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基于d s p 技术的新型电力系统动态记录前置机的研究 摘要 能否准确及时地启动是判断电力系统动态录波装置工作性能的重要标准，要 能够实现这一点，关键在于开发录波装置时采用的启动算法能否准确检测出故障 情况。而装置性能的优劣，不单单取决于算法原理的采用是否合理，也取决于装 置本身硬件性能的好坏。本文所作工作的主要意义在于：探索最优的启动算法并 将其用较为先进硬件来实现，从而开发出性能优良的新型录波设备。 本文简要介绍了当前电力系统故障录波装置的应用及发展情况，分析比较了 各种装置的优缺点。针对老式录波装置的不足，本课题组开发了基于d s p 技术的 新型电力系统动态故障录波设备，本文主要介绍了该录波装置的技术特点，硬件 配置，软件功能及程序流程。 d s p 芯片是专用于数字处理的微处理器，具有极为快速的指令执行速度，良 好的并行操作能力，强大的专用数字处理指令系统。用d s p 开发的录波设备能大 大提高各方面的性能，满足后台设备对数据分析日渐提高的要求。 本文充分研究了录波启动算法，依据录波装置启动的技术要求，找出了其中 适宜本录波装置采用的算法并将其应用在装置的开发中。实现了突变量启动，有 效值启动，频率越限启动，振荡启动等多种判据启动功能，保证录波装置能够准 确及时地判断并记录故障数据。 论文还介绍了录波装置前台机的软件开发部分，详细介绍了软件的两大主要 模块一启动判断模块和数据传送模块的实现方法，介绍了编程思路并给出了主要 部分的程序流程图。 关键字：故障录波，d s p 技术，启动算法，故障分析 论文类型：生产应用 r e s e a r c ho nt h ed e v eio p m e n to fp r e p o sit im ee q ui p m e n to f n e w s t y l ee l e c t r i cp o w e rs y s t e md y n a m i cf a u i t r e c o r d e r a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eu t i l i z a t i o na n dd e v e l o p m e n tc o n d i t i o no f f a u ltr e c o r d e r ，a n a l y s e st h ed e f e c t so fv a r i o u st y p e so ff a u ltr e c o r d e r s w h i c h b e i n gu s e d i n m a n y o f c h i n a st r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n s m o r e s o p h i s t i c a t e dt e c h n o l o g yb a s e do nd s pc h i pi se m p l o y e d i nt h en e wt y p e o ff a u i tr e c o r d e rd e v e l o p e db ya u t h o ra n dh i s c o l l e a g u e s ，s om a n yo f s h o r t c o m i n g sc a nb eg o tr i do f t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ec h a r a c t e r i s t i c so fn e w t y p e m i c r o p r o c e s s o r d s p a r ea l s o d i s c u s s e d ，b e c a u s et h e y h a v et h ed i r e c t r e l a t i o n s h i pw i t ht h ei m p r o v e m e n to fo u r n e wt y p ef a u l t r e c o r d e r 。t h e h a r d w a r e c o n f i g u r e a n d s i g n a lf l o w i n g o ft h i s n e wd e v i c ea r ea l s o r e f e r r e d i nt h ef o u r t h c h a p t e r ，t h er e g u l a t i o n o fs t a r t i n gf a u i tr e c o r d p r e s c r i b e db ye l e c t r i cp o w e rm i n i s t r yi si n t r o d u c e d t h o r o u g h l ys t u d y i n g o nt h ea l g o r i t h mo fs t a r t i n gh a sb e e nm a d ei nt h ef i f t hc h a p t e r ，a n d f i g u r e so u tt h o s ea l g o r i t h m st h a tc a nb ea p p l l e di nt h ed e v e l o p i n go ft h i s n e wt y p ef a u ltr e c o r d e r i nt h el a s tc h a p t e r ，t h i sp a p e rd i s c u s s e st h ed e v e l o p i n go fs o f t w a r e i nd e t a i l d e s c r i b e st h ec o n s t r u t i o no fp r o g r a ma n df u n c t i o no fp r o g r a m m o d u l e s t h ef l o wc h a r t so fs e v e r a lm a i nm o d u l e so ft h i sp r o g r a ma r ea l s o g iy e n k e yw o r d s ：f a u l tr e c o r d ，d s pt e c h n o l o g y ，s t a r t i n ga l g o r i t h m f a u l ta n a l y s i s p a p e rt y p e ：a p p l i c a t i o nf o rp r o d u c t i o n 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：召勰 日期：2 0 0 3 年2 月1 6 日 篓塑篓墼些堡些垂塑垒堡墼塑墼坠。 1 1 引言 第一章绪论 在一个大的电力系统中，很多发电厂和变电站通过线路联接起来。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，还需要尽快查明事故原因甚 至确定故障发生的地理范围以便采取适当的措施予以解决。为了得到事故时的可 靠的直接数据，必须有能够及时记录系统信息的设备一故障录波仪。 电力系统的故障录波仪是常年投入监视电力系统运行状况的一种自动记录 装置。它可以记录因短路故障、系统振荡、频率崩溃、电压崩溃等大扰动引起的 系统电流、系统电压及其导出量，如系统频率、有功、无功的全过程变化现象， 同时还【己录继电保护与安全自动装置的动作行为。性能优良的故障录波仪对保证 电力系统的安全可靠运行具有非常重要的作用。进入8 0 年代后，微机故障录波 仪在电力系统中得到了广泛的应用，录波器的故障记录已经成为分析事故发生原 因，帮助寻找故障点，迅速处理事故，特别是分析继电保护动作行为的依据。目 前它己成为电力系统自动化及系统管理的重要组成部分。 1 2 故障录波仪在电力系统中的重要作用 l 、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，继电保护装黉有时会出现拒动或误动的情况。仅凭 保护装簧的信号表示，有时并不能正确评价继电保护和自动装置的工作。有了故 障录波仪，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 装鼹的工作。 2 、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 第一章绪论 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 线是极其困难和艰苦的。同时，这样做的效率也很低。而利用故障录波数掘，录 波装簧可通过软件判明故障线路、类型。较准确地计算出故障地点，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。 3 、发现继电保护和自动装置的缺陷，便于改进和完善装置。 超高压线路上装设的继电保护和自动装置在设计安装上，仍可能有不合理或 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。 4 、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。 5 、记录电力系统的振荡过程。 6 、提供转换性故障和非全相运行时再故障的资料。 因此可见，故障录波仪对保证电力系统的安全运行是十分重要的。 l 。3 电力系统动态故障录波仪的现状和发展 电力系统故障录波装置目前已经是电力系统自动化和管理的一个不可或缺 的重要设备，实现故障录波的手段多种多样，总的来说可以描述如下： 1 在发电厂、变电站内采用专门的集中式故障录波器，采集重要的电压、 电流、继电保护和安全自动装置的动作触点、断路器辅助触点以及通信通道信号 等的波形，用于分析发电机或输电网异常和故障，并将波形和初步分析结果上送 到上级调度的远方录波主站进一步处理。集中式故障录波器在电力系统中的应用 已经比较成熟，随着微机继电保护装置研究的深入，启动判据已经可以满足高压 输电系统绝大部分情况下的启动要求。但是集中式故障录波装置存在着一些固有 的缺陷，特别是在故障录波数据的同步采集和动态存储方面无法满足现代电力系 统故障分析的要求。 基于d s p 技术的新型电力系统动态记录前置机的研究 2 微机继电保护装置兼有故障录波功能，将保护动作前后一段时间内的相 关电参数波形录制下来，传送给当她录波主站( 一般由综合自动化系统兼任) ， 用于分析2 2 0 k v 及以下馈线故障。该方法不能同步记录被保护线路或设备以外 的其他线路或设备电参数的波形，录波数据的采样频率往往较低，而且录波时间 通常较短，因此并不满足国家标准的要求，不能用于发电机或输电网的故障录波。 3 随着电力系统自动化技术光纤化、网络化的发展趋势，故障录波系统( 或 装置) 与其他电力系统自动化设备( 或装置) 一样必须适应这种发展的趋势，因 此近年来出现了基于网络技术的电力系统分散式故障录波系统。该系统的录波采 集单元分布于各个电气间隔或各个变电站，它们和故障分析单元通过通信网络连 接成一个有机的整体，共同完成电力系统或其中一部分的故障录波与分析功能。 分散式故障录波系统充分利用现代通信和计算机网络技术，实现了各个厂站的各 个录波采集和分析单元的数据共享及相互的协调控制，通过运用相同的通信接口 和数弼传输格式，甚至可以实现故障录波系统与微机保护和自动化监控装置的互 联。故障录波系统的分散式结构，充分发挥了录波数据在电力系统故障分析和自 动监控方面的作用。分散式结构同时还克服了以往集中式故障录波系统存在的诸 多问题，是目前故障录波技术发展的方向。 1 4 当前电力系统故障录波装置存在的问题 目f i ；j l 习内有众多大专院校、研究院、生产厂家都致力于故障录波装置的开发 与生产，并陆续研制和开发了从机电式、集成电路式到微机式的多种故障录波装 罱。但是从现场运行的情况来看，录波装置的功能与实际效果并不能令人满意， 同国外的产品还存在明显的差距。1 9 9 5 年，原电力工业部电力设备及仪表质量 检测中心，曾经对挂网运行过的国产微机故障录波及故障测距装置进行全面测试 和分析，反映出来的问题很严峻，全部技术指标合格的产品极少。 其中，国产故障录波装置在应用当中，主要存在以下的几个问题“”： 1 ) 大多数故障录波器的采样频率多为每周z o 点，甚至更低。显然不适应高速故 障记录的要求。 2 ) 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 第一章绪论 多次启动时，不可避免地造成数据丢失。 3 ) 硬件配置不合理，一般采用单片机完成数据的采集、计算和判断，而国外普 遍采用专用的d s p 芯片。 4 ) 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l 到后彳 进行，不能满足于实时性要求。 5 ) 尚需解决统一时钟问题。 6 ) 在信息远传方面不够完善。首先，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。其次，数据远传技术不完善，表现在远传成功率不高； 没有区别远传信息和本地信息，远传信息量过大，远传效率降低：调度端远传操 作过于复杂；远传的容错纠错功能不强，有时反复多次联机才能成功。另外，远 传通道不理想。 7 ) i 坟障录波器所带的故障测距功能及算法单一，普遍存在敌障定位严重不准的 问题。 8 ) 系统容量小。受到系统本身结构的限制，无论模拟量的输入、开关量的输入、 还是故障数据存储容量，其冗余度小，不利于升级和增容。 9 ) 山于技术方面的原因，故障录波器部分配件的选配质量不过关，经常出现一 些意想不到的问题。据统计，占录波器现场故障的7 0 。 国外产品的性能和质量上较高，但针对国内运行的实际情况仍然存在着以下的几 个问题： 1 0 ) 国外产品的价格太高，使得在变电站中的普遍安装存在一定的经济问题。 1 1 ) 国外故障录波系统除前鼍录波器外，还要配置专门的故障分析软件，构建独 立的录波网，投姿大，技术要求高，不适合目前仍以集中组屏式结构为主，网络 功能不健全的变电站系统。 1 5 本文作者所作工作及意义 为了利用当前的最新技术发展来解决上述录波装置存在的问题，我们研制了 j , t ii ) s i ，的分敞式故障录波系统。搬个系统可以分为数据采集和处理部分以及后 垡耋坚些塑坠垫型塑墼塑墼塑堡一一 台数据处理部分。数据采集和处理部分( 简称前台机) 完成数据采集，启动判断 以及和后台处理部分( 简称后台机) 之间的数据传送，后台机完成数据存储，数 据分析等工作。本人负责前台机部分的研制工作。 故障录波仪能否有效工作，一个关键的问题就是设备是能否正确启动以及启 动后记录的数据能否正确地传递到上位机中。而这一切又取决于前台机软硬件功 能的好坏，取决于采用的算法及其软件实现。 前台机的软件部分工作主要分两大部分： 1 ) 研究故障录波的启动算法，采用其中精度高，稳定性好，响应快的应用 在录波仪中。 2 ) 设计前台机的数据存储方式以及前台机和后台机间的通信方式。 3 ) 对上述部分的软件实现。 第二章装置的硬件构成及配置 整个录波系统的硬件采用模块化插件结构，模板之间通过可靠的并行总线互 联。该系统具有较好的通用性和可扩展性，能够满足对电力系统故障录波系统等 微机装置在现场运行的高可靠性和高性能的要求，是一个非常适合在电力系统中 应用的工控平台。这套系统分为三个部分，包括后台控制分析主站、前置数据采 集单元和辅助变换器箱三大部分。 2 1 后台控制分析主站的硬件构成 装置后台控制分析主站的硬件结构如图2 1 所示。 以太喇 图2 - 1 后台控制分析主站结构示意图 本装置采用分散式的组织结构形式。后台分析控制主机选用了一块高集成化 的4 8 6 或5 8 6 0 p u 板，可根据不同的应用场合和配置要求进行选择。以4 8 6 c p u 板 为例，该板集成了工控机几乎所有的系统功能。模板上有2 个总线插座，同时支 持16 位的a t 9 6 总线和3 2 位的c o m p a c t p c i 总线，总线通过针孔连接器连接。 c p u 主频为1 3 3 m h z ，1 m b 的fj a s h 电子盘可用于用户应用程序的保存，并可通过 基于d s p 技术的新型电力系统动态记录前置机的研究 硬件实现保护，确保应用程序的安全。一片4 k b 的e e p r o m 用于存放各类定值， 内存为3 2 1 b 。对于有特殊要求的现场运行环境，可采用新一代高性能的 dis k o n c hip 2 0 0 0 单片电子盘替代常规的机械式硬盘，借助高速本地总线ld e 控 制器，可使数据传输速率超过1 1 9 b s ，保证了记录数据快速、可靠的保存。该 板除2 个经光电隔离的标准r s 2 3 2 4 8 5 串行接口外，还配置有一个1 6 位e t h e r n e t 接口，以实现与外部网络通信连接 2 2 前置高速数据采集单元的硬件构成 图2 2 为前置高速数据采集单元硬件结构配置图。 接c t 、p t 二次徊信号 接c t 、p t 二次但4 信号 变i u 站 开关量输出 开关量 图2 2 前置高速数据采集单元硬件结构图 本课题在录波采集单元的配置设计中，采用多块智能d s pa d 采集板并联运 行的方案。该板能独立实现3 2 路模拟量的同步采集、高速转换及相关的各种运 算，以1 6 位数字量输出。该板采用d s p 芯片作为智能元件，可以独立完成a d 采集及数据处理。主c p u 通过1 6 位双口r a m 芯片可随时读取采集和运算结果。 本板采用数字地与模拟地一点短接以获取最高的转换精度。板内带有d c d c 模 块，输出5 v 给 d 和运放部分供电。本录波装置的标准配置为3 块d s p 板， 共9 6 模拟量采集通道，单台录波装置的最大配置为4 块d s p 板， 2 8 路模拟量 第二章装置的硬件配置 采集通道。开关量输入通道为6 4 或1 2 8 路( 两块i o 板) ，开关量输出6 4 路。 图2 - 3 为d s p 板的设计框图。 图2 - 3d s p 智能a d 采集板的原理框图 d s p 数据采集板的主要特点及技术指标为 1 、d s p 处理器：使用美国t i 公司的浮点运算d s p 芯片t m s 3 2 0 v c 3 3 1 2 0 ，该 d s p 特点的特点为： 高性能静态c m o s 技术 内含t m s 3 2 0 c 3 xc p u 内核 指令周期1 7 n s ( 3 3 v ，1 2 0 m h z ) 1 4 4 一p i n 表面贴装 四个外部中断 t m s 3 2 0 v c 3 3 内含存储器 一3 4 k x 3 2 b i t 片内d a r a m 一6 4 x 3 2 指令c a c h e - t m s 3 2 0 v c 3 3 外围器件 一2 个3 2 - b i t 定时器 一1 个d m a 控制器 基于d s p 技术的新型电力系统动态记录前置机的研究 一同步串口支持8 1 6 2 4 3 2 - b i t 数据传送 4 0 3 2 b i t 浮点整数乘法器及a l u 8 个以4 0 一b i t 扩展精度寄存器为基础的a c c 8 个辅助寄存器和2 个辅助寄存器计算单元 j t a g 接口 1 8 v ( 核心) 和3 3 v ( i o ) 供电 t m s 3 2 0 v c 3 3 d s p 片内的3 4 k 字为双存储r a m ( d a r a m ) ，即在一个指 令周期内可以进行两次读写操作，片外存储器都为单存储r a m ( s a r a m ) 2 、板内存储器：只读存储器( 程序)1 2 8 k x 8 b i te p r o m 定值存储器8 k b 串行e e p r o m 双口蝴存储器2 k x l 6 b i t 双口r a m 静态r a m 存储器 lm x 8 b i ts r a m 3 、主c p u 和d s p 可以相互提出中断请求，握手信号方便灵活。 4 、具有看门狗功能，刷新时间为1 5 0 m s ，6 0 0 m s ，1 2 0 0 m s ，通过跳线选择。 5 、板内带有d c - d c ，用户需提供+ 5 v 和1 5 v 电源。 6 、a d 转换器：l t c l 6 0 8 a 分辨率：1 6 b i t 输出码制：二进制补码。 单通道转换时间：1 5 - t s 7 、通道数：单端3 2 路。 8 、模拟信号输入量程：+ 5 v 。 9 、板上具有m 型滤波电路。 1 0 、单通道采集频率：5 0 0 k h z 多通道同步采集频率：3 3 0 k 通道数( 1 2 位精度，建立时间为3 u s ) 2 0 0 k 通道数( 1 6 位精度建立时间为5 u s ) 1 1 、误差：o 0 0 5 f s r 1 2 、电源功耗：3 4 0 m a + 5 v 1 4 0 m a + 1 5 v 1 4 0 m a 一1 5 v 1 3 、总线接口：符合a p c i 总线标准 1 4 、环境条件：工作温度：一0 5 5 c 储存运输温度：2 0 8 0 c 环境相对湿度：4 0 , - - - 9 0 2 3 模拟量变换器箱的硬件构成 模拟量变换箱结构可图示如下 t a t v 变换箱 白曲 d s p 智 能 lli 数 据 一嚣 ；各模拟量变换 采 白白 集 茧 兀 l1i 图2 4 录波装置模拟量变换箱输入回路原理图 输入装置的各模拟量信号首先要经过模拟量变换器箱进行隔离变换。模拟量 输入原理框图如图2 - 4 所示。 由电流互感器c t 、电压互感器p t 二次侧得到的交流电流、电压信号采用高 精度隔离变换器作为变换器件，通过调整隔离变换器副边的电阻可满足不同测量 范围的要求【2 6 1 。 第三章dsp 的应用 3 1 引言 在电力系统继电保护和监控装置中，软件的核心工作就是对采集到的各种数 据进行分析和处理然后作出响应。所以，装置的发展是和计算机和信息技术的发 展以及数字信号处理技术的发展紧密相随的。 目前，在电力系统中得到应用的各种装置中，数字信号处理的实现方法主要 有： 1在通用的计算机( 如p c 机) 上用软件( 如c 语言) 实现 2 在通用的单片机中实现 3 用通用的d s p 芯片实现 第一种方法速度较慢，一般只能用于离线分析和开发前对算法的仿真。第二 种方法限于单片机的处理速度，只能用于实现较为简单的数字信号处理。 实际上，数字信号处理技术理论的发展超前于其实现手段的发展，它的实际 应用也一直受到实现手段的限制。直到20 世纪80 年代初，第一片d s p 芯片 诞生后，数字信号处理理论才能够广泛地应用在低成本的系统中，从而推动包括 电力系统自动装置在内的计算机控制设备的飞速发展。 在电力系统自动装置的发展中，同样也经历了这么一个过程。从早期的普通 电子线路的逻辑控制装置到随后的采用单片微机的装置再到目前应用数字处理 专用芯片d s p 的装置成为主流，电力系统自动装置的硬件能力不断提高，在这 些装置中得到应用的新的数字技术，新的算法也越来越多。应用d s p 开发的装 置具有接口方便，编程方便，稳定性好，精度高，相对于模拟系统来说可重复性 好等特点。 基于上述原因，我们开发的分散式电力系统故障录波装置也采用了d s p 作 为前台机的核心。 3 2d s p 芯片及d s p 系统 第三章d s p 的应用 3 2 1d s p 芯片 d s p 芯片也称数字信号处理器。是一种特别适用于数字信号处理运算的微处 理器芯片，其主要应用是实时快速地进行数字处理算法的运算。根据数字信号处 理的要求，d s p 芯片一般具有如下特性： ( 1 ) 在一个指令周期内完成一次乘法和一次加法： ( 2 ) 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； ( 3 ) 片内具有快速r a m ，通常可以通过独立的数据总线同时实现对两块内 存进行访问； ( 4 ) 具有低开销或无开销循环跳转的硬件支持； ( 5 ) 快速的中断处理和硬件y o 支持； ( 6 ) 具有在单周期内操作的多个硬件地址发生器； ( 7 ) 可以并行多个操作； 支持流水线操作，使取指，译码，取数据和执行等操作重叠执行。 3 2 2d s p 系统 一个d s p 系统至少应该包含滤波，a d ，d s p 芯片等三大部分，根据需要 还可以包含d a ，平滑滤波等部分。以d s p 为中心处理器的系统由于本身构建 的目的就是用于数字信号处理，因而具有数字设备相对模拟设备的一切优势。大 体来说其优点有： ( 1 ) 接口方便 可以很容易地和其他计算机设备接口，方便了数字系统的设计： ( z ) 编程方便 可用低级语言进行编程也可用高级语言如c 编程，开发和升级都比较方便。 ( 3 ) 稳定性好 数字系统不容易受环境温度和噪声等外部因素干扰。 3 3 t m s 3 2 0 v c 3 3 的基本结构和特征 t m s 3 2 0 v c 3 3 是t m s 3 2 0 c 3 x 家族最新的成员，是32 位的浮点d s p ，代 号中的v c 代表低压cm 0s 。它的内部总线和独特的数字信号处理指令集使它 的运算速度最快达到了每秒完成15o 兆次浮点运算( 15 om f l o p s ) ，本装 置使用的t m s 3 2 0 v c 3 3 1 2 0 运算速度也达到1 2om f l o p s 。t m s 3 2 0 v c 3 3 通 过用硬件执行其他处理器用软件或微指令执行的函数优化了运算速度，从而提升 了芯片的性能。 3 3 1 硬件资源 t m s 3 2 0 v c 3 3 可以在一个指令周期中对定点数或浮点数并行完成次乘法 和算术逻辑运算。每个处理器都具有一个通用寄存器文件，一个程序指令缓存， 专用的辅助寄存器算术单元，内部双向内存，一个d m a 通道。 分开的程序总线、数据总线使得取指、读写数据和d m a 操作可以并行进行； 指令缓存用来存储经常使用的代码块，大大减小片外访问的次数，提高程序运行 速度：扩大的地址空阃，可从内部和外部产生的等待状态，多处理器接口和外部 接口增强了芯片的通用性能。 和t m s 3 2 0 c x 系列的其他成员相比，t m s 3 2 0 v c 3 3 还具有超大的内部双向 静态内存。c 3 0 和c 3 1 有2 k 字的内部r a m ，而v c 3 3 具有高达34 k 字的r a m 。 这一项改进使无论是系统的运行速度还是开发的方便程度都得到很大提高。 3 3 2 软件资源 t m s 3 2 0 c x 家族d s p 具有非常丰富的特别适合于数字信号处理的指令集。 所有的指令占一个机器字长，大部分指令都是单周期的，而t m s 3 2 0 v c 3 3 1 2 0 的指令周期仅为17ns 。 t m s 3 2 0 c x 高性能特性的另一个方面是它完善的流水线操作，由5 个功能 单元控制t m s 3 2 0 c x 的操作：取值，译码，读操作数，执行和d m a ，流水线操 作可以完全重叠，极大地提赢了指令执行的效率。 t m s 3 2 0 c x 提供相当灵活的程序控制，包括重复、跳转、调用、陷阱和返 回等。重复方式可以实现无开销循环，而跳转指令则包含了标准跳转和延迟跳转， 充分利用了芯片完善的流水线操作的优势。 t m s 3 2 0 c x 的另一个特点是具有非常多样化的寻址方式。它支持5 类6 种 第三章d s p 的_ 应用 寻址方式：5 类包括通用寻址方式三操作数寻址方式 并行寻址方式长立 即数寻址方式跳转寻址方式：6 种寻址方式包括；寄存器寻址直接寻址 间接寻址短立即数寻址长立即数寻址相对寻址。此外，t m s 3 2 0 c x 还有 两种为数字信号处理专门设置的非常有用的寻址方式：是圆周寻址方式，主要 用于卷积和相关等运算中存储器循环缓冲；另一种是反比特寻址，主要用于f f t 运算。 3 4d s p 程序的开发工具 3 4 1 d s p 程序的丌发工具 d s p 的开发工具可以分为代码生成工具和代码调试工具两大类。代码生成工 具的作用是将c 或汇编语言编写的d s p 程序编译链接成可执行的d s p 程序。代 码调试工具的作用则是对d s p 程序即系统进行调试，使之达到设计目标。我们 目前使用的软件工具c o d e r c o m p o s e rs t u d i o 将两大工具集成在一起，实现了代 码生成和调试的无缝连接。程序界面为标准的w i n d o w s 程序界面，使用方便。 代码生成工具程序主要包括以下几种类型的程序( 1 ) c 编译器：( 2 ) 汇编器和链接器；( 3 ) 辅助程序( 4 ) 库文件( 5 ) r t s 头文件。 ( 1 ) c 编译器将用c 编写的程序自动编译为d s p 汇编程序，t m s 3 2 0 c x 的c 编译器提供了符合a n s i 标准的运行支持库，而且可以进一步将程序从c 源程序 编译为目标代码文件。c 编译器的主要特点包括： 与a n s i 标准c 兼容 具有a n s i 标准运行支持库 具有与汇编语言的灵活接口 链接灵活方便。可控制存储器分配 提供通用c 和特定d s p 芯片的优化编译，产生代码效率高 具有可为全局变量、静态变量和常数提供无限空间的大存储器模式。 ( 2 ) 汇编器将汇编语言原文件编译成机器语言目标文件，链接器将目标文件组 合成一个可执行的目标模块。在t m s 3 2 0 c x 中，链接器输入的文件采用c o f f 一公共目标文件格式。这中目标文件格式更有利于摸块化编程，并为管理代码段 基于d s p 技术的新型电力系统动态记录前置机的研究 和目标系统存储器提供更强有力和灵活的方法。 c o f f 文件格式鼓励程序员编程时运用基于代码块和数据块的概念雨不是一条 条命令或单个的数据，使程序的可移植性和可读性都大大增强。目标文件的最小 单位是块，文件中每个块都是独立的。一般c o f f 文件包括三个缺省块： t e x t 块通常包括可执行代码 d a t a 通常包括已初始化的数据 b s s 通常为未初始化数据保留空间 编程时还可用s e c t ，u s e c t 等汇编命令为数据创建空间。而链接器的一个主要功能 就是将这些块定位到目标存储器中。 3 4 2 代码调试工具 c o d e c o m p o s e rs t u d i o 的调试器和代码生成器集成在一起，要与调试工具，主 要是仿真器配合使用。调试器可以完全控制用c 或汇编或者c 和汇编混合编程 编写的程序。调试器界面友好，面向窗口，支持鼠标和菜单式操作，使用方便。 ( 1 ) 调试器的主要特征包括： 提供完善的控制程序运行的特征：如条件执行、单步执行、断点设置和 清除、批文件执行命令； 多级调试：可同时调试c 和汇编语言。调试汇编程序时可以同时观察源 代码和目标代码：调试c 程序时可同时观察c 源代码和有源代码反汇编而成 的目标代码； 可灵活配置的界面：用户可根据需要设置不同的界面。包括显示颜色、 窗口边界、子窗口配置等； 全屏幕编辑 连续更新：调试器可连续更新屏幕上的信息，并以醒目的颜色显示更新 过的数据： 综合数据显示：用户可以方便地在屏幕上建立窗口已显示和编辑变量、 数组、结构及指针等数据类型； ( 2 ) 调试器窗口 调试器可以显示多种不同的窗口，窗口尺寸，位置可以调整。 第三章d s p 的压用 代码显示窗口：可以显示汇编语言代码和c 语言代码。有两种代码 显示窗口，包括反汇编窗口和显示文本文件的文件窗口。 数据显示窗口：用于观察各种类型的数据。包括： a 内存显示窗口一显示指定范围的内存内容 b 寄存器窗口一显示处理器各个寄存器的内容 c 观察窗口一显示选定的数据，如变量，寄存器或内存的某个单元 d 目标代码窗口一显示程序的目标代码 3 4 3 仿真器 现在使用的仿真器都是所谓扫描仿真器，通过d s p 上提供的几个仿真 引脚实现仿真功能。而在i ) s p 内部通过移位寄存器扫描链实现仿真扫描，通 过外部的串行口访问这个扫描链。采用扫描仿真，即使d s p 芯片已经焊在电 路板上也可进行仿真调试。 采用s e e d x d s p p 仿真器，该仿真器具有如下特点： 具备j t a g m p s d 两种标准的仿真接口 3 3 v 5 v 兼容仿真接口电平，确保目标系统d s p 安全运行 一 不占用目标系统任何资源，全空间仿真 支持多d s p 器件并行调试 - 软件特点 全面支持c o d ec o m p o s ers t u d i o 一 支持d s p ，b i o s 及r t d x - 软硬断点，实时单步1 断点 一方便地装载卸载程序和数据 - 方便地检查，修改所有寄存器 实时监控运行状态及多个变量 多种图形方式显示数据 第四章故障录波的技术要求 4 1电力系统的动态记录 电力系统的动态记录一般包括以下两种功能。 4 ，ll 高速故障记录 要求i 己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，也可用于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，可能在几秒钟内结 束。 4 1 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，了解系统暂态或动态过程中系统各电参量的变化规律，校核电力系统计算程 序及模型参数的正确性。其特点是采样速度允许较低，一般不超过l 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。 4 2 对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汜录的主要任务是，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咀及继电保 护与安全自动装置的动作行为。 1当系统发生大扰动，包括在远方发生的故障时，能自动的对全过程按要求 进行 己录，并且当系统动态过程基本终止时能自动停止记录。 2 存储容量应该足够大，当系统发生连续大扰动时，应该无遗漏地记录每 第四章故障录波的技术要求 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及保 护装置和安全自动装置的动作行为。 3 所记录的数据安全可靠，满足要求不失真。其记录频率( 即采样频率) 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，应 分时段满足要求。选择的原则是： a 适应分析数据的要求； b 满足运行部门故障分析和系统分析的需要； c 尽可能只记录和输出满足实际需要的数据； 4 各安装点记录及输出的数据，应该在时间上同步，以适应集中处理系统全 部信息的要求。 4 3 对故障动态过程记录设备的基本要求 装设在2 2 0 5 0 0 k v 变电所的电力系统故障动态过程记录设备应满足如下的 要求： l具有按反应系统发生大扰动的系统电参量幅度及变化率判据而自启动和 反应系统动态过程基本结束而自动停止的功能；也能由外部命令启动和停止。 2 每次记录的数据必须尽快地转移到中间载体，以迎接可能随之而来地下 一次故障数据记录。其内存容量和采用的存储策略应满足连续在规定时间内发生 规定次数的故障时能不间断地存入全部故障数据地要求。 3 有足够的抗干扰能力：满足规定的电气量测量范围；记录的数据可靠， 不失真；记录的故障数据有足够的安全性，不因供电电源中断和人为的偶然因素 丢失和抹去。 4记录数据带有时标，并适应记录时间同步化的要求。 5 按要求输出原是采样数据和经过处理取得的规定电参量值。 6 对外关系如下： 1 )故障动态过程记录设备应该记录全部规定的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信信 号。模拟量直接来自主设备，而开关量则由相应装置用空触电送来。 2 )故障动态过程记录设备原则上应作为变电所监控系统中的故障数据收 集及单个数据处理( 输出每一采样周波的有关电参量值) 的一个组成单元，并按 要求接受监控计算机命令输出相应数据。 3 )故障动态过程记录设备又是电网事故自动分析系统的一个组成单元，根 据要求可经由专设的通信接口直接接受自动分析系统主站计算机的命令调出数 据。 4 )为了便于调度处理事故，在装设故障动态过程记录设备的变电所的配出 线路或电力元件故障时，应立即输出有助于事故处理的极少量故障电参量。 5 )为适应集中处理的要求，输出的动态过程记录数据应符合标准格式，觌 定与a n s i i e e ec 3 7 1 1 卜1 9 9 1c o m t r a d e 格式兼容；记录短路故障等突发事件的 数据，其时间标志应满足同步化要求。 4 4 故障记录的动态量 4 4 1 2 2 0 k v 变电所 2 2 0 k v 变电所的动态量包括：每条2 2 0 k v 线路、母线联络断路器及每台变压 器2 2 0 k v 侧的3 个相电流和零序电流；两组2 2 0 k v 母线电压互感器的3 个相对地 电压和零序电压( 零序电压可以内部生成) 。 操作每台2 2 0 k v 断路器的继电保护跳闸( 对共有选相元件的各套保护总跳闸 出口不分相，综合重合闸出口分相，跳闸不重合出口不分相) 命令，纵联保护的 通信信道信号，安全自动装置操作命令。 4 4 2 5 0 0 k v 变电所 除2 2 0 k v 部分的第一条原则所要求的记录外，5 0 0 k v 侧需要记录的模拟量是 5 0 0 k v 每条线路的4 个电流量和4 个线路电压量和每台主变压器的4 个电流量。 操作每台5 0 0 k v 断路器的继电保护跳闻( 每套保护跳闸出口分相跳闸不重 合出口不分相) 命令，纵联保护的通信信道信号，安全自动装置操作命令。 4 4 33 3 0 k v 变电所 可按上述原则相关部分选择。 4 5 故障动态记录量的有效范围及分辨率 4 ，5 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 0 1 2 0 i 。考虑直流分量。 4 5 2 交流电压量 以额定相电压有效值u 。= 1 0 0 1 压v 为标准，要求线性测量范围为工频有效值 0 0 l 2 o u 。 4 5 3 开关量 分辨率不劣于1 o m s 。 4 6 启动故障动态记录的判据和参量 对模拟量，d s p 中配有专用的启动算法和判据，具体启动量和启动方式说明 如下： u a 、u b 、u c 相电压和零序电压突变量启动。 l a 、i b 、i c 相电流和零序电流突变量启动 l a 、i b 、i c 相电流和零序电流越限启动 u a 、u b 、u c 相电压和零序电压越限启动 u a 、u b 、u c 相电压和零序电压欠限启动 线路一相电流振荡启动 母线电压频率越限和欠限启动 负序电压越限启动 开关量变位启动 手动启动 4 7 数据记录时间和方式及采样速率 4 7 1 模拟量采样方式 按图中所示时段顺序执行采样 s a 时段：记录系统大扰动开始前的状态数据，输出原始记录波形。记录长度为 0 i s ，采样频率为i k h z 。 b 时段：记录系统大扰动开始后初期的状态数据，直接输出原始记录数据。记录 长度为1 0 2 0 周波，采样频率5 k h z 。 c 时段：记录系统大扰动中期的状态数据，输出连续的工频有效值，每个周波输 出一个有效值。记录长度为5 0 1 5 0 周波，采样频率为i k h z 。 d 时段：记录系统大扰动后期的状态数据，输出连续的工频有效值，每5 个周波 输出一个有效值。记录长度为1 0 0 i 0 0 0 周波，采样频率为i k h z 。 4 7 2 启动条件 1 第一次启动 符合第6 条规定的条件的任一条时就自动启动，由s 开始按a b c d 的顺序执行录波。 2 重复启动 在启动过程中，进入c 时段后，如遇条件6 中除振荡外的任条件得到满足 即进入重复启动，从s 开始按a b c d 的顺序执行录波。 4 7 3 自动终止条件 所有启动条件全部复归时自动终止录波。 4 7 4 不定长录波的实现 一旦条件6 中所规定的任一启动条件得到满足，本装置将启动录波，装置 汜录的波形和次数由故障性质和参数设定决定。 1 非振荡性故障启动 在某一时刻。任一启动量满足启动条件就启动录波。装置启动后，当进入c 时段后即在录波的同时对采样数据进行计算。即当装置按a b 段的顺序完成录 波后又回到s 点进行启动判断 2 振荡异常引起的启动 在非启动状态下，装置的计算结果符合振荡条件即启动振荡录波。振荡录波 只有d 时段，录波直到振荡平息结束。 在启动条件下，当b 段结束时，如果振荡启动条件得到满足，装置即进入振 荡录波状态。如果没有其它启动条件被检出得到满足，装置从c 时段进入d 断后 将一直在d 时段振荡录波，直到振荡平息。 基于d s p 技术的新型电力系统动态记录前置机的研究 第五章启动算法及d s p 实现 5 1 引言 衡量电