Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматизации в электроэнергетических системах. Учебное пособие
.pdf
1. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
МИКРОПРОЦЕССОРНЫХ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ
ЗАЩИТЫ
1.1 Микропроцессорные устройства релейной защиты и автоматики
электроэнергетических систем. Основные сведения
Современное устройство релейной защиты и автоматики (РЗА) представляет
собой управляющую микропроцессорную систему, предназначенную для получения
и обработки информации о состоянии электроэнергетических объектов, и выдачи
управляющих и информационных сигналов для прекращения аварийных и
аномальных режимов в электроэнергетических системах (ЭЭС). В качестве входной
информации используются следующие составляющие [3]:
- аналоговые сигналы, характеризующие контролируемые величины ЭЭС: токи
Ai , Вi , Сi , напряжения Аu , Вu , Сu , а также другие непрерывные аналоговые
величины, пропорциональные характеристикам защищаемого объекта (температура,
давление, освещенность и т.п.);
- входная двоичная дискретная информация, такая как сигналы от
коммутационных аппаратов, других устройств РЗА и от обслуживающего
персонала;
- цифровая информация от других устройств РЗА, характеризующая как
текущие значения измеряемых величин, так и логические сигналы, полученные
посредством цифровых коммуникационных интерфейсов;
- управление уставками и параметрами устройств РЗА, осуществляемое
обслуживающим персоналом или системами управления через коммуникационные
интерфейсы. Выходная информация микропроцессорных устройств РЗА может быть
представлена следующим образом:
- выходная дискретная двоичная информация;
- цифровая информация к другим устройствам, характеризующая в общем
случае, как текущие значения измеряемых величин, так и логические сигналы,
11
передаваемые посредством цифровых коммуникационных интерфейсов;
- сообщения различных видов о состоянии защищаемого объекта, в том числе
сигналы для визуального наблюдения измеряемых аналоговых величин в
нормальном и аварийных режимах; фиксация текущего состояния защиты,
параметров и уставок, а также запись и передача сообщений (протоколов) в
аварийных режимах.
Построение измерительных органов в микропроцессорных устройствах РЗА
происходит путем цифровой обработки информации над последовательностями
чисел, зависящими от текущих значений входных сигналов тока и напряжения,
подводимых к устройству. Цифровые измерительные органы строятся на основе
общей конструктивной базы микропроцессорной системы и общей программы,
управляющей этой системой, путем специально разработанных программ,
реализующих заложенные в них алгоритмы РЗА. Цифровые измерительные органы
являются в определенном смысле «виртуальными», так как их невозможно выделить
из общей концепции микропроцессорной системы. Структура ЦИО во многом
условна, так как в зависимости от применяемых способов и средств обработки и
ввода сигналов, методов вычислений могут иметься последовательные или
параллельные каналы цифровой информации и соответствующие коммутаторы
сигналов, один или несколько взаимосвязанных микропроцессоров для обеспечения
заданных функций. Несмотря на то что структура ЦИО является более сложной, чем
структура традиционных измерительных органов на основе схем сравнения
величин, и содержит достаточно сложные узлы, такие как аналогово-цифровые
преобразователи (АЦП) и вычислительные блоки, основные преимущества такой
структуры выявляются при выполнении релейной защиты объекта или группы
устройств РЗА. Быстродействие современных микропроцессоров и возможности их
структуры позволяют обеспечивать одновременно функции многих измерительных
органов, различных по принципу действия, и проведения большого числа
логических операций. Дополнительно возможно решение задач самоконтроля
исправности, регистрации уставок РЗА в текущий момент времени, автоматизацию
проверок РЗА, адаптации устройства РЗА к изменяющемуся состоянию ЭЭС [4,5].
12
Традиционные измерительные органы РЗА используют в основном только две
физические величины – токи и напряжения, характеризующие состояние сети и
подводимые соответственно от измерительных трансформаторов тока (ТТ) и
трансформаторов напряжения (ТН). В микропроцессорных устройствах РЗА за счет
цифровой обработки информации возможно вычисление дополнительных
параметров ЭЭС.
Главная функция МП – обработка данных, состоящая из двух операций:
вычисления и пересылки данных. Микропроцессорные средства – выпускаемые
промышленностью наборы совместимых по уровням напряжения питания, сигналам
и представлению информации БИС и СИС, включающие в себя МП, микросхемы
постоянной и оперативной памяти, схем управления вводом-выводом, генератор
тактовых сигналов и другие. Микропроцессорный комплект интегральных
микросхем – совокупность микропроцессорных и других интегральных микросхем,
совместимых по архитектуре, конструктивному исполнению и электрическим
параметрам и обеспечивающих возможность совместного применения.
Микропроцессорная система – специализированная вычислительная,
управляющая или информационная система, построенная на основе
микропроцессорных средств.
Микроконтроллер – микропроцессорная система с небольшими
вычислительными ресурсами и упрощенной системой команд, ориентированной на
выполнение процедур логического управления различным оборудованием.
Архитектура МП – функциональные возможности аппаратурных электронных
средств МП, используемые для представления данных, машинных операций,
описания алгоритмов и процессов вычислений.
Магистраль – совокупность соединительных линий и схем, обеспечивающих
требуемые параметры передаваемых по линиям электрических сигналов, по
которым информация передается от источника информации к приемнику.
Интерфейс – совокупность правил, устанавливающих единые принципы
взаимодействия устройств в микропроцессорной системе. В состав интерфейса
входят аппаратурные средства соединения устройств (разъемы и связи),
13
номенклатура и характер связей, программные средства, описывающие характер
сигналов интерфейса и их временную диаграмму, а также описание электрических
параметров сигналов.
В связи с широким спектром возможных применений эволюция архитектуры
микропроцессоров пошла по нескольким различным направлениям, в результате
чего появились следующие их классы: простые однокристальные 4- и 8-разрядные
контроллеры невысокой производительности для применения в бытовых приборах и
небольших подсистемах; быстродействующие секционные комплекты
микропроцессорных БИС для создания систем произвольной разрядности,
адаптируемых к алгоритмам обработки данных на микропрограммном уровне;
мощные однокристальные 16-и 32- и 64-разрядные микропроцессоры; процессоры
цифровой обработки сигналов, подключаемые к стандартным интерфейсам
микропроцессорных систем для обработки арифметических алгоритмов, таких как
быстрое преобразование Фурье; аналоговые процессоры — устройства,
включающие АЦП, ЦАП, устройства цифровой обработки и представляющиеся
пользователю как системы с аналоговым входом и аналоговым выходом. Основные
преимущества микропроцессорных средств заключены в их универсальности,
высокой производительности и технологичности. Основные характеристики МП
[6,7]:
1) тип микроэлектронной технологии, используемой при изготовлении БИС
МП;
2) количество кристаллов, образующих микропроцессор;
3) размер кристалла;
4) количество элементов (транзисторов) на кристалле;
5) количество выводов корпуса кристалла;
6) длина слова (количество разрядов), обрабатываемого микропроцессором.
7) быстродействие МП (тактовая частота, время выполнения команд основных
операций);
8) емкость адресуемой памяти;
9) тип управляющего устройства (схемное или микропрограммное);
14
10) эффективность системы команд (количество команд, выполняемые
Характеристика МП
Число разрядов
4 8 16
32
64
Год появления
1971
1972
1974
1981
1994
Число элементов на
кристалле
2300
10000
70000
450000
>1000000
Тактовая частота, МГц
0,4
1-2
2-5
10-20
100-1500
Цена
(относительные единицы)
1 5 50
250
500
операции, способы адресации и др.);
11) число уровней прерывания;
12) возможность прямого доступа в память;
13) пропускная способность ввода-вывода;
14) количество и уровень питающих напряжений;
15) номинальные параметры используемых сигналов;
16) мощность, рассеиваемая БИС;
17) число входящих в микропроцессорный набор дополнительных БИС и СИС
и выполняемые ими функции;
18) наличие и доступность для пользователя программных средств поддержки и
проектирования программ для МП и отладки микропроцессорных устройств и
систем.
Сравнительные характеристики МП приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1
В настоящее время различают Гарвардскую и Фон-неймановскую
архитектуры памяти микропроцессора. Главными отличительными чертами
Гарвардской архитектуры являются реализация в виде различных устройств памяти
для программ и памяти для данных, а также использование двух работающих
параллельно независимых информационных магистралей для чтения данных и
команд. Для Фон-неймановской архитектуры присущи простота аппаратной
15
реализации и универсальность исполнения команд. Обобщенная архитектура МП
системы приведена на рис.1.1 [10,12].
Микропроцессор МР ведет обработку данных, адресует в памяти команды и
операнды, управляет работой устройств ввода-вывода IOU, подключенных к
магистралям адреса MА, данных MD и управления MС через блоки электрического
согласования – адаптеры AD. Постоянное запоминающее устройство ROM хранит
программы и константы, необходимые для их выполнения; в оперативном
запоминающем устройстве RAM хранятся данные и промежуточные результаты
вычислений. Работа микропроцессора синхронизируется тактовыми сигналами CLK,
поступающими на его входы от генератора синхронизации CLG. Схема начального
сброса RSG вырабатывает сигнал инициализации RESET микропроцессора на основе
анализа напряжения на выходе блока питания BSG.
Рис.1.1. - Обобщенная архитектура МП системы
В данной архитектуре реализуются все три дисциплины взаимодействия
микропроцессора и внешних устройств:
1. Программный опрос, когда ввод-вывод осуществляется под управлением
микропроцессора, постоянно сканирующего сигналы запросов на обслуживания
от IOU.
2. Прерывания микропроцессора, осуществляемые по инициативе внешних
устройств через контроллер прерываний INTU сигналами запросов INT.
3. Прямой доступ внешних устройств к памяти микропроцессора путем захвата
16
системных шин адреса и данных через контроллер прямого доступа DMU
MP
RAM
ROM
BD
BD
ROMI
CPU
DPS
Последовательный интерфейс
ROMC
RAM
IOU
Интерфейс микропроцессорной системы
выдачей сигналов запроса прямого доступа RQM и управления системой памяти.
При использовании микропроцессорной системы в реальном времени в ее состав
вводится, как правило, интервальный таймер TMR – устройство, ведущее
исчисление времени и прерывающее работу микропроцессора через заданные
интервалы [13].
Для повышения эффективной производительности к интерфейсу
микропроцессорной системы можно подключать процессоры цифровой обработки
сигналов DPS, как показано на рис.1.2.
Рис. 1.2. Схема подключения процессора цифровой обработки информации к МП
системе
Высокая производительность достигается за счет введения в CPU матричных
умножителей.
Использование последовательного интерфейса позволяет строить
многопроцессорные системы DPS или сопрягать источники и приемники сигналов,
не увеличивая нагрузку на интерфейс микропроцессорной системы. Как правило,
система команд DPS коренным образом отличается от системы команд МР, что не
мешает их совместной работе через BD.
Архитектуру аналоговых процессоров APS поясняет рис. 1.3.
В состав БИС APS входят:
- аналого-цифровые ADC и цифроаналоговые DAC преобразователи;
- система памяти PROM и RAM;
17
- буферы данных BD и микропроцессор МР[16,19].
Рис.1.3. Архитектура аналоговых процессоров
Особенностью APS является возможность непосредственного сопряжения с
аналоговыми датчиками и исполнительными механизмами, что резко сокращает
объем оборудования систем управления. Обработка данных ведется в цифровом
коде, разрядность ADC и DAC — обычно 8-32 бит.
Основные архитектуры МП. В современных микропроцессорах применяются
следующие архитектуры:
- CISC – традиционная архитектура с полной системой команд (Complicated
Instruction Set Computer);
- RISC – архитектура с сокращенной системой команд (Redused Instruction Set
Computer);
- ARM – усовершенствованная RISC архитектура (Advanced RISC machine).
В традиционной микропроцессорной системе единая информационная
магистраль связывает между собой все устройства системы и функционально
состоит из информационных магистралей адресов, данных и сигналов управления.
Логические состояния магистралей описывают состояние МП системы в любой
момент времени. Магистраль адреса (МА) предназначена для передачи от МП к
устройствам системы адреса устройства, с которым в данный момент будет вестись
взаимодействие. МА – однонаправленная. Магистраль данных (МD) предназначена
для передачи данных от процессора к устройствам системы и от устройств к МП.
МD – двунаправленная, однако данные в системе в каждый момент времени могут
передаваться только в одном направлении. Магистраль управления (МC)
предназначена для передачи управляющих сигналов и сигналов синхронизации для
18
определения операций устройств. МC – однонаправленная .
Основные операции в МП системе:
1. Чтение из памяти.
2. Запись в память.
3. Чтение из устройств ввода.
4. Запись в устройства вывода.
Для успешной реализации записи в память должны быть выполнены
следующие действия:
1. Активизирован на адресной магистрали МА адрес памяти (адрес ячейки
памяти, куда записываются данные, генерируемые МП с магистрали данных
MD).
2. На магистраль данных MD должны поступить данные из МП. Эти данные
будут записаны в ячейку памяти, адрес которой содержится на МА.
3. На линию «Запись в память» WE магистрали управления MC должен
поступить соответствующим образом синхронизированный импульс разрешения
записи. При этом осуществиться передача данных.
Временная диаграмма процесса записи в память приведена на рис.1.4 а, условное
графическое изображение микросхемы памяти К537РУ10 на рис. 1.4 б. Входы A0-
A10 подключаются к магистрали адреса МА, входы-выходы D0-D7 – к магистрали
данных MD, входы CS (выбор микросхемы), OE (разрешение вывода данных) и WE
(разрешение записи) – к магистрали управления MC.
Чтобы реализовать операцию «Чтение данных из памяти» необходимо:
1. Обеспечить на магистрали адреса МА адрес ячейки памяти, из которой
будут считываться данные.
2. Подготовить MD к приему.
3. Выдать на линию «Чтение из памяти» магистрали управления активный
сигнал. При этом данные из памяти поступают на MD и могут быть восприняты
МП.
Временная диаграмма процесса записи в память приведена на рис.1.5.
19
Аналогичным образом реализуются операции с устройствами ввода-вывода.
t
WC t CS
OE
DO
CS
MA
t
CSA
t
AC
t
t
t
t
Рис.1.4 - Временная диаграмма процесса записи в память (а) и условное графическое
обозначение микросхемы памяти КР537РУ10 (б)
Рис.1.5. - Временная диаграмма процесса чтения данных из памяти
Порядок выполнения команд в МП системе:
1. МП выдает на МА адрес ячейки памяти, в которой хранится код
операции команды.
2. Код операции читается из памяти и вводится в МП.
3. Команда дешифруется МП.
4. МП настраивается на выполнение функций в соответствии с
20
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]