机保护以其优于晶体管，电磁型及集成电路型的继电保护 特性而迅速得到了普及、推广及应用，得到了长足的发展和普遍的认同。 在我国，继电保护的应用已有8 0 多年的历史，但就其试验和测试手段来 说，长期采用经典的电气测量方法和常规电工仪表。近年来，新型继电保护 装置特别是微机型继电保护装置的推广使用，对测试技术提出了更高的要求， 正在逐渐形成有别于一般电气测量的专门技术领域继电保护测试技术 ”。与此同时，国内外的科研单位、电力系统及其相关产品的生产厂家也纷 纷投入了大批的科研力量，相继研制出多种新型的继电保护测试装置。采用 计算机实现故障再现、实时仿真、自动测试等先进技术的数字式继电保护试 验装置已经成为电力系统的生产、调试、运行以及科研等部门不可缺少的专 用设备。为此，电力部颁布了微机型继电保护试验装置技术条件，作为科 研单位开发研制、用户选择试验装置的依据。 1 2 继电保护测试技术的发展 1 2 1 我国继电保护测试技术的发展 2 0 世纪6 0 年代以前，我国电网结构简单、电压等级低，大部分为1 1 0 k v 及以下的线路。大量采用的是电流、电压继电器等组成的简单保护。现场往 往采用临时接线的方法，由移相器、调压器、变阻器等调节提供可变的电气 激励量，以测试继电器的特性，采用手动短接( 或断开) 被测试装置的某触 点( 或回路) 来模拟电力系统的故障，以检查整套保护装置的逻辑功能和动 作特性。这种临时接线方法不但调试手段初级、功能少、不能进行复杂试验， 而且容易接错线，且劳动强度大，调试时间长。为改善现场试验工作条件， 缩短检修时间，适应新型保护的要求，自2 0 世纪7 0 年代起，我国开始大规 模地研制、生产和使用定型继电保护试验装置。其发展过程大致分为3 个阶 段【1 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 1 1 第一阶段( 起步阶段，2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初) 2 0 世纪7 0 年代末水利电力部在广州召开的“接地距离和综合重合闸技 术经验交流会”上作出了一项决议，强调保护装置与综合重合闸投运前必须 与其直接相关的其他装置构成整体做整组试验，不允许使用短接回路的方法， 而应该由输入相应的电流、电压来模拟可能发生的故障，还必须配置与实际 断路器跳、合闸线圈回路相似的模拟断路器电路。根据此要求，研究部门应 用物理模拟原理，研制出能模拟各种故障、产生相应电流、电压激励量的继 电保护试验装置。 1 2 1 2 第二阶段( 发展阶段，2 0 世纪8 0 年代后半期) 2 0 世纪8 0 年代中期后，随着大容量发电厂建设和5 0 0 k v 系统的建立。 继电保护技术发展迅猛，在以下3 个方面有力的推动我国继电保护试验装置 的发展： 各大电网在引进成套保护装置的同时，引进了一批先进的现场继电保 护试验装置，例如，a s e a 的t u r h 型三相继电器试验装置，s i e m e n s 的 7 v p 型三相试验系统，d o b l e 的f s 3 型三相试验系统等，给国内研发和改 进继电保护装置提供了借鉴。 1 9 8 7 年“四统一”高压线路继电保护装置研制成功，并推广应用，对 测试装置提出了新的要求，例如要求能模拟三相同时性故障和多种转换性故 障等。 1 9 8 7 年底水利电力部颁布了新的继电保护及电网安全自动化装置检 验条例，对继电保护试验接线规定了新的技术指标。 在本阶段中，继电保护测试装置得到了较大发展。多功能试验装置、计 算机控制继电保护测试仪、继电保护综合试验车等多种型式装置相继出现， 在原理上除了物理模拟型外，还有组合式和微机可编程式。 1 2 1 3 第三阶段( 2 0 世纪9 0 年代) 2 0 世纪9 0 年代，我国电力工业持续高速发展，高压电网继电保护的配 置与选型发生了很大变化，主保护采用双高频配置方案，枢纽变电站均装设 微机故障录波器，大量采用以c k f ，c k i 系列为代表的集成电路型高压线路 保护和以w 一1 1 型( 含w 一1 1 型) ，l f p 一1 0 0 系列为代表的微机保 护。与模拟式保护相比，微机保护采用新原理，功能强、性能优良，具有速 度快、准确度高和智能化的特点，原有现场继电保护装置已不适用，迫切要 求有适用的现场测试装置与之配套。 这一阶段采用数字控制、数字显示、微机可编程和实时仿真高新技术。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 与前两个阶段相比，技术水平明显提高，与国外的差距缩小。与组合式试验 装置相比，这些装置在性能上具有明显的优势。在3 5 k v 及以下线路保护装 置的检验中，由于价格便宜以及操作简单、可靠等原因，仍以组合式试验装 置为主。 1 2 2 继电保护试验装置的发展回顾 继电保护试验装置的发展是与继电保护技术的发展及测试技术的发展 紧密相连的，从其构成和特点来看，至今主要经历了组合型、集成电路型及 数控制型的发展过程【4 j 。 1 2 2 1 组合型试验装置 在完整的试验装置雏形问世以前，测试对象是由电压继电器、阻抗继电 器、功率方向继电器等组成的简单保护，测试的手段往往借助于移相器、调 压器、升流器及滑线变阻器等设备，是典型的“地摊式”的测试方法，容易 接错线、调试时间长、测试功能单一及测试精度不高，这些不足引发了将这 些设备集中组装的试验台或实验箱的要求，这种集中组装式的试验设备的问 世在某种程度上改进了原始的“地摊式”的测试方法，缩短了测试时间，减 少了人为的错误，改进了试验工作的条件，主要在一些继电器生产厂家得到 了推广及应用。 1 2 2 2 集成电路型试验装置 这种类型的试验装置在原理上仍没有大的突破。在具体的实现上采用集 成电路芯片进行控制，显示方式上采用数码管显示，自带一些数字式的相位 计、毫秒计、电流电压表，在具体使用的方便性及体积上均有改进。 1 2 2 , 3 数字控制型试验装置 这种类型的试验装置的研制始于上个世纪8 0 年代中期。若严格划分， 数字控制型试验装置又可分为单片机或单板机控制型和微型计算机控制型两 种，这种试验装置主要利用单片机或微型计算机的计算存储功能，以编带g 软 件产生试验数据，通过数模( d a ) 转换电路取得弱电信号源，再经过功率 放大器将弱电信号放大至被测试保护装置需要的相当于真正p t 和c t 的二次 侧的电压，电流信号。单片机控制方式的试验装置问世于上个世纪8 0 年代末， 由于主要借助于小键盘，数码管或l e d 来控制试验装置的运行，没有简洁明 了的人机界面，可以认为是组合型装置向数字控制器装置的一种过渡产品。 而当前常见的微机控制试验装置是上个世纪9 0 年代初期出现的，具有技术含 量高、操作方便等优点，普及较侠。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 2 3 国内外继电保护测试装置的发展现状 目前，国外厂家生产的通用型继电保护试验装置有：美国a v o 公司 p u l s a r 三相保护继电器测试系统，d o b l e 公司提供的f 2 2 5 0 测试仪， o m i c r o n 公司提供的奥秘克朗测试仪c m c l 5 6 等，这些测试装置虽然生产 厂家不同，功能和性能略有差异，但是普遍存在着以下特点： 硬件电路上采用一体化模块式设计，可根据用户的要求自行组合。 多采用高速处理器，精度高，速度快。具有故障转换、故障再现功能。 可以将符合c o m t r a d e ( 美国电力系统暂态数据交换标准) 文件的数 据或者将格式化的e m t p 计算数据和微机故障录波数据进行编辑和回放，转 换成与文件的数字波形完全一样的模拟量输出，再现实际系统中的暂态数据 波形，检验继电保护装置在电力系统暂态工作情况下的动作特性。 兼容g p s 全球定位系统，可以进行同步测试。 功率放大器为高效率、高可靠、高精度、大功率输出的宽带放大器， 具有很好的线性特性。 用户可使用内部编程语言，进行专用试验模块的再开发。 基于w i n d o w s 9 5 或w m d o w s n t 的测试软件，图形用户界面良好。 国内继电保护测试系统多采用“微机+ 智能控制放大电路”的整体设计 方案。软件方面具有手动、自动测试各种类型继电器的定值和特性，还可以 进行高压线路保护装置的整组试验，模拟各种类型的瞬时、永久及转换性故 障的暂态过程和模拟开关跳闱及重合闸全过程的功能，另外还具有模拟系统 振荡过程的功能。另外，功率放大器的输出端都设有变压器，可以真实仿真 瞬时短路时的非周期电流，放大各种暂态波形，可以检验保护设备在短路暂 态过程中的性能。 1 2 4 新技术在继电保护测试中的应用 随着计算机、微电子、大功率器件等各方面新技术的发展，继电保护测 试技术以及继电保护测试装置得到了快速的发展和完善。 数字仿真技术。新的实时数字仿真技术用于继电保护全面、完整、真 正闭环的测试，是继电保护测试技术的发展趋势。实时数字仿真技术在测试 装置内部建立较为精确的数学模型。由装置内的d s p ( 或高速c p u ) 实时解 算模型，产生数据，产生相应的波形，来完成继电保护的测试。 高速c p u 的应用。高速c p u 的应用可以提高每周波输出数据的点数， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 从而极大的提高了波形的质量。可以提高输出信号的精度和频带宽度，从而 精确的模拟高频故障信号，进行故障回放，分析故障起因。基于高速c p u 的 测试装置可以为实现更复杂的功能提供了基础。如新的数学模型可以对变压 器保护进行测试。 d s p 技术的应用。d s p ( d i g i t a ls i g n a lp m e e s s o r ) 具有强大的指令集 合、高度的灵活性、快速的数字处理能力以及全新的内部结构，其具体性能 指标可参阅本论文第3 章第1 小节。基于d s p 技术的继电保护测试装置使实 时仿真用于保护测试装置成为可能。 高精度、快速d a 转换器。高精度的d a 转换器可以有效提高输出波 形的质量。转换速度提高动态响应性能，使测量更加准确。 采用新型功率放大器件。新型的功放器件可以降低静态损耗，提高装 置的动态响应，还可以使输出信号具有更高的带宽，更能准确的输出各种频 率分量的故障信号。 利用离线e m t p 仿真数据，采用“数据回放”的方式，实现暂态仿真。 e m t p 仿真模拟精确，可以模拟线路、变压器内部各种故障，精确模拟故障 的暂态过程，能够完成动模试验的测试项目，测试的真实性高。 g p s 技术的应用。对于双端和多端保护的暂态试验，通过g p s 精度达 微秒级的定时时钟，使双端( 多端) 的测试同步，真实的模拟故障，达到测 试保护的目的。 测试自动化技术的应用。按照预设的测试程序自动的进行测试，根据 保护反馈信号自动的调整测试参数和保护定值。对不同装置采用程序化方案， 测试中无需人工干预。 c p u 并行技术的应用。采用多c p u 处理方式，p c 机只进行后台控制 和管理。将每个电压源、电流源以及计时单元都构成独立的智能化的模块， 并将这些智能化的模块组合在一套继电保护装置中。多c p u 强大的计算能力 能够建立较为准确的系统模型，使仿真更加真实可靠。 通信及现场技术的应用。为使试验装置的容量更大，使用更为灵活， 采用单相独立机箱由试验人员自行组合的模式。其典型的代表是美国d o b l e 公司f 2 0 0 0 系列。为使多个c p u 同步工作，各单元都设置i e e e - - 4 8 8 和一 个同步通讯接口，以便试验人员根据需要自行组合成多相试验电压电流的方 式。在进行自动测试时，接收来自小型控制器的数据。通常p c 机只进行后 台控制和管理。由于采用i e e e - - 4 8 8 接口能获得较高的通讯速率( 1 m b s ) ， 因此可大幅度提高试验装置的性能，可灵活扩充和连接多台试验设备。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3d s p 技术在电力系统中应用的意义 5 1 系列和9 6 系列单片机是传统的电力系统设备中最常用的微处理器。 目前，随着电力系统不断发展，电力系统对其设备的实时性、计算能力及大 数据量运算速度等各方面的要求不断提高，这些微处理器在计算能力和实时 性上，已不能很好地满足系统要求。于是d s p 处理器以其纳秒级指令系统、 哈佛结构及显著的实时处理能力逐渐渗透到电力系统中来。 将d s p 芯片应用于电力系统设备，有着传统的单片机不可比拟的优势。 随着d s p 芯片的性价比不断提高，开发工具越来越完善，其应用领域越来越 广，大有取代单片机之势。因此，将d s p 芯片应用于电力系统设备不仅可行， 而且很有必要，具有重要的现实意义1 1 4 论文的主要工作 继电保护在电力系统中起着非常重要的作用，它的误动、拒动对电力设 备及电网稳定运行有着巨大的危害。发现继电保护装置潜在的软、硬件错误， 检验其工作性能，以保证继电保护装置的正确动作，避免其误动、拒动是继 电保护的生产、运行者都必须面对的问题。继电保护测试系统担负着对继电 保护装置工作性能测试的重要任务，而产生精准的电源波形是其中的关键， 因此本论文对程控测试源的研究具有重要的现实意义。 本论文根据实际需要。设计了基于d s p 的继电保护程控测试源系统，该 系统要求能产生6 路波形，其中3 路为电压波形，3 路为电流波形，并能对 功放部分反馈回来的电压、电流波形进行实时的测量，并采取一定的补偿措 施，输入输出一定数量的开关量，具有与上位机进行通信的能力。 本论文安排如下：第一章绪论，主要介绍继电保护测试技术的发展：第 二章继电保护测试系统及其程控测试源，主要介绍测试系统的原理，对比了 基于d s p 和基于单片机的程控测试源；第三章数字信号处理芯片，介绍了 d s p 发展历程、基本特征和d s p 芯片的应用系统；第四章介绍了基于d s p 继电保护测试程控测试源硬件构成；第五章介绍了基于d s p 继电保护程控测 试源的部分软件设计；最后对本论文傲了总结。 西南交遴大学硕士研究生学位论文第7 页 第二章继电保护测试系统及其程控测试源 2 1 继电保护测试系统 2 1 1 继电保护测试系统的原理 对电力系统变电所中舱继电傈护装嚣耩自动装震等各种二次设备进行 榆测是一种离线检测，需蒙将被测试设备从运行的电网中脱离下来，另外施 加模拟激励，以测试其性能参数。这个过程如图2 - 1 所示。 匝p 燮瓤堕巫p 驽匝亟产 图2 1 离线设备检测过程框图 其其薅溺试过程霉篾述鳐下：走逶蘧童极豹辕入设鍪，设定褪纛鹣溅试 条件和参数，然后开始测试，测试系统产生测试所需器的电压或电流波形， 并施加于被测试的继电保护装置，得出被测试继电保护装置的动作特性。在 测试过程中可檄据保护装置的动作信息设鼹相应的标虑位，满足是的条件 麟霹瓯蔽嚣试逶窭。然嚣慰溺试结莱逡纾耱瘟茨憝壤，舞隶l 表、绘銎、努 印等。 2 1 2 继电保护测试系统构成 继毫傈拶溪l 试系绫构成囊要毒孛夹象凝、疑穰i 功羧部蠢孛继都搿稳戒。 中央主机 系统采用激用的p c 机作为整套测试系统的中心控制机，其功能是通过 终端显示屏实现入机对话，操作人员可遥捆关软件设鬟，对从机发出控制命 令，鞋完成麓建豹覆l 试顼嚣，并鼹鬟毒瓣测试数攥瑟露耀瘦熬跫瑗。 从机 目前通常采用的是单片机系统和超小型嵌入式工北微机系统。其主要功 戆是接收主枧黔愈令，产生蟹毙程控电源嬲债号输出，剃裂各种继魄器的动 豫情况，发蠢戆盘溅试所爨秘开关转蔌徐令，挺测萋瓣数器传送给圭穰。 随着p c 机的不断更新换代，c p u 的主频不断提高，内存不断增大，使 缁微机的运行道度大大加快，加之多任务操作系统的逡用，从而便从机部分 辨皴的工作霹幽主极来完成，所以扶瓿部分可与主机粼分合二为一，使整套 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 图2 - 2 测试系统方框图 测试系统更加紧凑，提高了可靠性。 功放部 目前绝大多数测试系统采用由大功率晶体管组成的功放电路，其功能是 把程控电源弱电信号进行功率放大，形成被测试继电器所需的交流电流、电 压和直流电流、电压。 中继部 其功能是接收从机的命令实现各种自动切换，以便对变电所保护盘上各 种继电器的测试达到自动化。 2 2 继电保护测试系统的程控测试源 程控测试源在整个继电保护测试系统中有着举足轻重的地位。其主要特 点是：测试电源的交流电流、电压和直流电流、电压的幅值可根据需要自动 增大或减小，其增减的速度和幅度也可以根据需要进行调节。当被测试的继 电器动作时，由微机判定后，命令电源停止、上升或下降，并保持该值直至 微机完成该值的测定。该系统对于电流、电压、相位的程控过程完全由指令 实现。 2 2 1 基于单片机的程控测试源 基于单片机的程控测试源形成的原理图可由图2 3 所示。左端为单片机 系统，在其存储器内部开辟了电源函数区，用于存储电源波形的函数值；另 外开辟了一个参数区，其中为一些有关波形的参数，如幅值、相位、调节速 度等。右侧为两个d a 转换器( 1 # d a 、2 # d a ) 。1 # d a 转换接收数据 总线传送过来的数字化函数值，经d a 后转换为模拟量输出即v o u t l ，该输 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 出信号v o u t 值恒定，其相位由输入参数决定。v o u t l 输出又作为2 # d a 的 参考输入电压，即魄口= v o u t l ，2 # d a 接收数据总线传送过来的幅值参数 和1 # d a 的输出v o u t l 相“作用”，便得到一个幅值可控的电源信号v o u t 。 设“( f ) 为决定电源波形的函数，1 # d a 的输出v o u t 为一恒定值，则 1 # d a 的输出为： v o u t l = v r e f l 。“( f ) v o u t l 。c “r f ) ( 2 - 1 ) 图2 3 基于单片机程控测试源的单通道电源原理图 若2 # d a 接收数据总线传送过来的输入为世7 ，且k7 为一可程控的量， 考虑式( 2 - 1 ) 关系则2 # d a 的输出为 v o u t = k7 v r e f 2 = k7 v o u t l = k v r e f l “( f ) ( 2 2 ) 式中，“( f ) 为电源函数，世为一可程控系数，从式中( 2 - 2 ) 可知v o u t 为一可程控的电源函数，或者说其值为按比例系数为足变化的原函数，此函 数可为稳态函数或暂态函数。 若原函数“( f ) = s i n ( c o t + 妒) ，则： v o u t = k 4 即输出v o u t 为一大小按足变化的直流电压。 2 2 2 基于d s p 的程控测试源 基于d s p 的程控测试源，其产生波形的基本原理和基于单片机的程控测 试源基本相似，其区别在于外围电路结构得到了简化，波形质量得到了显著 的提高。而且利用d s p 强大数据处理能力和丰富的片上资源将使整个程控测 亘宣銮塑盘堂硕士研究生学位论文第1o 页 试源系统的性能得到进一步的提升。图2 4 为基于d s p 程控测试源单通道电 源的原理图。从该图可以看出基于d s p 的程控测试源其外围电路的设计得到 了一定的简化。主要表现在该电路仅采用一片模数转换器，一方面降低了成 本，减少硬件调试时间和p c b 布板的面积；另一方面从发出数字量到输出相 应模拟量的响应时间大为缩短。 图2 - 4 基于d s p 程控测试源的单通道电源原理图 基于单片机的程控测试源之所以采用两片d a c ，主要是因为一般单片机 所采用的是冯诺依曼结构，该结构没有将程序空间和数据空间分开，其运 算速度有限，而且又没有专门的硬件乘法器，数据吞吐量小，因此将部分乘 法运算通过两片片外d a c 实现。而d s p 采用的是哈佛结构，程序空间和数 据空间是分开的，可同时访问，而且内部有专门的1 6 位x 1 6 位硬件乘法器。 由于本系统中所采用的d s p 为1 m s 3 2 0 2 4 0 7 ，该d s p 的主频高达4 0 m h z ， 因此执行一次乘法运算所需的时间仅为一个时钟周期也就是2 5 n s ，该指标对 程控测试源发出的波形质量至关重要。 继电保护程控测试源还有一个重要的任务就是完成对功放部分反馈回 来的电压、电流信号进行实时测量，并采取一定的补偿措施。这是因为功放 的输入和输出信号并不是成严格的线性关系，而对于不同性质的负载，其线 性关系是不一样的，因此很有必要对功放反馈回来的电压、电流信号进行实 时测量，在测量反馈信号的过程中，需要进行大量的数字信号处理的运算， 若采用通用的p c 机，则信号处理的速度较慢，仅适合于信号处理算法模拟； 若采用通用的单片机，其数据处理速度有限，不适合实现复杂的数字信号处 理算法。若采用通用的d s p 芯片，则可以形成单独的系统，算法改动较灵活， 与单片机相比，通用的d s p 芯片具有更适合于数字信号处理的软件和硬件资 源。 目前，大部分国产继电保护测试装置都是微机型测试装置，采用中断来 实现的定时输出方式，而w i n d o w s 操作系统是非抢先式多任务操作系统，不 具各实时性。所以，在仅仅依靠系统资源并严格遵守既定的w i n d o w s 规范及 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 消息驱动机制式无法进行实时系统开发的，只有依靠装置本身的高速微处理 器或多c p u 并行处理进行数据运算和实时控制。采取以p c 机进行控制，d s p 进行实时解算数学模型而构成的主从式结构，可以很好的解决该问题嘲。 2 3 动态程控测试源 在继电保护测试中，为了对保护设备进行全面的分析，需要对设备进行 动态试验。运行现场也希望了解继电保护装置在短路过程、励磁涌流以及谐 波电流等条件下的动作特性。以前只能进行人工短路等试验来考验装置在这 些情况下的行为，这种方法极为落后，而且不安全，所以这方面的工作很难 进行。 在文献 2 6 1 中，首先从理论上分析研究牵引网故障时暂态电流、电压的 变化情况，建立一个常用各种类型变压器、各种牵引供电方式( a t 供电方式 除外) ，不同地点、不同类型短路故障时的电流、电压通用模型。同时，对谐 波励磁涌流也进行了理论分析和推导，各自建立了数学模型，根据所建立的 数学模型在p c 机上进行波形仿真，然后在将其数据离散化传至d a c 里面， 进行数模转换，输出至功放电路经放大后，即得到了继电保护动态试验所需 的电流源和电压源。 牵引网短路故障电流源的通用数学模型为【2 6 。fr 一卫 i d = 二兰ls h 删+ 口一声) - s i n ( 口t f 1 ) e 。i ( 2 3 ) n 三lj 式中，n l 为电流互感器变比；z = 币f 面；f l = a r c t a n ( c n l r ) ：口为短路 时刻电角度； r = 口1 足s + 吒咒+ 如；三= a j 厶s + 如厶+ 口3 厶。 其中r t 。、l ，。为电力系统的等效电阻、电感：r 、厶为牵引变压器的等 效电阻、电感；巧、厶为牵引网的等效电阻、电感：当牵引网的结构型式不 同时取值不同。 当牵引变压器、牵引网型式，以及短路故障类型不同时，日、a 、a ：、a ， 西南交通大学硕士研究生学位论文 取不同值。 故应用数学模型时，应首先明确牵引变压器类型、牵引网型式、故障地 点及类型，然后r q 、可知( r b 、厶、r i 。、心。已赋值) ，对n 、q 、口2 、 吼赋以相应的数值，计算月、三、z 、，代入式( 2 3 ) ，即可得到给定情 况下的短路电流表达式。 单相变压器涌流的通用数学模型为 f ( f ) ：；u 。 c 。s a c 。s ( 耐+ 口) 一r _ j i q ，) d t ( 2 4 ) ( o lo ) l 丑= 耳+ 急 c 删一c 。s ( c o t + 训一r j i 1 ( t ) d r t + l i ( t ) ( 2 - 5 ) 式中，口为变压器合闸角，b 为变压器磁密，b 为变压器剩磁磁密，s 为变 压器铁心截面积，国为角频率，为变压器绕组匝数。合闸回路总电阻： r = r s + 墨：合闸回路总电感：l = + 厶+ l 。 其中，置、岛为系统的电阻、电感：r 。、厶为变压器合闸回路绕组电 阻、电感： 变压器铁心电感l 。= f ( i ) ，该函数由变压器的i 关系决定。 动态计算结果为一次系统的即时值，不能直接用于继电器的测试要先除 以电流互感器电压互感器的变比，转化为二次系统数值，再离散后输入到 d a c 、功放，最后加在被测试继电器上。 2 4 波形发生的基本原理 基于d s p 继电保护程控测试源系统最基本的功能是产生测试所需要的 波形，该波形主要以正弦波、谐波为主。因此有必要阐述其波形发生的基本 原理。一般发生波形的原理一般有两种：一种是台劳级数展开法，一种是查 表法。由于本系统对发送波形点值的速度要求较为严格，因此决定采用查表 法来进行发波。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 4 1 一般正弦波形的发生原理 首先将一个周期的波形点值即7 2 0 个波形点值存储在程序存储器中，然 后按照一定的时间间隔4 f 将这些点值逐一的传送到片外的d a c 当中，时间 间隔一f 决定所发送波形的频率厂，例如，发送波形频率为5 0 h z ，则时间间隔 a t 为2 0 m s ，。约为2 7 7 8 u s 。当发送波形的频率为1 0 0 h z 时，即二次谐波， ，二u 则时间间隔一f 为1 3 8 9u s 。当发送1 5 0 h z 时可依此类推。而波形的初始相位 毋则由发送波形的起始点位置决定的，例如若发送波形初始相位为6 0 。，则 从波形表中第1 2 0 个点开始发送波形。波形的幅值可通过波形幅值系数一来 确定，在发送波形点值前将幅值系数4 与波形表中的波形点值相乘，将所得 结果传送给片外d a c ，通过调整幅值系数a 即可达到调节波形的幅值的目 的。 2 4 2 合成谐波的发生原理 产生合成谐波的原理和产生一般的正弦波形的原理基本一样，有区别的 是，产生合成谐波的过程中，先从正弦表中按特定的间隔取相应的点值，然 后控制好幅值和相位后，最后和基波的离散点值叠加。特定的间隔是由所产 生波形中所含的谐波次数来决定的，例如，若产生的波形含有二次谐波，则 在正弦表中按间隔1 取点，若含三次谐波的话，则在正弦表中，按间隔2 取 点，依此类推，含n 次谐波的话，则在正弦表中，按间隔 一1 取点。 需要补充的是，在抽取谐波波形表的过程中，由于波形母表中的数据点 数不可能被系统所要求的所有谐波次数所整除，若此时仍采取间隔取点叠加 的话，则最后叠加出来的波形将会失真。此时另外单再独建立一个波形表将 能有效的解决改问题。 在产生合成谐波的过程中，需要注意的是，当谐波次数比较高时，如果 基波的点数太少，那么谐波由于一个周期内的数据点数太少而波形台阶就变 得明显，整个波形变得很不平滑，影响测试。如果采用的点数过多，那么系 统发出波形的速度要求将提高。综合考虑，在本系统采用了7 2 0 个数据来描 述一个基波周期。 2 5 提高系统可靠性的途径 一般来说，程控测试源系统可靠性技术主要包括以下四个方面的内容 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 精心选择元器件 元器件是构成部件或系统的基础。要选择那些集成化程度高、抗干扰能 力强、功耗小的电子器件。 元器件要精密调整 元器件的精度是保证系统完成既定功能的重要保证。因此在使用前或经 过一段运行时间之后，都应对元器件及部件进行校正，如a i d 、d a 芯片的 调零及满量程调整等。 采用硬件抗干扰技术 硬件抗干扰技术是设计系统时首选的抗干扰技术，它能有效的抑止干扰 源，阻断干扰传输通道。常用的硬件抗干扰技术措旆有：滤波技术、去耦技 术、屏蔽技术、隔离技术及接地技术等。只要合理地布置与选择有关的参数， 硬件抗干扰措施能抑止系统的绝大部分干扰。 采用软件抗干扰技术 软件抗干扰方法具有简单、灵活方便、耗费硬件资源少的特点，在微机 了广泛测控系统中获得的应用。在硬件抗干扰措施的基础上，采取软件抗干 扰技术加以补充，能取得很好的抗干扰效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第三章d s p 芯片及其应用系统 3 1 数字信号处理器芯片 d s p 芯片( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是一种具有特殊结构的微处理器， 一般都具有程序和数据分开的总线结构、流水线操作功能、能单周期完成乘 法的硬件乘法器及一套适合数字信号处理的指令集，能达到快速进行数字信 号处理的目的。 由于美国德克萨斯( 德州) 仪器公司( t i ) 生产的t m s 3 2 0 系列是目前 d s p 芯片市场的主流，在设计基于d s p 的继电保护程控测试源系统时所选用 的也是t m s 3 2 0 系列的d s p 芯片，所以本章就以t i 的1 m s 3 2 0 系列的d s p 芯片为例，介绍d s p 芯片及d s p 应用系统i 3 1 1d s p 芯片的基本结构特征 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片的基本结构包括：哈佛结构；流水线操作； 专用的硬件乘法器；特殊的d s p 指令；快速的指令周期。 这些特点使得t m s 3 2 0 系列d s p 芯片能实现快速的数字信号处理运算， 能够在一个指令周期内完成大部分运算( 例如乘法运算) 。由于t m s 3 2 0 系 列d s p 芯片是软件可编程器件，因此具有通用微处理器所具有的使用方便、 灵活的特点。下面分别介绍d s p 芯片的这些特点。 3 1 1 1 哈佛结构 哈佛( h a r v a r d ) 结构是一种不同于冯- 诺依曼( v o nn e u m a n ) 结构的并行体 系结构。 冯诺依曼结构是通用型微处理器( 如单片机) 所采用的体系结构。该结 构将指令、数据和地址存储在同一存储器中，统一编址，依靠指令计数器提 供的地址对指令、数据、地址进行区分。这种将程序和数据存储于同一个存 储空间的思想虽然简化了处理器结构，但是由于取指令和都数据要访问同一 存储空间，所以指令、数据要分时读写，与哈佛结构相比，数据吞吐率较低， c p u 运算速度较慢。哈佛结构是当前d s p 芯片所采用的结构，其主要特点 是将程序和数据存储于不同的存储空间，即程序存储器和数据存储器相互独 立，进行独立编址、独立访问。由于系统中设置相互独立的程序总线和数据 总线，取指和执行能完全重叠运行，c p u 可以在同一时间进行数据的访问和 指令的读写，处理器的数据吞吐率大，运算速度高。 西南交通大学硬士研究生学位论文第1 6 页 t m s 3 2 0 系列d s p 芯片在基本哈佛结构的基础上作了改进，进一步提高 了处理器的运行速度和灵活性：一是允许数据存储在程序存储器中，并被算 术指令直接使用，这增强了芯片的灵活性：二是指令存储在高速缓冲器 ( c a c h e ) 中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个 指令周期。 3 1 1 2 流水线操作 与哈佛结构相关的是d s p 芯片采用流水线操作，减少了指令执行时间， 从而增强了处理器的处理能力。t m s 3 2 0 系列处理器的流水线深度从2 6 级 不等，也就是说处理器可以并行处理2 6 条指令，在某一时刻，各条指令处 于流水线上的不同阶段。以四级流水线为例，哈佛结构下的指令流定时关系 如图3 14 级流水线操作所示。 时钟 取指 指令译码 取操作数 指令执行 juuuj n 。 n + 1 n + 2 。 n + 3 1 n 1 ：ln ： n + 1 ：ln + 2 ：! n 2 n 1in n + l ； n 3 ln 2 ；n 1ln ； 图3 - 14 级流水线操作 从图3 1 中可以看出，啥佛结构的采用为d s p 的流水线操作提供了很大 方便。在哈佛结构的四级流水线中，一个指令周期内可有四条不同的指令处 于激活状态，而在冯诺依曼结构中，一个指令周期中只有一条指令处于激活 状态，显然，哈佛结构的处理速度要比冯- 诺依曼结构的处理速度快得多。 3 1 1 3 专用的硬件乘法器 在数字信号处理器算法中，乘法和累加是最基本的运算，而且运算量非 常大。处理器对乘法指令的执行速度直接关系到整个系统的运行效率。在通 用微处理器中，乘法由软件实现，实际上一连串由时钟控制的“移位一加法” 操作，往往需要若干个指令周期才能完成一条乘法指令的操作。而在d s p 芯 片中由于设置了专用的硬件乘法器和m a c ( 相乘并累加) 一类指令，取两 个操作数到硬件乘法器中作乘法，并将结果加到累加器中，用r p t 指令启动 d s p 流水线后，m a c 就变成了单周期指令，这些操作可以在一个指令周期 内完成，这使d s p 作乘法和累加这种基本运算的速度大为提高，同时也使 d s p 芯片在数字信号处理运算中的作用显得极为突出。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 3 1 1 4 特殊的d s p 指令 d s p 芯片的另一个重要的特征使采用特殊的、针对数字信号处理而设计 的d s p 指令。不同系列的d s p 芯片都有一些特殊的、对应于其系列结构的 d s p 指令，以充分发挥d s p 算法和该系列d s p 芯片特殊的功能。 3 1 1 5 快速的指令周期 与传统的微处理器和微控制器相比，快速的指令周期是d s p 芯片又一个 明显的特征和优势。改进的哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特 殊的d s p 指令等特征配合集成电路的优化设计，这使d s p 芯片的指令周期 不断下降，工作频率不断提高。目前t i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 芯片指令 周期已经从第一代( 1 m s 3 2 0 c 1 0 ) 的2 0 0 n s 降到现在t m s 3 2 0 c 6 0 0 0 的5 n s ， 甚至3 3 n s 。可以预见，随着微电子技术的发展，d s p 芯片的工作频率还将继 续提高，其指令周期也将进一步缩短。 3 1 2d s p 芯片的性能指标 由于不同d s p 芯片厂商的d s p 芯片结构有很大差别，即使是同一个厂 商不同系列的d s p 芯片之间，结构差别也很大，甚至在同一个厂商同一个系 列不同型号的d s p 芯片之间，其性能差异也很大，因此d s p 芯片的性能不 能像p c 机那样用c p u 的时钟频率和型号来表征，而必须采用一些可比的性 能指