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基于VxWorks RTOS的电力系统继电保护装置的软件系统
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2017-10-30
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上世纪90年代，以微处理器为核心的数字式保护已成为继电保护的主流产品，电力系统继电保护技术进入了微机保护时代。随着电力系统对继电保护的要求不断提高，微机保护系统需要具有强实时性、高可靠性和扩展性［1］。
系统的实时性由硬件系统和嵌入式软件系统共同决定。
在实时性要求较高且任务较多的应用中，适合引入嵌入式实时操作系统RTOS（Real-Time Operating System）。RTOS高效的多优先级任务管理、强大的可移植性和扩展性以及微秒级的中断管理等特性，更加有利于控制效率的提高。VxWorks是硬实时特性最优越的RTOS，且具有高可靠性和可扩展性，能够为继电保护装置提供更好的性能保障。
1 继电保护装置软件系统
1.1 工作原理及流程
目前典型的继电保护装置应用软件系统均采用模块化设计思想，根据继电保护功能的要求分成8个部分：操作系统、交流采样、数据处理、保护控制、数据通信、人机交互及信息记录。各模块根据各自特点完成相应任务，使系统软件结构清晰，便于调试、连接、修改和移植。
1.2 系统软件框架设计
根据所要实现的功能和软件模块化设计的要求，设计了基于VxWorks的系统软件，包括硬件驱动程序模块、板级支持包（BSP）模块、VxWorks RTOS模块、中断处理模块、保护控制模块、人机交互模块、通信任务模块、信息记录模块等。系统软件框图如图1所示。
2 交流采样功能设计与实现
2.1 中断服务
由于A/D采样对实时性要求极高，因此采用中断服务子程序的方式实现。本设计利用Timer的定时中断控制A/D采样的频率，利用VxWorks提供的接口函数intConnet（）将A/D的采样函数挂靠到定时中断Timer1的中断向量上。
继电保护的交流采样可以分为数据采样和采样数据处理两部分。数据采样在采样定时周期控制下，将A/D转换好的数据通过SPI总线送到CPU采样数据存储区。采样数据处理则是CPU对已采样数据进行傅氏滤波、提取交流信号的各电气量参数。该部分软件的计算量需求是所有程序中最多的，因此是优化的关键部分。
2.2 数据采样
数据采样首先要考虑AD采样精度和采样率。采用ADI公司的12 bit ADC AD7940，针对所要采样波形的最高频率是工频5次谐波的要求，选择了1 kHz采样率，即每周波采样20个点。
在采样定时周期中断到来时， ADC开始启动13路模数转换。一路采样完毕之后，通过SPI总线传送到定义的采样数据存储区；当13路数据传送完毕，就可以进行采样数据的傅氏滤波处理，计算出三相交流电的电流、电压的幅值和相位。
2.3 数据处理
2.3.1 离散傅氏算法
交流采样数据的处理是系统计算工作的核心，它的实时性和精度决定了保护任务的实时性和系统响应的准确性，从而影响整个系统的性能实现。因此，交流采样数据处理算法的选择十分重要。虽然快速傅氏算法（FFT）理论上要比离散傅氏算法（DFT）具有更高的速度［4］，但在继电保护应用中，考虑到采样点数、计算量以及系统的实时性需求，采用了DFT作为处理算法。
根据傅氏级数原理，各次谐波分量的实部和虚部的时域表达式为：
当傅氏分析方法应用于计算机处理时，即为DFT形式。设信号x（t）每周期的采样点数为N，则采样间隔将是Ts=T/N，则式（1）、式（2）离散化后得到DFT的公式可表达为：
系统的实时性由硬件系统和嵌入式软件系统共同决定。
在实时性要求较高且任务较多的应用中，适合引入嵌入式实时操作系统RTOS（Real-Time Operating System）。RTOS高效的多优先级任务管理、强大的可移植性和扩展性以及微秒级的中断管理等特性，更加有利于控制效率的提高。VxWorks是硬实时特性最优越的RTOS，且具有高可靠性和可扩展性，能够为继电保护装置提供更好的性能保障。
1 继电保护装置软件系统
1.1 工作原理及流程
目前典型的继电保护装置应用软件系统均采用模块化设计思想，根据继电保护功能的要求分成8个部分：操作系统、交流采样、数据处理、保护控制、数据通信、人机交互及信息记录。各模块根据各自特点完成相应任务，使系统软件结构清晰，便于调试、连接、修改和移植。
1.2 系统软件框架设计
根据所要实现的功能和软件模块化设计的要求，设计了基于VxWorks的系统软件，包括硬件驱动程序模块、板级支持包（BSP）模块、VxWorks RTOS模块、中断处理模块、保护控制模块、人机交互模块、通信任务模块、信息记录模块等。系统软件框图如图1所示。
2 交流采样功能设计与实现
2.1 中断服务
由于A/D采样对实时性要求极高，因此采用中断服务子程序的方式实现。本设计利用Timer的定时中断控制A/D采样的频率，利用VxWorks提供的接口函数intConnet（）将A/D的采样函数挂靠到定时中断Timer1的中断向量上。
继电保护的交流采样可以分为数据采样和采样数据处理两部分。数据采样在采样定时周期控制下，将A/D转换好的数据通过SPI总线送到CPU采样数据存储区。采样数据处理则是CPU对已采样数据进行傅氏滤波、提取交流信号的各电气量参数。该部分软件的计算量需求是所有程序中最多的，因此是优化的关键部分。
2.2 数据采样
数据采样首先要考虑AD采样精度和采样率。采用ADI公司的12 bit ADC AD7940，针对所要采样波形的最高频率是工频5次谐波的要求，选择了1 kHz采样率，即每周波采样20个点。
在采样定时周期中断到来时， ADC开始启动13路模数转换。一路采样完毕之后，通过SPI总线传送到定义的采样数据存储区；当13路数据传送完毕，就可以进行采样数据的傅氏滤波处理，计算出三相交流电的电流、电压的幅值和相位。
2.3 数据处理
2.3.1 离散傅氏算法
交流采样数据的处理是系统计算工作的核心，它的实时性和精度决定了保护任务的实时性和系统响应的准确性，从而影响整个系统的性能实现。因此，交流采样数据处理算法的选择十分重要。虽然快速傅氏算法（FFT）理论上要比离散傅氏算法（DFT）具有更高的速度［4］，但在继电保护应用中，考虑到采样点数、计算量以及系统的实时性需求，采用了DFT作为处理算法。
根据傅氏级数原理，各次谐波分量的实部和虚部的时域表达式为：
当傅氏分析方法应用于计算机处理时，即为DFT形式。设信号x（t）每周期的采样点数为N，则采样间隔将是Ts=T/N，则式（1）、式（2）离散化后得到DFT的公式可表达为：
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