（电力电子与电力传动专业论文）基于dsptms320f2812电力系统测控装置的研究.pdf

西北工业大学硕士论文 a b a s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ri n d u s t r ya n dt h e i n c r e a s i n g r e q u e s tf o rp o w e rs u p p l yq u a lit yb yc o n s u m e r s ，t h ep e r f o r m a n c eo ft h e m e a s u r e m e n t c o n t r o la p p a r a t u so fp o w e rs y s t e mi s f a c e dw i t had e w c h a l l e n g e t h em e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e mo fe l e c t r i c a ls y s t e mh a sb e e n r e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l ea n d h a s f i n i s h e dt h ed e s i g no ft h e m e a s u r e m e n t c o n t r 0 1p l a t f o r mb a s e do nt h ed a t ab u so fc a nb u s f i r s t l y ，a c c o r d i n gt ot h ep r e s e n ts t a t ea n dd e v e l o p m e n tp r o s p e c to f t h er e l a yp r o t e c t i o no fp o w e r s y s t e m ，t h i sp a p e rm a i n l ya n a l y z e st h e p o t e n t i a lu s eo ft h ec o m p r e h e n s i v ea p p a r a t u sa n dd e m o n s t r a t e st h e r e q u i r e m e n t so ft h ef u n c t i o nm o d u l e s o nt h eb a s i so ft h e m t h em o d u l e a r g u m e n t a t i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei s1 i s t e d t h ef o l l o w i n g sa r et h e d e t a i1s c h e m e so ft h ep r o j e c td e s i g n t h e n ，t h ea r t i c l ei n t r o d u c e st h eh a r d w a r ea n ds o f e w a r e t h i sa r t i c l e a d o p t st h em e t h o do fm o d u l a r i z a t i o nf o rr e a l i z i n gt h ed e s i g no fw h o l e s y s t e m t h ea r t i c l ea c h i e v e st h eh a r d w a r e d e s i g n o f s y s t e m t h a t t m s 3 2 0 f 2 8 1 2i sa c t e da st h ec e n t r a lp r o c e s s o r t h ed e s i g nm o d u l ei n c l u d e s a n a l o gm e a s u r e m e n tm o d u l e ，f r e q u e n c ym e a s u r e m e n tm o d u l e ，s w i t h & d i g i t a l d i s p o s a lm o d u l e ，c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dp o w e rs u p p l ym o d u l e a n dt h e a p p li c a t i o ns o f t w a r ed e s i g nt h a tuc o s i ii sa c t e da st h es y s t e m s o f t w a r e b e c a u s ee l e c t r i c a l l e a s u r e m e n t c o n t r o ls y s t e mi sas t o n g e rr e a l t i m e s y s t e m t h ea r t i c l eg i v e ss o m ea n a l y s eo ft h er e a lt i m ec a p a b i li t yb a s e d o i lt a s ko fu c o s i i w h a t sm o r e ig i v em yo w nv i e w p o i n to nt h e r e l i a b i l i t vi nt h i sd e s i g no fs y s t e m a b o v ea 1 1 ，t h em e a s u r e m e n t & c o n t r o ls y s t e ma c t sah i g h p e r f o r m a n c ed s p f 2 8 1 2a st h ec e n t r a lp r o c e s s o rs ot h a tt h er e a lt i m ec a p a b i li t yo ft h e e l e c t r i c a ls y s t e mi ss a t i s f i e d a c t i n gt h ee m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i o n s y s t e muc o s i ia ss y s t e ms o f t w a r en o to n l ys i m p l i f i e st h ed e s i g no f a p p l i c a t i o ns o f t w a r eb u ta l s oa d v a n c e st h et e l i a b i l i t ya n dt h er e a lt i m e c a p a b i li t y ，i na d d i t i o n ，m a k e st h es t r u c t u r eo ft h ew h o l es o f t w a r eb e t t e r a n dh a sp r e f e r a b l ye x p a n s i b i l i t y k e y w o r d s ： m e a s u r e m e nl c o n t r 0 1s y s t e mt m s 3 2 0 f 2 8 1 2uc o s i ic h n b u s 4 西北工业大学硕士论文 第一章绪论 1 1 电力系统继电保护的发展情况 1 1 1 研制电力系统综合测控装置的目的和意义 中国是一个迅速发展中的大国，国家第十个五年计划和2 0 1 0 年远景目标提 出了科教兴国的方针。能源电力工业及其它各种电工技术的进步是国民经济发 展中最重要的基础之一。从电力资源分布和需求的情况来看，2 l 世纪电力工业 特别要重视和依赖于机械技术与微电子技术、电力电子技术、计算机技术、检 测与传感技术、信息处理技术、自动控制技术等现代高新技术有机的结合，对 产品则要标准化、系列化、高可靠性、高稳定性，符合国际标准。 当电力系统发生故障时，就会伴随着电流突增、电压突降以及电流与电压间 相位差角发生变化，这些基本特点就构成了各种不同原理的继电保护装置。继 电保护装置正确快速地切除故障对电力系统起着极其重要的作用，可提高电力 系统的稳定性，快速恢复电压，减少对用户的影响，减轻电气设备的损坏程度， 防止故障的进一步扩大。 随着国民经济的迅速发展，城乡用电负荷量需求与日俱增，用户对电能质量 的要求愈来愈高。用户对电能质量的评价主要有以下几个指标：是电压质量， 它包括电压偏差、电压波动和电压闪变3 个方面的要求；二是频率；三是供电 可靠率，其中主要是年平均供电可靠率，即用户年平均供电时间的百分数；四 是谐波含量，应不高于规定的含量。传统继电保护已不能保证充足、可靠、合 格、廉价、连续和高质量的电能供应。技术的发展使得微机保护装置正逐步替 代传统的继电保护装置。 多年来，我国重发电，轻用电，对配电网用电质量及可靠性重视不够，忽视 了配电网的重要性和特殊性，造成了配电网供电可靠性差、设备落后、不安全 因素较多的状况。随着我国电网的发展，对配电网的可靠性要求提高了，意谚 两北工业大学硕士论文 到配电网的安全、可靠性和自动化也直接影响大电网的运行和经济效益。因此， 提高配电网的供电质量和供电可靠性，更好地为用户服务，成了电力部门关注 的焦点。目前配电自动化系统在我国的许多地区已经不再是一种理论探讨，而 是种实践。亦即不再是上与不上的探讨，而是怎么上的问题。自9 0 年代以来， 我国电力系统的3 5 k v 变电站逐步实现了四遥功能，规模覆盖变电站自动化、馈 线的故障定位与故障隔离和自动恢复供电、负荷控制、远方自动读表、最低网 损、电压无功优化，而变电配电和用电管理信息系统的配电网综合管理系统， 则是近年来才起步的。但是在配电自动化实践的过程中，已经出现的方案基本 上都通过由各型基本微机装景联合起来构成的智能节点来实现，例如东芝运行 方式；由于各型微机装置自身缺乏足够的数据采集通道和信息交换能力，负载 线上的故障单个微机装置本身无法识别，有时还不得不借助系统来判定；例如 网络运行方式。因此有必要将以上各个分立的微机装置合成为一个装置，使其 能够区分负载线上的故障、馈线上的故障以及节点内部的故障，减少断路器的 不必要的分合，这样就可以有效的提高供电可靠率，同时也延长断路器的寿命。 实际应用中，由于各型微机装置在容量和处理能力上的限制，使得它的功能 保持相对独立，导致了某些功能重复出现，设备重复配置，并造成了二次接线 复杂化，投资量增加。当前进行的输变电建设和城乡电网的建设与改造，对新 世纪电力工业发展有着重要的作用，因此，产品技术要先进，质量要过硬，应 达到1 0 2 0 年后也能适用的水平，而且产品必须要国产化。 新研制的电力系统综合测控装置，提供了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力，完善的自检能力，强大的通信能力，可以与其 它控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源。不仅整合了 r t u ( r e m o t et e r m i h a lu n i t ) 功能，即具备变电站综合自动化所必须的遥测、遥 信、遥控及其它远方操作功能，使之成为分散的针对被保护元件的保护、测控 装鼍。同时，具备硬件的通用化和软件模块的组态功能( p l c ) 以及软件的可升 级性，提供了各型微机装置的平台，使随后的任务集中在保护算法卜，而无须 西北工业大学硕士论文 考虑其他的硬件因素。所有这些都极大地方便了设计和使用，也为降低变电站 二次系统的造价提供了条件。即使不构成自动化系统，由于操作和使用界面的 一致性，以及丰富的辅助功能，也可以大大减少用户的使用和维护工作量。 l _ 1 2 电力系统继电保护的现状和展望 继电保护经历了机电式、半导体式、微机式的发展过程。由机电式到半导体 式是第一次飞跃，主要体现在无触点化、小型化、低功耗。由半导体式到微机 式是第二次飞跃，主要在数字化和智能化，包括机械本体、动力单元、执行机 构、检测传感及信号变送单元、信息处理单元和输入输出及接口单元等硬件元 素，在专家系统软件程序和逻辑运算的信息流引导下作有序规则运动。 我国继电保护技术在4 0 余年的时间里完成了发展的4 个历史阶段。阿城继 电器厂引进消化了当时国外先进的继电器制造技术，建立了我国自己的继电器 制造业，因而在6 0 年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教 学的完整体系。这是机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护技术的发展 奠定了坚实基础。自5 0 年代末，晶体管继电保护已在开始研究。6 0 年代中到 8 0 年代中是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代。其中天津大学与南京 电力自动化设备厂合作研究的5 0 0 k v 晶体管方向高频保护和南京电力自动化研 究院研制的晶体管高频闭锁距离保护，运行于葛洲坝5 0 0 k v 线路上，结束了5 0 0 k v 线路保护完全依靠从国外进口的时代。在此期间，从7 0 年代中，基于集成运算 放大器的集成电路保护已开始研究，到8 0 年代末集成电路保护已形成完整系列， 逐渐取代晶体管保护，到9 0 年代初集成电路保护的研制、生产、应用仍处于主 导地位，这是集成电路保护时代。在这方面南京电力自动化研究院研制的集成 电路工频变化量方向高频保护起了重要作用，天津大学与南京电力自动化设备 厂合作研制的集成电路相电压补偿式方向高频保护也在多条2 2 0 k v 和5 0 0 k v 线 路上运行。我国从7 0 年代末即已开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科 研院所起着先导的作用。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相 7 西北工业大学硕士论文 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 、1 9 9 6 年通过鉴定。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。可以说从9 0 年代开始我 国继电保护技术已进入了微机保护的时代。 电力系统不断向高电压、远距离、大容量的方向发展，系统的网架结构和运 行方式也日益复杂，计算机技术、通信技术的进步，继电保护技术面临着进一 步发展的趋势，国内外继电保护技术逐渐向计算机化，网络化和人工智能的趋 势发展。在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是 一台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。 它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被 保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机 保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测 量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。1 9 9 2 年天津大学提出了保护、控制、测量、通信一体化问题。目前，为了测量、保 护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、线路等的二次电压、电 流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆不但要大量投资，而 且使二次回路非常复杂。但是如果将上述的保护、控制、测量、数据通信一体 化的计算机装置，就地安装在室外变电站的被保护设备旁，将被保护设备的电 压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送到主控室，则可免 除大量的控制电缆。如果用光纤作为网络的传输介质，还可免除电磁干扰。现 在光电流互感器( o t a ) 和光电压互感器( o t v ) 已在研究试验阶段，将来必然在电 力系统中得到应用。在采用o t a 和o t v 的情况下，保护装景应放在距o t a 和o t v 最近的地方，亦即应放在被保护设备附近。从主控室通过网络可将对被保护设 备的操作控制命令送到此一体化装置，由此一体化装置执行断路器的操作。 随着新设备、新技术及各类应用软件的不断涌现，近年来配电自动化系统有 从集中远控向分布控制发展的趋势。一些线路设备配有相当智能的控制软件。它 两北工业大学硕士论文 们一方面通过s c a d a 系统与控制中心保持联络，另一方面能对现场事件独立作出 判断并即时反应。有效地提高了系统的反应速度，增加了运行的可靠性。现已将 配电网的检测计量、故障探测定位、自动控制、规划、数据统计管理集为一体， 出现了配电网自动化方案。其配电网的要求及发展可归结为以下几点： _ 一次设备技术性能好、可靠性高，不检修周期长。 一利用先进的电子技术，对设备进行自动化控制，以实现机电一体化。 - 一次与二次控制设备相结合，以提i 茼配电网供电可靠性。 - 快速故障定位，采用智能化设备，对故障线路自行判断和隔离，以最 快、最简单的方式恢复正常供电。 一加强配电设备数据库管理和负荷管理，在调度中心对负荷潮流进行控 制和调配。 利用计算机网络技术，加强电力企业各部门之间的信息共享，由配电 自动化( d a ) 发展为配电管理自动化系统( d m s ) 。 微机装置面向通用化、系列化、完全分散式、综合自动化的设计，采用大资 源的数字模件，高精度的a d 转换器，多处理器的冗余工作，现场总线技术， 如l o n w o r k ，c a n b u s 以及以太网技术，可以得到足够多的系统故障信息，准确 检测故障性质、故障位置和故障距离，做到保护对系统运行方式和故障状态的 自适应，同时在用户的使用过程中发展出了一些新的设计思想。 透明化设计思想。所谓“透明化设计”，就是在保护软件设计的同时设计相 应程序，以记录保护的各种元件的动作过程以及相应的各种电气量( 包括采样值 和中间运算结果) 。这样借助专门的分析软件，现场的继电保护工程师就可以清 楚地“看”到继电保护动作的内部过程，对保护的总体动作行为做出正确分析。 操作界面人性化设计。数字式保护的操作界面对于使用和维护者而言是非常 重要的，最新的发展趋势是全中文的操作界面和表格化、图形化的报告输出， 并支持通过专用调试分析软件由计算机进行就地或远程操作。易学、易用已成 为继电保护设计工程师重点考虑的一个方面，这些都极大地方便了现场工作人 西北工业大学硕士论文 员的使用和维护。 远方调度、继电保护的发展，不再满足于“四遥”功能，向遥视、电力m i s 、 电力市场( 经济调度) 、智能调度( 自动决定运行方式、自动恢复送电等) 方向发 展。远方监视继电保护及自动装置的运行情况，如装置是否故障、采样是否正 确、定值是否变化、自检是否正常等，远方修改保护定值，远方投退保护，远 方故障录波，远方故障测距，远方故障探索，远方故障分析等。 此外，新型的继电保护技术，诸如利用故障分量的继电保护，自适应继电保 护，小波变换与继电保护，g p s 在继电保护中用于实现异地同步采样已经开始使 用。此外，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在继 电保护领域应用的研究也己开始，用于求解由发电设备、变压器、输配电线路 和用电设备等组成的复杂的非线性动态问题。智能系统具备下述三种能力：1 学 习能力，2 适应能力，3 组织能力。目前国内外已开发了多种人工智能工具，包 括专家系统( e s ) ，人工神经网络( a n n ) ，模糊集( f s ) 和启发式搜索( h s ) 等。 1 2 本论文所完成的内容 为迎接新世纪的挑战，世界各国从事电力工业的技术人员正在积极地研制 新一代电力设备，国外一些知名的电力设备公司已经推出了他们的替代产品。 在我国，随着市场经济和科学技术的进一步发展，对传统电力工业的技术改造 势在必行，也为配电自动化技术的发展提出了许多新的课题。本文将对目前国 内电力系统微机测控装置的发展趋势做出探索性的应用研究，并在此基础上研 制出相应的配电自动化系统现场监控保护单元的样机。 1 2 1 电力系统综合测控装置的硬件设计内容 _ 电压基准源的设计和内部电源的变换 _ f 2 8 1 2 内部各模块的基本扩展包括复位逻辑处理，绝对实时时钟， 看门狗逻辑和s p i 接口等组成，主要完成装置的必备辅助功能。 1 0 西北工业大学硕士论文 开关量输入调理模块该模块对现场各种开关信号进行调理变换。 _ 控制和保护信号输出模块该模块接受中央处理和控制模块的命令 后输出各种控制和保护信号。 一 模拟量输入处理模块一该模块对现场各种交流电量( 电压、电流及频 率) 及其他模拟量进行调理后，首先采样保持，然后经过多路开关依次 送至a 0 转换器。 数据通信模块该模块完成装置与装置之间的高速信息共享，装置与 上位机之间，装置与维护口之间，装置与人机接口装置，装置与其他接 口的数据通信任务。考虑到与某些系统的兼容性以及随后的维护，装置 的数据通信模块配置为两个r s - 2 3 2 、c a n 1 2 2 电力系统综合测控装置的软件设计内容 根据模块化、结构化、层次化的设计思想，系统的软件可自上至下分成两 个层次来设计，每个层次具有不同的功能模块。 一 嵌入式r t o s 的裁减内核 由于系统的各个软件模块基本上都满足单调执行率调度法r m s 限a t e m o n o t o n i cs c h e d u l i n g ) 所提出的要求，所以该模块在通用的嵌入式r t o s 内核的 基础上，去掉了内存管理，简化了任务与任务之间的通信和同步，定制了任务 的调度模式，并且提高其内核的时钟节拍到模拟数据的同步采样频率，来完成 系统各任务的实时调度、通信过程的启动与监控、数据库资源管理等，同时将 所需的现场数据保存，根据数据库的设置命令来解释与处理模拟量的输入配置、 开入量的配置、保护信号的输出位置配置等。鉴于系统对实时性和可靠性的高 性能要求，同时为了简化设计过程、缩短设计周期，便于系统对硬件资源的协 调和严格定时，以及日后的进一步开发，对此调度内核做一些强制性的规定， 并且在时钟节拍处理模块中加入了周期性高频率任务的分时调度，以避免不必 要的任务切换。其他的一些任务的调度采用占先式调度策略。为兼顾高效和可 两北工业大学硕士论文 读性，将采用汇编和c 语言进行混合编程实现。 - 应用程序模块 在基于f 2 8 1 2 的实时多任务操作平台下，应用程序基本上可以通过相关的 任务( t a s k ) 完成。各类应用程序模块主要包括：用户程序的下载处理；通讯 数据的处理；模拟量的处理；各种保护算法；系统自检测管理等。 用户程序的下载处理模块在底层f l a s h 的接口模块和数据通信接口模 块的支持下，解码接收到的s 格式的用户程序的二迸制代码，然后写入f l a s h 中。下载成功后，系统转向用户程序，并且在系统上电的引导模块的支持下， 以后的启动后的控制权都交由用户程序管理。 通讯数据的处理模块在数据通信接口模块的支持下，响应接收到的数 据，并将其所需要的数据打包后，再交由数据通信接口模块发送。 模拟量的处理模块在模拟量输入接口模块的支持下，完成交流信号的 f f t 算法、有效值与功率计算等。 各种保护算法模块在模拟量的处理模块和i o 信号接口模块及测频模 块的支持下，运用不同的保护算法，例如三段式电流保护、重合闸、配网( 东 芝算法与网络算法) 保护、低周保护等，条件满足后，通过i o 信号接口模块 发出继电器动作信号。 定值和运行参数的校验模块根据设定的存储规则来校验r a m 中的定值 和运行参数。规则不满足时，调用s p i 存储器的接口模块来刷新此段r a m ，并且 设置相应的标志。 系统自检测管理模块在b s p 的支持下管理模拟量通道、开出量、c p u 的 白检测信息，以及系统定值和运行参数的校验信息等。如果发现装置自身内部 有错误，则通过数据通信接口模块和t o 信号接口模块以及就地指示发出报警， 并且提供故障的定位指示。 西北工业大学硕士论文 第二章需求分析与设计方案 2 1 测控系统需求分析 在电力自动化发展的初期，由于信息量比较少，集中式的系统结构基本上 能够满足需求，然而随着检测手段的提高，各种自动化管理软件的增多，对主 机的计算速度和吞吐量要求越来越高，这种集中式的结构己显示出明显的局限 性，同时规模到定程度后其不易扩展的特点也变得越来越突出。集散式结构 从形式上实现了系统结构的分散化，提高了系统工作的可靠性，是集中式的一 个大改进，但它并没有实现真正的功能分散化，主机的负担也没有得到减轻， 一旦主机不能工作，整个系统将陷于瘫痪。分布式结构则以功能集成化的现场 智能装置和开放、标准的通信协议为基础，将系统功能彻底分散化，主机仅保 留总体监控、信息显示以及与上位系统通信的功能，大大减轻了负担，因而具 有吞吐量大、易于扩展、实时性和可靠性高的优点，是目前电力自动化技术发 展的趋势。因此，这里采用分布式的结构方案，装置层系统结构如下图2 i 所 示： 图2 i 装置层系统结构 现场监控保护装置作为变电站最底层的基本组成部分，也是电力电网调度 自动化系统、远动监视控制与数据采集s c a o a ( s u p e r v i s o r yc o n t r o la n dd a t a 堕苎三些奎兰婴主堕苎 a c q u i s i t i o n ) 、r t u 的一个重要组成部分，同时本身又是一个独立的数据采集、 继电保护及控制系统。其基本性能要求主要有可靠性、准确性、实时性、独立 性等。随着计算技术的发展，已经由单台现场监控保护装置发展为今天的s c a d a 系统。当现场需要多台监控保护装置并联工作时，装置的级联示意图如图2 2 所示： 鞭件1 图2 2 装置的级联结构 1 4 西北工业大学硕士论文 一般来说，最小的监控保护装置主要包括：c p u 主系统、模拟量数据采集模 块、开关量输入输出系统、网络通信、电源模块等部分。c p u 主系统包括c p u 以 及内部各模块的基本扩展包括复位逻辑处理，绝对实时时钟，看门狗逻辑， 存储器等。模拟量数据采集模块完成现场各种模拟电量的同步采集。输入输出 系统包括各型的并行接口适配器、光电隔离器件等完成各种保护的出口跳闸， 信号报警，外部节点的输入等。网络通信完成装置与外界的信息交换，包括装 置与装置之间的高速信息共享，装置与上位机之间，装置与维护口之间，装置 与人机接口装置，装置与其他接口的数据通信。 微机保护装置的发展已经经历了以下几个阶段：第一阶段以低廉的单c p u 的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式a 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。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。第三阶段以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。 由于微机保护装置使用的处理器、数据采集系统、数字通信方式对其工作 性能影响很大，因此，在保证硬件结构相对稳定的情况下，应尽可能地采用新 型高性能硬件芯片。由于继电保护的重要性，在各种微机保护装置的设计中都 十分强调其独立性，亦即个装置就是一个独立的系统。现阶段，由于新型高 性能硬件芯片和可编程的逻辑器件不断出现，正逐步简化系统的硬件设计，降 低了元器件的数目，也提高了板件的可靠性。实践中，3 2 位 c p u d s p + c p l d f p g a + f i e l d b u s 的系统结构，吸收了前三个发展阶段的优点，正 逐步成为设计的主流。 一高压线路微机保护 西北工业大学硕士论文 对于高压和超高压输电线路微机保护装置，多单片机构成的多c p u 硬件结 构已成为现行的实际标准。它的基本特点是，电压频率转换原理的数据采集系 统为整套装置的公共部分，其频率输出信号分别传送给各个保护插件，再由各 个保护插件完成相应的测频、采样值标度变换、保护功能计算。3 个保护c p u 分 别完成高频保护、距离保护、零序保护功能，监控c p u 主要负责人机接口、保 护定值管理、通信控制、保护c p u 运行状态监控等功能。3 个保护插件启动元件 按“三取二”的原则启动各套保护装置的出口网路，从而大大提高了保护装置 的可靠性。 然而，这种多c p u 微机保护装置采用了不完全冗余技术。保护输入和输出 通道不采用冗余技术，而只是在信号处理部分采用。如果模拟输入通道和数据 采集系统发生故障，那么，输入3 个c p u 插件的故障数据将不再准确，整套装 置不能正确工作；跳闸出口通道发生故障，整套装置同样不能正确工作。因此 整个保护装置并不因为采用了多c p u 技术而使可靠性大幅度提高。 多c p u 微机保护装置除完成本线路的继电保护功能之外，同时还必须完成 相邻线路的远后备保护功能。广泛使用的多c p u 微机保护装置中，距离保护三 段和零序保护三段，都具有远后备的功能。在距离保护c p u 插件或者零序保护 c p u 插件发生故障时，即使线路的主保护可以正常工作，仍然将失去远方后备保 护的功能。基于上述原因，在高压和超高压输变电线路中，不但主保护必须双 重化配置，后备保护也必须双重化配置。 不过，数量庞大的1 1 0 k v 及以下输电线路大多只配置一套微机线路保护，因此， 对于可能失去远方后备保护的问题应当引起足够的重视。 此时，采用多块这样的监控保护装置相互并联，每块均完成类似的功能， 通过内部的现场总线或者外部闭锁就可以保证系统的完全冗余，而且此时装置 与装置之间的耦合最小。 _ 低压线路的微机保护 低压线路的微机保护装置基本上可咀分为两种方式，一种为“一对一”方 1 6 西北工业大学硕士论文 式，即一套装置实现一条线路的保护；另一种为“对n ”方式，即一套装置实 现多条线路保护。采用“一对一”实现时，一套装置负责一条线路或者一台变 压器的测量、保护和控制，有些厂家还采用了密封化设计，可以有效地防尘、 防潮、抗电磁干扰，可以就近安装在被控设备上，节省电缆，可靠性高，安全 性好。这类装置大都采用单片机设计，一些产品还采用了带有网络控制器的单 片机，以便与自动化系统接口。这种类型的微机保护装置硬件和图2 2 所示的 一个最小监控保护装置类似。 采用“一对n ”实现时，一套装置负责多条线路或变压器的测量、保护和控 制。对于中低压变电站，由于其一次设备相对较少而且较为集中，所用二次电 缆不太长，相应的干扰也较小，可以考虑使用分布式组态、集中式组屏方案。 它具有分布式结构的全部优点而又便于设计安装及运行维护，为中低压变电站 广为采用。实现“一对n ”方案的另一种方式是直接使用集中式微机保护装置。 其最大优点是，由于性能价格比高，可以方便地构成双机冗余系统，在一套装 置故障时，另一套装置可以继续工作，从而大大提高装置运行的可靠性。集中 式微机保护装置常常采用工控机实现，但是现在为了进一步降低成本，在适当 牺牲一些性能的情况下，往往也用高端的单片机系统实现。在应用中，对于“一 对n ”的方案，已经有用户提出n = 6 的要求，而且这种方案还要求在一个开关柜 中实现，类似于“一对一”的方式。 配网应用 随着前置装置性能的不断提高，近年来配电自动化系统从集中远控向分布 控制发展。原来由于受到装置容量的限制，一台前置装置不可能兼顾一个节点 对应的几条线路的状态。传统的利用智能开关进行故障隔离与恢复的方法，仅 仅适合于简单馈线的故障隔离与恢复，并且为了达到隔离恢复的目的，可能需 要反复重合于故障之上，使设备遭受不必要的损害，供电恢复时间较长。当改 进前置装置性能后，就可以监控节点的全部状态，能够识别出是节点内部的故 障，是负载线上的故障，还是馈线上的故障。这样它们一方面和控制中心保持 西北工业大学硕士论文 联络，另一方面能对现场事件独立做出判断并即时反应，有效地提高了系统的 反应速度，增加了运行的可靠性，避免开关反复重合于故障之上。一个传统的 标准节点为c c f ，现在已经要求向c c f f f 方向发展。 2 2 系统的配置分析 最小的监控保护装置应该包括那些配置此处加以简单讨论。 c p u 主系统的复位逻辑处理、看门狗逻辑等在工业控制中必不可少。以往的 装鬓中，往往采用软时钟的实现方案，亦即用c p u 来模拟系统的实时时钟，但 是在系统掉电或者程序跑飞时，时间就可能紊乱，再次启动后，必须有人或者 系统的干预，才能正常。随后的设计加以改进，采用并行接口或者串行接口的 带保持能力的实时时钟，由于受器件的限制，这两种改进的最小时间分辨率一 般为0 1 s o o l s ，在某种程度上还必须由系统软件加以细化。为了寻求更高的 精度，还可以采用g p s 来授时。如何保证器件间时钟的绝对同步，也是电力系 统的一个研究课题。考虑到实际的因素，本次设计中兼顾了两种接口，在实际 运用中再加以对比和改善。 以往的系统中，为了满足震动指标的要求，程序往往需要在o t p r o m 或者 e e p r o i d 中固化后，然后焊接在p c b 板上，此时p c b 板的通用性比较，当目标程 序需要改变时，这种问题就表现的日益严重，维护性差。所以有改进的方案采 用带j t a g 接口的f l a s h 闪存存储器，不通过c p u 来更改程序，但是随后维护时， 就必须打开装置。所以有必要保留o t p r o m 来存储系统上电的b o o t 程序，由此 来支持用户程序通过通讯口更改。此外，系统的定值和运行配置参数在应用中 需要不断的更改，往往采用在线可编程的存储器，由于受f l a s h 分块物理机制 的限制，所以它不宜用来存储定值等，而适合大批量的不经常发生数据的非易 性存储，如故障录波，s o e 事件等。 那么，本系统支持多少路模拟量输入信号才能最大限度满足实际需要，并 且达到控制和性能的最优? 在配网应用中，传统的标准节点c c f 一般所要求的 西北工业大学硕士论文 交流模拟量为：4 8 路电压量+ 4 路电流量3 = 1 6 2 0 ，c c f f f 一般所要求的交流模 拟量为：4 8 路电压量+ 4 路电流量* 5 = 2 4 2 8 。考虑到系统一般还需要测量的直 流模拟量包括蓄电池电压、温度信号，充电电流等。在多达“对六”的低压 线路微机保护应用中，一般所要求的交流模拟量为：4 路电压量+ 4 路电流量 * 6 = 2 8 。在高压线路微机保护中，并不要求装置兼顾几条线路，所以对模拟量输 入信号的并不是要求很多，在同步采样，分时转换的方案中，就可以通过减少 模拟量的路数来提高采样频率。综上所述，由于2 4 模拟量路数 2 5 ，同时保留一 定的冗余，适合采用最大3 2 路模拟量输入，配置4 路直流信号测量。 在c c f f f 的应用方案中，控制和保护输出信号至少要求：5 * 2 ( 5 个开关的 分断和闭合控制) + 故障输出十告警输出+ 装置本体故障- - 1 3 路。在多达“一对六” 的低压线路微机保护应用中，控制和保护输出信号至少要求：6 * 2 ( 6 个开关的 分断和闭合控制) + 故障输出+ 告警输出+ 装置本体故障- - 1 5 路。所以选择了1 6 路 继电器输出信号。 现场应用中，开关量输入信号包括断路器的位置，外部跳闸控制，外部状 态信号如瓦斯信号，油温信号等十几路信号。为便于系统处理，一般设置系统 采集外部1 6 路开关量输入信号就足以满足实际的需要。 装置不可能是一个信息封闭体，需要和外界进行数据交换，包括通过自身 的诊断口和诊断程序通信，通过人机界面接口和外部显示装置通信，通过监控 机接口进行大批量的数据传输，通过现场总线接口和其他并联的装置相互交换 数据以适合高压线路微机保护等。一般应该配置3 4 个通信口才可以灵活的满 足实际的需要。 一般来说，装置都应该检测外部输入信号的频率，在某些应用中，还需要 检测两路以上的频率信号，以完成输入信号的检同期，所以装置至少应该能检 测两路频率信号。 1 9 西北工业大学硕士论文 2 3 硬件设计方案 2 3 1c p u 的选择 选择什么级别的c p u 才能满足微机保护的要求，关键是速度，也就是说c p u 能否在两个相邻的采样间隔内完成必须完成的工作。c p u 的制造正在向两个方向 发展，一种是往快速、功能强的方向发展，例如m o t o r o l a 的6 8 k 系列、t i 的 t m s 3 2 0 c x x 、a d s p 2 1 8 1 等，这种芯片都具有较多的地址线和数据线，其目标是适 用于大量存储器和高级语言的微机系统以及嵌入式系统中。另一种方向是在相 同的集成能力下，不集成高性能的c p u ，而把许多其他功能，例如a d ，i v a ， f l a s h ，定时器，c a n 控制器，u s b 控制器，液晶驱动显示接口等集成在一个芯 片上，例如增强型的m c 一5 1 ，m p s 4 3 0 等。这种芯片没有大量的数据线和地址线， 外部扩展能力较弱，一般用于专用的不需要大存储量的实时控制系统中。 一微机继电保护属于实时控制系统，由于受到算法的限制，过分的加快 c p u 的运行速度，并不能无限缩小保护的动作时间。在实践的过程中， 已经逐步向大容量、强数据处理功能力等方向发展。考虑到微机继电保 护对可靠性的苛刻要求，没有选择r a m 运行方式和低电压工作的c p u ， 参考国内外先进的微机继电保护技术方案，例如s e l 公司的s e l - 3 5 1 a ， 施耐德、西门子、a b b 、g e 、南自、南瑞等的尖端产品，此次设计采用 t i 的3 2 位d s p 系列t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 作为主控c p u 。 2 3 2 通信接口的设计方案 因为f 2 8 1 2 自带两个u a r t 口，外加不同的接口芯片可以构成r s 一2 3 2 ， r s 一4 8 5 。板上的现场总线控制器采用c a n 控制器，用f 2 8 1 2 的e c a n 模块和相关 的外部驱动电路实现。通信接口的此种扩展方案由于比较常见，相关资料比较 多，此处就不做过多的说明，仅在一些特殊的处理技巧上加以说明。 西北工业大学硕士论文 2 4 软件设计方案 2 4 1 软件开发流程的分析 在嵌入式系统的应用中，如何缩短产品的开发周期，降低开发成本，提高 产品的可靠性已经成为行业普遍关心的问题。在系统的设计中，一般采用以下 三种设计流程 瀑布开发流程 这种模式开发过程工作模式简单，任务的划 分协调及人员的安排、物质材料的分配管理都比 较容易。如图2 3 所示，软件的开发过程和硬件 的开发过程一样，流水线式进行。 这种开发模式适合于以下情况的开发： 1 ) 开发所需的人力、物力资源比较有限， 一般一人或者几个人就可以完成。 2 ) 对开发周期要求不高的小系统。 3 ) 要求开发人员素质比较高，对软硬件设 计和制作都因该比较熟悉。 4 ) 在开发过程中，任一环节的阻塞会影响其图2 3 瀑布模式开发流程 他环节的开发。 v 模式开发流程为一并 行的工作方式，任务的划分 协调和人员的安排、4 物质材料 的分配都需必须考虑不问的内容。 如图2 4 所示，这种开发模式 2 1 图2 4v 模式丌发流程 西北工业大学硕上论文 改进了瀑布开发流程的缺点，但是仍然存在问题： 1 ) 设备驱动程序的移植性较差，与硬件和操作系统紧密相关； 2 ) 软件测试要等硬件完成以后才能进行； 3 ) 对于每个设备驱动程序，开发人员都需有软硬件知识背景； 4 ) 测试的过程中，很难判断错误是由硬件还是软件造成。 改善v 模式开发流程 对普通的v 模式开发过程加以改善，即增加硬件抽象层，对系统的软硬件 进行隔离，从而提高系统软件的可移植性，有效利用人力资源，缩短开发周期， 提高产品的可靠性。具体说来就是制定统一的软硬件接口标准，一般包括硬件 的初始化、数据的输入输出操作、硬件设备的配置等。但是硬件抽象层仍然和 硬件紧密相关，却已经和操作系统无关，这部分的设计需要基于系统需求来做， 代码由对硬件比较熟悉的人员来做。现在这种流程已经被广泛采用，如图2 5 所示。 增加的 需求分析 硬件抽象层的定义 基于硬件抽象 层的硬件驱动 程序设计 基于硬件抽象 层的虚拟硬件 驱动软件设计 图2 5 改善的v 模式歼发流程 一一一一一一一 西北丁业大学硕士论文 由上图可见，具有可铷0 试性的接口设计有利于系统的软硬件测试和集成。在 本次设计中，考虑到人力和物力的实际情况以及论文的目的，仍然采用了瀑布 开发流程。 2 4 2 层次化模块化的设计分析 由本节2 4 1 的软件开发流程分析可以看出，在软件的设计过程中，面对 硬件平台的诸多模块，不可能不采用结构化的设计思想。首先，应该考虑的是 设计各个硬件模块的驱动程序，尽量避免应用软件直接驱动硬件，而是通过驱 动程序来访问硬件，这对提高软件的结构化是不言而喻的。其次，诸多的驱动 程序不可能都在应用软件的管理f 运行，必须增加一级管理机构，来处理和调 度一些周期性运行的驱动程序，例如模拟量的采样，保护控制信号的周期刷新， 定值的校验等。最后一层才是应用程序，比如数据的打包封装处理，保护算法 等。这样系统软件的维护性、可读性才能比较好。即使在调试的过程中出现问 题，也可以很快的定位处理排除。 2 4 3 任务与调度系统的分析 在系统的软件进行了模块化的分层以后，驱动程序和应用软件采取一种什么 样的调度才能满足实际的需要呢? 常规的前后台系统( f o r e g r o u n d b a c k g r o u n ds y s t e m ) 适合于不复杂的小系 统，一般此种系统采用后台轮循、前台中断的调度方案基本上就可以满足要求。 在复杂的系统中，由于处理的任务比较多，不可能采用前后台系统的轮循调 度方案。为了程序的设计和维护，一般都采用多任务调度策略。在多任务的调 度策略中，有占先式内核和非占先式内核，其简单示意图如图2 5 所示。很容 易看到，在非占先式内核中。即使高优先级的任务已经就绪，它也不能在中断 退m 的时候马上得到运行。必须等到低优先级的任务运行结束以后才可以获得 程序的控制权。在占先式内核中，中断退出的时候，最高优先级的任务马上得 西北工业大学硕士论文