基于VxWorks RTOS的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置的軟件系統(tǒng)

上世紀(jì)90年代，以微處理器為核心的數(shù)字式保護(hù)已成為繼電保護(hù)的主流產(chǎn)品，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)進(jìn)入了微機(jī)保護(hù)時(shí)代。隨著電力系統(tǒng)對(duì)繼電保護(hù)的要求不斷提高，微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)需要具有強(qiáng)實(shí)時(shí)性、高可靠性和擴(kuò)展性［1］。
　　系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性由硬件系統(tǒng)和嵌入式軟件系統(tǒng)共同決定。
　　在實(shí)時(shí)性要求較高且任務(wù)較多的應(yīng)用中，適合引入嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS（Real-Time Operating System）。RTOS高效的多優(yōu)先級(jí)任務(wù)管理、強(qiáng)大的可移植性和擴(kuò)展性以及微秒級(jí)的中斷管理等特性，更加有利于控制效率的提高。VxWorks是硬實(shí)時(shí)特性最優(yōu)越的RTOS，且具有高可靠性和可擴(kuò)展性，能夠?yàn)槔^電保護(hù)裝置提供更好的性能保障。
　　1 繼電保護(hù)裝置軟件系統(tǒng)
　　1.1 工作原理及流程
　　目前典型的繼電保護(hù)裝置應(yīng)用軟件系統(tǒng)均采用模塊化設(shè)計(jì)思想，根據(jù)繼電保護(hù)功能的要求分成8個(gè)部分：操作系統(tǒng)、交流采樣、數(shù)據(jù)處理、保護(hù)控制、數(shù)據(jù)通信、人機(jī)交互及信息記錄。各模塊根據(jù)各自特點(diǎn)完成相應(yīng)任務(wù)，使系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)清晰，便于調(diào)試、連接、修改和移植。
　　1.2 系統(tǒng)軟件框架設(shè)計(jì)
　　根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能和軟件模塊化設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)了基于VxWorks的系統(tǒng)軟件，包括硬件驅(qū)動(dòng)程序模塊、板級(jí)支持包（BSP）模塊、VxWorks RTOS模塊、中斷處理模塊、保護(hù)控制模塊、人機(jī)交互模塊、通信任務(wù)模塊、信息記錄模塊等。系統(tǒng)軟件框圖如圖1所示。
　　
　　2 交流采樣功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　2.1 中斷服務(wù)
　　由于A/D采樣對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高，因此采用中斷服務(wù)子程序的方式實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)利用Timer的定時(shí)中斷控制A/D采樣的頻率，利用VxWorks提供的接口函數(shù)intConnet（）將A/D的采樣函數(shù)掛靠到定時(shí)中斷Timer1的中斷向量上。
　　繼電保護(hù)的交流采樣可以分為數(shù)據(jù)采樣和采樣數(shù)據(jù)處理兩部分。數(shù)據(jù)采樣在采樣定時(shí)周期控制下，將A/D轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)通過SPI總線送到CPU采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。采樣數(shù)據(jù)處理則是CPU對(duì)已采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行傅氏濾波、提取交流信號(hào)的各電氣量參數(shù)。該部分軟件的計(jì)算量需求是所有程序中最多的，因此是優(yōu)化的關(guān)鍵部分。
　　2.2 數(shù)據(jù)采樣
　　數(shù)據(jù)采樣首先要考慮AD采樣精度和采樣率。采用ADI公司的12 bit ADC AD7940，針對(duì)所要采樣波形的最高頻率是工頻5次諧波的要求，選擇了1 kHz采樣率，即每周波采樣20個(gè)點(diǎn)。
　　在采樣定時(shí)周期中斷到來時(shí)， ADC開始啟動(dòng)13路模數(shù)轉(zhuǎn)換。一路采樣完畢之后，通過SPI總線傳送到定義的采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)；當(dāng)13路數(shù)據(jù)傳送完畢，就可以進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)的傅氏濾波處理，計(jì)算出三相交流電的電流、電壓的幅值和相位。
　　2.3 數(shù)據(jù)處理
　　2.3.1 離散傅氏算法
　　交流采樣數(shù)據(jù)的處理是系統(tǒng)計(jì)算工作的核心，它的實(shí)時(shí)性和精度決定了保護(hù)任務(wù)的實(shí)時(shí)性和系統(tǒng)響應(yīng)的準(zhǔn)確性，從而影響整個(gè)系統(tǒng)的性能實(shí)現(xiàn)。因此，交流采樣數(shù)據(jù)處理算法的選擇十分重要。雖然快速傅氏算法（FFT）理論上要比離散傅氏算法（DFT）具有更高的速度［4］，但在繼電保護(hù)應(yīng)用中，考慮到采樣點(diǎn)數(shù)、計(jì)算量以及系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需求，采用了DFT作為處理算法。
　　根據(jù)傅氏級(jí)數(shù)原理，各次諧波分量的實(shí)部和虛部的時(shí)域表達(dá)式為：
　　
　　當(dāng)傅氏分析方法應(yīng)用于計(jì)算機(jī)處理時(shí)，即為DFT形式。設(shè)信號(hào)x（t）每周期的采樣點(diǎn)數(shù)為N，則采樣間隔將是Ts=T/N，則式（1）、式（2）離散化后得到DFT的公式可表達(dá)為：