整理变电站综合自动化数据采集及传输系统设计.docx

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整理变电站综合自动化数据采集及传输系统设计

变电站综合自动化数据采集及传输系统设计

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PCI网卡和短窗Morlet复小波在继电保护

和监控系统中的应用

摘要:

使用可编程通信接口（PCl）网卡和短窗Morlet复小波算法与数字保护技术、测试和控制技术、多总线技术和电功率监视技术结合，一个新的全分布式的继电保护和监控系统得以发展。

PCI网卡硬件的设计方法与其驱动器和监控程序的发展过程一起被描述。

一种有差异过滤器与短窗Morlet复小波测量算法被用于计算基本的振幅与电流电压信号协调成分.其计算的结果不受频率变化的影响,每一保护和监控装置采取统一的硬件平台和系统设计,而后复杂性被减少，并且系统的维持性被改进。

网络测试、动力学模拟及在此域的测试结果表明这个体系能对各种变压器，线路,电容器和发动机的各种错误做出精确响应，并且它也有较高的测量精度和有利的控制能力。

关键字：

PCI总线,网络装置总线，Morlet复小波,微机控制器，继电保护和监控系统

1．介绍

随着电力系统的发展，继电保护装置不仅应能保证电气装备操作的安全性和电力系统的瞬时稳定性，也应该考虑当电力网被相互连接用于防止密集的联锁线路和在明显故障后系统塌陷时，也应该考虑所有的保护装置的调统和配合.那么数字保护技术、测试和控制、总线和电力监视与完全分发的结构被结合构成一个继电保护和监控系统。

它是一个综合的自动化分站以替代数字中心控制设备的新的理想计划.

与常规的ISA和STD总线相比，PCI总线有较高的传送速度（132M频带宽度）的优点，支持突然中止和发挥功用、切断共享和较大的地址空间。

PCI总线已替代ISA和STD总线，已经成为计算机总线的标准。

区域总线有许多种类，网络装置是基于CAN技术的一种区域总线并且已经成为国际标准、欧洲标准和中国的标准。

它采取短消息框架并且有非摧毁总线仲裁技术和有利的故障鉴别和抗干扰的能力。

它能构成一个多主的多余系统并且能支持分布控制和实时控制。

它还是一个开放的、低价格和高效率控制网络，这对电力系统是适宜的。

在继电保护和监控系统中，电压、电流、功率和其它电参数中是需要获取的.完波傅里叶重积分算法是计算基本和协调元件振幅经典的算法.但是，当电力网的频率被改变，这种算法有很大的误差。

然而,短窗Morlet复小波有更好的连续特性和稳定性,它的计算结果少受频率频繁改变的影响.因而，PCI网络装置卡和短窗Morlet复小波的应用能改进分站和电力系统自动化的水平。

PCI网络装置卡的驱动器和用户监督程序是体系主节点设计的主要任务。

驱动程序被微机驱动器编辑，用户监督程序被VisualC+—-6.0MFC编辑。

2。

系统的全部项目

根据IEC与TC-57的标准，分站的设备可划分为分站层，分发控制设备层和生产过程层.基于这个标准，本文所描述的分发的继电保护和监控系统的图形块在图表一中显示。

分站层包括主层，备用层和PCI网卡。

主层和备用主层是构成一个多主的多余系统以及改进体系的稳定性和抗干扰的能力的主节点。

主节点是对当地监测、控制和信号传送的关键设备.它能监控所有的保护和监控装置并且与远方的发出和控制中心进行交流。

分布式的控制设备层包括保护和监控单元（从属节点）,它能实现保护、测量的功能并且控制变压器、线路、电容器和发动机的操作功能。

它也能实现与主节点通信的功能。

分站层通过网络总线与分布式的控制设备层连接着。

这个体系是一个新的全分发式的继电保护和监控系统.其应用能简化分站自动系统的结构并且减少系统的价格.

3.系统主节点的设计

主节点主要功能包括：

（1）与从属节点进行通信，同时实现和远程控制、远程测量、远程通信和与所有的从属节点的远程管理.

（2）图表显示、报告印刷、数据处理、转换操作和参量设置。

转换操作和参量设置只有在口令被证实之后才能做。

（3）基于电力系统网络的稳定性，每一从属节点的调和合作才得以实现。

（4）与远方的发出和控制中心进行交流并且通过远方的发出和控制中心进行管理和控制。

主节点和从属节点间的主要交流内容包括：

（1）经过初始化之后，主节点对每一个从属节点进行询问和寻址（对从属节点寻址）

（2）主节点设置时间与从属节点同步（时间广播）

（3）在制定第一步和第二个步之后，从每一个从属节点按顺序收集使用者的基准（远程测量,远程通信和按顺序记录事故，收集充足的基准）

（4）主节点根据要求传送遥控命令（行动类型和行动时间）或者远方管理基准（放置每一个保护和监控单元的参数）.

（5）上面的通信过程可能被主节点或者从属节点的事件所中断，主节点的事件可能被传送或者被基准要求所需要。

使从属节点所需的事件大多数随远方通信改变。

主节点的设计主要包括PCI网卡的设计以及其微机驱动器和监控程序的发展.其微机驱动器和监控程序的发展是工作的重点和难点。

3.1PCI网卡的硬件设计

PCI网卡被用于连接个人电脑和网络总线的底部装置网。

现在设计PCI卡有两种方法:

1。

采取一般的接口芯片，诸如S5933、PCI9052或者PIX9054；2.采取微型控制器和CPLD/FPGA以构建PCI总线接口.第一种方法很少涉及PCI总线操作并仅仅需要处理当地总线接口,它是较简单的并且在设计中能节约时间。

第二种方法根据其卡定制一些功能及其设计更灵活。

但是，它必须遵守PCI总线的标准。

设计的难度越大,其设计的周期就越长。

本文采取第一种方法，即采取PCI9052来构成PCI总线接口.其硬件方块图在图片2中显示。

PCI9052是DLX生产的PCI总线接口芯片具有很高的性能，并且能被使于低价格的接头中。

在这张PCI网卡中,其主要功能是提供PCI总线和网络总线之间的转换桥梁。

SJA1000被用来作为CAN控制器和地址/数据再利用方式被采取去连接PCI9052。

与非重复使用方式相比较,这方式能节省费用并且能改进卡的操作速度，PCA82C250被采用作为CAN收发机以实现TTL和总线水平之间的转化。

93C546被采用作为连续的EEPROM，并且PCI9052就是通过它来下载配置信息。

这两个付余的网络通信通道在设计中被采用。

主节点能选择相应的渠道，可方便地被转换。

进而卡的可靠性得以提高，电力供应隔离和图片电隔离技术被采用，以减少波动的影响和由错误造成的危害。

3.2PCI网卡的软件开发

为了安全,自从Windows2000以来的微软操作系统保护大多数进入硬件的相关信息。

在ring3层的用户应用程序不能直接进入硬件，并且中断服务不能特殊地被提供。

硬件仅能通过在ring0层运行的设备驱动器进入，设备的驱动程序应该实现硬件功能,而且应提供特殊的API功能资料库,以构建适应自身硬件驱动方式的用户应用计划。

最终的用户功能必须实现其驱动器程序。

进而,发展驱动器程序是PCI网卡软件的首要任务。

微机驱动器是由美国人的KRF技术提供开发的成套元件的驱动程序。

一般的设备驱动程序如Windrvr。

vxd和Windrvr.sys都是其主要的功能模组。

他们包括一个码发生器-微机驱动器Wizard，一个微机驱动器利用两个公共程序pci_scan。

exe和pci_dump.exe的成套装置。

驱动程序与微机驱动器发展起来可以移植到Windows95、98、NT、2000和XP［7]中.因此，本文采用微机驱动器作为驱动程序的发展工具。

周期征询方式简单地访问硬件,但是它不能适应需要实时的情况，因此它能仅仅是助手方式而已.这种卡的驱动程序采用的驱动方式是由硬件中断引导的，它能满足适时的要求，并且能使用户监督程序有较大的灵活性。

PCI网卡的驱动程序的发展过程:

（1）建造特殊的应用程序接口功能库。

首先,在驱动路径中建一个驱动程序，驱动路径能识别PCI网卡的配置空间,自动在93CS46中建立,同时它允许用户在其输入输出口空间或者记忆空间做读写测试。

其次,访问者（中断控制/状态访问者）应该设计这种设备以分配中断数字到它那,用以监控中断情况。

PCI9052的输入输出地址作为访问者在驱动路径中被跟踪并且当编辑中断信息时与中断响应建立关系。

当响应时访问者写入0，在xxx_IntEnable（）功能主体中，驱动路径能自动地隶属于一群传输需求码，它能使中断水平变低。

在中断在中断等待函数中被捕捉之后,在访问中断处理过程中，微机驱动器能清楚地意识到被PCI网卡造成的硬件中断。

此时，中断能确切地被响应。

在上述构形之后,微机路径能根据被使用者选择的程序语言（例如VC）创造特殊的应用程序接口函数库.函数库能实现中断处理、存储器直接存取传送、输入-输出操作、存储器绘图及突然中断和方便地发挥作用。

（2）建造PCI网卡的驱动程序是基于被中断引导的方式。

为了实现PCI网卡的实时数字通信，被中断引导的方式和被直接读写输入输出口空间帮助的方式被采取。

这种卡的中断服务程序的主要功能是处理网络总线的交流任务。

来自PCI网卡的中断包括:

接受中断、溢出中断和误差中断。

一旦误差中断发生，网络控制器将处于重新设置的状态，而主节点不能与从属节点交流，它必须在用户中断服务程序中重新设置工作状态。

溢出中断处理必须与接受中断处理和网络控制状态访问者的溢出字节相结合，这是一个循环的过程。

接受中断是自然中断，它从接受缓冲装置阅读基准并且释放接受缓冲装置。

卡的中断服务程序的流量图在图3中显示。

使用微机驱动器的设备驱动程序的发展具有较短的发展周期、高性能、便携式和易分配等优点.

用户监督程序的发展是PCI网卡的软件开发的重要任务并且继电保护和监控系统发展的关键。

网络持续使用物质层的CAN协议和数据连接层标准。

然而,它限制不同的消息格式、总线仲裁机制、故障诊断及它本身的方法和应用层标准.

基于领悟网络协议，VisualC+6。

0多功能控制被用来编辑这个体系的监控程序。

它包括六种模件：

初始化模件、体系监控模件、数据管理模件、体系构形模件、控制模件和帮助模件。

初始化模件的主要任务是根据由体系构形模件和一些体系规则所设置的通信参量来构成PCI网卡的寄存器，那么PCI网卡能根据规则处于工作或者关闭状态下。

体系监控模件为实时提供好的接口和检查定量的历史趋势。

数据管理模件根据指定的形式（例如DPF形式）来阅读数据。

体系构形模件构成运算子参量,通信参量，监督种类和检验方式的灵活性、控制模件实现主节点的可选择性的控制策略。

帮助模件提供帮助性的必要信息。

来自网络总线的PCI网卡接受各种各样的数据，它们被捕捉到用户中断服务程序并且在盘文件中以DBF格式保存。

用户监督程序能阅读盘文件并获取监控数据.如果使从属节点需要被控制或选中，微机特殊的应用程序接口函数被用来写PCI网卡的输入/输出口。

本文中的监控程序用可取的图片操作接口,人机相互作用环境和高数据通信能力，能完成所有的任务配备令人满意的可取的控制策略。

4.体系从属节点的设计

为了减少分站自动体系的复杂性并且改进继电保护和监控系统的持续能力，每一保护和监控装置采用统一的硬件层和系统设计。

通过比较各种各样的保护和监控装置的基本功能同时考虑实际的应用需要，这个体系的每一保护的和监控组合的主要功能包括：

1。

保护函数；2.报警功能；3.测量功能；4.监控功能；5.故障记忆和诊断自己的功能;6.人机接口功能，键盘操作和LCD显示；7。

网络总线的通信功能。

4.1从属节点的硬件设计

每一保护和监控装置采取双CPU结构。

其硬件方块图在图4中显示。

数字信号处理器和其外围线路主要履行多通道数模转换，电子数量计算，各种保护的算法实现,实时钟控制，数据存储,网络通信，转换数量输入输出及其它的功能。

单一电脑芯片和其外围线路主要实现人机接口功能。

它主要包括键盘操作和LCD显示，DSP通过连续的交流与单一芯片进行电脑数据交换。

消除样本的非同化或者循环同化产生的误差,而产生影响,并且保证相同的样本间距，在从属节点中采取DSP的捕捉单位测量电信号的频率。

它能替代相锁路径同时使样本频率随电信号频率而变化。

4.2短窗Morlet复小波的测量算法

测量功能是这个系统的主要功能之一。

全波傅里叶算法是一种经典的测量算法。

但是，当电力网络的频率被改变，这种算法有较大的误差。

然而,短窗Morlet复小波有有利的频率特征和稳定性。

本文采用有差异的滤过器加上短窗Morlet复小波算法去计算电流或者电压信号的基本的和协作的元件振幅。

当计算时，首先使电信号穿过有差异的滤过器，其方程:

这里n=1，2,..,M，是离散的序列数字.M是数据窗的点。

L=6.

短窗Morlet复小波和其实部和虚部的离散方程式：

这里n=1,2,.。

，M，是离散的序列数字.N是一个循环的样本点。

k是协调时间。

b是调整系数。

在短窗Morlet复小波的实部和虚部从方程（3）（4）被计算之后，电压或电流信号的的基本或协调元件的振幅能从以下来实现：

这里n=1，2，..，M是离散的序列数字.＊是连积。

每一个系统的保护的和监控单元的样本频率fs=2400Hz，这里N=48,M=48。

调整系数b=2。

295.结果显示使用有差异的过滤器加上短窗Morlet复小波算法来计算电流或者电压信号的基本的和协调元件的振幅能很大程度上能减少频率变化的影响。