嵌入式系統(tǒng)在消弧線圈接地系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

本文共63頁，598723

摘 要

目前，我國配電網(wǎng)中性點接地方式越來越多的采用經(jīng)消弧線圈系統(tǒng)接地，消弧線圈接地系統(tǒng)的選線控制器采用工業(yè)控制計算機，由于散熱的需要安裝了散熱風(fēng)扇，這就導(dǎo)致機箱內(nèi)積灰嚴(yán)重，風(fēng)扇長期運行故障多，使得整個系統(tǒng)不能完全實現(xiàn)免維護(hù)功能，不能滿足電力系統(tǒng)無人值守的需求。另外對于電纜出線比較多的變電站，由于控制器的處理速度還不夠快，做FFT運算十分耗時，這樣就不能保證系統(tǒng)的實時處理。

嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展為改變這種狀況提供了契機，ARM9等32位嵌入式處理器在性能上已經(jīng)可以與工業(yè)控制計算機相媲美。在網(wǎng)絡(luò)和后PC時代，在工業(yè)控制、圖像處理等領(lǐng)域采用低功耗、高性能的嵌入式處理系統(tǒng)將是一個發(fā)展的趨勢。

論文以高性能的32位嵌入式芯片AT91RM9200為平臺取代工業(yè)控制計算機，以消弧線圈接地控制系統(tǒng)為應(yīng)用對象，實現(xiàn)32路模擬量信號的同步采樣、以太網(wǎng)通信、大容量存儲、嵌入式圖形界面等功能，完成了消弧線圈接地控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計和硬件設(shè)計。

論文首先根據(jù)工業(yè)控制計算機在消弧線圈接地控制應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，在對嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行了大量學(xué)習(xí)研究的基礎(chǔ)上，利用AT91RM9200處理器來代替工業(yè)控制計算機，根據(jù)功能的不同將處理平臺劃分為處理器、存儲器系統(tǒng)、故障錄波、通信接口、A/D采樣模塊、人機接口、復(fù)位電路以及供電等模塊，并完成了各個模塊的分析和設(shè)計。

應(yīng)用軟件的開發(fā)不僅需要穩(wěn)定的硬件平臺，還需要良好性能的操作系統(tǒng)的支持，VxWorks是一種既支持AT91RM9200處理器又具有良好實時性的操作系統(tǒng)。論文就VxWorks在AT91RM9200上的移植做了詳細(xì)的介紹，具體內(nèi)容包括：Bootloader程序在目標(biāo)系統(tǒng)上的移植，VxWorks BSP 在消弧線圈接地控制系統(tǒng)中的配置，以及CAN接口、觸摸屏、A/D采樣等外設(shè)驅(qū)動程序的編寫。

消弧線圈接地控制系統(tǒng)需要圖形界面的支持，在比較了常見的圖形界面后，選擇μC/GUI并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，實現(xiàn)了在目標(biāo)系統(tǒng)上的移植。結(jié)合消弧線圈接地控制系統(tǒng)的需要，完成圖形界面的設(shè)計和開發(fā)。


關(guān)鍵詞：消弧線圈接地系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)，VxWorks，AT91RM9200

ABSTRACT

At present, the method of neutral point grounding in the distribution networks through arc suppression coil is commonly used in our country; the controllers of the arc suppression coil are often industry control computers. For the need of dispelling heat, fan is fixed and it lead that the piling of ash is serious in the box. There are a lot of faults when the fan runs long. It makes the whole control system cannot dismiss maintenance completely and can’t satisfy the demand of electric power system. Otherwise, in the condition of the transformer substation with many cables, for the controller’s speed of processing data is not enough, it will consume lots of times when using arithmetic of FFT and can’t ensure processing data real time.
The development of Embedded technique provides chance to change the condition, 32-bit processor such as ARM9 has the ability to compare with industry control computers in performance. In the age of network, adopting low power and high performance Embedded system will be a developmental trend in many fields such as industry controlling and image processing and so on.
The paper advances a method using AT91RM9200 in stead of industry control computers, with arc suppression grounding controlling system as application object, implemented many functions such as synchronized sampling of 32 analog signal、the communications of the Ethernet、great capability memory of device

Keywords: Grounding Control System of Peterson CoilEmbedded system,
VxWorks AT91RM9200



目 錄

中文摘要 I
英文摘要 II
1 概 論 1
1.1 引言 1
1.2 嵌入式系統(tǒng)的概述 2
1.2.1嵌入式系統(tǒng)的定義 2
1.2.2嵌入式處理器的簡介 3
1.2.3 實時操作系統(tǒng)(RTOS)簡介 5
1.2.4 嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀 7
1.2.5 嵌入式系統(tǒng)的特點 7
1.2.4 嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域 8
1.3 在消弧線圈接地系統(tǒng)中使用RTOS的必要性 8
1.3.1目前開發(fā)模式上的弊端 8
1.3.2 在應(yīng)用中使用RTOS的優(yōu)點 9
1.4 論文研究的主要內(nèi)容 9
2 新型消弧線圈控制系統(tǒng)總體方案設(shè)計 11
2.1 新型消弧線圈接地系統(tǒng)的電網(wǎng)電流測量方法和故障選線方法 11
2.1.1 配電網(wǎng)正常運行時對地電容的檢測方法 11
2.1.2 基于零序電流動態(tài)變化量的接地選線保護(hù)算法 11
2.2 新型消弧線圈接地系統(tǒng)的設(shè)計要求 12
2.3 新型消弧線圈接地系統(tǒng)硬件平臺的選擇 12
2.4 新型消弧線圈接地系統(tǒng)RTOS的選擇 13
2.5 以AT91RM9200為核心的控制系統(tǒng)的構(gòu)成 14
2.6 小結(jié) 15
3 消弧線圈接地系統(tǒng)的硬件設(shè)計 16
3.1消弧線圈接地系統(tǒng)硬件構(gòu)成 16
3.2 模擬量測量回路 16
3.2.1 限幅、濾波電路 17
3.2.2 頻率檢測電路 17
3.2.3 A/D采樣 18
3.3 存儲器系統(tǒng) 19
3.3.1 AT91RM9200存儲系統(tǒng) 19
3.3.2 系統(tǒng)內(nèi)存 20
3.3.3 系統(tǒng)FLASH存儲器 20
3.4 故障錄波模塊 21
3.5 以太網(wǎng)接口電路 22
3.6 CAN接口 23
3.7 液晶顯示模塊 24
3.8 觸摸屏接口 26
3.8.1 四線電阻式觸摸屏的原理 26
3.8.2 觸摸屏的控制實現(xiàn) 26
3.9系統(tǒng)的調(diào)試接口 27
3.9.1 JTAG接口 27
3.9.2 DEBUG接口 27
3.10 硬件抗干擾設(shè)計 28
3.11小結(jié) 29
4 VXWORKS及其在消弧線圈接地系統(tǒng)中的應(yīng)用 30
4.1 板級支持包的結(jié)構(gòu) 30
4.2 VXWORKS映像的分類 30
4.3 VXWORKS 在消弧線圈接地系統(tǒng)中的開發(fā)流程 31
4.4 VXWORKS 消弧線圈接地系統(tǒng)的實現(xiàn) 32
4.4.1 U-Boot 在接地系統(tǒng)上的移植 32
4.4.2 VxWorks BSP 的配置 34
4.4.3 VxWorks下載和運行 35
4.4.4 控制交叉編譯環(huán)境的建立 35
4.5 系統(tǒng)硬件驅(qū)動程序的實現(xiàn) 37
4.6 消弧線圈接地系統(tǒng)中斷響應(yīng)時間的測試 41
4.7 小節(jié) 43
5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計和圖形界面實現(xiàn) 44
5.1 控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計原則 44
5.2 控制系統(tǒng)程序的軟件設(shè)計 44
5.21系統(tǒng)任務(wù)的劃分 44
5.2.2 控制系統(tǒng)程序的執(zhí)行流程 45
5.3 各個功能模塊的程序框圖 45
5.3.1 AD采樣計算任務(wù) 45
5.3.2 故障錄波任務(wù) 46
5.4 圖形界面在消弧線圈接地系統(tǒng)的實現(xiàn) 47
5.4.1 圖形界面的概述 47
5.4.2 μC/GUI的簡介 47
5.4.3 μC/GUI具有的特點 48
5.4.4 μC/GUI 的應(yīng)用步驟 48
5.4.5 μC/GUI在消弧線圈接地系統(tǒng)中的移植 49
5.5 實驗驗證 50
5.5.1 故障錄波模塊的功能驗證 50
5.5.2 圖形界面的實現(xiàn) 51
5.6小結(jié) 51
6 結(jié) 論 52
致 謝 53
參考文獻(xiàn) 54
附 錄 56



1 概 論

1.1 引言
在我國，10～35kV配電系統(tǒng)一般均采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式。大多數(shù)專家認(rèn)為當(dāng)對地電容電流較大時，應(yīng)該采用消弧線圈接地方式[1]。對消弧線圈接地系統(tǒng)的要求是：在正常運行時，中性點位移電壓不超過額定相電壓的15%；對未經(jīng)補償時單相接地故障電流超過30A的3～10kV系統(tǒng)和20kV及以上系統(tǒng)，應(yīng)裝設(shè)消弧線圈；故障點的殘余電流分別不能超過5A[1] 。

早期在線調(diào)節(jié)的消弧線圈接地系統(tǒng)一般都采用預(yù)調(diào)諧工作方式，需要使用并聯(lián)或者串聯(lián)電阻抑制電網(wǎng)正常運行時的中性點諧振過電壓，存在著電網(wǎng)單相接地故障時不能快速切除電阻，引起單相接地故障發(fā)生起的一段時間內(nèi)不能完全補償接地點流過的電容電流，不能達(dá)到快速熄弧的效果，并帶來電阻、開關(guān)等器件的耐壓問題。為了克服上述問題，重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院開發(fā)了一種新型快速可調(diào)節(jié)的消弧線圈控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由接地變壓器、新型快速可調(diào)節(jié)消弧線圈、工業(yè)PC控制系統(tǒng)、晶閘管控制柜組成，如圖1.1所示。圖中K為三相開關(guān)，VTH1、VTH2為四個晶閘管組合。接地變壓器主要用于從母線La，Lb和Lc引出中性點，同時作為站變壓器使用[2]。


本章主要討論消弧線圈控制系統(tǒng)的整體方案設(shè)計，根據(jù)對新型消弧線圈控制系統(tǒng)的控制算法和系統(tǒng)功能的分析，提出了控制系統(tǒng)的設(shè)計要求。在此基礎(chǔ)上提出了以Celeron-M處理器為核心的或以AT91RM9200處理器為核心的控制方案，兩種方案基本性能大體相當(dāng)，考慮到裝置的工作溫度范圍、開發(fā)成本、硬件系統(tǒng)定制的靈活程度等方面，決定選用以AT91RM9200為核心的方案。本章還對μCOS、 Linux、 VxWorks三種操作系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析，選擇了VxWorks 作為消弧線圈接地控制器的操作系統(tǒng)，提出了控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方案。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 要煥年，曹梅月. 電力系統(tǒng)諧振接地.
[2] 劉和平. 新型快速可調(diào)消弧線圈接地系統(tǒng)研究. 重慶大學(xué)博士論文,
[3] 徐鳴，沈希等. 嵌入式計算機系統(tǒng)技術(shù). 工業(yè)儀表與自動化裝置
[4] 李佑軍. 嵌入式系統(tǒng)綜述.現(xiàn)代電子技術(shù),
[5] 馬忠梅等. ARM&Linux 嵌入式系統(tǒng)教程.