Конспект лекций ПТК КРУ ЭС - Томский политехнический
advertisement
1 ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования “НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ” _________________________________________________________________ С.М.Юдин КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПРОГРАММНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ РЕЖИМОВ И УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИМИ СИСТЕМАМИ ТОМСК 2015 2 ОГЛАВЛЕНИЕ 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МП СИСТЕМАХ 1.1. 3 Структурная схема МП-системы (МикроЭВМ) 3 1.1.1. Центральный процессор 3 1.1.2. Память 7 1.1.3. Устройство ввода/вывода 9 2. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ 3. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ (ЦОС) 15 18 4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ. 5. ЦИФРОВЫЕ РЕГИСТРАТОРЫ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ. 6. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УЧЕТА ЭНЕРГИИ 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА ОБОРУДОВАНИЯ 8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ 20 3 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МП СИСТЕМАХ 1.1 Структурная схема МП-системы (МикроЭВМ) Микропроцессорная система, осуществляющая обработку информации в соответствии с программой, находящейся в памяти, должна иметь процессор, устройства Взаимодействие памяти функциональных и устройства устройств ввода/вывода определяется (Рис.1). системным интерфейсом, который включает в себя шину адреса (ША), шину данных (ШД) и шину управления (ШУ). Шина адреса используется для передачи адресов памяти и адресов регистров устройств, подключенных к системному интерфейсу. Шина данных используется для обмена информацией между устройствами микропроцессорной системы, шина управления для передачи управляющих сигналов. Каждое функциональное устройство, подключенное к системному интерфейсу, рассматривается процессором как совокупность адресуемых регистров, разделяемых на регистры управления и состояния и регистры данных. В регистры управления и состояния записываются управляющие слова, которые определяют алгоритм работы функционального устройства при дешифрации их устройством управления. Регистры данных используются в качестве буферных регистров. Синхронизация работы функциональных устройств осуществляется центральным процессором. 1.1.1 Центральный процессор Основным устройством всех микропроцессорных систем является центральный процессор (ЦП), который в настоящее время выполняется в виде одной микросхемы и поэтому носит название - микропроцессор. Несмотря на широкий набор микропроцессоров, можно выделить узлы, которые имеют большинство микропроцессоров. К ним относятся регистры, арифметико-логическое устройство (АЛУ), дешифратор команд, устройство управления и синхронизации, счетчик команд. 4 Арифметико-логическое устройство. Выполняет такие операции, как сложение, сдвиг/перестановка, сравнение, инкремент, декремент, отрицание, И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, дополнение, сброс, инициализация. Устройство управления и синхронизации. Является наиболее сложным в центральном процессоре. Оно влияет на все события и управляет их протеканием . Каждая команда программы может быть разделена на этапы извлечения и выполнения. Каждый из них в свою очередь может быть разбит на микропрограммы, которые выполняются устройством управления и синхронизации. ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ПРОЦЕССОР Б У Ф Е Р В Н У Т Р Е Н Н Я Я Ш И Н А РЕГИСТР ВРЕМЕННОГО ХРАНЕНИЯ АЛУ АККУМУЛЯТОР СЧЕТЧИК КОМАНД РЕГИСТР КОМАНД ДЕШИФРАТОР КОМАНД УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ И СИНХРОНИЗАЦИИ В Н У Т Р Е Н Н Я Я Ш И Н А Б У Ф Е Р / З А Щ Е Л К А ШД ША ШУ К внешним устройствам Адрес Ввод/Вывод данных Управление вводом/выводом Порт 1 Порт 2 Порт 3 Регистр адреса Регистр данных Управление памяти памяти чтением/записью Ячейка 1 Ячейка 2 Ячейка 3 Устройство ввода/вывода Порт n ПАМЯТЬ Ячейка n Рис.1. Структурная схема МП-системы (микроЭВМ). 5 Счетчик команд(PC - Program Counter). Шестнадцатиразрядный регистр, называемый счетчиком команд, служит для хранения адреса следующей команды, чтобы извлечь ее из памяти. Так как команды выполняются последовательно, счетчик команд считает прямым счетом. Нормальная последовательность выполнения команд программы может быть изменена специальными командами ветвления, вызова подпрограмм, возврата из подпрограмм или прерывания. Эти команды повлекут переход содержимого счетчика команд на другую величину, отличную от следующего старшего адреса. При включении питания и при нажатии кн. Сброс PC устанавливается в 0 и происходит обращение к нулевой ячейке памяти. Основой функционирования вычислительной машины является последовательность извлечение-декодирование-выполнение. Первая команда, извлеченная из памяти, определяет код операции первой команды и помещается в регистр команд устройством управления. Код операции расшифровывается процессору дешифратором процедуру функционирование применительно к МП команд, управления системы микропроцессору и на который указывает синхронизации. примере затем Рассмотрим операции сложения МК51?. Пусть требуется выполнить операцию сложения чисел, например 510 + 1010 , а результат поместить в ячейку памяти с адресом 30H. Фрагмент программы выполнения этой операции может быть записан так: Последовательность операций: 1.Загрузить первое число (5) в центральный процессор (в рег. А) 2.Сложить первое число со вторым (10). 3.Поместить результат в яч. памяти с адресом 30H Программа в памяти процессора (применительно к микроконтроллеру МК51) будет выглядеть следующим образом: 6 Адрес Содержимое памяти памяти 0000h 11100100b Пояснения Код команды: загрузить число в рег. А 0001h 00000101b Само число – 5 0002h 00100100b Код команды: сложить содержимое рег.А с числом (результат в рег.А) 0003h 00001010b Само число – 10 0004h 11110101b Переслать результат из рег.А по адресу, указ. ниже 0005h 00110000b Сам адрес –30h Для компактности записи двоичных кодов используется шестнадцатеричная система счисления. В шестнадцатеричной системе этот фрагмент будет выглядеть так: Адрес Содержимое 0000h E4h 0001h 05h 0002h 24h 0003h 0Ah 0004h F5h 0005h 30h Запись программы в виде шестнадцатеричных кодов значительно компактней, но по-прежнему неудобна. Человеку трудно запомнить более сотни команд в виде цифр, сложно проводить анализ работы программы. Следующим шагом было введение языка Ассемблера. В этом языке каждая команда заменяется словесной мнемоникой. Слова, даже в 7 сокращенном виде, легче запоминать. Такую программу легче писать и анализировать. Приведенная выше программа на языке Ассемблера будет выглядеть следующим образом: mov A, #5; Переслать число 5 в регистр А add a, #10; Сложить содержимое регистра А и число 10. Результат ; окажется в регистре А mov 30H,A; Переслать содержимое регистра А по адресу 30H 1.1.2 Память Для хранения 1 бита информации требуется запоминающий элемент(ЗЭ), например триггер. Для хранения многоразрядного числа, содержащего несколько бит, требуется ячейка памяти (ЯП) из нескольких запоминающих элементов. Такая ячейка еще называется слово. Бывают 8-ми разрядные, 16-ти разрядные и 32-х разрядные слова. 8-ми разрядное слово называется байт. Одна из характеристик памяти - объем. Объем памяти измеряется количеством слов или, если слово 8-ми разрядное, количеством байт. Объем памяти равный 210=1024 называют килобайт, а 220=1048576 мегабайт. Память подразделяют на два основных вида: оперативную (ОЗУ оперативное запоминающее устройство) и постоянную (ПЗУ). ОЗУ допускает запись и считывание информации в процессе функционирования ЭВМ. ПЗУ допускает только считывание информации. (как-то отразить факт, что важные данные можно записать в энгергонезав. память) Запись в ПЗУ осуществляется отдельно, при помощи специальных технических средствпрограмматоров. В ОЗУ информация разрушается при отключении источника питания, а в ПЗУ сохраняется. В связи с этим ПЗУ еще называют память программ, поскольку в ней хранится программа функционирования микропроцессорного устройства и стоит подать питание, как устройство начнет функционировать под действием этой программы. В отличие от него 8 ОЗУ называют память данных, так как в него записываются данные, считанные с внешних устройств, а также результаты промежуточных вычислений. По способу хранения информации в ЗЭ различают статические и динамические ОЗУ. В статических используются бистабильные ЗЭ, в динамических хранение информации осуществляется за счет заряда специально сформированных в структуре полупроводника конденсаторов. Такие ЗЭ имеют более простую структуру по сравнению с бистабильными и занимают меньшую площадь на полупроводниковом кристалле. Однако в процессе хранения информации они нуждаются в периодическом восстановлении состояния (регенерации), что снижает быстродействие ЭВМ. Постоянные ЗУ, в свою очередь, можно разделить на несколько групп: 1) масочные запоминающие устройства; 2) постоянные запоминающие устройства; 3) перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства. В запоминающие устройства первой группы информация записывается однократно в процессе их изготовления. Для этого могут использоваться индивидуальные маски, задающие порядок соединений между элементами на полупроводниковом кристалле, поэтому такие ЗУ называют масочными. Сокращенно их называют ПЗУ или ROM (Read Only Memory – память только для чтения). Ко второй группе относят постоянные запоминающие устройства, допускающие однократную запись информации потребителем. Для этого в каждый ЗЭ вводят плавкие перемычки, которые при программировании могут быть разрушены в необходимых местах. Сокращенно их называют ППЗУ (программируемые постоянные запоминающие устройства) или PROM (Programable Read Only Memory – программируемая память, доступная только для чтения). К третьей группе относятся ЗУ, допускающие возможность многократного программирования (репрограммирования) после стирания 9 предыдущей хранившейся в них информации. В части из них стирание информации обеспечивается ультрафиолетовым облучением, сокращенно их обозначают РПЗУУФ или EPROM (Erasable Programmable Read Only Memory – стираемая программируемая память, доступная только для чтения). В другой части предусматривается возможность электрического стирания информации, сокращенно их называют РПЗУ (репрограммируемые постоянные запоминающие устройства) или EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory – Электрически стираемая программируемая память, доступная только для чтения). Последний вид памяти в настоящее время получил наибольшее распространение, и наметилось два направления развития микросхем РПЗУ: 1. ЭСРПЗУ – электрически стираемые ПЗУ (EEPROM). 2. Флэш – ПЗУ (Flash). EEPROM имеют более сложную внутреннюю схему управления и поэтому дороже и меньше по объему. Важным их преимуществом является возможность перезаписи каждой ячейки памяти в отдельности. В отличие от них в микросхемах Flash – ПЗУ стирание производится не каждой ячейки отдельно, а всей запоминающей матрицы или ее части (блока). Использование блочного стирания позволяет уменьшить сложность внутреннего устройства управления, поэтому Flash – ПЗУ имеют больший объем памяти и меньшую стоимость. В настоящее время Flash – ПЗУ вытесняют все остальные виды постоянных запоминающих устройств, за исключением электрически стираемых ПЗУ. 1.1.3 Устройство ввода/вывода Для связи с периферийными устройствами имеется устройство ввода/вывода. В состав периферийных устройств входят как устройства общего назначения - клавиатура, дисплеи, печатающие устройства, дисководы, так и специализированные устройства - АЦП для ввода аналоговой информации, схемы релейных входов для ввода состояния 10 ключей, кнопок, и контактов реле, ЦАП для вывода аналоговой информации, схемы релейных выходов для управления реле и сигнальными лампами, схемы управления цифровыми табло и индикаторами. Каждое периферийное устройство подключается к микропроцессорной системе или к ЭВМ через соответствующий порт ввода/вывода. Для обмена информацией процессор выставляет на ША адрес соответствующего порта ввода/вывода, на ШУ выставляется сигнал ввода данных или вывода и затем через шину данных осуществляется вывод данных в периферийное устройство или ввод из него. Параллельный порт ввода/вывода Структура и функционирование портов Рассмотрим работу параллельного порта в режиме обычного ввода/вывода через некоторый параллельный порт P1. Функциональная схема одного бита порта P1 представлена на рис.2 Чтение SFR Внутренняя шина +5V D Q C Q Вывод P1.x VT1 Запись в SFR Чтение вывода Рис.2. Схема одного бита параллельного порта P1 Как видно из рис. выходной полевой транзистор имеет нагрузку в виде резистора, называемого внутренний “подтягивающий” резистор. 11 Схема содержит регистр-защелку (D-триггер) и буфер ввода/вывода. Информация с внутренней шины данных заносится в регистр-защелку по сигналу от центрального процессора “запись в защелку”(на схеме “запись в SFR”). Информация, записанная в регистр-защелку, может быть прочитана с неинвертирующего выхода D-триггера по сигналу “чтение защелки” (на схеме “чтение SFR”), а внешних по устройств) информация с вывода микросхемы (то есть от сигналу “чтение вывода”. Одни команды микроконтроллера активируют сигнал “чтение защелки”, другие “чтение вывода”. В режиме записи (вывода информации на внешний объект) при записи в соответствующий бит порта единицы, закрывается транзистор VT1. При записи в соответствующий бит порта нуля транзистор VT1 открывается. Таким образом, при рассмотрении работы порта P1 в режиме обычного ввода/вывода, функциональная схема одного бита порта может быть упрощена как на рис.3. +5V +5V Вывод P1.x При записи единицы Вывод P1.x При записи нуля Рис.3.Упрощенная схема одного бита порта. При записи нуля, транзистор VT1 открывается и по нему может быть пропущен ток порядка 10 – 15 mA. Более точная информация о нагрузочной 12 способности выводов портов может быть получена из технической документации того или иного микроконтроллера. С учетом вышесказанного подключение внешних устройств к выводу параллельного порта можно осуществлять по схемам, приведенным ниже. На рис.4. показана схема управления светодиодным индикатором. При записи в бит порта логической “1” светодиод включится, а при записи “0”, отключится. В этой схеме ток ограничивается внутренним резистором и светодиод может слабо светиться. +5V "1" - VD вкл. "0" - VD откл. При записи единицы Вывод P1.x VD Рис.4. Схема подключения светодиодного индикатора к порту P1. На схеме рис.5 ток через светодиод ограничивается внешним резистором и есть возможность задать требуемое значение тока, не превышая максимальный ток через внутренний транзистор микроконтроллера (на схеме показан в виде ключа). Так же необходимо учесть, что при такой схеме запись логической “1” будет отключать светодиод, а “0” – включать. 13 +5V R +5V VD Вывод P1.x При записи единицы "1" - VD откл. "0" - VD вкл. Рис.5. Схема подключения светодиодного индикатора к порту P1. Для увеличения тока необходимо использовать усилители. Так, например, на схеме рис.6 в качестве усилителя используется биполярный транзистор, работающий в ключевом режиме. При записи в бит порта “1” транзистор открывается, при записи “0” – закрывается. 14 Ucc VD +5V R VT При записи единицы Вывод P1.x Рис. 6. Подключение светодиодного индикатора через усилитель. На рис. 7 приведена схема подключения обмотки промежуточного реле к параллельному порту, а контактом этого реле можно управлять более мощными аппаратами. Ucc +5V KL При записи единицы VT Вывод P1.x 15 Рис.7. Схема подключения реле к параллельному порту. 2. СТРУКТУРА И ПРИНЦИП ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ УСТРОЙСТВ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРАХ Несмотря на разнообразие устройств, выполняемых на микропроцессорах (МК) – устройства релейной защиты и автоматики, регистраторы аварийных сигналов, счетчики электрической энергии и др., все они в своей основе имеют общую структуру. На рис.1 представлена структурная схема устройства на микроконтроллере. На вход устройства могут поступать как аналоговые Аналоговые величины, величины, так и дискретные сигналы. такие как температура, давление, расход, напряжение, ток и т.д., предварительно должны пройти определенные этапы преобразования: вначале они преобразовываются в удобную для дальнейшей обработки форму – в электрический сигнал. Для этих целей используются различные датчики: датчики температуры, датчики давления, датчики расхода, датчики тока, датчики напряжения и др. Но значения электрических сигналов на выходах датчиков имеют большой разброс. Так, например, сигнал на выходе датчиков температуры – термопар, составляет десятки милливольт, на выходе датчиков тока – трансформаторов тока, единицы или десятки ампер. Для преобразования их к уровню, удобному для обработки с помощью современных электронных устройств (а это, как правило, сигналы в виде напряжения в несколько вольт) используются различные измерительные преобразователи – ИП. Поскольку микроконтроллер может обрабатывать информацию, представленную только в виде цифровых двоичных кодов, далее аналоговый сигнал должен быть преобразован в цифровой. Эту операцию выполняют аналого-цифровые преобразователи АЦП. Типичным решением стало использовать один АЦП для преобразования нескольких 16 аналоговых сигналов (как правило 8 или 16). Объясняется это сложностью и дороговизной АЦП. Подключение нескольких сигналов к одному АЦП осуществляется с помощью коммутатора аналоговых сигналов. ИП1 ДА2 ИП2 КАС АЦП ИПn ДАn + + + ДС1 ДС2 Устройство приема дискретных сигналов ШИНА Адреса/Данных/Управления ДА1 МК ОЗУ ПЗУ Интерфейс в/в ДСn Рис.8.Структурная схема устройства на микроконтроллере ДА – датчики аналоговых сигналов ДС – датчики дискретных сигналов ИП – измерительные преобразователи КАС – коммутатор аналоговых сигналов АЦП – аналого-цифровой преобразователь МК – микроконтроллер ОЗУ – оперативное запоминающее устройство ПЗУ – постоянное запоминающее устройство С выхода АЦП сигналы по шине данных поступают в микроконтроллер, обрабатываются в соответствии с программой, находящейся в памяти ПЗУ, 17 результаты обработки могут помещаться в оперативную память – ОЗУ для временного хранения или поступать через интерфейс ввода/вывода на внешние устройства для управления или отображения различной информации. Основной отличительной особенностью микропроцессоров является программное управление их функционированием. Это обстоятельство позволяет представлять различные устройства как систему арифметикологического преобразования информации, содержащейся во входных величинах, и позволяет использовать для ее обработки мощный математический аппарат. Представленная на рис.8 структурная схема лежит в основе многих современных аппаратно-программных комплексов, в частности применяемых в энергетике. К ним можно отнести: - устройства релейной защиты и автоматики; - регистраторы аварийных событий; - автоматизированные информационно-измерительные системы коммерческого учета энергии (АИИС КУЭ); - счетчики электрической энергии и др. Основным элементом этих устройств является микроконтроллер. 18 3.ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ (ЦОС) u 1 0.8 u(t)=U m sin(wt+fi) 0.6 0.4 u(nT)=U0(0xT), U1(1xT), ... Un(nxT) 0.2 t 0 T -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 Примем следующие обозначения: u(t) – аналоговый сигнал; U(nT) – последовательность чисел, возникающих в моменты времени t = nT (-∞ < n < ∞), где n – целое число; T – период дискретизации (время между двумя соседними выборками); f0 – основная промышленная частота синусоидальных сигналов в ЭС; ω0 =2π f0 – угловая основная частота; T0 = 2 π/ ω0 – период основной частоты; N = T0//T число выборок за период основной частоты. ВЫЧИСЛЕНИЕ ДЕЙСТВУЮЩИХ И СРЕДНИХ ЗНАЧЕНИЙ СИГНАЛОВ. Текущее действующее значение U(t) функции u(t) определяются по известной формуле: 19 1 𝑡 𝑈(𝑡) = √ ∫𝑡−𝑇 𝑢2 (𝑡)𝑑𝑡 𝑇 (1) 0 0 Для дискретизированных цифровых сигналов: 𝑛 𝑛 𝑛−𝑇0 +1 𝑛−𝑇0 +1 1 1 𝑈(𝑛𝑇) = √ ∑ 𝑢2 (𝑛𝑇)𝑇 = √ ∑ 𝑢2 (𝑛𝑇) 𝑇0 𝑁 U(1xT), U(2xT), … U(nxT) U(1xT), U(2xT), … U(nxT) U(1xT), U(2xT), … U(nxT) Текущее среднее значение модуля Uср(t) функции u(t) определяются по формуле: 𝑈ср = 1 𝑇0 𝑡 ∫𝑡−𝑇 |𝑢(𝑡)|𝑑𝑡 ; (1) 0 Для дискретизированных цифровых сигналов: 𝑛 𝑛 𝑛−𝑇0 +1 𝑛−𝑇0 +1 1 1 𝑈ср = ∑ |𝑢(𝑛𝑇)|𝑇 = ∑ |𝑢(𝑛𝑇)| ; 𝑇0 𝑁 В настоящее время разработан мощный математический аппарат для обработки последовательности чисел и решения таких задач, как: - Фильтрация ; - Гармонический анализ; - Определение симметричных составляющих в трехфазной системе 20 и т.д. Следует отметить, что математический аппарат постоянно развивается. Появляются новые методы обработки информации, которые воплощаются в различных микропроцессорных устройствах и в том числе в устройствах релейной защиты и обогащают их новыми техническими возможностями. К ним можно отнести: - Вейвлет преобразование; - Искусственные нейронные сети; и др. 4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ ИСПЫТАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ УСТРОЙСТВ РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ См. [1] 5. ЦИФРОВЫЕ РЕГИСТРАТОРЫ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ. 6. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УЧЕТА ЭНЕРГИИ 7. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕСУРСА ОБОРУДОВАНИЯ 8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕСТА ПОВРЕЖДЕНИЯ НА ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Испытательные системы серии "РЕТОМ" и их применение для проверки устройств релейной защиты и автоматики : учебное пособие / С. М. Юдин [и др.]; Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ). — Томск: Изд-во ТПУ, 2011. — 143 с.: ил.
