一種新型雙核微機(jī)繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

楊會(huì)翔， 朱凌云， 馮麗麗

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620； 2.合肥金星機(jī)電科技發(fā)展有限公司，安徽 合肥 230088)

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一種新型雙核微機(jī)繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)

楊會(huì)翔1， 朱凌云1， 馮麗麗2

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201620； 2.合肥金星機(jī)電科技發(fā)展有限公司，安徽 合肥 230088)

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，繼電保護(hù)裝置是保證電力系統(tǒng)安全運(yùn)行和監(jiān)控電能質(zhì)量的重要工具。傳統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)裝置，存在計(jì)算速度較低和保護(hù)原理不夠完善等問(wèn)題。介紹了一種基于TMS320F2808+N78E366A雙核繼電保護(hù)裝置，設(shè)計(jì)了裝置的各個(gè)硬件模塊，比較了全波傅氏算法和差分全波傅氏算法的濾波性能，并通過(guò)仿真計(jì)算對(duì)上述兩種算法性能進(jìn)行驗(yàn)證，選定系統(tǒng)的算法及采樣點(diǎn)數(shù)，最后給出了系統(tǒng)主要的軟件流程圖。該裝置運(yùn)算速度快、可靠、便于維護(hù)、抗干擾能力強(qiáng)、體積小，并且根據(jù)用戶的需要可方便地配置各種不同類型的測(cè)控保護(hù)。

數(shù)字信號(hào)處理器； 單片機(jī)； 微機(jī)繼電保護(hù)； 傅氏算法

0 引 言

傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置經(jīng)互感器引入被測(cè)信號(hào)，按照電磁感應(yīng)、鑒相、鑒幅等原理做出是否動(dòng)作的判斷。微機(jī)繼電保護(hù)裝置[1]是以中央處理器CPU為核心，以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的電力系統(tǒng)的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)，按照給定算法來(lái)檢測(cè)電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障以及故障性質(zhì)、范圍等，并由此做出是否需要跳閘或報(bào)警等判斷的一種安全裝置。一臺(tái)完整的微機(jī)繼電保護(hù)裝置不僅包括以上保護(hù)功能，還包括事件記錄和人機(jī)接口等功能，即微機(jī)保護(hù)裝置可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)正確動(dòng)作，并且記錄事件或者錄波，然后運(yùn)行人員可以通過(guò)人機(jī)接口(鍵盤、液晶顯示器)管理維護(hù)及查看報(bào)告，進(jìn)行事故分析。

為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理[2]能力及其可靠性，采用TI公司TMS320F2808 DSP芯片和Nuvoton公司的N78E366A單片機(jī)設(shè)計(jì)成雙CPU結(jié)構(gòu)的微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)。這種雙CPU的結(jié)構(gòu)一方面可以利用DSP芯片—保護(hù)CPU，對(duì)數(shù)據(jù)快速計(jì)算，實(shí)現(xiàn)測(cè)量、保護(hù)、通信功能。另一方面可以利用N78E366A—管理CPU，實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)裝置的監(jiān)控、人機(jī)對(duì)話。這種保護(hù)和管理雙CPU結(jié)構(gòu)極大的提高了繼電保護(hù)的可靠性和靈活性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，總體硬件圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.1 保護(hù)測(cè)控模塊

該部分為整個(gè)裝置的核心所在，保護(hù)測(cè)控模塊主要完成模擬量的采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換與處理，根據(jù)采集運(yùn)算的數(shù)據(jù)，完成各種保護(hù)邏輯的處理和判斷，通過(guò)RS485通信方式和上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，負(fù)責(zé)采樣各種外部開(kāi)入的信號(hào)并進(jìn)行處理判斷，以控制輸出回路準(zhǔn)確有效的動(dòng)作。

TMS320F2808是TI公司繼TMS320LF2407A后推出的一款更高速、更適用于電氣控制系統(tǒng)的DSP芯片，它具備了TMS320x280x系列DSP高的性能，最高工作速度達(dá)100 MI/S，幾乎所有的指令都可在50 ns的周期內(nèi)完成，該系列取消了事件管理器，增強(qiáng)型EPWM和HRPWM模塊取而代之。TMS320F2808集成了豐富的內(nèi)部資源，有64 KB的Flash EEPROM、18 KB的SARAM和4 KB的ROM[3]。

作為系統(tǒng)管理器，TMS320F2808具有強(qiáng)大的片內(nèi)I/O和外設(shè)功能。它有6個(gè)功率保護(hù)端口，配置更加靈活，可外擴(kuò)的外部存儲(chǔ)器總共可達(dá)1 MB。TMS320F2808以其引腳少、體積小、成本低等優(yōu)勢(shì)，克服了TMS320LF2407或TMS320F2812作為實(shí)際控制系統(tǒng)主控芯片所存在的不足，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。1.2 模擬量采集模塊

電壓互感器TV、電流互感器TA[4]對(duì)電力系統(tǒng)一次側(cè)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行降幅，利用RC濾波電路對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行必要的低通濾波，濾去不必要的高頻信號(hào)，送至A/D轉(zhuǎn)換電路、測(cè)頻電路進(jìn)一步處理。

1.2.1 測(cè)頻電路

電力系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)發(fā)生波動(dòng)，頻率會(huì)發(fā)生變化，會(huì)導(dǎo)致采樣出現(xiàn)誤差。因此需要配置測(cè)頻電路檢測(cè)電網(wǎng)中的信號(hào)頻率，采樣頻率隨著工頻頻率發(fā)生變化而調(diào)整，就可以消除上述采樣誤差。

一般情況下，測(cè)量系統(tǒng)頻率分為兩種方式：一種是硬件測(cè)量，另一種是軟件測(cè)量。硬件的測(cè)頻原理如圖2所示[5]。

圖2 硬件測(cè)頻原理圖

裝置的測(cè)頻電路選用電壓比較器LM258和高速光電隔離SI8441。LM258的工作電壓為3～30 V或±1.5～15 V。模擬信號(hào)經(jīng)二階無(wú)源濾波、運(yùn)放后進(jìn)入LM258，再經(jīng)過(guò)SI8441的輸出端接在TMS320F2808的定時(shí)器T0[6]的輸入捕獲引腳上，它選用TMS320F2808內(nèi)部的定時(shí)器作為捕獲單元的時(shí)基。捕獲單元通過(guò)50 Hz INT的兩個(gè)脈沖間隔，來(lái)計(jì)算出周波的周期。利用定時(shí)器T0計(jì)算出采樣間隔，可在定時(shí)器中斷過(guò)程中啟動(dòng)一次采樣，實(shí)現(xiàn)采樣間隔隨電網(wǎng)頻率的變化而不斷的調(diào)整。光耦SI8441可以把外部輸入信號(hào)與TMS320F2808隔離，防止外部的干擾。

1.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

一般的說(shuō)，不同保護(hù)對(duì)象對(duì)應(yīng)著不同微機(jī)保護(hù)原理，由于保護(hù)對(duì)象的設(shè)備類型，電壓等級(jí)不盡相同，所以不同保護(hù)原理需對(duì)應(yīng)的模擬量、開(kāi)入量和開(kāi)出量也各不相同[6]。

表1比較了使用電氣量較多的變壓器、發(fā)電機(jī)常用保護(hù)、線路保護(hù)采集的模擬量情況。不難看出，上述各種保護(hù)原理最多需要采集6路模擬電壓量和10路模擬電流量。因一共需采集16路的模擬量，另外用于測(cè)量的的4路電流量、電壓量要求同步采樣，因此裝置采用獨(dú)立的A/D轉(zhuǎn)換芯片[7]。

MAXIM125芯片具有3 μs的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間和14位的分辨率，能夠滿足高精度、實(shí)時(shí)的控制系統(tǒng)要求。此外，MAXIM125芯片內(nèi)部自帶4*14位的RAM，可用來(lái)存放A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，其提供的并行接口也與TMS320F2808兼容。由于MAXIM125的輸入阻抗不夠高，因此信號(hào)進(jìn)入MAXIM125芯片后，有一定的分流，損耗了一定的輸入電流，可能獲得不準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)(8(。裝置低通濾波采樣后，在A/D轉(zhuǎn)換前設(shè)置了運(yùn)放TLC2274ID，從而可以提高輸入阻抗，降低損耗系數(shù)。

1.3 開(kāi)關(guān)量輸入、輸出模塊

該模塊由開(kāi)關(guān)量輸入、輸出兩部分構(gòu)成。電力系統(tǒng)中的開(kāi)關(guān)輸入量指各種開(kāi)關(guān)狀態(tài)信號(hào)，如斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)、接地刀閘等的分、合兩種工作狀態(tài)，分別用 0、1表示。微機(jī)繼電保護(hù)的開(kāi)入量一般通過(guò)+24 V電壓信號(hào)引入。裝置在采集+24 V電壓信號(hào)時(shí)，為了防止采集到不正確的的開(kāi)關(guān)數(shù)據(jù)，利用二階RC濾波電路用于濾除干擾。同時(shí)采用穩(wěn)壓管FM4007以防止高壓干擾信號(hào)串入電路擊穿光耦TLP181，最后在開(kāi)關(guān)量輸入到DSP前采用光電隔離芯片，去除干擾。

表1 常用保護(hù)需要采集模擬量狀況

開(kāi)出量包括斷路器的跳閘信號(hào)、合閘信號(hào)以及報(bào)警信號(hào)等。裝置預(yù)留16路開(kāi)出量，利用并行接口的輸出口控制有觸點(diǎn)繼電器的方法[9]。為了提高本部分的抗干擾能力，繼電器電源與系統(tǒng)電源相互獨(dú)立—不共地，并應(yīng)用TLP127光電隔離芯片，該芯片內(nèi)部集電極開(kāi)路，輸入信號(hào)的帶寬為10 KHz，隔離電壓達(dá)直流2 500 V，最大輸出電流達(dá)200 mA。

1.4 通信模塊

通信模塊是系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、交換的紐帶。系統(tǒng)的遙測(cè)、遙控、遙信、事件順序記錄(SOE)等信息都需要通過(guò)該模塊及時(shí)傳送到上位機(jī)和人機(jī)接口模塊。微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)的通信模塊，是為了完成保護(hù)CPU、管理CPU之間的定值傳輸、錄波等功能而進(jìn)行設(shè)計(jì)的。

當(dāng)通信距離在幾十m到近千m時(shí)，經(jīng)常采用 RS-485總線標(biāo)準(zhǔn)。RS-485總線采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾能力。RS-485 接口的最大傳輸距離為1 200 m，在總線上允許連接多達(dá)32個(gè)收發(fā)器，數(shù)據(jù)最高傳輸速率可以達(dá)到10 Mbit/s。由于微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)的工作環(huán)境十分惡劣，容易受到各種電磁干擾，所以本系統(tǒng)采用高速光電隔離芯片TLP114A將RS-485 接口與TMS320F2808的弱電系統(tǒng)隔離。RS-485信號(hào)的轉(zhuǎn)換芯片采用SP485EEN。

一般說(shuō)來(lái)，變電站自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)本站內(nèi)各裝置的保護(hù)、監(jiān)控、事件順序記錄(SOE)、故障錄波等功能的時(shí)間精度和同步性要求較高，一般采用全球定位系統(tǒng)(GPS)[10]對(duì)站內(nèi)各裝置進(jìn)行統(tǒng)一授時(shí)。裝置留有GPS授時(shí)用接口：將TMS320F2808的I2C串行總線與GPS模塊的串行接口相連接，獲得絕對(duì)時(shí)間信息，每間隔一段時(shí)間，根據(jù)GPS時(shí)間信息對(duì)TMS320F2808內(nèi)部的實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)進(jìn)行校正。

該裝置還預(yù)留了USB接口和Ethernet接口，分別用于裝置信息的現(xiàn)場(chǎng)上傳、下載及和其他智能終端互連。

1.5 人機(jī)接口模塊

裝置的人機(jī)接口模塊由液晶顯示器(LCD)、鍵盤、LED指示燈和管理CPU組成[11]。液晶顯示器(LCD)用來(lái)顯示實(shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)、告警事件記錄以及當(dāng)前整定參數(shù)；鍵盤用以投切保護(hù)壓板、選擇保護(hù)方式、設(shè)置和修改保護(hù)定值；LED指示燈指示當(dāng)前被保護(hù)設(shè)備所處于的運(yùn)行、跳閘、合閘等各種狀態(tài)。由于液晶顯示器(LCD)讀寫速度較慢，并且任務(wù)較頻繁，因此它對(duì)處理器運(yùn)算能力的要求較低，本裝置采用了Nuvoton公司的80C51單片機(jī)N78E366A作為系統(tǒng)的管理CPU，N78E366A內(nèi)部帶有256 KB的RAM存儲(chǔ)器和64 KB的FLASH存儲(chǔ)器，可以在系統(tǒng)編程(ISP)也可并行編程，可專門負(fù)責(zé)液晶顯示器LCD、鍵盤及LED指示燈的控制工作。需要指出的是，它與TMS320F2808之間采用SPI總線交換數(shù)據(jù)。

1.6 電源模塊

電源模塊是微機(jī)繼電保護(hù)裝置穩(wěn)定工作的基礎(chǔ)，為系統(tǒng)各組成部分提供工作電源。220 V的交流電經(jīng)整流濾波后，分別輸出4路獨(dú)立電源：兩路+5 V電源和兩路+24 V電源。其中一路+5 V電源經(jīng)過(guò)DC/DC變換器，輸出通信電源+5 V；另一路+5 V電源為數(shù)字電源，根據(jù)各芯片實(shí)際所需電壓將+5 V轉(zhuǎn)化成3.3、2.5和1.8 V。其中一路+24 V電源利用電感隔離，產(chǎn)生+24 V電源，驅(qū)動(dòng)開(kāi)入裝置；另一路+24 V電源為開(kāi)出繼電器供電，用來(lái)驅(qū)動(dòng)開(kāi)出繼電器跳合。

2 系統(tǒng)算法設(shè)計(jì)

傅氏算法的思想源于傅里葉級(jí)數(shù)[12]，它在微機(jī)繼電保護(hù)中經(jīng)常被用來(lái)計(jì)算信號(hào)的幅值。假設(shè)被采樣的模擬信號(hào)是周期性的時(shí)間函數(shù)，除基波外，還包含衰減直流分量和各次諧波分量，

(1)

式中：an和bn為各次諧波分量的正弦分量、余弦分量值，

(2)

(3)

對(duì)于離散數(shù)字信號(hào)，用微機(jī)來(lái)計(jì)算時(shí)，可以用矩形法則來(lái)代替積分，這時(shí)對(duì)應(yīng)的正弦分量和余弦分量分別為:

(4)

(5)

其中：N每周波采樣的點(diǎn)數(shù)，為第k次采樣值，k=0，1，…，N-1。分析可知，全波傅氏算法可有效地濾除直流分量和各整次諧波分量[13]。

在全波傅氏算法之前增加一個(gè)差分環(huán)節(jié)構(gòu)成差分全波傅氏算法[14]，能夠消除衰減的直流分量的影響[5]，對(duì)應(yīng)的計(jì)算公式如下:

(6)

(7)

可以分別利用式(4)～(7)計(jì)算出全波傅氏算法和差分全波傅氏算法對(duì)應(yīng)n次諧波的幅值。

(8)

(9)

由式(8)、(9)還能夠計(jì)算出n次諧波的功率因數(shù)φ，有功功率Pn，無(wú)功功率Qn，視在功率Sn。

設(shè)電力系統(tǒng)暫態(tài)電流信號(hào)為:

4sin 200πt+10sin 300πt+

2sin 400πt+6sin 500πt

(10)

式中，τ=0.03 s。假定每周采樣的點(diǎn)數(shù)為N=12點(diǎn)、N=20點(diǎn)和N=40點(diǎn)，則全波傅氏算法和差分全波傅氏算法基波分量仿真計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 仿真計(jì)算結(jié)果

從表2的仿真結(jié)果中可知，當(dāng)故障信號(hào)中含有衰減直流分量時(shí)，全波傅氏算法的誤差比差分全波傅氏算法要大很多。一周波采樣點(diǎn)數(shù)從12提高到20時(shí)，兩種算法的誤差均有一定程度的減小。而提高至40時(shí)[15]，誤差沒(méi)有可觀減小，但是對(duì)應(yīng)的計(jì)算時(shí)間增加了1倍。所以周期采樣點(diǎn)數(shù)為20時(shí)，有著較高的采樣精度和計(jì)算速度。

差分全波傅氏算法可以消除直流分量，在一定程度上抑制衰減的非周期分量，而且當(dāng)信號(hào)基波頻率偏離額定值時(shí)，差分法消除衰減非周期分量的特性比其他方法要好，求出的基波幅值最接近于實(shí)際值。因此，選用采用差分全波傅氏算法作為本裝置的算法，并且保持采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為20點(diǎn)/周波。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3為主程序流程圖，圖4為ADC中斷軟件流程圖。

主程序是軟件的主體框架，由系統(tǒng)初始化自檢和無(wú)限檢測(cè)循環(huán)兩個(gè)部分組成[16]。初始化自檢是裝置在上電或者硬件系統(tǒng)復(fù)位時(shí)首先執(zhí)行的程序及對(duì)開(kāi)關(guān)量輸出、采樣通道、保護(hù)定值及自動(dòng)校正系數(shù)等的自檢。包括對(duì)TMS320F2808的 I/O口、中斷、定時(shí)器、串口、全局變量等進(jìn)行初始化及采樣芯片MAXIM125初始化和對(duì)開(kāi)關(guān)量輸出、采樣通道、保護(hù)定值、自動(dòng)校正系數(shù)的自檢。系統(tǒng)的初始化自檢結(jié)束后，進(jìn)入了無(wú)限檢測(cè)循環(huán)部分，包括計(jì)算測(cè)量采樣電壓電流，頻率檢測(cè)與調(diào)整，PT 斷線檢測(cè)，告警處理及故障錄波等。在無(wú)限檢測(cè)序循環(huán)過(guò)程中，所有的功能模塊只有在條件滿足時(shí)才執(zhí)行，一旦條件不滿足，立即進(jìn)入下一個(gè)功能模塊。

在中斷后，定時(shí)器每隔一個(gè)采樣周期Ts，會(huì)發(fā)出一個(gè)采樣脈沖，從而啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換，完成16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生中斷。在圖4中，利用計(jì)數(shù)器Point1統(tǒng)計(jì)已保存的測(cè)量參數(shù)的采樣個(gè)數(shù)，因要針對(duì)全波20點(diǎn)采樣值進(jìn)行參數(shù)計(jì)算，所以完成一個(gè)全周波采樣后，Pointl等于20，置A/D flag為 2，意味此時(shí)主程序可調(diào)用計(jì)算測(cè)量參數(shù)子程序。而在測(cè)量參數(shù)計(jì)算時(shí)，新A/D采樣值不可覆蓋正用于測(cè)量參數(shù)計(jì)算的A/D采樣結(jié)果，只有A/D flag為1時(shí)，才能夠保存新的A/D采樣值。從圖4可以看到，當(dāng)計(jì)算完一個(gè)周波對(duì)應(yīng)的20個(gè)測(cè)量參數(shù)后，A/D flag置1，計(jì)數(shù)器Pointl清0，表示能夠開(kāi)始存放下一周波的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。同時(shí)用計(jì)數(shù)器Point2來(lái)統(tǒng)計(jì)保護(hù)參數(shù)的采樣個(gè)數(shù)，在奇數(shù)次采樣時(shí)，計(jì)算、保存保護(hù)參數(shù)，調(diào)用保護(hù)判斷子程序。在偶數(shù)次采樣時(shí)，不作任何處理，一個(gè)周波后，計(jì)數(shù)器Point2清0。

圖3 主程序流程圖

圖4 A/D中斷程序流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

新型微機(jī)繼電保護(hù)裝置采用了保護(hù)、管理雙CPU結(jié)構(gòu)，一方面可為電力系統(tǒng)提供快速、準(zhǔn)確的計(jì)量和保護(hù)，另一方面也可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低系統(tǒng)成本。裝置適用于10 KV及以下電壓等級(jí)的發(fā)電廠及變電站，功能涵蓋了電力變壓器保護(hù)、線路保護(hù)、電容器保護(hù)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)等。對(duì)于各種不同場(chǎng)合，只要對(duì)功能軟件進(jìn)行適當(dāng)更改，即可滿足系統(tǒng)功能要求。裝置可集中組屏安裝或直接在開(kāi)關(guān)柜上分散安裝，配合通訊管理單元和監(jiān)控系統(tǒng)，還可以構(gòu)成完整的廠站自動(dòng)化系統(tǒng)。利用多功能保護(hù)繼電測(cè)試裝置和模擬斷路器對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測(cè)試，結(jié)果表明該裝置保護(hù)邏輯正確，動(dòng)作可靠靈敏，滿足現(xiàn)實(shí)要求。可以預(yù)見(jiàn)在技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，新型微機(jī)保護(hù)裝置將更有效、更可靠地?fù)?dān)當(dāng)起確保電網(wǎng)安全的重任。

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A New Dual-core Microcomputer Relay Protection Device

YANGHui-xiang1,ZHULing-yun1,FENGLi-li2

(1.College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Hefei Gold Star M&E Technical Development Co. Ltd, Hefei 230088, China)

In the modern power system, relay protection device is an important tool to ensure the safe operation of the power system and monitor the quality of electricity. Traditional microcomputer relay protection device has a low computing speed, and its protection principle is also imperfect. A device of relay protection based on dual cores TMS320F2808+N78E366A is developed, the hardware of each module part is designed. The filtering performance of the full wave Fourier algorithm is compared with the differential full wave Fourier algorithm. Then the performance of the above two algorithms is verified through simulation, meanwhile the system algorithm and the sampling points are selected. Finally, the main program diagrams of system software have also been given. The device is fast, reliable, easy to maintain, strong anti-interference, cute size, and can been easily configured into various types protection and control according to users’ needs.

DSP; SCM; microcomputer relay protection; Fourier algorithms

2014-08-01

楊會(huì)翔(1987-)，男，安徽淮南人，在讀碩士，主要研究方向?yàn)闄z測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置。

Tel.：18818235956，021-67792313;E-mail:airhuixing1987@163.com

朱凌云(1962-)，女，湖南郴州人，副教授，主要研究方向?yàn)檫^(guò)程控制和嵌入式系統(tǒng)。

TP 36

B

1006-7167(2015)03-0150-05