（电力系统及其自动化专业论文）微机保护实验装置组态软件的开发.pdf

独创性声明 本人声明所旱交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文巾作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：王颦霞时问：? 班广年；月冲日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名 导师签名 王颦霞 f h j ：2 0 哆年；月2 l 只 时间：2 p 吐年弓月二啦日 第一章绪论 1 1 微机保护实验装置组态软件研究的意义 电力系统继电保护是电力系统中的一个重要方向，它是在电力系统发生故障或不止常运行状 态时，迅速而有选择性地切除故障元件，从而保证电力系统其他非故障元件能够安全可靠运行“3 。微 机保护就是指以数字式计算机( 包括微型计算机) 为基础而构成的继电保护“。 随着计算机技术、网络技术、通信技术的飞速发展。极大地促进了微机继电保护系统的发展 其保护功能日趋完善，速度和可靠性越来越高。经过多年的实际运行经验证明，微机继电保护系统 与传统的继电保护系统相比具有保护完善、功能齐全、可靠性高、维护少，便于统一管理和调度， 易实现变电站的无人值守等优点。它将逐步取代传统的继电保护系统，是继电保护系统未来发展的 主要方向”1 。 高校开设的“电力系统继电保护”课程的发展却相对滞后，就实验装置来说，基本上采用的 还是机电式的装置，体积大而且笨重，动作慢，操作不方便只能做原理性的验证实验，不能培 养学生的创造能力”1 。为了适应现代化电力系统对宽口径“复合型”高级技术人才的需要，高校不 仅要培养电力系统运行、调试的工程师，还要培养专业的设计工程师。通过微机保护实验，学生 要掌握微机继电保护基本原理与技术、微机保护硬件系统的结构和设计技巧以及微机保护的常用 算法，掌握微机保护的软件设计方法和技巧。 微机保护装置核心元件c p u 已从原来的8 0 5 1 、8 0 9 6 、8 0 1 9 6 、8 0 2 9 6 等发展到3 2 位的6 8 3 3 2 、定 点或浮点d s p 等，软件编写己从单一的汇编语言向p l m 、c 、c + + 等高级语言转换。汇编语言和高 级语言的混合编程方法已得到了肯定和实现，该方法能提高编写效率，利于程序维护“1 。 开发下位机系统需要选择编译软件、程序写入工具及调试工具等开发工具。编译软件要考虑 编译工具的提供是否方便、运行环境如何、使用是否方便等：为节省资源，目前多数单片机本身 不带操作系统，程序的写入靠外部工具完成，在单片机选择时写入工具及其配套软件的价格、 性能等应予以考虑：对于使用新型号的单片机，开始时对系统的软、硬件资源不够熟悉，最好有 较好的调试工具和仿真工具。针对不同型号的芯片开发人员要适应不同的开发环境，这样开发 一个完整的下位机系统，就要对单片机的结构和作用有着极其深入的了解，往往软件编程量很大， 开发周期长，不适合快速开发和应用。 单片机的功能和结构的确定是有规律可行的，人们对单片机的功能要求可以分成几类：模拟 量输入功能、测量功能、保护功能、开关量输入功能、控制输出功能、就地设置和显示功能、通 信及远动功能等，如果将这几类要求和单片机的结构结合通过一种工具有机联系起来，则可避免 深入了解每个不同单片机的结构和作用，可快速开发系统，方便升级。例如微机保护实验，通过 该实验，学生要在较短的时间内达到硬件、软件设计的训练以及各种保护算法和各种微机保护的 模拟等训练，这种情况下没有必要对单片机做深入了解，而组态软件可满足这要求。 总之，要让学生在较短的时间内掌握微机保护的基本原理、微机保护硬件和软件的训练，开 发一种通用的适用于微机保护实验装置的组态软件非常必要。 1 2 国内外微机保护实验教学的历史和现状 目前，国外也有较先进的微机保护实验室用于教学。典型的是加拿大s a s k a t c h e w a n 大学用于教 ；：和科研的电力系统微机保护实验室。该实验室有3 个工作站和1 4 台p c 机，每个工作站通过以太网 与人学计算机连接，每台微机都配有一个或多个高速数字信号处理( d s p ) 板、用c 语言编写程序并 将其交叉编译为d s p 板中汇编语言的设备。可完成输电线路保护、算法与分析、变压器保护、发电 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 机保护、频率继电器、故障定位和自适应继电器的研究，大大提高了教学和科研力量”1 。该实验室 虽然功能强大、全面，但是硬件模块基本固定和昂贵的价格等原因，并不完全适合我国高校教学 的现状和要求。 我国高校针对微机保护实验教学，研制开发的这类产品各具特色，功能也各有不同和侧重。 目前高校典型的微机保护实验产品主要有： ( 1 ) 山东丁业大学电力学院研制的微机保护实验系统。该实验系统由p c 机、m c s - 9 6 系列开 发系统和微机保护装置三部分构成。通过该实验系统学生可以观察到微机保护的各个构成部分及 各个部分之间的联系，可以编写程序进行调试，进行保护动作特性实验，可用于微机保护实验教 学的三段方向过电流保护和距离保护实验。该实验系统实际上是一个硬件开发环境，需要提供硬 件开发系统，显然成本较高。另外，学生对软、硬件资源熟悉需要一段时间，无法在较短时间内 完成实验任务。 ( 2 ) 吉林电气化高等专科学校自控系研制的微机继电保护实验装置。可同时实现三相线路的 电流速断保护、反时限过流保护、过负荷报警、自动重合闸、断路器故障预警和断相指示，正常 工作时三相电流大小显示等功能。各种保护动作电流值可通过键盘进行整定“1 。该实验装置只在硬 牛上实现了微机保护的一般功能，不能完成徽机保护的基本实验要求，不能进行算法分析和验证。 ( 3 ) 上海交通大学电气工程系开发的基于图形界面的微机保护实验平台，该实验平台可用于 电力系统的图形界面管理，又可用于系统输电线路的整定计算，也能用于对保护装置的测试”1 。但 是该实验平台主要用于电力系统暂态仿真，不利于学生了解硬件设计原理。 ( 4 ) 华中理工大学电力自动化研究所研制的w l z b i i 型微机线路保护教学实验台。该实验台 由三相调压器、滑线变阻器、系统电阻箱、三段式微机电流保护装置、三段式微机电压保护装置、 三段式阻抗保护装置、接触器、台架、电流表、电压表等组成。可进行电流、电压保护实验和阻 抗保护实验“。该实验台每种装置都具有自己的特点和实验范围，不能完成综合的实验，而且占 地面积大，不利于携带和移动，不能验证微机保护算法。 目前，国内外针对微机保护实验教学研制的同类产品很多，功能各异也各有侧重。总的来说， 主要有以下不足： ( 1 ) 微机保护装置硬件结构固定，功能单一，只提供一种m c u ( m i c r o c o n t r o l l e r u n i t ) 和唯一 的硬件设计，同一种装置不能够完成高校微机保护的基本实验要求，不能进行算法分析； ( 2 ) 微机保护实验系统只是一种硬件开发环境，不利于学生了解微机保护硬件设计原理，需 要提供开发系统，成本昂贵，不利于学生在较短的时间内完成实验任务； ( 3 ) 国外的微机保护实验室虽然功能齐全，但结构庞大，成本昂贵不适合本科生实验。 基于以上分析和原因，开发一种不需要提供开发系统而能实现多种保护和多种算法的微机保 护实验装置组态软件势在必行。 1 3 国内外组态软件发展的历史和现状 1 3 1 组态软件特点 新型的工业自动控制系统划分为控制层、监控层、管理层三个层次结构。其中监控层对下连 接控制层，对上连接管理层，它不但实现对现场的实时监测与控制且在自动控制系统中完成上 传下达、组态开发的重要作用。监控层的硬件以：i = 业级的微型计算机和工作站为主，目前更趋向 于工业微机1 。 组态软件指一些数据采集与过程控制的专用软件，它们是存自动控制系统监控层一级的软件 平台和开发环境能以灵活多样的组态方式( 而不是编程方式) 提供良好的用户开发界面和简捷 的使用方法，其预设置的各种软件模块可以非常容易地实现和完成监控层的各项功能，并能同时 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 支持各种硬件厂家的计算机和i o 设备，与高可靠的工控计算机和网络系统结台，可向控制层和管 理层提供软、硬件的全部接口，进行系统集成。 ， 组态软件有以下优点： ( 1 ) 提高了系统的成功率和可靠性”“； ( 2 ) 缩短了项目开发周期，避免了许多重复性开发工作，突山了系统集成思想，开发人员着 重系统的整体构成。使得项目易于维护，避免因开发人员变化所带来的麻烦； ( 3 ) 减少了开发费用，因为批量在软件价格上有优势。 因而，组态软件深受科技人员的重视和青睐，在国内计算机控制系统软件行业r 主导地位。 1 3 2 国内外组态软件发展概况 世界上第一个将组态软件作为商品进行开发、销售的专业软件公司是美国的w o n d e r w a r e 公司 它于8 0 年代末率先推出工控组态软件i n t o u c h ，此后工控组态软件不断发展壮大“。国外知名的：e ： 控组态软件有： ( 1 ) 美国w o n d e r w a r e 公司的i n t o u c h 。该软件的最大特点是开发者不用写冗长的程序，仅需 作图，建立动态连接。然后运行即可“。i n t o u e h 组态监控软件提供了面向对象的图形开发功能、 动画链接功能、分布式报警功能、分布式历史数据存储功能、支持a c c i v e x 、o d b c 、d d e 或n e t d d e 等开放技术。 ( 2 ) 美国i n t e r l u t i o n 公司的f i x 。f i x 集控制技术、人机界面技术、图形技术、数据库技术、 网络技术于一身，包含动态显示、报警、趋势、控制策略、控制网络通信等组件，提供一个友好的 用户界面使用户在不需要编什么代码的情况下便可生成自己需要的应用软件“”。f i x 软件具有强 大的0 d b c 技术，支持o r a d e ，s y b a ，f o x p r o 等关系数据库“。f i x 软件的核心是数据库，它是过 程控制逻辑形成的一种控制策略的描述，用户通过各组态模块实现数据库的过程，也就是控制策 略实现的过程，包括数据的采集、处理和输出。 ( 3 ) 西门子公司的w i n c c 。工控组态软件w i n c c 是一个集成的人机界面( h m i ) 系统和监控管 理系统，它是西门子公司在过程自动化领域中的先进技术和微软公司强大软件功能的产物， w i n c c 是视窗控制中心( w i n d o w sc o n t r o lc e n t e r ) 的简称，是一个3 2 位的基于w i n d o w s 的监控 软件。其特性之一是全面开放，各系统集成商可用w i n c c 作为其系统扩展的基础，通过开放接口开 发自己的应用软件。 国内的组态软件起步也比较早，目前实际工业过程中运行可靠的有： ( 1 ) 北京昆仑通态自动化软件科技有限公司的m c g s 。m c g s ( m o n i t o r a n dc o n t r o lg e n e r a t e d s y s t e m ) 是一套基于w i n d o w s 平台的用于快速构造和生成上位机监控系统的组态软件系统。为用 户提供了解决实际工程问题的完整方案和开发平台，能够完成现场数据采集、实时和历史数据处 理、报警和安全机制、流程控制、动画显示、曲线和报表输出以及企业监控网络等功能。使用 m c g s 用户无须了解计算机编程的知识，就可以轻易完成一个稳定、成熟、具备专业水准的计算 机监控系统”。 ( 2 ) 北京三维力控科技有限公司的力控。力控工业控制组态软件是基于分布式实时数据库 的3 层可组态结构，其内部所有组件可以独立分布运行，并能通过网络服务程序与其它组件交换 数据。力控是一个面向方案的h m i s c a d a 平台软件。它基于流行的3 2 位w i n d o w s 平台，丰富的i o 驱动能够连接到各种现场设备。分布式实时数据库系统，可提供访问工厂和企业系统数据的一个 公共入口。内置t c p i p 协议的网络服务程序，可以充分利用i n t r a n e t 或i n t e m e t 的网络资源”。 ( 3 ) 北京亚控科技发展有限公司的组态王。组态王组态软件是在流行的微机上建立工业控 制对象的入机接口的一种智能软件包，它以w i n d o w s9 8 w i n d o w sn t 中文操作系统为其操作平台， 充分利用了w i n d o w s 的图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点。它使采用微机开发的系 统j _ ：l = 程比以往的使用专用机开发的工业控制系统更有通用性，大大地减少了工控软件开发者的重 中国农业大学硕士学位论文第一章结论 复性工作，并可运用微机丰富的软件资源进行开发”。组态王组态软件以实时数据库为运转核心， 具有设备无关性，具有激活和控制其他应用程序的能力。使用组态王可以用清晰准确的画面描述 1 ：业控制现场、使用图形化的控制按钮实现单任务和多任务、设计复杂的动画显示现场的操作状 态和数据、显示生产过程的文字信息和图形信息、为任何现场画面指定键盘命令、监控和记录所 有报警信息、显示实时趋势曲线和历史趋势曲线等”。 ( 4 ) 北京华富惠通技术有限公司的c o n t r o x 2 0 0 0 。基于m i c r o s o f tw i n d o w s9 8 n t 2 0 0 0 操作系 统的c o n t r o x 2 0 0 0 监控组态软件内部采用真正的3 2 位分布式c l i e n t s e v e r 体系结构，为1 ：控i = i j 户提供 了强大的实时曲线、历史曲线、报警、数据报表及报告功能。作为国内晟早加入o p c 组织的软件 开发商，c o n t r o x 2 0 0 0 内建0 p c 支持，并提供数十种高性能驱动程序。提供面向对象的脚本语言编 译器，支持a c t i v e x 组件和插件的即插即用，并支持通过o d b c 连接外部数据库。c o n t r o x 2 0 0 0 同 时提供网络支持和w e v s e r v e r 功能“。 但是这些组态软件都用于上位机监控，是一些数据采集与过程控制的专用软件。通过对现场 数据的采集处理，以动画显示、报警处理、流程控制和报表输出等多种方式向用户提供解决实际 工程问题的方案，在自动化领域有着广泛的应用。查阅相关资料获知，到目前为止还没有公司或 个人开发下位机的组态软件。 1 4 本文的研究内容 本文研究的对象是微机保护实验装置组态软件，要解决的是如何通过微机保护实验装置组态 软件使学生掌握微机保护构成原理、微机保护硬件系统结构的设计和软件设计及微机保护算法分 析，将学生培养成电力系统运行、调试和专业的设计人才。因此微机保护实验装置组态软件要尽 可能包含多种保护、多种算法、测量、控制和通信等功能。 主要工作内容如下： ( 1 ) 针对高校微机保护实验教学需要的分析，提出了开发微机保护实验装置组态软件。借鉴 国内外组态软件的思想和微机保护装置的特点，构建微机保护实验装置组态软件框架。 ( 2 ) 利用面向对象的编程语言v i s u a lc + + 和大型商用数据库s q l s e r v e r 2 0 0 0 ，开发一个实用、 操作赫单、人机界面友好、通用性好、扩展性强的p c 机软件，p c 机软件用于设置各个功能模块的 参数，并提供通信接口。 ( 3 ) 以m o t o r o l a 公司m 0 6 8 h c 9 1 2 d g l 2 8 a 芯片作为m c u 的微机保护实验装置的下位机系统为 例，编制可适用不同硬件结构的微机保护实验装置软件，实现各种微机保护功能和算法。 ( 4 ) 通过模拟教学实验验证该实验装置组态软件的可行性。 4 第二章微机保护实验装置组态软件框架的建立 2 1 微机保护实验装置组态软件框架的建立 为了配台微机保护的教学工作，克服微机保护教学的抽象性，使学生能够生动地了解微机保 护的原理、硬件系统结构的设计及常用微机保护算法，本文提出了微机保护实验装置组态软件。 建立的组态软件框架要适合于不同的i v l c u 适合不同的硬件结构，即针对同一种类型的单片机， 尽管硬件设计不同，只要设置相应的参数就可实现需要的功能，另外针对不同类型的单片机，功 能模块可以直接调用而无需重新开发，这样在软件设计上不仅要包含尽可能多的功能模块，还要 考虑各个功能模块需要哪些参数等细节问题。本文从微机保护装置功能和硬件的外围芯片出发， 构建框架，将微机保护实验装置组态软件分为p c 机软件和单片机软件。整个系统结构可以用图2 一l 表示，其中：左边为p c 机，右边为微机保护实验装置和继电保护测试仪。继电保护测试仪用于输 入实验用的交流模拟量和频率。 图1 2 - - 1 系统结构圈 p c 机软件主要用于设置硬件控制系统的参数、算法选择及保护类型选择和保护整定值设定 等，另外还承担与微机保护实验装置的通信功能，有r s 2 3 2 通信接口和u s 瞰蓖信接口，可以发送 参数和接收保护实验参数并显示。p c 机软件功能模块结构如图2 2 所示。 图2 2p c 机软件功麓模块框图 根据高校微机保护实验教学的需要，单片机软件要实现模拟量输入功能、测量功能、开关量 输入功能、控制输出功能、保护功能、就地设萱和显示功能、通信功能。只有在p c 机软件上设置 硬件控制系统的参数和实验需要的参数，然后通过r s 2 3 2 通信或u s b 通信下传到微机保护实验装 置，才能运行单片机程序。其功能模块框图如图2 - 一3 所示。 r s 2 3 2 通信 i u s b 通信l _ _ 弋乡 就 地 f l a s h h , i 改 置 f l a s h 编程 翼薰 和 显 日i 图2 3 单片机软件功能模块框图 2 2 完成实验装置组态软件需要解决的关键问题 完成微机保护实验装置组态软件需要处理单片机程序的编译、在p c 机上设置的参数在单片机 中的存放、单片机的逻辑处理单元及内存空间不够等问题。 2 2 1 编译 计算机执行一个高级语言程序一般要分为两步：第一步，用一个编译程序把高级语言翻译成 机器语言：第二步，运行所得的机器语言程序求得运行结果。单片机程序要经过编译、连接生成 机器可识别的机器码才能运行。通常单片机自带有开发系统提供仿真器和编程器功能。如果每 个微机保护实验装置都要一套所选芯片的开发系统配合，显然成本很高，而如果自己开发一套适 合该实验装置组态软件的编译系统。显然在时间上是不允许的。另外，学生熟悉开发系统需要一 段时间，这样无法在较短的时间内完成实验任务。因此综合考虑各方面的因素，该实验装置组 态软件不提供开发系统，将所有能组态的功能模块程序编写完成后直接下载到微机保护实验装置 的存储器中。实验时只要通过简单形象的组态工作，即可实现所需的软件功能，而不需要编程。 只要在p c 机上设置各个功能模块的参数，然后通过r s 2 3 2 通信或u s b 通信传到下位机。 2 2 2 内部数据结构 通过对各个功能模块进行分析，运行单片机程序所需要的参数有2 0 7 个。本文根据功能模块 将所有的参数定义在1 5 个结构体中，各结构体详细定义见附录，各结构体按一定的顺序定义，如 图2 4 所示。实验对要将这些参数传到下位机，由于单片机的数据存储器r 螂用于存储变化的参数， 并且容量有限，所以要将这些参数写到单片机的s l a s h 可编程存储器中。由于c 语言中结构体在 内存组织上是顺序式的，结构体成员在内存中是连续存放的因此，只要结构体的首地址与这些 参数在f l a s h 存储器中的首地址一致，并且这些参数在f “峪h 中的存储顺序与结构体的顺序一 样。那么结构体成员就与这些参数一一对应这样单片机程序就能直接通过结构体调用这些参数。 p s t ra dc o n y 腿x l s t r s t 圈2 4 结构体内部存放顺序 2 2 3 内存管理 在c 语言中，根据变量值存在的时间角度，变量可以分为静态存储变量和动态存储变量，静 态存储方式是指在程序运行期间分配固定的存储空间的方式。而动态存储方式则是在程序运行期 间根据需要进行动态的分配存储空间的方式”。 本课题研究的组态软件框架要适合于不同的m c u ，适合不同的硬件结构，因此在编程上要充 分考虑各种可能，实现通用性。单片机的资源是相对比较宝贵的，所以要合理规划内存分配、中 断、定时器等。通常单片机开发都是针对特定的功能，程序的变量有限，所以一般内存空间足够 用。而本课题要实现微机保护实验装置的所有功能，又要满足通用性，所以需要的变量很多，如 果将所有的变量都采用静态存储方式，那么占用内存空间大，而r a m 存储器存储空间有限，所以 对那些随参数变化的变量采用动态内存分配方式，利用指针进行动态内存分配。利用函数m a l l o c 申请分配内存如果申请成功把分配到的内存首地址赋给相应的指针，当程序中不再需要由m a l l o c 分配的内存空间时，可以用f r e e 释放这些空间。 2 2 4 逻辑处理 单片机的功能有限，往往要加入大量的逻辑处理单元。微机保护实验装置要实现多种保护、 多种算法、测量、控制和通信等功能，并且要实现同一种类型的单片枫适合不同的硬件设计，各 个功能模块可适用不同类型的单片机，因此，需要大量的逻辑处理。现有的组态软件逻辑处理通 过开发脚本语言编辑环境来实现，但本课题主要用于高校微机保护实验教学，不提供下位机开发 环境，因此通过设置标志位来实现逻辑处理。 2 3 小结 本章讲述了微机保护实验装置组态软件的框架和完成实验装置组态软件需要解决的关键问 题。该实验装置组态软件主要分为p c 机软件和单片机软件。实验时，只要在p c 机上设置各个功能 模块的参数，然后通过r s 2 3 2 通信或u s b 通信传到微机暴护实验装置，无需提供硬件开发系统。 第三章微机保护实验装置组态软件的设计和开发 3 1 模块化设计方法 软件模块是与实现某一相对独立子功能相关的若干数据说明与程序段的有名集合”，典型的 模块可以是过程、函数、子程序、宏。模块化就是将软件系统划分为若干个模块，每个模块完成 一个相对独立的子功能，把这些模块集成起来构成一个整体，就可以完成指定的功能满足相应的 需求1 。 在软件开发过程中，人们发现如果一个火的软件仅由一个模块组成，它将根难被人所理解。 为了验证，由于其控制这一点，下面举例说明。 假设f ( x ) 为定义问题z 复杂程度的函数，m ( x ) 为确定解决问题x 需要的f j 作量( 时间) 的函 数，对于两个问题最和b ，如果f ( 毋) ) v ( e 2 ) ，显然村( 毋) m ( p 2 ) ，这说明一个问题越复杂，解 决它所需要的工作量就越大，所花费的时间越多。 另外根据人类解决一般问题的经验，如果把两个问题结合起来作为一个阀题来处理，其理解 复杂性大于将这两个问题分开考虑时的理解复杂性之和： f ( 日+ p 2 ) ，( e ) + f ( e 2 ) 同理，可得 ( 日+ 尸2 ) ，( 蜀) + m c b ) 因此，将一个复杂问题分解为若干容易求解的小问题，则原来的问题也就容易解决了。这就 是软件设计模块化的依据。 目前，模块化方法已为所有工程领域所接受。模块化设计有如下特点： ( 1 ) 各模块相对独立，功能单一，可混合编写，也可独立编写 ( 2 ) 可集体开发，缩短开发周期 ( 3 ) 开发出的模块，可在不同的应用程序中多次使用，减少重复劳动，提高开发效率 ( 4 ) 测试，更新以模块为单位进行而不会影响其他模块 本课题中p c 机软件和单片机软件都采用模块化设计方法，将软件分成各个功能模块。 3 2 单片机软件设计 单片机软件主要采用c 语言和汇编语言进行编写。单片机软件主要包括f l a s h 擦除模块、f l a s h 编程模块、a d 转换模块、开入量模块、控制输出模块、保护模块( 电流保护、距离保护和差动保 护) 、通信模块、就地设置和显示模块。 单片机软件程序流程如图3 1 所示。其中初始化模块由硬件初始化和软件初始化两部分组成， 硬件初始化主要是对单片机及其它相关芯片进行初始化；而软件初始化主要是对各种软件标志进 行初始化。 8 图3 1 单片机软件设计流程图 3 2 1f l a s h 编程模块 f l a s h 存储器，具有电擦除、可编程、非易失和高速特性“。f l a s h 只响应读操作，写操作 无效，写入过程必须通过编程实现。f l a s h 的写入和擦除必须通过单片机内部圪。提供编程。为 避免损坏t 应保持不低于p ，d d o 3 5 i i 。编程以字节或规则字为单位进行，f i a s h 模块只支持 整体页擦除。f l a s h 擦除程序流程图如图3 2 所示，f l a s h 编程程序流程图如图3 3 所示。注意在编 程时应关所有中断。 该模块主要将在p c 机上已设置的参数写到单片机相应的物理地址中，并且这些参数的地址与 定义的结构体在内存中的地址相对应，通过访问结构体成员变量来实现对参数的访问。 3 2 2 模拟量输入模块 由电力系统输入到继电保护装置的模拟信号主要有两类，一类是来自电压互感器( 或电流互 感器) 的交流电压( 或电流信号) ，另一类是来自分压器( 或分流器) 的直流电压( 或电流) 信 号。这些信号首先被转换到与微机相匹配的电平，通过模拟滤波器去其中的高频成分，然后由采 样保持环节将连续信号离散化8 “。 a f d 转按模块主要包含内部a d 和外部a d 两部分，内部a d 主要用于测量直流量，外部a d 主 要用于测量交流量。考虑到硬件接线的复杂性，本软件采用针对芯片的方法，即尽量包含尽可能 多的外部a d 转换器，那样可选择的余地大。本课题由于时间的关系，选择了广泛流行的m a x i m 9 中国农业大学硕士学位论文 第三章微机保护装置组态软件的设计和开发 公司的m a x l 9 7a d 转换器。如果需要，以后可以再嵌入其它a 皿转换器模块。m a x l 9 7 芯片是一 种多精程( 1 0 y ，5 v ，+ 1 0 v + 5 v ) ，+ 5 v 单电源供电的1 2 位8 路a d 转换芯片，其内部带有输出 缓存电路，输出方式为8 + 4 位并行总线输出。 微机保护实时性要求很高，算法比较复杂，本系统昂多9 个通道同时采样。为了获得准确的采 样值，该软件采用循环队列存放采样值。将顺序队列臆造为一个环状的空间，如图3 4 所示称之 为循环队列“。 图3 - 2f l a s h 擦除程序流程图 m a x s i z e l 图弘3f l a s h 编程程序流程图 图3 4 循环队列 口一循环趴列结构体 m a x s i z e 一虽大队列长度：r 骶r 一队尾允许插入元素：f r 佣t 一趴头，允许删除； m n _ 周踱采样点数；1 旷队列长度，l e n = n1 _ e a r - 0 f r o n t + i l l a x s i z e ) 帕x s i z e 当l e n m n + l ，装置正常运行时，将f r o n t 前移r a n 2 个点，即移半个周波，这样达到实时监控目 一l o 的；短路时，判断读取采样点数，启动元件启动，幅值计算完后，将f r o n t 前移( m a x s i z e 一1 ) 个点， 将队列清空，保证采样的准确性。该模块程序流程图如图3 5 所示。 固3 - 5k o 软件定时处理程序流程圈 3 2 3 开关量输入模块 开关量输入回路包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点输入，外部装置 闭锁重合闸触点输入，轻瓦斯和重瓦斯继电器接点输入，还包括装置上连接片等回路。开关量输 入的接口方式常用的有r r l 电平直接接口型和光电隔离型。 微机保护装置的开关量输入，即接点状态( 接通或断开) 可以分成以下两大类。 ( 1 ) 在装置面板上的接点。这类接点包括在装置调试时用的运行中定期检查装置用的键盘接 点以及切换装置工作方式用的转换开关等。 ( 2 ) 装置外部经过端子排引入装置的接点。例如需要由运行人员不打开装置外盖而在运行中 切换的各种压板，转换开关以及其他保护装置和操作继电器的接点等。 开关量输入读取方式主要分为软件查询方式和中断方式，用软件查询方式会带来一定的延时。 该模块中，查询方式预留1 0 个并行口可供选择，采用中断方式需要对中断口功能寄存器写控制字， 用户可以根据硬件的接线处理，可以选择输入方式中的一种或同时选择两种。 3 2 4 控制输出模块 开关量输出主要包括保护的跳闸出口以及本地和中央信号等，一般都采用并行接口的输出口 来控制有接点继电器，为提高抗干扰能力，也有经过一级光电隔离。开关量输出信号可归纳为两 种：电平和脉冲。该模块程序流程图如图3 6 所示。 f 志 蓝翟 选择驱动芯片ll 选择驱动芯片 时序处理， 继电器动作 ! 延时 ! 一 继电器返回 出口 时序处理， 继电器动作 茎塞堕! 墅 叫! 墅璺箜翌壁 + 出口 图3 6 控制输出模块程序流程围 3 2 5 保护模块 继电器返回 本软件实现基本的保护，含电流速断保护、限时电流速断保护、定时限过电流保护、反时限 过电流保护、方向性电流保护、距离保护和线路纵联差动保护。 1 微机保护的启动元件 所有微机继电保护装置中都设有启动元件。启动元件的动作表示故障的开始：只有启动元件 动作，保护才能出口；保护逻辑回路中一些时序回路的时间是由启动元件启动后开始计时的：主 要测量元件的延时是由测量元件本身启动后才开始计时的。有些测量元件也可以在启动元件启动 后才开始测量，这样该测量元件可以完全不受故障影响，但这将给测量元件的动作增加了启动元 件的启动时间。因此，启动元件应能快速、灵敏地反映各种类型的故障。加速启动元件的动作速 度，将有利于提高整组保护装置的动作速度”。 微机电流保护中一般采用两种方式作为启动元件：一是突变量启动方式，二是在电流超过过 流保护的整定值时启动保护程序。本系统中采用突变量启动方式作为主要启动元件，将第二种方 式作为辅助启动元件。 突变量元件在微机保护中实现起来特别方便，因为保护装置中的循环寄存区有一定记忆容量， 可以很方便地取得突变量。以电流为例，算法如下”1 ： a i ( n ) ；l f 0 ) 一f 0 一) i ( 3 1 ) 式中 f 加) 电流在某一时刻n 的采样值； n 一个周期内的采样点数： o 一) 比f o ) 前一个周期的采样值； 茁m ) n 时刻电流的突变量。 当系统正常运行时，负荷电流是稳定的，或者说负荷虽然时时有变化。但不会在一个周期这 样短的时间内突然发生很大变化，因此这时f o ) 和f 0 一) 应当相等接近，突变量f 0 ) 等于或近 似等于零。如果在某一时刻发生短路故障，故障相电流突然增大，将有突变量电流产生。按式( 3 - 1 ) 中国农业大学硕士学位论文第三章微机保护装置组态软件的设计和开发 计算得到的a i ( n ) 实质是用叠加原理分析短路电流时的故障分量电流负荷分量被减去了。显然突 变量仅在短路故障发生后第一周期内存在，即a i ( n ) 的输出在故障后持续一个周期。 但是按式( 3 - 1 ) 计算存在不足，系统正常运行时f m ) 应无输出，即a i ( n ) 应为0 ，但如果电网 的频率偏离5 0 h z ，就会产生不平衡电流。因为f 研) 和i ( n n ) 的采样时刻相差一个周期电网频 率变化后，j o ) 和i ( n j v ) 对应电流波形的电角度不再相等，二者具有一定的差值而产生不平衡 电流，特别是负荷电流较大时，不平衡电流较大可能引起该元件的误动作。为了消除由于电网频 率的波动引起不平衡电流，本系统突变量按下式计算： a i 0 ) 一啦0 ) 一i 一j v ) i 一| f 0 一) 一i 忉一2 n ) i f ( 3 - 2 ) 用式( 3 2 ) 计算突变量不仅可以补偿频率偏离产生的不平衡电流，还可以减弱由于系统静稳定 破坏而引起的不平衡电流，只有在振荡周删很小时才会出现较大不平衡电流，保证了静稳定破 坏检测元件可靠地先动作。 本系统中各相电流取三相电流，三个突变量元件构成“或”的逻辑，为了防止由于干扰引起 的突变量元件误动，取突变量连续动作3 次后才允许起动保护，其逻辑图见图3 7 所示。 图3 7 保护启动元件逻辑框图 2 保护整定原则 ( 1 ) 电流保护 电流保护实验可以实现三段式保护。短路保护是电力系统安全运行中最重要的保护，它主要采 用电流速断保护方式( 电流i 段) 来实现。当输入电流( a 、c 两相或a 、b 、c 三相) 中任何一相的 幅值大于整定值，速断保护动作使断路器跳闸，切断事故回路并启动报警回路，发出声光报警信 号。由于有选择性的电流速断不能保护本线路的全长，因此可考虑增加一段新的保护，用来切除 本线路上速断范围以外的故障，同时也能作为速断的后备，这就是限时电流速断保护( 电流i i 段) 。 它的保护范围不超出下一条线路速断保护的范围，而动作时限则比下一条线路的速断保护高出一 中国农业大学硕士学位论文第二三章微机保护装置组态软件的设计和开发 个时间阶段。线路过载保护分为定时限过流保护( 电流i i i 段) 和反时限过流保护。其中，定时限过 流保护指其起动电流按躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。它在正常运行时不应该起动， 而在电网发生故障时，则能反应干电流的增大而动作，在一般情况。卜，它不仅能够保护本线路的 全氏，而且也能保护相邻线路的全长以起到后备保护的作用：反时限过流保护有三种模式可供选 择。当输入电流( a 、c 两相或a 、b 、c 三相) 中任何一相的幅值大于反时限电流保护启动值时， 保护装置按选定的反时限曲线方程动作，时限特性如图3 8 所示，反时限曲线方程为”： 一般反时限：r2 石精门， 非常反时限：r2 鼎 极端反时限：t2 赤 ( 3 - 4 ) ( 3 5 ) 其中：k j 为继电器的起动电流，i 为流入继电器的电流，k 为时间整定系数，t 为动作时间。 图3 8 时限特性 随着电力工业的发展和用户对供电可靠性要求的提高，现代的电力系统实际上都是由很多电 源组成的复杂网络“1 ，因此需要采用方向性的电流保护，利用判别短路功率的方向或电流、电压 之间的相位关系来判别发生故障的方向，本软件采用的功率方向继电器主要反应于加入继电器中 电流和电压之间的相位而工作，动作方程： 其中：u ，为测量电压，为测量电流，妒，为测量相角，口为功率方向继电器的内角。 ( 2 ) 距离保护 距离保护是反应被保护线路故障前后测量阻抗的突变，是测量阻抗与整定阻抗进行比较。当 测量阻抗小于整定阻抗时，保护动作，否则保护不动作。距离i 段是零秒动作，为保证保护动作的 选择性，其保护范围不能向下条线路延伸，考虑到各种测量误差及可靠系数，距离i 段保护只保 护被保护线路全长的8 5 。保护被保护线路的全长且保证灵敏度，不可避免地将保护范围向下一 条线路延伸，距离i i 段整定阻抗按躲下一条线路的距离i 段来整定，即保护范围不超过下一条线路 的距离i 段范围。距离i i i 段作为本线路及下一条线路的后备保护，攘定阻抗按小于最小负荷阻抗 进行整定，在最大负荷运行时，保护不应动作。为保证动作的选择性，其动作时间应比下一条线 路的距离i i 段保护动作时限长一个时限阶段血，所以整定阻抗是按故障切除后，电动机启动时， 继电器能返回整定“。 本课题采用具有圆及直线动作特性的阻抗继电器：全阻抗继电器、方向阻抗继电器和偏移特 性阻抗继电器。 1 4 全阻抗继电器的动作方程： i z ，ls l z 。 其中：z j 为测量阻抗，z “为整定阻抗 方向阻抗继电器的动作方程： f d ，一三2 ，c ，一a ，i 丢，c ，+ a ，z 。 其中：u 为测量电压i j 为测量电流，z ：d 为整定阻抗，口为系数，此时a = 0 偏移特性阻抗继电器的动作方程： i d ，一三2 j ，( 1 一a s i 丢，( 1 + a ) z 。 ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 其中：u ，为测量电压，为测量电流，z ，。为整定阻抗，口为系数此时c t = o 1 。o 2 ( 3 ) 差动保护 本软件采用的是输电线的纵联保护，就是用某种通信通道( 简称通道) 将输电线两端的保护装 置纵向联结起来，将各端的电气量( 电流、功率的方向等) 传送到对端，将两端的电气量比较，以 判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切断被保护线路。因此，理论上这种 纵联保护具有绝对的选择性。流入继电器的电流： ，。1 + j 2 ，t = 口，b ，c ( 3 - 1 0 ) 由于受到实验条件的限制，本实验中f i q l a l 和l a 2 ，或i b l 和i b 2 ，或l c l 和i c 2 进行模拟其中一相线 路两端的电流。所以为了更好的做实验，要注意接线和测试仪的输出量。 3 保护部分软件设计 保护的软件程序主要包括以下几部分：主程序、数据采集、计算、控制输出、软件定时处理 等，完成保护跳闸、事件记录等功能，其程序流程图如图3 9 所示。 图3 - 9 保护部分软件程序流程囤 3 2 6 通信模块 不同的独立系统经由线路互相交换数据，便是通信“。通信模块是联系p c 机和微机保护实验 装置的信息枢纽，承担保护装置参数的下载和命令的上传、下发的重要任务，本组态软件主要有 r s 2 3 2 和u s b 两种通信方式。 1r s 2 3 2 r s 2 3 2 是最通用的一种连接方法。但是它支持数据传输速率最大为1 0 2 0 k b s ，对于一般的数 据采集和控制系统而言显得有些慢。本软件采用中断接收和查询发送的方式，通信程序流程图如 图3 1 0 所示。 1 6 图3 1 0 通信横块程序流程图 2u s b u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 是一种通用串行总线，是近年来应用在p c 领域的新型接口技术， 是一些p c 大厂商，如m i c r o s o f t 、i n t e l 等为了解决日益增加的p c # l , 设与有限的主板插槽和端口之间 的矛盾而制定的一种串行通信的标准。传输速率从几k b s 至几m b s ，总线支持同步和异步传输方式， 支持1 2 7 个外围设备，支持热插拔，支持即插即用，并且总线本身可以提供用户系统电源。信号传 输采用差分方式，可以抑制比较强的共模干扰。 u s b 具有很大的发展前途。在未来的计算机上，可能不再提供r s 2 3 2 串口，可能不再提供并口， 但绝对不可能没有u s b 接口。u s b 的使用不像并口那样简洁，它必须要有专用的接口芯片的支持才 能用在系统中“。u s b 控制器一般有两种类型：一种是删集成在芯片里面的，如i n t e l 的8 x 9 3 0 a x 、 c y p r e s s 的e z - u s b 、s i e m e n s 的c 5 4 1 u 以及m o t o l o r a 、n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r s 等公司的产 品；另一种就是纯粹的u s b 接口芯片仅处理u s b 通信，如p h i l i p s 的p d i u s b d l l ( 1 2 c 接口) 、 p d i u s b p l l a 、p d i u s b d l 2 ( 并行接口) 等。前一种由于开发时需要单独的开发系统，冈此开发 成本较高；而后一种只是一个芯片与m c u 接口实现u s b 通信功能，因此成本较低，而且可靠性高。 u s b 总线的发展至今经历了3 个主要的阶段：u s b1 1 、u s b2 0 和u s bo t g 。本软件主要嵌 入u s b1 1 协议并以p h i l i p s 公司的u s b 接口芯片p d i u s b d l 2 为例。p d i u s b d l 2 是p h i l i p s 在u s b 1 。l 协议设备端使用晟多的芯片之一1 ，是一个性能优化的u s b 器件，通常用于基于微控制器的系 统并与微控制器通过高速通用并行接口进行通信，也支持本地d 姒传输。该器件采用模块化的方法 实现一个u s b 接口，允许在众多可用的微控制器中选择最合适的作为系统微控制器，允许使用现存 的体系结构并使固件投资减到最小。这种灵活性减少了开发时间、风险和成本，是开发低成本且 高效的o s b # f 围设备解决方案的一种最快途径。 该模块主耍包括主循环程序、硬件提取层、p d i u s b d l 2 命令接口、中断服务程序、厂商请求 处理程序和标准请求处理程序。主循环程序主要用于发送u s b 请求、处理u s b 总线事件和用户功能 处理等，硬件提取层用于对单片机的i o t a 、数据总线等硬件接口进行操作，p d i u s b d l 2 命令接口 用于对p d i u s b d l 2 器件进行探作的模块子程序集标准请求处理程序用于对u s b 的标准设备请求 进行处理，厂商请求处理程序用于对用户添加的厂商请求进行处理，中断服务程序用于处理当 p d i u s b d l 2 向单片机发出中断请求时，读取p d i u s b d l 2 的中断传输来的数据，并设定事件标志和 中国农业大学硕士学位论文 第三章微机保护装置组态软件的设计和开发 数据缓冲区传输给主循环。u s b 固件结构币i 数据流向如图3 - 1 1 所示，中断服务程序流程图如图3 一1 2