电力系统微机保护装置中双CPU通信方案及优劣分析.pdf

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1、继 电保护电力系统微机保护装置中双户通信方案及优劣分析概述了在微机 型 继电保 护装置中保护和管理间的通信方式的选择原则,介绍了当前常用的几种通信方式并对其优缺点进行分析,指出了各种方式的适用场合,结合装置硬件平台的具体情况总结了通信方式 的选择方案。王跃甘肃电力调度通信中心李博通李斌张烁天津大学电力系统仿真控制教育部重点实验室王跃工程师关键订微机保护类置通信模式并行通信串行通信继电保护装置 对电力系统的安全稳定运行起着至关重 要的作用,微机型继电保护装置由于其快速、灵敏、可靠和可实现复杂算法等优点而得到广泛采用。随着电力网络的日趋庞大,保护 原理日趋复杂,当前的普遍做法是采用运算能力很强的作

2、为保护来实现保护的核心算法,而以控制能力见长的单片机作为管理,实现键盘响应、液 晶显示等用户操作及与上位机通信等功能。双之间尽管功能划分明确,但还是要进行一定量的数据交换,合理的通信方式可以实现数据的准确快速传输,加快保护判断程序执行速 度,提高微机保护装置整体性能。因此,如何在众 多的通信方式 中找出适合装置的方案,已成为当前微机保护硬件平 台开发阶段的一个关键性问题。双尸间通信 方式 的选择原 则微机型继 电保护装置用于在发生故障时及时切断被保护设备与正常线路的联系,以保证系统的安全稳 定运行。不同电压等级、种类的电力设备,其保护原理不一样,对保护装置的速度、性能、实时运算能力及与用 户交

3、互信息的要求也不一样。这些差异使得不同微机保护装置硬件平 台设计方案中对双间传输数据的类型、数据量的大小及对实时性的要求也不尽相同。因此其通信方式的选择带有很大的灵活性,用户可根据设计方案的自身特点和功能要求来选择适用 的通信方式。在保证信号传输可靠性 的基础上,通信方式的选择应基于 以下原则所选通信方案要有产生中断信号和响应中断申请的能力。一般来说,微机保护装置中双间 的数据传输过 程都是随机的,因此,一般采用中断的方式来开始双方的数据交换。在选择通信方案时,首先要考虑其是 否具 有响应中断的能力。根据交换数据量的大小和频繁程度,选择合适的通信方式。对于大数据量频繁交互的情况,设计方案要选择

4、利于成块数据交换的高速通信方式反之,选择具有帧交换能力的低速通信方式即可。考虑硬件设计上印制电路板 的布线难度。如何根据需要合理布线,避免相互的电磁干扰,提高装置的可靠性,降低硬件成本,以上这些问题 在选择通信模式时应该给予充分的重视。考虑软件设计上的实现难度。通信程序的实现不应影响保护程序执行的实时性,要做到各程序块之间条理清晰互 不影响,在通信方式的选择上应该兼顾其对资源的占用及程序实现 的复杂程度。双尸间通信方式及特点总体来 说,双间的通信方 式 有并行通信方式和串行通信方式。喀笔另司电力电气年第卷第”期电力系统微机保护装置中双通信方案及优劣分析继电保护并行通信一条信息的各位数据被 同时

5、传送的通信方式称为并行通信。并行通信具有以下特点各数据位同时传送,传送速度快、效率高,但有 多少数据位就需 多少根数据线,因此传送成本高,布线复杂,且由于其易受外部干扰的影响不能进行长距离的通信。在微机保护中,并行通信的实现一般有三种方式。双并口直连方式这种通信方式硬件上 只需把两个的并行数据线按高低位分别连接起来即可。其数据传输的过程是数据发送把要发送 的数据放到数据线上写操作。由通用输人输出口引起 另一个中断,中断服务程序接收数据读操作。由接收的通用输人输出口发出接收完毕信号,发送收到信号后即可发送下一数据。作为并行通信中应 用最早 的设计方案,并口直连方式接线原理简单,传输速率较快,仅与

6、两的读写速度有关。但它也有很多缺陷由于双间没有数据缓冲器,因此对通信时 的读写时序要求很高,如果双方 的读写时序不能配合就很容易造成数据传输错误并行数据线 易受外界干扰,不宜进行长距离传输如果有外扩并口存储器,还要增加片选 逻辑双工作电平不同时需加装电平转换芯 片。由于其数据传输的 可靠性较低,现在 大 多数微机保护装置已不再使用此法。利用共享存储体双口进行通信考虑到 并口直连方式 数 据容易 丢 失的缺点,在两个间加装双方都能访 问的共享存储体双口作为缓冲器。一个处理 器将数据写人 双口,由另一处理 器将数据分时读出。这 种方法可以实现处 理器总线的隔离,通信双方仅针 对双口操作,使两个处理

7、 器 间可以有效地 交换数据,实现数据共 享。图是双口连接电路原理。双口有两套中断逻辑,通 过两个引脚分别连到两个的中 断 引 脚上,以实现双的握手。在对 双口的传送操作中,刃刃刃刃刃刃刃刃刃刃右侧数据据据箱入枪出出出左左左左地址址址存储区区区右翅 功上上上上译译译译译译译译译译译码码码码译译译译码码码码码码码码读读写、恻中断控制制图双口连接电路原理框图将双口作为 自己存储器的一部分,当两个需要数据传送时如向传送,首先将要传送的数据放到双口的某个通用地址单元,然后对双口最高奇地址进行写操作,以向发出一个中断,这样进人其中断服务程序,将该段地址单元的数据读出,之后对最高的奇地址进行写操作,以清除

8、该 中断,反之亦然。双口通信优点是提供了两路完全独立的端口,每端都有完整的地址、数据和控制总线,允许两个对双端口存储器 的同一单元同时存取具有两套 完全独立的中断逻辑来 实现 两个之间的握手控制信号具有两套独立的“忙”逻辑,保证两个同时对同一单元进行读写操作的正确性。对于单个而言,双口同普通没有明显 区别,而且其接口电路简单,数据传输量大。由于以上特点,双口在当前的微机保护领域被广泛应用于双间的通信。但利用双口通信,在通信过程中,双方首先要通过一定的握手信号验证,才能保证其信息传递 的正确性,因此,双口的通信协议较为复杂。使用做缓冲器 的并行通信随着当前 微机保护装置复杂程度的提高,其硬件平

9、台的设计也越来越复杂,板上芯片的增 多使如何合理排 布主的外围芯 片,避免芯片之间的电磁干扰成为设计上 的一个难题。针对 这 种情况,复杂可编程逻辑器件开始在微机保护领域广泛使用。是在一块芯片 内集成大量逻辑单元阵列并具备在线编程能力的复 杂可编程 逻辑器件。用户可以根据需要自己设计构造其逻辑功能,使硬件设计软件化。由于其能 够实现 如 时序组合和分时年“月上电力 电气喀墓另习继电保护选通等复杂逻辑,因此非常适合用作微机保护装置中主处理器与外围芯片的接口扩展电路,例如译码器、编码器、锁存器及可编程等。作为的外围功能扩展,可方便地实现主与外围芯片 的连接,简化外围电路的设计,并且具有很高的可靠性

10、。图是使用来完成双间通信功能的原理框图。从图中可以看出所起的作用类似于 双口,但由于是可编程器件,用户可以对它进行逻辑组合,因此,除了数据缓冲功能外,还 可以产生清晰的数据读写逻辑,避免双间因时序混乱造成读写错误,使双方的数据传输准确可靠。该硬件电路设计还具有很高的传输速度,适用于大数据量高速传输。可编程一位 的数据位,奇 偶或无校验位个或两个停止位。具体形式如图所示。个第个字符异步串行帧卜竺上司 下。而瓜停止位校验位传薪向纂位数据位心并行数据总线双向 数据通信接口并行数据总线地址总线控制总线地址地址译码译码地址总线控制总线图基于的双向并行通信接口的总体设计框图串行通信一条信息 的各位数据被逐

11、位按顺序传送的通信方式称为串行通信。串行通信的特点是数据位传送按位顺序进行,传输线少,成本低但传送速度慢。串行通信的距离可以从几米到几十米。随着当前通信行业的迅 猛发展,串行通信技术日趋成熟,传输速率越来越快,可以进行长距离数据传输并保证信号传输质量,加之其线路设计简单,能很好地满足保护装置的通信要求,因此已经越来越多的应用于双间的通信。串行通信标准分为同步串行通信和异步串行通信,目前各大芯片公司开发的微处理器中一般都在片上集成了标准异步串行通信接口和标准同步串行通信接口,其功能相当完善,软件编程也非常方便。异步串行通信异步串行通信接口也称口,采用双线通信,分别为数据发 送引脚和数据接收 引脚

12、,可选用 全 双 工或半双 工 通信模式。异步通信数据按帧传输,其通 用数据格式为一个起始位,图异步串行通信的数据帧格式采用异步串行通信,双间的硬件连接很简单,只需把各 自的数据发送引脚和对端的数据接收引脚对接即可。发送 和接收可以采用中断和查询两种方式,适用 于数据的随机发送接收,并且具有独立的发送和接收使能控制,便于用户选择。异步通信因每个 字节都要建立 一次 同步,即每个字符都要额外 附加启动位和停止位,所以工作速度较慢,一般由双中的较低速处理器决定。随着处理器 的主频越来越高,其传输速率也能达到几十甚至几百位秒,适 用于传输速度要求不高,数据传输量不大的场合。同步串行通信同步串行通信与

13、异步串行通信的最大区别在于多一根 时钟信号线用作通信双方间 的同步,采用主从模式来实现双之间的通信,可以不间断进行数据传送。同步串行通信接口一般由三个外部引脚组成从输出主输人引脚、从输入主输出引脚及串行时钟引脚。图给出了两个处 理器主处理器和从处理器之间的通信连接框图。对于主控制器 和从控制器,数据都是在的一个边沿移出移位寄存器,并在相对 的另一个边沿锁存到移位寄存器。因此,两个处理器同时发送和接收数据,应用软件来判定数据 的真伪。有三种可以使用 的发送数据方式主处理器发送数据,从处 理 器发送伪数据,用于 主处理器向从处理器传递数据。主处理器发送数据,从处理器发送数据,用 于双方同时互相传递

14、数据。主处理器发送伪数据,从处 理器 发送数据,用于从处理器向主处理器传递数据。主处理器停止 发 送信号,数据传送完成。由于主处理器控制信号,它可以在任何喀套另闭电力电气年第“卷第期图主处理器 从处理器的通信连接时刻启动数据发送。但需要通过软件确定主处理器如何检测从控制器何时准备好发送数据。由同步串行通信的数据传送过程 可知,同步串行通信的数据传输速率由主处理器发出的信号的频率决定,受制于较低速处理器的主频,但是,由于其在信号传输过程中由时钟位起止并且保持同步而不需要附加位,因此能够获得比异步串行模式更高的速率,可用于大量数据的较高速传输。通信方式的具体选择方案由以上分析可知,如果保护装置 双

15、之间传输数据量较大,且要求实时性较强,在印制电路板布线允许的情况下,可优先考虑并行通信。一般在需要外扩存储器用来存放定值和录波数据时可选用双口当主外接芯片很多,要实现的功能非常复杂时,则可以用进行外设扩展,以简化 外设 电路,同时兼顾 与管理间的通信功能。如果保护装置 双的功能独 立,相互传输的数据 量小,且对实时性 的要求不高,则可采用串行通信方式。串行通信方式的布线简单,仅用两根异步或三根同步信号线即可,适 用 于功 能复杂,主外扩芯片较 多 的装置,并且 可以进 行长距 离 的传输而不用缓冲器。结束语在分析微机型继电保护装置中保护和管理间的通信要求的基础上,提出了其通信模式的选择原则。详细介绍 了当前常用 的通信模式,并对不同通信模式进行了比较,指出了它们的优缺点及各自的应用场合。结合不同装置硬件平 台设计方案的具体要求,阐明了不同通信模式在微机保护装置中的适用情况,对微机保护装置的硬件设计具有一定的指导意义。收稿日期一一巨几