基于DSP与ARM双处理器的微机继电保护装置的研究

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DSP与ARM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DSP+ARM双CPU结构，以TI公司的DSP TM320C5402为保护核心，实现数据采集、数据处理以及保护功能。以ATMEL公司的ARM9芯片AT91RM9200为控制核心，实现人机接口、通信功能。DSP与ARM之间通过DSP自带的主机接口HPI进行数据通信。围绕DSP+ARM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DSP、ARM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DSP与ARM之间数据通信HPI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。微机保护不同功能的实现，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μC/OS-Ⅱ的微机保护软件设计方案。在详细分析μC/OS-Ⅱ的内核的基础上，将μC/OS-Ⅱ实时操作系统移植到ARM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。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究课题的背景及意义

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

1.2.2 微机继电保护装置的发展趋势

1.3 实时多任务操作系统(RTOS)

1.3.1 RTOS概述

1.3.2 微机继电保护软件设计引入RTOS的必要性

1.3.3 微机继电保护软件设计引入RTOS的可行性

1.4 本论文所完成的主要工作

第二章 微机保护装置的硬件平台设计

2.1 硬件架构方案的选择

2.2 微机保护装置的整体框架

2.3 DSP芯片TMS320C5402概述

2.3.1 TMS320C5402的特性

2.3.2 TMS320C5402外围最小系统硬件电路设计

2.4 ARM芯片AT91RM9200的概述

2.4.1 ARM体系结构

2.4.2 AT91RM9200微处理器简介

2.4.3 AT91RM9200外围最小系统电路设计

2.5 数据采集模块设计

2.5.1 电压形成回路

3.5.2 模拟滤波器

2.5.3 A/D模数转换

2.5.4 开关量输入采集回路

2.6 控制模块

2.6.1 开关量输出回路

2.6.2 蜂鸣告警电路

2.7 人机接口模块

2.7.1 LCD电路设计

2.7.2 键盘电路设计

2.7.3 LED电路

2.8 通讯模块

2.8.1 RS-232串行总线接口

2.8.2 CAN总线接口

2.8.3 以太网接口

2.9 DSP与ARM数据通信

2.9.1 HPI接口介绍

2.9.2 HPI接口硬件设计

2.9.3 HPI的数据传送过程

2.10 电源模块

第三章 微机保护算法选择与分析

3.1 正弦函数模型算法

3.1.1 两点乘积算法

3.1.2 导数法

3.1.3 半周积分算法

3.2 周期函数模型算法

3.2.1 全波傅立叶算法

3.2.2 半波傅立叶算法

3.3 随机模型算法

3.3.1 最小二乘法

3.3.2 卡尔曼滤波算法

3.4 各种算法的对比分析

3.5 含有衰减直流分量下傅立叶算法的误差分析

3.6 一种精确俏除衰减直流分量影响的算法

3.7 主要电气参数的计算

3.7.1 频率的测量

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

第四章 微机继电保护装置软件的总体设计

4.1 软件系统设计方案

4.1.1 传统微机保护存在的问题

4.1.2 基于RTOS的微机保护的优点

4.1.3 选取MC/OS-Ⅱ作为微机保护软件实时内核

4.2 装置软件设计

4.2.1 DSP保护系统软件的设计

4.2.2 ARM管理系统软件的设计

4.3 ARM管理系统软件流程设计

4.3.1 通信程序

4.3.2 人机交互程序

4.4 HPI数据通信程序设计

第五章 实验结果与分析

5.1 算法的仿真

5.2 DSP中的算法计算流程框图

结论与展望

参考文献

致谢

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