книги / Микропроцессорные гибкие системы релейной защиты

ются восемь дискретных сигналов выходов: четыре —предупредитель­

грузки первой и второй ступеней, генераторного выключателя и кон­ тактора гашения поля) . Комплексная защита генератора снабжена встро­ енной автоматической системой самодиагностики.

Программирование в МП-системах, как и в любых других системах, желательно выполнять поблочно (модульное программирование) в ви­ де законченных модулей (блоков). Многократное обращение к моду­ лям не только упрощает программирование, но и сокращает длину программ и, следовательно, объем занимаемой памяти. Одним из не­ достатков МП-набора К589 является то, что его элемент микропрограм­ много управления не имеет стека, как, например, элемент серии К 1804. Это затрудняет модульное микропрограммирование, так как для обра­ щения к подпрограмме необходимо где-то запомнить адрес возврата из нее. Начальный адрес микроподпрограммы (модуля) может быть задан лишь через входы непосредственной загрузки регистра адреса микрокоманд. Последним недостатком, по-видимому, объясняется то, что все известные авторам разработки устройств различного назначения на основе данного МП-набора структурно ориентированы на командную реализацию прикладного алгоритма (либо их прикладная программа содержит не более нескольких десятков микрокоманд). Программная структура предполагает наличие большого объема слов внешнего ОЗУ, часть которого должны составлять постоянная и перепрограммируемая память (ППЗУ). В памяти микрокоманд (ПМК) при этом размещает­ ся лишь система команд, которая ориентирована на конкретное приме­ нение, в данном случае на алгоритмы РЗ [61]. Обращение к программно организуемому стеку в таких системах —сравнительно длительная опе­ рация.

Первоначальный вариант МПРЗ был ориентирован именно на такое применение. Для него была разработана система команд, в основном ана­ логичная имеющейся в МП К580, но с добавлением команды умножения. Сравнение по производительности МП серии К580 с первоначальным вариантом МПРЗ К589/1 и описанным ниже вариантом МПРЗ К589/2 приведено в табл. 4.1 на примере алгоритма реле, контролирующего пре-

131

вышение действующим значением синусоидального сигнала заданного уровня.

Из табл. 4.1 видно, что производительность МПРЗ К589/2 значитель­ но выше.

Структурная схема этого варианта 1 МПРЗ приведена на рис. 4.21. Восьмиразрядный процессор системы содержит четыре централь­ ных процессорных секции ЦПЭ К589ИК02 и секцию микропрограммно­ го управления СМУ К589ИК01. Управляющая память имеет объем 512х32-разрядных слов, причем 28 разрядов управляющего слова ис­ пользуются для внутрипроцессорного управления. В этой части структу­ ру процессора можно считать типовой, и она достаточно хорошо опи­ сана в [59]. Отличительной частью процессора является применение двух мультиплексоров MSA и MSD, которые позволяют использовать в качестве выходной информацию регистра адреса и аккумулятора АЛУ или определенных разрядов управляющего слова (микрокоманды). Для управления мультиплексорами используются еще два разряда мик­

рокоманды-выходы UA,UD памяти микрокоманд ПМК. Информация от внешних (по отношению к процессору) элементов

устройств передается в процессор по 8-разрядной шине данных внеш­ них устройств ШДВУ. Исключение составляет сигнал таймера (1,25 мс — 16 выборок за период сигнала частотой 50 Гц), подводимый к отдельно­ му входу АЛУ. Информация с ШДВУ является адресом непосредствен­ ной загрузки секции СМУ или операндом АЛУ. Для внешних устройств выходная шина ША мультиплексора MSA выбрана в качестве адресной, а выходная шина ШД мультиплексора MSD —в качестве шины данных.

Состав и объем внешних устройств процессора могут изменяться в зависимости от характера прикладной задачи. Для данной системы при­ нято: ОЗУ объемом 48x8 слов, ПЗУ объемом 32x8 слов; оперативно перепрограммируемые ячейки памяти (тумблерные регистры) объемом 4x8 слов; 8-разрядный выходной регистр; блок АЦП. Управление ре­ жимами запись-считывание ОЗУ осуществляется специальным разрядом ЗП микрокоманды. Объем ОЗУ может быть сравнительно просто уве­ личен на 128 слов путем использования 8-го разряда аккумулятора АЛУ, но, естественно, эти разряды не будут доступны из ПМК. Инфор­ мация из выходного регистра RG может быть выдана через мультиплек­ сор MS на ШДВУ для цепей диагностики системы. Для согласования выходов регистра с исполнительными элементами служит буферный усилитель со световой индикацией состояния разрядов выходной шины системы.

Аналоговая* информация от защищаемого объекта преобразуется блоком АЦП в цифровой код. Блок АЦП содержит узел датчиков ана-

132

Рис. 4.21. Структурная схема комплексной защиты генератора на базе МП К589 (вариант 1)

логовых сигналов ДАС, аналоговый мультиплексор AMS и собственно АЦП с выходным буфером. Узел датчиков аналоговых сигналов осуще­ ствляет гальваническую развязку каждой из восьми входных цепей, фильтрацию аналоговых сигналов и их масштабирование. Суммарное время преобразования блока АЦП составляет 6 мкс, из которых 3 мкс приходится на сам АЦП. Синхронизация элементов системы осуще­ ствляется блоком синхронизации G, который вырабатывает синхроим­ пульсы СВУ, СНУ —высокого и низкого уровня соответственно (скваж­ ность 2; частота синхроимпульсов 3 МГц).

Как следует из вышеизложенного, структурная схема МПРЗ ориен­

организации модульного микропрограммирования адреса возврата за­ поминаются во внешнем ОЗУ. В микрокоманде, инициирующей запо­ минание адреса возврата из подпрограммы и обращение к ней, на выхо­

уровень, запрещающий прохождение сигцала на вход АЛУ, при этом состояние внутренних регистров не изменяется; ЗП — уровень, зада­ ющий ’’запись” ОЗУ. Для возврата из подпрограммы в ее последней микрокоманде на выходах ПМК задается информация: F —адрес ячей­ ки ОЗУ, в которой хранится адрес возврата; UA, УС — аналогично предыдущему режиму; ЗП — сигнал, задающий режим ’’считывания” ОЗУ; EWA —сигнал, определяющий для СМУ режим непосредственной загрузки регистра адреса микрокоманды (выходы МА) кодам со входов К , т.е. с шины ШДВУ. Таким образом, обращение к подпрограмме тре­ бует лишь одной микрокоманды, столько же требует и возврат из нее. Количество вложений подпрограмм друг в друга определяется лишь числом свободных ячеек памяти ОЗУ.

При отсутствии мультиплексоров MSA, MSD на формирование адре­ сов ОЗУ и адресов возврата из подпрограмм в АЛУ затрачивалось бы значительно больше микрокоманд, а следовательно, и времени. Муль­ типлексоры также позволяют увеличить производительность процессо­ ра в режимах обращения к внешним устройствам, так как необходимые последовательности управляющих кодов на шинах ША, ZHD могут за­ даваться непосредственно из ПМК, а не формироваться ,в АЛУ. Раздель­ ное управление мультиплексорами позволяет выдавать информацию на одну из входных шин внешних устройств из АЛУ, а на другую — из ПМК, что расширяет функциональные возможности системы и облег­ чает программирование.

134

Рис. 4.22. Структурная схема комплексной защиты генератора на базе МП К589 (вариант 2)

Рассмотрим особенности программ КЗ Г. Основываясь на результа­ тах приведенного сравнения различных МП-систем и опыте предшест­ вующих разработок, для реализации функций КЗГ приняли структурную схему, приведенную на рис. 4.22. В отличие от минимальной конфигу­ рации схемы в нее дополнительно введены: ППЗУ, предназначенное, для хранения констант, редко изменяемых в процессе эксплуатации защиты; пульт, с которого может быть перезапущена основная програм­ ма и вызваны вспомогательные программы, например диагностики; блок индикации для вывода информации о состоянии системы; циф­ ровой порт ввод-вывода, обеспечивающий обмен с другими устрой­ ствами, имеющими аналогичное представление информации. В наибо­ лее общем виде структурная схема алгоритма КЗГ приведена на

рис. 4.23.

При дальнейшей детализации структурной схемы в ней появляется информация об используемых подпрограммах, их адресах, порядке следования в программе защиты, т.е. информация, необходимая прог­ раммисту, для которого знание РЗ необязательно. Разработчик РЗ также не всегда хорошо знает программирование. Устранению подобных проти­ воречий служит развитие проблемно-ориентированных языков структур­ ного программирования. С этой точки зрения и следует рассматривать макромодели, программирование на уровне которых приближено к при­ вычному функциональному описанию устройства защиты. При незначи­ тельном навьйсе пользования макромоделями и наличии вышеописанно­ го комплекса средств автоматизации проектирования МП-устройств сос­ тавление структурной схемы алгоритмов необязательно.

135

Рис. 4.23. Структурная схема алгоритма комплексной защиты генератора

Если измерять время числом периодов входных сигналов защиты, то алгоритмы всех каналов, образующих комплексную защиту, выпол­ няются параллельно. В то же время реально алгоритмы всех каналов за­ щиты выполняются последовательно во времени. Для того чтобы ра­ ционально использовать ресурсы времени МП-системы, отдельные участ­ ки этих алгоритмов также последовательно чередуются друг за другом по мере поступления или подготовки информации, необходимой для их выполнения. Очевидно, что при таком последовательно-параллельном режиме выполнения алгоритма комплексной защиты существует разум­ ный предел укрупнения программных блоков (подпрограмм), исходя из которого и сформирован набор вышеописанных подпрограмм.

На рис. 4.24 приведена структурная схема, поясняющая реализацию основной функции измерительного блока макромодели защиты с по­ мощью специализированных подпрограмм, т.е. формирование сигнала у- = spf (SKKy i - Су j) [7, 130]. При этом spf-преобразование реали-

136

Рис. 4.24. Реализация функции изме­ рительного блока макромодели за­

щиты

зуется непосредственно подпро­ граммой сравнения с уставкой (СОМР), а контролируемый па­ раметр S K формируется блоком

значения контролируемых защи­ той сигналов. В программе ис­ пользованы два способа задания уставки — с помощью коэффи­

что необходимо для организации зависимой выдержки времени, которая не должна изменяться от уставки по контролируемому параметру. Во

меняются местами. Предусмотренные программой уставки приведены в табл. 4.2. Все константы, необходимые для формирования уставок, хранятся в ПЗУ. Адрес ПЗУ образуется суммированием базового адреса, заданного в программе защиты, и двоичного числа, задаваемого пере­ мычками ППЗУ. Выдержки времени реализуются с помощью подпро­ грамм INM, HOL, NHOL, а логические функции - непосредственно с

помощью микроинструкций центрального процессорного элемента

цпэ.

Ввод значений сигналов из входного блока защиты в процессор осу­ ществляется подпрограммой CON. Так как в системе использован один АЦП, интервал между соседними выборками не может быть меньше

137

Рис. 4.25. Распределение интервала дискретизации между операциями различных частей программы:

/ - опрос ИП и формирование контролируемых параметров; II - сравнение с уставкой, формирование выдержек времени и логические функции; III - ожи­ дание прерывания от таймера; IV - частотная коррекция интервала дискретиэацин Гд

Рис. 4.26. Смещение начала отсчета периода входного сигнала для различных алго ритмов КЗ Г

ния подпрограммы CON. Для опроса восьми входных сигналов защиты требуется время Г0п = 8гвыд = 256 мкс. Таким образом, участок про­ граммы, соответствующий измерительному блоку макромодели ком­ плексной защиты, представляет собой последовательность необходимых программных единиц, в которой через 32 мкс встречается восемь под­ программ CON. Время между обращениями к этой подпрограмме (150 тактов или 30 мкс) используется для выполнения других необходимых операций. Первая подпрограмма осуществляет ввод значения опорного напряжения Uon входного блока и подключает к АЦП первый датчик аналогового сигнала. Значение выборки этого сигнала будет введено в

процессор второй подпрограммой. Время между первой и второй под­ программами используется для задач самодиагностики. Подпрограммы опроса датчиков, сигналы которых используются совместно для умень­ шения неодновременности замера, располагаются друг за другом.

На рис. 4.25 приведено распределение времени между двумя соседни­ ми выборками контролируемых защитой сигналов. На всех интервалах времени между выборками, кроме последнего, начинающегося после последней выборки сигналов за период, выполняются лишь операции формирования контролируемых параметров, а также подпрограмма самодиагностики. Сравнение сформированных параметров с уставками, а также операции формирования выдержек времени и логические опера­

140