（电力系统及其自动化专业论文）基于adsp2106x的变压器保护装置研究.pdf

浙江大学硕士论文 a b s t r a c t t h es p e e d ，s e n s i t i v i t ya n dr e l i a b i l i t yo f 饥m s f o r m e rp r o t e c t i o ni m p m v ow i t ht h e 1 1 i 曲e rr e q u i r e m e n to fm ep o w e rs y s t e ms e c u r i t ) r t h ef b a t u r eo fp o w e rt r a n s f o r m e r p r o t e c t i o ni s 恤el a r g ea n a l o gq u a n t i t y h o wt op r o c e s st h ea n a l o gq u a n t i t yq u i c k l y ， r e l i a b l y 锄da c c u r a t e l y 谢1 li 1 1 f i u e n c et h ep e r f b 盯n a l l c eo f t r a i l s f b 肌e rp r o t e c t i o n a tn r s t ，w er e v i e wt b ec o n c e p t sa 1 1 dc o m p o n e mo ft h em a i “p r o l e c t i 。na n db a c ku p p r o t e c t i o n ，a n dd i s c u s s 岫b a c k 酗u n dk n o w l e d g ea n dh i s t o r yo fd s 只a c c o r d i n gt ot h ec o n c e p t s a 1 1 d h i s t o r yo ft r a n s f o 咖e rp r o t e c t i o n ，、wa n a l y s et h eh a r d w a r es 竹u c t u r ea n df e a t u r eo ft h e t r a n s f o m e rp r o t e c t i o nd e v i c ew h i c hb a s e do n3 2 - b i tf l o a l i n gd s pp l u s3 2 _ b i tc p u ，a 1 1 dp a f t i c i p a t e i nt h ed e v e l 叩m e n to f t h ed i g i 钮lt r a n s f o m l e rp r o t e c t i o nd e v i c eb a s e do n3 2 _ b i tn o a t i n gd sp t h i s p a p e rd j s c u s s e st h el a t e s tt e c h n i c a it r e n do f d sp ，e s p e c i a l l yt h ea d sp _ w ep r e s e n tan e wi m p r o v e d a l g o r i t h mo fd f ta c c o r d i n gt ot h ee n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n to fd i g i t a lt r a l l s f 0 h n e rp r o t e c t i o na 1 1 d t h em e r i t sa n dd e m e r i t so ft h ea j g o r i 畦1 m s t h l sa l g o r j t h mc a l lr e d u c e st h ec a l c u a t l o no f n o n r e c u r s i v ed f to b v i o u s i ya n di n c r e a s e 【h er e l i a b i l n 弘a n dw ed e s i g np r o g r 锄sb a s e do n3 2 小 t n o a t i n gd s p t oc o m p a r et h ei m p r o v e da l g o r i t h mw i t ht l en o n - r e c u r s i v ea 培o r i t h m k e y w o r d s ：a d s p - 2 1 0 6 x ；d f t ；a 1 9 0 r h h m ；p o w e rs y s t e mp r o t e c t i o n ；仃a n s f o 肌e rp r o t e c t i o n d e v i c e ：d s p 2 浙江大学硕士论文 第一章绪论 1 1 本课题的意义 电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它在电力系统的发电、输电、 配电等各个环节广泛使用，因而其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定的 工作，而它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。同时大容 量的电力变压器也是十分贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度 并考虑到可能发生的各种类型的故障和不正常工作的情况考虑装设性能良好，工 作可靠的继电保护装置。 计算机继电保护是用数学运算方法实现故障量的测量、分析和判断的，运算 的基础是离散的、量化了的数字采样序列。微机保护算法的计算可视为对交流采 样信号中参数的估算过程，对算法性能的评价也取决于其是否能在较短数据窗 内，从信号的若干采样值中获得基波分量或某次谐波分量的精确估计值。因此， 计算机继电保护的一个基本问题是寻找适当的离散运算方法，使运算结果的精确 度能满足工程要求而计算耗时又尽可能短。 随着电网的发展，其对安全性的要求越来越高，而电力变压器保护的速动性、 灵敏性、可靠性要求也越来越高。而离散傅里叶变换( d f t ) 是利用采样数据计算 信号的频谱的一种数学工具，在生产和工程中有重要的应用。数字式保护是将连 续的模拟量经采样和a d 转换变换成离散的数字量后，由微机对数字量进行计算 和判断。傅氏算法的基本原理是建立一个傅氏数字滤波系统，滤取电流、电压中 的基波或谐波分量。电力变压器保护特点之一是输入的模拟信号量多，能否快速、 可靠、准确地处理这些模拟量将直接影响变压器保护的性能。由于对继电保护装 置有速动性及可靠性要求，数字式变压器保护不仅要实时计算各谐波分量，而且 要对各元器件进行自检。随着采样频率增加，采样间隔时间越来越小，而d f t 运 算量却大大增加。而有效、及时地处理算法的效率问题对数字式变压器保护有着 十分重要的意义。 浙江大学硕士论文 1 2 本课题的主要工作 ( 1 ) 结合电力变压器的保护原理，介绍并分析了主处理器采用3 2 位浮点 d s p + 3 2 位c p u 工作方式变压器保护装置的硬件构成，参与基于3 2 位浮点d s p 的变压器保护装置的研究 ( 2 ) 介绍d s p 的背景知识、分析了最新技术动向以及a d s p 最新的3 2 位浮 点d s p 芯片的最新技术。 ( 3 ) 研究分析了继电保护各种算法之间的差异、优缺点，总结了如今广泛应用 于继电保护方向的各种算法。 ( 4 ) 将分组法引入传统非递推傅氏算法中来，综合性地处理了算法的可靠性和 快速性问题，提出了一个改进型的折中方案。 ( 5 ) 通过s u a ld s p + + 编程将分组法d f t 实现，并分析改进型算法与传统算 法之间的差异。 浙江大学硕士论文 第二章电力变压器的保护原理 2 1 电力变压器的故障类型、异常工作情况和继电保护方式 电力变压器是电力系统普遍使用的重要的电气设备。它的安全运行直接关系 到电力系统的供电和稳定运行，特别是当大容量电力变压器因故障而损坏时，造 成的损失就更大，将对系统的正常运行带来严重的影响。因此必须针对电力变压 器的故障和异常工作情况，根据其容量和重要程度，装设动作可靠、性能良好的 继电保护装置。 2 1 1 变压器的故障类型 变压器的内部故障可以分为油箱内和油箱外故障两种。变压器油箱内部的故 障包括绕组的相间短路、匝间短路和中性点接地系统侧的接地短路以及铁心的烧 损等。对于变压器而言，这些故障都是十分危险的。这些故障由于短路电流产生 的高温电弧不仅烧坏绕组绝缘和铁芯，而且将绝缘材料和变压器油分解产生大量 气体，使变压器油箱局部变形，甚至引起爆炸。 变压器油箱外部故障主要是变压器绝缘套管和引出线上发生的相间短路和 接地短路。上述接地短路均系对中性点直接接地电力网的一侧而言。 2 1 2 变压器的不正常运行状态 变压器外部短路引起的过电流、负荷长时间超过额定容量引起的过负荷、风 扇故障或漏油等原因引起冷却能力的下降等，这些运行状态会使绕组和铁：啬过 热。此外，对于中性点不接地运行的星形接线方式变压器，外部接地短路时有可 能造成变压器中性点过电压，威胁变压器的绝缘；大容量变压器在过电压或低频 率等异常运行方式下会发生变压器的过励磁，引起铁芯和其它金属构件的过热。 变压器不正常运行时，继电保护应根据其严重程度，发出告警信号，使运行人员 及时发现并采取相应的措掩，以确保变压器的安全。 浙江大学硕士论文 2 1 3 变压器应装设的继电保护设置 变压器保护的任务就是反应上述故障的异常工作情况，通过断路器切除故障 变压器或发生信号采取措旖消除异常情况，并能作为相邻元件( 如母线、线路) 的后备保护。根据有关规定，变压器应该装设以下继电保护装置。 1 、瓦斯保护 对变压器油箱内的各种故障以及油面的降低，应装设瓦斯保护，它反应于油 箱内部所产生的气体或油流而动作。其中轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯保护动 作于跳开变压器各电流源测的断路器。 应装设瓦斯保护的变压器容量界限是：8 0 0 k v a 及以上的油浸式变压器和 4 0 0 k v a 及以上的车间内油浸式变压器。 2 、纵差动保护 反应变压器绕组或引出线相间短路、中性点直接接地系统侧绕组或引出线的 单相接地以及绕组匝间短路的纵差动保护。对6 3 m 、，a 及以上厂用工作变压器和 并列运行的变压器，1 0 m v a 及以上常用备用变压器和单独运行的变压器以及 2 m v a 及以上用电流断流保护灵敏系数不能满足要求的变压器，应装设纵差保 护。对高压侧电压为3 3 0 k v 以上的变压器，可以装设双重差动保护。 3 、外部相间短路时，应采用的保护 对于外部相间短路引起的变压器过电流，应采用下列保护： ( 1 ) 过电流保护，基本用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故 状态下可能出现的过负荷电流； ( 2 ) 负序电流及单相式低电压起动的过电流保护，一般用于大容量升压 变压器和系统联络变压器； ( 3 ) 复合电压起动的过电流保护，一般用于升压变压器及过电流保护灵 敏度不满足要求的降压变压器上： ( 4 ) 阻抗保护，对于升压变压器和系统联络变压器，当采用第( 2 ) 、( 3 ) 的保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。 4 、外部接地短路时，应采用的保护 对中性点直接接地电力网内，由外部接地短路引起过电流时，例如变压器中 性点接地运行时，应装设零序电流或电压保护。 浙江大学硕士论文 对自耦变压器和高、中压侧中性点都直接接地三绕组变压器，当有选择性要 求时，应装设零序方向元件。 当电力网中部分变压器中性点接地运行，为防止发生接地短路时，中性点接 地的变压器跳开后，中性点不接地的变压器( 低压侧有电源) 仍带接地故障继续 运行，应根据具体情况，装设专用的保护装置，如零序过电压保护，中性点装放 电间隙加零序电流保护。 5 、过励磁保护 发应高压侧电压为5 0 0 k v 及以上的变压器由于工作磁通密度过高引起的过 励磁。在变压器允许的过励磁范围内，保护作用于信号，当过励磁超过允许值时， 可动作于跳闸。 6 、过负荷保护 对4 0 0 k v a 等级以上的变压器，当数台并列运行时，或单独运行并作为其他 负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。对于无人的开 关站，必要时也可让过负荷保护动作于跳闸或自动减负荷。过负荷保护可以接于 一相电流上。 7 、其他保护 对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障，可装设动作于信号或动作 于跳闸的装置。 2 2 变压器的主保护和后备保护 2 2 1 变压器的主保护：变压器纵差动保护的基本原理 图2 1 双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图 浙江大学硕士论文 因为纵差动保护不但能够正确区分区内外故障，而且不需要与其它元件的保 护配合，能够无延时地切除各种故障，具有独特的优点，因而被广泛地用作变压 器的主保护。图2 一l 所示的是双绕组单相变压器纵差动保护的原理接线图。几 厶分别为变压器高压侧和低压侧的一次电流，参考方向为母线指向变压器；j 、 厶为相应的电流互感器二次电流。流入差动继电器一川均差动电流为 纵差动保护的动作判据为 ir | 。| ( 2 2 ) 式中为纵差动保护的动作电流，。= l 矗+ 引为差动电流的有效值。 设变压器高、低压侧的变比为唧= u u ：，忽略变压器的损耗，正常运行和 区外故障时一次侧电流的关系为，：+ 件j ，= o 。式( 2 1 ) 可进一步表示为 j 。：丛生+ ( 1 一鳖) 土 ( 2 3 ) ”2 h2 ，幻1 式中，? 。、n 。：分别为两侧电流互感器的变比。若选择电流互感器的变比，使之 满足 堕；”， 1 。 这样式( 2 一： ) 就变为 i r ：虹垫 ，z 弘2 ( 2 4 ) ( 2 5 ) 根据式( 2 5 ) ，正常运行和变压器外部故障时，差动电流为零，保护不会动 作；变压器内部( 包括变压器与电流互感器之间的引线) 任何一点故障时，相对于 变压器内部多了一个故障支路，流入差动继电器的差动电流等于故障点电流( 折 算到电流互感器二次侧) ，只要故障电流大于差动继电器的动作电流，差动保护 就能迅速动作。因此，式( 2 4 ) 为变压器纵差动保护中电流互感器变比选择的依 据。 浙江大学硕士论文 ( a ) 接线图 ( b ) 向量关系 图2 2 双绕组三相变压器纵差动保护原理接线图 实际电力系统都是三相变压器( 或三相变压器组) ，并且通常采用y ，d 1l 的接 线方式，如图2 2 ( a ) 所示。这样的接线方式造成了变压器两侧电流的相位不一 致。以a 相为例，由于l = 屯一瓦，正常运行时，屯超前丘3 0 。，如图2 2 ( b ) 所示，若仍用单相变压器的接线方式，将会在继电器中产生很大的差动电流。要 通过改变纵差动保护的接线方式消除这个电流。解决的方法实际上就是将引入差 动继电器的，r 侧的电流也用两相电流差的方法，即 l 。= ( 吃一岛) + 气 j 。= ( 饬一) + 也 ( 2 6 ) 丘。= ( 一乇) + 垃1 式中l 。、厶。、l 。是流入三个差动继电器的差动电流。这样就可以消除两 侧电流相位不一致的影响。由于y 侧采用了两相电流差，该侧流入差动继电器的 电流增加了3 倍。为了保证正常运行及外部故障情况下差动回路没有电流，该 侧电流互感器的变比也要相应地增大3 倍，即两侧电流互感器变比的选择应该 满足 鳖：阜( 2 7 ) 玎删i 3 为了满足式( 2 6 ) ，变压器两侧电流互感器采取不同的接线方式，如图2 2 ( a ) 漩江大学硕士论文 所示。d 侧采用y ，d 1 2 的接线方式，将各相电流直接接入差动继电器内；】，侧采 用y ，矗1 1 的接线方式，将两相电流差接入差动继电器内。模拟式的差动保护都是 采用图2 2 ( a ) 的方式，对于数字式差动保护，一般将y 侧的三相电流直接接入 保护装置内，由计算机的软件实现式( 26 ) 的功能，以简化接线。 图2 3 三绕组变压器纵差动保护单相原理接线图 电力系统中常常采用三绕组变压器。三绕组变压器的纵差动保护原理与双绕 组变压器是一样的。图2 3 所示的是y ，y ，d 1 1 接线方式三绕组变压器纵差动保护 单相原理接线图，接入纵差动继电器的差电流为 r = f + + e ( 2 8 ) 三相变压器各侧电流互感器的接线方式和变比的选择也要参照y ，d l l 双绕组 变压器的方式进行调整，即d 侧互感器用r 接线方式；两个y 侧互感器则采用d 接线方式。设变压器的l 一3 侧和2 3 侧的变比为月，和”，：。，考虑到正常运行 和区外故障时变压器各侧电流满足唧，五+ 吩：，厶+ 乞= o ，电流互感器变比的选择 应该满足 堑：堑l 3l ( 2 删 堑：箪【 ，z 珊2 3j 2 2 2 变压器的后备保护 除了主保护外，变压器还应装设相间故障和接地故障的后备保护。后备保护 的作用是为了防止由外部故障引起的变压器绕组过电流，并作为变压器内部故障 浙江大学硕士论文 时主保护的后备以及相邻元件( 母线或线路) 保护的后备。变压器的相问后备保护 通常采用过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护以 及负序过电流保护等，也有采用阻抗保护作为后备保护的情况。 l 、变压器相间短路的后备保护 过电流保护 跳q f l 、q f 2 图2 4 变压器过电流保护的单相原理接线图 保护装置的原理接线如图2 4 所示，其工作原理与线路定时限过电流保护相 同。保护动作后，跳开变压器两侧的断路器。保护的起动电流按照躲过变压器可 能出现的最大负荷电流来整定。 低电压起动的过电流保护 跳q f l 、q f 2 图2 5 低电压起动过电流保护的原理接线图 过电流保护按躲过可能出现的最大负荷电流整定，起动电流比较大，对于升 浙江大学硕士论文 压变压器或容量较大的降压变压器，灵敏度往往不能满足要求。为此可以采用低 电压起动的过电流保护。 保护的原理接线如图2 5 所示，只有在电流元件和电压元件同时动作后，才 能起动时间继电器，经过预定的延时后动作于跳闸。由于电压互感器回路发生断 线时，低电压继电器将误动作，因此还装设了电压回路断线的信号装置。 复合电压起动的过电流保护 跳q f l 、q f 2 图2 6 复合电压起动的过电流保护原理接线图 这种保护是低电压起动过电流保护的一个发展，其原理接线如图2 6 所示。 它由原来的三个低电压继电器改由一个负序过电压继电器和一个接于线电压上 的低电压继电器组成。 当发生各种不对称故障时，由于出现负序电压，复合电压起动的过电流保护 经过预定延时，动作于跳闸。 2 、变压器接地短路的后备保护 电力系统中，接地故障是最常见的故障形式。接于中性点直接接地系统的变 压器，一般要求在变压器上装设接地保护，作为变压器主保护和相邻元件接地保 护的后备保护。发生接地故障时，变压器中性点将出现零序电流和零序电压。变 压器的接地后备通常都是反应这些电气量构成的。 3 、过负荷保护 浙扛大学硕士论文 变压器长期过负荷运行时，绕组会因发热而受到损伤。对4 0 0k v a 以卜的变 压器，当数台并列运行，或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能 过负荷的情况，装设过负荷保护。过负荷保护接于一相电流上，并延时作用于信 号。对于无经常值班人员的变电所，必要时过负荷保护可动作于自动减负荷或跳 闸。对自耦变压器和多绕组变压器，过负荷保护应能反应公共绕组及各侧过负荷 的情况。 4 、过励磁保护 对频率减低和电压升高而引起变压器过励磁时，励磁电流急剧增加，铁芯及 附近的金属构件损耗增加，引起高温。多次反复过励磁，将因过热而使绝缘老化。 高压侧电压为5 0 0 k v 及以上的变压器，应装设过励磁保护。在变压器允许的过 励磁范围内，保护作用于信号，当过励磁超过允许值时，可动作于跳闸。过励磁 保护是反应于铁芯的实际工作磁密和额定工作磁密之比( 称为过励磁倍数) 而动 作。实际工作磁密则通过检测变压器电压幅值与频率的比值来计算的。 浙江大学硕士论文 第三章基于3 2 位浮点d s p 的变压器保 护装置的构成 3 1 微机变压器保护 3 1 1 微机变压器保护的发展历史 电力变压器是电力系统中的重要电气设备，它在电力系统的发电、输电、配 电等各个环节广泛使用，因而其安全运行关系到整个电力系统能否连续稳定的工 作。随着电力系统的发展，超高压远距离输电系统在我国越来越多地建成和运行， 大容量变压器的应用将日益增多，同时大容量的电力变压器也是十分贵重的元 件，而如今变压器保护的正确率相对于线路保护仍然很低，只在7 0 _ 8 0 之间 徘徊，这种情况对变压器保护的可靠性、快速性也提出了更高的要求。 1 9 7 0 年左右，r 0 c k e f e l l e r 等人提倡用计算机、单片机来构成继电保护装置代 替传统的继保装置。而7 0 年代至今，随着微机技术的迅速发展，微机型的保护 装置由最初的研究阶段逐步进入了应用。我国微机保护的研制起步虽晚，但步伐 很快。经过近2 0 年的发展，从1 9 8 4 年第一台微机保护在现场投运以来，已形成 继电保护科研、设计、运行、制造的完整体系。如今，国内的微机保护领域在原 理、性能和主要技术指标上均已达到国际先进水平，其制造工艺也逐步达到先进 水平。继电保护专业制造厂已由上世纪5 0 年代阿城继电器厂一家，发展到许继 公司、国电南自公司、国电南瑞公司、北京四方公司等多家开发能力较强、制造 水平较高的大型专业继电保护制造企业。而微机变压器保护与微机线路保护相 比，发展虽然相对较晚，但近年来发展迅速，原理应用及硬件平台逐步成熟，是 我国电力系统未来几年保护设备改造的生力军。 目前计算机技术发展很快，3 2 位c p u 已广泛应用于继电保护装置中，其应 用技术已很成熟。而3 2 位d s p 已开始在保护装置中应用。为了满足保护可靠性、 快速性的要求，同时配合硬件的升级更新以及胜任保护算法及监控任务，样机主 处理器采用3 2 位浮点d s p + 3 2 位c p u 工作方式。d s p 主要完成各种算法即核心 逻辑判断任务，c p u 则完成控制、整机自检及录波、通讯等任务。 1 6 浙江大学硕士论文 3 1 2 微机变压器保护装置的特点 试验样机其主要特点如下： 采用高可靠性的3 2 位嵌入式处理器m c 6 8 3 3 2 ，配合以实时多任务操作系 统( r 1 、o s ) ，充分发挥嵌入式处理器的实时处理能力，确保除保护计算 外的其它功能的实时性 采用高性能的数字信号处理器a d s p 2 1 0 6 x 系列3 2 位浮点d sp 该d s p 采用s h a r c 一超级哈佛结构，峰值运行速度为5 0 m i p s ，峰值浮点运算能 力为15 0 m f l o p s ，无须外部支持可实现3 2 位单精度浮点和4 0 位扩展精 度浮点运算，可保证保护运算的高精度；运行过程中，程序总线不出芯 片，满足超高压保护高可靠性的要求 装置采用背插式的6 u 机箱、整体面板，强弱电严格分开，能通过 i e c 2 5 5 2 2 4 标准规定的i v 级( 4 k v 1 0 ) 快速瞬变干扰试验、 i e c 2 5 5 2 2 2 标准规定的i v 级( 空间放电1 5 k v ，接触放电8 k v ) 静电放 电试验，具有很高的抗干扰能力 装置内有2 个c p u 、1 个d s p ，分别承担保护计算、逻辑判断、数据记 录、人机对话、通信等功能；启动逻辑由d s p 完成，保护动作由保护c p u 完成，启动+ 保护动作的出口跳闸方式保证装置出口的正确、可靠；c p u 和d s p 之间、c p u 之间的互检及各模块内的自检使硬件失效能及时被发 现，保证了硬件的可靠 双主保护、双后备保护的配置形式，真正实现一台装置内完成所有的主 保护、后备保护功能 保护软件设计模块化，后备保护功能齐全，配置灵活，能满足不同电压 等级、容量及接线方式的变压器对后备保护的不同要求，保护功能可灵 活组态 故障信息及录波数据储存于大容量掉电保持r a m 中，可记录至少12 8 次故障报告，其中波形数据不少于2 0 秒 浙江大学硕士论文 装置提供1 个以太网通信接口，可高速、便捷地实现与变电站自动化系 统的网络互联，另外提供2 个电气隔离的r s 一4 8 5 通信接口( 均可采用 光纤介质) 、调试通信口和打印串行接口：通信规约采用d l t 6 6 7 1 9 9 9 ( i d ti e c 6 0 8 7 0 一5 1 0 3 ) 采用c a n 网作为内部通信网络，数据通信快速可靠，故障报告可立即上 传 全汉化的人机界面，采用大屏幕汉字液晶，所有打印报告均为汉字输出 3 2 保护装置的硬件构成 3 2 1 保护主板硬件模块 图3 1 为保护主板硬件模块图 浙江大学硕士论文 图3 1 保护主板硬件模块图 保护主板包括以下几个模块：低通滤波，模数转换，a d s p 模块，m c 6 8 k 模 块，数字量输入，数字量输出等6 个模块及双口r a m ，各模块主要特点如下： 模拟低通滤波器，主要用于滤除干扰噪声，因采样率较高模拟低通的截 止频率也较高。采用有源滤波方式，以控制的信号增益。考虑差动保护 中可能出现三相五侧1 5 路模拟量情况，将1 6 路模拟低通滤波器增益设 置为l ，另1 6 路增益设置为4 ，每路模拟量分送两路增益不同的滤波器， 一方面近似增加了2 位a d 位数，另一方面可实现双通道自检。双通道 自检原理是：两个增益不同的通道对同一模拟量的转换结果正常情况下 为4 倍关系，当一路截顶时，另一路也必然很大。 3 2 2 人机界面 图3 2 为人机界面板电路框图； 浙江大学硕士论文 c a n 总线 b d m _ _ 7 = c a n 控制器1 键盘： ：一一 c a n 控制器2 m c 6 8 3 3 2 匪亟蔓 打印e = ： = 二。以太网控制器 串口二二二二： 止一 i 硬件看门狗f 图3 2 人机界面板电路框图 由于保护主板本身不参与人机界面菜单管理与控制，仅通过内部的c a n 总 线及规约与m m i 模块来传送定值、模拟量及数字量、保护状态及事故记录等信 息，所以当多块主板组合到一个装置中，每块主板程序变动很小，模块与模块 之间比较独立，人机界面与保护主板之间也比较独立，主要在要加强界面m c u 的管理及控制能力方面着手。 随着电子技术的发展，m m i 模块的技术也曰新月异，单色液晶界面可以过渡 到t f t 彩屏，界面能显示更多内容，操作更方便、直观。而保护主板中的主保 护程序大致不变，这也是模块化的结果。 3 2 3m c 6 8 k 浙江大学硕士论文 图3 3 m c 6 8 k 电路框图 图3 3 所示为m c 6 8 k 电路框图 本次设计中，数据记录、人机对话、通信等功能主要有m c 6 8 k 完成，它是 m o t o r 0 1 a 公司于1 9 8 9 年推出的3 2 位微控制器，主要由中央处理器c p u 3 2 、系 统集成模块s i m 、队列串行模块q s m 、片上存储器r a m 、定时处理器t p u 等 模块组成。 中央处理器c p u 3 2 管理着m c 6 8 3 3 2 和外部设备的全部活动，它通过内部模 块总线与m c 6 8 3 3 2 的各模块通信。首先它对各模块进行初始化，一旦初始化完 浙江大学硕士论文 成后，这些模块就可脱离c p u 单独执行专门的功能。c p u 3 2 还可通过外部扩展 总线( 地址总线、数据总线、控制总线) 与外部芯片或外部设备相连接并进行数 据传送。 系统集成模块( s 【m ) 由几个控制系统工作的子模块组成，这些模块包括 时钟合成器、芯片选择、外部总线接口、系统保护和系统测试子模块等，每个模 圈3 4 定时处理器模块框图 块都有专门的功能。时钟合成器可与外部晶振或外部振荡电路相连接，产生系统 时钟信号；芯片选择子模块在m c u 扩展系统、增加外部设备或外部芯片时使用： 外部总线接口通过外部扩展总线使外部装置与系统连接；系统保护子模块可监视 系统内部模块总线和外部扩展总线的活动；测试子模块主要用于产品的调试和工 厂测试。系统构造与保护模块控制系统参数、提供母线和软件看门狗监视，可监 视系统内部模块总线和外部扩展总线的活动；提供芯片选择信号，每个芯片选择 信号具有一个辅助寄存器和一个选项寄存器用于控制芯片特性； 浙江大学硕士论文 i c 岍s 乩t 8 c l k o u t e x l _ a l o d c l k e x t e r n a lb u s 手孺噩甄i if a g t o 削t e s t 芒二二二二= ：誓e z e 船u o t 图3 5 系统集成模块( s i m ) 框图 队列串行模块( q s m ) 为m c 6 8 3 3 2 提供了两个独立的串行通信接口，它们 分别是队列串行外围接口( q s p i ) 和串行通信接口( s c i ) 。0 s p i 通过3 条双向、 同步的串行通信线：数据输入、数据输出和串行时钟来扩展系统或进行微处理器 间的通信。它还包括一个组织成队列的存储区，此队列是命令和与串行外围接口 有关的数据存储区。这使得q s p i 被初始化后，可处理1 6 个8 1 6 位的串行传 送或连续发送长达2 5 6 位的数据流，而无需c p u 的介入。s c i 用于m c 6 8 3 3 2 和 一个操作者终端或类似装置之间的异步串行数据传送( 全双工或半双工) 。 2 3 浙江大学硕士论文 鍪啪 赫i p o s 。 赫o s i ? p o s l s c 榭户q 8 2 p c 翱疼因p q 8 3 p e s l p q s 4 p c 黝p c i s 5 p c 测p q s 8 图3 6 队列串行模块( 0 s m ) 框图 m c 6 8 3 3 2 具有2 k 高速静态片上r a m 。它可通过编程映像到地址空间的任 意2 k 字节存储区，此r a m 可由后备电源支持。 定时处理器( t p u ) 是除c p u 以外m c 6 8 3 3 2 中功能最强的模块。它是智能 化的微控制器，在系统中专门用于定时控制。它有自己的执行单元、3 级优先级 控制器、数据r a m 、双定时基准和微程序r o m 等。因此，它可以独立于c p u 之外，执行各种定时、脉冲生成、马达控制等与时间有关的操作，从而减轻c p u 的负担。此外，它还可作为一个可编程定时器，用来精确地测量事件之间的时间 间隔。 浙江大学硕士论文 图3 7 定时处理器模块框图 在本次保护装置设计中，m c 6 8 3 3 2 负责通过响应a d s p 一2 1 0 6 2 的中断触发， 对d s p 处理后的数据进行简单的逻辑判断，然后根据结果作出相应的动作( 是 否开出) ，并保存故障数据。它还负责管理人机界面：响应用户的键盘输入、刷 新屏幕显示、串行实时对时、打印数据等。此外，它还收集开关信息、通过c a n 网和以太网在各保护板、保护设备间交换信息。m c 6 8 3 3 2 完善的硬件结构和3 2 位数据处理能力为以上任务的快速而准确的实现提供了一定的保障。 浙江大学硕士论文 第四章a d s p 一2 1 0 6 x 的硬件特点及软件 编程 4 1d s p 简介 4 1 1d s p 发展概况 数字信号处理( d 珥t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是一门涉及许多学科而又广泛应用 于许多领域的新兴学科。2 0 世纪7 0 年代微处理器的出现，使得计算机在体积、 价格上得以突破，为计算机在各种技术领域的应用提供了可能。随着大规模集成 电路技术的不断改进，一方面微处理器有8 位向1 6 位、3 2 位甚至6 4 位发展， 另一方面将微处理器与外围设备集成到一块芯片形成单片机，以适应控制器体积 越来越小的工程要求。而d s p 实际上也是一种单片机，它同样是将中央处理单 元、控制单元和外围设备开发集成到一块芯片上。 数字信号处理是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、 变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。 数字信号处理是围绕着数字信号处理的理论、实现和应用等几个方面发展起来 的。数字信号处理在理论上的发展推动了数字信号处理应用的发展。反过来，数 字信号处理的应用又促进了数字信号处理理论的提高。而数字信号处理的实现则 是理论和应用之间的桥梁。 数字信号处理是以众多学科为理论基础的，它所涉及的范围极其广泛。例如， 在数学领域，微积分、概率统计、随机过程、数值分析等都是数字信号处理的基 本工具，与网络理论、信号与系统、控制论、通信理论、故障诊断等也密切相关。 近来新兴的一些学科，如人工智能、模式识别、神经网络等，都与数字信号处理 密不可分。可以说，数字信号处理是把许多经典的理论体系作为自己的理论基础， 同时又使自己成为一系列新兴学科的理论基础。 4 1 2d s p 芯片介绍 d s p 芯片，也称数字信号处理器，由于采用特殊的软硬件结构，是一种特别 适合于进行数字信号处理运算的微处理器，其主要应用是实时快速地实现各种数 浙江大学硕士论文 字信号处理算法。根据数字信号处理的要求，d s p 芯片一般具有如下一些主要特 征： 在个指令周期内可完成一次乘法和一次加法； 程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据； 片内的快速r a m 通常可以通过独立的数据总线在两块中同时访问； 具有低开销或无开销的循环和跳转硬件支持； 具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器： 可以并行执行多个操作； 支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。 4 1 3d s p 芯片的基本结构 为了快速地实现数字信号处理运算，d s p 芯片一般都采用特殊的软硬件结 构。芯片的基本结构包括： ( 1 ) 哈佛结构； ( 2 ) 流水线操作； ( 3 ) 专用的硬件乘法器； ( 4 ) 特殊的d s p 指令。 这些特点使得d s p 芯片可以实现快速的d s p 运算，并使大部分d s p 操作指 令在一个周期内完成。下面分别介绍这些特点如何在d s p 芯片中应用并使得芯 片的功能的到加强。 哈佛结构： 传统的微处理器采用的冯诺依曼( v o nn e u m a n ) 结构将指令和数据存放在 同一存储空间中，统一编址，指令和数据通过同一总线访问同一地址空间上的存 储器。而d s p 芯片采用的哈佛结构则是不同于冯诺依曼结构的一种并行体系结 构，其主要特点是程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存 储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编制、独立访问。与之相对应的 是系统中设置的两条总线聚程序总线和数据总线，从而使数据的吞吐率提高了一 倍。在哈佛结构中，由于程序和数据存储器在两个分开的空间里，因此取指和执 行能完全重叠运行。 浙江大学硕士论文 流水线： d s p 芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，增强处理器的处理能力。例 如t m s 3 2 0 c 3 x 采用四级流水线，处理器可并行处理四条指令。基本指令分为四 级：取指、译码、读和执行。当处理器并行处理四条指令使，各条指令处于流水 线的不同单元。在不发生流水线冲突的情况下，具有流水线结构的处理器的长时 间执行效率接近于没有流水线结构的处理器的四倍。 专用的硬件乘法器： 在通用微处理器中算法指令需要多个指令周期，如m c s 5 l 的乘法指令需4 个周期。相比而言，d s p 芯片的特征就是有一个专用的硬件乘法器，乘法可以在 一个指令周期内完成，还可以与加法并行进行，完成一个乘法和一个加法只需一 个指令周期。 特殊的d s p 指令： d s p 芯片的另一个特点是采用特殊的指令，这些特殊指令进一不提高了d s p 芯片的处理能力。 4 1 4 数字信号处理的实现方法 数字信号处理的实现方法一般有以下几种： ( 1 ) 在通用的计算机( 如p c 机) 上用软件( 如f o n r a n 、c 语言) 实现； ( 2 ) 在通用计算机系统中加上专用的加速处理机实现； ( 3 ) 用通用的单片机( 如m c s - 5 1 、9 6 系列等) 实现，这种方法可用于一些不太 复杂的数字信号处理，如数字控制等 ( 4 ) 用通用的可编程d s p 芯片实现。与单片机相比，d s p 芯片具有更加适合于数 字信号处理的软件和硬件资源，可用于复杂的数字信号处理算法； ( 5 ) 用专用的d s p 芯片实现。在一些特殊的场合，要求的信号处理速度极高，用 通用d s p 芯片很难实现，例如专用于f f t 、数字滤波、卷积、相关等算法的d s p 芯片，这种芯片将相应的信号处理算法在芯片内部用硬件实现，无需进行编程。 在上述几种方法中，第1 种方法的缺点是速度较慢，一般可用于d s p 算法的模 拟：第2 种和第5 种方法专用性强，应用受到很大的限制，第2 种方法也不便于 系统的独立运行；第3 种方法只适用于实现简单的d s p 算法；只有第4 种方法 才使数字信号处理的应用打开了新的局面。 浙江大学硕士论文 虽然数字信号处理的理论发展迅速，但在2 0 世纪8 0 年代以前，由于实现方法的 限制，数字信号处理的理论还得不到广泛的应用。直到2 0 世纪7 0 年代末8 0 年 代初世界上第一片单片可编程d s p 芯片的诞生，才将理论研究结果广泛应用到 低成本的实际系统中，并且推动了新的理论和应用领域的发展。可以毫不夸张地 说，d s p 芯片的诞生及发展对近2 0 年来通信、计算机、控制等领域的技术发展 起到十分重要的作用。 4 2 a d s p 的芯片 4 2 1a d s ps h a r c3 2 位d s p 的最新技术资料 图4 - 1 为a d s ps h a r c3 2 位d s p 的技术资料表 疆 l k - a t 髓 o “c l g _ 瞰，l r 群 蚓 g 捌 自啦 轴越 t j 矗酶l 哦 独b 疰王o ro 喇e o m o 彘黼融i 蛔 f ql mc 5 e g 口盎趣 瑚葛幽瓣 i ：上x m 瓣 si l ；x f h h 盈幽3 i 6li sxxx g 占蛰醯盟li 珏ixx 髫鬻鹜逊 描 “1 9 螗 el j 0l 盖xx“融b m l 嚣e 6 i ：lxx m 砰只m 口凇 盈蕊瞄避 l 6i -1 2x “1 日i m a 琶坚巡3 2 x “觋m m 笪西酗隧 l m t 3fx“驿e x 曲国融 m1 5l 一l ji xl 自a l h 1 】 00n1x l 霹e m b l 弱4 4 4j 3 l x正殴m 酷日6 a l 4 i2i |i 一 。 m 3i 珏l l 椰 ：i62 5i r i ，$ ：l 雠 趟l 嚣0 s ， o ll 。 i 灌擎 1 月 s b o l 鲢 雌| 暂l ii 跹卜 ； - i im 霹 一i 1 蝌 翦 蚰1 ：l0 s i 一 一i m 鼹 并l 椰l l 图4 1 a d s p s h a r c3 2 位d s p 的性能 我们可以看到a d i 公司的a d s ps h a r c 系列中的最新产品a d s p 一2 1 3 7 5 的 主要性能： 2 6 6m h z 单指令多数据流( s i m d ) s h a r c 内核，能进行1 5 9 6 百万次浮 点运算每秒( m f l o p s ) ，具有很高的运算速度； o 5 m b i t s 的s r a m ： d m a 控制器； 数字应用接口( d a i ) 使得用户能自定义外围； 浙江大学硕士论文 4 组串行口( s p o r n ) ： 2 组s p i 兼容支持主从模式； 异步通信口 t w i 间隔定时器； 3 2 位i e e e 标准浮点计算单元乘法器、a l u 和移位器； 4 2 2a d s p 2 1 0 6 xs h a r c 的硬件特点 a d s p 一2 1 0 6 xs h a r c ( a d i 公司2 1 0 6 x 系列哈佛结构超级计算机) 系列数 字信号处理器是一种高性能的3 2 位数字信号处理器，它在a d s p 一2 1 0 0 0 d s p 内 核的基础上增加了双口s i h m 和i o 外设，这些外设受专门的i o 总线支持，从 而形成了一个完整的片上系统。用于双数据、指令和i o 的多条总线，加上存储 器的纵横交换连接，构成了a d s p 2 1 0 6 x 的超级哈佛结构。利用片内的指令缓 冲，处理器执行命令的时间可以是一个单周期。该d s p 结合了一个性能优良的 浮点d s p 核以及丰富的在片功能，这些功能有主机接口、d m a 控制器、串口、 链路口以及可用于多处理器系统的总线连接方式。图4 2 所示是处理器的详细框 图。 浙江大学硕士论文 图4 2 a d s p 处理器框图 a d s p 一2 1 0 6 xs h a r c 表现出了数字信号处理器集成化的一种新标准，它集成 了一个具有完整、高度集成芯片特性的高性能浮点d s p 内核，包括一个主处理器 接口、d m a 控制器、链接端口和为实现无缝d s p 多处理技术的共享总线连接。框 图显示了处理器的详细模块框图，说明了以下结构特征： 3 2 位i e e e 标准浮点计算单元乘法器、a l u 和移位器； 数据寄存器文件； 数据地址发生器( d a g l 、d a g 2 ) ： 具有高速指令缓存的程序序列发生器； 间隔定时器； 双端口s r a m ： 用于连接外部存储器和外围设备的扩展端口； 主机接口和多处理器接口； d m a 控制器； 串行口； 浙江大学硕士论文 并行口； j t a g 测试访问接口。 图中同时也可以看到a d s p 一2 1 0 6 x 的三个o n c h i p 总线：程序存储器( p m ) 总线、数据存储器(