1 引言
随着电力系统的发展，电源增多，电网扩大，自动化程度提高，许多计算与控制问题日益复杂，但无论从现有技术上，还是从供电的可靠性及设备的安全性考虑，直接在实际电力系统中进行各种实验，可能性很小，因此要运用电力系统仿真来解决这些问题。仿真按所用的模型的不同分为两大类：即用物理模型进行仿真称为物理仿真；用数学模型和符号模型进行仿真称为数学仿真。从继电保护及安全自动装置的开发研制过程来看一般可分为如下几个步骤：（1）现场出现的问题；（2）理论方面的准备；（3）装置的开发；（4）各种运行工况的试验；（5）现场运行。在整个过程中，会出现反复，一些“非重要”的工作会占用大量的人力物力，研究的效率低下。
针对上述情况，我们设计开发了一种通用的电力系统继电保护和安全自动装置系统，它可以直接应用在静态或动态的物理模型（如电力系统动态模拟实验系统）上。本系统提供了强大的功能，并具备了完全开放性，研究人员通过分式确定的算法可添加到系统中去，使得该系统具有知识积累功能。这将极大地提高研究人员的研究效率。
本课题得到了国家电力公司资助，其应用场所为华北电力大学动态模拟实验室。建立在以太网基础上的序列控制子系统、事件记录子系统、实时仿真子系统，将组成一个集继电保护和安全自动装置的研究、测试与多媒体教学于一体的完整系统。
2 硬件设计
2．1 TMS320C32数字信号处理器简介
仿真单元中的处理器采用TI公司的TMS320C3X系列的浮点数字信号处理器TMS320C32，它是一种硬件功能强大、开发环境及相应开发平台先进的微处理芯片。C32型DSP的主要功能结构如下：
（1）哈佛结构
C32的内部总线结构为哈佛结构：将程序和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器是两个相互独立的存储器，每个存储器独立编址，独立访问。分开的程序总线（PADDR和PDATA），数据总线（DADDR1，DADDR2和DDATA）和DMA总线（DMAADDR和DMADATA），使程序的提取，数据存取和DMA的存取可以并行地进行。为了进一步提高运行速度和灵活性，TMS320系列DSP芯片在基本哈佛结构的基础上做了改进，一是允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的灵活性；二是指令存储在高速缓冲器（Cache）中，当执行此指令时，不需要再从存储器中读取指令，节约了一个指令周期的时间。
（2）流水线操作
DSP芯片广泛采用流水线以减少指令执行时间，从而增强了处理器的处理能力。TMS320C32采用四级流水线，在四级流水线中，取指（F），译码（D），读（R）和执行（E）各自独立执行，这使得指令的执行完全重叠，也就为CPU极高的执行速度创造了条件。
（3）丰富的寄存器资源
C32的多端口寄存器组具有28个寄存器。该寄存器组与CPU紧密耦合，所有这些寄存器可被乘法器和ALU操作，并可被用作通用寄存器。然而各个寄存器还具有特殊的功能。例如，8个扩展精度寄存器，特别适合于维持扩展精度的浮点结果。8个辅助寄存器，支持各种间接寻址方式。这样也减少了对存储器的访问，提高了CPU的速度。
（4）专用的硬乘法器
乘法器是DSP的重要组成部分，乘法可以在一个指令周期完成。
（5）特殊的DSP指令
DSP芯片的另一个特征是采用特殊的指令。这些特殊的指令使得许多算法的完成上变得很容易。如：并行处理指令、位倒转寻址指令等。
（6）快速的指令周期
哈佛结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成电路的优化设计，DSP芯片的指令周期40 ns，而大多数指令为单周期指令。
（7）灵活的外部总线接口，BOOT（即程序加载）功能简化了系统的设计。
2．2 系统结构
系统由数据采集与处理单元、中层管理单元、网络部分和中央控制计算机系统组成。系统结构如图1所示。其中中层管理单元采用PC104系统，作为嵌入式PC机的一种，在软件与硬件上，PC／104与标准台式PC（PC／AT）体系结构完全兼容，但在形态上，PC／104是十分紧凑、自栈式、模块化结构。PC／104把各种台式PC重新包装以满足要求坚固、可靠、尺寸受限的嵌入式系统的方法进行了标准化；PC／104产品具有微型尺寸、栈接式总线、总线信号功能与PC／AT总线相对应的信号完全相同、减小总线驱动、ALLin ONE（内存、电子盘及以太网等外设集于一块印制版中）等特点。中层管理单元和数据采集与处理单元采用双口存储器进行高速数据交换，满足系统实时仿真要求。中层管理单元与中央控制计算机通过10 m以太网连接，以太网具有较高的带宽，但由于其协议为CSMA／CD方式，故当带宽占用率过高时可能会引起冲撞而降低通过率。由于这种技术特点，当带宽占用率低于37％时，可以基本避免冲撞，充分满足实时要求。
2．3 数据采集与处理单元的设计
本单元以TMS320C32数字信号处理器为核心，外围电路包括64 k×8EPROM程序存储器（驻留程序）、2 M字节数据存储器（运行程序及数据存储）、串行EEPROM24C16（保存系统参数）、双端口RAMIDT7134（与中层管理机单元进行数据交换）等构成数据处理系统。GPS秒脉冲接收电路用于给采样数据及各种变量加注时标。模数转换采用14位自校准的A／D转换器AD7865，其内部集成了采样保持电路、多路转换开关等，精度高，性能稳定。同时，为了提高精度，采用了外部参考电压源来提供AD转换的参考电压。该单元的组成电路如图2所示。
本单元不仅是一个模拟量采集系统，而且要根据中央控制计算机所下达的命令进行不同运算实现数据的处理，提供连续实时的变量输出。而DSP数据处理能力强，能够促进系统实时性能的提高，DSP在相同的主频下，甚至比目前最先进的个人计算机要快10～50倍。这样，DSP在完成数据采集功能的同时，也完成了以往由主CPU完成的主要运算功能。例如：用FFT做频谱分析，计算正序、负序和零序分量等。这样就充分保证了系统实时性的实现。
3 工作原理
建立在以太网络基础上的继电保护实时仿真系统的工作原理是：通过中央控制计算机建立工作模式、仿真对象和控制逻辑；然后通过网络下达命令到仿真子系统、序列控制子系统；序列控制子系统建立故障形态，仿真子系统根据要求进行数据的采集处理，以变量的形式连续输出返回中央控制计算机；中央计算机根据先前的设定计算并根据计算结果和设定的控制逻辑决定是否命令序列控制单元进行相应的操作。就仿真子系统而言，它有两种工作模式：录波模式和仿真模式。
录波模式下，在网络连接建立起来以后，在中央控制计算机可设定录波启动方式、停止方式、通道、采样速率。该命会由网络传送给仿真子系统，记录的数据通过网络传送回中央控制计算机。该方式多用于离线的分析。
仿真模式下，以线路距离保护为例，假设我们需要仿真发生故障的情况下保护感受到的故障点处的电阻、电抗变化以及根据电阻和电抗的计算结果进行跳闸操作。仿真过程包括：建立网络通讯、仿真参数设置（如ZAB＝UAB／（IA－IB））、命令下达、变量上传、中央控制计算机的仿真计算及控制。
仿真子系统的工作流程如图3所示。
4 结论
本文所介绍的电力系统继电保护及安全自动装置实时仿真系统以以太网络为依托，对中央控制计算机和仿真子系统的功能进行了合理划分。在此基础上设计了以TMS320浮点数字信号处理构成的高速数字处理系统。该系统的成功应用将给科学研究及教学带来很大的便利。
7 参考文献
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