張勛友

（池州學(xué)院 物理與機(jī)電工程系，安徽 池州247000）

雙DSP結(jié)構(gòu)電力系統(tǒng)微機(jī)線路保護(hù)裝置

張勛友

（池州學(xué)院 物理與機(jī)電工程系，安徽 池州247000）

介紹了一種新型雙DSP結(jié)構(gòu)電力系統(tǒng)微機(jī)線路保護(hù)裝置，并對裝置硬件結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該裝置采用測控、數(shù)字保護(hù)一體化設(shè)計(jì)TI公司的32位定點(diǎn)DSP芯片TMS320F2812為核心部件，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)線路的測控﹑保護(hù)﹑操作等多種功能。

電力系統(tǒng)；微機(jī)保護(hù)；DSP芯片

1 引言

目前我國電力系統(tǒng)運(yùn)行的微機(jī)線路保護(hù)裝置主要存在功能簡單，其核心處理器CPU基本上是8位或16位單片機(jī)，這些CPU大多是基于八十年代的技術(shù)和工藝，受到系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、速度和總線方式的限制，其指令功能有限、尋址空間小、運(yùn)算能力弱。其軟件系統(tǒng)開發(fā)平臺不完善，普遍采用匯編語言，開發(fā)周期長，軟件難以移植，不易進(jìn)行交流和維護(hù)。另外，其通信的標(biāo)準(zhǔn)性、高速性、可靠性得不到保障，不能滿足現(xiàn)代電網(wǎng)發(fā)展的需要［1］。

隨著微處理器技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字信號處理器(DSP)已應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。由于數(shù)字信號處理技術(shù)及設(shè)備具有靈活、精確、抗干擾能力強(qiáng)、設(shè)備尺寸小、速度快、性能穩(wěn)定和易于升級等優(yōu)點(diǎn)，所以目前大多數(shù)設(shè)備采用數(shù)字技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。針對傳統(tǒng)的微機(jī)線路保護(hù)裝置的不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于雙DSP結(jié)構(gòu)的新型微機(jī)線路保護(hù)裝置，采用測控和數(shù)字保護(hù)一體化設(shè)計(jì)，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)線路的測控﹑保護(hù)﹑操作等多種功能［2］。

2 裝置總體設(shè)計(jì)方案

新型保護(hù)裝置不僅能對電力系統(tǒng)的各種信號進(jìn)行監(jiān)測，還能對其進(jìn)行保護(hù)和控制，考慮到性能和成本，采用了雙DSP結(jié)構(gòu)來協(xié)同實(shí)現(xiàn)裝置的功能。其中一片DSP主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算分析，另一片DSP主要負(fù)責(zé)信號的保護(hù)控制，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話和通信功能。兩者通過雙口RAM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，裝置還采用了一片CPLD，它可以使裝置便于集成，提高系統(tǒng)運(yùn)行的抗干擾能力。通過兩片DSP協(xié)同完成對系統(tǒng)任務(wù)的并行處理，保證了控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和控制精度［3］。

3 裝置硬件設(shè)計(jì)

新型保護(hù)裝置硬件框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。該裝置主要包括雙DSP主電路模塊、數(shù)據(jù)檢測模塊、開關(guān)量輸入輸出模塊、通信模塊和鍵盤顯示模塊和電源模塊等六個(gè)部分。

圖1 新型保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)圖

3.1 DSP主電路模塊

它是控制系統(tǒng)的核心部分，主要作用是對信號檢測單元輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，并進(jìn)行分析處理，從而來完成各種保護(hù)。它主要由微處理器（CPU）、存儲器(RAM、ROM)及時(shí)鐘(CLOCK)等部分組成［4］。

本裝置CPU采用了雙DSP結(jié)構(gòu)，其中DSP1主要作用是對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，DSP2主要作用是對輸出進(jìn)行控制和保護(hù)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話和通信功能。DSP芯片采用美國TI公司最新推出的32位定點(diǎn)DSP控制器TMS320 F2812，它是目前控制領(lǐng)域最先進(jìn)的處理器之一。其主頻高達(dá)150MHz，大大提高了控制系統(tǒng)的控制精度和芯片處理能力。F2812芯片基于C/C++高效32位TMS320C28xxDSP內(nèi)核，并提供浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫，從而可以在定點(diǎn)處理器上方便地實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)運(yùn)算。同時(shí)它還具有128 K×16 bit的片上Flash，18K×16bit的片上RAM以及大量的片上外設(shè)，包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、2個(gè)事件管理器 (EVA和EVB)，CAN總線控制器、2個(gè)串行通信接口模塊(SCIA和SCIB)、串行外設(shè)接口模塊(SPI)、多功能串行接口 (McBSP)及56個(gè)通用I/O口。由于該型號的DSP兼具數(shù)字信號處理和微控制器的特點(diǎn)，從而為其在本裝置中的應(yīng)用提供了性能和成本的一個(gè)很好的結(jié)合點(diǎn)［5］。

3.2 數(shù)據(jù)檢測模塊

該模塊的作用是將電力系統(tǒng)的電流互感器和電壓互感器二次側(cè)的電流和電壓數(shù)值，變換成數(shù)據(jù)處理單元能夠處理的數(shù)字量。主要由調(diào)理濾波、采樣保持、A/D轉(zhuǎn)換、過零檢測等單元電路組成。雖然F2812處理器內(nèi)含2×8通道12bitADC，為了更好地符合精度要求，本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換芯片采用了TI公司的ADS8364。ADS8364是16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有高速、低功耗，六通道同步采樣功能，帶有80dB共模抑制的全差分輸入通道、6個(gè)差分采樣放大器和6個(gè)4μs連續(xù)近似的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。過零檢測的主要作用是完成信號的頻率和相位的測量［6］。

圖2 ADS8364與DSP的接口電路圖

ADS8364與 DSP的接口電路如圖 2所示。ADS8364的A0、A1、A2接到高電平，這時(shí)，采樣數(shù)據(jù)讀取是采用FIFO方式，即當(dāng)AD轉(zhuǎn)換完成時(shí)，EOC產(chǎn)生一個(gè)外部中斷信號，由DSP通過數(shù)據(jù)線依次讀出六個(gè)通道的AD數(shù)據(jù)。AD的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘接到DSP的PWM1腳，由DSP的脈寬調(diào)制輸出信號作為AD的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，這樣，AD的轉(zhuǎn)換時(shí)鐘可根據(jù)需要采用自適應(yīng)調(diào)整方式來變化。啟動采樣信號HOLD由DSP的T1PWM控制，用DSP內(nèi)部的定時(shí)器控制啟動，它可根據(jù)模擬信號周期T的變化，自適應(yīng)的調(diào)節(jié)采樣頻率。

3.3 開關(guān)量輸入輸出模塊

此模塊能完成各種保護(hù)的出口跳閘、外部接點(diǎn)、輸入信號顯示等功能。通常由多種輸入與輸出并行接口芯片、光電隔離器件及中間繼電器等組成。在電力系統(tǒng)中，如隔離開關(guān)位置、斷路器位置、本地及遠(yuǎn)方等各種狀態(tài)量都要輸入微機(jī)保護(hù)裝置作為保護(hù)和確認(rèn)保護(hù)的動作信息。另外，系統(tǒng)對信號告警、斷路器跳閘等控制都是通過向它發(fā)送開關(guān)量來實(shí)現(xiàn)。輸入模塊的開關(guān)量是先通過輸入繼電器，經(jīng)過光電耦合器隔離后，再接入CPU的輸入引腳。CPU輸出的開關(guān)量則先經(jīng)過光電耦合器隔離，再由輸出繼電器輸出，這些都是由開關(guān)量輸入和輸出模塊來完成的。

3.4 通信模塊

根據(jù)實(shí)際要求，將本裝置的各種運(yùn)行參數(shù)，通過RS485、INTERNET、GPRS或其他方式進(jìn)行傳輸，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)各部分之間的通信。設(shè)計(jì)符合CAN2.0B協(xié)議的現(xiàn)場總線通信接口，是為了加強(qiáng)在電力系統(tǒng)綜合自動化中的通信能力。F2812芯片內(nèi)部含有兩個(gè)串行通信接口SCI，它與以往的DSP中的SCI相比，具有獨(dú)立的FIFO和可以自動檢測的波特率這兩個(gè)特點(diǎn)。在設(shè)計(jì)中通信轉(zhuǎn)換芯片采用了MAX232E，MAX232E為雙組RS-232接收發(fā)送器，具有價(jià)格低、功耗低、工作電源為+5V單電源，僅為0.lμF的外接電容，波特率高等特點(diǎn)。

3.5 鍵盤顯示模塊

此模塊包括鍵盤和液晶顯示兩個(gè)部分，通過串行總線和其它模塊進(jìn)行通信，主要用來進(jìn)行動作信息的查詢、數(shù)值的查詢與修改、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的顯示等。系統(tǒng)采用了獨(dú)立式鍵盤設(shè)計(jì)。系統(tǒng)共設(shè)計(jì)有7個(gè)按鍵，它們分別是：上移鍵、下移鍵、左移鍵、右移鍵、確定鍵、復(fù)位鍵和多功能鍵。采用了軟件方法去除抖動，通過上下鍵來完成頁面讀取，利用狀態(tài)轉(zhuǎn)移法來設(shè)計(jì)鍵控程序，完成電流和電壓等參數(shù)的顯示切換，完成模式及復(fù)位之間的切換。液晶顯示模塊LCM的功能是查看實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、設(shè)置各種參數(shù)和查看歷史記錄等。本裝置選用了YM240128圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，采用T6963C作為該模塊內(nèi)的控制器。顯示屏點(diǎn)陣為240×128點(diǎn)，128個(gè)字符（8×16點(diǎn)陣）和64×256點(diǎn)陣顯示RAM，可顯示漢字和圖形。

3.6 電源模塊

TMS320F2812處理器根據(jù)其工作頻率的不同，要求的內(nèi)核電壓也有所不同。當(dāng)處理器工作在135MHz以下時(shí)，要求內(nèi)核電壓為1.8V；當(dāng)工作在150MHz時(shí)，內(nèi)核電壓為1.9V。F2812的內(nèi)核和I/O采用雙供電方式，即要求采用雙電源(1.8V或1.9V和3.3V)為CPU、Flash、ROM、ADC以及I/O等外設(shè)供電。為了保證上電過程中所有模塊具有正確的復(fù)位狀態(tài)，處理器上電和掉電要求滿足一定的次序。

4裝置軟件設(shè)計(jì)

圖3 主程序任務(wù)框圖

圖4 定時(shí)采樣中斷流程圖

本保護(hù)裝置的軟件開發(fā)環(huán)境選用DSP芯片的集成開發(fā)環(huán)境CCS2.0，CCS2.0具有強(qiáng)大的仿真功能，可以支持多種控制模式，同時(shí)也支持匯C語言的調(diào)試。為了實(shí)現(xiàn)快速、可靠、實(shí)時(shí)的保護(hù)功能，采用C語言和匯編語言混合編程。根據(jù)電力系統(tǒng)微機(jī)線路保護(hù)裝置信號采集、數(shù)字濾波、故障判斷、信號輸出、人機(jī)接口等功能不同的實(shí)時(shí)性要求，將各功能進(jìn)行模塊化處理［7］。

保護(hù)裝置軟件主要由主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分組成。其中，主程序完成整個(gè)保護(hù)裝置基本功能，包括保護(hù)裝置的初始化、多任務(wù)調(diào)度、數(shù)據(jù)處理、故障判斷、出口動作等模塊。本保護(hù)裝置主程序任務(wù)框圖如圖3所示。

中斷服務(wù)子程序包括定時(shí)采樣、A/D轉(zhuǎn)換、及串行通信中斷等模塊。交流采樣算法中，信號除了正弦基波分量外，還含有衰減的非周期分量、高次諧波分量及其他干擾等，考慮到DSP強(qiáng)大的數(shù)字運(yùn)算能力，及傅里葉算法較強(qiáng)的濾除高次諧波的功能，因此實(shí)際中采用快速傅里葉(FFT)算法。圖4為本裝置的定時(shí)采樣中斷流程圖。

5結(jié)語

隨著電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)與通信技術(shù)的不斷進(jìn)步，微機(jī)繼電保護(hù)裝置已經(jīng)以其優(yōu)良的性能、方便的操作和簡單的維護(hù)在國內(nèi)外各電力系統(tǒng)中得到迅速推廣。本文所設(shè)計(jì)的雙DSP結(jié)構(gòu)新型微機(jī)線路保護(hù)裝置，不僅能達(dá)到電力系統(tǒng)繼電保護(hù)可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的基本要求，而且它正在向微型化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化等方面高速發(fā)展。

[1]陳德樹．計(jì)算機(jī)繼電保護(hù)原理與技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，1992.

[2]鮑雅萍，李曉紅．基于DSP技術(shù)的新型微機(jī)線路保護(hù)裝置[J].電力自動化設(shè)備，2007，27(9)：107-109.

[3]劉園，周有慶，等．基于DSP的電力系統(tǒng)多功能微機(jī)保護(hù)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[J].繼電器，2005，33(6)：56-58，65.

[4]蘇奎峰，呂強(qiáng)，等．TMS320X281x DSP原理及C程序開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5]TMS320X281x Event Manager(EV)Reference Guide(Rev. C).Texas Instruments,08 Nov 2004.

[6]TMS320X281x Analog-to-Digital Converter(ADC)Reference Guide(Rev.C).Texas Instruments,05 Nov 2004.

[7]劉和平．TMS320C28x系列DSP指令和編程指南[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[責(zé)任編輯：桂傳友]

TM774

A

1674-1102（2010）03-0045-03

2010-03-29

安徽省高校省級自然科學(xué)研究項(xiàng)目(KJ2010B131)。

張勛友(1971-)，男，安徽池州人，池州學(xué)院物理與機(jī)電工程系講師，碩士，主要從事電力系統(tǒng)微機(jī)監(jiān)控與繼電保護(hù)等方向的研究。