（電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化專業(yè)論文）分布式母線保護(hù)新型通訊方案的研究.pdfVIP

聲明戶口明 本人鄭重聲明：此處所提交的碩士學(xué)位論文分布式母線保護(hù)新型通訊方案的 研究，是本人在華北電力大學(xué)攻讀碩士學(xué)位期間，在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取 得的研究成果。據(jù)本人所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外，論文中不包含其他 人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得華北電力大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位 或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作 了明確的說明并表示了謝意。 學(xué)位論文作者簽名：王7 凡名玉日期：2 o d 5 ，2 如 關(guān)于學(xué)位論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解華北電力大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保管、 并向有關(guān)部門送交學(xué)位論文的原件與復(fù)印件；學(xué)校可以采用影印、縮印或其它復(fù)制手 段復(fù)制并保存學(xué)位論文：學(xué)校可允許學(xué)位論文被查閱或借閱：學(xué)?？梢詫W(xué)術(shù)交流為 目的，復(fù)制贈(zèng)送和交換學(xué)位論文；同意學(xué)校可以用不同方式在不同媒體上發(fā)表、傳播學(xué) 位論文的全部或部分內(nèi)容。 ( 涉密的學(xué)位論文在解密后遵守此規(guī)定) 作者簽名：壘蘭墊扎 導(dǎo)師簽名：碰 日期：矽墮：垡：少 華北電力人：學(xué)碩十學(xué)位論文 第一章引言 母線是發(fā)電廠和變電所的重要組成部分，是電力系統(tǒng)中極為重要的元件，是輸 配電的樞紐。因此，母線工作的可靠性將影響到電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。高壓母 線是電能匯集與分配的樞紐，高壓母線故障是電力系統(tǒng)最嚴(yán)重的故障之一，必須以 極快的速度切除，否則將會(huì)引起事故的擴(kuò)大，破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，造成電力 系統(tǒng)的瓦解事故。因此，研究可靠性高、選擇性好、動(dòng)作速度快的母線保護(hù)一直為 繼電保護(hù)工作者們所關(guān)注。_ 1 1 1集中式微機(jī)母線保護(hù)的優(yōu)缺點(diǎn) 目前國內(nèi)的母線保護(hù)多為集中式微機(jī)母線保護(hù)，即將母線上各條出線c t 的二 次側(cè)按同極性分別相連，并在模擬量和回路上接入差動(dòng)繼電器構(gòu)成保護(hù)。在硬件結(jié) 構(gòu)上，集中式微機(jī)母線保護(hù)因襲了傳統(tǒng)保護(hù)的作法，即將各條出線的c t 二次側(cè)用 電纜引至控制室的保護(hù)屏上。微機(jī)母線保護(hù)一般沒有公共的差電流回路，并且利用 軟件補(bǔ)償來解決電流互感器( c t ) 變比不一致的問題，對數(shù)字量運(yùn)算還便于采用更 為復(fù)雜、可靠的判據(jù)。1 但是集中式微機(jī)母差保護(hù)也存在以下缺點(diǎn)： 隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化水平的提高以及微機(jī)保護(hù)在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用、變 電站綜合自動(dòng)化在全國的逐步推廣，保護(hù)分散布置、就地化已成為發(fā)展的趨勢，微 機(jī)型母線保護(hù)也將成為整個(gè)變電站保護(hù)和控制的一部分。綜合自動(dòng)化變電站往往采 取分層分布式布置，前置單元布置于開關(guān)場內(nèi)，變電站后臺監(jiān)控及遠(yuǎn)動(dòng)與前置單元 之間的通訊通過網(wǎng)絡(luò)或現(xiàn)場總線進(jìn)行，其介質(zhì)僅為少量的通訊電纜或者光纜。而作 為綜合自動(dòng)化變電站一部分的母線保護(hù)，如采】；1 ) ( 集中布罱，就必然存在大量的從丌 關(guān)場連接到控制室的二次電纜，這不僅會(huì)提高整個(gè)工程的造價(jià)，而且造成整個(gè)變電 站設(shè)計(jì)與建造的不協(xié)調(diào)，導(dǎo)致維護(hù)與管理上的困難。 從c t 二次側(cè)到控制室的二次電纜使得c t 二次阻抗較大，不利于防止c t 飽 和。 從c t 二次側(cè)到控制室的二次電纜較長，也使得模擬電流信號容易受到變電 站強(qiáng)電磁干擾的影響。 隨著電網(wǎng)規(guī)模的日益擴(kuò)大，變電站母線上的出線數(shù)日益增加，母線保護(hù)所要 處理的信息量也隨之增大，這對于集中式數(shù)字保護(hù)中c p u 的處理能力提出了更高的 要求，從而導(dǎo)致了保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化，可靠性降低，無法適應(yīng)就地布置的要求。 從另一個(gè)方面來說，集中式微機(jī)母線保護(hù)的結(jié)構(gòu)及其處理能力也限制了它的靈活性 和擴(kuò)展性。1 1 華北電力大學(xué)碩士：學(xué)位論文 因此，研制具有面向間隔、分散處理功能、采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的分布式母線 保護(hù)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)和迫切得任務(wù)。 1 2分布式微機(jī)母線保護(hù)需要解決的問題 分布式微機(jī)母線保護(hù)克服了集中式微機(jī)母線保護(hù)的缺點(diǎn)，將集中式微機(jī)母線保 護(hù)各項(xiàng)工作分布實(shí)現(xiàn)，即分布式數(shù)據(jù)采集、分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及算法和保護(hù)功能的分 布式實(shí)現(xiàn)，提高母線保護(hù)動(dòng)作的可靠性、選擇性和速動(dòng)性，更加滿足了電力系統(tǒng)安 全穩(wěn)定運(yùn)行對母線保護(hù)的要求，適應(yīng)了母線保護(hù)的發(fā)展趨勢。但是它們與集中式微 機(jī)母差保護(hù)相比，還需要解決兩個(gè)技術(shù)難題： 實(shí)時(shí)傳輸大量數(shù)據(jù)。分布式母線保護(hù)的各保護(hù)單元分散布置，只對本單元的 電流進(jìn)行采集和a d 轉(zhuǎn)換，為了得到其它單元的采樣數(shù)據(jù)，必須借助與通信網(wǎng)絡(luò)， 而數(shù)據(jù)的傳輸需要在一個(gè)采樣間隔內(nèi)完成，也就是說各保護(hù)單元均要在一個(gè)采樣間 隔內(nèi)得到其它所有保護(hù)單元的采樣數(shù)據(jù)，因此需要高速、可靠的通信網(wǎng)絡(luò)。 高精度的同步采樣技術(shù)。采樣值差動(dòng)算法是以基爾霍夫電流定理為基礎(chǔ)的， 其基本要求就是參與計(jì)算的采樣值必須在同一時(shí)刻采集，因此要求各f a j 隔單元之i 訓(xùn) 的采樣同步必須保持較高的精度。 為了解決這兩個(gè)技術(shù)難題，國內(nèi)外的研究機(jī)構(gòu)提出了各種分柿式母線保護(hù)通信 方案，如日本東京電力公司研制的采用i e e e 一8 0 2 4 令牌總線協(xié)議局域網(wǎng)的分布式母 線保護(hù)、i e e e 8 0 2 5 令牌環(huán)局域網(wǎng)、a b b 公司研制的r e b 5 0 0 型分布式母線保護(hù)、 以及基于光纖數(shù)據(jù)通訊接口f d d i 的分布式母線保護(hù)。在參考以上各種通信方案的 基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種新型的通訊網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)本通訊網(wǎng)絡(luò)提出了一種采樣同步 方法。 1 3 論文意義和所作工作 1 3 1 論文的意義 分布式母線保護(hù)分為完全分布式和不完全分布式兩種。1 完全分布式指裝置完 全就地化，各個(gè)單元平等，無主從關(guān)系，這種分布式方式只能分布放置。不完全分 布式指絕大多數(shù)單元就地化，而有少數(shù)單元需要集中放置。分布式母線保護(hù)與傳統(tǒng) 的集中式母線保護(hù)相比，具有以下的優(yōu)點(diǎn)： 1 ) 分布式母線保護(hù)是在間隔單元處就地進(jìn)行采樣等功能。其中完全分布式采用 就地判別，不完全分布式采用把采集的各單元數(shù)據(jù)送至中央單元進(jìn)行判別。 因此減少了二次電纜的鋪設(shè)，既降低了工程造價(jià)，又縮短了c t 二次電纜的 長度。從而減少了c t 的二次阻抗，有利于防止c t 飽和。 2 ) 分布式母線保護(hù)利用光纖作為通信鏈路的介質(zhì)，可較好的防御變電站的電磁 2 華北電力人! 學(xué)碩j = ! 學(xué)位論文 干擾。 3 ) 分布式母線保護(hù)與相應(yīng)的線路保護(hù)或變壓器互為備用，從而實(shí)現(xiàn)了保護(hù)的雙 重化。 4 ) 分布式數(shù)據(jù)通信是各單元采集的電流( 電壓) 數(shù)據(jù)，通過分布式的通道，高 速、實(shí)時(shí)的傳輸。為保護(hù)的快速判別創(chuàng)造了條件，并可方便的實(shí)現(xiàn)變電站的 數(shù)據(jù)和信息資源共享。 5 ) 分布式母線保護(hù)可以和變電站的分布式結(jié)構(gòu)相適應(yīng)。 6 ) 可使得由于人員誤操作、誤碰等原因造成母線上所有斷路器跳閘等惡性事故 的機(jī)會(huì)大大減小。 1 3 2 論文的工作 論文首先分析了現(xiàn)有的幾種分布式母線保護(hù)的通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ) 上，提出了一種新型的分布式母線保護(hù)通信方案，即光纖雙環(huán)傳輸通道，并提出了 一種同步對時(shí)方案。該方案實(shí)時(shí)性好，可靠性高，很好的滿足了分布式母線保護(hù)實(shí) 時(shí)通訊的要求，同時(shí)各單元之間采用令牌環(huán)式的通訊標(biāo)準(zhǔn)，因此避免了在通訊時(shí)產(chǎn) 生沖突。所設(shè)計(jì)的軟硬件相結(jié)合的同步方法同步精度高，性能優(yōu)越，完全符合分布 式母線保護(hù)同步采樣的要求。 使用p r o t e l l 繪制了通信電路圖，并制作了光纖通信板，進(jìn)行了軟件編程，并利 用m s p 4 3 0 進(jìn)行調(diào)試。 3 華北電力人! 學(xué)碩= t = o4ll 竹伸幀區(qū)五五壓五匝面玉面五壓王正匾習(xí) ? 、 ，一，7 7 、 ，7 7 j、， j 7l238 ，7 醫(yī)二匠因 丑丑刪 圖2 48 0 2 5 標(biāo)準(zhǔn)m a c 幀格式 1 ) 令牌幀 由圖看出，令牌幀由起始字段、訪問控制字段和結(jié)束字段組成，共占三個(gè)字節(jié)， 各字段的作用如下。 i 起始字段和結(jié)束字段：表示幀的開始和結(jié)束，各占一個(gè)字節(jié)，其中每個(gè)字段 都有4 位“特殊比特”。 i i 訪問控制字段：占一個(gè)字節(jié)，各個(gè)比特含義如下： 3 個(gè)優(yōu)先級比特p p p ：表示優(yōu)先權(quán)等級，共分8 級，0 0 0 為最低優(yōu)先級， 8 華北l 乜力人! 學(xué)碩士學(xué)位論文 1 11 為最高優(yōu)先級，當(dāng)不使用優(yōu)先級時(shí)p p p = 0 0 0 。 ， 令牌比特t ：這是一個(gè)關(guān)鍵的比特。若t 比特等于0 ，表示令牌幀；若 t = 1 ，表示非令牌幀。當(dāng)?shù)却l(fā)送數(shù)據(jù)的工作站監(jiān)測到一個(gè)令牌的優(yōu)先 級等于或小于待發(fā)送數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級時(shí)，便將空閑令牌截獲下來，并把 空閑令牌的令牌比特t 從0 變?yōu)? ，然后丟棄該令牌結(jié)束字段，再將非 令牌幀的第三個(gè)字節(jié)以后的字段都加上去，構(gòu)成一個(gè)要發(fā)送的非令牌 幀，發(fā)送到環(huán)上去。 監(jiān)督比特m ：用來防止忙令牌在環(huán)上無限循環(huán)而設(shè)置的。 3 個(gè)預(yù)約比特r r r ：用來預(yù)約發(fā)送權(quán)的，它允許希望發(fā)送較高優(yōu)先級幀 的申請下一個(gè)令牌。 2 ) 數(shù)據(jù)幀( 非令牌幀) 數(shù)據(jù)幀共有九個(gè)字段，其中起始字段和訪問控制字段的含義與令牌幀完全相同， 下面介紹其它字段的作用。 i 幀控制字段：占一個(gè)字節(jié)，自，j 兩位f f 為類型比特，表示幀的類型；后六位 z z z z z z 為控制比特，表示控制幀的種類。 i i 目的地址和源地址：其含義和i e e e 8 0 2 3 標(biāo)準(zhǔn)相同，兩者位數(shù)必須相等，或 占2 個(gè)字節(jié)，或占6 個(gè)字節(jié)。 i i i 數(shù)據(jù)字段：該字段長度最小值為0 ，其最大值受令牌旋轉(zhuǎn)一周的最大時(shí)問限 制。 i v 幀校驗(yàn)序列f c s ：占4 個(gè)字節(jié)，采用3 2 位循環(huán)冗余校驗(yàn)c r c 碼，校驗(yàn)范圍 從幀控制字段到數(shù)據(jù)字段。 v 幀狀態(tài)字段f s ：占一個(gè)字節(jié)。在這一字段中設(shè)置了兩個(gè)a 比特和兩個(gè)c 比 特，另外四個(gè)比特為任意值。 目的站不存在或未加入到環(huán)路中( a = 0 ，c = 0 ) 目的站在環(huán)上但未將數(shù)據(jù)復(fù)制到站內(nèi)( a = 1 ，c 一0 ) 目的站在環(huán)上且已將數(shù)據(jù)復(fù)制到站內(nèi)( a = l ，c = 1 ) v i 結(jié)束字段e d ：它與令牌中的e d 相似，但最后一位為e 比特，即差錯(cuò)比特。 發(fā)送站發(fā)送完一幀時(shí)，將e 比特置為0 ，以后每經(jīng)過一站，在轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)都通過 f c s 判斷此幀是否出錯(cuò)，出錯(cuò)將此比特置為1 。 2 3r e b 5 0 0 型分布式母線保護(hù)1 1 a b b 公司研制的r e b 5 0 0 型分布式母線保護(hù)是一套比較成熟的分布式母線保 護(hù)，在國外也得到了較為廣泛的應(yīng)用。 這種新型保護(hù)系統(tǒng)是面向間隔的，而且可以將所謂的間隔單元( b u ) 安裝在靠近 9 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 開關(guān)設(shè)備的間隔級控制與保護(hù)柜上，每個(gè)b u 通過專用光纖總線與中央單元( c u ) 相連，中央單元( c u ) 匯集間隔單元( b u ) 上傳的數(shù)據(jù)并執(zhí)行全部算法及其他功 能。該系統(tǒng)可安裝于中性點(diǎn)不接地、接地、經(jīng)消弧線圈接地的電網(wǎng)中，可應(yīng)用于單 母線、雙母線、三分段母線、四分段母線及帶有旁母等各種母線運(yùn)行方式。該保護(hù) 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 5 所示。 圖2 5r e b 5 0 0 分布式母線保護(hù)結(jié)構(gòu)圖 b u 單元由通用接口模塊、a i p ( 模擬量輸入與處理模塊) 、b i o ( 丌入丌出模塊) 、 光纖接口模塊、電源模塊等部分組成。a i p 對電流量進(jìn)行每周4 8 點(diǎn)采樣，并進(jìn)行模 擬濾波和數(shù)字濾波( 每周四次) ，將采樣電流值化為電流相量，然后將這些相量帶 上相應(yīng)的時(shí)標(biāo)，在算法設(shè)定的時(shí)間問隔內(nèi)傳送到c u 單元。同時(shí)，b i o 還對斷路器 及隔離刀閘的位置進(jìn)行檢測，將從c u 接受到的跳閘信號作用于出口跳閘繼電器。 c u 負(fù)責(zé)進(jìn)行算法處理及故障檢測，以及母線運(yùn)行方式識別、自適應(yīng)進(jìn)行保護(hù)區(qū)的 配置、與變電站控制系統(tǒng)( s c s ) 的同步與互聯(lián)。c u 由c m p ( c u 單元主處理器) 部分、c s p ( c u 單元從處理器) 部分、光纖星型耦合器等部分組成。b u 單元與c u 單元之間用速率為1 5 m b s 現(xiàn)場總線互聯(lián)，數(shù)據(jù)采用曼徹斯特編碼并且用8 位漢明 距離確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 該保護(hù)采用比例差動(dòng)與電流相位比較這兩種相對獨(dú)立的算法，二者通過與門出 口。對于小電流接地系統(tǒng)，該保護(hù)還考慮了零序相位比較判據(jù)。 這種方案的缺陷在于為了完成大量的數(shù)據(jù)處理工作，c u 單元采取多c p u 并行 處理的體系，而且必須裝設(shè)一定數(shù)量的星型耦合器與各b u 單元通信，硬件結(jié)構(gòu)相 對復(fù)雜，不適于下放布置；此外，各b u 單元承擔(dān)的任務(wù)相對較少，這在一定程度 上也降低了該系統(tǒng)的性能價(jià)格比。采用向量算法，雖然降低了對通信速率的要求， 但是卻導(dǎo)致了計(jì)算數(shù)據(jù)窗過長，降低了保護(hù)動(dòng)作的速度。 1 0 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 4 基于光纖數(shù)據(jù)通訊接口f d d i 的光纖局域網(wǎng)1 光纖分布式數(shù)據(jù)接口f d d i ( f i b e rd i s t r i b u t e dd a t ai n t e r f a c e ) 是一個(gè)使用光纖作 為傳輸媒體的令牌環(huán)形網(wǎng)。它先是在a n s i 的標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)x 3 t 9 5 通過為美國的標(biāo)準(zhǔn)， 隨后被i s o 通過為國際標(biāo)準(zhǔn)i s 0 9 31 4 。f d d i 也常被劃分在城域網(wǎng)m a n 的范圍。 f d d i 的主要特性如下： 使用基于i e e e 8 0 2 5 令牌環(huán)標(biāo)準(zhǔn)的令牌傳遞m a c 協(xié)議； 使用8 0 2 2 l l c 協(xié)議，因而與i e e e 8 0 2 局域網(wǎng)兼容； 利用多模光纖進(jìn)行傳播，并使用有容錯(cuò)能力的雙環(huán)拓?fù)洌?數(shù)據(jù)率為1 0 0 m b s ，光信號碼元傳輸速率為1 2 5 m b a u d ； 10 0 0 個(gè)物理連接( 若都是雙連接站，則為5 0 0 個(gè)站) ； 最大站間距離為2 0 0 0 m ( 使用多模光纖) ，環(huán)路長度為10 0 0 0 m ，即光纖總長 度為2 0 0 0 0 m ； 具有動(dòng)態(tài)分配帶寬的能力，故能同時(shí)提供同步和異步數(shù)據(jù)服務(wù)； 分組長度最大為4 5 0 0 字節(jié)。 f d d i 使用的是多模光纖，因?yàn)樵谒俾蕛H為1 0 0 m b s 的條件下，使用單模光纖是 不經(jīng)濟(jì)的。使用多模光纖就可以使用便宜的發(fā)光二極管l e d ，而不必使用昂貴且可 能傷害眼睛的半導(dǎo)體激光器。使用光纖進(jìn)行傳輸可使誤碼率小于2 5 1 0 。1 0 。 f 斷開 e a d b c 圖2 6 單個(gè)保護(hù)單元斷開時(shí)形成單環(huán) 為了提高通信的可靠性，f d d i 采取了另外的叫做自恢復(fù)的措施。這種措施是使 用兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸方向相反的環(huán)路。即主干環(huán)和輔環(huán)。其中一個(gè)在正常情況下傳輸數(shù) 據(jù)，稱為主環(huán)；另外一個(gè)起備份作用，只在主干環(huán)網(wǎng)故障時(shí)才用來傳輸數(shù)據(jù)，稱為 輔環(huán)。這種雙環(huán)結(jié)構(gòu)比較符合母線保護(hù)的高可靠性的要求。當(dāng)某一站點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)， f d d i 會(huì)自動(dòng)隔離站點(diǎn)，而不影響其他站點(diǎn)的正常工作。而且，f d d i 允許環(huán)上同時(shí) 有多個(gè)令牌旋轉(zhuǎn)，大大提高了通道的利用率。 正常工作條件下，主環(huán)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的傳送，而輔環(huán)則可以用來傳送綜合自動(dòng) 1 1 華北電力人! 學(xué)碩+ 學(xué)位論文 化所需的各種信息，如打印信息等。一個(gè)單元故障情況下，則網(wǎng)絡(luò)將工作于卷繞模 式。即故障節(jié)點(diǎn)相鄰兩端的節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的端口自動(dòng)短接，使原來的雙環(huán)在故障節(jié)點(diǎn)分 別回繞，形成一個(gè)單環(huán)，隔離故障點(diǎn)。因此在一個(gè)站點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)有自動(dòng)修 復(fù)功能。如圖1 2 所示，當(dāng)f 點(diǎn)出現(xiàn)故障，則相鄰的a 點(diǎn)和e 點(diǎn)內(nèi)部的主環(huán)和輔環(huán) 自動(dòng)短接，則系統(tǒng)自動(dòng)形成了包括a b c d e 在內(nèi)的新系統(tǒng)，f 點(diǎn)被隔離到了系統(tǒng)之 外。 但是，f d d i 也有其固有的缺點(diǎn)。整個(gè)物理協(xié)議實(shí)現(xiàn)由一套芯片組完成，軟、硬 件開發(fā)工作量大。f d d i 光線局域網(wǎng)雖能實(shí)現(xiàn)分布式母線保護(hù)所需的全部功能，但 母線保護(hù)對f d d i 的利用率太低，在一定程度上造成了浪費(fèi)。同時(shí)，分布式母線保 護(hù)傳送的有用信息較短，但由于f d d i 自身的需求，所需要增加的冗余碼比較多， 造成報(bào)文的編碼效率比較低。 此外，為了實(shí)現(xiàn)模擬量采集的同步，f d d i 網(wǎng)絡(luò)使用了分布式的時(shí)鐘信號，因此 每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都采用本地時(shí)鐘發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。各本地時(shí)鐘頻率之間存在誤差。為 防止頻率抖動(dòng)的累積，每個(gè)節(jié)點(diǎn)必須從數(shù)據(jù)流中提取的恢復(fù)時(shí)鐘接收數(shù)據(jù)，而用本 地時(shí)鐘發(fā)送數(shù)據(jù)，但這將會(huì)引起數(shù)據(jù)的上溢和下溢。 2 5 分布式母線保護(hù)的新型通信方案 通過總結(jié)國內(nèi)外的分布式母線保護(hù)的通信方案后，本文提出了一種新型的分布 式母線保護(hù)通訊方案，即基于光纖通信的光纖雙環(huán)傳輸通道，該方案采用令牌環(huán)式 的通信標(biāo)準(zhǔn)，即某單元持有令牌，則它處于主發(fā)狀態(tài)，其它單元處于接收和轉(zhuǎn)發(fā)狀 態(tài)。在傳輸介質(zhì)的選擇上，本文選擇了光纖，是因?yàn)楣饫w具有以下的優(yōu)點(diǎn)。 2 5 1 光纖通信的優(yōu)點(diǎn) 由于光纖通信是利用光導(dǎo)纖維傳輸光信號來實(shí)現(xiàn)通信的，因此比起其他通信方 式有其明顯的優(yōu)越性。光纖具有傳輸容量大、傳輸損耗小、重量輕、不怕電磁干擾 等一系列優(yōu)點(diǎn)。光纖的使用可以保證通信的質(zhì)量不受強(qiáng)電磁干擾和過電壓的影響， 這使得光纖通信系統(tǒng)可以在變電站或電廠的高壓丌關(guān)廠這樣電磁干擾極強(qiáng)的環(huán)境 下運(yùn)行。1 2 1 1 傳輸容量大 光是頻率極高的電磁波，以它來作為信號的載體可傳輸極寬的信號頻譜。在光 纖中傳輸?shù)募す庠诳梢姽夥秶鷥?nèi)，屬于近紅外線范圍，波長在o 7 5 2 5 a n ，頻率約 為3 1 0 h z 。若以其1 10 作為傳輸頻帶，則可傳約1 0 1 0 路電話。因此光纖在單位面 積上有極大的信號傳輸能力，即單位面積上的信息密度極高，傳輸容量極大。 2 傳輸損耗小，中繼距離長 目前單模光纖在1310 n m 波長窗口損耗為o 3 5 d b k m ，15 5 0 n m 窗口損耗為 12 華北i 乜力人：學(xué)碩j = 學(xué)位論文 0 2 d b k m 。而且在相當(dāng)寬的頻帶內(nèi)各頻率的損耗幾乎一樣，因此用光纖比用同軸電 纜或波導(dǎo)管的中繼距離長的多。波長為15 5 0 n m 的色散位移單模光纖通信系統(tǒng)，若 傳輸速率為2 5 g b i t s ，則中繼距離可達(dá)15 0 k m ；若傳輸速率為1 0 g b i t s ，則中繼距 離可達(dá)l0 0 k m ；若采用光纖放大器、色散補(bǔ)償光纖，中繼距離還可增加。 3 泄漏小，保密性好 光在光纖中傳輸時(shí)，向外泄漏的光能很微弱，難以被竊聽。因此比無線、有線 通信的保密性能好，信息在光纖中傳輸非常安全。 4 節(jié)省大量有色金屬 制造通常的電纜需要消耗大量的銅和鉛等有色金屬。以四管中同軸電纜為例， 1k m 四管中同軸電纜約需4 6 0 k g 銅，而制造lk m 光纖，只需幾十克石英。而且制造 光纖的石英豐富而且便宜，取之不竭。 5 抗電磁干擾性能好 光纖由s i o ，材料制成，它不受各種電磁場的干擾。強(qiáng)電、雷擊等也不會(huì)影響光 纖的傳輸性能。甚至在核輻射的環(huán)境中，光纖通信仍能f 常進(jìn)行，這是通常的電纜 通信所不能比擬的。因此，光纖通信在電力輸配、電氣化鐵路、雷擊多發(fā)地區(qū)、核 試驗(yàn)等環(huán)境中應(yīng)用更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。 6 重量輕，可撓性好，敷設(shè)方便 在傳輸同一信息量時(shí)，光纜的重量比其他通信電纜重量要輕的多。每根光纖的 直徑很小，制成光纜后可充分利用地下管道。有二次套塑的光纖，即使以幾厘米的 曲率半徑彎曲也不會(huì)斷，施二 時(shí)可以采用與電纜相同的敷設(shè)技術(shù)進(jìn)行敷設(shè)?！?2 5 2 光纖通信系統(tǒng)原理框圖 簡單的光纖通訊系統(tǒng)由電發(fā)送機(jī)、光發(fā)送機(jī)、光接收機(jī)、電接收機(jī)、光中繼器 和光纖通道組成。對于分布式母線保護(hù)來說，由于通信距離僅限于變電站或發(fā)電廠 的高壓開關(guān)場內(nèi)，因此不用考慮光中繼器，光纖通信系統(tǒng)示意圖如圖2 7 所示。 r ”一一1 7+ 一 光發(fā)送機(jī)_ 一一l 一 光接收機(jī) ：一一i f ，： 光t r 通道光中繼器 光；r 如逆 l 輸入接口，i 吝 2 5 2 1 光發(fā)送機(jī) l 圖2 7光纖數(shù)字通信系統(tǒng)示意圖 1 3 華北i 乜力人! 學(xué)碩十! 學(xué)位論文 光發(fā)送機(jī)的作用是把輸入的電信號轉(zhuǎn)換成光信號并將光信號最大限度地注入光 纖線路。光發(fā)送機(jī)由光纜、驅(qū)動(dòng)器和調(diào)制器組成，發(fā)送機(jī)的核心是光源。對光源的 要求是輸出光率足夠大，調(diào)制速率高，光譜線寬度和光束發(fā)散角小，輸出光功率和 光波長要穩(wěn)定，器件壽命長。目前最廣泛使用的光源有半導(dǎo)體激光器( 或稱激光二 極管，l d ) 和半導(dǎo)體發(fā)光二極管( l e d ) 光發(fā)送機(jī)把電信號轉(zhuǎn)換成光信號的過程是通過電信號對光源進(jìn)行調(diào)制而實(shí)現(xiàn) 的。光調(diào)制有直接調(diào)制和白j 接調(diào)制( 也稱外調(diào)制) 兩秘，。直接調(diào)制是利用電信號注 入半導(dǎo)體激光器或發(fā)光二極管從而獲得相信的光信號。其輸出功率的大小隨信號電 流的大小而變，這種方式較簡單，容易實(shí)現(xiàn)，但調(diào)制速率受激光器特性限制。外調(diào) 制是把激光的產(chǎn)生和調(diào)制分開，是在激光形成后再加載調(diào)制信號，是用獨(dú)立的調(diào)制 器對激光器輸出的激光進(jìn)行調(diào)制。外調(diào)制方法在相干通信中得到應(yīng)用。 2 5 2 2 光纖線路 光纖線路是光信號的傳輸介質(zhì)。把來自發(fā)送機(jī)的光信號以盡可能小的衰減和脈 沖展寬傳送到接收機(jī)。對光纖的要求是光纖的基本傳輸參數(shù)衰減和色散要盡可能 小。光纖要有一定的機(jī)械特性和環(huán)境特性。工程中使用的是許多根光纖絞合在一起 組成的光纜。整個(gè)光纖線路由光纖、光纖接頭、光纖連接器組成。 目6 訂使用的光纖均為石英光纖。石英光纖的損耗一波長特性中有三個(gè)低損耗的 波長區(qū)，即波長為8 5 0 n m 、1310 n m 、15 5 0 n m 三個(gè)低損耗區(qū)。為此光纖通信系統(tǒng)的 工作波長只能選擇在這三個(gè)波長窗口。這三個(gè)低損耗窗口的損耗分別小于2 d b k m 、 o 4 d b k m 和0 2 d b k m 。 目前使用的石英光纖有多模光纖和單模光纖。單模光纖的傳輸性能比多模光纖 好，在大容量、長距離的光纖傳輸系統(tǒng)中都采用單模光纖。 為適合不同要求的光纖通信系統(tǒng)，使用的光纖類型有g(shù) 6 5 1 光纖( 多模光纖) 、 g 6 5 2 光纖( 常規(guī)單模光纖) 、g 6 5 3 光纖( 色散位移光纖) 、g 6 5 4 光纖( 低損耗光 纖) 和g 6 5 5 光纖( 非零色散位移光纖) 等。 2 5 2 3 光接收機(jī) 光接收機(jī)的功能是把由光發(fā)送機(jī)發(fā)送的，經(jīng)光纖線路傳輸后輸出的已產(chǎn)生畸變 和衰減的微弱光信號轉(zhuǎn)換為電信號，并經(jīng)放大、再生恢復(fù)為原來的電信號。 光接收機(jī)由光檢測器、放大器和相關(guān)電路組成。對光檢測器的要求是相應(yīng)度高、 噪聲低、響應(yīng)速度快。目前廣泛使用的光檢測器有光電二極管和雪崩光電二極管。 光接收機(jī)把光信號轉(zhuǎn)換為電信號的過程是通過光檢測器實(shí)現(xiàn)的。光檢測器檢測 的方式有直接檢測和外差檢測兩種。直接檢測是由光檢測器直接把光信號轉(zhuǎn)換為電 信號。外差檢測就是在接收機(jī)中設(shè)置一個(gè)本地振蕩器和一個(gè)混頻器，使本地振蕩光 和光纖輸出的光進(jìn)行混頻產(chǎn)生差拍而輸出中頻信號，再經(jīng)光檢測器把中頻信號轉(zhuǎn)換 14 華北i 電力人學(xué)碩士學(xué)位論文 成電信號。在這種外差檢測方式中，對本地激光器的要求很高，要求光源是頻率非 常穩(wěn)定，譜線寬度很窄，相應(yīng)和偏振方向可控制的單模激光器。其優(yōu)點(diǎn)是接收靈敏 度很高。目前實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)中普遍采用直接調(diào)制一直接檢測方式。外差檢測 用在相干光纖通信，雖然外調(diào)制一外差檢測的方式技術(shù)復(fù)雜，但有著傳輸速率高， 接收靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，所以是一種有應(yīng)用前途的通信方式。 衡量接收機(jī)質(zhì)量的主要指標(biāo)是接收機(jī)靈敏度。它表示在一定誤碼率條件下，接 收機(jī)調(diào)整到最佳狀態(tài)時(shí)接收微弱信號的能力。接收機(jī)的噪聲是影響接收機(jī)靈敏度的 主要因素。 2 6 分布式母線保護(hù)的新型通信網(wǎng)絡(luò) 2 6 1 方案簡述 隨著通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字微波和光纖通信得到普及，尤其是光纖通信在電力 系統(tǒng)種具有廣闊的發(fā)展前景。4 1 為了滿足分布式母線保護(hù)實(shí)時(shí)可靠傳輸數(shù)據(jù)的要 求，本文采用了光纖雙環(huán)型通信網(wǎng)。如圖所示，本文以三個(gè)單元為例。圖中每個(gè)單 元均布置于變電站現(xiàn)場，對應(yīng)于連接于母線上的每一個(gè)斷路器間隔安裝。整個(gè)通信 網(wǎng)的拓?fù)錇殡p向環(huán)，每個(gè)保護(hù)單元都各有光發(fā)送模塊和光接收模塊兩個(gè)，s 為光發(fā) 送模塊，r 為光接收模塊。其中下面的一對光發(fā)送接收組合以順時(shí)針發(fā)送數(shù)據(jù)，上 面的一對光發(fā)送接收組合以逆時(shí)針發(fā)送數(shù)據(jù)。相鄰單元內(nèi)的光發(fā)送模塊和光接收模 塊之間以光纖連接。各間隔單元的硬件構(gòu)成完全相同。在各個(gè)采樣間隔內(nèi)，各間隔 單元均先后向其它所有間隔單元傳遞上一時(shí)刻采樣值。因此經(jīng)過一個(gè)采樣問隔后， 各間隔單元都能得到其他所有單元的采樣值，以便獨(dú)立進(jìn)行算法處理，判別母線是 否發(fā)生故障。當(dāng)母線上的某一回路發(fā)生故障時(shí)，只將本回路從母線上斷丌，而并不 影響其他回路的f 常工作。 s ：s 卜j i 一二= 一：f 二二二i t 蕾卜一董 一，+ 一o f 一! - ；j j + 一 ” j 上一生奠：j：。：，：二：，| 圖2 8光纖雙環(huán)網(wǎng)通信模型 圖中的每個(gè)單元的具體布置如圖2 8 。接口芯片采用d s 9 2 l v l0 2l i2 l2 串行化 器反串行化器，光發(fā)送接收模塊采用h f b r 1 4 1 4 2 4 1 2 發(fā)送接收組合。 1 5 華北電力人! 學(xué)碩十學(xué)位論文 o 。i 一一一鬻。一：一卜 | | 亮接破； 竺： 一九墮j ，一 _ 分路i f 一塑一： ic p u ! 一一 ；分5 i ，i o ! i _ i i 。一t ：髏。一 一一髏卜一j ?！把緄 ； 圖2 9單個(gè)通訊單元結(jié)構(gòu)圖 以下以圖2 9 為例，介紹新型分布式母線保護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送實(shí)現(xiàn)的過程。 在t 采樣周期，單元一首先處于主發(fā)狀態(tài)，其它單元處于接收狀態(tài)。此時(shí)單元一內(nèi) 的電開關(guān)將光發(fā)送模塊與c p u 連接，而其它單元內(nèi)的電丌關(guān)將光發(fā)送模塊與光接收 模塊連接。 1 ) 單元一將采集到的數(shù)據(jù)通過光發(fā)送模塊變成光信號發(fā)送給單元二，單元二的 光接收模塊接收到數(shù)據(jù)后，首先將光信號變?yōu)殡娦盘枺缓箅娦盘栍梢宦纷優(yōu)閮陕罚?其中一路傳送給本單元內(nèi)的c p u ，另一路傳送給光發(fā)送模塊，再次變?yōu)楣庑盘?，轉(zhuǎn) 發(fā)給下一單元，即單元三。 2 )單元三在收到單元二傳來的數(shù)據(jù)后，同樣首先將光信號變?yōu)殡娦盘枺宦穫?給本單元c p u ，另一路傳給下一單元，即單元一。 3 ) 單元一收到單元三的數(shù)據(jù)后，首先校驗(yàn)數(shù)據(jù)有沒有發(fā)生錯(cuò)誤，如果出錯(cuò)則重 發(fā)，如果沒有出錯(cuò)，則從主發(fā)狀態(tài)變?yōu)檗D(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，下一單元即單元二變?yōu)橹靼l(fā)狀態(tài)， 單元三保持轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)不變。為了保證各通訊單元有序發(fā)送數(shù)據(jù)，避免發(fā)生沖突。本 方案采用令牌環(huán)式的通訊標(biāo)準(zhǔn)，即某單元持有令牌，它處于發(fā)信狀態(tài)，其他單元處 于接收和轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。 可以設(shè)定c p u 優(yōu)先接收順時(shí)針方向傳來的數(shù)據(jù)，當(dāng)順時(shí)針方向的傳輸通道發(fā)生 故障，c p u 則轉(zhuǎn)為接收逆時(shí)針方向傳來的數(shù)據(jù)。此外，在傳輸通道完好無損而某個(gè) 單元內(nèi)的的光發(fā)送接收模塊產(chǎn)生故障時(shí)，該通訊方案仍能保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸。因 此，該通訊方案完全滿足分布式母線保護(hù)的要求。 2 6 2 方案評價(jià) 本方案具有以下特點(diǎn)： 采用令牌環(huán)式的通信標(biāo)準(zhǔn)，即某單元持有令牌，則它處于主發(fā)狀態(tài)，其他單元 1 6 華北i 乜力人：學(xué)碩十學(xué)位論文 處于接收和轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。從而保證了各單元有序、合理的發(fā)送采樣數(shù)據(jù)，從而避 免了在同一時(shí)刻有幾個(gè)保護(hù)單元同時(shí)處于主發(fā)狀態(tài)的情況，保證了通信的高效、 可靠運(yùn)作。 采用了高速的光發(fā)送接收模塊h f b r 一14 14 2 4 16 ，數(shù)據(jù)最高傳輸速率可達(dá)到 15 5 m b i t s ，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴＞钟蚓W(wǎng)與現(xiàn)場總線的共同特點(diǎn)就是各站 點(diǎn)共享同一條通信介質(zhì)，因此，必須對各站點(diǎn)進(jìn)行介質(zhì)時(shí)間片的分配，無論采 用輪送協(xié)議還是爭用協(xié)議，都會(huì)在一定程度上影響通信的實(shí)時(shí)性。而對于本方 案來說，每個(gè)單元的通信對象都為上一個(gè)單元和下一個(gè)單元，通信均為點(diǎn)對點(diǎn) 方式，不存在介質(zhì)共享問題；并且各單元通信目的地址確定且唯一，節(jié)省了處 理介質(zhì)訪問的開銷。 本方案所采用的通信網(wǎng)為環(huán)形拓?fù)洌话阌^點(diǎn)認(rèn)為，如果在環(huán)形網(wǎng)上的任一站 點(diǎn)或任一段通信鏈路損壞，都會(huì)使環(huán)網(wǎng)無法正常工作，因此其可靠性不如總線 網(wǎng)。但對于母線保護(hù)來說，母線上各出線的電流電壓量缺一不可，即使分布式 母線保護(hù)系統(tǒng)采用總線網(wǎng)的結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)中任一單元發(fā)生裝置本身的故障而無 法獲取該單元的信息的情況下，母線保護(hù)也無法做出正確判斷，因此仍然需要 將保護(hù)退出。從這個(gè)角度來看，環(huán)形網(wǎng)可靠性不遜于總線網(wǎng)。并且本方案采用 雙環(huán)冗余配置，進(jìn)一步增加了通信傳輸?shù)目煽啃浴?為了防御變電站強(qiáng)電磁干擾的影響，分布式母線保護(hù)的通信介質(zhì)使用了光纖， 而對于采用總線拓?fù)浠颥F(xiàn)場總線的分布式母線保護(hù)來說，需要使用光星型耦合 器將各站點(diǎn)光纖互連，因此，必須考慮光星型耦合器的價(jià)格與可靠性對于整個(gè) 系統(tǒng)的影響。而本方案中各站點(diǎn)采用點(diǎn)對點(diǎn)方式，無需使用星型耦合器。 縱上所述，本文所設(shè)計(jì)的分布式母線保護(hù)的通信方案采用了全部面向間隔就地 柿置，簡化了裝置的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)，采用光纖雙環(huán)通信，提高了通信的速率和可靠 性，保證了通信的實(shí)時(shí)性，完全適用于分布式母線保護(hù)的要求。 1 7 華北電力火學(xué)碩士學(xué)位論文 第三章分布式母線保護(hù)通訊方案的硬件構(gòu)成 3 1 硬件設(shè)計(jì)的考慮與介紹 母線保護(hù)裝置的研制必須考慮其通用性，即適用于多種母線方式。常用的母線 方式有：單母線及單母線分段、雙母線、角形母線、一個(gè)半斷路器接線的母線、多 分段母線。1 以上各種母線方式中，角形母線的保護(hù)部分通常都包括在變壓器和線路的保護(hù) 范圍內(nèi)，因此在多角形接線的母線中，一般不裝設(shè)母線保護(hù)裝置。而一個(gè)半斷路器 接線的母線的保護(hù)與單母線保護(hù)構(gòu)成大致相同，多分段母線的保護(hù)實(shí)際上是雙母線 保護(hù)的擴(kuò)展。所以本文以雙母線帶旁母接線方式作為母線模型來進(jìn)行研究。 如前所述，本系統(tǒng)的各間隔單元均布置于變電站現(xiàn)場，對應(yīng)連接于母線上的每 一個(gè)斷路器間隔( 包括母聯(lián)或分段斷路器、旁路丌關(guān)) 安裝。因此，在裝置組屏?xí)r， 母線保護(hù)的各間隔單元可以與對應(yīng)出線的線路保護(hù)、斷路器控制單元、測量單元布 置于同一屏內(nèi)，這樣就大大減少了安裝與維護(hù)的工作量。 本文所設(shè)計(jì)的分布式母線保護(hù)通信網(wǎng)為光纖雙環(huán)通信網(wǎng)，通信網(wǎng)內(nèi)采用令牌環(huán) 式的通信方式。即某單元持有令牌，則它處于主發(fā)狀態(tài)，其他單元處于接收和轉(zhuǎn)發(fā) 狀態(tài)。主站和從站之間狀態(tài)的切換是通過硬件實(shí)現(xiàn)的，即通過一個(gè)分路器和電開關(guān) 實(shí)現(xiàn)的。每個(gè)單元的具體配置如圖2 9 。通信板的硬佴：構(gòu)成如圖3 1 。 光 電 高速電：簍 發(fā)送 丌關(guān)殃：h f b r a d1 4 1 4 8 l8 0 接收 圖3 1 通信板硬件構(gòu)成 如圖所示，該通信板可以分為兩個(gè)部分，上半部分用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，下半 部分用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和轉(zhuǎn)發(fā)。具體流程為： 1 8 一 除怕 f 4 一 h 2 一 一 電光轉(zhuǎn)換： 。 | |：i；i| 一 一 一 l 一 | 、 慚器垂 w 捌 二胖勰咣w 一；，：i?。?。 ：i 1，： o t 叭 的 t 限 曠v 一曼= d 眥 刪+ | | m f 例 一 護(hù)息二 擴(kuò)息一 屎唐二 黜黼一+ 保隹r 麓輔辮 一 華北電力人學(xué)碩十學(xué)位論文 數(shù)據(jù)發(fā)送： 1 ) d s p 接收a d 采集來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理后存入d s p 內(nèi)部特定的區(qū)域內(nèi)，等 待令牌到達(dá)本單元后進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。 2 )令牌到達(dá)本單元后，d s p 將數(shù)據(jù)送入f i f o ，f i f o 再將數(shù)據(jù)存入串行器 d s 9 2 l v l 0 2 1 ，串行器將并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為串行數(shù)據(jù)，并通過高速電開關(guān)a d 8 1 8 0 送 入光發(fā)送模塊h f b r l 4 1 4 。 3 )光發(fā)送模塊h f b r l4 l4 將電信號變?yōu)楣庑盘柡蟀l(fā)送到下一單元。 數(shù)據(jù)接收： 1 ) 光接收模塊h f b r 2 4 1 6 接收到其它單元傳過來的數(shù)據(jù)后，將光信號變?yōu)殡娦?號。 2 ) 電信號由一路變?yōu)閮陕罚渲幸宦方?jīng)高速電開關(guān)a d 818 0 重新送入光發(fā)送模 塊h f b r l 41 4 ，將電信號變?yōu)楣庑盘枺瑐鹘o下一單元，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。另 一路經(jīng)并行器d s 9 2 l v l 2 1 2 ，并行器將串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為并行數(shù)據(jù)。 3 ) 并行數(shù)掘首先在f i f o 內(nèi)暫存，當(dāng)各單元數(shù)據(jù)全部接受完畢后，由f i f o 向 d s p 申請中斷，d s p 將數(shù)據(jù)從f i f o 內(nèi)讀出，存入d s p 內(nèi)。 3 2 硬件中各芯片的介紹 在該通信板中，使用了一個(gè)d s p 一一a d 2 1 9 l ，兩個(gè)f i f 0 一一i d t 7 2 v o l ，一組 串并并串轉(zhuǎn)換器一一d s 9 2 l v10 21 121 2 ，一個(gè)高速丌關(guān)一一a d 8l8 0 ，一組光發(fā)送接 收模塊一h f b r l4 l4 2 4 16 。由于采用了雙環(huán)冗余配置，所以在實(shí)際設(shè)計(jì)中，各芯 片的實(shí)際數(shù)量都乘以2 。 3 2 1a d s p 2191 簡介 d s p 主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和處理，一方面，它接收從a d 采集來的數(shù)據(jù)，經(jīng)過 處理后傳遞給下一級，并最終由光發(fā)送器h f b r 一14 14 發(fā)送出去：另一方面，它接收 由光接收器h f b r 一2 4 l6 傳遞來的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)判斷保護(hù)有沒有發(fā)生故障。 a d s p 2 1 9 l 簡介如下： a d s p 2 1 9 1 是美國a d 公司最新推出的一種高效的定點(diǎn)d s p ，主要應(yīng)用于通訊， 工業(yè)控制，語音話音和醫(yī)療等方面。它將2 19 x 系列的基本結(jié)構(gòu)( 三個(gè)運(yùn)算單元， 兩個(gè)數(shù)據(jù)、地址發(fā)生器，一個(gè)程序控制器) 和三個(gè)串行接口，兩個(gè)s p i 口，一個(gè)u a r t 口，一個(gè)d m a 控制器，三個(gè)可編程定時(shí)器，通用可編程引腳，強(qiáng)大的中斷處理能 力和片上程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間結(jié)合起來。具有以下特征： 1 6 位定點(diǎn)d s p ，處理能力1 5 5 m i p s 。 片內(nèi)有16 0 k b y t e 存儲(chǔ)器，可配置成3 2 k 16 b i t 數(shù)據(jù)區(qū)和3 2 k 2 4 b i t 程序區(qū)。程序 和數(shù)據(jù)空間統(tǒng)一編址，單周期內(nèi)可以完成雙操作數(shù)取址。 】g 華北電力i 火學(xué)碩二卜! 學(xué)位論文 外部存儲(chǔ)器接口：可以分別配置成8 b i t 或l6 b i t ，芯片的地址轉(zhuǎn)換功能和數(shù)據(jù)打 包功能可實(shí)現(xiàn)與外部數(shù)據(jù)總線接口，以及與外部s r a m 、f l a s h 或e p r o m 相連， 同時(shí)外部的時(shí)鐘頻率可調(diào)以便與低速存儲(chǔ)設(shè)備接口。 高效d m a 主機(jī)接口，外部主機(jī)可通過1 6 位的主機(jī)接口對d s p 的整個(gè)存儲(chǔ)空間、 引導(dǎo)加載空間或內(nèi)部i o 空間進(jìn)行讀寫操作：同時(shí)也可配置成8 位的主機(jī)接口，以 便與低功耗微控制器接口。 具有3 條支持h 10 0 標(biāo)準(zhǔn)、a 律、u 律以及t 1 e 1 兼容設(shè)備的雙向多通道串口， 支持可高達(dá)2 4 、3 2 甚至1 2 8 條通道的時(shí)分多路傳輸；可與外圍設(shè)備或其他d s p m c u 進(jìn)行同步串行通訊；可配置成3 一1 6 位數(shù)據(jù)寬度。 可進(jìn)行d m a 操作的u a r t 口，它進(jìn)行全雙工異步通訊的比特率為 6 2 5 m 9 m b i t s 。 兩個(gè)可進(jìn)行d m a 操作的全雙工s p i 兼容口，可與多種s p i 兼容設(shè)備進(jìn)行通訊。 3 個(gè)3 2 b i t 可編程定時(shí)器，包括脈寬計(jì)數(shù)器，p w m 發(fā)生器以及外部時(shí)鐘定時(shí)器。 同時(shí)可有多達(dá)1 1 條d m a 通道進(jìn)行工作。 3 2 2f i f o ( i d t 7 2 v 0 1 ) 簡介l 】 電氣電路和光纜之間的接口使用光發(fā)送接收模塊，光發(fā)送接收模塊的輸入輸 出接口均為串行通信接口，使用非平衡傳輸方式進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入輸出。因此在d s p 芯 片與光端機(jī)通信模塊之間，必須將總線上的并行數(shù)據(jù)串行化，轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，以 便光發(fā)送接收模塊進(jìn)行光通信。d s p 接收信號時(shí)必須將光發(fā)送接收模塊輸出的串 行信號反串行化，轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理。光纜通信的速率比處理器的處理速 率要高，因此，在串行器、反串行器和處理器的數(shù)據(jù)總線之間要加入先進(jìn)先出存儲(chǔ) 器，將數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)，等積累了一定數(shù)量的數(shù)據(jù)之后，由串行化器進(jìn)行發(fā)送或者處 理器接收反串行化器送來的光纜上的數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)總線和串行化器反串行化器之問加入f i f o ，對于數(shù)據(jù)的傳輸效率有很大 的提高。i d t 7 2 v 0 1 是由i d t 公司生產(chǎn)的低電壓c m o s 異步先進(jìn)先出存儲(chǔ)器，工作 電壓為3 0 v 一3 6 v ，如圖3 2 所示。有5 1 2 x 9 字節(jié)的存儲(chǔ)空| 、白j 。它采用滿指針和空 指針以防止數(shù)據(jù)的上溢和下溢，配置了( x i ) 引腳，用來實(shí)現(xiàn)芯片的多級連用，以 滿足數(shù)據(jù)位向廣度和深度的擴(kuò)展。 2 0 華北電力大學(xué)碩士學(xué)位論文 88 是竺忙88 圖3 2i d t 7 2 v 0 l 引腳圖 數(shù)據(jù)的寫入與寫出完全通過讀指針( w ) 與寫指針( r ) 控制，數(shù)據(jù)讀取時(shí)問 最快可以達(dá)到2 5 n s 。該裝置配有9 位數(shù)據(jù)線，因此非常方便于數(shù)據(jù)通信時(shí)進(jìn)行奇偶 校驗(yàn)。該f i f o 采用高速c m o s 技術(shù)，可根據(jù)設(shè)計(jì)者需要進(jìn)行同步或異步數(shù)據(jù)讀取 操作。 在本設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)為八位數(shù)據(jù)，因此只使用了f i f o 中的低八位 數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù)。 3 2 3 串并并串轉(zhuǎn)換器d s 9 2 l v10 21 1212 簡介7 1 串行化與反串行化芯片選用了 n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的 d s 9 2 l v l0 21 121o ，如圖6 3 所示，這兩個(gè)芯片是10 ：1 和1 ：1o 串行化反串行化芯片， 并行數(shù)據(jù)可以在1 6 m h z - - - 4 0 m h z 時(shí)鐘下傳輸，相應(yīng)的串行數(shù)據(jù)可以在1 6 0 b p s 一 4 0 0 b p s 的速率下傳輸。 s n c j s 、n ：2 g i r l0 ： q h j l ；t i 嗡f f s q i6 q ? 。i nn 葉h ， t ：l ke l r t c l k 圖3 3d s 9 2 l v l 0 2 1 1 2 1 2 管腳圖 2 l 麗 需 瞻面兩一盱飚口昧 ，呂d口口門丁目d、 約勰凹筋笛抖挖糾 一 c a 口 口 a 口引 俜口 o。口駝 侶 u z n u 、 仃口 b 口。 伯口 e0口。 佰口 c0口o 口 5 6 7 8 9 他俘 一 y口口口口口口口口，口 似 隴c5雨浮qq 華北電力大學(xué)碩士! 學(xué)位論文 d s 9 2 l v l 0 2 l 1 2 1 0 有三個(gè)f 常工作狀態(tài)，即初始化、數(shù)據(jù)傳輸、重新同步；兩 個(gè)低功耗狀態(tài)，即休眠和三態(tài)。在傳輸數(shù)據(jù)之前，d s 9 2 l v l 0 2 1 1 2 1 0 首先進(jìn)行初始 化，使各自芯片內(nèi)部的頻率鎖存器鎖定外部工作頻率，然后二者之間還要進(jìn)行頻率 同步，此后才能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在初始化沒有完成之前，串行化反串行化芯片的數(shù) 據(jù)管腳均處于高阻狀態(tài)。當(dāng)二者頻率出現(xiàn)一定偏差時(shí)，二者管腳重新變?yōu)楦咦锠顟B(tài)， 重新同步，重新同步由管腳l o c k 控制。當(dāng)沒有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，管腳p w r d n 由高變 為低，此時(shí)芯片處于低功耗狀態(tài)。當(dāng)管腳d e n 置低時(shí)，d s 9 2 l v l 0 2 1 1 2 1 0 進(jìn)入三 態(tài)，此時(shí)不能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)d e n 重新置高后，d s 9 2 l v l 0 2 1 1 2 1 0 又重新回到 原來的狀態(tài)。 3 2 4 光發(fā)送接收模塊h f b r l 4 1 4 2 4 1 6 簡介8 1 光發(fā)送接收模塊采用的是a g i l e n t 公司生產(chǎn)的h f b r l 4 1 4 2 4 1 6 光發(fā)送接收組 合。它為8 引腳d i p 封裝，6 2 5 1 2 5 , u m 光纖連接，光連接器為s t 標(biāo)準(zhǔn)，工作溫度 范圍在一4 0 8 5 0 c ，發(fā)射光波長為8 2 0 n m ，其電路圖實(shí)現(xiàn)如圖3 4 所示： e 盤c rrni)s茸rti 弓h(huán) f s r - i 缸xr 。：矗西酬蘭 一- j 二固h f b r a 2 4 x 2 耠- - - + i l lda螄ia o u r t c e e r l r r a n s f l $ s l o n ， 0 i s i a e = 圖3 4 直流耦合型光纖通信系統(tǒng) h f b r 。2 4 1 6 是一種將光檢測器、直流運(yùn)放以及集電極丌路肖特基管集成為一體 的光接收器，它可以與普通邏輯電路直接連接，可檢測脈沖的上升沿、下降沿，接 收d c 1 2 5 m b p s 任意占空比的數(shù)據(jù)。h f b r 1 4 1 4 2 4 1 6 組合的b e r 為1 0 一，最高傳 輸速率15 5 m b i t ，最高數(shù)據(jù)傳輸距離為4 k m ?？紤]到本裝置布置于丌關(guān)場內(nèi)，這種 組合應(yīng)能滿足工程實(shí)用。 光發(fā)送模塊將接收來的光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，電信號被分為兩路，其中一路 送入反串行化器d s 9 2 l vl2 1o 經(jīng)串并轉(zhuǎn)換后交由d s p 進(jìn)行處理。另一路則接入高速 開關(guān)a d 8l8 0 。a d 818 0 為美國a d 公司生產(chǎn)的高速低功耗電丌關(guān)，其開關(guān)轉(zhuǎn)換頻率 可達(dá)7 5 0 m h z 。當(dāng)本單元主發(fā)時(shí)，a d 8 l8 0 將d s 9 2 l v l 0 2 l 和h f b r l 4 1 4 連接起來， 當(dāng)本單元處于轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)時(shí)，a d 8 1 8 0 將h f b r 2 4 1 6 和h f b r l 4 1 4 連接起來。從而實(shí) 現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速轉(zhuǎn)發(fā)。 由于a d s p 219 1 的通用i o 接口比較少，因此數(shù)據(jù)采集板上使用了一片c p l d 作為通用i o 的擴(kuò)展接v 1 。d s p 芯片將a d 轉(zhuǎn)換器、f i f o 、串行化反串行化器等 2 2 華北電力大學(xué)碩十! 學(xué)位論文 器件都作為統(tǒng)一的外設(shè)，對每一外設(shè)進(jìn)行地址編碼。通過c p l d 將d s p 的外設(shè)操作 信號轉(zhuǎn)換為對具體芯片的控制信號。這樣在程序的效率以及整體電路工作的協(xié)調(diào)性 上都由了很大的提高。 3 3 硬件設(shè)計(jì) 3 3 1a d s p 2 1 9 1 的接線圖 a d s p 219 1 的接線圖如3 5 所示，2 2 位的地址線可以查詢4 m 的存儲(chǔ)空間，16 位的數(shù)據(jù)線可以并行傳送16 位數(shù)據(jù)。p f 5 引腳控制并串轉(zhuǎn)換器d s 9 2 l v l0 2 1 發(fā)送同 步