（电力系统及其自动化专业论文）嵌入系统在继电保护中的应用研究.pdf

i l l l l l i r l l lr lll l j i j i ffflllllllflll l lf l l l l y 17 5 0 3 9 0 西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：铒 日期：沙嘲同l b 指导教师签名搿惕吠 b 凝 孙? 口| 西华大学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，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，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，西 华大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名：酗立 日期：纠许舢 指捌币张锄斟 b 翔hc 。l - - 。一 西华大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的飞速发展，电力系统的规模越来越庞大，结构越来越复杂。电力系 统一旦发生故障，将对国家安全和人民的生产、生活造成重大影响。因此，如何保障电 力系统的安全、可靠地运行显得愈加紧迫。 继电保护是一种能反映电力系统故障和不正常状态，并及时动作于断路器跳闸或发 出信号的装置。它是当今电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的综合自动化系统 的重要组成部分。它对于保障电力系统的安全起到了举足轻重的作用。电力系统的继电 保护技术随着电力系统的发展而发展，同时也随着通信、信息、电子，特别是嵌入式计 算机软硬件的发展而不断创新。论文首先讨论了继电保护的任务，基本要求和继电保护 的发展历史和现状，然后讨论了保护的基本算法( 傅里叶算法) 。以线路继电保护为对 象介绍了继电保护装置的硬件系统，详细讨论了嵌入式操作系统及其在继电保护中的应 用，也详细介绍了论文作者开发的用于人机系统的s m a l l g u i 。最后，对于微机保护装 置的抗干扰措施详细作了介绍。 g u i ( g r a p h i c u s e ri n t e r f a c e ) 是嵌入式系统中最重要，也是最复杂的部分，有了g u i 后，用户程序只需调用g u i 高层函数，编写很少的代码而不关心底层硬件和复杂的处理， 就可以设计出所需的界面，这样就减少了设计人员的难度。本论文作者的s m a l l g u i 克服 了以前g u i 消耗太多内存资源而不适用于单片机的缺点，实践证明，它运行良好。在使 用本论文作者s m a l l g u i 时，对于输入设备( 本设计采用键盘输入) ，只需建立两个任务， 即键盘扫描任务和键盘处理任务，键盘扫描任务给键盘处理任务发信号，键盘处理任务 收到信号后，根据扫描码和状态码调用不同的s m a l l g u i 函数，完成用户交给的任务。 关键词：电力系统；继电保护；综合自动化；傅里叶算法；嵌入式操作系统；s m a l l g u i 嵌入式系统在继电保护中的应用研究 a b s t r a c t w i 也t h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m i c ，t h es c o p eo ft h ee l e c t r i c i t yp o w e r s y s t e r ni sb e c o m m i n gm o r eb r o a d ，a n di t ss t r c t u r em o r ec o m p l e x o n c et h et r o u b l eo ft h e e l e c t r i c i t ys y s t e mo c c u r , t h es a f e t yo ft h ec o u n t r ya n d 也ep r o d u c ea n dt h e1 i v eo ft h ep e o p l e w i l lb ei n f l u c e ds e r i o u s l y s o ，i ti sv e r yu r g e n th o wt oe n s l l r et h es a f e t ya n dc r e d i b i l i t yo ft h e w o r ko ft h ee l e c t r i c i t yp o w e rs y s t e m r e l a yp r o t e c t i o ni st h ee q u i p m e n tw h i c hc a l lr e f l e c tt h et r o u b l ea n dt h ea b n o r m a ls t a t u s o fm ee l e c t r i c i t yp o w e rs y s t e ma n dm a k et h eb r e a k e rt r i pi nt i m ea n dg i v ea na l a r m i ti st h e v e r yi m p o r t a n tp a r to ft h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o no fe l e c t r i c i t yp o w e rs y s y t e r nw h i c hi n c l u d e s t h ep r o t e c t i o na n dc o n t r o la n dd i s p a t c h i n ga n de m e r g e n c ym a n a g e m e n to fe l e c t r i c i t yp o w e r s y s t e m r e l a yp r o t e c t i o ni sv e r yi m p o r t a n tt og u a r a n t e et h es a f e t yo ft h ee l e c t r i c i t yp o w e r s y s t e m 1 1 1 et e c h n o l o g yo fr e l a yp r o t e c t i o ni sd e v e l o p e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c i t y p o w e rs y s t e m ，a l s od e v e l o p e dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n ，i n f o r m a t i o n ，s p e c i a l l y s o f t w a r ea n dh a r d w a r eo fe m b e d d e ds y s t e m a tf i r s t ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h et a s ka n d 也eb a s i c r e q u i r e m e n to fr e l a yp r o t e c t i o na n dt h eh i s t o r yo fi t sd e v e l o p m e n ta n di t s p r e s e n t s i t u a t i o n ，a n dt h e nd i s c u s s e st h eb a s i ca l g o r i t h m ( f f t ) s i m p l e l yt h ep a p e ri n t r o d u c e st h e h a r d w a r eo fr e l a yp r o t e c t i o n ，a n dd i s c u s s e se m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e ma n dh o wt ou s ei ti n r e l a yp r o c t e c t i o ni nd e t a i l ，a n da l s oi n t r o d u c e st h es m a l l g u lw h i c hi sd e s i g n e db yt h ea u t h o r o ft h ep a p e r a tl a s t ，t h e p a p e ri n t r o d u c e s t h et e c h n o l o g yo fa n t i - j a m m i n go f r e l a y p r o t e c t i o n g u i ( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ) i st h em o s ti m p o r t a n ta n dt h em o s tc o m p l e xp a r to ft h e e m b e d d e ds y s t e m i ti se a s yf o ru s e rt od e s i g nt h em m i ( t h em a na n dm a c h i n ei n t e r f a c e ) b y c a l l i n gt h ef u n c t i o no fg u i ，r e g a r d l e s so ft h eh a r d w a r ea n dt h ec o m p l e xd e a l i n go ft h e g r a p h i c t 1 1 es m a l l g u io v e r c o m e st h es h o r t a g et h a tt h ef o r m e rg u ic o n s u m e st o or e s o u r c e s o fm c u i fy o ua r eg o i n gt ou s et h es m a l l g u i ，y o us h o u l dc r e a t et w ot a s k sf o rt h ei n p u t d e v i c e ：t h et a s kf o rs c a n n i n gk e ya n dt h et a s kf o rd e a l i n gk e y a f t e rr e c e i v i n gt h es i g n a lf r o m t h et a s kf o rs c a n n i n gk e y ，t h et a s kf o rd e a l i n gw i l lc o m p l e t et h ej o ba s s i g n e db yt h eu s e r a c c o r d i n gt o t h ec o d ef r o mt h et a s kf o r s c a n n i n gk e ya n dt h e s t a t u sc o d eb yc a l lt h e c o r r e s p o n d i n gf u n c t i o no fs m a l l g u i k e yw o r d s ：e l e c t r i c i t yp o w e rs y s t e m ；r e l a yp r o t e c t i o n ；i n t e g r a t e da u t o m a t i o n ；f f t ； e m d e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ，s m a l l g u i i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 。1 课题研究的背景和意义1 1 2 继电保护国内外研究的历史和现状2 1 3 传统微机保护与基于r t o s 的微机保护7 1 3 1 传统微机保护存在的问题7 1 3 2 基于r t o s 的微机保护的优点7 1 4r t o s 在微机保护中应用应注意的问题9 1 5 本论文所做工作及本论文主要内容1 0 2 实时操作系统r t x 5 1t i n y 1 l 2 1 引言1 l 2 2 嵌入式操作系统的选型原则1 1 2 3 k e i lc 5 1 的r t x 5 1t i n y 简介1 2 2 3 1r t x 5 1t i n y 的使用：1 2 2 3 2r t x s lt i n y 任务状态1 3 2 - 3 3存储器管理1 3 2 3 4 同步机制1 4 2 3 5 调度规则1 4 2 3 6 任务控制块1 5 2 3 7r t x 5 1t i n y 参数的配置：1 5 2 4 小结1 7 3 嵌入式计算机继电保护的硬件设计1 8 3 1 设计思路1 8 3 2t m s 3 2 0 f 2 0 6 简介18 3 3 主板设计2 1 3 - 3 1 交流量输入单元2 2 3 3 2 开关量输入单元2 3 3 3 3 通讯单元2 4 3 4 出口单元设计2 4 3 4 1 开关量输出回路单元2 4 i i i 嵌入式系统在继电保护中的应用研究 3 4 2c p l d 单元2 4 3 5 人机对话板单元设计j 2 5 3 6 小结2 5 4 微机线路保护装置的功能配置和保护算法j 2 6 4 1 保护功能配置2 6 4 1 1 三相三段式方向电流保护2 6 4 1 2 二段式低压闭锁、滑差闭锁的低频减载保护。2 7 4 1 3 二段式低压减载。2 8 4 1 4 零序电压闭锁方向零序过流保护2 9 4 1 5 过负荷报警3 0 4 1 6 三相一次重合闸与重合闸后加速3 0 4 1 7 重合闸后加速。3 1 4 1 8p t 断线_ 。3 2 4 1 9 操作回路自检3 3 4 2 装置中的保护算法分析3 3 4 2 1 全周傅氏算法3 3 4 2 2 差分滤波算法3 5 4 2 3 序分量算法3 6 4 2 4 功率方向判据算法3 6 4 2 5 突变量启动算法3 8 4 3 小结3 9 5 微机线路保护装置软件系统设计4 0 5 1 设计思路4 0 5 2 主板d s p 软件的设计4 0 5 2 1 主函数m a i n ( ) 的设计4 0 5 2 2中断服务程序的设计4 3 5 3人机界面( m m i ) 板菜单的设计4 4 5 3 1 r t x 5 1t i n y 在继电保护中的应用4 4 5 3 2s m a l l g u i 的设计4 7 5 3 3 循环显示界面设计。4 9 5 3 4 主菜单设计4 9 西华大学硕士学位论文 5 3 5 采样数据菜单设计5 0 5 3 。6定值整定菜单设计5 2 5 3 7系统参数菜单设计5 4 5 3 8 时钟菜单设计一5 5 5 3 9 历史事件菜单设计5 5 5 3 1 0 传动试验菜单设计5 6 5 3 1 0 装置版本信息5 6 5 4 本装置的技术指标。5 6 5 5 小结5 7 6 微机保护的抗干扰措施5 8 6 1 微机保护装置内部硬件抗干扰措施5 8 6 1 1 模拟量输入5 8 6 1 2 开关量输入5 8 6 1 3开关量输出5 8 6 1 4 微机逆变电源5 8 6 2 微机保护装置内部软件的抗干扰措施一5 9 6 2 1对输人数据进行检查o 5 9 6 2 2 对运算结果进行校对。5 9 6 2 3 对输人数据进行数字滤波5 9 6 2 4 系统恢复技术5 9 6 2 5 数据的冗余设计5 9 6 2 6出口控制闭锁6 0 6 3 微机保护的外部抗干扰措施6 0 6 3 1 在干扰源外抑制干扰6 0 6 3 2 使用有屏蔽的控制电缆6 0 6 3 3 开关场进线在微机保护屏端子处经电容接地6 0 6 3 4 构造等电位面6 0 6 3 5 高压电网微机保护6 1 6 4 ，j 、结6 1 结论和展望6 2 参考文献6 4 附录as m a l l g u i 函数6 8 v 嵌入式系统在继电保护中的应用研究 附录bs m a l l g u i 集成开发环境7 2 附录c 键盘处理任务示例程序7 3 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况7 4 致谢7 5 v i 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题研究的背景和意义 电力系统的安全稳定运行为国民经济和社会发展提供坚强有力的保障，然而国内外 长期的经验表明，大型电力系统一旦发生自然或人为故障，若不能及时地，有效地得到 监控而不能稳定运行、电网瓦解，就会造成大面积停电事故，将对国家安全和人民的生 产、生活造成重大影响。因此，自从出现电力系统以来，如何保证其安全稳定运行，就 成为电力系统的一个永恒的主题。所有的电力工作者都一直在努力研究避免电网的稳定 性遭到破坏和瓦解的各种技术和管理的措施，由此，保障电力设备安全和防止及限制电 力系统长时间大面积停电的最基本、最重要和最有效的技术手段，即继电保护就应运而 生。 近几十年来，在我国广大电力科技工作者的不懈努力下，我国继电保护技术及装置 应用水平有了较大的提高，但是目前国内生产的微机保护装置还存在几个急需改进的地 方：硬件系统陈旧落后；软件的开发、维护困难，软件生存期短；与厂站自动化系统接 口功能弱，网络通信功能不能满足实际要求：保护原理配置以及装置制造工艺等方面有 待改善等问题【1 9 】【2 0 】【2 1 】。 随着电力系统自动化技术的发展及微机保护装置的大量投入使用，电力系统对微机 保护的要求不断提高，并且由于电力系统本身的特殊性，它需要微机保护装置具有强实 时性、高可靠性和扩展性、更强的网络通信能力及更友好强大的人机交互界面。它们不 仅对硬件要求高，而且对嵌入式软件的要求也不断增加，从而引进了嵌入式实时操作系 统( r e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e m ，即r t o s ) ，这种操作系统可裁减的微内核结构、高效 的多任务优先级管理、强的可移植性和扩展性以及微秒级的中断管理等都更加有利于控 制效率的提高，并且更容易满足这些方面的需要。针对上述问题，本论文提出了一套基 于单片机，d s p 和嵌入式实时操作系统r t o s 的新型微机继电保护装置的设计方案。 r t o s 是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于 r t o s 之上的各个任务，r t o s 根据各个任务的要求，进行资源( 包括存储器、外设等) 管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。 在r t o s 支持的系统中，每个任务均有一个优先级，r t o s 根据各个任务的优先级， 动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。在编写程序时，可以分别编写各个任务， 不必同时将所有任务运行的各种可能情况记在心中，大大减小了程序编写的工作量，而 且减小了出错的可能，保证最终程序具有高可靠性 2 2 】。 嵌入式系统在继电保护中的应用研究 实时多任务操作系统建立在硬件系统之上，用户的一切开发工作都在其上进行，采 用r t o s 的用户不必花大量的时间学习硬件，和直接开发相比起点更高。r t o s 还是一 个标准化的平台，它定义了每个应用任务和内核的接口，也促进了应用程序的标准化。 应用程序标准化后便于软件的存档、交流、修改和扩展，为嵌入式软件开发的工程化创 造了条件、减少开发管理工作量。嵌入式软件标准化推广到社会后，可以促进软件开发 的分工，减少重复劳动，r t o s 是在应用软件系统和硬件结构之间的一个接口程序，它 负责对硬件资源的管理，协调各个任务之间的运行。任务是系统所要完成的一项独立的 功能或处理过程，包含了程序和相应的数据。r t o s 为微机保护提供了应用程序开发的 统一平台，编写应用程序具有实现简单、调试方便、可扩展性好等一系列的优点，并且 软件的实时性能得到保障。 1 2 继电保护国内外研究的历史和现状 继电保护技术随着电力系统的发展而发展。同时也随着通信、信息、电子、计算机 等相关技术的发展而不断创新。为了保护电机免受短路电流的破坏，首先出现了反应电 流超过一预定值的过电流保护。熔断器就是最早的、最简单的的过电流保护方式。这种 保护方式至今仍广泛应用于低压线路和用电设备。熔断器的特点是融保护装置与切断电 流的装置于一体，其结构最为简单。由于用电设备的功率、发电机的容量不断增大，发 电厂、变电站和供电网的结线不断复杂化，电力系统中正常工作电流和短路电流都不断 增大，熔断器已不能满足选择性和快速性的要求，于是出现了作用于断路器的过电流继 电器。1 9 世纪8 0 年代出现了用于断路器上直接反应一次短路电流的电磁型过电流继电 器。 1 9 0 1 年出现了感应型过电流继电器。1 9 0 8 年提出了比较被保护组件两端电流的电 流差动保护原理。1 9 1 0 年方向性电流保护开始得到应用，2 0 世纪2 0 年代初距离保 护装置出现。随著电力系统载波通讯的发展，在1 9 2 7 年前后，出现了利用高压输电线 上高频载波电流传送和比较输电线两端功率方向或电流相位的高频保护装置，2 0 世纪 5 0 年代，微波中继通讯开始应用于电力系统，从而出现了利用微波传送和比较输电线 两端故障电气量的微波保护。并提出了利用故障点产生的行波实现快速继电保护的设 想，7 0 年代终于诞生了行波保护装置。随着光纤通讯的出现便有了光纤保护的广泛应 用，如光纤差动保护、光纤距离保护等。 以上是继电保护原理的发展过程。与此同时，构成继电保护装置的组件、材料、保 护装置的结构型式和制造工艺也发生了巨大的变革，2 0 世纪5 0 年代以前的继电保护 装置都是由电磁型、感应型或电动型继电器组成的。这些继电器都具有机械转动部件， 2 西华大学硕士学位论文 统称为机电式继电器。由机电式继电器组成的继电保护装置称为机电式保护装置。这种 保护装置体积大，消耗功率大，动作速度慢，机械转动部分和触点容易损坏或粘连，调 试维护比较复杂，不能满足超高压、大容量电力系统的要求。目前正逐渐被淘汰。 2 0 世纪5 0 年代，开始出现了晶体管式继电保护装置。这种保护装置体积小，功 率消耗小，动作速度快，无机械转动部分，称之为电子式静态保护装置。随着大规模集 成电路的发展，8 0 年代后期，集成电路继电保护装置很快取代了晶体管继电保护装置， 成为静态继电保护装置的主要型式。 在6 0 年代末，电子计算机一问世，便进行了对继电保护计算机算法的大量研究， 为微机继电保护的发展奠定了理论基础。微机继电保护指的是以数字式计算机( 包括微 型机) 为基础而构成的继电保护。它起源于2 0 世纪6 0 年代中后期，是在英国、澳大利 亚和美国的一些学者的倡导下开始进行研究的。6 0 年代中期，有人提出用小型计算机实 现继电保护的设想，但是由于当时计算机的价格昂贵，同时也无法满足高速继电保护的 技术要求，因此没有在保护方面取得实际应用，但由此开始了对计算机继电保护理论计 算方法和程序结构的大量研究，为后来的继电保护发展奠定了理论基础。计算机技术在 7 0 年代初期和中期出现了重大突破，大规模集成电路技术的飞速发展，使得微型处理器 和微型计算机进入了实用阶段。价格的大幅度下降，可靠性、运算速度的大幅度提高， 促使计算机继电保护的研究出现了高潮。在7 0 年代后期，出现了比较完善的微机保护 样机，并投入到电力系统中试运行。8 0 年代，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋 成熟，并已在一些国家推广应用。9 0 年代，电力系统继电保护技术发展到了微机保护时 代，它是继电保护技术发展历史过程中的第四代。 我国的微机保护研究起步于2 0 世纪7 0 年代末期、8 0 年代初期，尽管起步晚，但是 由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。经过1 0 年左右的奋斗，到了8 0 年代末， 计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度。我国对计算机继 电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先导的作用。从7 0 年代开始，华中理 工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学自动化研究院都相继研制了不同原理、 不同型式的微机保护装置。1 9 8 4 年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通 过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机保护的 推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、 发电机保护和发电机一变压器组保护也相继于1 9 8 9 年、1 9 9 4 年通过鉴定，投入运行。 南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1 9 9 1 年通过鉴定。天津大学与南 京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌 继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1 9 9 3 年、1 9 9 6 年通过鉴定。 嵌入式系统在继电保护中的应用研究 至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批 新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。因此到了9 0 年代，我国继电 保护进入了微机时代。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得 了很多理论成果，并且应用于实际之中叼3 。 研究和实践证明，与传统的继电保护相比较，微机保护有许多优点m 1 ，其主要特 点如下： a ) 改善和提高继电保护的动作特征和性能，动作正确率高。主要表现在能得到常 规保护不易获得的特性；其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护：可引进自动控制、 新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等，其运行正确率 很高也已在运行实践中得到证明。 b ) 可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等，可以方便地附加低 频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。 c ) 工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小， 减少了盘位数量；功耗低。 d ) 可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年 限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主要元件、 部件的工况以及功能软件本身。 e ) 使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维修时 间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。 f ) 可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统 的通信联络使微机保护具有远方监控特性。 继电保护技术发展趋势向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通 信一体化发展晦1 。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中的普 遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果， 从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，出现了一些引人注目的新趋势。 1 )自适应控制技术在继电保护中的应用 自适应继电保护的概念始于2 0 世纪8 0 年代，它可定义为能根据电力系统运行方式 和故障状态的变化而实时改变保护性能、特性或定值的新型继电保护。自适应继电保护 的基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性能。这 种新型保护原理的出现引起了人们的极大关注和兴趣1 。自适应继电保护具有改善系 统的响应、增强可靠性和提高经济效益等优点，在输电线路的距离保护、变压器保护、 发电机保护、自动重合闸等领域内有着广泛的应用前景。针对电力系统频率变化的影响、 4 一一 堕兰奎兰堡主堂垡笙壅 单相接地短路时过渡电阻的影响、电力系统振荡的影响以及故障发展问题，文献【_ 7 】提出 了自适应对策，从理论和实践两方面探讨了实现自适应式微机距离保护的可行性。文献 【8 】对自适应原理在输电线路继电保护的应用作了全面的分类描述，使自适应继电保护的 原理得到了进一步的发展和完善。文献【9 】研究了将自适应继电保护的原理应用于距离保 护中，根据系统运行工况的变化，调整距离保护的动作特性，从而提高了距离保护的性 能。 2 ) 人工神经网络在继电保护中的应用 进入2 0 世纪9 0 年代以来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊 逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，电力系统保护领域内的一些研究工作也转向 人工智能的研究们。专家系统、人工神经网络( a n n ) 和模糊控制理论逐步应用于电 力系统继电保护中，为继电保护的发展注入了活力。 基于生物神经系统的人工神经网络具有分布式存储信息、并行处理、自组织、自学 习等特点，其应用研究发展十分迅速，目前主要集中在人工智能、信息处理、自动控制 和非线性优化等问题。近几年来，电力系统继电保护领域内出现了用人工神经网络来实 现故障类型的判别、故障距离的测定、方向保护、主设备保护等。文献【l l 】提出用c p n ( c o u n t e r - - p r o p a g a t i o nn e t w o r k ) 模型对交直流混合输电系统的故障类型进行识别： e m t d c ( e l e c t r o - - m a g n e t i ct r a n s i e n t s i n c l u d i n gd c ) 仿真计算结果表明，c p n 模型能可 靠地进行故障类型的判别，并依据判别结果对直流控制器的参数进行调整，从而优化交 直流混合输电系统的动态运行特性。文献【1 2 】提出了一种基于人工神经网络的电力系统故 障诊断系统，该故障诊断系统利用电力系统中继电器和断路器的状态信息来进行故障范 围的估计。这一系统可应用于电力系统控制中心，辅助调度员对故障范围进行判别，及 时地采取措施对故障进行处理，以保证电力系统供电的安全性、经济性。文献【l 习研究了 用人工神经网络原理来实现高压输电线路的方向保护，提出用b p 模型作为方向保护的 方向判别元件。研究结果表明，该方向判别元件能准确、快速地判别出故障的方向。文 献【1 4 】阐述了基于神经网络的继电保护系统的优越性；论证了由单层感知器网络或t h 网 络可以实现最小二乘算法，这两种网络都可以在极短的时间( 数纳秒或几百纳秒) 内完 成全部运算；给出了电流继电器、圆特性以及四边型特性阻抗继电器的神经网络模型， 并证明了三种模型都具有很强的自适应性。文献【”】介绍了一种基于人工神经网络的智能 型自适应继电保护原理，利用了比传统保护多得多的信息量。它比传统保护能区分更多 的故障类型，提高了继电保护的适用范围，从原理上解决了经高阻抗的短路故障保护问 题。文献【1 6 】提出一种利用人工神经网络实现自适应电流保护的方法。该方法充分利用了 人工神经网络所具有的强大的自适应能力、学习能力和模式识别能力，实现对电力系统 嵌入式系统在继电保护中的应用研究 中的各种故障情况的识别，解决电流保护中的灵敏度补偿和故障方向识别i 口- j 题，使电流 保护对正方向各种故障都有足够的保护范围，而对反方向的各种故障实行闭锁，从而实 现电流保护的自适应。 3 ) 变电所综合自动化技术 现代计算机技术、通信技术和网络技术为改变变电站目前监视、控制、保护和计量 装置及系统分割的状态提供了优化组合和系统集成的技术基础。高压、超高压变电站正 面临着一场技术创新。继电保护和综合自动化的紧密结合已成为可能，它表现在集成 与资源共享、远方控制与信息共享。以远方终端单元( r t u ) 、微机保护装置为核心， 将变电所的控制、信号、测量、计费等回路纳入计算机系统，取代传统的控制保护屏， 能够降低变电所的占地面积和设备投资，提高二次系统的可靠性。随着微机性能价格比 的不断提高，现代通信技术的迅速发展，以及标准化规约的陆续推出，变电站综合自动 化成了热门话题。 随着石油煤炭等传统的化石能源的枯竭，对环境保护的重视程度越来越高，将有力 地推动新能源的开发和利用。分布式发电技术作为新的获得电力的方式，对传统的供电 方式是一种补充，在电力系统的应用会越来越广泛【6 9 , 7 0 】。对电力系统继电保护也提出了 新的要求，而微机继电保护的强大的通讯功能和灵活的保护控制和适应能力，必将在新 的分布发电技术中得到广泛的应用。 目前，用于变电站的监视、控制、保护，包括故障录波、紧急控制装置，虽然已实 现了微机数字化，但几乎都是功能单一的独立装置，各个装置缺乏整体协调和功能的调 优，且功能交叉，输入信息不能共享，接线复杂，从整体上降低了可靠性，同时不能充 分利用微机数据处理的强大功能和速度，经济上也是一种浪费。现在广泛应用的变电站 自动化系统为常规自动化系统，它应用自动控制技术、计算机数据采集和处理技术、通 信技术，代替人工对变电站进行正常运行的监视、操作、电压无功控制、量测记录和统 计分析、故障运行的监视、报警和事件顺序记录与运行操作，大多不涉及继电保护、紧 急控制、故障录波、r t u 、维修状态信息处理等功能，功能相对比较简单。 竞争的电力市场将促进新的自动化技术的开发和应用，在经济效益的驱动下，变电 站将向集成自动化方向发展。根据变电站自动化集成的程度，可将未来的自动化系统分 为协调型自动化和集成型自动化。协调型自动化仍然保留间隔内各自独立的控制、保护 等装置，各自采集数据并执行相应的输出功能，通过统一的通信网络与站级相连，在站 级建立一个统一的计算机系统，进行各个功能的协调。而集成型自动化既在间隔级，又 在站级对各个功能进行优化组合，是现代控制技术、计算机技术和通信技术在变电站自 动化系统的综合应用。所谓集成型自动化系统是将间隔的控制、保护、故障录波、事件 6 西华大学硕士学位论文 记录和运行支持系统的数据处理等功能集成在一个统一的多功能数字装置内，间隔内部 和间隔间以及间隔同站级间的通信用少量的光纤总线实现，取消传统的硬线连接1 耵。 总之，微机保护必将随着各种技术的进步和发展呈现更新的特征，也将获得更广泛 的应用。 1 3 传统微机保护与基于r t o s 的微机保护 1 3 1 传统微机保护存在的问题 长期以来，国内保护装置软件传统的应用程序一般是一个无限的循环，可称为前后 台系统或超循环系统。循环中调用相应的函数完成响应的操作，这部分可看成后台行为。 中断服务程序处理异步事件，这部分可以看成前台行为。后台也可以叫做任务级。前台 也叫做中断级，时间相关性很强的关键操作一定要靠中断服务程序来保证的。因为中断 服务提供的信息一直要等到后台程序走到处理这个信息的时候才能的到进一步地响应， 所以这种系统在处理的及时性比实际可以做到的要差。这个指标称做任务级响应时间。、 最坏的情况下的任务级响应时间取决于整个循环执行的时间。因为循环执行的时间不是 常数，程序经过某一特定间部分的准确时间也不能确定。进而，如果程序修改了，循环 的时间也会受到影响【2 引。 = 一 在电力运行部门，各个地区对于继电保护的要求不尽相同，为了适应现场的不同要 求，需要针对不同情况对系统程序作出修改。随着技术的进步，继电保护装置的功能将 会有进一步的扩展，很多不同的保护功能如录波、小电流接地、低周减载等将会融合在 一套保护装置中，继电保护设备的通信功能将进一步加强，传送的数据将更加丰富。可 以想象，以后的继电保护程序将更复杂，而进行软件的更新换代将是在所难免的。单c p u 微机保护装置已经不能满足不断发展的市场要求；采用前后台程序设计方式难于满足软 件的更新和升级，因此构建新的硬件平台，并采用全新的软件技术已经成为当务之急。 1 3 2 基于r t o s 的微机保护的优点 r t o s 且i r e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，实时操作系统，是指能在确定的时间内执行 其功能并对外部的异步事件做出响应的计算机系统。“在确定的时间内”是这个定义的 核心，也就是说，实时系统对响应时间育严格要求，这里的“严格要求 并不是指系统 的响应和处理速度非常快，而是指能满足系统的时间限制【3 1 1 ，微机保护装置是一个实时 系统。r t o s 是实时系统中软硬件资源的总指挥部，它以尽量合理、有效的方式组织和 管理系统的软硬件资源，是嵌入式应用软件的基础和开发平台。一个好的实时操作系统 需要具备以下功能：多任务和可抢占的；任务具有优先级；操作系统具备支持可 嵌入式系统在继电保护中的应用研究 预测的任务同步机制；支持多任务间的通信；操作系统具备消除优先级转置的机制； 存储器优化管理；操作系统的行为是可知的和可预测的( 在全负载的情形下，最坏 反应时间可知) ；实时时钟服务。从实时系统的应用特点来看，实时操作系统可分为 两种：一般实时操作系统和嵌入式实时操作系统。一般实时操作系统应用于实时处理系 统的上位机和实时查询系统等实时性较弱的实时系统，并且提供了开发、调试、运用一 致的环境；嵌入式实时操作系统应用于实时性要求高的实时控制系统，而且应用程序的 开发过程是通过交叉开发来完成的，它具有规模小、可固化使用、实时性强等特点。本 文中的用到的r t o s 就是嵌入式实时操作系统。 而且，r t o s 也体现了一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架，在设计时可 以在不大量变动系统其他任务的情况下增加或去掉一个任务；一个项目开发的过程中， 可以有多个工程师同时进行系统的软件开发，各个人之间只要制定好规程和协议即可， 既缩短了开发时间，又降低了最终软件产品对于具体某个开发者个人的依赖性。为r t o s 设计