（电力系统及其自动化专业论文）基于asic的变电所控制系统组态软件的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l | 页 a b s t r a c t a c t u a ls u b s t a t i o nc o n t r o ls y s t e m sa r ee i t h e rf u n c t i o nr e l a y , w h i c hi sp a r a l l e l o p e r a t i o n o r p r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r , w h i c h i sf l e x i b l e c o n f i g u r a t i o n w h i l e p r o g r a m m a b l ea s i ci s b o t hp a r a l l e la n df l e x i b l e h o w e v e r , t h e r ei sf e wd e s i g n t o o l sf o rp r o g r a m m a b l ea s i ci ns u b s t a t i o nc o n t r o ls y s t e m t h i st h e s i si sa i m e da t t h e d e s i g n o fg r a p hc o n f i g u r a t i o ns o f t w a r ef o ra s i c - b a s e ds u b s t a t i o nc o n t r o l s y s t e m p r e s e n tm a i nc o n t r o li ns u b s t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sa n a l y s i s ，b a s i cd e v i c e si n t h es o f t w a r ei se d u c e d m e a n w h i l et h ec h o i c eo fd e v i c e s ，s o f t w a r eo u t p u ta n d v h d ld e s c r i p t i o n s t y l e a r ed i s c u s s e d a g r a p hc o n f i g u r a t i o n s o f t w a r ef o r a s i c - b a s e ds u b s t a t i o nc o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e d ，t h eg r a p h i ce d i ta n dc r e a t i o n o f v h d lf i l e sa r ee x p l a i n e di nd e t a i l t h eb r e a k e rc o n t r o lc i r c u i ta n dc e n t r a lf a u l t a l a r mc i r c u i ta l ec o n f i g u r e da n ds i m u l a t e d s i m u l a t i o nr e s u l t sd e n o t et h a tv h d lc o d e sa r ec r e a t e dc o r r e c t l ya c c o r d i i i gt o t h ec o n f i g u r a t i o ng r a p h i cl o g i c a n di ti sa l s op r o v e dt h a tt h es o f t w a r ei ss i m p l e ， p r a c t i c a la n d e f f e c t i v e k e yw o r d sa s i c ；s u b s t a t i o nc o n t r o ls y s t e m ；c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ； g r a p hc o n f i g u r a t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 问题的提出 第1 章绪论 为保障一次电气设备的安全运行和实现对次电气设冬的操作而设置的 控制系统称为变电所控制系统。到目前为止，它主要经历了以各种功能继电 器为核心和以可编程控制器为核心的控制系统两个阶段。 继电器控制系统，也称为接线程序控制系统，是应用最早的控制系统。 它是人们用导线把各种继电器、定时器、接触器及其触点按一定的逻辑关系 统连接起来组成的逻辑顺序控制系统。由于其结构简单、价格便宜，且能很 好地满足对高压电气设备的控制要求，因而使用面很广，在变电所控制系统 中占着重要地位。继电器控制系统要实现一个控制任务，首先要针对具体的 被控对象，分析它对控制系统的要求，设计出相应的电器控制线路，然后制 作出针对该控制任务的专用电路控制装霹。若控制任务发生变化，则必须改 变接线才能实现。另外，由于继电器控制系统中器件、接线较多，所以其平 均无故障时间较短，维护工作量大，故障不易查找。由于其是靠机械动作实 现控制的，所以其控制响应时间相当较长。 继电器控制系统在传统的工业生产中曾起了不可替代的重要作用，随着 生产规模的逐步扩大，市场经济竞争日趋激烈，由于继电器控制的上述缺点， 显然它无法满足经济发展的需要，人们迫切需要一种新型的工业控制系统， 可编程控制器也就应运而生了。 可编程控制器是种存储程序控制器，支配控制系统工作的程序存放在 存储器中，利用程序来实现控制逻辑和控制时序，最终实现对高压电气设备 ，的控制。在可编程序控制器构成的控制系统中，要实现一个控制任务，首先 要针对具体的被控对象，分析它对控制系统的要求，然后编写出相应的控制 程序，利用编程器将控制程序写入可编程控制器的程序存储器中。系统运行 时，可编程控制器依次读取程序存储器中的程序语句，对它们的内容解释并 加以执行。根据输入设备的状态或其他条件，可编程控制器将其程序执行结 果通过输出接口完成对控制对象的控制。 从文献( 1 ) 一( 4 ) 中，可以看出可编程控制器的具体工作方式是；当可 编程控制器运行时，c p u 就要执行用户程序的操作。但是c p u 不可能同时执 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 行多个操作，只能分时地依次地执衍。可编程控制器利用系统软件在其内部 建立了输入输出映像区，当可编程控制的c p u 执行用户程序时，从输入映像 区中读取输入信号的状态，进行相应的操作。当c p u 执行完第一个操作后， 将输出结果送到输出映像区，然后再执行第二个操作，直到执行到结束指令。 在程序执行过程中，可编程控制器并不读取输入信号的真正状态，执行结果 也并没有输出到可编程控制器的外部。只有当程序执行到结束指令时，才将 输出映像区中的执行结果向可编程控制器外部输出一次，将输入信号的状态 读取一次送到输入映像区，对输入输出信号的这一操作过程称为i o 刷新。i o 刷新完成后，再开始下一轮程序的执行，这一工作方式称为扫描方式。 从上面的分析，可以看出，这两种控制系统的主要差别是它们实现控制 逻辑的方法。继电器控制系统实现控制逻辑是通过分立元器件的固定连线， 而可编程控制器是通过软件来实现的。由于继电器控制系统的固定连线被可 编程控制系统的程序所替代，使得可编程控制器体积小，可靠性高，控制系 统构成简单，通用性强，一旦控制任务发生变化，就只需要对程序进行修改 就可以了。由于可编程控制器的这些优点，所以在目前的变电所控制系统中， 传统的继电器控制系统正逐渐被可编程控制器所替代。 从两者的控制系统的实现方式中也可以看到： l 、继电器控制系统是采用硬逻辑并行运行方式，即如果一个继电器的线 圈通电或断电，该继电器的所有触点( 包括它的常开触点或常闭触点) ，不论 在继电器线路的哪个位置上，都会立即同时动作。 2 、可编程控制器是建立在计算机工作原理基础上的，从广义上讲，可编 程控制器实质上是一种计算机控制系统，可编程控制器的c p u 采用顺序逐条 地扫描用户程序的运行方式，即如果一个线圈或逻辑线圈被接通或断开，该 线圈的所有触点( 包括它的常开触点和常闭触点) 不会立即动作，必须等扫 描到该触点或才会动作。 从可编程控制器的工作过程，可以得出以下结论： 1 、以扫描方式执行操作，其输入输出信号间的逻辑关系，存在着原理 上的滞后。扫描周期越长，滞后越严重。 2 、扫描周期包括执行用户程序和系统管理操作所用的时间。前者与程序 的长短及指令操作的复杂程度有关，后者基本上不变。 3 、第n 次扫描执行程序时，所依据的输入数据是该次扫描之前的值，所 依据的输出数据有本次扫描前的值也有本次计算的值，送往输出端子的信号， 是本次执行完全部运算后的最终结果。在理论上，为了减少原理上的滞后要 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 求扫描时间越短越好，而对于较复杂的逻辑和时序控制，在控制程序的编写 时，可能需要执行许多步指令，从而导致扫描时间的延长。这就构成了一对 矛盾。 结合继电器控制系统的并行操作和可编程系统的灵活性的优点，研制一 种可将继电器线路控制系统硬件结构的优点与可编程控制系统可编程软件结 构结合起来新型控制系统是十分必要的。 可编程a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ，专用集成电路) 技 术的出现为实现这一设想提供了必要的技术手段。a s i c 的主要特点有： 1 、它是一种硬件电路，是并行执行的。 2 、它是可以用软件编程的，在控制任务改变时，可方便地修改、扩展。 3 、它是集成在一块芯片上，没有很多连线，提高了可靠性。 也就是说利用a s i c ，可以实现一个通过软件组态的硬逻辑并行运行的控 制器件。 1 2 国内外研究现状与发展 可编程a s i c 是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电 路。当今可编程a s i c 主要包括以下几类器件：s p l d ( s i m p l ep r o g r a m m a b l e l o 百cd e v i c e ，简单可编程逻辑器件) 、c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i c d e v i c e ，复杂可编程逻辑器件) 和f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l e g a t ea r r a y ，现场 可编程门阵列) 。 s p l d 器件主要由通常由“与阵列”和“或阵列”组成，能够有效地实 现“积之和”形式的布尔逻辑函数，但其规模小，通常只有几百个等效逻辑 门。 c p l d 器件是在s p l d 的基础上发展起来的，它的基本逻辑结构也是由 “与阵列”和“或阵列”组成，它是通过修改具有固定内部电路的逻辑功能 来编程，它的集成度一般可达到数千甚至上万个等效逻辑门，能实现较大规 模的电路集成。 f p g a 器件的基本逻辑结构由门阵列组成，它能够实现一些较大规模的 复杂数字系统，它主要通过改变内部连线的布线来编程，它的集成度也很高。 可编程a s i c 具有以下两个主要特点： 1 、集成度高，速度快、功耗低。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 2 、在采用i s p ( i n - s y s t e mp r o g r a m m i n g ，在系统可编程) 技术后，可编 程a s i c 可以让用户在已经设计和制作了电路板但又需要修改逻辑设计或重 构数字逻辑系统时，直接在线编程和反复修改，使得硬件的功能可以像软件 一样通过编程进行修改，极大地提高了系统的灵活性与通用性。 由于具备了上述两方面的特点，可编程a s i c 得到了广泛的应用。在文 献( 5 ) - ( 1 3 ) 中，论述了如何利用可编程，a s i c 的这两个特点，将其应用于 控制、数字信号处理、教学等领域。也正因为这两个特点，可以利用a s i c ， 结合继电器控制系统的和可编程系统的优点，研究一种新型的变电所控制系 统。 可编程a s i c 的开发离不开e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i c ，电子设 计自动化) 软件，目前具有代表性的开发系统是a l t e r a 公司推出的m a x p l u s i i 系统和x i l i n x 公司推出的f o u n d a t i o n 系统。利用这些e d a 工具进行器件的 设计一般可分为设计输入、设计实现、设计仿真和下载编程4 个步骤。设计 输入就是将设计者所设计的电路以开发软件要求的形式表达出来，并输入到 相应的开发软件。m a x p l u s i i 系统可以用a h d l 、v h d l 、v e r i l o gh d l 的文 本设计输入也可以用图形设计输入，f o u n d a t i o n 系统具有原理图图形设计输 入和a b e l 、v h d l 、v e r i l o gh d l 文本输入。设计实现是从设计输入文件到 熔丝图文件或位流文件的编译过程。设计仿真的最大功能是便于用户查看自 己的设计思想是否能够得到实现。下载编程是将设计阶段生成的熔丝图文件 或位流文件装入可编程器件中。在系统可编程器件中不需要使用编程器。 如果是进行可编程a s i c 开发的话，以上工具完全可以满足用户的需要。 但现在是想利用可编程a s i c 研究一种新型的变电所控制系统，需要的开发 工具是面向一般的工程技术人员，不能要求他们对a s i g 有深入的了解，所 以直接将可编程a s i c 的现有e d a 软件作为新型变电所控制系统的组态软件 是不适合的。在从继电器控制系统发展成可编程控制器时，虽然可编程控制 器是一种特殊的计算机控制系统，但它借助于有关软件的作用，让用户使用 梯形图或功能块进行编程，在编程时，可以不考虑c p u 和存储器的复杂构成 及其应用的计算机语言，而把可编程控制器看成是内部由许多“软继电器” 构成的控制器，从而使一般的工程技术人员可以方便地调整系统和组态，使 可编程控制器得到了广泛的应用。 可编程a s i c 的设计实现对开发人员来说是核心部分，但对变电所控制 系统的一般工程技术人员来说，它的实现过程究竟如何，并不值得过分关心， 更为重要的是要求一般的工程技术人员直接编写诸如d l 、v e r i l o g h d l 之 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 类的硬件描述语言或采用主要应用于电路设计的图形输入来设计变电所控制 系统并非明智之举，所以要将可编程a s i c 应用于变电所控制系统，开发出 一个在进行可编程a s i c 设计时可以不考虑a s i c 的结构及v h d l 、v e r i l o g h d l 专用硬件描述语言的情况下就可以进行a s i c 的组态软件是十分必要 的。 1 3 本文的主要工作 利用可编程a s i c 的特性，可以实现综合继电器控制系统的并行操作与 可编程控制器的灵活性的新型变电所控制系统，而要将可编程a s i c 应用于 控制现场，目前缺乏一种面向操作人员的组态元件。本文的主要工作是开发 一个面向操作人员的基于可编程a s i c 的变电所组态软件。 第一章为绪论，在分析了现有的继电器控制系统与可编程控制器以及可 编程a s i c 的基础上，得出了开发一种面向操作人员的基于a s i c 的组态软件 必要性。 第二章介绍了现有变电所控制系统的有关控制回路，分析了在基于a s i c 的变电所控制系统组态软件中要采用的基础元件。 第三章讨论了与变电所控制系统组态软件相关的可编程a s i c 方面的内 容，得出了在器件选择方面最好采用支持i s p 技术的c p l d ，软件的输出接 口采用v h d l 语言，v h d l 的描述风格在基础器件描述时采用功能描述、系 统输出时采用结构描述的结论。 第四章主要介绍了基于a s i c 的变电所控制系统图形组态软件的开发思 想与方法。 第五章为仿真验证部分，分别对基础器件和组态软件生成的v h d l 进行 了仿真验证，证明了组态软件的正确和便捷。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 第2 章变电所控制系统分析 2 1 变电所常见控制回路 变电所控制系统是为了保障高压电气设备的安全运行和实现对高压电气 设备的操作控制而设置的控制、信号等一系列控制设备，按照一定的控制逻 辑时序组合而构成的控制系统。它主要包括：断路器控制回路和隔离开关的 控制与安全操作闭锁回路n ”。 为了更好地说明控制系统的控制逻辑，以图2 1 所示的牵引变电所“双 t ”主接线为例进行说明，后面所论述的断路器和电动隔离开关的控制回路， 是以该主接线中的6 d l 和3 g 为例进行说明的。 2 # 1 1 0 k v 进线i # 1 1 0 k - v 进线 图2 - 1 牵引变电所主接线圈 d l 2 1 1 断路器的控制回路 在变电所中，变压器、线路、并补装置等高压电器设备的投入和切除， 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 都要用断路器进行操作一除特殊情况( 妇检修) 外，断路器的控制都有各自 的控制系统，通过控制回路进行控制。断路器的合、分闸操作大多是在主控 制室或单元控制室内进行。运行人员在几十米外或几百米夕 ，用控制开关或 按钮通过控制回路进行操作，操作完成后，立即由声光信号反映出断路器的 位置状态1 。 2 1 1 1 断路器控制回路的基本要求 断路器控制回路必须完整、可靠，因此，应满足以下基本要求：“6 l l 、应有对控制电源的监视回路。断路器的控制电源最为重要，一旦失去 电源断路器便无法操作。因此，无论何种原因，当断路器电源消失时，应发 出声光信号，提示值班人员及时处理。 2 、应经常监视断路器分闸、合闸回路的完好蛀。当会闸或分闸回路故障 时，应发出断路器控制回路断线信号。 3 、应有防止断路器“跳跃”的电气闭锁装置，发生“跳跃”对断路器是 非常危险的，容易引起机构损伤，甚至引起断路器的爆炸，故必须采取闭锁 措施。断路器的“跳跃”现象一般是在分闸、合闸回路同时接通时发生。“防 跳”回路应使得断路器出现“跳跃”时，将断路器闭锁到分闸位置。 4 、合闸、分闸命令应保持足够长的进闻，并且当合闸或分闸完成后，命 令脉冲应能自动解除。因断路器的机构动作需要有一定的时间，合分闸时主 触点到达规定位置也要有一定的行程，这些加起来就是断路器的固有动作时 间，以及灭弧时间。命令保持足够长的时间就是保障断路器能可靠的合闸、 分闸。为了加快断路器的动作，增加合分闸线圈中电流的增长速度，要尽可 能减少合分闸线圈的电感量。为此，合分闸线圈都是按短时带电设计的。因 此，合分闸操作完成后，必须自动断开合分闸回路，否则，分闸或合闸线圈 会烧坏。通常由断路器的辅助触点自动断开合分闸回路。 5 、对于断路器的合闸、分闸状态，应有明显的位置信号，故障自动分闸、 自动合闸时，应有明显的动作信号。 6 、断路器的操作动力消失或不足时，应闭锁断路器的动作，并发出信号。 在满足上述要求的条件下，力求控制回路接线简单，采用的设备和使用 的电缆最少。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 1 2 断路器的实用控制电路 图2 - - 2 是断路器6 d l 控制电路。下面就这个控制回路分析其控制断路 器的功能。 图2 - 2 断路器6 d l 控制回路 小母线及熔断器 手动 合闸起 自动 动回路 自保持回路 手动分闸起 动回路 自动 延时断开合分闸 回路 合闸 位置 信号 分闸 当断路器所合设各处于故障状态时，特别是自动重合闸( z c h ) 不成功 而合闸接点又粘结或卡塞时，在继电保护和合闸回路的交替作用下断路器将 连续合、分故障电路，最终将导致断路器损坏，事故扩大。为此，必须对“跳 跃”进行闭锁。 从图中可以看出，当控制开关转至合位置或自动重合闸起动后，如果此 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 时其它外部起动条件( 2 d l 、4 d l 处于合闸位置) 也同时满足时，就进入电 气防跳电路。跳跃闭锁继电器3 t b j 有两个线圈：电流线圈3 t b j ( i ) 与断路 器跳闸继电器6 d l t j 串联，当继电保护出口继电器3 b c j 接通6 d l t j 时，同 时启动了3 t b j ，其常闭接点y r b h 切断合闸继电器6 d l h j 回路，当控制开 关k k 的合接点未断时或z c h 接点粘结时，3 t b j 的常开接点3 t b j l 接通其 电压线圈3 t b j ( v ) 使继电器自保持，3 t b j 2 保持切断6 d l h j 回路直至k k 开关合接点或z c h 接点断开方才返回。 由于断路器合分闸时有固定动作时间，而合分闸开关的开关手柄共有四 个位置：合、合后、分、分后。其中合、分两个位置在运行人员将把手释放 后不能自保，立即进入合后或分后状态，其送出的是一个时间很短的脉冲信 号，不能使合分闸命令保持相当的时间，此时需要增加自保持回路，图中的 合闸自保持电路由常闭结点6 d l s j 、6 d l z h 、6 d l t j 和常开结点6 d l h j 组成。 只要合闸开关k k 或自动重合闸送出一个脉冲信号，在其它外部条件满足时， 6 d l h j 的常开结点就闭合，自保持回路接通。分闸时其自保持原理与合闸时 完全相同。 断路器的合分闸的线圈是按短时接电设计的，所以在操作完成后应使合、 分闸电路自动断电。合闸继电器6 d l h j 自动断电在三种情况下进行：一种是 合闸完毕，这依靠断路器的位置联动辅助接点6 d l z h ，当断路器动作完毕后， 辅助接点由原接通状态随之转换为开断状态。第二种是分闸时，这由分闸继 电器的接点6 d l t j 完成，当进行分闸操作时，6 d l t j 的常闭接点变为开断。 第三种情况是超过一个规定时间合闸继电器6 d l h j 仍带电，这由延时断开回 路来完成，当超过规定的时间合闸继电器6 d l h j 仍带电，此时时间继电器 6 d l s j 启动，6 d l s j 的常闭接点断开。以上三种情况不论何种出现，自保持 回路均会断开，合闸继电器6 d l h j 自动断电。分闸操作时的自保持回路的断 开操作原理与合闸操作时基本是一样的。 断路器的位嚣信号是借助断路器的合闸位置信号继电器h w j 或分闸位 置信号继电器t w j 构成逻辑输出，分别使信号灯h d ( 红灯指示合闸位置) 或l d ( 绿灯指示分闸位置) 受电指示。当控制电源失压时，相应断路器的位 置信号灯必然也不能指示断路器的位置。 2 1 2 隔离开关的控制与安全操作闭锁 隔离开关是一种没有熄孤装置的开关电器，它的主要用途是保证高压装 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 置中修理工作的安全。为此，隔离开关在断开位置，其触头间应在空气中保 持明显可见的绝缘距离。这个距离还应保证当隔离开关或其它电器由于过电 压发生对地闪络，或发生相间闪络时，不会先在此处击穿。在布置隔离开关 时，需注意其动触头在开断时的最终位置与其它导电部分之间，也应保持这 样的距离。这是为了保证工作人员的安全所必须满足的要求。 由于隔离开关没有熄弧装置，不能切断负荷电流和短路电流，否则会在隔 离开关的触头间形成很强的电弧而不能熄灭，这不仅能损坏隔离开关及其附 近的电气设备，而且能引起相间闪络，造成相间短路，更严重时可能造成操 作人员的严重烧伤。因此，隔离开关在和断路器配合使用时，均应在断路器 处于完全开断的状态下进行操作( 闭合或切断) 。所以，对隔离开关的控制要 + k mk m 图2 - 3 电动隔离开关3 g 控制回路 小母线及熔断器 遥控合闸起动 手动 回路 自保持回路 遥控 分闸起动 回路 手动 延时断开合分 闸回路 合闸 位置 信号 分闸 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 考虑闭锁措施，从而保证只有在断路器处于分闸状态位置时，对相应隔离开 关的操作控制才能有效的执行。 图2 3 为一个双t 接线变电所( 图2 - 1 ) 中的跨条电动隔离开关3 g 的 控制回路。 从图中，可以看出这个控制回路与断路器的控制回路基本上一样，只是 在合、分闸操作时，电气闭锁条件不同而已，即3 g 的合分闸时必须是在2 g - 、 2 d l 分路或1 g 、1 d l 分路中至少有一个断开时，也就是说进行3 g 合分闸操 作必须是它不带负荷的时候。 2 1 3 中央信号装置回路 变电所的中央信号装置，用于集中监视变电所中电气设备的运行状况， 便于值班人员及时了解和处理故障和各种异常情况【l l ”】。 中央信号装露通常由事故信号装置和预告信号装置两部分组成。事故一 般指主电路系统发生短路故障，继电保护动作并导致有关断路器分闸。因为 这时有关断路器的分闸，在切除短路故障的同时，造成该部分主电路系统的 停电，事故信号装置通常包括有事故音响与事故闪光信号两部分。预告信号 则包括了除上述事故以外的一、二次电气设备的故障与不正常运行状态在内， 也就是说除事故之外所有各种非正常运行状态均属于应给予预告信号之列。 预告信号通常包括预告音响与光字牌显示两部分。 对中央信号装置的功能和要求概要如下： 变电所内所有断路器自动跳闸后，应能立即发出音响信号，并应使该断 路器的位置状态信号灯发出闪光显示。这是事故信号装置的功能。 当电气设备、装置发生故障或各种不正常的运行状况时，应能发出区别 于上述事故音响的另一种音响信号，并使相应的有关光字牌亮灯，用以显示 故障或不正常运行状态的性质。这就是预告信号装置的功能。 上述事故信号装置、预告信号装置都应能进行装置功能状态良好与否的 试验，以便经常检查，保证装置有效地监视所内电气设备的运行。 上述事故、预告信号都应能手动或自动复归，表明故障或不正常运行状 态性质的光字牌显示，则应保留至故障消除、恢复正常运行以后，方允许自 动或手动复归。 下面用中央事故音响装置( 中央复归不重复动作) 的控制回路图2 - 4 进 行说明。 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 ，小母线及熔断器 事故信号继电器 解除音响继电器 解除按钮 试验按钮 蜂鸣器 图2 - 4中央事故音响装置控制回路 1 、当断路器事故分闸后事故音响信号小母线s y m 由不对应原理构成的 逻辑电路被接通到信号小母线负极一) 0 订。由此，可启动事故音响信号装置， 使得1 s x j 受电动作，于是事故信号继电器的正接点闭合，使一d ，l s x j 6 、 f m 、+ x m 回路也接通，峰鸣器f m 受电发出事故音响信号。 2 、当值班人员按下事故音响解除按钮s j a 时，则使解除音响继电器j y j 受电动作，并由其反接点j 3 5 开断事故信号继电器1 s x j 的受电回路，于 是其正接点1 s x j 4 _ 6 开断，蜂鸣器断电停响。当解除音响继电器m 受电后， 它通过正接点j y j 8 - l o 经事故小母线s y m 自保持受电。 显然，在该事故跳闸断路器由不对应原理构成的逻辑输出电路复归之前， 解除音响继电器将一直保持自受电，此即构成不重复动作。在控制对象较多的 变电所，要求音响信号能重复动作，即一个事故的音响停止，而事故的原因 尚未消除时时，音响信号仍能为相继发生的事故所起动。在控制回路中，应 用冲击继电器并将控制回路作相应的调整，可以使音响信号系统重复动作。 如需检查、试验音响装置功能状态是否良好时，可按下事故音响试验按 钮s s a ，使事故信号小母线s y m 经按钮s s a 接点与信号小母线的负极一) o 以 接通，致使蜂鸣器发出音响，此即表明装置状态良好。 闪光装置电路和预告信号电路与音响控制原理类似，在此不加以描述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 2 变电所控制系统中的基础器件 通过对变电所控制系统的分析，可以抽象出一些基础器件，作为组态软 件中的对象以及v i - i d l 输出的基础元件。 2 2 1 逻辑处理器件 在变电所控制系统中，逻辑处理器件指的是对输入信号进行处理，并输 出信号的器件，它是整个系统的核心部分。 通过前面的分析可知：“与”、“或”、“非”、“异或”逻辑是变电所控制系 统的主要逻辑处理器件，在断路器控制回路中，手动合闸与自动合闸信号是 或关系，构成了合闸信号，这个合闸信号与其他合闸条件进行“与”运算后， 就输出至合闸继电器。分闸操作也是如此。在隔离开关控制回路中，闭锁条 件也是由“与”、“或”逻辑构成。在中央事故音响回路中，断路器事故分闸 信号是由手柄和断路器的不对应关系得到的，即是手柄信号和断路器位置信 号进行异或运算之后的输出。而多个断路器的分闸信号、试验按钮信号进行 或运算之后，去启动事故信号继电器使蜂鸣器发出音响信号。 在中央事故音响回路中，蜂鸣器发出事故音响的逻辑关系是：当有断路 器事故分闸信号时，蜂鸣器发出音响，直至按解除按钮。这种逻辑关系是 种时序逻辑，r s 触发器可以很好地解决这个问题。将各个断路器事故分闸信 号、试验按钮信号进行“或”后，接入r s 触发器的s 端，解除按钮信号接 入r 端，当事故分闸信号到达时，“或”有“l ”信号输出，这个“1 ”信号 输入到r s 触发器的s 端，r s 触发器输出“i ”信号，庸动蜂鸣器回路，使 蜂鸣器发出事故音响，即使此时事故分闸信号消失，如果解除按钮没有按下， r s 触发器的输入为“0 0 7 ，输出将保持前一状态，蜂鸣器回路不会被切断。 直至按下解除按钮，r s 触发器的r 端输入“l ”信号，使r s 触发器复位， 蜂鸣器回路切断。r s 触发器输入为“1 1 ”状态为不允许状态，因为此时的输 出信号不确定。事故分闸信号在操作手柄和断路器位置信号不同时，输出“l ” 信号，直到位置对应。此时如果去按解除按钮的话，r s 触发器的输入就会出 现“1 1 ”状态，这是不允许的。并且由于解除按钮信号是一个脉冲信号，当 手松开后，输出变为0 ，此时r s 触发器的r 、s 的状态又变为“0 ”、“1 ”， r s 触发器又进入置位状态，输出又为“1 ”，蜂鸣器回路将继续接通，解除按 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 钮在此时实际上没有起作用。 为了解决这个问题，可以对断路器事故分闸信号进行处理。如果把断路 器事故分闸信号经过延时返回定时器处理后，不管它持续多长，都将变为一 个脉冲信号，一般定时器的时间设得不长，在脉冲持续时间内，操作人员来 不及按解除按钮，硒触发器不会出现“l i ”状态。并且在解除按钮信号消失 后，r s 触发器也将进入“0 0 ”状态，而不是置位状态，将保持蜂鸣器回路切 断。 中央事故音响装置有中央复归可重复动作与不可重复动作两种情况，它 们的区别是一个事故分闸信号的音响停止，而事故分闸信号尚未消除时，蜂 鸣器回路能否为相继发生的事故分闸信号所起动。延时返回定时器接入电路 的不同的位置，可分别实现这两种情况。如果将延时返回定时器接入至“或” 门之后，可实现中央复归不可重复动作的情况，由于延时返回定时器是上升 沿触发的，当“或”门输入有个断路器事故分闸信号时，“或”门输出“1 ” 信号，产生一个上升沿，触发延时返回定时器，产生一个脉冲，在这之后， 如果此断路器事故分闸信号未消除，外部又有一个断路器事故分闸信号输入 “或”门，“或”门输出还是“l ”信号，没有新的上升沿产生，延时返回定 时器将不会产生新的脉冲信号，r s 触发器也就没有新的置位信号，相应的输 出也不会变化，蜂鸣器回路也不会接通。如果将延时返回定时器接入断路器 事故分闸信号之后，再将这些延时返回定时器的输出接至“或”门，可实现 中央复归可重复动作的情况。因为此时当一个断路器故障信号产生时，“或” 门的输入是一个脉冲，相应地输出也是一个脉冲，在这之后，如果又有新的 断路器事故分闸信号产生，“或”门的输入又是一个脉冲，相应也输出一个脉 冲，这样“或”门的输出将是多个脉冲，相应的r s 触发器的置位端将接收 到多个脉冲，蜂鸣器回路也就可在事故分闸信号尚未消除时仍能为相继发生 的事故分闸信号所起动。 在断路器控制回路中除了逻辑控制回路之外，还有电气防跳回路、延时 断开合分闸回路以及自保持回路。这些回路的实质都是针对参与逻辑运算的 信号不符合要求所设计的。 l 、自保持回路是针对输入信号持续时间过短，不能使合分闸机构带电相 当的时间而合分闸操作又需要一段时间才能完成这一矛盾而设计的。 2 、延时断开合分闸回路是针对合分闸机构不能长时间通电，而加上自保 持回路之后，如果断路器的位置继电器接点动作不正确，合分闸机构可能长 时间带电而损坏。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 3 、电气防跳回路是针对继电保护分闸时而合闸回路导通这一问题而增加 的，它实际上也就是合闸回路信号持续过长。 如果将合分闸回路的输入进行整形，产生一个逻辑控制所要求的持续时 间，以上三个问题将得到解决，此三匿路也没有存在的必要。将输入进行整 形，就是在输入信号之后加入一个延时返回定时器，将不论是持续时间过短 还是持续时间过长的输入信号整形为操作人员所要求的持续时间。在隔离开 关控制回路中的延时断开合分闸回路以及自保持回路也可通过这一方法加以 解决。 延时启动定时器是断路器或隔离开关控制回路中的延时断开合分闸回路 中所采用的定时器，虽然这一回路通过对输入信号进行整形这一措施而取消， 但这种定时器是逻辑控制中的一种重要的基础器件，输入信号的防抖时仍将 采用，并且用户可能在其他的控制情况下采用，所以在组态软件中仍然还是 将其作为一种基础器件。 计数器在分析的三个控制回路中没有出现，但它也是逻辑控制中的一种 重要的基础器件，用户可能需要，所以在组态软件中也仍然采用。 综上所述，基于a s i c 的变电所控制系统中的逻辑处理器件有：与门、 或门、异或门、r s 触发器、延时返回定时器、延时启动定时器、计数器。 2 2 2 输入、输出器件 输入输出器件是整个系统与外界的接口。在控制系统回路中，输入为开 关手柄接点信号、位置信号、各系统外继电器接点信号、自动重合闸信号、 继电保护信号。这些信号可分为两种类型：一种是电平信号，如断路器控制 回路中的外部起动条件、隔离开关控制回路中的闭锁条件；另一种是脉冲信 号，如断路器和隔离开关控制回路中的合、分闸开关。在这些控制回路中， 电平信号和脉冲信号都是用户根据自己的需要在电路中加以处理。在基于 a s i c 的变电所控制系统中当然也可以采用这种方式，只是简单的定义为输 入。但考虑到输入信号有大量的将进行延时返回操作，所以，本文把输入划 分为不作处理、延时返回两种类型。经过这种处理后在用户组态时会减少工 作量，并且使组态画面简单。对于所有的输入信号通过增加延时启动定时器 完成防抖处理，防抖动延时时间暂设为6 0 m s 。 在本文中由于系统中存在定时器，所以外部需要一个时基信号，定义为 1 m s 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 输出信号是指用于驱动外部电路，以完成对开关的操作及声光指示的信 号。在本文中只简单的定义为输出信号。 2 3 小结 在本章中，分析了变电所控制系统中的断路器控制回路、隔离开关控制 回路、中央音响回路的控制要求及控制回路，并从中抽象出在基于a s i c 的 变电所控制系统中采用的基础器件：不作处理的输入信号、延时返回的输入 信号、输出信号、与门、或门、异或门、r s 触发器、延时返回定时器、延时 启动定时器、计数器。 堕蜜交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第3 章可编程a s i c 3 1 可编程a s ic 可编程a s i c 是指由用户编程来实现所需功能的专用集成电路，按照结 构的复杂程度不同大致可分为简单可编程a s i c 、复杂可编程a s i c 与现场可 编程a s i c 兰种类型“引。 3 1 1 简单可编程a s i c 简单可编程a s i c 主要指早期开发的s p l d ，它能够完成各种数字逻辑功 能。它们通常由“与阵列”和“或阵列”组成，任意一个组合逻辑都可以用“与 一或”表达式来描述，所以，p l d 能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功 能。它主要包括可编程只读存储器p r o m ( p r o g r a m m a b l er e a d o n l y m e m o r y ) 、可编程逻辑阵列p l a ( p r o g r a m m i n gl o g i ca r r a y ) 、可编程阵列逻辑 p a l ( p r o g r a m m i n ga r r a yl o g i c ) 年n 通用阵列逻辑g a l ( g e n e r a la r r a yl o g i c ) 。 - f 2 3 图3 1p r o m 的结构 q ；i 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 最早出现的p l d 就是p r o m ，p r o m 是固定的“与”阵列和可编程的“或” 阵列组成，它的“与”阵列是全译码的。一个8 与门3 或门的p r o m 结构 如图3 - 1 所示。它具有以下优点：给定输入和输出的数目，在确定实际要实 现的逻辑功能之前就可规定一个己知的器件；通过p r o m 的延时是固定的， 但是它的缺点也很明显，这就是输入增加时，它的与阵列的输出个数以2 的 级数增加，这样就导致与乘积项成正比的芯片面积、成本、延时相应迅速增 加，而大多数逻辑功能并不需要输入的全部组合，这使得芯片的利用率低。 正由于这个缺点，阻碍了它在市场占有优势，它仅适合于必须完成输入信号 译码等功能的场合。 p l a 是由可编程的“与”阵列和“或”阵列组成，与阵列不采用全译码 式。图3 1 所示的p l a 结构就可以提供6 个不同的乘积项。与p r o m 相比， 它的优点在于阵列较小，使用灵活，速度高，双重可编程阵列使设计者可以 控制器件的全部功能，既使设计变得容易，同时又有效地提高了芯片的利用 率，7 缩小了系统体积。但存在的问题是制造工艺复杂，价格较高，因而使用 不广泛。 一? _ ；或f 瞄刺更f 编程： 0 p _ l b i 匪：e - ：毒掌j一 习 ， 董l “ 鲤 l 一_ ： ? ，一：。 誊习 。_ 一 lr 4 、： f 。薯 ：jj # 碍o j ：j 。一。 - z 0r 嘲! 、 ：j ：_ 】 二：_ r + ”、 叮 ： 耐- j - 与噼列i：可嫡程) i ；_ _ 。麓瓤。镌 图3 2p l a 的结构 p a l 由一个可编程的“与”阵列和一个固定的“或”阵列构成，它有几 种固定的输出结构，常用器件有2 0 多种，选定芯片型号后，其输出结构就选 定了。与p r o m 、p l a 相比，p a l 器件提高了功能密度，节省了空间，提高 了速度。p a l 器件的出现虽然给逻辑设计带来了很大的灵活性，但其集成密 度低，仍有一定的局限性，主要体现在：o ) p a l 器件采用熔丝工艺，只能一 次性编程，不能改写，使用者有一定的风险。( 2 ) p a l 器件的输出结构固定， 不能重新组态，编程灵活性较差。要满足不同的输出结构需求，就得选用不 同型号的p a l 器件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 g a l 器件是1 9 8 5 年美国l a t t i c e 公司开发的一种新型的可电擦除、可重 复编程、可硬件加密的低密度p l d 。它是在p a l 器件的基础上发展起来的， 它与p a l 的基本门阵列部分是一样的，见图3 3 所示，都是一个可编程鲋与” 阵列和一个固定的“或”阵列。同时它较p a l 器件有了很重要的改进。首先， 它综合了e e p r o m 和c m o s 工艺，擦除和编程都用电完成，因而可以多次 改写，功耗低，速度快。另外，最重要的是它具有输出逻辑宏单元，以此代 替或阵列及寄存器等，用户可通过编程选择其组态，大大提高了设计的灵活 性。 一l _ ， f 、 i ： l ， r 一、 。l 二_ ， r _ 、 l ，一， r 。、 。l 一， r 、 q iq - h ， 图3 - 3p a l 和g a l 基本门阵列的结构 p a l 和g a l 是早期得到广泛应用的可编程a s i c 器件。通常，一片p a l 或g a l 可用来代替4 1 0 片中小规模集成电路，从而使电路的体积减小、成 本降低、可靠性提高。 这些s p l d 器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能， 但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。 3 1 2 复杂可编程a s i c 复杂可编程a s i c 主要是指复杂可编程逻辑器件c p l d ( c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) ，它将s p l d 的概念做了进一步的扩展，并提高 了器件的集成度佗4 。( 2 6 o 与s p l d 相比，c p l d 允许有更多输入信号、更多 的乘积项和更多的宏单元，其内部含有多个功能逻辑块，每个功能逻辑块相 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 当于一个g a l 器件，这些功能逻辑块之间可以通过可编程互连矩阵实现相互 连接，即c p l d 是在一块芯片上集成了多个g a l 块，其基本逻辑单元是乘积 项，c p l d 是乘积项阵列的集合，每个功能逻辑块可以通过互连矩阵交换信 息，实现功能逻辑块之间的互连，因此c p l d 通常又称为分段式阵列结构。 其基本结构如图3 4 所示。 世雪 t 生奸 l 恰h q a 、c tl 一。 h t 嫩 1 锢一竹 廿 广 图3 - 4c p l d 的基本结构 与s p l d 器件类似，c p l d 的功能逻辑块包括乘积项阵列、乘积项分配和 宏单元。一个逻辑块的大小是其能力的度量，即可以在其中实现多少逻辑， 一般根据宏单元数目来表示，宏单元数目超过1 6 个时，允许1 6 位的函数在 一个逻辑块内实现。此外，逻辑块的输人数目、乘积项数目和乘积项分配方 案也是重要的参数。具有较少输入的逻辑块也影响其资源