（电气工程专业论文）基于dsp与arm双处理器的微机继电保护装置的研究.pdf

卜 、 ， ， l t e c t i o nd e v i c e b a s e do nd s pa n da r md o u b l ep r o c e s s o r b y w a n g y u e f e n g b e ( j i a x i n gu n i v e r s i t y ) 2 0 0 9 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g l n e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t esc h 0 0 1 0 f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n gh u i z h o n g m a y ，2 01 1 一一 y - 疗 0 l 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：乏幺名务日期：易，年么月7 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： 导师签名： 乏锄碜 星雹伊 日期：h f 年多月7e l e l 强：函i f 年6 旯7 e l l t 、， ，一一引 k 7 一 个! ! - r t h ；! 卜“? j f 合乏 目录 摘要，i a b s t r a c t j i i 第一章绪论1 1 1 研究课题的背景及意义1 1 2 微机继电保护的发展历程与趋势2 1 2 1 微机继电保护的发展历程2 1 2 2 微机继电保护装置的发展趋势3 1 3 实时多任务操作系统( r t o s ) 4 1 3 1r t o s 概j 签4 1 3 2 微机继电保护软件设计引入r t o s 的必要性4 1 3 3 微机继电保护软件设计引入r t o s 的可行性5 1 4 本论文所完成的土要工作6 第二章微机保护装置的硬件平台设计7 2 1 硬件架构方案的选择7 2 2 微机保护装置的整体框架8 2 3d s p 芯片t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 概述10 2 3 1t m s 3 2 0 c 5 4 0 2 的特性10 2 3 2t m s32 0 c 5 4 0 2 外围最小系统硬件电路设计1l 2 4a r m 芯片a t 9 1 r m 9 2 0 0 的概述1 4 2 4 1a r m 体系结构1 4 2 4 2a t 9 1r m 9 2 0 0 微处理器简介1 4 2 4 3a t 91r m 9 2 0 0 外围最小系统电路设计15 2 5 数据采集模块设计1 9 2 5 1 电压形成回路19 3 5 2 模拟滤波器2 0 2 5 3a d 模数转换2l 2 5 4 开关量输入采集回路2 4 2 6 控制模块2 4 2 6 1 开关量输出回路2 5 2 6 2 蜂鸣告警电路2 5 2 7 人机接口模块2 6 2 7 1l c d 电路设计2 6 i 一 ， j + ejd q p j f 1z z0 1 j 1 ；：；f j j ”：t4 1 l ? l i ： l ! f ! 1 ： ：? _ 。f ! j 1 。i 2 7 2 键盘电路设汁2 8 2 7 3l e d 电路2 8 2 8 通讯模块2 9 2 8 1r s 2 3 2 串行总线接口2 9 2 8 2c a n 总线接口3 0 2 8 3 以太网接口3 0 2 9d s p 与a r m 数据通信31 2 9 1h p i 接口介绍3l 2 9 2h p i 接口硬件设计3 2 2 9 3h p i 的数据传送过程3 2 2 1o 电源模块3 3 第三章微机保护算法选择与分析3 4 3 1 正弦函数模型算法3 4 3 1 1 两点乘积算法3 4 3 1 2 导数法3 5 3 1 3 半周积分算法3 5 3 2 周期函数模型饽法3 6 3 2 1 全波傅立叶算法3 6 3 2 2 半波傅立叶算法3 8 3 3 随机模型算法3 8 3 3 1 最小二乘法38 3 3 2 卡尔曼滤波算法3 9 3 4 各种算法的对比分析4 0 3 5 含有衰减直流分量下傅立叶算法的误差分析4 0 3 6 一种精确消除衰减直流分量影响的算法41 3 7 主要电气参数的计算4 3 3 7 1 频率的测量4 4 3 7 2 交流电压、电流、有功功率、无功功率和功率因数的计算 4 4 第四章微机继电保护装置软件的总体设计4 5 4 1 软件系统设计方案4 5 4 1 1 传统微机保护存在的问题4 5 4 1 2 基于r t o s 的微机保护的优点4 6 4 1 3 选取m c o s i i 作为微机保护软件实时内核4 7 4 2 装置软件设计4 7 i l 7 ， 个1 ：j f f m1 f ? i1 0z 4 2 1d s p 保护系统软件的设汁4 8 4 2 2ar m 管理系统软件的设计5 2 4 3ar m 管理系统软件流程设计55 4 3 1 通信程序一5 5 4 3 2 人机交互程序5 6 4 4hpi 数据通信程序设计58 第五章实验结果与分析6 0 5 1 算法的仿真6 0 5 2d sp 中的算法计算流程框图61 结论与展望6 3 参考文献6 5 致 射6 8 附录a攻读学位期间所发表的学术论文目录6 9 ， 全日制工程硕士学位论文 摘要 智能电网已经是当今世界电力系统发展的最新趋势。“十二五期间， 国家电网公司将以建设坚强智能电网，推进电网发展方式转变为目标， 对现有电网的改造和增容已经成为我国电力系统建设的头等大事。配电 网络作为智能电网中重要的一个环节，与用户的联系十分紧密，对用户 的影响也是最直接的。传统的微机保护已经难以满足配电网智能化和自 动化的需求了。因此，研究新型的微机继电保护应用于配电网络势在必 行。本课题在充分分析和吸收国内外微机保护装置先进技术和经验，总 结了传统微机继电保护的不足与微机保护的发展趋势的基础上，开发一 套基于d s p 与a r m 双处理器的微机继电保护装置。该装置集保护、测 量、控制、监测、通讯等功能于一体。 在对微机保护装置具体需要实现的功能进行分析基础上，提出了本 装置的硬件总体方案。装置在硬件上采用了d s p + a r m 双c p u 结构，以 t i 公司的d s pt m 3 2 0 c 5 4 0 2 为保护核心，实现数据采集、数据处理以及 保护功能。以a t m e l 公司的a r m 9 芯片a t 9 1 r m 9 2 0 0 为控制核心，实 现人机接口、通信功能。d s p 与a r m 之间通过d s p 自带的主机接口h p i 进行数据通信。围绕d s p + a r m 双处理器的硬件平台，对硬件中的各个 模块进行了精心的设计，包括d s p 、a r m 最小系统设计、数据采集模块、 开关量开入开出模块、人机接口模块、通信模块、电源模块以及d s p 与 a r m 之间数据通信h p i 接口模块等。采用模块化设计思想，大大提高了 开发效率。 微机保护算法是微机保护研究的重点之一。微机保护不周功能的实 现，主要依靠其不同的算法完成。因此研究电力系统微机保护算法的目 的在于找出好的算法，使之在满足工程精度和响应速度要求的前提下，尽 可能减少数据采集量和计算时间。本课题对正弦函数模型、周期函数模 型、随机模型等不同模型微机保护各种算法做了详细的分析和比较，提 出了一种能精确消除衰减非周期分量影响的算法，并对该算法和全波傅 氏算法进行了仿真对比，从算法的角度提高微机保护的精度和速度。 软件方面，本课题在分析传统继电保护系统软件设计存在缺陷的基 础上，引入了基于实时操作系统比c o s 的微机保护软件设计方案。在 详细分析比c o s i i 的内核的基础上，将z c o s i i 实时操作系统移植到 a r m 芯片上。对微机保护各任务进行了划分以及优先级的选择，最后对 应用程序进行了详细的设计，给出了软件流程图。提高了装置的可靠性 与稳定性。 关键词：微机保护；d s p ；a r m ；傅立叶算法；i io o s - i i ，一一， ，- i ， 基于d s p 与a r m 双处理器的微机继电保护装置的研究 a b s tr a c t s m a r tg r i dh a sb e c o m et h ew o r l dp o w e ro ft h el a t e s tc h a n g e si nt h e d i r e c t i o no fs y s t e md e v e l o p m e n t ”t w e l v ef i v e ”p e r i o d ，t h en a t i o n a lp o w e r g r i dc o m p a n yw i l lb eb u i l d i n gas t r o n gi n t e l l i g e n c en e t w o r k ，c h a n g et h e m o d eo fp r o m o t i n gt h eo b j e c t i v e so fn e t w o r kd e v e l o p m e n t ，t h ee x i s t i n g p o w e rg r i d r e c o n s t r u c t i o na n d c a p a c i t y b u i l d i n gp o w e rs y s t e m s h a v e b e c o m eat o pp r i o r i t y s m a r tg r i dd i s t r i b u t i o nn e t w o r ka si m p o r t a n tap a r to f t h ev e r yc l o s ec o n t a c tw i t ht h eu s e ro nt h eu s e r si n f l u e n c ei sm o s td i r e c t c o n v e n t i o n a lm i c r o p r o c e s s o r b a s e dp r o t e c t i o nh a sb e e nd i f f i c u l tt om e e t t h ei n t e l l i g e n ta n da u t o m a t e dd i s t r i b u t i o nn e t w o r kn e e d s t h e r e f o r e ，t h e s t u d yu s e dan e wt y p eo fd i s t r i b u t i o nn e t w o r kr e l a yp r o t e c t i o ni si m p e r a t i v e b a s e do nt h ef u l la n a l y s i sa n da b s o r p t i o no ff o r e i g na d v a n c e dt e c h n o l o g y a n dc o m p u t e rp r o t e c t i o n e q u i p m e n te x p e r i e n c e ，s u m m e du p t h el a c k o f p r o t e c t i o no ft r a d i t i o n a lc o m p u t e ra n d 妇咀i c r o p r o c e s s o r b a s e dp r o t e c t i o no n t h eb a s i s o ft h et r e n dt od e v e l o pad u a l p r o c e s s o r m i c r o p r o c e s s o rr e l a y p r o t e c t i o n d e v i c eb a s e do nd s pa n da r m t h ed e v i c es e t p r o t e c t i o n ， m e a s u r e m e n t ，c o n t r o l ，m o n i t o r i n g ，c o m m u n i c a t i o na n do t h e rf u n c t i o n s b a s e do nt h e a n a l y s i s o ft h ef u n c t i o n so f s p e c i f i c n e e d si n m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o nd e v i c eip u tf o r w a r dt h eo v e r a l lp r o g r a ma b o u t t h ed e v i c eh a r d w a r e t h ed e v i c eo nh a r d w a r ea d o p t e dd s p + a r md u a lc p u s t r u c t u r e t i sd s pt m 3 2 0 c 5 4 0 2f o rt h ep r o t e c t i o no fc o r ed a t ac o l l e c t i o n ， d a t ap r o c e s s i n ga n dp r o t e c t i o n a t m e la t 9 1 r m 9 2 0 0c h i pc o m p a n i e st o c e n t r e lt h ea r m 9c o r e ，t oa c h i e v eh u m a n m a c h i n e i n t e r f a c e s ， c o m m u n i c a t i o nc a p a b i l i t i e s b e t w e e nt h ed s pa n dt h ea r mc o m e st h r o u g h t h ed s ph p ih o s t i n t e r f a c ef o rd a t ac o m m u n i c a t i o n a r o u n dt h e d u a l p r o c e s s o rd s p + a r mh a r d w a r ep l a t f o r m ，h a r d w a r ei ne a c hm o d u l e w a sc a r e f u l l yd e s i g n e d ，i n c l u d i n gt h ed s p ，a r mm i n i m u ms y s t e md e s i g n ， d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，s w i t c ho u tt h em o d u l ei n t ot h eo p e n ，m a n - m a c h i n e i n t e r f a c em o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，t h ep o w e rm o d u l ea n dd a t a c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ed s pa n da r mh p li n t e r f a c em o d u l e m o d u l a r d e s i g n ，g r e a t l yi m p r o v i n gt h ed e v e l o p m e n te f f i c i e n c y m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o na l g o r i t h mi so n eo ft h ek e yr e s e a r c h t h e d i f f e r e n tr e a l i z a t i o no ft h ef u n c 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 nm a i n l y r e l yo ni t sd i f f e r e n ta l g o r i t h m st oc o m p l e t e s ot h ec o m p u t e rp o w e rs y s t e m s p r o t e c t i o na l g o r i t h m a i m st of i n d g o o da l g o r i t h m ，w h i c h m e e tt h e e n g i n e e r i n ga c c u r a c ya n dr e s p o n s es p e e dr e q u i r e m e n t sp r e m i s e ，a st or e d u c e n 一 全日制工程硕士掌位论文 d a t a c o l l e c t i o n c a p a c i t ya n dc o m p u t i n gt i m e t h i sp a p e rs i n ef u n c t i o n m o d e l ，t h ep e r i o d i cf u n c t i o nm o d e l ，s t o c h a s t i cm o d e la n ds oo nt h ed i f f e r e n t m o d e l so fm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o na l g o r i t h mt od oad e t a i l e da n a l y s i sa n d c o m p a r i s o n ，t h ef i n a la d o p t e dd i f f e r e n c ef i l t e r i n ga n df o u r i e ra l g o r i t h m c o m b i n i n ga l g o r i t h m ，t h ep r o p o s e da l g o r i t h mh a saf a s t c a l c u l a t i o ns p e e d a n dh i g hp r e c i s i o nd o u b l eb e n e f i t s ，w i t ht h em i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n r e a l - t i m e ，a c c u r a c yr e q u i r e m e n t s 。 i ns o f t w a r e ，b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et r a d i t i o n a l p r o t e c t i o n s y s t e ms o f t w a r ed e s i g nb a s e do nd e f e c t sa r ei n t r o d u c e d ，b a s e do nr e a l t i m e o p e r a t i n gs y s t e m 强c o s - m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o ns o f t w a r ed e s i g n t h e d e t a i l e da n a l y s i so ft h ec o r ei n c o s - l i ，t h e 沾c o s 一r e a l t i m eo p e r a t i n g s y s t e mo nac h i pt r a n s p l a n t e di n t ot h ea r m t h et a s ko fm i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o n h a sb e e nd i v i d e da n dp r i o r i t yc h o i c e ，f i n a l l yt oa p p l i c a t i o n c a r r i e do nt h ed e t a i l e dd e s i g n ，g i v e nt h es o f t w a r ef l o wc h a r t w o u l d 比c o s i ir e a l - t i m eo p e r a t i n gs y s t e ma p p l i e di nm i c r o c o m p u t c rp r o t e c t i o n p l a t f o r m ，a n dg r e a t l yr e d u c et h ec o m p l e x i t yo fs y s t e m sd e v e l o p m e n td e b u g ， i m p r o v e dd e v i c er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y k e yw o r d ：m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n ；d s p ：a r m ；f o u r i e ra l g o r i t h m ； 比c o s h i 一 - 、 伞日制工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究课题的背景及意义 智能电网已经是当今世界电力发展改革的最新趋势。“十二五期间， 国家电网公司将以建设坚强智能电网，推进电网发展方式转变为目标， 对现有电网进行的改造与增容已经是我国电力建设的头等大事。所谓“智 能电网就是以坚强网架为基础，以通信信息平台为支撑，以智能控制 为手段，包含电力系统的发电、输电、变电、配电、用电和调度各个环 节，覆盖所有电压等级，实现“电力流、信息流、业务流一的高度一体 化融合，是坚强可靠、经济高效、清洁环保、透明开放、友好互动的现 代电网。中国智能电网主要包括发电、线路、变电、配电、用户、调度 等环节n 1 。配电网络作为电力系统到用户的最后一环，是电力系统的重 要组成部分，与用户的联系十分紧密，对用户的影响也是最直接的，所 以其安全可靠性非常重要，预计配电网用户侧将占整个智能电网建设的 4 0 。要提高配电网的供电质量，提高供电可靠性，实现配电网的智能自 动化，电气设备的智能化是基础。传统的微机保护装置已经很难满足智 能电网的需求了。 智能电网的大力发展，电网结构日趋复杂，对电力系统运行的微机 继电保护装置提出了更高要求。为了保证电力系统安全稳定运行、减轻 故障对电力系统造成的危害，继电保护除了要实现基本保护功能外，还 应具有大容量的长期的故障信息和数据存放空间，快速的数据处理功能， 较强的通信能力，以及数据共享等。 目前电力系统中投入运行的保护装置一般采用单c p u 结构，而且精度 大多不高，全部的运算、监控都由单c p u 来完成，c p u 只能串行地执行并 完成任务。单c i u 微机保护的运行速度很大程度上取决于c i u 的速度， c p u 成为装置性能提高的瓶颈。在运算复杂和采样精度高的应用场合， 单c p u 系统显得力不从心，而且单c p u 不利于装置功能的扩展。因此，采 用多c p u 型的微机保护硬件结构是必然的。 本课题正是在这样的大背景下，研究设计了基于d s p 与a r m 双处理 器的微机继电保护系统，该系统采用一个d s p 芯片负责控制数据采集和数 据处理以及故障处理的任务，并通过d s p 的主机接口( h p i ) 实现d s p 与 a r m 端口之问的数据通信，a r m 微处理器承担人机接口管理、对内对外 进行通讯联系的任务。并针对微机保护的原理、算法以及配网自动化的 需要，设计开发了软件系统。旨在从整体上提高配电网的自动化水平和 智能化水平。 基于d s p 与a r m 双处理器的微机继电保护装置的研究 1 2 微机继电保护的发展历程与趋势 1 2 1 微机继电保护的发展历程 继电保护是一门新学科，从概念形成到现在刚过百年。但其技术有 飞快的发展，随着计算机技术、通讯技术、电子技术及网路技术的不断 发展，继电保护技术也经历了4 个发展阶段：第一阶段为机电型继电保护 阶段；第二阶段为晶体管型继电保护阶段：第三阶段为集成电路型继电 保护阶段；第四阶段为微机型继电保护阶段。各阶段的装置的性能及优缺 点见表1 i 。 表卜1 不同类刑继电保护性能比 保护类型优点缺点及存在问题 机电型简单可靠，价廉，技术成熟， 动作速度慢，不易实现复 ( 1 9 0 1 年发明) 耐浪涌性强 杂的装置 晶体管型 动作速度较快，可以实现复杂 抗干扰差，元器件多，易 ( 1 9 6 0 年发明)的装置，比较经济，易于掌握发生特性变化和元件损坏 集成电路型动作速度快，易实现较为复元器件较多，接线复杂， ( 1 9 7 0 年发明)杂的装置，有自检功能抗干扰差，价格高 微机型 动作速度快，易实现复杂的装 ( 1 9 7 2 年发明) 置，自检功能完善，有很好的 技术跨度大，厂家对软件 保密，用户检修难度大 附加功能，调试方便 微机继电保护是指以数字式计算机( 包括微型机) 为基础而构成的继 电保护。上世纪6 0 年代中后期，英国、澳大利亚和美国的一些学者率先开 始了微机保护的研究。上世纪6 0 年代中期，就有人提出用小型计算机实 现继电保护的想法，但是当时由于成本问题以及速度问题，最终没能实 现。但此时对微机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究，为后 来的微机继电保护的快速发展奠定了理论基础。随着计算机技术在上世 纪7 0 年代初期和中期出现了重大突破，伴随着大规模集成电路的飞速发 展，使得微型处理器在微机继电保护中的应用成为了可能。随着c p u 价 格的大幅度下降，稳定性、运算速度的大幅度提高，学者对微机继电保 护的研究热情高涨。上世纪7 0 年代后期，出现了比较完备的微机保护样 板装置，并在电力系统中试运行。上世纪8 0 年代，微机保护在硬件结构 和软件技术方面已基本成型，并在一些国家投入应用。上世纪9 0 年代， 电力系统继电保护技术的微机保护二代到来，它完全取代了以往的保护 装置，成为了第四代继电保护装置。 我国的微机保护研究起步于上世纪7 0 年代末、8 0 年代初，起步虽然比 较晚，但是由于我国继电保护研究工作者的努力付出，进展十分快。经 过将近1 0 年的奋斗，到了上世纪8 0 年代末期，微机继电保护，特别是输 电线路微机保护已达到了大量应用的程度。我国对微机继电保护的研究 2 ， 令日制t 程硕士学位论文 曼曼曼曼笪曼皇皇曼曼曼曼皇皇曼曼鼍皇曼曼曼曼置曼曼曼曼曼曼曼! 曼! 曼苎曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼皇曼蔓曼曼i i 过程中，高等院校和科研院所发挥着主导作用。从7 0 年代开始，华北电 力学院、华中理工大学、东南大学、西安交通大学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，并在电力系统中获得应用，揭开了我国继电 保护发展史上新的篇章，为微机保护的普及开辟了道路。在主设备保护 方面，东南大学和华中理工大学开发的发电机失磁保护、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、19 9 4 年通过鉴定，并投入运行。 南京电力自动化研究院开发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。到此，不同原理、不同型式 的微机保护各具特点，为电力系统提供了一批又一批新一代性能优良、 功能齐全、运行可靠的继电保护装置。因此到了2 0 世纪9 0 年代，我国继 电保护进入了微机时代。伴随着对微机保护系统的研究，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心1 。 1 2 2 微机继电保护装置的发展趋势 随着计算机、通信技术以及各种新理念在继电保护中的广泛应用， 微机保护技术未来将朝着网络化、综合自动化和智能化趋势发展。 ( 1 ) 网络化 目前，继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围 ( 这是首要任务) ，还要确保全系统的安全稳定运行。微机保护装置的网 络化可以大大提高保护性能，每个保护子系统都能共享全系统的运行和 故障数据，各个保护子系统与重合闸装置在分析这些数据的基础上协调 动作，确保全系统的安全可靠运行。显然，这种系统保护实现的基本条 件，是将全系统各主要设备的保护装置通过网络联接起来，即实现微机 保护装置的网络化。继电保护装置得到的系统故障信息越多，对故障性 质、故障测距和故障定位就越准确。 ( 2 ) 综合自动化 继电保护、操作控制和监测融合这种趋势称之为变电所等综合自动 化。事实上，保护装置就是一个高性能、多功能的计算机系统，是整个 电力系统一个智能计算机网络终端，它通过网络可以获取电力系统任何 运行和故障的信息和数据，也可以将它所获得的任何信息和数据传送给 网络控制中心或任何终端。因此，微机保护装置不仅可完成继电保护基 本功能，而且在正常运行情况下可以完成测量、监控、数据通信功能。 ( 3 ) 智能化 近年来，自适应控制、神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑 等人工智能技术应用于电力系统各个领域，尤其在继电保护领域。自适 3 廷于d s p 与a r m 双处理器的微机继电保护装胃的石j f 究 应继电保护是一种基于继电保护的基本原理，自动地对各种保护功能进 行调整或改变，以更适用于给定的电力系统的工况。神经网络是一种非 线性映射的方法，可以容易的解决很多难以列出方程式或难以求解的复 杂的非线性问题。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的能力来 解决复杂问题。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。可以 预见，在继电保护领域，人工智能技术必会得到应用，以解决用常规方 法难以解决的问题。 1 3 实时多任务操作系统( r t o s ) 1 3 1r t o s 概述 实时操作系统( r t o s ) 是指当外界事件或数据产生时，能够接受并 以足够快的速度给予处理，其处理的结果又能在规定的时间之内来控制 生产过程或对处理系统作出快速响应，并控制所有实时任务协调一致运 行的操作系统。因而，提供及时响应和高可靠性是其主要特点n 们。 1 3 2 微机继电保护软件设计引入r t o s 的必要性 1 3 2 1 微机保护软件维护的需要 微机继电保护的各种复杂功能都是通过软件来实现的，如需增加额 外新的功能，就需要修改相应的软件。在电力运行部门，继电保护的要 求在各个地区是不尽相同的，所以，修改继电保护程序是不可避免的。 电力设备供应商为了满足用户的需求，不断进行产品维护。由于汇 编语言的缺点以及传统的保护软件设计思想的缺陷，造成长期需要专门 的开发人员进行软件维护。从而造成很多问题阳1 ： ( 1 ) 程序维护占用大量开发人员的时间，无法进行新的研究； ( 2 ) 保护装置各种要求不尽相同，造成各种程序版本很多； ( 3 ) 对用户的修改的合理要求不能及时处理时，产品满意度就会下 降： ( 4 ) 工程的时间紧张，所修改的软件测试不充分，这就可能在维护过 程中引入潜在的错误。 有些缺陷通常是在现场，在事先没有预想到的运行方式下才会显露。 这会使电网蒙受巨大的损失，而电力设备供应商的无形资产损失更是难 以估计。每年的2 2 0 5 0 0 k v 继电保护和安全自动化装置的运行事故分析 中可以看到，因软件问题而造成的电力故障是占有很大比例的。 智能电网的发展促使微机保护装置的功能不断的扩展，许多不同的 保护功能将会融入到一套保护装置中，而设备的通信功能也会不断加强， 传送的数据也会更加丰富。可以想象，未来的微机保护程序将会更复杂， 而修改软件时需要考虑的问题也会更多。 4 乜 h _ 全口制下程硕卜学位论文 微机保护软件维护困难就是因为传统软件设计存在缺陷，为了方便 地去维护、修改大型的动态的实时软件系统，先进的实时操作系统是必 需的。 1 3 2 2 微机保护软件可靠性的需要 对于微机保护系统来说，“不死机是最基本的要求。因此，一方 面硬件设计上尽量提高抗干扰能力；另一方面要在软件上采取措施。长 期以来，传统的软件开发方式是：根据某一应用绘制程序流程图，编写 应用程序，我们称之为线性程序。当遇到强干扰时，任何一处程序断线 都会引起死机，只能依靠硬件看门狗复位，重启系统。而对于r t o s 系统， 干扰可能只是引起若干个进程被破坏，通过另外的进程可对其进行修复。 r t o s 不但能将应用程序分解成若干独立的任务，而且能另外启动一个监 控进程，监视各程序运行状况，一旦遇到异常情况即时采取措施，可以 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，从而大大 提高系统的可靠性1 。 1 3 3 微机继电保护软件设计引入r t o s 的可行性 伴随着计算机技术的快速发展，更加快速廉价的c p u 与更大容量的 r a m 应用于微机保护系统，使其拥有更加强大的硬件平台，实现更多的 功能和更好的算法。如何使程序灵活地适用于多种情况，如何在不改动 程序的情况下使装置能够适应新的情况。如今硬件的快速发展为我们提 供了一个足够强大的平台，使将r t o s 引入保护软件设计成为可能。 在微机保护中，尤其是存在多个m c u d s p 同时工作的系统里。如果 在程序设计过程中处理不当，就容易导致任务响应不及时，处理时间过 长。而且，如果各种资源调度不当也会发生死锁，从而使系统失效。采 用r t o s 可以合理地管理和分配c p u 内存和进程等关键资源，从而保证微 机保护系统的正常运行。根据任务的要求，r t o s 可以进行资源管理、异 常处理、任务调度等工作。 在实时性方面，r t o s 将前后台系统分解为各个优先级不同的任务， 并根据每个任务的优先级，动态地切换各个任务，始终运行优先级最高 的任务，从而保证了系统的实时性。每个任务可以有自己的定时与延时， 这使得任务的删减与增加变得简单，并且满足微机保护系统对时间的要 求。r t o s 的优先级管理、多任务调度、事件触发机制大大提高了系统的 实时性。 微机保护的设计与开发，实际上也是一个大型软件工程的设计与开 发。r t o s 是一个开放的软件框架，体现了一种新的软件设计思想，开发 者可以在通过r t o s 的系统中方便地增加或删减任务。具有以下优势凹1 ： ( 1 ) 由于微机保护系统比较复杂、工作量很大，很多设计人员可以 幂于d s p 与a r m 双处理器的微机继电保护装胃的研究 曼量曼皇量鼍曼曼曼| 11 1 一i寰曼!皇曼曼皇曼皇曼量量曼皇舅曼曼曼皇曼曼量曼量曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼鼍 同时进行系统的软件开发； ( 2 ) 一个复杂的应用程序可以分解成多个任务，每个任务模块的调 试、修改几乎不受其他模块影响： ( 3 ) 开发人员进行协同工作时，只需要定义好重要的数据结构、变 量、常数和函数功能，依照系统的要求进行设计开发； ( 4 ) 开发人员编写程序时，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住，从而大大减少程序编写的工作量，减 少程序的出错可能性，提高软件的可靠性。 1 4 本论文所完成的主要工作 本课题根据国内外配网微机保护技术的发展并结合本课题的实际情 况，学习继电保护相关的高新技术，研究了基于d s p 与a r m 双处理器的 微机保护装置的硬件平台的设计。本文的章节与主要内容如下： ( 1 ) 在广泛阅读文献资料的基础上，总结了电力系统微机保护的研 究现状、发展趋势，明确了本课题的研究意义与价值； ( 2 ) 充分分析和吸收国内外微机保护装置先进技术和经验，总结了 传统微机继电保护的不足与微机保护的发展趋势的基础上，进行了设计 方案的选择与探讨，最终采用了基于d s p 与a r m 双处理器的硬件平台和 基于实时操作系统卫c o s i i 的软件平台作为新型微机继电保护系统的开 发平台。 ( 3 ) 围绕d s p + a r m 双处理器的硬件平台。从项目的具体要求出发， 分析当今主流d s p 与a r m 的市场概况，结合电力系统对c p u 计算快速、运 行稳定、安全可靠的要求，对c p u 进行了选择，并在硬件结构上进行了 模块化设计，包括电源电路设计、时钟电路设计、保护模块电