（电力系统及其自动化专业论文）新型数字式发变组保护平台设计.pdf

华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着现场对发电机变压器组微机保护装置性能要求的不断提高，以及软、硬件技术 发展的自身需要，在总结和继承微机保护装置成功经验的基础上，设计开发了3 2 位嵌 入式微控制器加16 位高精度a d 构成的硬件平台。该系统充分利用嵌入式微控制器强 大的运算能力、灵活的逻辑功能、丰富的强围资源等优点，且采用大容量外国存储芯片， 从而保证了发变组保护装置实现高速采样、实时并行计算、程序面向对象模块化编程、 敞障处理报告详细全程跟踪、采用复杂先进保护原理等功能，并且具有足够的硬件资源 冗余度。在软件的设计上，则抛弃了传统的软件设计愿路，采用了全新的基于多任务实 时操作系统的软件设计方法。通过分析比较和运行实践，该平台具有可靠、易于开发维 护和升级扩充等显著的优点。 关键词：微机保护，平台，m p c 5 5 5 ，a d 7 6 5 6 ，硝【o s a b s t r a c t 晰t h 也cd c m 粕d so fm o r e1 1 i g h e rp 柏m l a l l c et 0g e n c r a t o ra n dt r a n s f 0 姗e rr e l 响g p r o t e 嘶o nd e v i c ea r ei n c r e a s i n gb yf i e l d ，t h ed e v c i o p r n e n to fs o n 眦姐dl 删w 乏鹏a r en e e d 姆氇e 鲻e l w s ，她疏遘w a r e 曲墒滟疆驴s e d 姆s i 疵e 毪b i 童毯薛p 凇i s i o 矬姗醚曲d 也i r 够- 加，ob 羔te m b e d d e dl n i c r o - c o 礤l l c ri s 猫k e dt 0d c s i g na n dd e v e l o po 鼓也eb 舔i so f s a r i z ：i z l ga n di 测也1 9s u c c e s s 如le x p 幽e n 招o fm j c r o c o m 弘砖e rp r o t e c t i o nd l e v i e e t h e s y s t e mf 1 1 l l yu 镒i z e st h ee m b e dm i c r o c o n 台o h e rm 蕊ss u c h 勰s 的n ga r i 也m c t i ea b i l i 锣、 爨戥i b 埝l o 参c 鼬娃i 姐、曲豫d a 嫩辨矗曲霉黟陀越，强莲髓。a 鑫d 也es y 蹴擞璐e sal 鹫g e v o l 啪eo fp e “p l l e r ym e 妇巧c 1 1 i p ，s om 站劬c t i o n ss u c ha ss a l i 】l p l i n g 、7 l ，i t h1 1 i 吐s p e e di l lr e a l t 妯1 e 、p a r a l l e lc o m p u 血蝎i i l 糟a 1t i n l e 、p r o 伊a mf a c i n go no b j e c tm o d u l e 、f a u l tr c p o r t 垤a c k i i 唱 蠢l 也e 斑i l e 、e m p l o y 证gc o 秘p l i e a 专e d 戳l v a l 羚e dp 妁钯e 蠡o n 氇e 镄ya f ee 珏s 滋毽d 遮壤eg 糕e 礴钕 戮dt f a n s 融m e rp r o t e c t i o 珏d 州c e hs o 蠹w a r e ，娃l e 投葩i t i o n a ls o a w 毫嘴s i 萨i d e ai s a d o p t e d ，a n d 娃1 en e 、e s ts o 行w a r ed e s i g nm e t h o d 酶h i c hi so nt h eb a s i so fm u l t i t a s k s 心a lt 主芏1 1 c o p e r a t i o ns y 咖m i sp u tt o1 l s e b ya n a l y z i l l ga n dc o n l p a r i n ga n d 幽g p r a c t i c e ，m ep l a t f 0 册 o w 掰 薤o a b l e 鑫纛v 滋纽g es 轻c 蠹嫩g b 嚣戚i 鑫b l o 、e 曩s i 嚣d e v 或唧揪m 如纽址秘蠢弹g 潮纽g 鑫秘d e m a 玛i 1 1 9 z h a n gl o n g ( p o w e rs y s t e ma n d i t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o j i a oy a 1 1 j u n x 鬟yw o r d s ：m i e r o c o m p 糕l e l p r o 重e c 霉i o 珏，p l a l f ：d r l 藏，m p c 5 5 s ，a d 7 6 5 6 ，| 疆o s 声明户明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文新型数字式发变组保护平台设计， 是本人在华= l 艺电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取德的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他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傲的任何贡献均已在论文中作了翡确的 说明弗表示了谢意。 学位论文作者签名：多艇僮日期：丝! 王盘：塑 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：丝篮导师签名： 吕期：鱼亟! 竺：呈旦 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 电力工业担负着为工业生产和人民生活提供能源的重要责任。因电力系统故障引发 的电力系统事故是非常严重的，它可能造成对用户少送电或电能质量变坏以致到不能容 许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏，带来巨大的经济损失。可以说，电力 系统故障是国民经济的灾难。因此提高电力系统运行的可靠性和保证安全发电和供电是 极其重要的。 1 1 课题的背景 大型发电机和变压器是现代电力系统最重要的组成部分之一，它们的安全运行对电 力系统的正常工作、用户的不间断供电、保证电能的质量等方面，都起着极其重要的作 用。而且，它们造价昂贵，结构复杂，一旦故障，检修期长，给国民经济造成的直接和 闻接经济损失巨大。 近年来，随着电力系统的不断扩大，投产的大容量机组越来越多，大容量枫组的相 对造价低、运行效率高、建设速度快。然而，由于大容量机组在设计、结构工艺以及运 行管理等诸多方面的原因，发生事故的次数普遍偏多。与中、小型变压器相比，大型变 压器发生事故的次数也相对较多，主要原因是2 2 0 k v 及以上大容量变压器广泛采用纠 结式绕组，匝间绝缘水平和工艺水平还不能完全满足绷结式绕组匝闻电压较高的要求， 因而高压绕组匝间绝缘击穿事故有所上升。表1 1 1 和表1 1 。2 分别给出了1 9 9 6 2 0 0 1 年l o o m w 及以上发电机保护和2 2 0 k v 及以上变压器保护动作情况的统计轴m 璐3 。 年份 1 9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 l 动作 总次数 5 2 95 5 15 0 26 1 66 4 88 7 8 正确 动作次数 4 8 85 2 l4 6 75 9 66 2 98 6 2 不正 确动作次 4 l3 03 52 01 91 6 数 正确 动作率( ) 9 2 2 5 9 4 5 6 9 3 0 89 6 7 59 7 。0 79 8 1 8 表1 1 11 9 9 0 0 1 年1 0 0 m w 及以上发电机保护正确动作率统计表 华北电力大学硕士学位论文 年份 量9 9 61 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 l 动作 3 0 62 1 32 1 82 0 62 0 l2 5 2 总次数 正确 2 2 51 3 41 4 51 3 81 5 量2 0 8 动作次数 不正 确动作次 8 17 97 36 85 0 4 4 数 正确 7 3 。5 06 2 9 06 6 。5 l6 6 9 97 5 。1 28 2 5 4 动作率( ) 表1 1 。2l9 9 6 2 0 0 1 年2 2 0 k v 及以上变压器保护正确动作率统计表 由表1 1 1 和1 1 2 可以看出，近几年大容量发电机和变压器保护的正确动作率正逐 步提高，这一方面得益于运行管理水平的提高，但更为重要的一个方面是我国在大容量 发电机和变压器保护技术理论方面的进步。虽然大容量发电机和变压器的正确动作率有 所提高，但是，相对线路保护来说依然偏低，其中保护原理缺陷和保护装置平台的设计 不合理是一个主要原因。因此有必要在这两个方面继续改进和提高，以期获得更为理想 的保护性能。 随着人们对电力系统安全可靠运行的不断追求，对继电保护装置也提出了越来越高 的要求。与此同时，微型计算机技术、通讯技术和超大规模集成电路技术日新月异的发 展以及各种性能优越的元器件的不断出现，为实现原理和性能更为优越的继电保护装置 也提供了有力的技术支持。运行实践表明，微机型继电保护装置具有常规保护无可比拟 的优点，因此，研制和舞发一种能适用于大型发电机一变压器组的新型的数字式继电保 护平台具有十分重要深远的意义。 1 2 发变组保护装置的研究现状 在我国，微机保护已经经过了2 0 多年的发展历史，形成了比较成熟的技术理论体 系。早期微机保护的研究工作主要是集中在高压输电线路的距离保护方面，上世纪九十 年代以来，开始进入到元件保护方面。大专院校、科研单位与继电保护生产厂家合作研 制并开发了微杌发电机、变压器以及发电机一变压器组保护装置。如东南大学与南京电 力自动化设备厂共同研制的w f b z o l 型微机发电机一变压器组保护装置、华北电力大 学与阿城继电器厂共同研制的骄b 。l 型微机发电机一变压器组保护装置、清华大学与 许昌继电器研究所共同研制的m b 0 1 型微机发电机一变压器组保护装置、南瑞继电保 护公司研制的l f p 9 8 l 侈8 2 微机型发电机保护装置以及l f p 9 0 g 系列变压器成套保 护装置。在这一阶段的微机发电机一变压器组保护装置设计中，无论在硬件还是软件方 2 华北电力大学硕士学位论文 面都汲取了微机高压输电线路保护装置的许多成功经验和设计思想，采用了非常成熟可 靠的技术。在硬件方面，微控制器普遍采用i i i t e l 公司m c s 9 6 系列1 6 位单片机， 整体硬件结构采耀多c 踟并行工作结构，包括一个监控管理单元插件和若干傈护 c p u 插件，每个保护c p u 插件独立工作，管理单元插件通过串行职通信可以实现人 机对话功能：与保护c p u 插件之间的互检功能以及与上位机通信薯功能。在软件方面， 采用了成熟、优秀的软件算法，以保证装置的高度可靠性；在保护原理上，选择了其有 成熟运行经验的保护原理，并考虑了一些新颖、先进的保护原理，保护配置齐全，每种 保护都可以选择单独投退，大大提高了装置的适用范围和运行的灵活性。这些装置投入 现场运行以来，接受了现场运行条件的检验，并且取得了良好的运行效果，大大提高了 亳力系统运行的可靠性。 随着微计算机技术的飞速发展，微控制芯片的速度和精度不断提升，位数由8 位 发展到1 6 位、3 2 位，寻址能力由6 4 k 扩展到超过l m 以上，片内资源不断扩展， 在电路设计中只需少量外围电路的扩展甚至不需扩展。与此同时，各厂商纷纷推出了自 己的数字信号处理器、嵌入式微处理器以及各种功能强大的单片机。相对以往，研发 人员有了更多的选择，开发手段也不断丰富帮发展起来。编程语言由原来单一的汇编 语言发展到c 语言，并可以采用软件工程的方法开发软件。在保护理论方面，人们也 在不断地努力探索着，提出了许多引入注目的保护新原理。相邻学科中新理论、新技术 和新材料的发展，也为继电保护新原理的提出以及新技术的采用提供了理论基础和技术 手段。如将模糊数学、小波分析、人工神经网络以及计算机网络技术和现场控制技术 等应用于继电保护中。在这种背景下，微机发电机一变压器组保护装置开始升级换代， 新一代的微机发电机一变压器组保护装置在硬件上都普遍采用了功能更为强大的3 2 位单 片机，有的还采用了专门为实时控制系统蔼设计的3 2 位嵌入式微处理器，以及高性能 的数字信号处理器。电路设计采用了大规模a s i cf p ( 淡f p l a 等技术，将大量的妯围 逻辑电路集成在一块芯片中，使电路的设计更加简化合理和灵活科学，增加了系统的可 靠性，并且具有良好的保密性。在软件开发上，普遍采用了c 语言等高级语言，并具有 嵌入式实时操作系统的支持，相应的开发平台和软件支持赛匿也更加友好方便，保护配 置更加合理灵活，主保护配置双重化和多重化，后备保护更加完善合理。可见，新一 代的微机发电机一变压器组保护装置无论在软硬件的设计上还是在保护新原理的应用 上，以及装置的整体制造工艺上都进了一大步，具有质的飞跃。进入新世纪，继电保护 产品随着电子元器件的发展也不断更新换代。国内市场上由我国厂家自主研发的新型发 变组保护，主要有南瑞公司推出的i 地s 9 8 5 ，南自公司推出的d g t 8 0 l ，四方公司推出 的c s g3 0 0 ，许继公司推出的w f b 8 0 0 ，阿继公司推出的骄b 1 ；由国外公司研发的新 型发变组保护，主要有g e 公司撰出的g 6 0 、孵，s i 雠獬舔公司推出的弼m 、7 坍， a b b 公司推出的r e 9 3 1 6 、r e t 3 1 6 。新型发变组保护产品均采用3 2 位嵌入式处理器，软 3 华北电力大学硕士学位论文 件上也大都有嵌入式实时操作系统的支持。 l 。3 嵌入式操作系统介绍 ，嵌入式系统是以应用为中心，软硬彳牛可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体 积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。具有软件代码小、高度自动化、响应速 度快等特点，特别适合于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、 相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件。 1 3 1 嵌入式操作系统的发震 作为嵌入式系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成部分的嵌入式操作系统，通 常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、匦形界面、 标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来 越复杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中 解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操作系统相比较， 嵌入式操作系统在系统实时离效性、硬件的相关依赖性、软件固态化以及应用的专用性 等方面具有较为突出的特点。 嵌入式操作系统伴随着嵌入式系统的发展经历了四个比较明显的阶段： 第一阶段：无操作系统的嵌入算法阶段，以单芯片为核心的可编程控制器形式的系 统，具有与监测、伺服、指示设备相配合的功能。应用于一些专业性极强的工业控制系 统中，通过汇编语言编程对系统进行直接控制，运行结束后清除内存。系统结构和功能 都相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。 第二阶段：以嵌入式c p u 为基础、简单操作系统为核心的嵌入式系统。c p u 种类 繁多，通用性比较差；系统开销小，效率高；一般配备系统仿真器，操作系统具有一定 的兼容性和扩展性；应用软件较专业，用户界面不够友好；系统主要用来控制系统负载 以及监控应用程序运行。 第三阶段：逶月的嵌入式实时操作系统阶段，以嵌入式操作系统为核心的嵌入式系 统。能运行于各种类型的微处理器上，兼容性好；内核精小、效率高，具有高度的模块 化和扩展性；具备文件和目录管理、设备支持、多任务、网络支持、图形窗口以及用户 界面等功能；具有大量的应用程序接蹋( 艘1 ) ；嵌入式应用软件丰富。 第四阶段：以基于t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶段。 尽前大多数嵌入式系统还孤立于埘e m e t 之外，但随着风e m e t 的发展以及融e m c t 技术 4 华北电力大学硕士学位论文 与信息家电、工业控制技术等结合日益密切，嵌入式设备与i n t e m e t 的结合将代表着嵌 入式技术的真正未来。 1 3 2 使用实时操作系统的必要性 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系 统庞大的应震中显得愈来愈重要。 ( 1 ) 嵌入式实时操作系统提高了系统的可靠性。在控制系统中，出于安全方面的考 虑，要求系统代码不能崩溃，而且还要有自愈能力。不仅要求在硬件设计方面提高系统 的可靠性和抗干扰性，而且也应在软件设计方面提高系统的抗干扰性，尽可能地减少安 全漏洞和不可靠的隐患。长期以来的前后台系统软件设计在遇到强干扰时，使得运行的 程痔产生异常、出错、跑飞，甚至死循环，造成了系统的崩溃。褥实时操作系统管理的 系统，这种干扰可能只是引起若干进程中的一个被破坏，可以通过系统运行的系统监控 进程对其进行修复。通常情况下，这个系统监视进程用来监视各进程运行状况，遇到异 常情况时采取一些利于系统稳定可靠的措施，如把有闻题的任务清除掉。 ( 2 ) 提高了开发效率，缩短了开发瘸期。在嵌入式实时操作系统环境下，开发一个 复杂的应用程序，通常可以按照软件工程中的解耦原则将整个程序分解为多个任务模 块。每个任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块。商业软件一般都提供了良好的多 任务调试环境。 ( 3 ) 嵌入式实时操作系统充分发挥了3 2 位c p u 的多任务潜力。3 2 位c p u 比8 、1 6 位c 跗快，另外它本来是为运行多用户、多任务操作系统丽设计的，特别适于运行多 任务实时系统。3 2 位c p u 采用利于提高系统可靠性和稳定性的设计，使其更容易做到 不崩溃。例如，c p u 运行状态分为系统态和用户态。将系统堆栈和用户堆栈分开，以及 实时地给出c p u 的运行状态等，允许用户在系统设计中从硬件和软件两方面对实时内 核的运行实施保护。如果还是采用以前的前后台方式，则无法发挥3 2 位c p u 的优势。 从某种意义上说，没有操作系统的计算机( 裸机) 是没有用的。在嵌入式应用中，只有 把c p u 嵌入到系统中，同时又把操作系统嵌入进去，才是真正的计算机嵌入式应用。 1 3 3 嵌入式操作系统选型 当我们在设计信息电器、数字医疗设备等嵌入式产品时，嵌入式操作系统的选择至 关重要。一般而言，在选择嵌入式操作系统时，可以遵循以下原则。总的来说，就是“做 加法还是做减法 的问题。 ( 一) 市场进入时间 华北电力大学硕士学位论文 制定产品时间表与选择操作系统有关系，实际产品和一般演示是不同的。目前是 w i n d o 、s 程序员可能是人力资源最丰寓的。现成资源最多的也就可能是w i l l c e 。使用 w 敝嚣能够很快进入市场。因为w 遮c 酗- x 8 6 傲产品实际上是在做减法，去掉你不要的 功能，能很快出产品，但伴随的可能是成本高，核心竞争力差。而某些高效的操作系 统可能由于编程人员缺乏，或由于这方面的技术积累不够，影响开发进度。 ( 二) 可移植性 操作系统相关性。当进行嵌入式软件开发时，可移植性是要重点考虑的问题。良好 的软件移植性应该比较好，可以在不同平台、不同系统上运行，跟操作系统无关。软件 的透用性和软件的性能逶常是矛盾的。即遥用以损失某些特定情况下的优佬性能为代 价。很难设想开发一个嵌入式浏览器而仅能在某一特定环境下应用。反过来说，当产品 与平台和操作系统紧密结合时，往往你的产品的特色就蕴含其中。 ( 三) 可利用资源 产品开发不同于学术课题研究，它是以快速、低成本、高质量的推出适合用户需求 的产品为目的的。集中精力研发出产品的特色，其他功能尽量由操作系统附加或采用第 三方产品，因此操作系统的可利用资源对于选型是一个重要参考条件。l 诬馘和w i 珏c e 都有大量的资源可以利用，这是他们被看好的重要原因。其它有些实时操作系统由于比 较封闭，开发时可以利用的资源比较少，因此多数功能需要自己独立开发。从而影响开 发进度。近来的市场需求显示，越来越多的嵌入式系统，均要求提供全功能的w 曲浏 览器。而这要求有一个高性能、高可靠的g u i 的支持。 ( 四) 系统定制能力 信息产品不同于传统p c 的w i l l d o w s 结构的单纯性，用户的需求是千差万别的，硬 件平台也都不一样，所以对系统的定制能力提出了要求。要分析产品是否对系统底层有 改动的需求，这种改动是否伴随着产品。l i n u x 由于其源代码开放的天生魅力，在定制 能力方面具有优势。随着w i n c e 3 o 原码的开放，以及微软在嵌入式领域力度的加强， 其定制能力会有所提升。 ( 五) 成本 成本是所有产品不得不考虑的问题。操作系统的选择会对成本有什么影响呢? l m u ) 【 免费，w i n c e 等商业系统需要支付许可证使用费，但这都不是问题的答案。成本是需要 综合权衡以焉进行考虑的选择某一系统可能会对其链一系列豹因素产生影喃，如对 硬件设备的选型、人员投入、以及公司管理和与其他合作伙伴的共同开发之间的沟通等 许多方面的影响。 6 华北电力大学硕士学位论文 ( 六) 中文内核支持 国内产品需要对中文的支持。由于操作系统多数是采用西文方式，是否支持双字节 编码方式，是否遵循c 国k ，g b l 8 0 3 0 等各种国家标准，是否支持中文输入与处理，是否 提供第三方中文输入接口是针对国内用户的嵌入式产品的必需考虑的重要因素。 l 。3 4 几种代表性嵌入式操作系统比较 ( 一) v x w o 撼 v x w o d ( s 操作系统是美国w 艄砒v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时操 作系统( r t o s ) ，是蚴如嵌入式开发环境的关键组成部分。良好的持续发展能力、 高性能的内核以及友好的用户开发环境，在嵌入式实时操作系统领域逐渐占据一席之 地。 v x 具有可裁剪微内核结构；高效的任务管理；灵活豹任务问通讯；微秒级的 中断处理；支持p o s 1 0 0 3 。l b 实时扩展标准；支持多种物理介质及标准的、完整的 t c p m 网络协议等。 然而其价格昂贵。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，价格一般都比较高， 通常需花费1 0 万元人民币以上才能建起一个可用的开发环境，对每一个应用一般还要 另外收取版税。一般不提供源代码，只提供二进剃代码。出于它们都是专用操作系统， 需要专门的技术人员掌握开发技术和维护，所以软件的开发和维护成本都非常高。支持 的硬件数量有限。 ( 二) w i n d o w sc e w i i l d o w sc e 与w 砌o 、糨系列有较好的兼容性，无疑是w i l l d o w sc e 推广的一大优 势。其中w i n c e 3 o 是一种针对小容量、移动式、智熊化、3 2 位、了解设备的模块化实 时嵌入式操作系统。为建立针对掌上设备、无线设备的动态应用程序和服务提供了一种 功能丰富的操作系统平台，它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对 内存占用空间具有一定限制的设备。它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完 整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑翻专雳的工监控制 器的用户电子设备进行定制。操作系统的基本内核需要至少2 0 0 k b 的r o m 。由于嵌入 式产品的体积、成本等方面有较严格的要求，所以处理器部分占用空间应尽可能的小。 系统的可用内存和外存数量也要受限制，而嵌入式操作系统就运行在有限的内存( 一般 在购m 或快闵存储器 中，因此就对操作系统的规模、效率等提出了较高酶要求。从 技术焦度上讲，w i l l d o w sc e 作为嵌入式操作系统有很多的缺陷：没有开放源代码，使 7 华北电力大学硕士学位论文 应用开发人员很难实现产品的定制；在效率、功耗方面的表现并不出色，而且和w i l l d o w s 一样占用过的系统内存，运用程序庞大；版权许可费也是厂商不得不考虑的因素。 ( 兰) 嵌入式l i n _ 蜮 这是嵌入式操作系统的一个新成员，其最大的特点是源代码公开并且遵循钾l 协 议，在近一年多_ 以来成为研究热点，据d g 预测嵌入式i n u x 将占未来两年的嵌入式操 作系统份额的5 0 。 由于其源代码公开，人们可以任意修改，以满足融己的应用，并且查错也很容易。 遵从g p l ，无须为每例应用交纳许可证费。有大量的应用软件可用。其中大部分都遵从 钟l ，是开放源代码和免费的。可以稍加修改后应用予用户自己的系统。有大量免费的 优秀的开发工具，且都遵从g p l ，是开放源代码的。有庞大的开发人员群体。无需专门 的人才，只要懂u r l i x 兀i i l u x 和c 语言即可。随着l m u x 在中国的普及，这类人才越来 越多。所以软件的开发和维护成本很低。优秀的网络功能，这在m e t 时代尤其重要。 稳定这是l 弧馘本身具备的个很大优点。内核精悍，运行所需瓷源少，十分适合 嵌入式应用。 支持的硬件数量庞大。嵌入式l m 瓤和普通王，i 如x 并无本质区别，p c 上用到的硬件 嵌入式l 姗u x 几乎都支持。而且各种硬件的驱动程序源代码都可以得到，为用户编写自 己专有硬件的驱动程序带来很大方便。 在嵌入式系统上运行l 洒u ) 【的一个缺点是l 曲暇体系提供实时性能需要添加实时软 件模块。丽这些模块运行的凌核空间正是操作系统实现调度策略、硬件中断异常和执行 程序的部分。由于这些实时软件模块是在内核空间运行的，因此代码错误可能会破坏操 作系统从而影响整个系统的可靠性，这对于实时应用将是一个非常严重的弱点。 ( 四) 心o s i i 心o s i i 是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8 位，1 6 位和3 2 位单片机或数字信号处理器( d 鲫) 。它是在原版本心幻s 的基础上做 了重大改进与升级，并有了近十年的使用实践，鸯许多成功应用该实时内核的实例。它 的主要特点如下： 公开源代码，容易把操作系统移植到各个不同的硬件平台上； 可移植性，绝大部分源代码是用c 语言写的，便于移植到其它微处理器上； 可固化； 可裁剪性，有选择的使用需要的系统服务，以减少所需的存储空间； 冀 华北电力大学硕士学位论文 占先式，完全是占先式的实时内核，即总是运行就绪条件下优先级最高的任务； 多任务，可管理6 4 个任务，任务的优先级必须是不同的，不支持时间片轮转调 度法； 可确定性，函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，不依赖于任务的多少； 实用性和可靠性，成功应用该实时内核的实例，是其实用性和可靠性的最好证据。 由于“s l i 仅是一个实时内核，这就意味着它不像其他实时存在系统那样提供 给用户的只是一些a p i 函数接口，还有很多工作需要用户自己去完成。 ( 五) n l e 潞p l u s n u c l e 稻甄u s 是为实时嵌入式应鹰焉设计的一个抢先式多任务操作系统内核，其 9 5 的代码是用a n s i c 写成的，因此非常便于移植并能够支持大多数类型的处理器。 从实现角度来看，n u c l e u sp l u s 是一组c 函数库，应用程序代码与核心函数库连接在 一起，生成一个舀标代码，下载到目标板的涨中或直接烧录到目标板的r o m 中执 行。在典型的目标环境中，n l e u sp l u s 核心代码区般不超过2 0 k 字节大小。孙比l e u s p l u s 采用了软件组件的方法。每个组件具有单一而明确的目的，通常由几个c 及汇编 语言模块构成，提供清晰的外部接口，对组件的引用就是通过这些接阴完成的。除了少 数一些特殊情况外，不允许从外部对组件内的全局进行访问。由于采用了软件组件的方 法，n u c l e u sp l u s 各个组件非常易于替换和复用。n 戤l e u sp l u s 的组件包括任务控制、 内存管理、任务间通信、任务的同步与互斥、中断管理、定时器及i 0 驱动等。 n i u c l e u s 具有如下特点： 1 ) 提供源代码 n u c l e u sp l u s 注释严格的c 源级代码给每一个用户。这样，用户能够深入地了解 底层内核的运作方式，并可根据自己的特殊要求删减或改动系统软件，这对软件的规范 化管理及系统软件的测试都有极大的帮助。另外，由予提供了船o s 的源缓代码，用 户不但可以进行r t o s 的学习和研究，而且产品在量产时也不必支付l i c e n s e ，可以省 去大量的费用。对于军方来说，由于提供了源代码，用户完全可以控制内核而不必担心 操作系统中可能会存在异常任务导致系统崩溃。 2 ) 性价比高 n u c l e u sp l u s 由子采用了先进的微内核( 瓶e 觚1 ) 技术，函丽在优先级安排、 任务调度、任务切换等各个方面都有相当大的优势。另外，对c 语言的全面支持又使 9 华北电力大学硕士学位论文 得n u c l e u sp l u s 的k e m e l 成为名副其实的面向对象的实时操作系统内核。同时，其价 格也比较合理。所以，容易被广大的研发单位接受。 3 ) 易学易用 n u c l e u sp l u s 能够结合p a r a d i 鲫，s d s 以及a t i 自己的多任务调试器组成功能强 大的集成开发环境，配合穗赢的编译器和动态联结库以及各类底层驱动软件，用户可以 轻松地进行r t o s 的开发和调试。另外，由于这些集成开发环境( i d e ) 为所有的开发 工程师所熟悉，因而，容易学习和使用。 4 ) 功能模块丰富 n u c l e u sp l u s 除提供功能强大的内核操作系统外，还提供种类丰富的功能模块。 例如用于通讯系统的局域和广域网络模块，支持图形应用的实时化w i n d o 懈模块，支 持酞e m e l 嬲的w e b 产品模块，工控机实时b i o s 模块，图形用户接疆以及应用软件性 能分析模块等。用户可以根据自己的应用来选择不同的应用模块。 n u c l e u sp l u s 支持的c p u 类型： n u c l e u sp l u s 的r t o s 内核可支持如下类型的c p u ：x 8 6 ，6 8 x ) ) ( ，6 8 h c 瓢，n e cv 2 5 ， c o l m 7 i r e ，2 9 k ，i 9 6 0 ，m i p s ，s p a r c l i t e ，t id s p ，a r m 6 7 ，s 包f o n g a r m ，h 8 3 0 0 h ，s h l 2 3 ， p o 职：r p c ，v 8 x x ，n i c o r e m e o r e ，p 髓a s o 嫩cm n l0 2 0 0 ，强r e m e o 瓣等。可阻说n 粥l c u s p l u s 是支持c p u 类型最丰富的实时多任务操作系统。 针对各种嵌入式应用，_ n u c l e u sp l u s 还提供相应的网络协议( 如t c p 】l e i ，s 瓣 等) ，以满足用户对通讯系统的开发要求。另外，可重入的文件系统、可重入的c 函数 库以及图形化界面等也给开发者提供了方便。 针对不同的c p u 类型，n u c l e u sp l u s 还提供编译器、动态连接库、多任务调试器 等相应的工具来配置用户的开发环境。值得提出静是觚王公司最近还发表7 基予 m i c r o s o 金d e v e l o p e r ss t l j d i o 的嵌入式集成开发环境一n u c l e u se d e 。从而率先将嵌入 式开发工具与m i c r o s o r 的强大开发环境结合起来，提供给工程师们强大的开发手段。 1 4 本论文所作的主要工作 研制和开发一套新型数字式发电机一变压器组保护装置是一项庞大、 艰巨的任务， 它需要多名研究人员多年的努力与协作。本人只是对整个硬件设计和软件编制进行了简 要的探讨和研究。本论文的主要工作如下： 1 ) 介绍硬件平台设计： l o 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 主c p u 的选型及其功能和特点介绍； ( 2 ) 外扩r a m 电路设计； ( 3 ) 外扩f l a s h 趣路设计； ( 4 ) 外扩e e p r o m 电路设计； ( 5 ) a d 芯片选型及和c p u 的连接电路； ( 6 ) 开入开出电路设计； ( 7 ) 外扩时钟电路设计； ( 8 ) 硬件测频电路设计； ( 9 ) c a n 通讯电路设计； 2 ) 介绍软件平台设计： ( 1 ) 实时操作系统n u c l e u sp l u s 的内核介绍； ( 2 ) n u c l e u sp l u s 在m p c 5 5 5 上的移植； ( 3 ) 实时操作系统b s p 的编写； ( 4 ) 外围器件驱动程序的编写； ( 5 ) 以n u c l e u sp l u s 操作系统为基础发变组保护软件平台的编写。 3 ) 以发电机过激磁保护为例给出了软件平台的调度过程 根据保护的位置和功能不同，发变组保护分成很多种保护，比如说差动保护、定子 接地保护、过负荷保护、失磁保护等，每种保护作为一个独立的模块由软件平台调度， 主保护如差动保护具有最高的优先级，后备保护具有次一级的优先级，通讯处理具有比 保护低的优先级，自检任务具有最低的优先级。 4 ) 平台在发变组保护装置上的应用 介绍了平台在发电机一变压器组w f b 1 c 装置上的应用，给出了静模试验、动模试 验、型式试验的结果。 华北电力大学硕士学位论文 2 1 发变组保护配置 第二章硬件平台设计 在发电机变压器组保护装置的具体设计中，结合典型工程设计的实际，遵循了以 下几个基本原则：在保护的主要功能方面装置应具有独立性、完整性、成套性；装置的 保护模块配置应完善、合理；当装置出现单一硬件故障退出运行时，被傈护设备应能允 许继续运行；非电量保护可经装置触点转换出口或经装置延时后出口；装置应反映其信 号装置中不同类型的保护，应设有方便的投退功能：在保护原理选择方面选择具有成熟 运行经验的保护原理，并考虑一些新颖、先进的保护原理，每种新原理保护都可以选择 单独投退；在c 粥配置方露，每个c p u 系统瘦能完成重2 个主保护和2 5 个后备保护 的功能；c p u 保护系统应各自独立，具有自己单独的电源和自动开关；主保护应布置在 不同的c p u 系统内，同一元件的主保护和后备保护也尽量布置在不同的c p u 系统内； 在保护分柜方面，微机发电机交压器组保护装置一般分设2 面柜，同一元件的主保护 分别布置于不同柜，相似功能的后备保护分别布置于不同柜，接于同一组c t 回路的保 护装于同一柜上，每面保护柜配置各自独立的保护出阴，保护柜的出口跳闸回路分别动 作断路器不同的跳闸线圈。 发电机一变压器组配置的各种保护如下： 反应短路故障的主保护 1 ) 发电机纵联差动保护； 发电机裂相横差保护； 3 ) 发电机不完全差动保护； 4 ) 主变压器差动保护； 5 ) 高压厂用变压器差动保护； 国发交组差动保护； 乃励磁变压器差动保护； 8 ) 励磁机差动保护； 9 ) 短线差动保护； l o ) 匝间短路保护； 。 根据不同要求选配下列保护： a ) 单元件横差保护； b ) 负序方向 l l 锬缎向零序电压保护： c ) 故障分量启动的负序方向保护； 1 2 华北电力大学硕士学位论文 1 1 ) 定子接地保护； 1 2 ) 转子一点接地保护； 1 3 ) 转子两点接地保护。 反应短路故障的后备保护 1 ) 过电流保护，可根据不弱要求选配下列保护： a ) 过电流保护： b ) 低压闭锁过电流保护； c ) 复合电压闭锁过电流保护； d ) 记忆过电流保护； e ) 复合过电流保护； f ) 限时速断过流保护； 2 _ ) 阻抗保护。 3 ) 主变压器零序电流保护； 4 ) 主变压器间隙零序电流保护； 5 ) 主变压器零序电压保护； 6 ) 主变压器零序选跳保护； 7 ) 高厂变低压侧零序电流保护； 8 ) 高厂变低压侧零序电压保护。 9 ) 励磁机( 变) 过电流保护； l 励磁过流、过负荷保护； 反应异常运行的保护 1 ) 定子绕组过流、过负荷保护； 2 ) 转子表层( 负序) 过流、过负荷保护； 3 ) 转子过流、过负荷保护； 4 ) 低电压保护； 5 _ ) 过电压保护； 6 ) 过激磁保护； 7 ) 失磁保护： 8 ) 失步保护； 9 ) 逆功率保护： l o ) 程跳逆功率； 1 1 ) 频率异常保护； 1 2 ) 误上电保护； 1 3 华北电力大学硕士学位论文 1 3 ) 起停机保护； 1 4 ) 电超速保护； 董5 ) 轴电流保护； 1 6 ) 轴电压保护： 1 7 ) 变压器过负荷、过负荷启动风冷、过流闭锁有载调压； 重8 ) 断路器菲全相保护； 1 9 断路器启动失灵保护； 2 0 ) 断路器断口闪络保护： 2 1 ) 尉和异常检测。 非电量保护 非电量保护包括变压器轻瓦斯、重瓦斯、油位、油温、绕组温度、压力释放、冷却 器故障、冷却器电源消失以及发电机热工、断水、励磁系统故障等。 发电机变压器组保护功能众多，圆路复杂，这就对保护平台的硬件和软件设计提 出了更高的要求，硬件设计要重点考虑c p u 和a 仍芯片的选择，软件设计重点要考虑 实时操作系统的选择。 2 。2 主c p u 的选型 2 2 董c p u 的选择原则 在评价微机保护性能时，有一种误解，觉得c p u 的位数越多，运算速度越快越好， 事实上并非如此。原因如下： 1 ) c p u 的位数和运算速度和可靠性不是成正比的关系 可靠性是继电保护设备最重要和最基本的要求。继电保护防误动、防拒动的设计主 要体现在可靠性的设计上。可靠性的设计包含软件和硬件。因此对于微机保护的可靠性 面言，在某种程度上取决于c p u 本身的可靠性和抗干扰性能。铡如总线不弓| 出芯片的 c p u 是国内外公认的最可靠的方案，从可靠性的焦度来分析，c p u 的运算速度和位数 并没有对可靠性产生影响。另外，继电保护的可靠性还与运行、维护的水平、推广的程 度及配套设备等因素有关，同时多年的运行经验积累和产品的不断改进、完善，也是保 证可靠性的重要环节。在微机保护装置中，c p u 运算速度和位数的选择应以“够用 为 原则，以保证保护的可靠性和保护完成必须的功能，没有必要片面的追求c p u 的位数 和运算速度。 1 4 华北电力大学硕士学位论文 2 ) c p u 的运算速度和继电保护的动作速度不是成正比的关系 对予微视继电保护设备，继电保护的动作延时主要来自予等待判断故障特镬所需的 基本数据所占用的时间( 即数据窗的延时) 。由于微机继电保护所处理的数据不是太大， 数据处理所占用豹时闻缀少。所以，3 2 位机的动俸速度眈8 位枫快不了多少。在e p u 指令周耀相同的情况下，乐观地估计，3 2 位机应用予继电保护场合，其动俸速度比8 位枫大约能快o 。3 棚4 毫秒。指令周期短的8 位机与指令周欺略长的3 2 位机比较，完成 继电保护所需精度和速度的时间很难分出快慢。微机保护的c p u 除了处理数据外，还 耀于逻辑位的判断与比较。这种逻辑位的判断对于8 位机来说，占用的时间更短。因此， e p u 运算速度对继电保护的动作速度并不产生多大的影响。 综合以上分析，我们得出选择c p u 要遵循以下三个方面： 够用原则 成本原则 参数选择( 类型、处理速度、寻址能力、总线宽度、片圭集成存德器、片上集成 、工作温度、封装、操作系统支持、开发工具支持、调试接口、行业用途、 功耗特性、电源管理功能、价格、行业使用情况) 遵循以上原则，经过多方比较我们选择了谮c 5 5 5 作为平台的主c p u 2 。2 2m p c 5 5 5 介绍 瓣c 5 5 5 是m o l 瀚l 嚣推出酶嵩性能、3 2 位浮点m p e 5 e 0 系捌中的一静，它兼其高 效率数字信号处理能力和m c u 的实时控制能力。此系列m c u 采用p o w i e r p c 内核，其 特点如下： 带有浮煮运算单元的p o 猢癌，e 漆核 2 6 k 字节快速片内r a m 和6 k 字节t p u 微码片内r a m 甜8 k 字节5 v 可编程基a 媳髓p r o 鹾 5 v o 串行系统：队列式串行多通道模块( q s m c m ) ，两个c a n2 o b 控制模块u c 触盯m ) 5 0 个透道酌定时器：两个定黠处理单元( 王p u 3 ) ，有标臻组傣的粥接弱( m 妁s 1 ) 3 2 个模拟输入：两个队列式d 转换器( q a d c 6 4 ) 亚微型的薹壬e m o s 技术 2 7 2 弓| 脚的塑料球形撩格排列封装 工作频率4 0 m 誊k ，工作温度4 0 。c 1 2 5 。c ，3 3 v 和5 v 双电压供电 设计中选用a 诬c 5 5 5 作为处理器，矮主要的原嚣是它与其链的通髑m c u 楣毙兵有壁 丰富的的墨和多种外围设备| 以及丰富的存储单元，它在单一的m c u 芯片上集成了通用 的b f o 模块g p l 0 ( 最大可用g p l 0 弓l 脚l o o 多根，我们设计的系统共扩出开出4 l 路，开入3 0 1 5 华北电力大学硕士学位论义 路) 、2 个异步通讯模块s c i 、4 个同步串行外设模块s p i 、2 个控制器局域网c a n 2 0 b 、3 6 路a 仍交换模