（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入式线路保护装置的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 现代电网日益复杂化，对电力系统的安全稳定运行提出了更高、更严格的要 求。微机保护是保障电力系统安全稳定运行的有效手段之一。随着数字信号处理 技术( d s p ) 的广泛应用，微机保护的发展趋势将是基于高性能的d s p 硬件平 台和嵌入式实时操作系统的多功能化和智能化的微机保护装置。本文在研究 c o s i i 和d s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 基础上，分析了目前微机保护的现状，针对目 前微机保护的不足，提出了基于d s p 的硬件平台并采用嵌入式实时操作系统的微 机保护装置的硬、软件设计。 整个系统由信号采集单元、控制单元、开关量输入、开关量输出、显示及通 讯单元等组成，用复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 代替了传统的分立逻辑器件， 提高了系统的抗干扰能力和可靠性。新的微机保护采用了以太网通讯方式，体现 了继电保护和网络技术相结合的设计思想，满足了电力系统智能化、信息化的要 求。在分析和比较现有微机继电保护算法的基础上，针对电力系统的特点采用了 改进的傅氏算法，具有较好的计算精度与实时性。本文详细阐述了基于嵌入式实 时操作系统“c o s i i 的软件设计，从软件设计思想、保护模块的划分及设计、 用户任务的创建等方面进行了详细的设计研究，对操作系统内核原理作出详细分 析，编写了部分与硬件相关的代码，将c o s i i 在d s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 进行了移 植，由于采取了模块化结构设计的思想，使得其整体结构十分清晰。 装置的测试结果表明，测量精确，动作快速准确，通信可靠，各项性能指标 均能达到设计要求。 关键词：微机保护；嵌入式系统；d s p ；u c o s 。i i 嵌入式线路保护装置的研究 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s i n gc o m p l e x i t yo fm o d e r ne l e c t r i cn e t w o r k ， t h es e c u r i t ya n d s t a b i l i t yd u r i n gp o w e rs y s t e m so p e r a t i n ga f er e q u i f e dh i g h e ra n dm o r es t r i c t l y t h e m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o ni saj m p o r t a n tm e a n st ok e e pp o w e fs y s t e ms a f ea n ds t a b l e w i t he x t e n s i v e a p p l i c a t i o n o f d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p )t e c h n o l o g y ，t h e m u l t i f l l n c t i o n a la n di n t e l l i g e n t i z e dr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c eb a s e do nt h ea d v a n c e d h a r d w a r ea n dt h ee m b e d d e dr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e mw i l lb e c o m et h em a i n d e v e l o p i n gd i r e c t i o no fr e l a yp r o t e c t i o nf o rp o w e rs y s t e m b a s e do nb r o a d l y c o l l e c t i n g t h ed o c u m e n t sa b o u tu c o s - i ia n dd s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 ，t h i s p a p e r a n a l y s e st h ee x i s t i n gc o n d i t i o no fm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o na n dg e n e r a l i z e si t s d e m e r i t s ，t h e nb r i n g su pn e wm i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o nh a r d w a r ea n ds o f t w a r e p l a t f b r m sp r o j e c ta n dd e s i g nb a s e dd s pa n de m b e d d e di 己t o s t h ew h o l es y s t e mi sm a d eu po ft h eu n i tf o rs a m p l i n g ，t h eu n i tf o rc o n t r o l l i n g ， s w i t c h i n s w i t c h - o u tm o d u l ea n dt h eu n i tf o rd i s p l a y i n ga n dc o m m u n i c a t i n g ， u s e s c o m p l e xa n dp r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ( c p l d ) i n s t e a do ft r a d i t i o n a la n ds e p a r a t e l o g i cd e v i c et oi m p r o v et h ea n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h e n e wd e v i c et h a tu s e se t h e r n e ta n dc o m b i n e sm e a s u r e m e n tw i t ha n dn e t w o f ks h o w s t h em o d e r nd e s i g nc o n c e p t ，w h i c hf i l l sw i t ht h en e e do fi n t e l l i g e n c ea n di n f o r m a t i o n o fd e v i c e i nc o m p a r i s o nw i t he x i s t i n gr e l a yp r o t e c t i o na l g o r i t h ma n da c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i c so fp o w e rs y s t e m ，f o u r i e ra l g o r i t h mi s e m p l o y e d ，w h i c hh a s9 0 0 d p r e c i s i o na n dr e a l - t i m ep e r f o r m a n c e t h i sp a p e ra n a l y z e st h es o f t w a r ed e s i g na n dt h c p a r t i t i o na n dd e s i g nf 6 rm o d u l eo fp r o t e c t i o nb a s e do nu c o s i ii nd e t a i l ，a n dh o wt o c r e a t et a s k si sa l s od i s c u s s e d ，b e c a u s eo fa d o p t i n gs o f t w a r em o d u l a r i t y ，t h es t r u c t u r c o fs o f t w a r ed e s i g ni si nf o c u s t h i sp a p e ra n a l y z e su c o s - i ik e r n e lp r i n c i p l ea n d p e r f o r m a n c ei nd e t a i l sa n dt h e nt r a n s p l a n t si tt od s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2b o a r db y w r i t i n gs o m eh a r d w a r e a s s o c i a t e dc o d e t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w st h a t t h i sd e v i c eh a sa c c u r a t em e a s u r e m e n t ，f a s t r c s p o n s e ， c o r r e tc o m m u n i c a t i o n ，a n di t sp e r f o r m a n c eq u a l i f i e st h ed e s i g n e dr e q u e s t s 1 妯yw o r d s ：m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n ； e m b e d d e ds y s t c m ； d s p ；u c o s - i i 硕士学位论文 插图索引 图2 1 任务的状态转换图1 1 图2 2 任务就绪表。1 3 图2 3u c o s i i 系统的软件体系结构1 7 图2 4c c s 集成开发环境。2 3 图3 1 傅氏算法提取基波的频率特性曲线。2 9 图3 2 全波傅氏和全波差分傅氏算法的幅频响应3 1 图3 3 半波傅氏和半波差分傅氏算法的幅频响应3 1 图4 1 i e c6 1 8 5 0 变电站自动化的典型配置图3 4 图4 2 硬件系统原理结构图。3 4 图4 3t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2d s p 的内部硬件组成框图3 6 图4 4t p s 7 6 7 d 3 1 8 转换电路3 7 图4 5m a x 7 0 6 电路原理图3 8 图4 6 电压变换电路图3 9 图4 7 电流变换电路图3 9 图4 8m a x l 2 5 与信号处理单元连接图4 0 图4 9d s p 与f r a m 的硬件连接图。4 2 图4 1 0d s p 与f l a s h 接口示意图4 3 图4 1 1 显示单元连接图4 4 图4 1 2 开入逻辑电路原理图4 5 图4 1 3 开出逻辑电路原理图。4 5 图4 1 4t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 与i 汀l 8 0 1 9 a s 的硬件连接图4 7 图5 1 系统软件整体方案图5 0 图5 2 系统初始化流程图5 2 图5 3 数据采集模块流程图5 3 图5 4 数据处理模块流程图5 3 图5 5 故障处理模块流程图5 4 图5 6 以太网数据发送流程图5 5 图5 7 以太网数据接受流程图5 6 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 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 法律后果由本人承担。 作者签名：甜暖气日期：绷年箩月及日 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。本人授权兰州理工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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 作者签名：甜日气l 屯 导师签名碧f 翰渺 日期：伽? 年岁月2 z 日 日期：腑亍月口弓日 硕士学位论文 第1 章绪论 随着国民经济的发展和人民生活水平的提高，整个社会信息化和电气化程度 的不断提高，电力供应作为国民经济的基础，其安全性和质量就显得尤为重要。 因此，国家电力管理部门迫切要求电力设备集成化、综合化、自动化，希望能用 科学的手段来管理变配电系统，这也是电力产业发展的新趋势。 微电子技术、计算机技术和通信技术的发展，使变电站综合自动化技术也得 到了迅速发展。变电站综合自动化系统是利用微机技术，将变电站的二次设备 ( 包括控制、信号、测量、保护、自动装置、远动装置) 进行功能的重新组合和结 构的优化设计，对变电站进行自动监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动 化系统。微机保护装置作为该系统的一个重要组成部分，除了要求它们能完成保 护功能之外，还要求它们能够进行信息传递，从而实现远方控制和实时监测。因 此，为了适应电力系统继电保护网络化、系统化的发展趋势，也为了实现“无人 值守”或“少人值守”的要求和提高电网运行自动化水平与管理水平的总目标，利 用d s p 技术和先进的软件技术，不断改善继电保护装置性能，开发新一代的微机 保护装置是广大继电保护工作者共同关心的问题【1 ，引。 1 1 课题的研究背景 1 1 1 课题的引出 电力系统的不断发展和安全稳定运行给国民经济和社会发展带来了巨大的动 力和效益。但是，国内外的经验表明，大型电力系统一旦发生自然或人为故障， 不能及时有效地得到控制而失去稳定运行、电网瓦解，将会造成大面积停电，给 社会带来灾难性的后果。因此，自从出现电力系统以来，如何保证其安全稳定运 行，就成为广大电力工作者追求的目标。其中，继电保护是电力系统重要组成部 分，是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，为电力系统的安全稳定运行发挥着极其重要的作用。 1 9 世纪末，熔断器首次被用来防止发生断路时损坏电力设备，在此基础上 建立了过流保护原理。1 9 0 1 年第一台感应式过流继电器问世，标志着继电保护 技术的开始。1 9 0 8 年初研制出电流差动保护，1 9 1 0 年开始采用方向性电流保 护，1 9 2 0 年初生产出距离保护，1 9 3 0 年初出现了快速动作的高频保护，至此， 基本建立了继电保护的基本原理。纵观继电保护技术近1 0 0 年的发展史，其发展 经历了三个阶段、二次飞跃。三个阶段是：机电式、半导体式、微机式。第一次 飞跃是从机电式到半导体式，主要体现在无触点化、小型化、低功耗。第二次飞 跃是从半导体式到微机式，主要体现在数字化和智能化。随着微机保护智能化研 嵌入式线路保护装置的研究 究工作的全面展开，微机保护的软件、算法取得了长足的进展，可以说，从2 0 世纪9 0 年代开始，我国继电保护技术进入了微机保护时代。随着计算机硬件、 网络、通讯技术的发展，继电保护“计算机化、网络化，保护、控制、测量、数 据通讯一体化和人工智能化”成为国内外继电保护技术的发展趋势【3 1 。 近几十年来，由于我国广大电力科技工作者的不懈努力，我国继电保护技术 及装置应用水平有了很大的提高，但是目前国内生产的微机保护装置还存在几个 需要改进的地方【4 5 】：硬件系统有待改进：软件的升级、维护不易；功能配置不 灵活；与厂站自动化系统接口功能弱，网络通信功能不强，限制了厂站自动化系 统的发展，不符合今后微机保护测控系统的发展方向。因此，随着新的改善保护 性能的原理和方案的出现，采用高性能硬件平台和先进的软件技术，研制能适应 电力系统的多功能一体化保护测控装置是未来继电保护的研究方向【6 1 。 针对上述问题，本课题提出了提出了一套基于新的硬件平台并采用嵌入式实 时操作系统的新型微机保护装置的设计，其硬件核心采用了高性能的d s p ，软 件平台则基于u c o s i i 实时操作系统，采用分层、分布、面向对象设计思想， 将保护、测量、控制功能合为一体，适用于1 1 0 k v 及以下电压等级的馈电线路 保护。 1 1 2 微机继电保护的发展历程 自2 0 世纪8 0 年代以来，微型计算机及其应用技术的迅速发展，给电力系统 继电保护和自动装置领域带来深远的影响，我国在微机保护方面的研究工作也正 是从这里开始，虽然起步较晚，但进展很快，并卓有成效。1 9 8 4 年华北电力学 院研制的一套m d p 1 型微机距离保护装置经试运行后通过了科研鉴定，于1 9 8 7 年投入批量生产。这是我国第一代微机保护产品，其间还有许多各种不同原理， 由专业厂家制造的微机保护装置在电力系统中试运行。微机型继电保护装置的种 种优越性为大家所认识，国内开始了广泛应用，并取得了相当的成功，现在新投 入的继电保护装置几乎无一例外地选用了微机保护。 随着微电子技术、计算机技术的发展，微机保护在硬件和软件两大方面仍然 在不断地完善和发展。在硬件方面，由于集成电路和计算机技术的飞速发展，微 机保护装置硬件的发展十分迅速。 微机保护装置的发展大致可以分为以下几个阶段【7 ，8 l ： ( 1 ) 第一阶段以单c p u 的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式d 模 数转换器构成，硬件及软件的设计符合“四统一”设计标准，其代表产品为微机高 压输电线路保护装置。 ( 2 ) 第二阶段以多单片机构成的多c p u 硬件结构为主，数据采集系统为电压 频率转换原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装 2 硕士学位论文 置成功运行经验，利用多c p u 的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可 以定位，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施以及防止拒动与误动的 措施。 ( 3 ) 第三阶段以高性能的1 6 位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引 出芯片，电路简单的特点，抗干扰性能进一步加强，并且完善了通信功能，为实 现变电站自动化提供了方便。 微机保护及自动化装置设备的开发，实现了远程监控及调度的无人值班变 电站，为我国城乡电网改造提供了大量优良装备，同时也为我国电力系统的安全 可靠运行提供了保障。 1 1 3d s p 在微机保护方面的应用 d s p 具有程序和数据分开的哈佛结构，流水线操作功能，单周期完成乘法 的硬件以及一套适合数字处理的指令集，由其组成的系统能够进行实时的频谱分 析，提高了测量精度。这样数据采集的速度和精度使遥测量的采集计算更为快 捷，此外，还为进一步的电气量测量提供了方便的实现基础【9 1 。 d s p 技术在微机继电保护中还具有以下特点： ( 1 ) 数据处理能力强，能促进保护性能的提高。由于常规的c p u 数据处理能 力有限，以前的许多基于常规c p u 的保护在面对能提高保护性能的优秀方案 时，由于计算量很大而不得不放弃，或采取近似、简化的方法，使许多优秀的性 能得不到发扬或打了折扣。d s p 强大的数据处理能力能使这些问题迎刃而解。 ( 2 ) 硬件资源丰富。根据应用领域的不同，d s p 芯片内集成了众多类型的硬件 设备。如：定时器、串行口、并行口、主机接口( h p i ) 、d m a 控制器、j t e g 标准测试口、r o m 、r a m 及f l a s h 等。这些片内外设提高了处理速度和数据 吞吐能力，简化了接口设计，同时降低了系统功耗并节约了电路板空间。 ( 3 ) 开发手段先进。支持汇编及a n s i c 的混合编程，并提供了c 语言开发工 具和c 库函数，其汇编语言与常规的单片机相比，有许多鲜明的特点，一方面 指令丰富，效率高( 如单周期的乘法指令，循环寻址功能指令等) ，另一方面， 它逐步融合了高级语言的许多优点( 如结构的应用，类似于指针变量的辅助寄存 器寻址等) ，在此基础上开发产品，支持软件丰富，开发灵活快捷，可靠性高， 对于硬件的调整升级，相应的软件升级和维护十分方便灵活。 在电力系统中，对故障的诊断要求快速及时，对故障的恢复也要求快速，对 硬件设置的要求就比较高，采用基于d s p 的硬件平台，可以极大的提高运算速 度，计算精度，易于实现最新的电力系统保护算法，很大程度上提高现代电力系 统的继电保护水平，能严格保证继电保护装置的可靠性，速动性，灵敏性i l 叭。 3 嵌入式线路保护装置的研究 1 。1 。4 嵌入式操作系统的应用 微机保护的软件是一个对实时性要求很高的实时软件。实时程序设计从概念 上说与一般的程序设计( 数值计算、数据处理) 具有根本的不同之处。实时程序执 行的正确性不仅与程序逻辑计算结果有关，而且与程序被执行的先后次序和时间 限制的关系也十分密切。一般的程序是对输入数据进行加工、处理产生出输出数 据的过程，与程序执行的时间关系不大；而实时程序若不能满足时间限制条件， 就会直接影响其执行结果的正确性。 国内保护装置软件传统的开发方式是：先画好流程图，然后按着流程图来编 程，一般是一个无限循环，循环中调用相应的函数( 子程序) 完成相应的操作( 称 为后台行为或任务级) ，用中断来处理随机事件( 称为前台行为或中断级) u 。这 种程序规模较小、功能单一、智能化程度低，而且多是采用汇编语言编写的线性 程序，它虽然具有代码精炼，某些关键操作执行效率高的优点，但是延长了编程 时间，难以保证系统所有任务对实时性的要求。某个任务的响应时间取决于后台 循环执行的时间。循环的过程中，程序需要根据不同的状态和方式( 中断服务子 程序或用户的设置可能改变这些状态和运行方式) ，决定程序的走向，所以每次 循环的执行时间不同。 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。 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。以嵌入式计算机为核心 的嵌入式系统是继i t 网络技术之后，又一个新的技术发展方向。目前国内普遍 认同的嵌入式系统的定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁 剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机 系统【1 2 1 。 从嵌入式系统的构成上看，嵌入式系统是集软硬件于一体的、可独立工作的 专用计算机系统，使用i 玎o s 可以成为嵌入式系统领域与通用计算机领域的很好 的结合点。 目前国内成熟的继电保护产品，大多数厂家都是以单片机为核心的多c p u 插件模式，软件编程以c 语言和汇编为主，程序主体采用循环处理加中断结 构。随着微处理器芯片性能的高速发展，价格的下降和对软件可重用性，易维护 性要求的提高，用i 玎o s 已经是继电保护产品的大势所趋。 采用r t o s ，将使装置具有以下几个方面的优势： 4 硕士学位论文 ( 1 ) 实时性增强。对继电保护装置而言，实时性就是其首先要解决的问题。这 是因为电网的安全稳定性通常在事故后几十到几百毫秒内就有可能受到严重威 胁，并且过迟的稳定控制措施不仅起不到预想的作用，造成经济上的损失，甚至 可能引起其它的安全问题。这里的实时性不仅指获得数据的实时性，而且还包括 数据处理、分析、决策的实时性。嵌入式技术与实时性有着天然的联系。嵌入式 系统常常要求能够预测外界事件，并在有限时间内做出响应。 ( 2 ) 可靠性提高。传统的线性程序，在遇到很强干扰时，程序在任何一处断线 都会引起死机，只能依靠硬件的最后防线看门狗复位，重新启动系统。如果系统 采用了i 汀o s ，这种干扰可能只是引起若干个进程被破坏，可以用另外的进程对 其进行修复。r t o s 不仅可以将应用程序分解成若干独立的任务，而且可以另外 启动一个监控进程，监视各程序运行状况，遇到异常情况时采取一些措施，可以 像在u n l x 中自动将有问题的进程终止掉，再调用另一个进程将任务修复，从而 使系统的可靠性大大提高i l 引。 ( 3 ) 可扩展性更好。目前大多数的嵌入式系统的开发语言都采用c c + + ( 也包括 少量的汇编语言) 因此灵活性好，可移植性强；另外采用模块化设计，这不仅可 以方便生产调试厂家，而且可以解放用户。当一个模块出现问题时，只需要换一 块新的就成；当需要增减某项功能时，也只需要增减相应的模块即可。 1 2 课题研究目的和意义 随着电力系统高速发展，大容量机组和超高压远距离输电线路日益增多，电 网结构日趋复杂，这对电力系统运行的继电保护装置提出了更高要求，要求保护 技术向数字化和智能化方向发展。为了确保电力系统稳定运行、减轻故障对电力 系统造成的危害，微机保护除了实现基本保护功能外，还应具有大容量故障信息 和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护测 控装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源等。 目前运行的微机保护装置一般都是采用单片机做处理器，汇编语言编程，为 线形程序结构，不易于继保装置功能的扩展，不易实现更复杂的算法和更高采样 速率，其运行的速度和计算精度都不能满足如今电力系统形势发展的需要，很大 程度上降低了变电站的管理水平和运行效益。随着微电子和半导体技术的发展， 数字信号处理器( d s p ) 己运用于众多领域，由于其硬件资源丰富，相应开发平台 先进，越来越受到开发人员的青睐。目前众多电力自动化设备供应商都开发出了 新一代的基于d s p 的电力智能装置。 新一代处理器一数字信号处理器( d s p ) 1 1 4 】除了具备普通微处理器所强调的高 速运算和控制功能外，还具有硬件资源丰富、开发平台先进等优点。d s p 一般 采用改进型哈佛结构，具有处理数据能力强、精度高、总线接口灵活、开发手段 5 嵌入式线路保护装置的研究 先进、性能稳定，具有独立的程序总线和数据总线，可同时访问指令和数据空 间，指令系统丰富，程序控制灵活，寻址方式多样，给编程带来了很大的方便； 流水线结构，指令周期短，最为重要的是d s p 片内一般设有硬件乘法器，这样 可以大大加快运算速度，不必要象以往的单片机那样用加法来做乘法。因此， d s p 芯片上述特点，使其在电力系统中得到了广泛的应用，尤其是继电保护方 面，高性能的硬件平台和先进的软件技术也为继电保护装置的灵敏性、可靠性和 易操作性提供了可靠的保证，有利于提高了电网供电的安全性和可靠性，促进电 力系统综合自动化的发展。 由于d s p 本身的性能相对于原来的单片机芯片有大幅度提高，随着应用的 复杂化，一个嵌入式控制器系统可能要同时控制监视很多外设，要求_ 有实时响 应，有很多处理任务，各个任务之间有很多信息传递，如果仍采用原来的程序设 计方法存在两个问题。一是中断可能得不到及时响应，处理时间过长，这对于一 些控制场合是不允许的，对于网络通信方面则会降低系统整体的信息流量。二是 系统任务多，要考虑的各种可能也多，各种资源如调度不当就会发生死锁，降低 软件可靠性，程序编写任务量成指数增加。实时操作系统( 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l 汀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【”，1 6 】。 实时多任务操作系统建立在d s p 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。在微机保护装置中，为了获得最佳的性能和使用效果，并且要求功耗低、 体积小、扩展性强等，以及给用户良好的交互式图形界面，采用嵌入式系统以及 嵌入式操作系统是必然选择。在微机保护装置中，低端采用高性能的数字信号处 理器( d s p ) ，不仅能够满足高精度的相位、幅值、频率等电气量，而且使得系 统性价比达到最优，其高速的处理能力，丰富的在片外设，超凡的控制功能，易 于升级维护，这些都是在继电保护装置系统中研制的趋势。 本文正是在这样的大背景之下提出的，通过设计一种基于d s p 和公开源码 的嵌入式操作系统u c o s i i 的平台来研究嵌入式系统软硬件设计、线路在线监 测、保护的实现等应用问题，微机保护装置与i n t e r n e t 直接相连，使得我们的嵌 入式系统不再是“信息孤岛”，使保护装置能够方便的与网络上的其它设备进行信 息共享，实现保护装置网络化，方便现场信息的传输与监控，也符合未来变电站 6 硕士学位论文 系统分层、分布式的设计思想，是对l e c 6 1 8 5 0 电力通讯规约实现无缝通讯连接 的尝试应用。 1 3 课题研究主要内容和章节安排 本文的主要工作是结合变电站综合自动化系统，重点讨论了微机保护装置的 结构、功能和系统的软硬件的设计，同时在介绍一种短小实用的嵌入式实时操作 系统u c o s i i 的基础上，做出了u c o s i i 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。 本论文共分六部分，主要章节安排如下： 第一章：简要介绍了课题研究的背景、意义和内容，探讨了在微机保护中采 用嵌入式实时操作系统的必要性，提出了结合嵌入式实时操作系统u c o s i i 和 d s pt m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的新型微机保护开发思想。 第二章：论述了在嵌入式系统中应用嵌入式操作系统的优点，并概述 u c o s i i 的特点，详细介绍了u c o s i i 在t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 上的移植过程，对其 基本功能做了移植测试。 第三章：阐述了两点乘积算法、导数算法、半周期积分算法、傅氏算法的基 本原理，选择了改进后的傅氏算法作为主要算法，消除了衰减直流分量带来的影 响。 第四章：提出了硬件平台的总体设计方案，详细分析了基于 t m s 3 2 0 v c 5 4 0 2 的保护装置的系统硬件电路设计，然后阐述了数据处理单元、 人机接口单元、开关量输入输出单元、通讯单元以及抗干扰措施等几个方面的 设计。 第五章：详细阐述了基于嵌入式实时操作系统c o s i i 的软件设计方案， 从设计思想、保护模块的划分及设计等进行了详细的研究、探讨。 第六章：对保护装置进行了实验测试并对结果进行了分析。 最后，对全文进行了总结，并展望了下一步需要展开的研究工作。 7 嵌入式线路保护装置的研究 第2 章嵌入式操作系统u c o s 嵌入式系统的自身特点和不断发展使其可广泛应用于工业控制、数据采集、 远程监控、智能管理、信息家电、移动通信、手持设备、网络设备等多种领域。 伴随着嵌入式系统的发展，实时操作系统得到飞速的发展，从支持8 位微处理器 到1 6 位、3 2 位甚至6 4 位，从支持单一品种的微处理器芯片到支持多品种微处 理器芯片，从只有实时内核到除了内核外还提供其他功能模块，如高速文件系 统，t c p i p 网络系统，窗口系统等等。在处理任务繁多，要求响应时间快的微 机保护中应用嵌入式操作系统实行分任务、多线程的处理，是目前继电保护装置 的发展趋势。 2 1 嵌入式实时操作系统 2 1 1 嵌入式系统 嵌入式系统的定义是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减， 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积和功耗严格要求的专用计算机系统。 它可以实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 嵌入式系统由硬件和软件两部分组成。硬件结构与应用系统本身密切相关， 通常包括微处理器、存储器及各种外部设备如显示器、键盘、d 芯片，d a 芯 片、各种数据采集卡等。嵌入式系统软件可分为两种，一种为带有嵌入式操作系 统类，另一种不带嵌入式操作系统。带嵌入式操作系统类软件，其操作系统和应 用程序可以分别做成模块【1 7 】，操作系统作为开发平台，应用程序是基于操作系 统上开发的，操作系统用于对应用程序进行管理和调度，该类软件系统便于系统 的开发和移植，是今后嵌入式系统的发展方向。 2 1 2 嵌入式实时操作系统 实时操作系统( r e a lt i m eo p e r a t i n gs y s t e m ，r t o s ) 可以定义为“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、同步或异步事件做出响应的 系统”，是嵌入式应用软件的基础和开发平台。r t o s 是一段嵌入在目标代码中 的软件，用户的其他应用程序都建立在i 玎o s 之上。r t o s 还一个可靠性和可信 性很高的实时内核，将c p u 时间、中断、i o 、定时器等资源都包装起来，基本 功能包括任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管 理、消息管理、队列管理、旗语管理等，这些管理功能是通过内核服务函数形式 交给用户调用的，也就是r t o s 的a p i 。 实时操作系统是相对于分时操作系统的一个概念。在一个分时操作系统中， 8 硕士学位论文 计算机系统的资源会被平均的分配给系统内所有的工作。大部分分时操作系统都 支持多用户和多进程，负责管理众多的进程并为它们分配系统资源。而分时操作 系统在执行时间上的要求并不严格，时间上的延迟或者时序上的错误不会造成严 重的后果【1 8 】。 i 汀o s 体现了一种新的系统设计思想和一个开放的软件框架，工程师可以在 不大变动系统其他任务的情况下增加或删去一个任务。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，大家只要定义好重要的数据结构或 变量、函数功能即可，既缩短了开发时间，又降低了最终软件产品对于某个开发 者个人的依赖性。 2 1 3 嵌入式实时操作系统的特点 由于嵌入式系统的硬件特点，应用环境的多样性和开发手段的特殊性，使其 与普通的操作系统有很大的不同，主要特点如下： ( 1 ) 微型化。嵌入式系统芯片内部存储器的容量通常不会很大( 1 m b 以内) ， 一般也不设置外存，加上电源的容量较小以及外部设备的多样化，因而不允许 嵌入式操作系统占用较多的资源，所以在保证应用功能的前提下，嵌入式操作 系统的规模越小越好。 ( 2 ) 实时性。目前，嵌入式系统广泛应用于生产过程控制、数据采集、传输通 信等场合，这些应用要求系统能快速响应事件，因此要求嵌入式操作系统要有实 时性。 ( 3 ) 易移植。为了适应于多种多样的硬件平台，嵌入式操作系统应可在不做大 量修改的情况下稳定运行于不同的平台。 ( 4 ) 可剪裁性。嵌入式操作系统运行的硬件平台多样，其宿主对象更是五花八 门，所以要求嵌入式操作系统中提供的各个功能模块可以让用户根据需要选择使 用。 ( 5 ) 高可靠性。嵌入式系统广泛应用于军事武器、航天航空、交通运输、重要 的生产领域，所以嵌入式操作系统必须有极高的可靠性。 2 2u c o s i i 操作系统 u c o s i i 是j e a nj l a b r o s s e 在1 9 9 0 年前后编写的一个实时操作系统( r t o s ) 内 核。经过十几年的发展，特别是在清华大学邵贝贝老师翻译出版了全面介绍 u c o s i i 的书籍之后，u c o s i i 在国内开始得到迅速普及和广泛应用。 2 2 1u c o s i i 的功能 ( 1 ) 任务管理：管理任务的状态，睡眠态、就绪态、运行态、等待状态( 等待 某一事件发生) 及中断服务态。 ( 2 ) 同步管理：可以利用信号量使任务与中断服务( 或另一任务) 同步。 9 嵌入式线路保护装置的研究 ( 3 ) 任务间通信：任务间或中断服务与任务间的信息传递，称为任务间通信。 任务间通信有三种机制：信号量、消息邮箱和消息队列。 ( 4 ) 中断管理：需要初始化中断句柄，编写中断服务程序对外部中断做出响 应。允许中断嵌套，中断嵌套层数可达2 5 5 层。 ( 5 ) 内存管理：分配和释放内存，并避免出现内存碎片。 ( 6 ) 时间管理：管理与时间有关的信息，包括系统时间，任务延时和恢复延时 的任务。 2 2 2u c 0 s i l 的特点 u c o s i i 是一个公开源代码的占先式多任务的微内核r t o s ，其性能和安全 性可以与商业产品竞争。u c o s i i 自1 9 9 2 年的第一版( u c o s ) 以来已经有好 几百个应用，是一个经实践证明好用且稳定可靠的内核。 u c o s i i 的特点可以概括为以下几个方面： ( 1 ) 公开源代码源代码清晰易读且结构协调，注解详尽，组织有序。 ( 2 ) 可移植性绝大部分u c o s i i 的源代码使用移植性很强的a n s ic 写的，和 微处理器硬件相关部分采用汇编写，并且压到了最低限度。只要该处理器有堆栈 指针，有c p u 内部寄存器入栈出栈指令就可以移植u c o s i i 。目前u c o s i i 已经 移植到8 位、1 6 位、3 2 位以及6 4 位微处理器上。 ( 3 ) 可裁剪可以只使用u c 0 s i i 中应用程序需要的哪些系统服务。这种可裁 剪性是靠条件编译实现的。 ( 4 ) 占先式u c o s i i 完全是占先式实时内核，即总是运行就绪条件下优先级最 高的任务。 ( 5 ) 多任务可以管理6 4 个任务，但系统保留了8 个任务，应用程序最多可以有 5 6 个任务。赋予每个任务的优先级必须是不相同的。 ( 6 ) 可确定性全部u c o s i i 的函数调用和服务的执行时间具有可确定性，即 它们的执行时间是可知的，进而言之，u c o s i i 系统服务的执行时间不依赖于应 用程序任务的多少。 ( 7 ) 任务栈每个任务有自己单独的栈，u c 0 s i i 允许每个任务有不同的栈空 间。 ( 8 ) 系统服务u c o s i i 提供多种系统服务，如邮箱、消息队列、信号量、块 大小固定的内存的申请与释放、时间相关函数等。 ( 9 ) 中断管理中断可以使正在执行的任务暂时挂起，如果优先级更高的任务 被该中断唤醒，则高优先级的任务在中断嵌套全部退出后立即执行，中断嵌套层 数可达2 5 5 层。 ( 1 0 ) 稳定性与可靠性肛c o s i i 的每一种功能、每一个函数以及每一行代码都 1 0 硕士学位论文 经过了考验和测试，具有足够的安全性与稳定性，能用于与人性命攸关、安全性 条件极为苛刻的系统中。 2 2 3u c 0 s i i 内核结构 2 2 3 1u c o s i i 的任务 任务通常是一个无限的循环。实时应用程序的设计过程，包括如何把问题分 割成多个任务，每个任务都是整个应用的某一部分，每个任务被赋予一定的优先 级，有它自己的一套c p u 寄存器和自己的栈空间。u c o s i i 总是运行进入就绪 态的优先级最高的任务。 图2 1 是u c o s i i 控制下的任务状态转移图。 o s 佻k c r c a t o o s t a s k c r e 曩c e x t ( ) 休眠、l 就绪 警尧叹o s t a 。如d o 父状态k o s 啪d o 入一 等待 状态 o s m b o x p o s 价 o s q p o s t ( ) o s q p o s t f r o n “) o s s e m p o s “) o s t 撼k r e 鲫m e ( ) 0 s t i m e d l y r e s 咖e o o s t i m d t i c k ( ) o s s t a 】r t o 0 s i n t e x i 幻 0 s j a s k s w o 务的c p u 使用权被剥夺 o s m 旧o x p e n d ( ) o s q p e n d 0 o s s e m p e n d 0 o s t 够k s u s p e n d ( ) o s t i m e d l y ( ) o s t i m e d i y h m s m