（电力系统及其自动化专业论文）用于电力装置的多cpu硬件系统设计.pdf

查童查堂堡堂垡堡兰塑夔一 a b s t r a c t w i t ht h ei m p r o v i n go fi n t e g r a t e da u t o m a t i o nt e c h n o l o g yi np o w e rp l a n ta n ds u b s t a t i o n ， f u n c t i o n s 、s t r u c t u r ea n dm a i l - m a c h i n ei n t e r f a c eo f h a r d w a r es y s t e mo f e l e c t r i cp o w e re q u i p m e n t s a r eb e c o m i n gb e t t e r t h ea r t i c l ei n t r o d u c e sak i n do fh a r d w a r es y s t e mw i t hm i c r o c o n t r o l l e r sa n d d s pu s e di ne l e c t r i cp o w e r e q u i p m e n t ，a n dd e p i c t si t ss t r d c t u m 、p r i n c i p l ea n d f u n c t i o n s i nt h e i n t r o d u c t i o n ，t e c h n o l o g yr e q u i r e m e n t s o fh a r d w a r e s y s t e m o fe l e c t r i c p o w e r e q u i p m e n t s a r ee x p e c t e d ，d e s i g ni nt h ea r t i c l ew i l lo b e yt ot h e s e r e q u i r e m e n t s n e x t ，w ei n t r o d u c et h et o t a lc o n f i g u r a t i o no ft h eh a r d w a r es y s t e m 、d a t ae x c h a n g e do f d i f f e r e n tm o d u l e s ，a n dm a k ec e r t a i nt h ef u n c t i o n so f e a c hm o d u l e i nn o 3c h a p t e r , w ei n t r o d u c et h ed e s i g ns c h e m eo f e a c hm o d u l e b e c a u s ew ew i l li n t r o d u c eh a r d w a r es c h e m em o s t l yi nt h ea r t i c l e ，o n l ys o m ea n t i - j a m m i n g q u e s t i o n sr e l a t e dt os o f t w a r ea n dh a r d w a r ed i s c u s s e di nn o 4c h a p t e n i nt h ee n d ，w ei n t r o d u c et h ed a t ae x c h a n g e da m o n gt h e s em o d u l e s ，i n c l u d ec o r e m e a s u r e m o d u l e 、a c t i o n l o g i cm o d u l ea n d a s s i s t a n t - f u n c t i o nm o d u l e t h eh a r d w a r es y s t e mi sc o m p l e t e db a s i c a l l y ak i n do f e l e c t r i cp o w e ra u t o m a t i o ne q u i p m e n t h a sb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e do nt h i sh a r d w a r es y s t e m w ee x p e c tm o r e e m p i r i c a lr e s u l t sa n d f u t u r ed e v e l o p i n g k e y w o r d s ：e l e c t d cp o w e r e q u i p m e n t m u l t i c p us y s t e m m i c r o c o n t r o l l e r - d s p s y s t e m h a r d w a r ed e s i g n s o t t w a r ed e s i g nc o m m u n i c a t i o no f m o d u l e s - i i 东南大学学位论文 独创性声明及使用授权的说明 一、 学位论文独创性声明 二、 关于学位论文使用授权的说明 签名 究工作及取得 论文中不包含 其它教育机构 的任何贡献均 期：2 0 0 4 3 、+ 蠢妻奎差：盅! 型笔技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 鎏吝竺鍪婴堡翌皇i 兰桦，可以采用影印、缩印或其它复制手磊话话蔓：、皋天 皇姜圣堂墼空妻稷篓零： 2 1 吝啤内容相一致。除在保密期内晶傈蔷语曼芽：瓷孬茗 奎彗妻粤黎堂塑，粤咚垒熏( 璺括刊登) 论文的全部或部分论文。话蔓韵! 潇崔 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名 知师签名：秀亭巾日期一。 萋一概榭獭舷雕 一一一一撼 一一一一 查堕查兰堡主兰鱼望壅 一塑二皇丝兰一 第一章绪论 自2 0 世纪8 0 年代以来，微机型电力装置在国内经历了从认识到接受再到大力发展的这 样一个过程。经过这么多年的研究和实践，其硬件结构也从单一c p u 发展到多c p u ：从同 一类型的多c p u 结构发展到不同类型的多c p u 结构，这些结构都有其各自的特点”。展望 电力装置硬件系统的未来，应具有以下技术要求： 1 1 可靠性 可靠性是微机硬件系统的生命吼系统应具有高抗干扰能力，并有很好的动作特性。能 做到运行快速、灵敏和可靠，尽可能的减少误动和拒动。同时具有自诊断能力，能不断地对 装置各部位进行自动检测，可以准确地发现装置故障部位，及时报警，以利处理。对有些数 据量进行有效性分析、多次重复计算、自动校核等软件措施，使装置能自动纠错，即能自动 地识别干扰和排除干扰，防止干扰引起装置误动作。此外，某些场合，还得采用多重化措施， 进一步提高装置的可靠性。 1 2 充裕的c p u 资源 现在数字式电力装置由于考虑的因素很多，逻辑非常复杂，涉及到电力系统多方面问题， 动作速度必须很快。在有些保护中，除主保护外，还需要众多的后备保护。近些年来，一些 保护原理和方案如人工神经网络技术、小波技术等更是受到了越来越多的关注并逐步得到实 际应用，这些新方法在改善装置性能的同时也对系统的计算精度与速度，以及i ，o 速度和寻 址空间提出了更高要求。充裕的c p u 资源是数字式装置必不可少的。 1 。3 高分辨率、高采样速率的模数转换系统 数字式电力装置通过计算分析电力设备的状态来判断是否有故障、故障的性质和故障的 位置。电力设备的状态包括数字量( 开关量) 和模拟量( 电流、电压等) 。装置先将模拟量 转换为数字量供c p u 处理，因此高性能模数转换系统是数字式电力装置的基础。 尽管一般保护系统要求误差小于士5 ，但电力设备在故障时电流电压的变化范围很大， 如果要保证较大的动态范围和必要的精度，模数转换系统的分辨率必须很高。随着电力系统 短路容量的不断提高，故障电流越来越大，这也提高了对模数转换分辨率的要求。 高压保护一般要求测量范围达到2 0 倍额定电流，考虑非周期分量，测量范围需达到4 0 倍额定电流。如果要求0 0 5 倍额定电流时误差仍能小于5 。模数转换的信噪比需大于 8 4 d b ，这是1 4 b i t 模式转换器的理想精度 4 1 。 为了减少故障对电力设备的损坏和提供电力系统的稳定性，装置的动作速度是至关重要 第1 页 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 的。只有足够高的采样率才能在故障后很短的时间内( 数毫秒) 得到足够的故障信息供计算 和分析。许多新的保护原理需要用到高次谐波，也要求较高的采样率。现在电力装置的采样 率通常在每周波1 2 2 4 点。 各采样通道间的同步性也是一个重要指标。如果要做到完全同步采样，一种方法是在多 路开关前使用采样保持器，另一种方法是每通道使用一个模数转换器，但两种方法成本和功 耗都很高，在通道较多时不实用。在牺牲一些精度的情况下，可以使用同步采样的多通道模 数转换器。例如，m a x l 2 5 是内部带同步采样保持器的高速多通道1 4 位数据采集芯片，芯片 内部包含一个1 4b i t ，转换时间为3us 的逐次逼近型模拟数字转换器。 1 4 高速、可靠、灵活的通信接口 电力系统发展到今天，要求各种保护和自动装置完全信息化。具体的讲，就是要求装置 通过通信系统，上传所有的装置信息，同样运行人员也可通过通信系统完全控制装置。也就 是说，运行人员通过操作后台监控计算机或者调度计算机，就可以得到所有的装置信息，同 时也可以操控所有的装置。 为达到以上目的，一方面要有足够的通信带宽。保护和自动装置需要上传的数据很多。 尤其是在系统故障时，多台装置会同时上传大量突发信息，要求后台也得有足够的相应速度。 近年来电力系统对录波信息上传的要求越来越普遍，而录波信息的数据量非常巨大，所以高 速的通信接口是必要的。 另一方面，通信系统必需具备高度的可靠性。由于变电站逐渐会过渡到少人值班，甚至 无人值班，对电力设备的监控大大依赖于通信系统。如果失去对电力设备的监控能力，可能 会导致灾难性的后果。装置的通信接口是装置接入电力通信系统的必经途径，所以它也必须 具备足够的可靠性。 为了能与市场上种类繁多的远动设备和后台监控系统通信，装置应能支持多种物理接口 和通信规约。所以系统在提供高速网络接口时，还应有r s 2 3 2 、r s 4 8 5 等物理接口。 1 5 大屏幕液晶显示和方便的输入设各 大屏幕、高分辨率显示器可以让运行人员同时看到更多的信息，汉化显示甚至可以把 接线图、录波图等显示出来，便于运行人员迅速掌握装置的状态，做出判断。同时可以提供 丰富的帮助信息，大大减少运行人员的学习工作量。 由于装置安装条件的限制，一般使用小键盘。在一些高端应用中，触摸屏也是一种较为 理想的输入设备，无论是操作装置还是输入数据，都简单迅速。 1 6 硬件模块化设计 目前硬件的集成度，网络通讯能力的进一步提高，导致数字式装置向着多模块、多功能、 高集成的方向发展。模块化设计对保护无论从软件和硬件上来说都是大势所趋3 1 。核心模块 如采集计算模块与外设模块相对独立，以实现在不用对系统结构做大的变更的前提下，对部 分模块功能进行改进。 第2 页 东南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 7 优良的电磁兼容性能 电力设备工作的电磁环境非常恶劣，以微电子与计算机技术为基础的二次弱电设备，它 们的灵敏度高、信息量大、分布面广很容易受到干扰。在我国电力系统中，由于开关操作、 雷电、辐射电磁场、工频磁场等原因所引起的干扰事件都屡有发生，其结果造成装置误动， 自动化设备不能正常工作，甚至造成元件或设备的损坏pj 。因此提高电力设备的抗干扰能力 一直是硬件开发的工作重点之一。对开发出的硬件系统应按g b t l 7 6 2 6 - - 1 9 9 8 系列标准进行 抗干扰试验。 电力系统中有众多的电子设备同时工作，每台电力设备作为其中的一部分，还应该不干 扰其它设备。因此系统还应满足g b t 9 2 5 4 1 9 9 8 规定的辐射发射标准。 1 8 硬件资源的合理性 对系统硬件的要求，既要做到资源充分，能满足系列产品的需要，又要考虑市场对价格 的承受，兼顾性价比。 1 9 完善的辅助开发工具 辅助开发工具包括二次开发软件包、模拟运行的调试器等。二次开发软件包包括算法库 管理、逻辑图绘制和编译、装置配置等部分。在此基础上，开发人员不需要为了了解硬件系 统细节而耗费工作量，同时也便于软件的移植和继承。调试器可以在设计装置时提供模拟现 场的模拟量、开关量方便设计，加速工作进程。 根据上述要求充分考虑当前的技术工艺水平及产品成本限制，提出了一个较为完整的 数字式多c p u 硬件系统设计方案。 本文首先从多c p u 硬件系统的总体架构, k - t - ，介绍其模块的划分、模块间如何配合及 构成装置时的组织关系，概述了各个模块的职能。 第三章根据前面提出的要求和第二章的系统架构，介绍了c p u 各模块的设计方案。 第四章对系统的软硬件抗干扰设计进行了简单介绍。 第五章重点叙述了各个模块间的数据是如何交换的，以及装置对外的通信接口等。 由于本人水平有限，本文中提出的设计方案，难免有不尽完善之处，恳请各位读者批评 第3 页 查堕查堂堡三! 三堂焦兰塞苎三皇兰三翌生型塑墅翌璺塑一 第二章多c p u 硬件系统架构 本章主要介绍数字式多c p u 硬件系统的模块划分、模块间如何配合及构成装露时的组 织关系。 数字式电力装置的主要功能是实时分析判断电力系统的运行状态，在系统发生故障时 发出告警信息或跳闸命令将故障部分从系统中切除。要实现上述功能，装置应包括数据采 集部分、计算和逻辑处理部分和出口部分，另外还要包括监控和通信部分以管理、设置和 监视装置。 2 1 系统功能划分 将整个系统主要划分为：核心测量模块、动作逻辑模块、辅助功能模块( 人机接口单 匿，斟鬻猕翳 核心测量模块 、 i i 双口r m 实现 l i 数据变换动作逻辑模块 j 宣副竺竺岛主嘉元 刮签目坚j 盈剖耐皖肋图事 b l 二j jq s p i 通讯 l |辅助功能模块 酬人机接口及通讯、刊墓窨吲接到 f 接便携l l 一2 3 2 通 l打印等单元 l 式电脑r 1 信接口唰( c p u b 完成) e 刮4 8 5 通陪d 梨。 一 j 堡堡旦li ：f s 艺。 i 键盘厦液f i 曼里重l 图2 一l 多c p u 系统总体框图 主 cp i j 部 分 从 cp u 部 分 元及通讯、打印等) 等几个部分，采用了d s p 加m c u 的c p u 模式。核心测量模块由d s p 完 成，dsp 器件的突出特点是计算能力强、精度高、总线速度快、i 0 吞吐量大，尤其是 第4 页 东南大学硕士学位论文 第二章多c p u 硬件系统架构 采用专用硬件实现定点或浮点的乘加( 矩阵) 运算，极大地缩短了数字滤波、滤序和傅氏算法 的计算时间，有助于装置速度的提高；动作逻辑模块和辅助功能模块均由控制能力较强的 m c u 完成。核心测量模块与动作逻辑模块组成主c p u 板，辅助功能模块作为从c p u 板，总 体结构如图2 - i 所示。 核心测量模块的功能是把各种电压、电流等模拟量输入信号通过一定的算法准确地转 换成装置所需的数字量。核心测量模块包括数据采集单元和a i 模件。数据采集单元完成模 拟量计算后将数据存储到双口r a m 中供动作逻辑模块使用；a i 模件的功能是把各种模拟量 输入信号转换为一5 v + 5 v 的电压信号。由于各种装置的模拟量输入需求差别很大，所以a i 模件应根据需要为不同的装置专门设计，但外形尺寸和输出端予必须遵循统一的设计规范。 动作逻辑模块是整个装薏的核心，它通过读取双口r a m 中的核心测量模块传过来的数 据信息，完成计算、逻辑判断、置出口等功能。主控单元从i 0 控制总线接受i 0 模件采 集的开关量输入，汇总成装置的输入量，并对输入量计算和分析，根据定值判断装置应该 做出的动作行为，通过i 0 控制总线把命令发送到i 0 模件执行。为了提高可靠性，主控 单元输出两路正反逻辑开关量去控制i 0 模件以避免重要开关量输出误动作。另外动作逻 辑模块还要存储定值，组装事件信息和录波信息等。动作逻辑模块包括主控单元和开关量 输入、输出模件。主控单元完成计算、逻辑判断、置出口功能；开关量输入、输出模件执 行特定的输入输出功能，通过i 0 控制总线送出输入量和接受输出命令，开关量输入、输 出的实时性要求很高，有的延时不能大于l m s 。 辅助功能模块主要实现人机界面、通讯、打印等，相当于个智能外设。人机界面部 分作为系统与运行人员交互信息的接口，包括显示设备( 显示屏和指示灯) 和键盘输入。 通讯部分包括一个r s 2 3 2 调试口和两路r s 4 8 5 通讯，通讯波特率可调且支持多种规约。辅 助功能模块还耍存储动作逻辑模块传过来的动作信息、录波信息等。 核心测量模块同动作逻辑模块通过双口r a m 互联，双口r a m 是一种随机存取存储器， 可由两个独立实体同时存取，当核心测量模块完成一次数据采集后存取到双1 ：1r a m 的某一 地址，启动中断通知动作逻辑模块来该地址读取：动作逻辑模块与辅助功能模块通过单片 机m c 6 8 3 3 2 固有的q s p i ( q u e u e ds e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ：队列串行外围接口) 功能， 以主从方式实现通讯，q s p i 是一种同步通讯方式，它的s c k 频率可以达到4 m h z 。具体通讯 的实现将在后面的章节中叙述。 另外系统还包括电源模件、母板模件和面板模件。电源模件将输入电源转换成其它模 件需要的各种电压，提供给各模件，并提供多种电源保护功能，如过电压保护、欠电压保 护和过流保护等。面板模件包括指示灯、按键及3 2 0 x 2 4 0 大屏幕t f t 彩色液晶。所有模件 都插在母板模件上，模件间的电联系均通过母板模件。 接个硬件系统采用插件式、模块化设计，这种设计对电力装置无论从软件和硬件上来 说都是大势所趋。各个插件功能划分明确，可根据需要组装插件，升级时，也只需对关心 的插件作改动- 而不牵涉到其它插件，提高装置的开发进度和工作效率。 2 2 结构设计 本系统采用统一的4 u 1 9 英寸背插式机箱，机箱深度约2 7 0 m m 。 背插式机箱的模件从机箱后面插入，自带出线端子。相对于前插式机箱，背插式机箱 模件的出线端子都设在模件后部，装置内部连线端子设在模件前部。装置内部回路和外部 接线空间上容易分开，可大幅度提高电磁兼容性能。同时，模件间连线设在装置前部的印 制板上，不再使用绕接工艺。前插式机箱的出线端子设在机箱上，当需要改变出线端子时 第5 页 东南大学硕士学位论文 第二章多c p u 硬件系统架构 必需修改机箱。而后插式机箱的出线端子设在模件上，改变出线端子只需修改或更换功能 模件，不需对机箱作任何修改，便于模块化设计。 背插式机箱组屏厢由于端子接有出线，必须将出线和模件分离后模件才能拔出。如果 必须把一个模件上数十根出线一拆下后才能拔插模件，显然是不能接受的。为此我们采 用了接线部分和焊接到印制板部分可插拔的出线端子。装置组屏接线后，若需要更换模件， 只要将端子的接线部分拔下，更换模件后再将端子接线部分插上即可。 除面板模件安装在装置正面外，装置的其它模件均从装置后部插入机箱，插到提供模 件间连线的母板上。 除面板模件外，其它模件均采用e p t 公司插头座与母板连接。面板模件与母板通过扁 平电缆连接，液晶及其控制器作为独立的部分安装在面板上与面板也是通过扁平电缆连接。 机箱、人机界面模件的面板和其它模件的小面板构成一个完整的金属六面体外壳，保 证各部分问良好导电，并尽可能减少装置外壳电磁缝隙，以达到提高抗空间电磁干扰和减 少对外电磁辐射的目的。 第6 页 查塑查兰堡主堂竺堡塞 兰三童墨竺鱼堕堡垦丛一 第三章系统各模块设计 本章中主要介绍装置的主、从c p u 的硬件设计方案。 为达到第一章所述的要求，系统的硬件设计有以下主要特点： c p u 系统的计算速度较快且配备有较大容量的储存器，能实现复杂的算法和逻辑， 记录较多的故障信息。 电力系统短路容量不断增大，导致短路电流不断增大，这就要求装置电流输入的测 量范围增大。在量程增大的同时要保证小信号的测量精度，因此采用精度较高的数据采集系 统以满足要求。 预留了一定的开入开出口以满足扩充之用。 采用了模块化设计，可以部分的对装置升级而不影响其它模块。 3 1 核心测量模块 3 1 1 模拟量转换 电力装置的模拟量输入包括电压、电流等信号，这些信号的幅值都很大，而一般的数据 采集系统只能转换小电压信号，不能直接处理。考虑到电磁兼容性能，输入线路与装置内部 线路之间电气上必须隔离。 为此，a i 模件将装置需要的各种信号线性的转换为数据采集系统可接受的小电压信号， 并提供电气上的隔离。为了保证电压或电流变换的准确性，通常在设计电压变换器或电流变 换器时，应考虑满足如下的基本要求。1 ： 铁心磁导率高。要求在发生短路故障时( 短路电流可能达到正常工作电流的1 0 2 0 倍) ，甚至对含有数量接近的非周期分量，电流变换器也不饱和。 损耗小。要求原副边相角差尽可能小，基本不失真。 各通道的电压变换器之间、电流变换器之间、以及电压变换器与电流变换器之间的 原副方相位移耍一致。 数据采集系统采集电压信号，设计有效输入范围为一5 v 4 - 5 v ，最大输入范围为一 3 0 v + 3 0 v ，信号源阻抗小于1 0 0 q 。有效输入范围指数据采集系统可正确采集内的信号范围， 最大输入范围指不损坏采集系统器件的信号范围。a i 模件的输出信号必须符合以上要求。 由于正弦交流量的幅值为有效值的2 倍所以交流通道的输出电压的有效值应小于 v ，即3 5 4 v 。 2 交流电流输入量变换回路一般采用电流变换器和精密电阻实现。其工作原理为：将电流 变换器的二次电流变换成与之成比例的弱电流，弱电流在二次侧电阻上的电压降落即为所需 电压。电流变换器的优点是失真度小，如果设计得当，在最大短路电流时保证铁心不饱和， 第7 页 查堕查兰婴三! 三堂垡堡兰羔至望l 至塑堕塑茎堡生一 则其二次电流及并联电阻上的二次电压可保持和一次电流波形相同且同相。电流变换器的缺 点是，在非周期分量作用下容易饱和，线性度较差。动态范围也较小。交流电流变换回路如 图3 一l 所示。 c t 图3 一l 交流电流变换回路 输出电压信号 高压继电保护电流输入有效值最大可达4 0 倍额定电流，设额定电流为5 a ，c t 原边和 副边的匝数比为k ，电阻值为r ，则输出电压为5 4 0 k r 。如果假设c t 为理想变换器， 输出信号的内阻即为r 。为获得较小的输出电阻，r 的取值不应太大，一般取1 0 qa 这时k e d气气d 的取值为j 蒜_ 0 _ 0 0 1 7 7 。若额定电流为1 a , k 的取值为i ：磊矗- 0 0 0 8 8 5 。 因为输出电压为i x r x k ，若电阻的相对误差为e ，假设c t 为理想变换器，则输出电 压的相对误差也为e 。为保证输出精度，必须使用高精度电阻。当输入最大电流时，输出电 压为；= v ，电阻上的功耗为1 2 5 w 。 2 交流电压输入变换回路直接使用小p t 即可。设p t 原边和副边的匝数比为k ，若输入电 1 ，n 压为1 2 0 v ，则k 的取值为鲁。3 3 9 。 j 3 斗 由于p t 、c t 只能用于交流输入，对直流模拟量输入就无能为力了。大多数电力装置不 需要直流模拟量输入，但发电机的励磁电流和电压是直流量，使得发电机保护必须能采集直 流模拟量。现在有的装置上采用霍尔元件来实现直流输入的转换。霍尔元件分电流型和电压 型，分别用于直流电流输入和直流电压输入。霍尔元件与c t 、p t 相比，可忠实的变换直流 分量和各次谐波分量，而c t 、p t 无法传输直流分量。霍尔元件也可用于交流输入的转换， 但其价格较高，当霍尔元件价格降低到可接受的水平并积累足够的运行经验后，可取代c t 、 p t 作为交流输入的变换元件“1 。 3 1 2 频率测量 对电力系统频率测量算法的研究在理论和实践上都有重要的意义。睦期以来，人们研究 出了许多测频算法，除了传统的基于电压过零点算法外，还有基于插值原理的c i o s s 算法、 最小二乘算法、递推富氏算法、全波富氏算法、卡尔曼滤波算法等“”。但迄今为止在电力 系统安全自动装置上的频率测量仍然以硬件测量方法为主。一个真正能够用于安全自动装置 的实用算法，应该同时具有测量精度高、计算方法简单和抗干扰性能好的优点。而过零点算 法及c r o s s 算法对电力系统中的谐波、噪声和电压幅值变化过于敏感。其他算法，如最小二 乘法算法受谐波影响大，卡尔曼滤波的计算量偏大，影响了实际应用。基于富氏滤波的测频 算法具有较强的滤波能力，并且其计算数据还可用于电压幅值测量，因而具有较好的实用 性。然而过去的测频算法模型都是建立在忽略频率暂态变化过程的基础上的，算法的暂态测 第8 页 奎堕查兰堡：! 堂笪堡苎 兰三皇墨竺鱼塑壅堡丛 频误差较大，影响了实际应用。特别是当系统发生振荡、失步或频率快速下降等大事故时， 系统电压不再是标准正弦波，其中含有丰富的高次谐波，波形的畸变也较为严重。此时测频 算法对系统频率的暂态频率跟踪特性将对安全自动装置的性能产生较大影响。如果在富氏滤 波的基础上，对其算法作适当改进，在减小计算量的同时提高暂态频率跟踪精度，就能够用 于实际系统安全自动装置。 本系统正准备以软件测频，实现频率追踪，拟采用一种符合系统频率暂态变化规律的基 于全周富氏滤波的改进频率跟踪算法”。该算法动态调整频率跟踪系数，不仅有效地去除 了这项误差，同时更利于实际应用。 1 ) 算法原理 坼= u m s i l l ( + 焉 净z ， “c 。专薹“t c 。s ；孑 。， 卜号i n 等t “ 妒： 7 ： +掣)(3-4)2a-(-冬-)2n(1 妒= = + 等) a f = 工兰( 3 _ 5 ) 2 ) 频率跟踪算法的改进 全周富氏滤波频率跟踪算法的数据窗宽一周波，基本算法由于未考虑系统频率的变化过 程，因此式( 3 5 ) 频率动态变化过程中，算法的时间响应会造成较大误差。此误差值与系 第9 页 东南大学硕= e 学位论文第三章系统备模块设计 统频率暂态模型有很大关系，下面首先建立系统的频率和电压变化模型。 系统的暂态频率模型及电压模型 电力系统频率变化是一个复杂的暂态过程。若将系统看成一等值单机系统，频率特性则 可写成： t 一： 厂一f o = ( 工一f o ) ( 1 - eo ) ( 3 6 ) 式中 0 为系统等值时间常数，在4 s 6 s 内变化。将式( 3 6 ) 线性化得： = 五十 ( 兀一f o ) t f l t = 五+ m t ( 3 7 ) 在较短时间间隔内，认为频率以式( 3 7 ) 呈线性变化，频率变化率为m 。进行理论分 析和仿真时，采样时间间隔f 每周波调整一次。当频率线性变化时，一周波内的电压采样值 2 u m s i n 魄小等)浯。， 五= f o + m k r ，k = 0 1 、n 式( 3 8 ) 表示电压是频率连续变化的正弦波模型。 基本算法的误差分析 假设乐统频翠f 2 i2 ，+ ( k | ) 6 f ，式中6 f 为一周波内频率的变化，将f 代入式 ( 3 - 4 ) 得： 伊2 瓯一一w2 万2 z 缶( z 工) = 面2 z ：鲁i 工a f( 3 一g ) 由式( 3 9 ) ( 3 5 ) 得4 厂的计算值： 鲈= 等= 嘉c 斋喜等= c 蕃n 矿i 由此得到测频误差： = v 一，= ( 1 一善u 秽i = ( 1 一蔷n 矿i z m ( 3 ) ( v 表示采样频率与系统频率之间的暂态误差，其值与频率变化率m 成正比且不随时间 的变化而变化，使采样频率总是滞后系统频率占厂，因此需要对式( 3 - 5 ) 做出修诈。 第1 0 页 查堕盔堂堡主堂笪笙兰 塑三皇墨竺墨夔生丝盐 基本算法的改进及实用化 从以上分析中很容易得到改进频率跟踪算法的计算公式。由式( 3 9 ) 可得 = 等，啼1 善n 沪上等( 3 - 1 2 ) 式中l = 1 8 9 4 7 ，将式( 3 - 1 2 ) ( 3 5 ) 比较，改进的频率计算公式由于考虑了系统频率 的变化，增加了跟踪系数l 。l 的值与系统频率变化的动态过程有关，当系统频率以指数规律 变化时，总可以将其分段线性化，再用式( 3 - 1 2 ) 计算频率的偏差。当频率线性变化时，l = 1 8 9 4 7 ，其动态误差趋于零，但收敛过程较慢且有振荡。原因在于当频率处于拐点时，富氏 滤波计算相角出现滞后。下面采用自适应的思想来改善频率跟踪的动态性能，即根据频率变 化的大小来动态调整跟踪系数。取阀值o 0 2 h z ，采用式( 3 5 ) 计算a f ，并用式( 3 1 3 ) 动态调整l 与4 厂的值。显然，l = 1 时即为基本算法而跟踪系数l 的存在补偿了富氏滤 波的时间响应对频率测量造成的影响。 f l = l + 0 1 ，当i 厂j 0 0 2 h z je l s e l - 1 ( 3 _ 3 ) f 弘1 9 ，l = 1 8 9 4 7 【a f = l a f 通过简单的三角变换，很容易推出相角p 的计算公式( 如图3 - - 2 所示) ： 伊= d 4 一n t 一s i n e p = ( u o 。“，。一一虬一虬) 【( 心。) 2 + ( 虬) 2 】 ( 3 1 4 ) 式( 3 3 ) ( 3 5 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 构成频率追踪的计算公式。这是一个负反馈频率追踪 系统，理论上可以使稳态的测频误差趋于零。然而在实际应用中，由于采用的数据采集系统 定时器限制了采样频率无法完全跟踪系统频率从而产生稳态测频误差。设采样时间间隔为 f ，此误差可由采样频率工= 1 ( n r ) 差分得到：o f = 一a r ( n r 2 ) 。当定时器精度为 f = 1 h s 时，每周波采样1 2 点f = 1 6 6 7 1 t s 时，稳态测频误差o f = 0 0 3 h z 。为了减小此 误差，在频率跟踪过程中，需要对实际测量频率进行实用补偿。比如在计算采样间隔 f 2 1 ( n f , ) 时，根据所得的余数修改测量频率值，只需要增加少量判断就可以将稳态测 频误差减d , n o o i b z 。 、 或c ，移“” 纱。 图3 2 富氏滤波向量图 s 第1 l 页 东南大学硕士学拉论文 第三章系统各模块设计 以上分析采用了电压的基波模型。当电压波形中含有高次谐波时，由于全周富氏滤波良 好的滤波性能，其相角舻与基波模型的计算相角亦相差不大。同时本算法通过计算相角的变 化来跟踪频率，因而对电压幅值的变化也不敏感，保证了算法较强的抗干扰性。 3 1 3 测量模块结构 核心测最模块的总体结构如图3 - 3 所示。 模拟 i ) d s p 选型 图3 3 测量模块硬件结构 为了满足装置在计算速度、存储容量和通信能力等方面的要求，我们选择了3 2 位d s p 孽苎t m s 3 2 0 c 3 2 作为主处理器。1 m s 3 2 0 c 3 2 是t i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p ( 数字信号处理器) 的第三代产品，指令周期3 3 4 0 5 0n s 。它在保证t m s 3 2 0 c 3 0 基本性能不降低的基础上做了 一些简化及扩充，价格比t m s 3 2 0 c 3 0 低得多，因而在实时数据采集与信号处理系统中得到广 t m s 3 2 0 c 3 2 利用t m s 3 2 0 c 3 0 的标准外围和存储器接口，其目标码与t m $ 3 2 0 c 3 0 兼容，具有 墨要紫堡学加载，能进行8 1 6 3 2 位程序引导，串行接口支持8 1 6 3 2 位传输，可产生边菇； 塑和皇! ! 簟，可由用户编程设定中断向量表的地址具有空等待和低功耗两种电源管运砉 孳二毽雹存储器可以是1 6 位或3 2 位字宽，数据存储可以是8 位、1 6 位或3 2 位；：五；二 个双通道d m a 。 。 t m s 3 2 0 c 3 2 具有一个以寄存器为基础的c p u ( 中央处理单元) 结构。c p u 由浮点整数乘法 第1 2 页 查宣兰! ! ；堂堡主堂堡堡兰 苎三童 墨竺查壁垫堡生一 器、执行算术和逻辑操作的a l u 、3 2 位桶式移位器、c p u 寄存器组等部分组成。乘法器执行 2 4 位整数及3 2 位浮点数的单周期乘法，a l u 对3 2 位整数、3 2 位逻辑及4 0 位浮点数实行单 周期操作。桶式移位器可在单调周期内左移或右移高达3 2 位。c p u 寄存器组与c p u 紧耦合， 可作乘法器和a l u 操作，并可被用作通用寄存器。 t m s 3 2 0 c 3 2 的总存储空间为1 6 m x3 2 位。程序、数据和i 0 空间都包含在这一1 6 m 字地 址空间中，这样就使得系数、表、程序码或数据既可存储在r a m 中，亦可存储在r o m 或f l a s h 中，从而存储器的利用率可达到最大。t m s 3 2 0 c 3 2 的寻址空间见表3 一l o 表3 - 1t m s 3 2 0 c 3 2 的寻址空间 0 h 7 f f f f f i t 复位矢量 外部存储器s t r b o 选通 8 0 8 0 0 0 h 8 0 9 7 f f h内部寄存器( 6 k ) 8 1 0 0 0 0 1 4 8 2 f f f f h外部存储器( i o s t r b ) 选通) 8 7 f e 0 0 h 8 7 f f f f h内部r a m o 块( 2 5 6 ) ，r a m l 块( 2 5 6 ) 8 8 0 0 0 0 h 8 f f f f f h外部存储器( s t r b 0 选通) 9 0 0 0 0 0 h f f f f f f h 外部存储器( s t r b l 选通) 注：表中未列出的单元均为保留单元 t m s 3 2 0 c 3 2 的外围包括2 个定时器和1 个串行端口。定时器模块是通用3 2 位定时器事 件计数器，具有2 种发出信号的方式并具有内部和外部时钟。每一定时器有一i 0 管脚，可用 作定时器的输入时钟，或定时器驱动的输出信号。该管脚还可被配置为通用i 0 管脚。串行 端口可被配置成每个字传输8 、1 6 、2 4 或3 2 位数据，可内部启动或外部启动定时。串行口管 脚可被配置为通用i o 管脚。 t m $ 3 2 0 c 3 2 提供一个在片的d m a 控制器，以减少c p u 对执行输入输出功能的需要。d m a 控制器能在没有c p u 操作干预下执行输入输出功能。 2 ) a d 转换芯片 a d 转换选用两片m a ) ( 1 2 5 芯片。m a x l 2 5 是内部带同步采样保持器的高速多通道1 4 位数据 采集芯片，芯片内部包含一个1 4 b i t ，转换时间为3us 的逐次逼近型模拟数字转换器，一个 + 2 5 v 的内部电压基准，一个经过缓冲的电压基准输入端一个内部的1 6 m h z 时钟，一组可以 同时对4 路输入信号进行同步采样的采样保持电路，m a x l 2 5 每个t h 前面有一个2 选1 的转换 开关，这样每个芯片总共可以有8 个输入信号。 3 ) 外围扩展电路 核心测量模块的外部存储器采用r a m 加f l a s h 方式。用两片共2 5 6 k x8 b i t 的s r a j 存 储中间过程，计算结果放在d r a i v i 中；用一片5 1 2 k x 8 b i t 的f l a s h 存放应用程序：闱c p l d 进行电路译码和i o 口控制。 第1 3 页 东南大学硕士学位论文 第三章系统各模块设计 4 ) 可编程逻辑器件的应用 本系统中用到了多片c p l d ( 复杂可编程逻辑器件) 芯片，负责电路译码、逻辑处理及一些 i 0 操作。c p l d 或者f p g a ( 现场可编程门阵列) 在系统中有着非常重要的作用，其设计的好坏 将直接决定着系统的性能。目前，国内关于这方面的研究也已开展，像文献【2 2 】就提出了 一种f p g a 自n 微处理器的微机保护硬件平台方案。现对这方面知识作一简单介绍。 c p l d 与f p g a 都是可编程逻辑器件，它们是在p a l ，g a l 等逻辑器件的基础之上发展起来 的。同以往的p a l ，g a l 等相比较，f p g a c p l d 的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通 用i c 芯片。这样的f p g a c p l d 实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工 程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程 逻辑器件。比较典型的就是x i l i n x 公司和a l t e r a 公司，它们开发较早，占用了较大的p l d 市 场。通常来说，在欧洲用x i l i n x 的人多，在亚太地区用a l t e r a 的人多，在美国则是平分秋色。 全球p l d f p g a 产品6 0 以上是由a l t e r a 和x i l i n x 提供的。可以讲a l t e r a h x i l i n x 共同决定了 p l d 技术的发展方向。当然还有许多其它类型器件，如：l a t t i c e ，v a n t i s ，a c t e l ，q u i c k l o g i c ， l u c e n t 等。 对用户而言，c p l d 与f p g a 的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数情况下，不加 以区分。f f g a c p l d 芯片都是特殊的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 ： 专用系统集成电路) 芯片，它们除了具有a s i c 的特点之外，还具有以下几个优点： 随着v l s i ( v e r yl a r g es c a l ei c ，超大规模集成电路) 工艺的不断提高单一芯片内部可 以容纳上百万个晶体管，f p g a c p l d 芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百 万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。 f p g a c p l d 芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和 费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能 设计。所以， f p g a c p l d 的资金投入小，节省了许多潜在的花费。 用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不 同的功能。所以，用f p g a c p l d 试制样机，能以最快的速度占领市场。f p g a c p l d 软件 包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很 短的时问内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少 量改动时更能显示出f p g a c p l d 的优势。电路设计人员使用f p g a c p l d 进行电路设计时， 不需要具备专门的i c ( 集成电路) 深层次的知识，f p g a c p l d 软件易学易用，可以使设计人 员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。 f p g a c p l d 设计可以用原理图输入的方式或者用语言编程的方式实现。原理图输入的可 控性好，效率高，比较直观，但移植性差，修改不方便，且对大规模设计时显得很烦琐：语 g n n n ；y 式可移植性好，易于维护，虽然效率不如原理图，但现在硬件速度的大幅提高可 以弥补这一缺陷。现在语言编程的方式已经用得越来越多。 目前毋主要的硬件描叙语言是v h d l ( v h s i ch a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ，其e p v h s i c 为v e r yh i g hs p e e di n t e g r a t e dc i r c u i t 的缩写) 和v e r i l o gh d l ( v e r i l o g ，h a r d w ”e d e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) 。v h d l 发展较早，语法严格，而v e r i l o g 肋l 是在c 语言的基础上发 展起来的一种硬件描叙语言，语法较自由。两者相比，v i d l 的书写规则l l v e r i l o g 烦琐一些， 旦v e r i l o g 自由的语法也容易让初学者出错。从目前国内情况来看，v h d l 的参考书很多，便 于查找资料，g g v e r i l o gh d l 的参考书相对较少，这会给使用者带来定的团难。 用语言开发f p g a c p l d 的完整开发流程如图3 4 所示。 第1 4 页 东南大学硕士学位论文 第三章系统各模块设计 逻辑综合y 7 1 业标准文件 布局布线 时序仿真 满足要求? 、 厕黼擎呖 图3 4 逻辑编程开发流程 通常以上过程都在f p g a c p l d 厂家提供的集成开发工具( 如m a x p l u s i i ，f o u n d a t i o n