（电力电子与电力传动专业论文）pa300综合数字继电器硬件平台研究.pdf

a b s t r a c t 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t p a 3 0 0 ，t h en e wc o m p r e h e n s i v ed i g i t a lp r o t e c t i v er e l a yi np o w e rs y s t e m ，w h i c h i sd e v e l o p e db yt h e n a n j i n gi n t e l l i g e n ta p p a r a t u sc o ，l t d ，a d o p t st h em o d e m e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , c o m p u t e r t e c h n o l o g y , a n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya sw e l l f i r s t l y , a f t e ri n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n ta n dt h ep r e s e n ts i t u a t i o no f t h es u b s t a t i o na u t o m a t i o n s y s t e ma n dt h er e l a yp r o t e c t i o n ，t h i sd i s s e r t a t i o ng i v e s ao v e r v i e wo ft h ep a 3 0 0 ，w h i c hi n t e g r a t e s m u l t i - p r o c e s s o rt e c h n o l o g y , r e a l - t i m em u l t i t a s ko p e r a t i n gs y s t e m ( r t o 蚋t e c h n o l o g y , p r o g r a m m a b l e l o g i cc o n t r o l l e r ( p l c ) t e c h n o l o g y , t h e e t h e m e tn e t w o r k t e c h n o l o g y , t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s st e c h n o l o g y , a n ds o o n s u b s e q u e n t l y , t h i s a r t i c l e p r e s e n t s t h e r e l a y s o v e r a l l p e r f o r m a n c ea n da l l k i n d so f p a r a m e t e r s s e c o n d l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r eo f h a r d w a r e ，e s p e c i a l l y t h ed a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i a n d t h ei n t e r f a c eb e t w e e nm c 6 8 3 3 2a n dt m $ 3 2 0 f 2 4 0 ，e t c t h es o r w a r eo ft h ea p p a r a t u si sm a d eu po ff o u rm o d u l e s ，t h a ti s ，m a i nm o d t i l e ，c o m m u n i c a t i o n m o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s sm o d u l e ，a n dh u r b a nm e c h i n ei n t e f f e c em o d u l e ，w h i c hf i f ea l i b a s e do i lr t o s w e b a s i c a l l yd i s c u s st h et a s k s ，p r o g r a mi d e a , a n ds t r u c t u r eo f t h e d a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s sm o d u l e t h en e x ti sa b o u tt h ef f t a l g o r i t h m ，i n c l u s i v eo f h o wt h ef f t 6 4i sr e a l i z e do nf i x e d - p o m td s p , h o wt os o l v et h ep r o b l e mo fo v e r f l o w , a n dp r o g r a ms k i l l s w h a ti sm o r e ，w ed i s c u s st h ef r e q u e n c y t r a c i n g a n d s y n c h r o n o u ss a m p l i n g a n dh o wt oc o m p e n s a t et h et h ed e c a y i n gd i r e c tc u r r e n tw i t ha r b i t r a r y d i e - a w a yt i m ep a r a m e t e r i na d d i t i o n ，an e w m e t h o do fe v o l u t i o nw i t hc o m b i n gn e w t o ni t e r a t i o na n d t a b l ei n q u i r yi ss u g g e s t e d k e y w o r d s r e l a yp r o t e c t i o nd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m a l g o r i t h m 一、学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 本人签名： 日期： 邋 二、关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 本人签名： 导师签名： 日期： 名鏖丞 第一幸诸栳 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 变电站综合自动化概述 1 1 1 变电站综合自动化基本概念 变电站是电力系统中不可或缺的重要环节，担负着电能转换和电能重新分配的的繁重任务， 对电网的安全、经济运行起着举足轻重的作用。传统的变电站存在诸多缺点，例如安全性、可靠 性不能满足现代电力系统高可靠的要求；供电质量缺乏科学保证；占地面积大，增加征地投资； 不能适应电力系统快速计算和实时控制的要求；维护工作量大，设备可靠性差，不利于提高运行 管理水平和自动化水平等。 由于传统变电站这些缺点，为解决这些矛盾，近年来变电站综合自动化得到了迅速的发展。 变电站综合自动化是将变电站的= 次设备( 包括测量仪表、信号系统、继电保护、自动装置和远 动装置等) 经过功能的组合和优化设计，利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信 号处理技术，实现对全变电站的主要设备和输、配电线路的自动监视、测量、自动控制和微机保 护，以及实现调度通信等功能。 变电站综合自动化具有许多优越的特点；( 1 ) 极大地提高了电力系统的运行的自动化水平， 减轻了值班员操作量和维护量，若采用无人值守模式还可以提高劳动生产率；( 2 ) 全面提高运行 的安全性、可靠性和经济性；( 3 ) 采用当代计算机和通信技术，改变了传统二次设备模式，信息 共享，简化了系统，减少了连接电缆，减少占地面积，降低造价，改变了变电站的全貌；( 4 ) 随 着电网复杂程度的增加，变电站能够提供更多的信息，以便各级调度中心能及时掌握电刚及变电 站的运行情况；( 5 ) 由于具有电压、无功自动控制等功能，可以大大提高供电质量、电压合格率。 国际大电网会议w g 3 4 0 3 工作组分析了变电站自动化功能大概有6 3 种，根据我国的情况， 归纳起来可以体现在以下五类子系统功能之中： 1 1 2 变电站综合自动化基本功能 ( 一) 监控子系统的功能 监控子系统取代了常规的测量系统、指针式仪表，常规的操作机构和模拟盘，常规的告警、 报警、中央信号、光字牌，以及常规的远东装置等，具有以下几个主要功能： ( 1 ) 数据采集功能：包括模拟量、开关量、和电能量； ( 2 ) 事件顺序记录s o e 功能：包括断路器跳合闸记录，保护动作顺序记录。 ( 3 ) 故障记录、故障录波和测距：1 1 0 k v 以上重要输电线路距离长、发生故障影响大，通过 设置故障录波和测距，可以尽快找出故障点，缩短修复时间，减少损失。而故障记录是记录继电 保护动作前后与故障有关的电流量和母线电压； ( 4 ) 操作控制功能：操作人员通过c r t 屏幕对断路器、隔离开关进行分、合操作，对变压 器分接开关位置调节控制，对电容器投、切控制等； ( 5 ) 安全监视功能；对采集的电流、电压、频率、主变压器温度等，进行越限监视若发现 越限，立即告警，并记录、显示越限时间和越限值； ( 6 ) 人机联系功能：彻底改变了传统的依靠指针式仪表和模拟屏等手段的操作方式，能够对 保护定值，越限值等进行修改，显示采集和计算的实时运行参数，主接线图，事件顺序记录s o e ， 越限报警，值班记录，历史趋势显示等等； ( 7 ) 打印功能：包括定时打印报表和运行日志，开关操作记录打印，事件顺序记录打印，越 限打印，召唤打印，事故追忆打印以及抄屏打印等； 第一幸谙话 东南大学硕士学位论文 ( 8 ) 数据处理与记录功能：主要是进行历史数据的形成和存储，并进行一些数据统计 ( 9 ) 谐波分析与监视功能。 ( 二) 微机继电保护子系统 主要功能有： ( ”高压输电线路的主保护和后备保护： ( 2 ) 主变压器的主保护和后备保护； ( 3 ) 无功补偿电容器组的保护； ( 4 ) 母线保护； ( 5 ) 配电线路的保护； ( 6 ) 不完全接地系统的单相接地选线。 ( 三) 电压、无功综合控制子系统 ( 四) 低频减负荷控制子系统 ( 五) 备用电源自投控制子系统 1 2 微机继电保护装置的发展与现状 继电保护是变电站综合自动化的子系统，是保证电力系统安全运行的重要措施之一。微机继 电保护的软硬件设置既要与监控系统相对独立，又要相互协调。也就是说，在系统运行中，继电 保护的动作只与保护装置有关，不依赖于监控系统的其它环节保证任何其它环节故障只影响局 部功能的实现，不影响保护子系统的正常工作，但与监控系统要保持紧密通信联系。 继电保护装置的任务之一是当被保护的电气元件( 如发电机、变压器、输电线、母线、电动 机等) 发生故障时，保护装置迅速动作，使断路器跳闸，将故障的电气元件从电力系统中切除， 使损失减小到最小，以保证无故障部分继续正常运行；其二是反映电气元件的不正常工作情况。 当出现不正常工作状态时，保护装置发出信号，告诉值班人员进行处理，在无人值守情况下还可 以自动进行调整或将那些继续运行会引起事故的电气设备切除，并允许有一定时延。 继电保护装置经历了电磁式、晶体管式、集成电路、微机保护四个主要阶段。 电磁式继电保护装置的核心是基于电磁感应原理的有触点继电器，其缺点是动作速度慢、灵 敏度低、抗震性差以及可动部分有磨损等。而晶体管继电保护装置虽然具有体积小、重量轻、消 耗功率小、灵敏度高、动作迅速、不怕震动、无磨损等一系列优点，但是晶体管保护装置也有抗 干扰能力差、装置本身的质量不是很稳定等明显的缺点。 二十世纪7 0 年代，计算机本身发生了重大突破，大规模集成电路技术的飞速发展，微型处理 器和微型计算机进入实用阶段，集成电路继电保护装置代替了晶体管继电保护装置。成为静态型 继电保护装置的主要形式，微机继电保护装置由于具有智能，得到了更加广泛地应用，成为继电 保护装置的重要形式。 微机继电保护具有比以往继电保护装置所不具备的优越性： ( 1 ) 灵活性强：同样的硬件平台可以实现不同原理的继电保护，只要换以不同的程序即可； ( 2 ) 综合判断能力强：由于微机的强大的逻辑判断能力，可以实现以往继电保护不能实现的 功能； ( 3 ) 性能稳定，可靠性高：相同类型保护装置只要程序相同则保护功能必然一致，而且器件 的高度集成增强了稳定性； ( 4 ) 微机保护利用其记忆功能可以明显改善保护性能，提高灵敏性； ( 5 ) 可以实现故障自诊断，自闭锁，自恢复； ( 6 ) 体积小，功能全； 2 第一幸诸话 东南大学硕士学位论文 ( 7 ) 运行维护工作量小，现场调试方便。 但是在微机继电保护产品初期，因为处理器本身和其它相关器件功能和价格的限制，刚开始 都应用在重要的高压线路、设各上，而且一般只能完成继电保护的基本功能，实现对某单一保护 对象的保护。如我国成功开发并广泛应用的w x b 一1 1 型微机线路保护装置。传统继电保护产品大 部分采用l e d 、数码管等简单的显示方式，故障记录采用打印、l e d 指示等，一般不具备测量、 控制、通讯等功能。 随着微电子技术的发展，各种物美价廉、功能强大的微处理器及其它相关大规模集成电路器 件得到了广泛应用。这使得微机继电保护装置得到了很大的发展，其应用范围越来越大，功能也 越来越强大。微机保护在原理上已经覆盖常规保护的各种类型外，还有了很多新的发展，实现了 以前难以实现的各种保护原理。微机保护现在能满足各种输电线路结构、各种电压等级的需要。 在高压系统、超高压系统中，微机保护装置已经占据了统治地位。 现在的微机继电保护装置，在测量功能上不仅可以测量计算出电压、电流、功率等参数，还 可以计算出如零序电压、零序电流等很多过去难以测量的数据，甚至还可以谐波分析。在保护功 能上，采用不同的装景几乎可以实现所有基本的输电线路、变压器、发电机、电动机和母线保护 等保护功能。在显示和控制功能上，采用了液晶显示器( l c d ) 。增加了更多的控制功能键，可以 显示更多的测量数字信息及相关的文字信息，实现更复杂的控制和管理功能。另外很多装置还增 加了故障录波、事件记录和追忆、装置自检等功能。更重要的是有的装置还增加了通讯接口，通 过该通讯接口可以将很多装置和计算机通过网络连接起来形成一个分布式控制系统，这样各种智 能装置可利用该通讯接口将各种测量和处理结果通过网络上传给上位计算机，然后利用计算机强 大的功能将数据进行记录保存并进行更进一步的处理分析，同样，装置也能通过通讯接口接收上 位机的各种命令从而实现远方管理和控制功能。 国内目前研制开发的综合自动化系统的代表产品有南瑞公司的i s a 系列、r c s 9 0 0 0 系列综合 自动化系统、东方电子的i ) f 3 0 0 3 变电站自动化系统等。国内的综合自动化系统分为两种类型： 一种是采用测控装置与保护装置分开，通过相互通讯连接构成的系统，即采用数字保护装置与测 控装置共同组成的变电站自动化系统。以东方电子为例，保护装置采用s i f 她n s 保护系统，配置 7 s a 5 2 2 输电线路距离保护继电器、7 s d s l l 5 1 2 电流保护继电器，以实现保护功能；测控装置配 置的是d f l 7 2 0 分散式测控装置，实现遥测、遥信、遥控、电度量采集等，并且配置d f l 8 0 0 综合 监控系统实现整个系统的通讯、一次系统的显示、事件的记录、报表的处理等当她监控功能。另 一种是采用具有综合功能的装置，如r c s 一9 0 0 0 系列保护测控装置，将保护功能和测控功能集成 于一体，实现继电保护、测量、控制等功能。系统的构成采用分散式保护测控装置构成一个分层 分布式系统，按一个元件( - - 个问隔) 对应一个装置分布式设计配置，直接就地安装在高压开关 柜上，各间隔功能独立，各装置之间仅通过网络通讯联结，信息共享，通过主机进行远程控制。 国外最新发展的代表产品有a b b 公司的r e f 5 4 1 5 4 2 继电器，s e g 公司的c s p 卜f 系列组合控 制和保护继电器，s i 眦n s 公司的s i p r o t e c7 s j 5 3 1 、7 s j 6 1 6 2 6 3 多功能保护继电器等产品。 这些新型微机型继电保护装置普遍具有以下特征： 一、采用面向对象的分布式结构，保护功能高度集成。在中低压系统中，微机保护装置根据 所保护对象的不同，可分为馈线保护单元、变压器保护单元或电动机电容器保护单元等，各个单 元都能完成该对象的大部分保护功能。 二、集各种功能于一体。现有的微机继电保护装置不单完成继电保护功能，它通常集保护、 测量、控制、监视及通信功能于一体，所以也称之为综合数字保护装置。微机继电保护装置能做 到很高的计量精度。一般都能测量系统的在线电压、电流、功率及功率因数等，供用户实时分析 系统的运行情况，有的甚至可以提供高次谐波。 第一倍话 东南大学硕士学位论文 三、友好的人机操作界面。现在微机保护装置通常采用大屏幕图形液晶，能显示各种复杂的 信息。 四、强大的通信功能。随着现场总线技术的发展，微机保护装置普遍使用l o n w o r k s 、c a n b u s 、p r o f ib u s 等总线，放弃了主从通信结构，使得每一个保护装置都是网络中的一个对等的 节点，采用c d m a 冲突碰撞检测机制，每一帧数据包有不同的优先级，从而可以减少重要数据 的延迟等待时间，也使装置之间联动互锁更为简易。现场总线也提供了到上一层网络的接口，可 以将微机保护装置连接到s c a d a 系统中，实现远程通信下载等功能。 五、p l c 功能。最新的微机保护装置( 如s i e m e n s 的7 s j 6 3 型综合测控保护单元) 都集成 了p l c 可编程逻辑控制功能，厂商或用户可以现场配置输入、输出和保护控制之间的逻辑关系， 用“软”连接替代了“硬”连接，从而当改变该装置的功能时，仅需在p c 机改变不同模块之间 的连接关系，然后下载到装置中的非易失r o m 中即可。 另外，最近的发展趋势是将分布式变电站s c a d a 功能集成到微机保护继电器中，使保护和 s c a d a 共用一个硬件平台，国外称之为p r os c a d a 策略，可以实现很明显的经济效益。 我国国内众多生产继保产品厂家生产的产品系列中，真正能够跟国外产品在功能、可靠性和 稳定性以及外观上相提并论的却很少，多数的厂家是靠价格和国外厂家争夺市场。很多厂家认识 到这一点，所以在产品开发方面投入了比以往更多的人力和物力，争取在技术上赶超世界先进水 平。国内国外的形势压力和相关领域技术发展所提供的新机遇，促使了许多新产品的推出和开发 项目的提出，促进了更多的科技工作者在继保行业进行新的探索。综合数字继电器p a 3 0 0 就是在 这样一种大环境下提出来的开发项目，其指导思想是：结合我国国情，探索新技术在继电保护领 域的应用。 p a 3 0 0 ，作为一种新型的继电保护装置，它可以完成数据采集与处理功能( 包括对电流、电压、 有功、无功、功率因数、电度量等的采集和处理) 、对线路和设备的保护功能( 包括主变差动保 护、电流速断、瓦斯保护等) 、故障录波功能( 包括对故障进行录波和显示录波曲线，对开关跳 闸、故障类型进行显示和记录等) 以及与上位机或其他设备进行通信的功能。另外。p a 3 0 0 中各 种保护定值可以在线修改。 以下对p a 3 0 0 做具体的介绍。 1 3 综合数字继电器p a 3 0 0 简介 p a 3 0 0 之所以称为综合数字继电器是因为它集保护、测量、控制、监视及通信功能于一体。 在p a 3 0 0 的整个设计过程中，借鉴了国外同类继保产品和p l c 的优点，并结合了我国国情，使之 具有自己的特色。具体说来，主要表现在： 1 3 1 多处理器结构 随着电力系统自动化的发展，继电保护所要完成的工作越来越复杂只使用单个的处理器往 往很难满足实际应用的需求，因而当前的继电保护装置一般都采用了多处理器结构。在多处理器 结构继电保护装置中，通常按功能划分为几个相对独立的功能模块，每一个模块由一个微处理器 承担，从而形成一个松耦合的多处理器系统。由于采用了多处理器结构，在一定程度上实现了并 行处理，使系统速度大大的提高，处理能力大大增强。另外功能的相对分散还可以使系统更加 稳定可靠。 本装置按照功能可以划分为四个模块：主模块、数据采集模块、通讯模块和人机接口模块。 它们分别由四个c p i j 来实现的，即主模块采用m o t o r o l a 公司的3 2 位单片机1 d c 6 8 3 3 2 ，数据采集 模块采用t i 公司的数字信号处理器t e s 3 2 0 f 2 4 0 ，通讯模块采用c i r r u sl o g i c 公司的以太网控制 4 第一幸诗诒 东南大学硕士学位论文 器c s 8 9 0 0 a ，人机接口模块采用a 邶公司的x x 3 8 6 。 ( 一) 先进的3 2 位工业级芯片m c 6 8 3 3 2 m c 6 8 3 3 2 是m o t o r o l a 于1 9 8 9 年推出的3 2 位微处理器，它具有较高的执行速度、较高的稳 定性、很强的数据处理功能。 m c 6 8 3 3 2 是一种模块化结构芯片，它包含以下几个微处理模块：系统集成模块( s i m ) 、中央 处理单元( c p u 3 2 ) 、时间处理单元( t p u ) 、串行队列处理模块( q s m ) 以及静态r a m 模块( s r a i ) 。 ( 二) 1 6 位d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 4 0 数字信号处理器d s p 是一种具有特殊结构的微处理器，它特别适合于进行数字信号处理运算， 可以用它来实时快速的实现各种数字信号处理算法。它之所以与普通m c u 有不同之处，在于它的 特殊的软硬件结构： 哈佛结构：计算机的硬件结构主要有两种：哈佛结构和冯- 诺依曼结构。所谓冯诺依 曼结构是指数据存储器、指令存储器在一个统一的地址空间，依靠指令计数器提供的地 址来区分是指令还是地址。这是传统的单片机采用的体系结构，而现代d s p 采用的都是 哈佛结构。哈佛结构是指数据存储器、指令存储器分别在不同的地址空间，每个存储器 独立编址，独立访问，使数据吞吐率比冯诺依曼结构提高了一倍： 流水线操作：就是说，微处理器可以同时处理多条指令。根据并行处理的指令几条指令， 我们可以称之为几级流水线操作。例如t m s 3 2 0 f 2 4 0 具有4 级流水线操作，那么它就晟 多同时能有4 条指令在执行，它具有四个独立的阶段：取指令、指令译码、取操作数和 指令执行。任何给定的周期内，可以有一至四条不同指令被激活，每条指令处于不同阶 段。流水线对用户对来说是透明的： 专用的硬件乘法器：在数字信号处理过程中，乘法运算是重要的运算，乘法的速度越快， 则该d s p 的性能就越高。传统的微处理器中，乘法指令是由一系列的加法来实现的，需 要很多指令周期才能完成。现代d s p 芯片采用了具有单指令周期的硬件乘法器，极大提 高了运算速度； 特殊的适合数字信号处理的指令集：例如t m s 3 2 0 f 2 4 0 提供的用于f f t 的比特反转寻址 方式；用于程序数据管理的存储块移动指令；重复指令r p t 可以使下一条指令重复执行 指定次数而不增加额外的执行时间，与t b l r 、t b l w 、i n 、o u t 、m c a d 等指令结合 使用可以提高运行效率。 微机继电保护需要将各种物理量采集转化成数字量，并进行大量计算处理求得信号的实时值， 然后根据各种保护原理通过复杂的逻辑组合从而实现各种保护功能。在采用m c u 的普通的继电 保护装置中，m c u 运算能力是有限制的，存在保护实时性和保护精度的矛盾。也就是说，如果 要保证继电保护的实时性，就很难保证处理的精度要求。如果要提高装置保护精度，就需要采用 一些比较复杂的算法来进行数据处理，但这样一来装置的实时性能又要下降。为了解决这一矛盾， 本装置采用了t i 公司的t m s 3 2 0 f 2 4 0 专用d s p 芯片进行数据的采集和处理工作，使m c 6 8 3 3 2 减轻了负担，可以腾出时间作各种保护工作。在装置的性能得到了大幅度地提高的同时，也满足 了继电保护的实时性要求。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是t i 公司生产的新的d s p 系列t m s 3 2 0 c 2 x x 中的一种，执行速度达到2 0 m i p s ( 每 秒2 0 m 条指令) 几乎所有的指令都可以在5 0 n s 的单周期内完成。 t r s 3 2 0 f 2 4 0 作为数字信号处理器，具有一般d s p 所具有的特殊的软硬件结构外，它还具有如 下功能和特点； 1 访问空间 t 缸s 3 2 0 f 2 4 0 采用的是改进的哈佛结构，除了相互独立的程序空间和数据空间外，还增加了第 5 第一幸街话 东南大学硕士学位论文 三类可访问空间，即i 0 空间。i o 空间由1 6 个输入口和1 6 个输出口组成，这些口可提供全1 6 位并行i 0 接口。i o 操作可以通过i n ( 输入) 和o u t ( 输出) 指令完成，典型执行周期是2 个， 但是若使用重复指令r p t ，就可以变成单周期指令。i o 空间寻址范围2 ”= 6 4 k 字。 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是一颗1 6 位定点d s p ，它的程序空间寻址范围是：2 1 6 = 6 4 k 字； 1 瑚$ 3 2 0 f 2 4 0 中的 f 代表芯片内集成了1 6 k 字的f l a s he e p r o m ，地址范围是0 0 4 0 h 3 f f f h 。 它的数据空间比较特殊，数据存储器可以分为局部数据存储器和全局数据存储器两种。局部 数据存储器空间寻址范围也是：2 8 = 6 4 k 字，在芯片内低3 2 k 空间还集成有大小为5 4 4 字的d a r a m 。 局部数据存储器的高3 2 k 字( 8 0 0 0 h f f f f h ) 可和全局数据存储器共享，通过全局存储器分配寄 存器g r e g 配置情况来选择8 0 0 0 h f f f f h 这段空间是映射到局部数据存储器还是全局数据存储 器，外部信号的区分是由b r 信号指示是访问全局数据存储器，还是局部数据存储器。全局数据 存储器是一块附加的地址空间，用于和其它处理器共享数据或用作附加的数据存储空间，它的寻 址范围是3 2 k 字。 所以，t m s 3 2 0 f 2 4 0 总共寻址空间为：6 4 k 字程序空间+ 6 4 k 字局部数据空间+ 6 4 k 字i 0 空间 + 3 2 k 字全局数据空间= 2 2 4 k 字。 2 中央处理单元 包含中央算术逻辑单元c a l u 实现大动态范围内的算术和逻辑运算；一个3 2 位累加器a c c ， 可以分为高1 6 位的a c c h 和低1 6 位的a c c l 两段分别进行存储；3 2 位输出移位器可将a c c 的高位 字和低字位在送入数据存储器前进行移位。 3 硬件乘法器 t m s 3 2 0 f 2 4 0 使用1 6 位1 6 位硬件乘法器m u l ，能够在单周期内产生有符号或无符号的3 2 位 结果。有两个寄存器与乘法器有关：( 1 ) 1 6 位的暂时寄存器t ，用来保存一个乘数；( 2 ) 3 2 位乘 积寄存器p 保存乘积结果。 乘积寄存器p 的输出可以左移0 、1 、4 位，这对实现小数算术运算或调整小数乘积很有用； 右移6 位可以连续执行1 2 8 次乘加而无溢出。 4 辅助寄存器算术单元 辅助寄存器算术单元a r a u 完全独立于中央算术逻辑单元c a l u ，主要是在c a l u 操作的同时执 行8 个辅助寄存器a r 7 a r o 上的算术运算。这8 个辅助寄存器a r 7 a r o 提供了灵活而强大的间 接寻址能力。例如用作地址发生器辅助算术单元。当其它处理单元完成一个乘法和累加任务的同 时，a i l a u 已经完成了下一个地址的寻址工作，为下一次运算做好了充分的准备。这样极大提高了 运算速度，而且可以提供更加强大灵活的寻址能力，如用于基一2f f t 变换的位反转变址寻址能 力。 5 丰富的外设功能 t m s 3 2 0 f 2 4 0 是专为基于控制的应用而设计的，因此，它不仅具有高性能的“c 2 ) 【l p ”内核c p u ， 而且在不牺牲系统原有精度和性能的前提下，集成了丰富的微控制器的外设功能。 功能强大的事件管理器包括1 2 路比较p 删通道，其中9 路为独立；3 个1 6 位通用定时器， 这些定时器共有6 种工作模式；3 个具有死区功能的全比较单元；3 个单比较单元；4 个捕获单元， 其中两个具有直接连接正交编码器脉冲的能力。 两个1 0 位 d 转换器：2 8 个可编程的多路复用i 0 引脚；可编程的基于锁相环( p l l ) 的时 钟模块：串行通讯接口( s c i ) 以及串行外设接口( s p i ) 。 6 程序控制 四级流水线操作：八级硬件堆栈；六个外部中断：功率驱动保护中断、复位、n m i ( 不可屏蔽 中断) 以及三个可屏蔽中断。 6 第一t 铸话 东南大学硕士学位论文 ( 三) 以太网控制器c s 8 9 0 0 a 变电站综合自动化系统实质上是由多台微机组成的分级分布式的控制系统，包括微机监控、 微机保护、电能质量自动控制等子系统。因此在变电站内部( 各个子系统以及子系统的内部) 必 须通过数据通讯实现信息交换和信息共享，减少投资，简化连接。例如，主、后备继电保护工作 状态、互锁，相关保护动作闭锁的数据交换等。另一方面，变电站综合自动化系统还要将测量信 息和各断路器、隔离开关的状态信息，以及继电保护的动作信息传送给各级调度中心，同时接受 各种操作和调控命令。 现在电力自动化系统中采用的主要有阻下三种网络结构形式进行数据通讯： 第一种是现在还大量采用的主从式的总线网络。这种结构的网络以计算机为中心，通过r s 4 8 5 或r s 4 2 2 接口总线将各种具有通讯功能的智能化设备连接起来，采用上位机( 计算机) 问下位 机答的方式进行通信，从而实现遥控、遥测、遥调、遥信四遥功能。由这种总线网络构成的集散 控制系统( d c s ) 可以实现小自动化系统的优化控制。但存在系统封闭，各厂家的产品自成系统 等缺点。因而不同厂家设备间不能互联，互换性和互操作性差。难以构成大的自动化系统。 第二种是微机保护装置开始普遍使用l o n w o r k s 、c a n b u s 、p r o f b u s 等现场总线。现 场总线放弃了主从通信结构。不仅把d c s 系统变成了新型的全分布式结构，使得每一个保护装 置都是网络中的一个对等的节点，而且将现场总线变成了基于公开化、标准化的解决方案。现场 总线一般采用c s m a 冲突碰撞检测机制，有的还有优先级机制从而可以减少重要数据的延迟等 待时间，也使装置之间联动互锁更为简易。现场总线也提供了到上一层网络的接口，可以将微机 保护装置连接到s c a d a 系统中，实现远程通信及下载等功能。但是，现场总线网络相对还是比 较慢，而且在与计算机进行连接时，还需要专门的网关。 第三种就是以太网。以太网采用总线型拓扑结构，有许多突出的优点：可靠性高，灵活性好， 传输速率高( 传输速率可达l o w l o o m b p s ) 。随着以太网的应用普及，以太网也开始在电力系统 中得到应用。这里的以太网是指又微机保护装置和计算机直接通过以太网互联面构成的对等网络 结构。在这种网络结构中，不仅保护装置之间是对等的，而且计算机作为“上位机”的概念已经 变得非常模糊，因为“上位机”也是这种对等网络结构中的一个相对独立的节点( 之所以仍然称 之为“上位机”是为了符合传统习惯而已) ，因此计算机与保护装置之间也不存在主与从的关系 了。 因为在电力系统中，不仅存在计算机和保护装置闯的召唤一应答工作方式从而实现集中监控， 而且还要求节点之间能够相互通讯，从而实现诸如闭锁和联动之类的更复杂功能，所以本装置在 设计时考虑的是使用以太网的通讯方式。本装置的以太网是采用了c r y s t a l 公司的以太网控制器 c s 8 9 0 0 a 来实现的。c s 8 9 0 0 a 内部集成有1 0 b a s e - t 和a u i 两个接口，通讯媒介支持光纤、双绞线 或同轴电缆。g s 8 9 0 0 a 内部集成的功能模块使主c 9 0 可以不关心数据链路层和物理层数据的具体 处理过程，只需要将应用层数据进行适当处理即可。而c s 8 9 0 0 a 有很强的中断控制能力。具体的 数据帧格式采用了符合国际标准i e c 8 7 0 - 5 1 0 3 ( 我国行业标准d l t6 6 7 1 9 9 9 ) 定义的数据帧格 式f t l | 2 ，能迅速可靠地传送各种可能的数据类型。 1 3 2 实时多任务操作系统协调多处理器工作 p a 3 0 0 采用了实时多任务操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m r t o s ) 。这增强了软件的 可靠性，也使软件的“工业化”生产成为可能。同时，采用这种带优先权的多任务操作系统，可 以满足电力系统对实时性的要求。 1 3 3 采用了终端可编程思想 以往许多数字继电保护装置的保护单元控制对象单一，保护单元之间不能互换，用户需要根 7 第一幸错话 东南大学硕士学位论文 据不同的保护对象( 如变压器、馈线、电容器等) ，选用不同型号的保护单元，给用户和生产厂 家带来了不便。另外，每个装置单元的保护逻辑及端子定义出厂时已经确定好，用户必须按照厂 家的的说明书布线、安装。如果以后更新保护逻辑或变动外部进线，就要重新接线，或者选用新 的装置单元并请生产厂家编出相应的软件。 为了提高数字继电保护的通用性和灵活性，硬件设计应该标准化，使不同对象在外形设计和 电路设计上应具有互换性；软件上可借用国际上已成熟的可编程控制器( p l c ) 的思想，将它和 数字继电保护融合在一起实现继电保护的可编程。从而用户在购买了通用的硬件平台装置后， 可以根据具体需要，在线修改保护逻辑以及和外部输入的相互闭锁等关系，将之应用于不同的继 电保护类型。 采用了可编程思想的数字继电保护装置，其工作原理如下： ( 1 ) 将数字继电保护装置的保护单元的硬件制作完成，将r t o s 及一些基础模块运行调试通 过，然后固化在e p r o m 中，交给用户使用； ( 2 ) 用户( 或厂商) 在计算机( 或专用的可编程编码器) 上，针对不同的继电保护类型，利 用厂商的开发工具，编制自己的逻辑继电保护程序； ( 3 ) 将继电保护程序编译后，通过通信线下载到装置单元，写入f l a s h r o m ，校验无误后 再运行，即可完成指定的继电保护功能。 1 3 4 装置的其它特点 绝大多数国外产品的屏幕显示以及菜单提示都采用的是英语( 或其他非中文语种) ，这对我国 的现场操作人员来说，是个不小的障碍，使用起来有一定的难度；而且许多产品一般也不具有显 示一次接线原理图的功能。p a 3 0 0 采用超大液晶( 2 4 0 x 3 2 0 ) 可以显示一次系统原理图，且屏幕 显示及菜单提示全部汉化，所以p a 3 0 0 更适合于我国的国情。 而在开关量输入和输出模块分别采用了光电隔离技术和继电器隔离技术，将引进干扰的通道 切断，隔离的强电和弱电，使装置和现场只保持信号联系，而不发生直接的电联系，从而保证了 装置可靠稳定的工作和设备与操作人员的安全。 p a 3 0 0 的通信信号线采用带屏蔽的两对双绞线，可以对工业现场的噪声进行有效的隔离：而以 太网控制器和外部的信号线之间的连接则采用了带厄流线圈的隔离变压器。 另外，装置的主要芯片采用表面贴装技术，采用了四层板布线，从而大大减小了装置体积， 提高了硬件系统的抗干扰性及工作可靠性。 1 3 5p a 3 0 0 实现的功能及技术参数 1 、保护功能： 线路保护： 三段电流保护、反时限过电流保护 电流闭锁电压速断保护 过电压和低电压保护 自动重合闸 接地保护 方向过电流保护 距离保护 电动机保护： 相间短路保护 定子过载保护 8 第一诺栳 东南大学硕士学位论文 反时限保护 堵转保护 单相接地保护 低压保护 变压器保护： 瓦斯保护 温度保护 过流保护 过负荷保护 差动保护 2 、控制功能： 通过键盘控制开关元件 遥控开关 联动控制 3 、测量和计量功能： 测量电流i ，电压u ，有功p ，无功q ，功率因数c o s p 零序电流和零序电压 计量有功电度即，无功电度阳，视在电度骼 脉冲电度计量 检测开关电气的状态 谐波分析功能 4 、本地显示功能： 显示一次系统图 显示所有实时测量值 显示各种设定值 显示故障信息和事件记录 显示实时波形 5 、远方管理功能： 远方实时测量值显示 远方定值整定和系统调整 远方实时波形显示 远方故障录波 6 、附加功能： 跳闸回路监视 多级的可加密的各种定值设定，提高了装置的可靠性。 故障滤波 软件、硬件的自检和报警输出。 7 、通讯功能： 以太网标准的接口 当地r s 2 3 2 接口 8 、断路器在线监测功能： 9 、事件追忆功能： 9 第一础栳 东南大学硕士学位论文 l o 、主要硬件： 模拟量输入，1 0 个电流互感器，4 个电压互感器 1 6 个用户可定义的模拟量输入 数字量输入与输出，1 9 个二进制输入，6 个信号继电器和6 个功率继电器输出 1 l 、性能参数： 计量精度 内容条件精度 电流 1 0 一1 2 0 i n 0 2 电压 1 0 一1 2 0 9 u n 4 - 0 2 有功功率 1 0 0 m s 1 4 本课题的主要工作 本课题是南京因泰莱电器有限公司在研究国内外继电保护发展趋势，结合p a 3 0 0 开发的指导 思想，开发的一套在国内较先进的综合数字继电器，目前已经投入运行。本人在将近两年的时间 里主要参予的工作有： 一、参与了硬件电路的设计和p c b 图的绘制： 二、参与完成了数据采集部分的硬件调试以及与主模块的对接调试； 三、研究并完成了数据采集与处理的算法研究： 四、参与完成了数据采集与处理软件的编程和调试； 五、作为r t o s 的一个任务，研究编制了变压器保护功能； 1 0 第二幸蔓i 置厦僻孽话筒奇 东南大学硕士学位论文 2 1 硬件总体结构 第二章装置硬件系统简介 硬件电路是实现系统功能的基础，硬件设计应该围绕系统功能的要求进行，它的设计除了要 考虑实现系统的功能外，还要充分考虑到软件实现的方便、简单、合理。 装置的原理如图2 1 所示。本装置采用主体部分、人机接口部分相互分开的结构。人机接口 部分是由x x 3 8 6 来实现：而主体部分又是由主模块、数据采集模块、通讯模块三个部分组成。这 三个模块的实现是由三个c p u 分别完成的，它们分别是：摩托罗拉3 2 位高性能单片机m c 6 8 3 3 2 ， 它负责主模块的实现，完成对整个系统中运行的各个任务的管理和调度，人机对话，开关量的采 集、输出等任务；数据采集模块的c p u 采用的是德州仪器公司t m s 3 2 0 f 2 4 0d s p 。模块的具体工作 流程分两路：一路是经开关柜在线检测电路，进入d s p 内置的两片a d 转换器进行转换；另一路 由外部二次侧电压、电流经过电压、电流互感器，信号调理电路，转换为5 v 交流信号，再经过 a d 转换器m a x l 2 5 模数转换，转换结果由d s p 读取。然后再由d s p 进行各种必要的计算处理，并 将结果送到双口r a m 供m c 6 8 3 3 2 使用；通讯模块采用以c i r r u sl o g i c 公司的太网控制器c s 8 9 0 0 a 实现网络通讯功能。 图2 - l 装置原理结构图 为了使各个处理器之间的接口尽量简单，处理器间通过总线、多端口存储器及通用串行接口 等三种形式互联成为一个完整的系统。也就是说，m c 6 8 3 3 2 和以太网控制器c s 8 9 0 0 a 是通过内部 总线互联的。m c 6 8 3 3 2 和人机接口的) ( ) ( 3 8 6 是通过光电隔离的r s 4 2 2 接口通讯。光电隔离可以承 受2 4 k v 的电压，能有效隔离外部干扰，这样人员在操作时，即使是有强电窜入也不会造成 伤亡事故。至于m c 6 8 3 3 2 和t m s 3 2 0 f 2 4 0 的通讯，是通过双口r a m 进行的。1 慨3 2 0 f 2 4 0 处理后的 数据存入双口r a m 中，供主c p u 调用，从而减少了初级数据处理对主c p u 的资源占用率，减轻了 主c p u 的负担，这在后面作进一步详细讨论。 m c 6 8 3 3 2 对外部开关量输入输出信号，为了防止串摸或共摸干扰串入到系统内部，