电力系统继电保护通用仿真分析系统的方案设计

摘要：本文介绍了基于以太网络的电力系统继电保护通用仿真分析系统的设计和应用。该系统采用了数字信号处理器技术、嵌入式PCI04系统，可应用于动态模拟试验室进行科学研究．将极大地提高科研效率．减少人力、物力消耗。

关键词：仿真；继电保护；动态模拟；数字信号处理器

1、引　言

随着电力系统的发展，电源增多，电网扩大，自动化程度提高，许多计算与控制问题日益复杂，但无论从现有技术上，还是从供电的可靠性及设备的安全性考虑，直接在实际电力系统中进行各种实验，可能性很小，因此要运用电力系统仿真来解决这些问题。

针对上述情况，设计开发一种通用的电力系统继电保护和安全自动装置系统。它可以直接应用在静态或动态的物理模型上。本系统能提供强大的功能，并具备了完全开放性，研究人员通过分式确定的算法可添加到系统中去，使得该系统具有知识积累功能。

2、硬件设计

2.1　TMS320C32数字信号处理器简介

仿真单元中的处理器采用TMS320C3X系列的浮点数字信号处理器TMS320C32。它是一种硬件功能强大、开发环境及相应开发平台先进的微处理芯片。C32型DSP的主要功能结构如下：

(1)哈佛结构

C32的内部总线结构为哈佛结构：将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。分开的程序总线(PADDR和IIPDATA)。数据总线(DADDRl，DADDR2和DDATA)和DMA总线(DMAADDR和DMADATA)。使程序的提取，数据存取和DMA的存取可以并行地进行。为了进一步提高运行速度和灵活性，TMS320系列DSP芯片在基本哈佛结构的基础上做了改进。

(2)流水线操作

DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。TMS320C32采用四级流水线，在四级流水线中，取指(F)，译码(D)，读(R)和执行(E)各自独立执行，这使得指令的执行完全重叠，也就为CPU极高的执行速度创造了条件。

(3)丰富的寄存器资源

C32的多端口寄存器组具有28个寄存器。该寄存器组与CPU紧密耦合，所有这些寄存器可被乘法器和ALU操作，并可被用作通用寄存器。然而各个寄存器还具有特殊的功能。

(4)专用的硬乘法器

乘法器是DSP的重要组成部分，乘法可以在一个指令周期完成。

(5)特殊的DSP指令

DSP芯片的另―个特征是采用特殊的指令。这些特殊的指令使得许多算法的完成上变得很容易。如：并行处理指令、位倒转寻址指令等。

(6)快速的指令周期

哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计，DSP芯片的指令周期40 ns。而大多数指令为单周期指令。

(7)灵活的外部总线接口，BOOT(即程序加载)功能简化了系统的设计。

2.2　系统结构

系统由数据采集与处理单元、中层管理单元、网络部分和中央控制计算机系统组成。其中中层管理单元采用PCI04系统，作为嵌入式PC机的一种．在软件与硬件上，PC/104与标准台式PC(PC/AT)体系结构完全兼容，但在形态上，PC/104是十分紧凑、自栈式、模块化结构。PC/104把各种台式PC重新包装以满足要求坚固、可靠、尺寸受限的嵌入式系统的方法进行了标准化；PC/104产品具有微型尺寸、栈接式总线、总线信号功能与PC/AT总线相对应的信号完全相同、减小总线驱动、ALL-n ONE(内存、电子盘及以太网等外设集于一块印制版中)等特点。中层管理单元和数据采集与处理单元采用双口存储器进行高速数据交换，满足系统实时仿真要求。中层管理单元与中央控制计算机通过10 m以太网连接，以太网具有较高的带宽．但由于其协议为CSMA/CD方式，故当带宽占用率过高时可能会引起冲撞而降低通过率。由于这种技术特点，当带宽占用率低于37％时，可以基本避免冲撞，充分满足实时要求。

2.3　数据采集与处理单元的设计

本单元以TMS320C32数字信号处理器为核心，电路包括64 k×8EPROM程序存储器(驻留程序)、2 M字节数据存储器(运行程序及数据存储)、申行EEPROM24C16(保存系统参数)、双端口RAMIDT7134(与中层管理机单元进行数据交换)等构成数据处理系统。GPS秒脉冲接收电路用于给采样数据及各种变量加注时标。模数转换采用14位自校准的A/D转换器AD7865，其内部集成了采样保持电路、多路转换开关等，精度高，性能稳定。同时，为了提高精度，采用了外部参考电压源来提供AD转换的参考电压。

3、工作原理

建立在以太网络基础上的继电保护实时仿真系统的工作原理是：通过中央控制计算机建立工作模式、仿真对象和控制逻辑；然后通过网络下达命令到仿真子系统、序列控制子系统；序列控制子系统建立故障形态。仿真子系统根据要求进行数据的采集处理，以变量的形式连续输出返回中央控制计算机；中央计算机根据先前的设定计算并根据计算结果和设定的控制逻辑决定是否命令序列控制单元进行相应的操作。就仿真子系统而言，它有两种工作模式：录波模式和仿真模式

录波模式下，在网络连接建立起来以后，在中央控制计算机可设定录波启动方式、停止方式、通道、采样速率。

仿真模式下，以线路距离保护为例，假设我们需要仿真发生故障的情况下保护感受到的故障点处的电阻、电抗变化以及根据电阻和电抗的计算结果进行跳闸操作。

4、结　论

本文所介绍的电力系统继电保护及安全自动装置实时仿真系统以以太网络为依托，对中央控制计算机和仿真子系统的功能进行了合理划分。在此基础上设计了I：ATMS320浮点数字信号处理构成的高速数字处理系统。该系统的成功应用将给科学研究及教学带来很大的便利。