双DSP结构电力系统微机线路保护装置

2010-09-06张勋友

池州学院学报 2010年3期

关键词：微机保护装置处理器

张勋友

（池州学院物理与机电工程系，安徽池州247000）

双DSP结构电力系统微机线路保护装置

张勋友

（池州学院物理与机电工程系，安徽池州247000）

介绍了一种新型双DSP结构电力系统微机线路保护装置，并对装置硬件结构软件进行了设计。该装置采用测控、数字保护一体化设计TI公司的32位定点DSP芯片TMS320F2812为核心部件，可以同时实现电力系统线路的测控﹑保护﹑操作等多种功能。

电力系统；微机保护；DSP芯片

1 引言

目前我国电力系统运行的微机线路保护装置主要存在功能简单，其核心处理器CPU基本上是8位或16位单片机，这些CPU大多是基于八十年代的技术和工艺，受到系统结构、速度和总线方式的限制，其指令功能有限、寻址空间小、运算能力弱。其软件系统开发平台不完善，普遍采用汇编语言，开发周期长，软件难以移植，不易进行交流和维护。另外，其通信的标准性、高速性、可靠性得不到保障，不能满足现代电网发展的需要［1］。

随着微处理器技术的快速发展，数字信号处理器(DSP)已应用于各个领域。由于数字信号处理技术及设备具有灵活、精确、抗干扰能力强、设备尺寸小、速度快、性能稳定和易于升级等优点，所以目前大多数设备采用数字技术设计实现。针对传统的微机线路保护装置的不足，本文设计了一种基于双DSP结构的新型微机线路保护装置，采用测控和数字保护一体化设计，可以同时实现电力系统线路的测控﹑保护﹑操作等多种功能［2］。

2 装置总体设计方案

新型保护装置不仅能对电力系统的各种信号进行监测，还能对其进行保护和控制，考虑到性能和成本，采用了双DSP结构来协同实现装置的功能。其中一片DSP主要负责数据采集和运算分析，另一片DSP主要负责信号的保护控制，并实现人机对话和通信功能。两者通过双口RAM进行数据交换，装置还采用了一片CPLD，它可以使装置便于集成，提高系统运行的抗干扰能力。通过两片DSP协同完成对系统任务的并行处理，保证了控制系统的实时性和控制精度［3］。

3 装置硬件设计

新型保护装置硬件框架结构如图1所示。该装置主要包括双DSP主电路模块、数据检测模块、开关量输入输出模块、通信模块和键盘显示模块和电源模块等六个部分。

图1 新型保护装置结构图

3.1 DSP主电路模块

它是控制系统的核心部分，主要作用是对信号检测单元输出的数据进行检测，并进行分析处理，从而来完成各种保护。它主要由微处理器（CPU）、存储器(RAM、ROM)及时钟(CLOCK)等部分组成［4］。

本装置CPU采用了双DSP结构，其中DSP1主要作用是对采样数据进行分析和处理，DSP2主要作用是对输出进行控制和保护，实现人机对话和通信功能。DSP芯片采用美国TI公司最新推出的32位定点DSP控制器TMS320 F2812，它是目前控制领域最先进的处理器之一。其主频高达150MHz，大大提高了控制系统的控制精度和芯片处理能力。F2812芯片基于C/C++高效32位TMS320C28xxDSP内核，并提供浮点数学函数库，从而可以在定点处理器上方便地实现浮点运算。同时它还具有128 K×16 bit的片上Flash，18K×16bit的片上RAM以及大量的片上外设，包括A/D转换模块、2个事件管理器 (EVA和EVB)，CAN总线控制器、2个串行通信接口模块(SCIA和SCIB)、串行外设接口模块(SPI)、多功能串行接口 (McBSP)及56个通用I/O口。由于该型号的DSP兼具数字信号处理和微控制器的特点，从而为其在本装置中的应用提供了性能和成本的一个很好的结合点［5］。

3.2 数据检测模块

该模块的作用是将电力系统的电流互感器和电压互感器二次侧的电流和电压数值，变换成数据处理单元能够处理的数字量。主要由调理滤波、采样保持、A/D转换、过零检测等单元电路组成。虽然F2812处理器内含2×8通道12bitADC，为了更好地符合精度要求，本系统A/D转换芯片采用了TI公司的ADS8364。ADS8364是16位模数转换器，具有高速、低功耗，六通道同步采样功能，带有80dB共模抑制的全差分输入通道、6个差分采样放大器和6个4μs连续近似的模数转换器。过零检测的主要作用是完成信号的频率和相位的测量［6］。

图2 ADS8364与DSP的接口电路图

ADS8364与 DSP的接口电路如图 2所示。ADS8364的A0、A1、A2接到高电平，这时，采样数据读取是采用FIFO方式，即当AD转换完成时，EOC产生一个外部中断信号，由DSP通过数据线依次读出六个通道的AD数据。AD的转换时钟接到DSP的PWM1脚，由DSP的脉宽调制输出信号作为AD的转换时钟，这样，AD的转换时钟可根据需要采用自适应调整方式来变化。启动采样信号HOLD由DSP的T1PWM控制，用DSP内部的定时器控制启动，它可根据模拟信号周期T的变化，自适应的调节采样频率。

3.3 开关量输入输出模块

此模块能完成各种保护的出口跳闸、外部接点、输入信号显示等功能。通常由多种输入与输出并行接口芯片、光电隔离器件及中间继电器等组成。在电力系统中，如隔离开关位置、断路器位置、本地及远方等各种状态量都要输入微机保护装置作为保护和确认保护的动作信息。另外，系统对信号告警、断路器跳闸等控制都是通过向它发送开关量来实现。输入模块的开关量是先通过输入继电器，经过光电耦合器隔离后，再接入CPU的输入引脚。CPU输出的开关量则先经过光电耦合器隔离，再由输出继电器输出，这些都是由开关量输入和输出模块来完成的。

3.4 通信模块

根据实际要求，将本装置的各种运行参数，通过RS485、INTERNET、GPRS或其他方式进行传输，可以实现系统各部分之间的通信。设计符合CAN2.0B协议的现场总线通信接口，是为了加强在电力系统综合自动化中的通信能力。F2812芯片内部含有两个串行通信接口SCI，它与以往的DSP中的SCI相比，具有独立的FIFO和可以自动检测的波特率这两个特点。在设计中通信转换芯片采用了MAX232E，MAX232E为双组RS-232接收发送器，具有价格低、功耗低、工作电源为+5V单电源，仅为0.lμF的外接电容，波特率高等特点。

3.5 键盘显示模块

此模块包括键盘和液晶显示两个部分，通过串行总线和其它模块进行通信，主要用来进行动作信息的查询、数值的查询与修改、实时数据的显示等。系统采用了独立式键盘设计。系统共设计有7个按键，它们分别是：上移键、下移键、左移键、右移键、确定键、复位键和多功能键。采用了软件方法去除抖动，通过上下键来完成页面读取，利用状态转移法来设计键控程序，完成电流和电压等参数的显示切换，完成模式及复位之间的切换。液晶显示模块LCM的功能是查看实时数据、设置各种参数和查看历史记录等。本装置选用了YM240128图形点阵液晶显示模块，采用T6963C作为该模块内的控制器。显示屏点阵为240×128点，128个字符（8×16点阵）和64×256点阵显示RAM，可显示汉字和图形。

3.6 电源模块

TMS320F2812处理器根据其工作频率的不同，要求的内核电压也有所不同。当处理器工作在135MHz以下时，要求内核电压为1.8V；当工作在150MHz时，内核电压为1.9V。F2812的内核和I/O采用双供电方式，即要求采用双电源(1.8V或1.9V和3.3V)为CPU、Flash、ROM、ADC以及I/O等外设供电。为了保证上电过程中所有模块具有正确的复位状态，处理器上电和掉电要求满足一定的次序。

4装置软件设计

图3 主程序任务框图

图4 定时采样中断流程图

本保护装置的软件开发环境选用DSP芯片的集成开发环境CCS2.0，CCS2.0具有强大的仿真功能，可以支持多种控制模式，同时也支持汇C语言的调试。为了实现快速、可靠、实时的保护功能，采用C语言和汇编语言混合编程。根据电力系统微机线路保护装置信号采集、数字滤波、故障判断、信号输出、人机接口等功能不同的实时性要求，将各功能进行模块化处理［7］。

保护装置软件主要由主程序和中断服务子程序两部分组成。其中，主程序完成整个保护装置基本功能，包括保护装置的初始化、多任务调度、数据处理、故障判断、出口动作等模块。本保护装置主程序任务框图如图3所示。

中断服务子程序包括定时采样、A/D转换、及串行通信中断等模块。交流采样算法中，信号除了正弦基波分量外，还含有衰减的非周期分量、高次谐波分量及其他干扰等，考虑到DSP强大的数字运算能力，及傅里叶算法较强的滤除高次谐波的功能，因此实际中采用快速傅里叶(FFT)算法。图4为本装置的定时采样中断流程图。

5结语

随着电力系统的飞速发展和计算机技术与通信技术的不断进步，微机继电保护装置已经以其优良的性能、方便的操作和简单的维护在国内外各电力系统中得到迅速推广。本文所设计的双DSP结构新型微机线路保护装置，不仅能达到电力系统继电保护可靠性、选择性、灵敏性和速动性的基本要求，而且它正在向微型化、网络化和智能化等方面高速发展。

[1]陈德树．计算机继电保护原理与技术[M].北京：中国电力出版社，1992.

[2]鲍雅萍，李晓红．基于DSP技术的新型微机线路保护装置[J].电力自动化设备，2007，27(9)：107-109.

[3]刘园，周有庆，等．基于DSP的电力系统多功能微机保护实验装置的设计[J].继电器，2005，33(6)：56-58，65.

[4]苏奎峰，吕强，等．TMS320X281x DSP原理及C程序开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，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]刘和平．TMS320C28x系列DSP指令和编程指南[M]．北京：清华大学出版社，2005.

[责任编辑：桂传友]

TM774

1674-1102（2010）03-0045-03

2010-03-29

安徽省高校省级自然科学研究项目(KJ2010B131)。