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(diǎn)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(jì)算機(jī)，由于散熱的需要安裝了散熱風(fēng)扇，這就導(dǎo)致機(jī)箱內(nèi)積灰嚴(yán)重，風(fēng)扇長期運(yùn)行故障多，使得整個(gè)系統(tǒng)不能完全實(shí)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(duì)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(yùn)算十分耗時(shí)，這樣就不能保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jī)，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(jì)算機(jī)相媲美。在網(wǎng)絡(luò)和后PC時(shí)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(gè)發(fā)展的趨勢(shì)。

論文以高性能的32位嵌入式芯片AT91RM9200為平臺(tái)取代工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，以消弧線圈接地控制系統(tǒng)為應(yīng)用對(duì)象，實(shí)現(xiàn)32路模擬量信號(hào)的同步采樣、以太網(wǎng)通信、大容量存儲(chǔ)、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(jì)和硬件設(shè)計(jì)。

論文首先根據(jù)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)在消弧線圈接地控制應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，在對(duì)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(jì)算機(jī)，根據(jù)功能的不同將處理平臺(tái)劃分為處理器、存儲(chǔ)器系統(tǒng)、故障錄波、通信接口、A/D采樣模塊、人機(jī)接口、復(fù)位電路以及供電等模塊，并完成了各個(gè)模塊的分析和設(shè)計(jì)。

應(yīng)用軟件的開發(fā)不僅需要穩(wěn)定的硬件平臺(tái)，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(shí)時(shí)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(dòng)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(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，實(shí)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(jì)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(shí)時(shí)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(diǎn) 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(diǎn) 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(jì) 11
2.1 新型消弧線圈接地系統(tǒng)的電網(wǎng)電流測(cè)量方法和故障選線方法 11
2.1.1 配電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)對(duì)地電容的檢測(cè)方法 11
2.1.2 基于零序電流動(dòng)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(jì)要求 12
2.3 新型消弧線圈接地系統(tǒng)硬件平臺(tái)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(jì) 16
3.1消弧線圈接地系統(tǒng)硬件構(gòu)成 16
3.2 模擬量測(cè)量回路 16
3.2.1 限幅、濾波電路 17
3.2.2 頻率檢測(cè)電路 17
3.2.3 A/D采樣 18
3.3 存儲(chǔ)器系統(tǒng) 19
3.3.1 AT91RM9200存儲(chǔ)系統(tǒng) 19
3.3.2 系統(tǒng)內(nèi)存 20
3.3.3 系統(tǒng)FLASH存儲(chǔ)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(shí)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(jì) 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(jí)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(shí)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(yùn)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(dòng)程序的實(shí)現(xiàn) 37
4.6 消弧線圈接地系統(tǒng)中斷響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試 41
4.7 小節(jié) 43
5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)和圖形界面實(shí)現(xiàn) 44
5.1 控制系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)原則 44
5.2 控制系統(tǒng)程序的軟件設(shè)計(jì) 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(gè)功能模塊的程序框圖 45
5.3.1 AD采樣計(jì)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(shí)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(diǎn) 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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 50
5.5.1 故障錄波模塊的功能驗(yàn)證 50
5.5.2 圖形界面的實(shí)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(diǎn)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(duì)地電容電流較大時(shí)，應(yīng)該采用消弧線圈接地方式[1]。對(duì)消弧線圈接地系統(tǒng)的要求是：在正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)位移電壓不超過額定相電壓的15%；對(duì)未經(jīng)補(bǔ)償時(shí)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(diǎn)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(yùn)行時(shí)的中性點(diǎn)諧振過電壓，存在著電網(wǎng)單相接地故障時(shí)不能快速切除電阻，引起單相接地故障發(fā)生起的一段時(shí)間內(nèi)不能完全補(bǔ)償接地點(diǎn)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(gè)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(diǎn)，同時(shí)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(jì)，根據(jù)對(duì)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(jì)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(duì)μCOS、 Linux、 VxWorks三種操作系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)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(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)技術(shù). 工業(yè)儀表與自動(dòng)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.