（电气工程专业论文）基于可编程逻辑原理的微机保护实验装置设计.pdf

硕士学位论文 摘要 目前，微机保护在国内外的电力系统中得到了广泛的应用，其功能完善、集 成度高，符合数字化、信息化的发展趋势。但是微机保护性能增强的同时也增加 了学习和掌握的难度。国内各高等院校开设了继电保护和微机保护等相关课程， 但是微机保护实验和培训实验室的建设情况要滞后于微机保护在现场的推广应 用。国内现有的微机保护实验装置种类不多，而且应用较少，功能不够全面，开 发一套经济实用，通用性强，切合实际的微机保护实验培训装置是很有必要的， 而且是很有意义的工作。 在研究原有的多功能微机保护实验培训系统的基础上，查阅了国内外相关文 献，研究了国内多家单位的微机保护实验系统，分析了微机保护装置的最新设计 技术和方法，提出了基于可编程逻辑原理的设计方法，设计了一套结构简单、原 理清晰的微机保护实验培训装置；提出了基于可编程逻辑原理的组态式设计方法， 引入了元件化编程的概念，采用指令表语言对继电保护功能进行元件化封装，使 各个功能成为独立的图形化模块，在集成开发环境中调用这些模块构成逻辑图， 不同的逻辑图对应不同的保护逻辑，其编译后的代码下载到下位机即方便的可实 现相应的微机保护实验装置的功能；t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 是保护测控模块的核心处理 器，负责完成数据计算、逻辑判断、测控、通讯等功能，充分利用了d s p 丰富的 外扩和强大的运算能力，内部采用m o d b u s 总线实现保护测量模块和人机交换界面 的互联，提高了系统的通用性、可扩展能力和电磁兼容能力。介绍了整个系统中 各个元件库建立的方法，全面分析了微机保护干扰产生的原因，并且提出了一套 完整的抗干扰措施。 此设计方案直观、简单、灵活，且可扩展性能好，该基于可编程逻辑原理的 微机保护实验装置可以应用于电力系统相关人员的培训和高等院校各类学生的微 机保护教学实验，其实用性强，应用前景广阔。 关键词：微机保护；实验装置；i e c 6 1 1 3 1 3 ；可编程逻辑 基于可编程逻辑原理的微机保护实验装置设计 a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h em i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nh a sb e e nu s e dw i d e l yi n t h ep o w e r s y s t e ma th o m ea n da b r o a d t h ef u n c t i o n sw i t c h k e e p i n gw i t ht h et r e n do f d e v e l o p m e n ti sc o m p r e h e n s i v ea n di n t e g r a t e d h o w e v e r ，t h ee n h a n c e dp e r f o r m a n c e s 0 fm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nm a k et h es t u d ya n dm a s t e r i n gi tm o r ed i f f i c u l t t h e c o u r s e sa b o u tm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nh a v e b e e n g i v e n i nc i v i l c o l l e g e sa n d u n i v e r s i t i e s ，b u tt h el a b sf 6 rm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nf a l lb e h i n dt h ea p p l i c a t i o ni n t h ef i e l d b e c a u s et h et y p e so fe x i s t i n gm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o ne x p e r i m e n t a ld e v i c e a r el a c ka n dt h ef e a t u r e s0 fd e v i c ea r en o tc o n l p r e h e n s i v ee n o u g h ，s ot h ed e v e l o p m e n t f o fas e to f e c o n o m i c a l ， p r a c t i c a l ，h i g hu n i v e r s a l i t y ， r e a l i s t i cm i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o ne x p e r i m e n t a lf o rt r a i n i n gi sn e c e s s a r y ，a n di ti sv e r ys i g n i f i c a n c e o nt h eb a s i so fs t u d y i n gt h eo r i g i n a lm u l t i - f u n c t i o nm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n s y s t e mf o rt r a i n i n g ，r e f e r r i n gt o t h ea v a i l a b l el i t e r a t u r e a th o m ea n da b r o a d r e s e a r c h i n gt h em i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o ne x p e r i m e n t a ls y s t e m s ，a n a l y z i n gt h el a t e s t d e s i g nm e t h o d sa n dt e c h n o l o g yo fm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n ，p r o p o s e dan e wd e s i g n m e t h o dw i t c hb a s e do np r o g r a m m i n gl o g i c ， d e s i g n e d as u i to fm i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o nd e v i c ew i t hs i m p l es t r u c t u r ea n dc l e a rp r i n c i p l ef o rt r a i n i n ga n de x p e r i m e n t t h ec o n f i g u r a t i o nd e s i g nm e t h o db a s e do np r o g r a n l m a b l e1 0 9 i ca n dt h ec o n c e p to f c o m p o n e n t sp r o g r a m m i n gi sr a i s e d l a n g u a g ei n s t r u c t i o nu s e dt op a c kr e l a yf u n c t i o n s t oc o m p o n e n t s ，s ot h a tv a r i o u sf u n c t i o n sw i l lb ei n d e p e n d e n tg r a p h i c a lm o d u l e s i n t h ei n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，t h e s em o d u l e sa r ec a l l e di nal o g i cd i a g r a m t oc o n s t i t u t ed i f f e r e n t p r o t e c t i o nl o g i c ， t h ef u n c t i o no f r e l a yp r o t e c t i o nw i l lb e r e a l i z e da f t e rt h ec o d eh a v e b e e n c o m p i l e da n dd o w n l o a dt ot h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r t h eh i g h - p e r f b r m a n c e3 2b i td i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r i sc h o s e nf o r m i c r o p r o c e s s o r ，w h i c hc o u l dd e a lw i t ht h ec a l c u l a t i n g ，l o g i cj u d g i n g ，m e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n g ，c o m m u n i c a t i n ga n ds oo n t h ep l e n t ye x p a n s i o ne q u i p m e n ta n ds t r o n g o p e r a t i o no ft h ed s pa r et a k e nf u l la d v a n t a g e m o d b u su s e dt oa c h i e v et h ep r o t e c t i o n m o d u l e so fm e a s u r e m e n ta n dh u m a n - c o m p u t e ri n t e r f a c ef o rd a t a e x c h a n g e t h i s m a k e st h es y s t e mm o r eu n i v e r s a la n di m p r o v e dt h es c a l a b i l i t ya n de l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b 订i t y0 ft h es y s t e m i n t r o d u c e dt h ee s t a b l i s h m e n to fc o m p o n e n t s s t o r e h o u s e ， a n a l y z e dt h em a i ni n t e r f e r e n c es o u r c e so p e r a t i o no fm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nd e v i c e 硕上学位论文 f o rt r a i n i n ga n de x p e r i m e n t ，a n dp u tf o r w a r dac o m p r e h e n s i v es e to fa n t i ja m m i n g m e a s u r e s t h es c h e m ei s v i s u a l ， s i m p l e ， f l e x i b l e ， a n dc o u l db ee x p a n d e de a s i l y t h e a p p a r a t u sc o u l db eu s e df o rt r a i n i n go fr e l e v a n c ep e r s o n n e li np o w e rs y s t e ma n d e x p e r i m e n t so fc o l l e g e s g e n e r a l l y ，i th a sg r e a tp r a c t i c a b i l i t ya n du t i l i t y k e yw o r d s ：m i c r o c o n l p u t e rp r o t e c t i o n ；e x p e r i m e n t a ld e v i c e ；i e c 6 1 1 3 1 3 ； p r o g r a m m a b l el o g i c 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 巍欲 日期：矽怎年万月乃日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权湖南大学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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： vh 姒敏 阀锨 日期：劢话年霸蟛日 日期：城年歹月) 多日 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 电力系统继电保护技术的发展概况和趋势 继电保护技术发展的历史过程一般可以分成四个时代【，即从电磁型、晶体 管型( 又称半导体型或分立元件型) 、集成电路型，到计算机型( 微机型) 。纵观继 电保护技术近1 0 0 年的发展史，其发展经历了三个阶段、二次飞跃。三个阶段是： 机电式、半导体式、微机式。第一次飞跃是从机电式到半导体式，主要体现在无 触点化、小型化、低功耗。第二次飞跃是从半导体式到微机式，主要体现在数字 化和智能化【引。 微机继电保护或“微机保护 就是指以数字式计算机( 包括微处理器) 为基础 而构成的继电保护。起源于2 0 世纪6 0 年代中后期，在英国、澳大利亚和美国的 一些学者的倡导下开始进行研究。但是由于受当时的技术和经济条件的限制，仅 做了理论探索。到了7 0 年代初期，计算机的制造技术出现了重大突破，使得以微 处理器为核心的微型计算机进入了实用阶段，从而带动了微机型继电保护的研究 高潮【3 ，4 1 。在国内外学者的努力下，微机继电保护得到了迅速的发展。 随着集成电路和计算机技术的飞速发展，微机保护的发展发展十分迅速，新 的改善继电保护性能的原理和方案不断出现。微机保护装置的发展大致可以分为 以下四个阶段： 第一阶段：以单片机构成的单c p u 硬件结构为主，数据采集系统由单一的逐 次逼近式a d 转换芯片构成。系统结构紧凑，整体性能和可靠性高，但通用性、 可扩展性相对较差。 第二阶段：以多片单片机构成的多c p u 硬件结构为主，数据采集系统为电压 频率转换器( v r o l t a g ef r e q u e n c yc o n v e r t e r ) ，利用多c p u 的特点，强化了自检和互检 功能，使硬件故障可以定位，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施及 防止拒动与误动的措施。 第三阶段：以高性能的1 6 位或3 2 位单片机的硬件结构为主，许多外围设备都 集成在一个芯片里，具有总线不出芯片，电路简单的特点，抗干扰性能得到进一 步加强，并且完善了通信功能，为实现变电站自动化提供了方便。 第四阶段：以1 6 位或3 2 位数字信号处理器( d 磷t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 硬件结构 为主。d s p 的突出特点是计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大，采用专 门的硬件来实现定点和浮点运算，极大地缩短了数字滤波和各种算法的计算时间。 近年来，人工智能( a i ) 技术如专家系统、人工神经元网络、遗传算法、进化 基十可编程逻辑原理的微机保护实验装置设计 规划、模糊逻辑等在继电保护领域的研究和应用也已开始。这些技术使保护更具 智能化，自适应性能更好，保护的跳闸时间更短，且可有效避免跳闸失败和各种 误操作，使保护的功能更可靠灵活。 1 2 微机保护实验培训装置国内外研究现状 微机保护已在电力系统中得到了广泛的应用，国内各院校也相应开设了微 机保护课程。但是微机保护的实验室建设方面明显滞后于微机保护在现场的推广 应用，大部分高校的继电保护实验室还停留在电磁型继电保护的水平。国内现有 的微机保护实验装置种类较少，价格昂贵。为了提高微机保护教学与实验水平， 全世界范围内众多企业和科研单位都投入了大量的研究力量。 加拿大s a s k a t c h e w a n 大学，建设了用于教学和科研的电力系统微机保护实验 室【5 1 。实验室有3 个工作站和1 4 台p c 机。可完成输电线路保护、算法与分析、 变压器保护、发电机保护、频率继电器、故障定位和自适应继电器。功能涵盖继 电保护的所有领域，但实验室规模庞大，对于一般的高校教学来讲难以承受。 山东工业大学电力学院研制了一种微机保护实验系统【6 】。实验系统由p c 机、 m c s 9 6 系列开发系统和微机保护实验装置二部分构成。本装置可以通过p c 机系 统汇编程序，下载到开发系统，只能实现三段方向过电流保护和距离保护实验， 实验内容十分有限。 吉林电气化高等专科学校自控系研制了一种微机继电保护实验装置【7 1 ，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，断相指示等。本实验装置仅能进行电流保护的各种实验，无法 进行其它方式的保护，采用的8 0 c 1 9 6 k b 芯片难以满足大量的数据运算，而且缺 少上位机的支持，只能进行简单的实验验证，无法满足各种实验的要求。 上海交通大学电气工程系开发了一种基于图形界面的微机保护实验平台【8 1 。 综合展示了电力系统继电保护的工作原理及过程：包括系统网图，故障点位置设 定，短路电流计算，保护整定值的设定和修改，保护的动作情况。此系统主要通 过软件对微机保护的实现过程进行模拟和仿真。 华北电力大学北京四方研究所利用集成开发环境v c 6 0 及微软基类库m f c 开 发了一种用于保护开发的软件测试平台【9 1 ，在p c 机上模拟硬件保护装置进行定时 采样、a d 转换和启动判别。此系统主要还是一种为继电保护装置开发服务的软 件测试平台，不适合应用于教学。 华北电力大学开发了一系列继电保护实验装置【1 0 以2 1 。由文献1 0 1 提出了一种 通用的微机保护实验装置的设计思路以及基于d s p 和p c i 0 4 的软硬件设计方案。将 各种保护原理程序存放在工控机的高速存取c f 卡上，不同原理对应不同程序模 块，从而实现各种保护，对不同保护要求编写不同程序。文献f 1 2 1 介绍了一种基 硕士学位论文 于嵌入式计算机和l i n u x 操作系统的新型继电保护教学实验装置，硬件上采用数字 信号处理器( d s p ) 进行数据采集、嵌入式计算机进行保护逻辑判断的双c p u 并行工 作方式，可通过构造保护逻辑结构图进行自定义保护实验，要求添加保护程序来 扩充系统功能。 中国农业大学信息与电气工程学院研制了相关的微机继电保护实验装置【1 3 1 ， 此装置可以采用8 位、1 6 位单片机和1 6 位d s p 芯片进行微机保护实验。此系统优点 是可以比较不同总线宽度单片机及d s p 的优劣，但是实验内容只完成了电流保护、 阻抗保护和差动保护。 湖南大学开发了多功能微机保护与变电站综合自动化实验培训系统。提出了 基于8 0 c 1 9 6 k c 的p s d 微机保护远程程序升级方法，设计了装置保护软件，软件模 块化设计、流程清晰。提出一种组态软件设计方法来适应对不同结构的变电站培 训的需要，可灵活组态的教学实验培训软件。此系统将多种微机保护实验和变电 站综合自动化实验培训融为一体，具有实验功能齐全、操作简单、界面友好、通 信方式多样化、可灵活配置变电站结构的特点，是国内首创的高科技教学实验培 训设备，现已实现产业化。 通过参考以上实验设备的设计方法和思路，文中设计的装置要在湖南大学原 有系统的基础上进一步提高速度、完善功能、增加便捷性和降低成本等方面考虑， 同时使实验装置的功能更接近于实用装置。 1 3 研究课题背景、概述和意义 本课题是对湖南大学多功能微机保护与变电站综合自动化实验培训系统进一 步的改造和升级提出来的。 目前，随着计算机和电子技术水平的迅速发展，微机保护装置不仅在硬件上 得到了飞速的发展，在软件设计思想上，也得到了很大的突破，不再局限于各种 汇编或高级语言，引入了图形化、可视化和基于可编程逻辑的元件化编程等高级 编程技术。国外的a b b 、西门子、g e 等公司已陆续将这些编程方式应用于电力行 业的诸多领域【1 4 l ，国内也有许多单位进行了这方面的研究和开发。如国电南京自 动化股份有限公司依据图论学理论和数据结构知识，解决了逻辑图解析问题。并 利用此理论设计了图形化保护的软件平台【”】。许继集团用v i s o 进行逻辑框图绘 制，编译生成机器语言下载到保护装置硬件，从而实现图形化编程【16 1 。华北电力 大学四方研究所提出一种电力系统与测控领域通用可视化软件开发平台【1 4 】，采用 f b d 语言为可视化编程语言，用原理图替代语句设计，用基本的元件和连接关系 构造控制功能和数据流，从而直接生成可执行应用程序。此外文献 1 7 2 3 也提 出了相关的设计思想和实现方法。 在以上各种条件和背景下，在原有的多功能微机保护实验装置的基础上，文 基十可编程逻辑原理的微机保护实验装置设计 中设计了一种直观，通用性强，原理结构清晰的微机保护实验装置。提出了一种 基于可编程逻辑原理的多功能微机保护培训实验装置的设计方案。有以下几个特 点： ( 1 ) 硬件采用数字信号处理器( d s p ) 和触摸屏( h m i ) 相结合的应用平台。主处 理器为3 2 位高性能定点d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，负责完成数据计算、逻辑判断、 测控、通讯等功能，人机界面为e e w 公司的2 5 6 色真彩触摸屏m t 5 0 6 s ，提供方 便、直观、友好、便于操作的人机交换环境。 ( 2 ) 软件方面，采用集成开发环境作为实验界面。开发过程中，采用 i e c 6 1 1 3 1 3 中的指令表语言( i l ) 对各继电保护功能模块进行元件化封装，同时对 系统中软硬件资源的属性进行定义，使继电保护功能成为独立的且能够被反复调 用的图形化模块。实验中，在集成开发环境中调用这些模块构成梯形图，由梯形 图反映保护逻辑原理，其编译后的代码下载到下位机即可实现保护。 ( 3 ) 系统集成度高，模块化强，组构简单，投资小。 ( 4 ) 可对不同结构的线路和各种设备的微机保护进行模拟，使用灵活。使用 者可以根据具体情况，绘制不同的保护原理图，然后编译下载到装置中运行。 ( 5 ) 提供r s 4 8 5 和c a n 总线接口，多台装置互联可以实现变电站综合自动化实 验和培训功能。 ( 6 ) 此设计方案简单、直观、灵活，扩展性能好。对于新的保护原理只需编 写保护元件库的相关元件即可实现。程序的基本单位是元件，一个元件是一组数 据的集合，程序就是处理这些数据的方法和元件函数，编程过程都是基于图形界 面的程序，不再是过程和函数。程序的执行过程就是元件创建、处理和消亡过程， 不再需要重新编写所有的程序。 基于可编程逻辑的微机保护实验装置基于技术理论，面向实践，具有广泛 的应用价值，在功能、经济和创新性方面都有很大的优势，据有显著的经济效益。 1 4 本文所做的工作 基于可编程逻辑原理的多功能微机保护实在原有的微机保护系统基础上进一 步开发的研究成果。本人主要完成以下方面工作： ( 1 ) 参与了系统整体的方案的规划设计； ( 2 ) 作为硬件部分的负责人参与了硬件可行性论证及选型； ( 3 ) 完成了系统硬件部分的开发与设计工作； ( 4 ) 完成了底层驱动程序的编写和调试工作； ( 5 ) 参与软件的设计与调试。 本人参与整个过程，结合本人的实际工作及研究情况，论文的具体章节安排 如下： 硕上学位论文 第一章：综述了继电保护的发展历程，研究了国内外微机保护实验设备发展 现状，提出了一种新的设计思路和方法。 第二章：对微机保护实验设备进行整体设计，介绍了基于可编程逻辑原理的 组态式设计方法，并详细介绍了基本编程语言及其规范。 第三章：给出了装置硬件平台的设计方法。提出了总线式的内部结构，采用 d s p 和触摸屏相结合应用的硬件平台，文中详细给出了各个硬件模块的设计。 第四章：详细介绍了装置内部通讯采用了的m o d b u s 协议。分析了它的功能 码和串行协议栈。在详细分析了通讯数据特征的基础上，对功能码进行了映射， 并给出应用范例。 第五章：介绍了系统的结构，详细分析了算法元件库、保护元件库建立的原 则和思路，给出了硬件驱动元件库、监控和通信元件库建立的方法。 第六章：分析了干扰产生的原因，介绍了系统的抗干扰措施。对电源模块 进行了重点设计，给出了保护测控模块、通信、开入开出和模拟量通道电磁兼 容方法，此外，还从软件设计方面给出了相关的抗干扰措施。 基于可编程逻辑原理的微机保护实验装置设计 2 1 引言 第2 章微机保护实验培训装置整体设计 微机继电保护装置的历史，已经有二十多年了。一直以来主要采用汇编语言 或c 语言开发微机保护装置的软件。随着时间的推移，这种模式逐渐暴露出一些 缺点，众多科研单位及厂家都在致力寻找更优的解决方式。微机保护实验装置同 样需要一种既能方便、简单、快速进行实验，又能直观、真实、合理反映保护逻 辑的实现方式。 现阶段微机保护开发中已经应用到了可视化的编程方式，虽然各个生产厂家 实现方式不尽相同，应用程度也不一样，但是其最终目的都是为了简化手工编程， 减少重复劳动。 在微机保护实验平台开发过程中，借用可编程逻辑的思想和工作方式，采用 组态式的编程方式来实现微机保护原理中的保护逻辑模块的软件设计。 2 2 基于可编程逻辑的组态式平台 基于可编程逻辑的微机保护实验平台将实现保护功能的软件模块打包成独立 的元件库，使其能够在可视化环境中调用，编译后能在微机保护的硬件平台上运 行，使整个设计过程简单直观。 软件平台是基于统一的硬件平台而设计，采用组态式的编程方式，在软件平 台上用功能元件及其连接关系实现保护逻辑，用直观的图形组合代替符号语言对 编程过程进行描述，完成保护程序中的逻辑关系【2 1 1 。 对微机保护而言，一段程序就是一个继电器元件，一套完整的保护系统由多 个继电器元件构成，不同的继电器元件组合将构成不同原理和功能的保护f 1 6 】。采 用面向对象的组态式编程方式，使保护的逻辑功能完全摆脱了传统微机保护面向 过程的结构化编程方式，只需在友好的软件平台界面上，操作直观的图形模块， 就可以轻松地实现继电保护原理中的逻辑功能【2 1 1 。 为了给编程人员提供一个将控制功能和要求转化成语言程序的友好平台，系 统要保证： ( 1 ) 程序开发简单、维护方便； ( 2 ) 用户界面友好； ( 3 ) 具有智能的图形及文本编辑； ( 4 ) 程序模块化封装，能重复使用； ( 5 ) 仿真调试、在线监控及组态； 硕上学位论文 ( 6 ) 编程语言兼容性好，软件的开放性强【2 4 】； ( 7 ) 系统运行稳定。 2 2 1 元件化编程引入 以一种开放式的结构来构造系统，把系统中的软硬件看作可以共享的资源， 并把它们对象化，封装成独立元件，这就是元件化【2 5 1 。元件在i e c 6 1 1 3 1 3 中也称 作p r o g r a mo r g a n i z a t i o nu n i t ，简称p o u 。 元件化编程就是一种面向对象的程序设计( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ，简 写为o o p ) 思想。o o p 方法开始于2 0 世纪6 0 年代，但直到2 0 世纪9 0 年代后期它才得 到广泛应用，这也使得现代计算机软件技术得到了飞速发展。这种方法非常适合 开发大型的软件，在可编程逻辑平台的开发过程中也采用了0 0 p 的方法。 元件化设计就是一种面向对象的设计方法。实现功能块元件化，就是对其进 行数据抽象，定义属性和方法，进行信息屏蔽和封装。在数据抽象的过程中，一 个抽象数据类型就是定义了一种相同类型的黑盒，一经定义完成，则它和程序的 其他部分不再发生交互，除非修改它的定义。按照标准格式定义对象与外界消息 的关联机制，为外界提供一个标准接口，允许外界以标准格式的消息来调用对象 的某个方法。继电保护中的元件化，就是将一些经典的继电保护功能或算法进行 功能划分，然后将每个划分好的功能或算法封装成一个独立的元件，这些元件具 有透明的外部接口，即入口和出口对外界是完全透明的，但元件的内部则一经封 装就固定不变了。 元件化是可编程逻辑在继电保护装置中使用的前提和基础。采用元件化后， 根据规范编写好的标准元件可以重复使用，每个元件既可以在程序中灵活组合， 也可以在可编程逻辑中来重新搭建功能，从而有效提高了产品在工程化中的规范 性、可靠性和安全性，也使得继电保护系统的开发周期更短【2 5 1 。 例如对于全波傅氏算法模块，把它元件化之后，系统把包含采样数据的消息 送到算法对象，而不必关心具体计算过程。而算法对象也不必关心到底是电流保 护还是距离保护，只要按照要求输出结果。 2 2 2 层次化系统结构设计 基于可编程逻辑原理的微机保护实验培训装置采用层次化平台【2 6 1 ，整个平台 相比以往平台，在编程效率、可靠性、灵活性、开放性和可扩展性方面有巨大优 势。 第一层主要是下位机硬件及其相关软件和驱动，为系统提供运行所需的物理 平台，它与第二层和第三层相对独立；第二层的i d e 软件环境为开发及维护的软 件平台；第三层由各种软件元件库构成，属于应用层范畴。可以根据需要进行裁 剪和扩张，据有很强的伸缩性和开放性。 基于町编程逻辑原理的微机保护实验装置设计 其系统结构分层如图2 1 所示，共分为3 层： 第一层：保护层指微机保护装置部分，包括下位机硬件平台、硬件驱动元件 软件库和对上位机下载到下位机的代码进行解释的解析器。 第二层：系统软件平台层是指集成开发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ) ，在i d e 内完成的工作包括：对继电保护功能模块元件化封装；绘 制反映继电保护功能原理的梯形图即组态式编程；对梯形图进行链接、编译；和 下位机进行数据通信。 第三层：元件软件层包括各种基础软件包和功能软件库：算法元件库，监控 元件库，保护元件库，通信元件库。其中算法元件包括基础元件库和由基础元件 构成的复杂元件库。 圆圈回圈。胁l 3 图2 1 系统开发层次结构图 2 2 3 平台特点 基于可编程逻辑的组态式编程与传统编程方式相比有以下突出优点： ( 1 ) 功能库的开发效率高，实现快。用户先根据逻辑图构建保护模块，经过在 线调试就可以短时间内编出复杂的程序。而传统编程方式下需手工编写代码，开 发周期长，调试困难。 ( 2 ) 继电保护知识和下位机硬件知识分离。元件库的开发者无需了解下位机工 作原理，不必学习相关硬件开发语言，就可以开发满足要求的软件库，减少学习 成本。 ( 3 ) 可扩展能力强，根据实际需要，不但可以增加新的继电保护类型，而且可 以在同一套硬件上开发测控领域和实时控制方面的功能。 ( 4 ) 软件库生命周期长，硬件平台更换后，不需要重新开发所有的元件库，对 于不同的硬件，只需要更换与硬件相应的硬件驱动库，其他库文件都可以继续使 硕士学位论文 用。 ( 5 ) 可靠性高。在传统编程方式下，针对同一个保护逻辑图，不同的编程人 员编制出的软件有差异，因此可靠性差异大，受人为因素影响大。而在基于可编 程原理下，软件库中的各个元件都经过严格测试，因此，只要保护逻辑图正确， 就能保证其相关保护功能可靠实现。 “ 2 3 可编程逻辑语言标准 i e c 6 1 1 3 1 3 是最先为工业控制系统提供标准化编程语言的国际标准【1 4 ，2 7 _ 3 0 1 。 符合i e c 6 1 1 3 1 3 的软件系统是一个结构完美、可重复使用、可维护的工业控制系 统软件，不仅能被应用在p l c 可编程控制器，而且还能被应用在运动控制系统、 分散型控制系统、软逻辑和s c a d a ( 数据采集与监控系统) 等。 i e c 6 1 1 3 1 3 极大的改变了编程软件质量，提高了软件开发效率，得到了包括 a b b 、西门子等世界知名大公司的共同推动和支持。 2 3 1i e c 6 1 1 3 1 3 标准产生背景 1 9 9 3 年国际电工委员会( i e c ) 正式颁布了可编程控制器的国际标准i e c l l 3 1 ( 以后改称i e c 6 1 1 3 1 ) ，其中的第三部分关于编程语言的标准，规范了可编程控制器 的编程语言及其基本元素【3 1 】。它的产生基于以下背景： ( 1 ) 可编程逻辑的广泛应用。可编程逻辑器件6 0 年代末诞生时，美国最大的 汽车制造商通用汽车公司g m 为了适应汽车型号不断更新的需要，公开招标需求 一种新型的工业控制装置，要求将计算机的灵活性、通用性与继电接触器控制系 统的简单、方便、价格低廉结合起来。到了8 0 年代，可编程序控制器发展成熟， 在工业控制领域占据了主导地位，它不仅仅是可以取代继电器工作的控制器，而 且具备数学运算、数值传送和处理、网络通信等功能，成为工业生产自动化过程 应用最广泛的设备之一。可编程序控制器在结构不断完善的同时，编程软件也有 了很大的发展，由最初单一的梯形图( l a d d e rd i a g r a m ) 语言发展到了有多种编程语 言可供选用。然而，各公司的编程语言都或多或少地针对自己的产品，自成体系， 为用户的使用和系统集成带来了困难。 ( 2 ) 传统语言表现出来的缺点。传统语言最常用的是梯形图( l d ) ，它的优点 是易学易用，遵从电气自动化专业人员的学习、工作习惯，但是随着可编程逻辑 器件的发展，逐步暴露出了其许多难以克服的缺点：难以实现复杂的逻辑顺序控 制操作；不能及时响应事件操作；不支持数据结构：数据处理、计算能力差，据 有很大的局限性；程序缺乏封装能力，复用性差。当用户使用一种p l c 时，它不 仅要重新熟悉其硬件结构，也必须重新学习软件编程的方法和规定。 因此，用户对软件编程标准化要求很高，而对于制造商来说为了不断满足用 基于町编程逻辑原理的微机保护实验装置设计 户的需求，则需要在编程软件到设计开发上持续投入大量的人力、物力，在很大 程度上影响了生产效率的提高。 2 3 2i e c 6 1 1 3 1 3 标准结构 i e c 6 1 1 3 1 3 标准是一种分层结构，共分为两个部分：公共元素和编程语言， 它的内容涵盖了p l c 整个生命周期的各个部分。其中包括：基本概念的定义，设 备要求和测试，p l c 编程语言，p l c 的选择安装维护，p l c 的通信等，详见图2 2 。 图2 2i e c 6 1 1 3 1 - 3 标准分层结构 2 3 3i e c 6 1 1 3 1 3 标准语言介绍 i e c 6 1 1 3 1 3 标准规定了5 中编程语言，其中梯形图( l d l a d d e rd i a g r a m ) ，功能 块图( f b d - f u n c t i o nb l o c kd i a g r a m ) ，j l 顷序功能图( s f c s e q u e n t i a lf u n c t i o nc h a r t ) 为图形化编程语言，指令表( i l i n s t r u c t i o nl i s t ) 和结构化语言( s t - s t r u c t u r e dt e x t ) 为文本化编程语言。 i e c 6 1 1 3 1 3 标准中的控制语言借鉴了高级语言的编程技术，采用高级语言的 模块化、结构化设计思想，图2 3 即为i e c 6 1 1 3 1 3 标准中控制编程过程。i e c 6 1 1 3 1 3 标准开发的程序具有完美的结构，支持进行“项一底 或“底一顶”的程序开发。 允许一个程序被分解为几个功能元素即程序组织单元p o u s ，程序组织单元包括功 能块、功能和程序。 硕士学位论文 图2 3 编程结构图 i e c 6 1 1 3 1 3 独立于任意目标系统的编程系统。它提供了标准的程序执行的语 言和方法，独立于任意具体的目标系统，所以，i e c 6 1 1 3 1 3 可最大限度地运行在 来自不同目标系统上。 ( 1 ) 梯形图( l d ) 语言作为一种面向用户的图形化编程方式，以其简单、直观、 易学易懂，易于掌握等特点，受到了电气技术人员的大力欢迎。在主要处理开关 量逻辑的p l c 领域应用非常普遍，图形化的表示方法使得程序易于理解、阅读方 便：由于没有模拟量元素，梯形图不适合用于连续过程的模拟控制。 梯形图是在继电器控制理论基础上发展起来的一种图形语言，它是用不同的 元件图符代表不同的逻辑功能指令，而用元件图符之间的顺序位置以及它们的串 行和并行连接关系来表述控制逻辑的。梯形图程序往往由许多梯阶形的控制网络 组成，它们被称为梯形图网络。梯形图网络中采用电源流来表征控制逻辑的执行 顺序，电源流只能取布尔量。电源流的流向是从左到右，它首先从左电源轨线由 逻辑状态1 “得电”然后到达所有被连接的图形对象，根据这些对象的逻辑状态， 他们或是将允许电源流传送到后继的被连接对象，或是中断电源流。 由图2 4 可知，梯形图一般由左右电源轨线、连线、触电、线圈和功能块组成， 实现各种功能的原理。 图2 4 典型梯形图结构 ( 2 ) 功能块( f b d ) 也是一种图形化的控制编程语言，它通过调用函数、功能块 基于n ，编程逻辑原理的微机保护实验装置设计 来实现程序【3 2 l ，调用的函数既可以来自i e c 标准函数库，也可以来自于自定义的 函数库。这些函数和功能块可以由5 种编程语言中的任意一种完成，包括功能块 图本身，通过连线来建立块与块之间的逻辑关系。 ( 3 ) 顺序功能图( s f c ) 是通过一系列的“步”和转换来完成复杂的运算。在 i e c 标准中一个完整的动作除了动作本身以外，还可以有该动作的执行条件，以 及一个用于指示该动作绪果的布尔量。 ( 4 ) 指令表( i l ) 是一种汇编语言风格的编程语言。众多软件工程师或高级专业 工程师偏爱i l 语言，是因为它执行速度快，效率高。但是i l 是最单调的编程语言， 编成后程序可阅读性差，不利于其他工程师和使用人员的理解和使用。但是，i l 语言是一种底层编程语言，在i e c 6 1 1 3 1 3 软件结构中作用不可替代，相当于计算 机汇编语言在程序设计中的地位。因此，在软件结构的内部，它还起到其它文本 语言和图形语言编译生成或相互转换的公共中间语言的作用。 ( 5 ) 结构化文本语言( s t ) 是一种高级程序语言，包含逻辑分支语句、多分支 语句、循环语句、等。程序设计结构化、灵活易读易学，因此可以用来编制函数 和功能块，然后由其他语言来调用。 2 3 4i e c 6 1 1 3 1 3 标准产生意义 i e c 6 1 1 3 1 3 标准的优势在于它成功地将现代软件的概念和现代软件工程的机 制结合起来，为开放式的可编程逻辑软件库的开发提供了指导性和规范性的依据。 使面向用户的变成语言具体依赖于特定的硬件产品，使p l c 程序在不同硬件之间 的移植提供了可能。这一标准为可编程控制器软件技术的发展和整个工业控制技 术的发展都带来了技术性革命。它的出现，产生了巨大的意义： ( 1 ) i e c 6 1 1 3 1 3 标准的编程系统独立于任意目标系统的编程系统。i e c 6 1 1 3 1 3 提供了标准的程序执行的语言和方法，独立于任意具体的目标系统，所以， i e c 6 1 1 3 1 3 可最大限度地运行在来自不同目标系统的硬件上。 ( 2 ) 柔性地提供多种编程语言。i e c 6 1 1 3 1 3 有三种图形化语言和两种文本语 言，编程人员可根据自己的喜好及实际应用的要求自由地选择这五种语言。一个 程序的不同部分可用任何一种语言来描述。 ( 3 ) 完备的数据类型定义。在一个i e c 6 1 1 3 1 3 程序中，可像高级语言那样， 用户在程序中对某一具体设备定义数据结构类型数据，这大大地增强了程序的可 读性，并保证了结构数据能正确地存取。 ( 4 ) i e c 6 1 1 3 1 3 标准开发的程序具有完美的结构。支持进行“顶一底”或“底一 顶的程序开发。允许一个程序被分解为几个功能元素即程序组织单元p o u s ，程 序组织单元包括功能块、功能和程序。 ( 5 ) 采用现代化的模块化原则，将常用的程序功能划分为单元，加以封装构 顾十学位论文 成编程基础，还将信息隐藏于模块内，对使用者来说只需了解模块的外部特征， 无需了解内部各个功能块的具体实现和算法。 i e c 6 1 1 3 1 标准的制订促进了软p l c 技术的出现和发展。基于i e c 6 1 1 3 1 3 标准 的软件运行于p c 环境，构成开放性系统，使之能方便而又可靠地连接不同供应商 的各种i o 装置、现场总线、网络、p c 机等，从而满足了系统最佳化要求，它完 全克服了传统p l c 的缺点。 2 4 小结 本章介绍了基于可编程逻辑思想、元件化和组态式编程及其语言标准，详细 介绍了关于五种编程语言的要求。研究了可编程逻辑的特点，分析了元件化和组 态式的优势，仔细研究了i e c 6 1 1 3 1 3