（电力系统及其自动化专业论文）应用rtos进行变电站综合自动化系统开发的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e p r a c t i c a le n 西n e e r i n gb a c k g r o u n d o ft h e d e s i g n a l l d e v e l o p m e n t o f s i a s ( s u b s t a t i o ni n t e g r a t e d a u t o m a t i o n s y s t e m ) j y 2 0 0r u n n i n g i nt h e r a i l w a y s u b s t a t i o n ，t h i st h e s i s e l u c i d a t e st h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fa p p l y i n gr t o s ( r e a lt i m e o p e r a t i o ns y s t e m ) t ot h ej y 2 0 0 t h er t o s i sab a c k g r o u n ds o f t w a r ew h i c h1 1 1 1 1w h e na n e m b e d d e ds y s t e ms t a r t u p t h eu s e r sa p p l i c a t i o np r o g r a m sa r et h et a s k sr u n n i n go nt h e r t o s a c c o r d i n g t ot h en e e d so fa l lt h et a s k s ，r t o sm a n a g et h er e s o u r c e s ， m e s s a g e s ， t a s k sa n da b n o r m a le v e n t s or t o sc a nm a n a g em u l t i t a s k sa n dr e s o u r c e sp r o p e r l y , m e e t t h en e e do fr e a l t i m e u s i n gr 1 d si na p p l i c a t i o ni san e c e s s a r y c u r r e n t i nt h i sp a p e r , a t h r o u g ha n a l y s i st oe m b e d d e dr t o s i sp r e s e n t a st h em o d e l af r e er t o su c o sj sp a i d m o r ea t t e n t i o na n di tw a sp o r t e dt ot h ew 7 7 e 5 8 ，ac p uu s e di nj y 2 0 0 b a s i n gt h i s ，t h i s t h e s i se l u c i d a t e st h ea n a l y s i sa n dd e s i g no fa p p l y i n gr 1 d st ot h i ss i a s i nt h eb e g i n n i n go ft h i sa r t i c l e ，t h eb a s ec o n c e p t i o n ，p h y l o g e n ya n dc h a r a c t e r i s t i co f s i a s ，e m b e d d e ds y s t e m ，r e a lt i m es y s t e ma n de m b e d d e dl u o sa r er e v i e w e di nb r i e f t 1 l e n t h ed i g i t a lp r o t e c t i o ns y s t e mo fj y 2 0 0s i a si si l l u m i n a t e dd e t a i l e d l y f i r s t l y , t a l 【i n ga ne x e m p l eo fat y p i c a ll o k vr a i l w a ys u b s t a t i o n ，t h i sa r t i c l ei n t r o d u c et h ew h o l e p r o t e c tc o n f i g u r eo ft h er a i l w a ys u b s t a t i o n t h e no nt h et h r e es i d eo fh a r d w a r ef r a m ea n d w o r kt h e o r y 、s o f t w a r ef r a m ea n df u n c t i o n 、d i g i t a lp r o t e c t i o na r i t h m e t i c ，t h i st h e s i s e x p l a i n st h ed i g i t a lp r o t e c t i o nd e v i c e w h e r e a f t e r , t h ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m o fj y 2 0 0s i a si si l l u m i n a t e dd e t a i l e d l y a c c o r d i n g t oc o m m u n i c a t i o n s y s t e m f r a m eo f p a s s i n g s i a s t h i sa r t i c l e d e s i g n s a t h r e e l a y e rc o n f i g u r a t i o nt oc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，d i s c u s s e re v e r yl a y e r sf u n c t i o n t h e n s t a t e st h ec o m m u n i c a t i o ns t i t d l u l a t i o na n dc o m m u n i c a t i o np r o c e s so ft h i ss y s t e mi nd e t a i l ， g i v i n ge m p h a s i st ot h ea p p l i c a t i o no f i e c 8 7 0 - 5 1 0 3c o m m u n i c a t i o n s t i p u l a t i o n a tl a s t d i s c u s st h ea p p l i c a t i o no ft h er s 4 8 5l o c a t eb u si nt h er a i l w a yp o w e ts u b s t a t i o no i li t ss e c u r i t ya n dt h e m e t h o dt oo b t a i nh i g hr e l i a b i l i t y h lt h el a s tt w o c h a p t e r s a tt h eb a s eo fi n t r o d u c i n gt h eb a s ei n f o r m a t i o no ft h er t o s u c o s ，n a r r a t et h em e a s u r eo fr e p l a n t i n g u c o st o5 1s e r i e ss i n g l e c h i p ，t h e na d v a n c et h e a p p l i c a t i o nd e s i g ni d e ao ft h er t o sb a s e dp r o t e c ta n dc o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e a d v a n c e s t h ea d v a n t a g eo fu s i n gr t o s k e yw o r d s ：s i a s r t o s d i g i t a l p r o t e c t i o n u c o s i e c 8 7 0 5 1 0 3c o m m u n i c a t i o n s t i p u l a t i o n r s 一4 8 5l o c a lb u s s e c u r i t y l i 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，除文中已经标明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对 本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：；长；苫 日期：如争年f 月8 日 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， 即：学校有权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。本人授权华中科技大学可以将本学位论 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 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密口。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：；豢；弓 日期：h m 争年f 月墨曰 指导教师签名：氖步【荧 日期：跏4 年上月宁日 华中科技大学硕士学位论文 1 1 引言 1 绪论 随着我国电力事业的快速发展，每年都有大量新建变电站在投入电网运行，数量 以3 5 的速度增长；与此同时，现有的大多数老式变电站面临着技术改造，以提高 自动化水平。按照原电力部要求在1 0 年左右的时间全部改造成综合自动化系统，因此 市场前景十分可观。我国起步较晚，虽然做了些工作，但仍不能适应电力系统的需求。 从事变电站综合自动化的研究，在当前既有理论意义又有现实意义。随着计算机科学 技术的发展，嵌入式实时操作系统越来越多的被应用到各个领域。而目前我国大多数 变电站综合自动化的嵌入式软件开发还是基于处理器的直接编写，没有采用商品化的 r t o s ，不能将系统软件和应用软件分开处理。这对于提高软件的可靠性、可维护性都 是很不利的，同时也延长了开发周期，增加了重复劳动。因此在变电站综合自动化的 开发过程中使用嵌入式实时操作系统是一个正确的方向。 1 2 变电站综合自动化系统i “l 所谓变电站综合自动化，就是广泛采用微机保护和微机远动技术，分别采集变电 站的模拟量、脉冲量、开关状态以及一些非电量信号，经过功能的重新组合，按照规 定的程序和要求实现变电站监视、测量、协调和控制自动化的集合体和全过程。从而 实现数据共享和资源共享，提高变电站自动化的整体效益。变电站综合自动化系统能 够大大的提高整个电网运行的安全性和经济效益已经形成共识嘲。 传统的电站往往采用常规的保护装置、测量系统、操作机构等，都存在数据各自 分别采集、硬件设备重复、资源不能共享等缺陷。早期的变电站综合自动化系统往往 是对原有的继电保护系统进行改造或者是将各个不同厂家，不同时期生产的产品组合 而实现的。随着技术的发展，人们逐渐认识到这种做法的若干弊端，其一是保护原本 不是为了综合自动化应用而设计，用来构成综合自动化只能是临时增加一些通信功能 或者将就保护而放弃一些功能；另外一方面，不同厂家，不同时期的产品性能不完全 一样，操作界面和接口也不完全相同，有些甚至还不兼容。变电站监控系统和继电保 护系统分离，也给自动化系统的设计和使用带来一定的困难【6 l 。 目前变电站自动化系统产品发展已经历三代【7 ，z 】： 华中科技大学硕士学位论文 第一代为晶体管式分离元件保护和测量体统( 8 4 年以前) ； 第二代为小规模集成电路应用系统( 8 4 - - 9 0 年) 。从八十年代中期开始，变电站综 合自动化系统向微机化、数字化方向发展。在中小型变电站这一应用领域较有影响的 微机集控装置是中规模集成电路和微机混合式，用多块c m o s 集成电路板实现信号形 成、动作整定、信号比较、保护延时，而由一套单板机完成逻辑判断，发出控制动作 与信号，目前已基本停产； 第三代为大规模集成电路系统。九十年代初期，变电站自动化系统发展成全微机 式，由上级监控主机和多套下级保护微机( 一般对应1 5 个开关) 构成，将控制、保 护、信号、测量与监控五个方面的二次设备集于一体。后者将保护微机与开关一一对 应，可靠性与灵活性均有所提高。尽管如此，微机集控保护装置仍存在运输难、现场 整定调试工作量大、= 次电缆多、本身故障率高、远程通信能力不强、不适合老站改 造等弱点，国家又无相应技术标准，生产厂家各自为政，重复开发研制；同时，这种 集中化的结构模式不能满足用户对安全性和可靠性方面的更高要求。 变电站综合自动化产品的发展趋势是将功能强大的微机监控系统与全数字化的微 机保护测控技术、高速网络通信技术结合起来，可以极大地增强变电站的控制保护功 能，提高自动化程度，方便地实现遥信遥测遥控，取代传统的r t u ，实现“无人值班”； 尤其是将保护和测量、控制、通信等功能集成为一个密闭的测控保护单元，直接安装 在高压开关柜内原继电保护间隔内，实现彻底的分布式配置，将功能单元与高压设备 一一对应，方便安装调试、故障定位、又节省了二次电缆和控制室的占地面积，是一 种取代微机集控装置的新型综合自动化实现方式。具体表现为一下几个方面： 1 ) 产品室外现场运行，直接与高压开关等放在一起，节约控制电缆和测量电缆， 减少土建和占地面积，大量节约投资。 2 ) 采用现场总线运行方式，优化系统结构，提高产品集成化水平，提高产品通信 可靠性和通信速率。 3 ) 与生产调度与办公自动化系统、县级调度网、地级、省级联网。 4 ) 智能化故障诊断，便于维护，减少故障率和停运时间。 5 ) 提高产品无故障运行时间，保证电力系统正常稳定运行。 1 3 嵌入式实时操作系统 所谓嵌入式系统，就是以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适 用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。而实 华中科技大学硕士学位论文 时系统是指能够在事先指定或确定的时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异 步事件做出响应的系统。这一节首先介绍了嵌入式系统的特点及其广泛的应用领域， 接着介绍了实时系统，并由此引出了“嵌入式实时操作系统”在嵌入式产品中的重要 性。 1 3 1 嵌入式系统 1 3 - 1 5 1 以往我们按照计算机的体系结构、运算速度、结构规模、应用领域，将其分为大 型计算机、中型机、小型机和微计算机，并以此来组织学科和产业分工，这种分类沿 袭了约4 0 年。近l o 年来随着计算机技术的迅速发展，实际情况产生了根本的变化， 例如7 0 年代末定义的微型计算机演变出来的个人计算机( p c ) ，如今已经占据了全球 计算机工业的9 0 市场，其处理速度也超过了当年大、中型计算机的定义。随着计算 机技术和产品对其他行业的渗透，以应用为中心的分类方法变得更为切合实际，也就 是按计算机的嵌入式应用和非嵌入式应用将其划分为嵌入式计算机和通用计算机。 通用计算机具有计算机的标准形态，通过装配不同的应用软件，以类同面目出现 并应用在社会的各个方面，其典型产品为p c ；而嵌入式计算机则是以嵌入式系统的形 式隐藏在各种装置、产品和系统中。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种通用 计算机。一台通用计算机的外部设备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠 标、软驱、硬盘、显示卡、显示器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相 机、u s b 集线器等均是嵌入式处理器控制的。在制造工业、过程控制、通信、仪器、 仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费产品等方面均是嵌入式计算机的应 用领域。不过，从目前来说，通用计算机行业的技术可以认为由w i n t e l ( m i c r o s o f t 和 i n t e l9 0 年代初建立的联盟) 垄断的，而嵌入式系统则不同，它是一个分散的工业，充 满了竞争、机遇和创新，没有哪一个系列的处理器和操作系统能够垄断全部市场。即 便是在体系上存在着主流，但各不相同的应用领域决定了不可能有少数公司，少数产 品垄断全部市场。因此嵌入式系统领域的产品和技术，必然是高度分散的，留给各个 行业的中小规模高技术公司的创新余地很大。另外，社会上的各个应用领域是在不断 的向前发展的，要求其中的嵌入式处理器核心也同步发展，这构成了推动嵌入式工业 发展的强大动力。 嵌入式系统的产品特征是面向用户、面向产品、面向应用的，如果独立于应用自 行发展，则会失去市场。嵌入式处理器的功耗、体积、成本、可靠性、速度、处理能 力、电磁兼容性等方面均受到应用要求的制约，这些也是各半导体厂商之间竞争的热 华中科技大学硕士学位论文 点。和通用计算机不同，嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣， 去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用对处理器 的选择面前更具有竞争力。嵌入式处理器要针对用户的具体要求，对芯片配置进行裁 剪和添加才能达到理想的性能；同时还受用户订货量的制约。因此不同的处理器面向 的用户是不一样的，可能是一般用户、行业用户或单一用户。嵌入式系统和具体应用 有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一 旦进入市场，具有较长的生命周期。另外，各个行业的应用系统和产品，和通用计算 机软件不同，很少发生突越性的跳跃，嵌入式系统中的软件也因此更强调可继承性和 技术衔接性，发展比较稳定。 嵌入式系统软件的特征有以下这么几点： 1 ) 软件要求固态化存储。 2 ) 软件代码高质量、高可靠性。尽管半导体技术的发展使处理器速度不断提高， 片上存储器的容量不断增加，但在大多数应用中，存储空间仍然是宝贵的，还存在实 时性的要求，为此要求程序编写和编译工具的质量要高，以减少程序二进制代码长度、 提高执行速度。 3 ) 系统软件的高实时性是基本要求。在多任务嵌入式系统中，对重要性各不相同 的任务进行统筹兼顾地合理调度是保证每个任务及时执行的关键，单纯通过提高处理 器的速度是无法完成和没有效率的，这种任务调度只能由优化编写的系统软件来完成， 因此系统软件的高实时性是基本要求。 4 ) 嵌入式系统软件需要r t o s 开发平台。通用计算机具有完善的操作系统和应用 程序接口( a p i ) ，是计算机基本组成不可分离的一部分，应用程序的开发以及完成后 的软件都是在操作系统的平台上面运行，但一般不是实时的。嵌入式系统则不同，应 用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行：但是为了合理地调度多任务、利用系统 资源、系统函数以及和专家函数接口，用户必须自行选配r t o s 开发平台，这样才能 保证程序执行的实时性、可靠性、并减少开发时间，保证软件质量。 5 ) 嵌入式系统开发人员以应用专家为主。通用计算机的开发人员一般是计算机科 学或计算机工程方面的专业人士，而嵌入式系统则是要和各个不同行业的应用相结合 的，要求更多的计算机以外的专业知识，其开发人员往往是各个应用领域的专家。因 此开发工具的易学、易用、可靠、高效是基本要求。 6 ) 嵌入式系统开发需要特殊的开发工具和环境。通用计算机具有完善的人机接口 界面，上面增加一些开发应用程序和环境即可进行对自身的开发。而嵌入式系统本身 不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修 4 华中科技大学硕士学位论文 改的，必须由一套汗发工具和环境才能进行开发，这些工舆和环境一般是基于通用计 冀撬上静软硬箨设餐疆及备耱逻辫分拆纹、混合信芍示波器等等。 3 。2 实糖系统 t s l 7 1 实冀雩系统与箕缝善逶匏系统之阕静最大不溺之楚就蹩要满避烂瑾器鸟薅鞫静关 系。在实时计算中，系统的正确性不仅仅依赖于计算机的逻辑结果而且依赖于结果产 生瓣瓣闽。 对于实时系统来说最羹腰的要求就是实时操住系统必须由满足在一个搿先定义好 垂孽瓣闻羧测巾慰燕帮蕺痰罄熬事终遴嚣稳疲摹拜处理瓣爱力。这襻，嶷露系绫霹班定义 为“一个能够在事先指定或确定时间内完成系统功能和对外部或内部、同步或异步事 馋傲出响应瓣系绞”。此终掺为实黠攥传系绞还嚣要蠢效豹孛凝处理缝力来姓理异步搴 件，商效的f o 能力来处理严格时间限制的数据收发应用。 1 3 3 嵌入式实时操作系统 1 s - 2 3 r t o s 是嵌入式应用软件的基础和开发平台。掰前在中国大多数嵌入式软件开发 还熙基于处理器直接编写，没有采用商品化戆r t o s ，不黥将系统软终秘戍鼹软转分 开处理。r t o s 是一段嵌入程目标代码中的软件，用户的其他应用程序都建戡在r t o s 之上。r t o s 还一个可靠性和可信性很高的实对内核，将c p u 时间、中断、i o 、定瓣 器等资源都包装起来，基本功能包掰任务管疆、定时器管理、存储糕管理、盗源管理、 事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语错理等，这些管理功能是通过内核 服务函数形式交给粥户调用的，也就是r t o s 的a p i 。 、 r t o s 体现了种新的系统设计思想和个开放的软件框架，工程师w 以在不大 变动系统冀继任务的情猛下增加或删去一个任务。一个项目开发豹过程中，可以有多 个工程师同时进行系统的软件开发，大家只要定义好重要的数据结构或变量、函数功 能鄹霹，鬣缩短了帮发时鬻，又降低了最终软徉产黼对于莱个开发者个入的依赖槛。 为r t o s 设计的成熟和通用的任务w 以按库函数的形式提供飨其他人继续利用，和c 语言鹣设诗瓣怒一鼗。因诧珂戬说r t o s 是灏入式较俘的编弼获“小生产方式”到“大 生产方式”的必然产物。r t o s 的引入，解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随糟 嵌入燕系绕串较舞魄霪不鼗上秀、成嫣程淳越来越大，对开发入受、应爝程滓接口、 程序档案的组织管理成为一个大的课题。引入r t o s 相当于引入一种新的管理模式， 华中科技大学硕士学位论文 对于开发单位和开发人员都是一个提高。 r t o s 是锌对不同处理器优话设计静离效率实时多任务内核，德秀商晶化的r t o s 可以面对几十个系列的嵌入式处理器m p l i 、m c u 、d s p 、s o c 等提供类网的a p i 接 口，这是鞠d s 基于设备独立静瘟掰程痔歼发基础。困诧蘩子r t o s 上的c 语言稷净 具有极大的可移植性。据专家测算，优秀r i d s 上跨处理器平台的程序移檄只需要修 改1 - - 5 酌内容。 在r t o s 基础上可以编写出各种硬件驱动程序、专家庠函数、行业库黼数、产品 痒骚数，帮遥爱牲静痤蔫纛序一起，霹敬终为产蘸镄售，餐送行遵肉豹知谖产权交流。 嵌入式软件的函数化、产品他能够促进行业交流以及社会分工专业化，减少蘑复劳动， 提藏翅谈裁簸豹效搴。 嵌入式正业的慕础是以应用为中心的芯片设计和面向成用的软件开发。实时多任 务搽终系绫送入嵌入式王数豹意义苓耍于掰囊上撬辍王鲎鬈弼三撬强静贡熬，对嵌入 式软件设计的标准化和加速知识创新是一个里程碑。 1 4 论文做的主纂工作与主要颦节安排 随着变电站综台自动化技术和嵌入式计算机技术的不断发展，在变电站综合自动化 的开发过程巾使用嵌入式实时操作装统是一令必然发展趋势。 本文的主要工作是结台j y 2 0 0 变电站综台自动化系统的研发过程，重点讨论了该 系统中的保护和通俗层蛇绐槐和功能，网酎在奔绍一釉短小实魇的嵌入式实时操馋系 统u c o s 的基础上，做出了u c o s 内核在本系统中的移植，提出了移植后的应用程序 设计思想。 本文备章节安排如下： 第一章：简要套绍了变电站综念自动他、嵌入式系统、实时系统、嵌入式实时搡 作系统的基本概念和它们各自的发髓历史和特点。 第二章：详细论述了j y 2 0 0 变电站综合自动化系统的傺护系统。营先以一个典型 的1 0 k v 铁路配龟所为例，介绍了该系统的整体保护配置情况；再戳具体的继电保护 装置为例，从硬件缎成及其正作原理、软件缌成及其主要功能、微机继电保护算法三 个方面对该徽视保护装置进行了详细的说确。 篇三章：论述了j y 2 0 0 变电站综合自动化系统的通信系统的构成。参考目前变电 蛄综合自动纯的通信系统构成，获总体上恕该透信系统构成设计为三层，讨论了每一 层的功能；详细介绍了通信系统的核心一一通信管理机的设计，重点说明了 6 华中科技大学硕士学位论文 i e c 8 7 0 5 1 0 3 规约在其中的应用过程，讨论了在应用中对所实际问题的处理办法。最 后，就作者在工程实际中所遇到的问题，对提高r s 4 8 5 现场总线网安全性的若干问题 的解决办法进行了探讨。 第四章：介绍了一种短小实用的嵌入式操作系统u c o s 的基础知识，包括其内核 结构、任务、中断、时间管理机制，初始化及启动过程。 第五章：结合作者的移植实例，论文讲述了u c o s 在5 1 单片机上的移植方法， 并且提出了在j y 2 0 0 系统中，基于u c o s 的通信管理软件和保护软件的应用程序设 计思想，指出了应用r t o s 进行应用程序设计的优势。 其中，第三、四、五章是本文的重点。 7 华中科技大学硕士学位论文 2 间隔层继电保护单元 在现代化的变电站综合自动化系统中，集中实现保护和测量、控制、信号、通信 等功能的微机测控保护单元，是变电站自动化的核心。运行于铁路配电所的j y 2 0 0 变 电站综合自动化系统，其间隔层的继电保护单元，采用保护独立下放方式。在硬件结 构上，每一条出线采用一台保护单元实现一对一的保护，采用独立电源、独立c p u 、 独立的信号连线，利用微机的串行通讯功能加上光电隔离传输交换数据，使各保护在 电上完全独立和隔离，当某个c p u 产生问题时，对其他保护及整个站的运行不会产生 不良影响。它在软件上针对一条线路或设备的用途功能，实现针对性的处理，保护种 类通过改变软件设定来实现，这样硬件结构可以通用化，使制造和维护都比较简单【2 4 l 。 2 1 保护总体配置 j v 2 0 0 变电站综合自动化系统的保护装置是为铁路配电所设计开发的。一个典型 的l o k v 铁路配电所的结构如下图，它包含四条母线，即自闭和贯通母线和两条主母线。 图2 - 1l o k v 铁路配电所结构示意图 其中，自闭贯通线路是为铁路信号装置供电，采用双电源供电，有主供和被供两 种运行方式，一般铁路配电所有3 4 条自闭贯通线路。自闭和贯通母互是为测量自闭 和贯通母线电压设置的，同时也可以进行母线绝缘检测。由于铁路信号装置的重要信， 8 篮弄“出胃高气 罂 蒜 互 一 一 1 1腑旦聪鼬-(8鳓 自 一防遁一 酗凌嚣压 自盟矗舔路一 一自围副副话 华中科技大学硕士学位论文 要求自闭和贯通母线的电压水平持续在给定范围内，所以在两条自闭贯通母线和主母 线之间设置了自闭和贯通调压器，可以进行手动和自动地调压。两条主母线之间设置 母联，在一条母线失压的情况下通过母联的自投保证主母线的带电。同样的，每条主 母线上设置母互，以测量母线电压和绝缘检测。主母线上带有电源进线、用于无功调 节的电容器、以及出线负载，出线负载可以有多条。本系统间隔层采用分布式的结构， 以一次主设备即开关为安装单位，将控制、闭锁、保护等单元分散，就地安装在主设备 上。这样，一个l o k v 铁路配电所所需要的保护装置类型就有：自闭贯通线路、调压器、 母联、进线、出线、电容这六种，再加上用于监测的母互，一共七种类型的保护。保 护配置一般配有三段式电流保护、过低电压保护、p t 断线等。此外，母联、自闭贯 通线路还设有自投功能，调压器设有调压功能，电容器设有不平衡电压电流保护功能， 而母互主要的保护功能只设有绝缘监测报警，不作用于开关。 保护装置的硬件都按照通用的标准来设计，不同的保护类型，主要的差异在软件 保护功能的配置。下面，简单的介绍一下保护装置的硬软件设计。 2 2 保护装置的硬件结构 装置采用插件式结构，这种结构把整个硬件逻辑网络按照功能和电路特点划分为 若干部分，每个部分做在一块印刷电路插件板上，板上对外联系的引线通过插头引出， 保护装置的机箱内装有相应的插座，印刷板可以方便地插入和拔出。通过机箱插座间 的连接将各个印刷板连成整体，并实现端字排的输入输出的连接。装置由以下部分构 成：模拟量采集板、数字量输入板、数字量输出板、c p u 板、电源板、面板( 人机接 口) 。 2 2 1 模拟量采集板 如图2 2 所示，此板将来自电力系统电压互感器和电流互感器的二次强电信号变 换成适用于计算机系统的弱电信号。模拟输入板被通用地设计为有1 2 个互感器，分别 是用于测量电流通道i a 、i c 、保护电流通道i a 、i b 、i c 、零序电流通道i o 的六个电流 互感器和六个电压通道。实际的装置可以根据模拟量数目的不同进行互感器的增减。 为了适应不同的接线要求，每个互感器都用两个端子引入。板上的p t 和c t 均选用高 性能的铁芯材料，其中测量用互感器为高精度互感器，保护用互感器在i o o a 电流以 下范围内保持很好的线性度。模拟量采集板将转换后的电压电流信号通过总线送至 9 华中科技大学硕士学位论文 c p u 板，进行滤波和放大，转化为计算机识别的电压信号，再送至a d 转换芯片进行 模，数转换。 2 2 2 数字量输入板 图2 2 模拟量采集板原理图 保护装置的数字量输入，也即接点状态( 接通或断开) 的输入主要有两类，一类 为来自保护面板上的开关量输入，另一类开关量由操作回路提供，如断路器位置、隔 离开关位置等。除了可以接入接点状态以外，开入板还可以接入电度表的脉冲量。本 装置设计的数字量输入板可以接入1 4 路开入量。如图2 3 所示，接在操作回路控制母 线上的开入量通过光电隔离元件转化为+ 2 4 v 电源下二极管的导通和截至信号。这个 信号送入c p u 板后，还要通过一个类似的回路通过光隔元件转化为+ 5 v 电压下的0 1 数字信号，可以为c p u 所读取。采用光电隔离可以使带有电磁干扰的外部接线回路和 微机保护装置的电路之间无电的联系，大大减小干扰的影响。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 2 3 数字量输出板 图2 3 数字量输出板原理图 数字量输出板即开出板，主要用来驱动继电器，包括启动继电器、异常闭锁继电 器、异常报警继电器、保护跳合闸继电器、遥控跳合闸继电器等等。本装置内设置有 8 个出口继电器，采用并行口的输出口来控制出口继电器。 2 2 4c p u 板 c p u 板的结构最复杂，也是装置的核心，其他板都通过总线与c p u 发生联系。 整个系统的硬件原理框图如图2 - 4 。装置采用双c p u 结构，保护和通信功能独立实现， 通过高速双口r a m 进行实时数据交换。硬件电路的译码由s t m i c r o e l e c t r o n i c s 公司的 p s d 8 1 3 f 3 芯片来实现，该芯片功能强大，可以通过j t a g 端口实现在线编程，片内有 1 m b i t sf l a s hm e m o r y ，可以存放程序、保护定值、事故纪录和故障录波数据，系统还 扩展有r a i v l 和e e p r o m 以及时钟芯片等，以实现数据存储和时间读写等功能。 华中科技大学硕士学位论文 2 2 。5 瞧滚板 蘸2 4 系统硬件缡构框图 电源板用来提供装墨内部使用的两个互相隔离的赢流电源。开关电源变换模块的 输入可以是壹流或交流电压。经过逆交和幅值调节后，输醯数字电深+ 5 v 开入，开出 电源+ 2 4 v 两种。如图2 - 5 所承： 2 2 6 菌板 恩惠 圈2 4 电源板原理图 瑟板上寄3 2 0 x 2 4 0 点薛瓣夫足寸强彩滚鑫燕示暴，5 令按凝按键，使奉装黉吴套 良好的人机界颇。面板与各板的总线槽集合在起，与c p u 板通过总线联系，以实现 c p u 辩显示窝键盎豹按裁。 2 3 傈季产装鬟的软件结搀 软件是装鬣的核心。下覆觚较释瓣编程语富和编译嚣凌、软释缓或和功骚浚及舞 华中科技大学硕士学位论文 法三个方面介绍本装置的软件设计。 2 3 1 编程语言和编译环境l 保护装置的软件采用c 5 1 语言编写。c 语言是一种面向过程的高级语言，用户不 必熟悉计算机内部的结构和指令，而同时c 语言又能直接对计算机的硬件进行操作， 如进行端口i o 操作、位操作、地址操作、并可内嵌汇编语句。用c 编写的程序结构 紧凑、可读性强、编译效率高、并且具有较高的移植性。因此，本保护装置的软件选 择它作为编程语言。 选择优良的编译环境对软件的可靠性有重要的影响。由k e i l 公司开发的c 5 1 编 译器已经在工程界得到广泛的应用。高版本的k e i lc 5 1 编译器具有更多的优点，使 用也更方便。k e i lc 5 1 以软件包的形式向用户提供，主要包括c 5 1 交叉编译器，a 5 1 宏汇编器，b l 5 l 连接定位器等一系列工具和基于w i n d o w s 集成编译环境的u v i s i o n 5 1 ， 软件仿真器d s e o p e 5 1 等开发平台。本保护装置用的是基于w i n d o w s 集成编译环境的 u v i s i o n 5 1 ，在后面的嵌入式移植中用到了软件仿真器d s e o p e 5 1 。 2 3 2 保护软件构成 根据本保护装置数据采集、数字滤波、动作判别、信号输出、人机接口等功能不 同的实时性要求，保护系统软件由主监控程序、两个中断服务子程序三大部分组成。 图2 - 5 主监控程序流程 华中科技大学硕士学位论文 其中，主监控程序完成整个保护装置的基本功能，包括初始化和主循环两部分。初始 化包括所有标志位的清零和变量的赋初值、定时中断的初始化及启动、r a m ，e e p r o m 等硬件自检、初始化液晶显示、从e e p r o m 里调出初始定值等等。然后主程序进入循 环，在这个循环里等待键盘响应进行相应的页面显示；从双口r a i v l 中检验是否有来 自上位机的遥控、修改定值、复归等命令并执行；对采样结果进行幅值的平均值计算， 以便为屏幕显示做依据；主循环还可以进行一些对实时性要求不高的保护功能的计算 和出口，如进行p t 断线的判别和报警等等。它的流程图如图2 5 。 两个中断服务程序是定时器0 ( t i m e 0 ) 和定时器1 ( t i m e l ) 中断实现的。t i m e 0 的优先级要高于t i m e l 。 t u n e 0 中断用于定时采样。本保护装置的采样频率是一个周波1 2 点，于是t i m e 0 设置为2 0 1 2 m s 中断一次。在t i m e ( ? 中断服务程序里，依次启动a d 的各个通道进行 转换，将每个通道的每一点的转换结果存入r a m 的循环队列中，然后进行数字滤波， 跟着从双口r a i v l 中检验是否有对时命令以调整时钟，最后从开入信号里判断是否有 开关变位等s o e 并形成记录。由于t i m e 0 中断的优先级最高，别的中断都不能打断它， 所以每隔5 3 m s 必然进入一次，所以在该中断里将时间标志量进行累加，还可以比较 准确的实现保护中的延时功能。它的流程图如下： 图2 - 6t i m e 0 中断程序流程 t i m e l 中断用于故障计算。它以t i m e 0 中处理后的结果为计算对象，经过一定的算 法，计算出采样出的电压电流的瞬时幅值和相位，结合采入的开关量信息，通过一定 的判据，进行故障判别。如三段电流保护、低电压、过电压判别等。一旦确定有故障 1 4 华中科技大学硕士学位论文 并置延辩期满这捌出口条件后，瑟霹发邂开密傣号，透过数字羹输爨援俸瘸亏二努赛臻 作机构进行跳合闸或报警( 以调器保护为例，可参见【2 6 11 2 i ) 。然后形成s o e 并写入双 弱r a m ，逶过遴信芯片囱上毽撬上传。t i m e l 中羝霹戳被t i m e ) 努繇，戮更耨安瓣豹 采样数据。 2 3 3 微机继电保护算法汹1 微褫继电绦护装置校据数攒采集系统提供静电压和电流静采样僮，经过数字滤波 器滤波聪，得到所需特镊量的采样值，通过分析、运算和判断，实现各种继电保护功 能的方法称为徽梳继电保护算法。我翻躲遒，宅箧和电漉在理戆情况下麓接莼藏弦撬 律变化，但电力系统运行的实践表明：谯系统发生故障时，故障量往往是在基波正弦 麓酌基稿上叠鸯葬骞衰减瞧静 # 弱耱分董葺蠢其它巅浚谐波分耋，瓣我要求徽穰保护漩曼 对输入的电流、电压信号进行预处理，即尽可能的滤掉非周期分照和高频分量，否则， 计算缩莱将会国现较大魏误差。在对算法煞繇究逑程孛，入蠢】提出了躅潮丞数数学模 型算法一一傅立叶算法和与之相似的沃尔希函数算法。这些算法带有很强的滤去高次 谐波静穗麓，掰骧一般不秀采藤数字滤波器，毽楚算法本身不笺滤去衰减獒l 蠲期分 摄。 1 ) 拳爝积努舞法 半周积分算法的依据是一个芷弦信嫦在任意半个周期内绝对值的积分为一个常数 s 。戮毫滚售号必捌： 7 曾一 s = 1 4 2 xjs i n ( r u t + 口) i 席 ：7 。i n 鼬：堑l 2肛sin鼬。等10 s = ；l 毛| 馨l 鑫l + 丢| 粤| 孙 = 杰：岸( 口) 酣 华中科技大学硕士学位论文 式中，i l ( 为第k 次采样值，n 为一周内的采样点数，o 为k = 0 时的采样值，i r d 2 为k = n 2 的采样馕；s 为半周内采样值的总和；d 为第一个采样值的初棚角；k ( n ) 为s 与i | i l 的眈值，且r ( a ) = ls i n a + ( 七一1 ) r s 】i 。由予精采样值求和代替积分，所班带来误 差，此误差随n 值对变化。求出积分值s 后，就可以由上面的公式算得电流有效值i 。 半周积分算法所需的数据窝长度为1 0 m s ，它本身具番一定的滤豫商颓分量的能力， 对叠加柱基频分量上的幅值不大的高频分量在半周积分中其对称的正负半周相抵消， 丽未被抵清静部分所占的眈重藏减小了。僮是该算法无法攘制纛流势蠢。因丽瓣于一 些精度要求不商的有效值的计算可以采用这种算法。 2 ) 簿立辞算法 傅叛叶算法的基本思想时来自于傅立叶级数，本身就有滤波作用。它假定被采样 游模掇稽号楚一个溺期径事释溺数，豫鏊渡终逐含春不襄减貔纛流分爨耪各次谐渡， 可表示为：算( f ) * hc o s n o j l t + a ns i n n m l t 】 由傅立叶级数原理，可以分别求出a 1 ，b 1 的表达式，于是旗波分最为： x ( f ) = l b c o s r i o ) i t + a ns i n n a ，： n - o 式串，x 兔鏊波奄聪( 或电流) 酌裔效篷，m1 为鏊渡角速度，零l 辫基波豹裙裙 角。由数学知识不难得到，对于每周期采样n 次的离散采样系统，其基波电压( 或电 流) 酶裔效蓬为： x - 石丽 弗一2丢n置sin(n-等答)n a l = 一 盖。 篇5 =万2蕃nbl x 。c o s ( n 争 一) 。三兰) n 铬 n 一 张。窜- 篓 0 1 傅立叶算法是在电力系统中应用很广的一种较好的算法，尤其是在提取基波分量 辩，薅立跨滤波砉毒重簧豹逸忿。全渡薅立跨舞法不仗缝滤豫湃鸯整次谐波分爨鸯 1 6 华中科技大学硕士学位论文 次谐波不能完全滤除) 和恒定的直流分量，对于非整次谐波分量和按指数衰减的非周 期分量所包含的低频分量也有一定的抑制能力。由于它要求输入信号为周期函数，所 以非周期分量的输入将会产生一定的误差。另外提高采样频率可以提高傅立叶算法计 算结果的精度。 本保护装置为每周1 2 点采样，采用全周傅立叶变换，可以计算出电压电流的实部、 虚部和相位，从而进行故障判断。实践证明，该算法完全满足铁路配电所继电保护速 度和精度的要求。 2 4 小结 本章介绍了变电站综合自动化的核心部分：间隔层的继电保护单元。首先介绍了 铁路配电所的结构和继电保护装置的配置情况。然后，介绍了保护装置的硬件构成， 从五个部分比较详细豹说明了每个功能模块的工作原理。接着，展示了保护装置的软 件结构，简要说明了保护软件的三大部分的功能，最后，介绍了有关继电保护的算法。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 3 变电站综合自动化的通信系统 通信楚交电站“综合酝动化”贻基础。随着墩力系统蠢动化程度的提瓷，开关场 采集控制肇元与交电站监控单元之间的通信，以及变电站与远方调度中心的通信，在 变电站综鸯自动化系统中扮演蓑越来越重裂的角色，对通信系统的可靠性、可扩展蚀和 通佰速度提出了更高的要求变电黉占自动化的结构形式一般有集中式和分朦分布式两 种根据具体的变电站自动化结构，设计相臆的通傣系统，谯变电站综合自动化建设中 占肖基础丽薰要的作用1 2 9 捌 3 ，1 通信系统构成和功黼 本变电站综合自动化系统是用于铁路配电所，采用的怒分层分布式系统结构。随 着我国鬯气恁铁路瓣建设驰遮速发疑，戬绽摹一的控囊系统慰瞩层模式由予控制系统 的颤担过重，难以满足现场鼹求。为了便于远方调魔管理和减轻现场监控系统的负织， 霰簧设置巾闻通信镑理枫，将闻隰鼷数据熬理后上传绘监控系统和远方调度 3 2 - 3 孤。浅 们根据分层分布式变电站自动化的系统结构进行通信网组态，参考目前变电站综合自 动化采用的通讯系统阻”，设计一令分层式的通讯祭统。 变电站内的通信系统由监控主机、r t u 、通信管理机和就地安装的微机僳护单元及 连接各层的通信网缀成在功e 上霹以分成三层：变电站层，通信管璎层和阅隔层如圈 3 1 所示。 变电站层由变电站的当地监控枫，r t u 及其他站内子系统等组成。它们敲担着人枧