（电工理论与新技术专业论文）电力系统故障录波器的研究与实现.pdf

东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed e s i g n a t i o na n dr e a l i z a t i o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m r e c o r d e r a b s t r a c t t h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yh o l d st h ev e r yi m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h en a t i o n a le c o n o m y i t h a sb e c o m et h em a i np o w e ro ft h em o d e r np r o d u c t i o n a n dw i t l lt h er a p i dm o v e m e n to f h u m a n sl i v i n gs t a n d a r d s ，i td i s p l a y st h ep r o m i n e n tf u n c t i o ni n c r e a s i n g l yi nt h en a t i o n a l p o l i c ya n dp e o p l e sl i v i n gl e v e l s t h e r e f o r e ，t h es e c u r i t yo fe l e c t r i cp o w e rs y s t e mo p e r a t i o n a n dt h e q u a l i t yo fe l e c t r i cp o w e r h a v eav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h ei n d u s t r y t h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e mr e c o r d e ri sad e v i c et h a tc a r lr e c o r dt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m sv o l t a g e ，c u r r e n ta n d o t h e rc h a r a c t e r i s t i cw h e na ni n a c c u r a c ya n da b n o r r n i t yh a sh a p p e n e d n o wt h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e mh a sb e c o m et h ef o u n d a t i o no ft h es t u d i e st h em o d e me l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，a n di ti s a l s ot h eb a s i sw h i c hi su s e dt oa n a l y z et h ep r o p e r t ya n dr e a s o no fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m i n a c c u r a c ya n da b n o r m i t y ，ag o o dr e c o r d e rd e v i c ep u t sav e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h eg r a r a m y o fg u a r a n t e e i n gt h a tt h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e mo p e r a t e sd e p e n d a b l ya n dt h ei m p r o v e m e n to f t h ee l e c t r i cp o w e rq u a l i t y a l o n gw i t ht h er i s i n gd e g r e eo ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e ma u t o m a t i z a t i o na n dt h es a f e c o n t r o l ，t h er e q u e s to fs a v i n gc a p a b i l i t y ，p e r f o r m a n c eo fs y s t e m ，r e a l - t i m ea b i l i t yh a v e b e c o m eh j 【g h e ra n dh i g h e r m o r e o v e r 、i mt h ei n f o r m a t i o nr e v o l u t i o nr o l l e du pt h ew h o l e w o r l d ，t h ee l e c t r i cp o w e ri n d u s t r yi sn oe x c e p t i o n t h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mw i l ld e p e n do i l t h ei n f o r m a t i o nm o r e n e c e s s a r i l y ，a n d i tw i l l p a ym o r ea t t e n t i o n t ot h eb u i l do f i n f o r m a t i o n b a s e ds y s t e ma n ds h a r eo fd a t a , t h u si ti sa b l et ob e n e f i tf r o mi n f o r m a t i o n s u p e r h i g h w a y t h et h e s i su s e sh i g h - p o w e r e de m b e d e dp r o c e s s o ra n dh i g h - s p e e dd a t as i g n a lp r o c e s s o r s ( d s p ) ，t od e s i g na n dr e a l i z et h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mr e c o r d e r ，d e p e n d i n go nt h e2 2 0 5 0 0k v e l e c t r i cp o w e rs y s t e me r r o r d y n a m i er e c o r ds t a n d a r d s a n dt h et h e s i sa l s od o e st h ed e e p r e s e a r c hi ni m p r o v i n gm a i np e r f o r m a n c ea n ds a v i n ga b i l i t yo ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m r e c o r d e r t os a t i s f yt h eh i g ha c c u r a c yr e q u e s to ft h ed a t a ，d s pu s e st m s 3 2 0 c 3 3m a d eb y a m e r i c at ic o m p a n yt od i a g n o s et h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n dr e c o r dt h ep a r a m e t e ro f e l e c t r i cp o w e rs y s t e mw h e na ni n a c c u r a c ya n da b n o r m i t yh a sh a p p e n e d t h em a i nc o n t r o l p r o c e s s o ru s e sc o l d f i r e5 2 8 2m a d eb ym o t o r o l ac o m p a n y i ti st h eb r i d g eb e t w e e np c s u p e r v i s i o ns y s t e ma n dr e c o r d e dr e s p o n s i b l ef o rd e l i v e r i n gt h es u p e r v i s i o no r d e r sa n de r r o r r e c o r d s t h e5 2 8 2i st r a n s p l a n t e dt h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e mu c l i n u xw h i c hi n t r o d u c e s m g hp e r f o r m a n c ea s s i g n m e n tm a n a g e m e n tm e c h a n i s ma n df i l es y s t e m s t h i se n h a n c e st h e n i 东北大学硕士学位论文a b s n w t s t a b i l i t yo ft h es y s t e m f o rs y s t e ms 臼u c n 聃t h es y s t e ma d o p t sc l i e n t s e r v e rs t r u c t u r e s op c c a nc o n n e c tr e c o r d e r sw i t he t h e m e to rc a nt om o t o rt h ee l e c 仃i ep o w e rs y s t e mi nd i f f e r e n t p l a c ea n dr e a l i z et h et r a n s m i s s i o no fe r r o rr e c o r d sa n dl o n g d i s t a n c es u p e r v i s i o n w h e na n i n a c c u r a c ya n da b n o r m i t yh a sh a p p e n e d ，t h es u p e r v i s i o ns y s t e ms o f t w a r ec a r tg e tt h er e l a t e d i n f c r m a t i o ni nt i m et od oaf a s tr e a e t i o n t h e nt om a k eaf u r t h e ra n a l y s i sa n ds u m m a r i z e a c c o r d i n gt oe r r o rr e c o r d s m o r e o v e r ，t h es y s t e ma l s ou s e st h et e c h n i q u eo fi n t e r n e tf o r l o n g d i s t a n c es u p e r v i s i o na n di n f o r m a t i o ns h a r e s k e y w o r d ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，c a n ，e m b e d e dp r o c e s s o r , d s p ，u c l i n u xo s i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加 以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为 获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。 学位论文作者签名： 起唆 签字日期：弘；2 - 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即 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磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人同意东北大学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、交 流。 ( 如作者和导师同意网上交流。请在下方签名：否则视为不同意) 学位论文作者签名：起嚷 导师签名 签字日期：z 加；z 签字日期 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力系统故障录波器概况 电力系统故障录波器是研究现代电网的基础，也是评价继电保护动作行为及分析设 备故障性质和原因的重要依据，性能优良的故障录波装置对于保证电力系统安全运行及 提高电能质量起到了重要的作用。电力系统故障录波器已成为电力系统记录动态过程必 不可少的精密设备，其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【l 】。 1 1 1 电力系统故障及危害 电能生产的特点是具有连续性、不能中断、也不能储存，因此，电能的生产、传输、 分配和使用是在同一时间内完成的。生产、输送、分配、使用电能的发电厂、输电网、 配电网和电力用户组成的整体就是电力系统【2 j 。 电力系统故障是指系统中某一元件的正常运行状态遭到破坏。发生故障后一般会引 起电流的增大，电压和频率的降低或升高，从而导致电气设备和用户的正常工作遭到破 坏。最常见也是最危险的故障是各种类型的短路。 故障分瞬时性故障和永久性故障两种。所谓瞬时性故障是指故障设备断开电源后， 故障点的绝缘强度能够自行恢复。例如，大风引起树枝碰线等，如果重新将此线路合闸， 线路将能恢复运行。永久性故障是指断开电源之后，故障仍然存在，如绝缘子的击穿或 损坏线路倒杆，变压器或电机绝缘损坏引起的匝间短路等等，这类故障在排除之前， 是不可能很快恢复正常运行的。 电力系统故障的危害主要表现在以下各方面： ( 1 ) 系统中部分地区的电压太幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏，严重时，可 能引起电压崩溃，造成大面积停电； ( 2 ) 短路电流产生的电弧，烧坏故障设备； ( 3 ) 短路电流可达到额定值的几倍至几十倍。很大的短路电流产生的热效应和电动 力，使故障支路的电气设备遭到破坏或损伤，从而缩短使用寿命： ( 4 ) 破坏电力系统各发电厂之间并列运行的稳定性，使系统产生振荡，甚至造成整 个电力系统的瓦解。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 电力系统对故障录波的技术要求 2 2 0 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则中规定电力系统对故障录渡的技术 要求吐 1 ) 当系统发生大扰动，包括在远方故障时，能自动地对扰动的垒过程按要求进 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 1 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( 采样频率) 和i 己录 间隔( 连续或间隔一定时问记录一次) ，以每次大扰动开始时为标准，宜分时段满足要 求。其选择原则是： ( 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； ( d ) 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 信息的要求。 1 2 课题背景及研究意义 电力工业在国民经济中具有根重要的地位。电能己成为现代化生产的主要动力，随 着人们生活水平的不断提高，它在国计民生中日益显示出举足轻重的作用。电能生产的 连续性要求发、供电不能中断。电力系统中任一环节的故障都可能造成发、供电中断， 电能质量下降等严重后果。因此，保证电力系统安全可靠地运行和电能的质量具有很重 要的意义。 1 2 1 故障录波器的发展方向 以计算机技术、通信技术、控制理论及信息处理技术为主体的数据采集和监控系统 ( s c a d a ，s u p e r v i s o r yc o n t r o l a n d d a t e a c q u i s i t i o n ) 己广泛在电网中使用。随着电力 系统安全控制的自动化程度越来越高，对数据存储能力、数据检测精度、系统实时性及 稳定性郡有越来越高的要求。另外，传统的电力自动化系统基本上都是集中式结构。然 而随着检测手段的提高，这种集中式的结构己显示出明显的局限性。到8 0 年代末期，随 着计算机技术和信息处理技术的迅猛发展，在电力发达的一些国家先后采用了分布式结 构、集中分布混合结构、客户机服务器结构等1 4 j 。它们丰富了自动化系统集成方案， 同时也取得了比传统方式好的效益。 进入九十年代一场计算机信息革命席卷了全球，而作为这次革命的核心网络技术 进入九十年代一场计算机信息革命席卷了全球，而作为这次革命的核心网络技术 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 2 电力系统对故障录波的技术要求 2 2 0 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则中规定电力系统对故障录波的技术 要求【3 】= ( 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 、n 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( 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，宜分时段满足要 求。其选择原则是： ( 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： ( d ) 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 信息的要求。 1 2 课题背景及研究意义 电力工业在国民经济中具有很重要的地位。电能己成为现代化生产的主要动力，随 着人们生活水平的不断提高，它在国计民生中日益显示出举足轻重的作用。电能生产的 连续性要求发、供电不能中断。电力系统中任一环节的故障都可能造成发、供电中断， 电能质量下降等严重后果。因此，保证电力系统安全可靠地运行和电能的质量具有很重 要的意义。 1 2 1 故障录波器的发展方向 以计算机技术、通信技术、控制理论及信息处理技术为主体的数据采集和监控系统 ( s c a d a ，s u p e r v i s o r y c o n t r o l a n d d a t e a c q u i s i t i o n ) 已广泛在电网中使用。随着电力 系统安全控制的自动化程度越来越高，对数据存储能力、数据检测精度、系统实时性及 稳定性都有越来越高的要求。另外，传统的电力自动化系统基本上都是集中式结构。然 而随着检测手段的提高，这种集中式的结构己显示出明显的局限性。到8 0 年代末期，随 着计算机技术和信息处理技术的迅猛发展，在电力发达的一些国家先后采用了分布式结 构、集中分布混合结构、客户机服务器结构等1 4 j 。它们丰富了自动化系统集成方案， 同时也取得了比传统方式好的效益。 进入九十年代，一场计算机信息革命席卷了全球，而作为这次革命的核心网络技术 一2 一 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 更是无孔不入，走进了各行各业，电力工业也不例外。随着电力系统的发展，必将对信 息更加重视和依赖，会有越来越多的公司投资于信息部门，从而受惠于信息高速公路。 网络功能应是新型故障录波器区别于现在录波器的最为重要的方面。为了提高网络利用 率，网络应能实现故障信息传输与保护及安全装置日常运行监测的双重作用。该网络应 注意以下几点： ( 1 ) 录波器分散布置，网络化管理； ( 2 ) 采用多任务操作系统进行远程的监控； ( 3 ) 数据传送原则：故障后自动传输、跳闸信息优先于采样数据、故障信息优先于 自检信息。 】2 2 国内外录波器的比较 同国外相比，国内的故障录波器还存在一定的差距。概括起来，主要有如下几点： ( 1 ) 元器件的制造工艺、结构、质量等方面差距明显，据黑龙江省电力调度局的统 计，录波器在故障时没有正常运行的主要原因是元器件质量不过关，占总数的7 0 ； ( 2 ) 硬件配置不合理，国内故障录波器一般采用单片机完成数据的采集、计算和判 断，而国外普遍采用专门的d s p 芯片； ( 3 ) 系统容量小，由于不受到系统本身结构的限制，无论是模拟量的输入、开关量 的输入、还是故障数据存储容量，冗余度小，不利于增容和升级。而国外录波器的模块 式结构使以后的扩展被简单的集成到现有的结构中，且采用数据压缩技术，存贮容量大； ( 4 ) 国外的故障录波器一般是多功能的智能化装置，能记录短路故障、低频振荡、 暂态故障，还能进行故障定位、谐波分析和电能质量分析，而在国内的录波器数据分析 能力差，故障测距结果不准： ( 5 ) 远传技术不完善，国内的故障录波器机型各种各样，录波的数据格式、远传实 现的格式各不相同，缺少统一的远传技术规范。 1 3 本文主要工作 本文介绍东北大学电子信息研究所与辽宁电力科学研究院合作设计与实现的电力系 统故障录波器。本系统借助高性能嵌入式处理器及高速数字信号处理器( d s p ) ，以 ( ( 2 2 0 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则为基础同时按照辽宁电力科学研究院 的要求，设计与实现了电力系统故障录波器，在提高电力系统故障录波器性能、存储能 力、实时处理能力、信息共享、通信能力等方面做了深入的研究。 3 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 第二章系统总体设计 本文以( 2 2 0 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则为基础，按照辽宁电力科学 研究院的要求，设计与实现了电力系统故障录波器。本章介绍故障录波器的总体设计。 图2 1 是系统总体结构图。整个系统分为三个子系统：录波子系统、远程监控子系统、 对时子系统。录波子系统对电力系统进行多点故障诊断，记录故障发生时系统的动态电 参量及开关量的状态。远程监控子系统实现故障信息传输与保护及安全装置日常运行监 测的双重作用。对时子系统提供了标准统一时间，保证系统时间同步。 录波设备录渡设备录被设各 幽2 1 系统总体结构图 f i g 2 1t o t a ls t r u c t u r eo f s y s t e m 2 1 录波子系统 录波子系统是由多个录波设备结点组成，每个结点与上位机组成c s ( 服务器客户 端) 结构，对电力系统进行多点故障诊断，记录故障发生时的动态电参量及开关量的状 态。每个录波设备由信号调理模块、信号处理模块和调度模块组成，如图2 2 所示。 一5 一 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 模拟量输入 开关量输入 + 信 隔离与采样隔离与采样 翥 理 低通滤波器l 一单极性调整 模 块 j 同步保持采样1 6 位高速a d 转换 囊 l 理 队mh 絮激3 模 块 t 信 m o t 。r o 处l a 警c o l d f i r e 5 2 8 2 h 。椭3 2 m 耥w o r d ， 号 调 羹 士天 通信接口模块：以太网、c a n 、4 8 5 总线 - 上位机系统g p s 对时模块 图2 2 录波设备硬件结构图 f i g 2 2t h es t r u c t u r eo f r e c o r de q u i p m e n t s h a r d w a r e 2 1 1 信号调理模块 本模块负责电力系统开关量与模拟量信号的隔离与变换以供信号处理模板进行采 样，对模拟量还要进行滤波处理，以消除5 k h z 以上的干扰。本系统中一个录波设备支 持8 路模拟量，可以接入4 路电流、4 路电压，支持8 路开关量。模拟量直接来自电力 设备，而开关量则由相应装置空触点送来。 6 一 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 2 1 2 信号处理模块 信号处理模块是整个故障录波系统的核心，要求有很高的实时性及检测精度。它对 经过前端处理后的模拟量与数字量进行采样，依据启动判据，诊断是否有故障发生。当 发生故障时，负责记录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。为了提高数据测量的精度及系统的实时处理能力，在硬件上本系统选用分辩率为1 6 位的a d 转换器和高速高精度的d s p 芯片 5 1 。本模块由d s p 处理器、模拟量采样模块、 丌关量采样模块、存储模块及与调度模块通信接口四部分组成，与调度模块通过双端口 r a m 连接，实现故障记录的上传。 d s p 选用t i 公司的浮点处理器t m s 3 2 0 c 3 3 芯片【6 】，t m s 3 2 0 c 3 3 是c 3 x 系统的第 四个型号，成本低，支持3 2 位浮点运算，主频6 0 m 。其具有以下特点： ( 1 ) t m s 3 2 0 c 3 3 采用了具有很高并行性的内部总线结构，它是分开的程序总线 ( p a d d r 和p d a t a ) 、数据总线( d a d d r i ，d a d d r 2 和d d a t a ) 和d m a 总线 ( d m a a d d r 和d m a d a t a ) ，使程序的提取、数据存取和d m a 的存取可以并行地进行。 这些总线连接所有c 3 3 的地址空间( 片内，片外m e m o r y ，外围共1 6 m x 3 2 ) ： ( 2 ) t m s 3 2 0 c 3 3 具有两个外部接口：主总线和扩展总线，它们都包含一3 2 位数据 总线和一组控制信号，外部总线宽度可配置为8 1 6 3 2 位，使用十分方便灵活。c 3 3 具 有1 6 m 3 2 的寻址空间，为廉价的大容量存储器的配置、r t o s 系统的引入创造了条 件【7 1 ； ( 3 ) t m s 3 2 0 c 3 3 片内的d m a 功能使得c p u 与i o 操作可同时进行。d m a 控制器 可以在存储器的任何地址进行读写操作而不干扰c p u 的操作，因此t m s 3 2 0 c 3 3 可以操 作外部的慢速存储器或外部接口而不降低c p u 的吞吐量； ( 4 ) t m s 3 2 0 c 3 3 还具有b o o t ( 即程序加载) 功能，将慢速的e p r o m 的程序加 载到高速的内部r a m 区，保证d s p 在与慢速存储器配合时能以高速运行； ( 5 ) t m s 3 2 0 c 3 3 支持汇编及a n s ic 的混合编程，并提供了c 语言开发工具和c 库函数、汇编程序库函数。其仿真器人机界面是基于d o s 或w i n d o w s 的图形窗口界 面，调试程序有多种断点和单步服务，调试中可随时查阅各源文件，头文件，库函数等。 此外c 3 3 的标准化、系列化的硬件库、软件库十分完善。 2 1 3 调度模块 调度模块是录波设备与上位机服务器的桥梁。当发生故障时，它负责接收信号处理 模块记录的故障记录，然后把数据缓存到f l a s h 中，同时通过以太网、c a n 总线【8 】、 4 8 5 总线等通信接口( 三选一) 上传到上位机，供专家进一步的故障分析。另外，调度 模块也负责转发上位机下达的远程监控命令。 一7 东北大学硕士学位论文第二章系统总体设计 ( 1 ) 基于c o l d f i r e5 2 8 2 微处理器的硬件解决方案 调度模块微处理器采用了m o t o r o l a 公司的c o l d f i r e5 2 8 2 一j ，c o l d f i r e 系列微处理器 是m o t o r o l a 公司延续其m 6 8 k 系列微处理推出的新一代内核的3 2 位高性能嵌入式微处 理器，特别是在高能物理、航空航天、工业生产等领域有着极其广泛的应用。m 6 8 k 系 列微处理器处理能力强大，性能卓越，对c 语言的支持也非常好。但是由于m 6 8 k 系列 微处理器是c i s c ( 复杂指令集，不易于流水线设计) 架构，随着控制系统对微处理器 速度上要求的不断升级，m 6 8 k 系列原有的架构不太容易提高c p u 整体的速度。于是 m o t o r o l a 对m 6 8 k 的体系结构做了很好的改进，使得体系结构是c i s c 和r i s c ( 精简指 令集，易于流水线设计) 融合的架构( 称之为变长的r j s c 设计) ，便有了新一代的c o l d f i r e 微处理器。c o l d f i r e 微处理器继承了m 6 8 k 系列优秀的指令集设计和c i s c 架构的优点， 融入了r i s c 架构的优点，在速度和架构之间得到很好的平衡。图2 3 为c o l d f i r e5 2 8 2 内核结构。 图2 3c o l d f i r e5 2 8 2 内核结构图 f i g 2 3c o l d f i r e5 2 8 2b l o c kd i a g r a m c o l d f i r e5 2 8 2 是c o l d f i r e 系列微处理器第三代内核的微处理器。它具有以下卓越特 一8 一 东北大学硕士学位论文第二章系统总体设计 点： ( a ) 变长的r i s c 设计，第三代内核； ( b ) 两个独立无关的流水线：取指令流水线、指令执行流水线； ( c ) 3 2 位内部地址总线，支持4 g 线性地址空间； ( d ) 3 2 位数据总线； ( e ) 超级和用户模式； ( f ) 向量基地址可以改变； ( g ) 专门为高级语言优化设计。 c o d e f i r e5 2 8 2 主频最高可以达到8 0 m 。支持b d m 调试接口，可以动态跟踪运行路 径。存储方面，2 k c a c h e 用于数据与指令的高速缓存，6 4 k 双端口s r a m 分别与内部、 外部总线相连，c p u 、d m a 和f e c 都可以直接对s r a m 进行高速访问，另外还带有 5 1 2 k 的内部r o m ，可以运行在单片模式，代码从内部r o m 启动。c o d e f i r e5 2 8 2 具有 高级的电源管理功能，可以自动地在运行、睡眠状态间切换，还可以分别对外部设备进 行电源使能控制。c o d e f i r e5 2 8 2 带有快速以太网控制器( f e c ) ，可以方便的接入以太 网。另外c o l d f i r e5 2 8 2 还带有f l e x c a n 模块、3 个串口、1 2 c 模块、s p i 模拟数字转换 模块、定时器、d m a 控制器、开门狗定时器等。 这些特性及丰富的接口资源，使c o d e f i r e5 2 8 2 非常合适在本系统中使用，提高了系 统的扩展性。 ( 2 ) 基于u c l i n u x 操作系统的软件解决方案 软件方面，本系统在c o l d f i r e5 2 8 2 上移植了u c l i n u x 嵌入式操作系统。l i n u x 是 一种很受欢迎的操作系统，它与u n i x 系统兼容，开放源代码。它原本被设计为桌面系 统，现在广泛应用于服务器领域。而更大的影响在于它正逐渐的应用于嵌入式系统中。 u c i i n u x 正是在这种氛围下产生的。在“u c l i n t l x ”这个英文单词中u 表示m i c r o ，小的 意思，c 表示c o n t r o l l e r ，控制的意思，所以u c l i n u x 就是m i c r o c o n t r o l l e r l i n u x ，字面 上的理解就是“针对微控制器而设计”。 u c l i n u x 内核采用模块化的设训“j ，即很多功能块可以独立地加载或卸载，开发人 员在设计内核时把这些内核模块作为可选的选项，可以在编译系统内核时指定。因此一 种较通用的做法是对u c l i n u x 内核重新编译，在编译时仔细的选择嵌入式系统所需要的 功能支持模块，同时删除不需要的功能模块。通过对内核的重新配置，可以使系统运行 所需要的内核显著减小，从而缩减需要的控制器r a m 。 c o l d f i r e 微处理器上可以运行很多操作系统，但是u c l i n u x 可以说是最合适，性价比 最高的操作系统。目前商业的实时操作系统，比如v x w o r k s 和n u c l e a u s 等价格比较昂 贵，而且需要附加的c 编译器和相关的调试工具。而像u c o s 等免费的实时操作系统， 又没有很好的文件系统和t c p i p 协议的支持，就本系统的应用特点而言，u c l i n t l x 是最 一9 一 东北走擘硕士学位论文 第二章系统总体设计 合适的操作系统【l “。 选择u c l i n u x 以后，很多l i n u x 平台上的资源都可以直接使用，包括串口扩展芯片 的驱动，u c l i n u x 自带的j f f s ( j o u m a l i n gf l a s hf i l es y s t e m ) 文件系统【1 ”，录波数据可 以像日志一样记录下来，非常方便。同时利用先进的进程调度机制可以很方便的开发具 有高性能、实时性、并发式的应用软件。另外，针对嵌入式系统外设的多样性与复杂性， u c l i n u x 提供了先进的设备管理，可以使嵌入式软件开发人员很容易的开发自己设备的 驱动程序，可以使用与访问文件一样的接口访问设备。另外调度模块的所有软件j e 作都 可以在l i n u x ( r e dh a t ) 系统下开发，使用g c c 交叉编译器编译，使用g d b 交叉调试 器调试，非常方便，具体的调试和安装步骤在软件部分会详细阐述。 2 2 远程监控子系统 远程监控子系统i 】4 】由上位机服务器及i n t e m e t 客户端组成。上位机与每个录波结点 组成c s 网络结构【l ”，实现故障信息传输与保护及安全装置日常运行监测的双重作用。 通过i n t e r n e t 技术实现信息共享，相关人员也可以访问服务器上的故障记录，做进一步 的故障分析。濂控系统主要分三部分：通信模块、用户交互模块、录波数据存储模块。 通信模块集成了c a n 总线、以太网、4 8 5 总线三种通信方式与设备结点通信，用户可 以根据条件选择其中的一种或多种。用户交互模块是整个故障录波系统的用户接口，其 提供的主要功能如下图： 图2 4 系统提供的主要功能 f i g 2 4m a i nf u n c t i o n so f s y s t e m 2 2 1 基于m f c 与a c e 应用程序框架的软件解决方案 上位机软件在v c + + 6 ，0 平台下开发完成。界面与网络通信开发分别借助了两个强大 的类库一一m f c m 】与a c e 1 7 】应用程序框架。m f c ( m i c r o s o f t 基本类库，m i c r o s o f t f o u n d a t i o n c l a s sl i b r a r y ) 是微软公司对庞大的标准w i n 3 2 a p i 函数的封装，提供了图形 环境下应用程序的框架及创建应用程序的组件。m f c 的分层设计让用户能够根据需要 一1 0 一 东北大学硕士学位论文第二章系统总体设计 轻松扩展框架。m f c 的消息映射机制使开发者很容易完成窗口事件、系统消息的处理。 更令人兴奋的是利用c + + 的封装功能使开发者摆脱w i n d o w s 中各种句柄的困扰，只需 要面对c + + 中的对象，这样一来使开发更接近开发语言而远离系统。借助m f c 用户可 以很容易开发出w i n d o w s 视图系统 18 】。但是m f c 也有缺点，如网络编程方面，m f c 提供的c s o c k e t 类只是对t c p i p 协议进行了简单的封装，对线程的支持不是很好，而 在c s 结构中线程编程又是必须的。所以开发人员更喜欢使用其它的框架或直接使用 w i n d o w s 提供的s o c k e t a p i 接口函数，本系统中使用了a c e 框架。 a d a p t i v ec o m m u n i c a t i o ne n v i r o n m e n t ( a c e ) 是一种免费开放原代码的、采用面向 对象设计的、功能强大的工具包，为网络开发及系统开发提供了实用的类库、框架及设 计模式，a c e 另一个主要的优点是跨平台性。a c e 的使用对象是面向开发高性能与实 时通信服务应用的开发，对操作系统a p i 及网络接口进行封装，在网络开发与系统开发 方面有优势，比如提供了更好的线程支持。a c e 提供丰富的接口，通过这些接口可方便 的实现网络事件分离与事件处理的分发、信号量处理、服务初始化、进程间通信、共享 内存管理、消息路由、分布式服务的动态配置、并发执行与同步。使用a c e 比直接使 用s o c k e t s a p i 函数节省5 0 的开发时间。 m f c 与a c e 框架在视图与网络开发方面各有优势，有很强的互补性。本系统同时 使用了它们，有关具体的实现将在远程监控系统设计中介绍。 2 2 2 面向对象设计 随着软件产业的发展，项目工程越来越大，花在设计阶段的时间也越来越多、困难 也越来越大。面向对象设计是让软件项目由难交易最科学、最有效的方法之一，它可以 设计出具有低耦合、高内聚的优质软件。软件开发不是个人的工作，而是一个工程，要 求团队的合作，应该把更多精力投放在软件的可扩展性、易维护性、可复用性上，利用 一些现成的、实用的设计模式、框架、类库【1 9 1 ，如前面说的m f c 、a c e ，还有标准模 板库s t l l 2 0 j 等。这些设计模式、框架、类库，都是软件设计大师们的精华，只有站在巨 人的肩膀上才能看的更远。而且它们都经历长时间的考验，应用它们可以使软件更稳定。 上位机系统是在a c e 、m f c 框架基础上采用面向对象方法设计，熟悉a c e 框架也 是面向对象设计个很好的学习过程。本系统在开发过程中使用了一些设计模式，如单 体模式、工厂模式、观察者模式【l ”，同时也考虑了可复用性，设计了一个通用的网络开 发框架。 2 3 对时子系统 2 2 0 5 0 0 k v 电力系统故障动态记录技术准则规定各录波设备结点记录及输出的 数据，应能在时间上同步，以适应集中处理系统全部信息的要求。准则还要求输出数据 东北大学硕士学位论文 第二章系统总体设计 的时间标签，对短路故障等突变事件，以系统故障开始时刻，为该次事件的时间零坐标， 误差不大于1 m s 。 对时子系统利用g p s c 2 i j 所提供的精确授时的功能，提供系统时间及保证系统时间同 步。g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 全球定位系统是利用美国的2 4 颗g p s 地址卫星 所发射的信号而建立的导航、定位、授时的系统。美国政府已承诺，在今后相当长的一 段时间内，g p s 系统将向全世界免费开放。目前，g p s 系统广泛地应用在导航、大地测 量、精确授时、车辆定位及防盗等领域。 对时子系统核心功能由对时模块实现，其与各个录波结点组成c s 结构。对时模板 采用m o t o r o l a 公司的1 6 位微处理器m c 9 s 1 2 d 6 4 2 2 1 进行控制，接收g p s 时间数据，然 后通过自带的c a n 总线控制器分发给各个录波结点。 一1 2 一 东北大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计 第三章系统硬件设计 本章主要介绍信号调理模块、信号处理模块、调度模块及对时模块的硬件设计。 3 1 信号调理模块设计 ( 1 ) 模拟量前端电路 主要由以下几部分电路组成：隔离与采样电路、四阶巴特沃斯低通滤波器、单极性 调整电路。 ( a ) 隔离与采样电路 如图3 1 所示，该电路为电流采样回路，要求输入电流范围为0 5 a 1 0 0 a 。理论误 差要求在5 a 时最小，为0 5 。本系统选用兵字t a l 4 2 0 立式穿芯小型精密交流电流互 感器2 3 1 ，互感器变比为6 0 0 0 ：1 ，它具有全封闭、机械和耐环境性能好、电压隔离能力 强、安全可靠等优点。 二次侧采样电阻理论选取1 0 0 i f 2 ，由( 3 1 ) 式求得。 1 0 0 a2 5 v 一6 0 0 0 。月2 百 ( 3 1 ) r 兰1 0 0 q 1 0 0 a 为最大输入电流，2 5 v 为输出电压最大值。 理论采样电压值= 一次侧电流( a ) 6 0 0 0 】电阻( v ) 图3 1 电流采样电路原理图 f i g 3 1t h es c h e m a t i cc i r c u i td i a g r a mo f c u r r e n ts a m p l i n g 如图3 2 所示，该电路为电压采样回路，要求输入电压范围为3 v 一2 0 0 v 。理论误差 要求在6 0 v 时最小，为o 5 。本系统选用兵字t v l 0 1 3 1 型微型精密交流电压互