基于DSP和ARM的便携继电保护测试仪设计

夏东升　马宏忠　刘宝稳　施恂山　王行行

(河海大学能源与电气学院，江苏 南京　211100)

基于DSP和ARM的便携继电保护测试仪设计

夏东升马宏忠刘宝稳施恂山王行行

(河海大学能源与电气学院，江苏 南京211100)

摘要：为了提高继电保护测试仪输出信号的质量和频率分辨率，提出了一种不牺牲每周波拟合点数而使输出信号频率最高至1 000 Hz、频率分辨率达到0.001 Hz的算法。根据需求，DSP计算出波形拟合点和触发时序逻辑信号后，CPLD根据时序信号触发DAC输出波形，波形经功率放大、变压器运放等环节处理，由DSP采集到的反馈信号通过数字PID算法调整，使最终输出信号快速且稳定地达到预设值。测试仪的变压器模块独立化设计，提高了装置的便携性。经检测，该测试仪各项输出满足实际应用要求。

关键词：DAC变压器互感器数字PID便携性波形拟合AID模块可靠性

0引言

随着电网规模的扩展，智能化程度的不断提高，对继电保护装置的需求量越来越大[1-2]。保护装置在生产制造和现场应用的过程中需要进行严格的测试，方可确保在故障发生时，保护装置能够快速、准确地动作，保证系统的安全运行[3]。用于对保护装置进行测试的继电保护测试仪，其电压、电流等输出量除了对幅值、频率、相位等参数有一定的要求外，还要求能够模拟各次谐波，以测试保护装置应对不同故障的响应[4-6]。

现如今继电保护测试仪虽然功能非常强大，输出信号的精度也非常高，能基本胜任当前对保护装置的测试任务[7]，但是还有许多地方需要改进。如：现今的继电保护测试仪一般都是将所有的元件封装在一个箱子里，其质量非常大(通常在30 kg左右)，若工作人员需到现场对保护装置进行加电测试，携带和调试的难度可想而知。

针对当前继电保护测试仪存在的上述问题，设计了一种新型的继电保护测试仪。该测试仪以高性能DSP TMS320C6748作为运算的核心，并以ARM AT91SAM9260为控制核心，分别完成信号的生成、反馈运算和系统整体的控制等任务。本测试仪将运算、控制、功率放大模块封装在一起作为控制部分，将变压器做成一个个单独的模块作为插件，在实际应用中可以根据需要选择相应类型、功率的插件，大大减少了携带和现场调试的难度。此外，本装置采用周期性改变触发时间间隔的方式来拟合波形，大大提高了频率分辨率和波形质量。在应对负载变化时，本装置应用了数字PID增量算法[8]，使得输出能够更快速、更稳定地达到预设值。

1继电保护测试仪硬件设计

本装置的原理图如图1所示。ARM模块作为人机交互环节，配有液晶显示屏和键盘，方便用户操作。ARM在收到操作指令后，将指令通过SPI总线传至DSP；DSP根据指令计算出所需波形数据并转入复杂可编程逻辑控制器CPLD暂存，待收到DSP要求发出信号的指令后再传至DAC模块；最终由DAC模块拟合成所需的信号。功率放大模块对DAC拟合成的数字信号进行功率放大，再根据需要选择合适的变压器模块进行幅值放大，即可得到相应的电压、电流输出。变压器模块中的电压、电流互感器对输出进行处理，后由DSP控制A/D模块进行采集、计算、调整输出等步骤，由此构成反馈环节。ARM模块配有丰富的通信接口，可以实现U盘数据读取、与上位机交互、多机互联等功能。供电电源采用大功率多路输出开关电源，满足各个模块的用电需求。开关量部分配有8路开关量输入、4路开关量输出，可以用于测试保护装置动作时间。本测试仪的硬件配置在功能上符合DL/T624-2010《中华人民共和国电力行业标准：继电保护微机型试验装置技术条件》(以下简称《标准》)[9]。

图1　继电保护测试仪原理框图

1.1处理器简介

本测试仪DSP模块采用的DSP芯片为德州仪器公司生产的32 bit高性能浮点DSP TMS320C6748。该款DSP工作主频为456 MHz，具有3 648 MIPS和2 746 MFLOPS的运算能力。片上集成了丰富的外围设备接口，有16个快速EDMA 通道、32 bit 的EMIF、2个I2C、2个32 bit 的Timer、16个GPIO、16 bit 的HPI等。同时，为了方便对大量数据进行处理，配备了128 MB的标配工业级NAND Flash和128 MB的标配工业级DDR2 RAM，可以开辟大量内存对常用波形进行存储，使得输出响应更加迅速。

ARM模块采用的芯片为AT91SAM9260，当工作主频为190 MHz时，运算速度可达210 MIPS。片内集成了USB全速主机和设备接口、10/100 Base T以太网MAC、多媒体卡接口(MCI)、USART、主/从串行外围设备接口(SPI)、1个3通道16位定时计数器(TC)、1个双线接口(TWI)等丰富的外设，为设计高性能的人机交互系统提供了便利。

本系统CPLD选用Xilinx公司的CoolRunner-II XC2C512。其具有高性能、超低功耗、高速、易用、低成本等优点，主要用于控制外围器件的逻辑时序，包括为DAC输出提供触发时序逻辑信号、波形数据的暂存与生成。CPLD与DSP之间通过32 bit的EMIF接口相连实现并行通信，DSP可以在较短时间内将大量需要DAC拟合的波形数据传至CPLD，这对于提高输出响应的速度起到非常重要的作用。

1.2DAC模块和ADC模块

DAC芯片的性能与输出信号的幅值、频率分辨率和误差有着密切的关系。本装置选择数模转换芯片DAC8581来拟合波形。该芯片是TI公司生产的一款具有16 bit精度的±5 V电压输出型数模转换器，具有高转换速度、高精度、高速SPI接口、上电自动较零等特点。本装置最终采用8片DAC8581芯片，以共地级联的方式用于拟合多路输出信号。

对于ADC反馈采样模块，选用由ADI公司生产的8通道、16 bit同步采样芯片AD7606。该芯片采用5 V单电源供电，不再需要正负双电源，并支持真正±10 V或±5 V的双极性信号输入，所有的通道均能以高达200 kS/s的速率进行采样。

经过试验，上述两种芯片的精度、响应速度等特性皆满足本测试仪设计要求。

1.3电源模块设计

由于继电保护测试仪由多个模块组成，各个模块要求的供电电压不同，且各个模块之间为了避免共地干扰，对独立性都有一定的要求。

本装置采用的DSP芯片、ARM芯片和CPLD芯片要求的供电电压均为3.3 V，且之间存在SPI通信连接，在硬件设计上可以局部共地，但是这3类芯片对供电电压的平稳性能要求较高。AMS1117-3.3是一款固定电压3.3 V输出的稳压芯片，用开关电源5 V输出配两款AMS117-3.3芯片，即可得到两路稳定的3.3 V输出为DSP和ARM模块供电。AD7606采集模块和DAC模块要求供电电压具有一定的独立性，需开关电源提供两路独立的5 V输出。功率放大模块采用功放芯片SHM1150II，其作用是对DAC拟合出的数字信号进行功率放大，在电源设计上需要综合考虑功率和电压幅值要求。

综上所述，可以选择一款3路独立5 V输出的小功率开关电源,为DSP、ARM、CPLD、DAC和ADC模块供电，另外选择一款±50 V输出的大功率电源为功放模块供电。

1.4数字功率放大模块

采用大功率混合集成电路芯片SHM1150II，对DAC拟合出的信号进行功率放大。此电路为差分输入、全直流耦合、场效应管推挽输出的直流型功放电路。其特点如下：输出功率高达150 W ；失真度低于0.01%，保证了输出波形的质量；频响宽度达0～380 kHz，可放大含有直流分量和高次谐波的信号；无需外接任何元件，应用方便等[10]。

1.5变压器模块

本测试仪的分体设计机理示意图如图2所示。将DSP、ARM、DAC、ADC、数字功放、输入输出、电源等模块封装在一起，组成主控模块，在面板预留出各输出端子。每一路输出共3个端子与变压器模块相连，其中2个端子插孔用于传输电压信号，1个BNC插头用于传递变压器模块中互感器反馈回来的信号。为保证反馈信号能稳定可靠地传输，采用同轴电缆线作为反馈线。

图2　装置机理示意图

将每个变压器和对应的互感器封装在一起，组成一个单独的插件模块。不同的输出有与之相对应的插件模块，主要分为交流电压输出模块和交流电流输出模块。电压输出模块将电压互感器并联在电压型变压器的二次侧，感应出输出电压信号后，由DSP控制A/D采集作反馈用；电流输出模块将电流互感器串联在电流型变压器二次侧作反馈用。

市面上现有的继电保护测试仪之所以质量较大，主要是因为其将大质量的功放、运放模块和其他各个模块都封装在一个箱子里，且为了保证各路输出具有一定的带载能力，不得不选择容量足够大的变压器。而本测试仪将变压器独立出来，做成相互独立的模块，在使用时可以做到需要什么类型选择什么类型，需要几路用几路，需要多大容量选择多大容量。这样，在对保护装置进行调试时会更加方便、灵活，而且将变压器独立出来后更有利于散热。

2继电保护测试仪软件设计

2.1波形拟合算法

继电保护测试仪最主要的功能是提供各种供其他装置测试用的信号源。对于保护装置来说，交流信号源最常用，其幅值、相位、频率等是最基本的参数。本测试仪通过DAC数字电平输出拟合交流信号，拟合点生成算法如式(1)所示。

(1)

式中：数组X[n]为拟合成的波形点，n=0,1,2,…，N-1；Am为各次谐波幅值，m=1,2,…,M；N为每周波拟合的点数，M为谐波总次数。

由于DAC输出的是数字信号，所以拟合出的交流信号是阶梯波，因此每周波的拟合点数对波形的质量有着直接的影响。不同点数拟合出的波形如图3所示。

图3　不同点数拟合出的波形图

拟合出的波形点暂存在CPLD中，与之对应的触发时序逻辑信号也事先由DSP计算好存在CPLD中，如图4所示。当CPLD收到DSP[11-13]下达的输出指令时，根据触发时序逻辑信号，在触发信号的下降沿CPLD将拟合的波形点送至DAC模块，并转换成对应的电平信号。若每周波为2 000点，则触发信号需2 000个下降沿。当Δt1=Δt2=…=Δt2000=10 μs时，则频率T=20 000 μs，频率f=50 Hz。频率改变通过改变触发时序逻辑的时间间隔Δtn来实现，相位的移动通过设置不同触发时序信号间的时间间隔Δtab、Δtbc、Δtac来实现，幅值则通过改变幅值参数Am即可。

图4　触发时序逻辑信号图

根据《标准》，要求交流输出频率变化最小步长为0.001 Hz。DAC8581在输出电压差变化不大时，最快建立时间为0.3 μs，每周波拟合点数为2 000时可认为最快建立时间为0.5 μs，并以此为最小基。由上文可知，2 000个点10 μs等间隔输出时频率为50 Hz。若要输出时频率为50.001 Hz，由于最小基为0.5 μs，最相近间隔时间只能调整为9.5 μs，所以采用等间隔输出是不可实现的。但可以只将一个触发时序间隔时间调整为9.5 μs，其余19 999个仍然保持为10 μs，则T=19 999.5 μs、 f=50.001 25 Hz即可达到要求。若要输出时频率为49.999 Hz时，将第一个时序间隔调整为10.5 μs即可。同理若要继续提高或者减少频率，只需依次将其他时序间隔减少或者增加0.5 μs。

由于点数众多，少量时序间隔时间的调整对波形质量的影响微乎其微。但当需要调整的时序时间间隔数量变多时，如果调整时序时间间隔的次序不当，会影响输出波形质量。如将上半周波时间间隔全部调整为9.5 μs，下半周波还为10 μs，虽然可以使得频率f=51.282 Hz，但是此时的波形已经严重畸变了。所以选择合适的方法调整时间间隔对波形质量有着至关重要的影响。本测试仪采用了一种周期性调整时间间隔的算法来改变频率，有效地解决了波形畸变问题。图5为触发时序时间间隔调整过程，为了便于观察，图中采用每周波35点直方图来表示调整过程。

由图5可知，在调整完第一点后并不是从左往右依次调整下去，而采用“先调两头再调中间”的方式。图5(a)为对1个点进行调整的情形，即只改变第1个拟合点的触发时间间隔；图5(b)为对5个点进行调整，改变点1、35、18、9、27触发时间间隔；图5(c)为调整19点时的情形；图5(d)为对全部点调整时的情形，即每点触发时间间隔同时增加或者减少了0.5 μs。如果每周波拟合点数为2 000，那么可以将需要依次调整的拟合点的序号记为数组TD[2 000]={1,2 000,1 000,500,1 500,250,1 750,750,1 250,…}。这样的调整过程具有周期对称性，对波形质量影响较小，能满足应用要求。

图5　触发时序时间间隔调整过程示意图

每周波点数为2 000，要求输出频率为f时，可通过如下算法求出最终触发时序数组CF[2 000]。

①根据输入频率f，求得T=(1/f)×106(μs)；

②求出对拟合点调整前所设置的主时间间隔δtz=INT[(T/2 000)×2]×0.5 (μs)，其中INT[ ]为取整函数；

③求出需要调整点的数量n=(T-2 000×δt)×2;

④根据依次调整点的序号数组TD[2 000]，确定需要调整点的序号TD[n](即数组TD[2 000]中的前n个值)，并据此序号将触发时序数组CF[2 000]中对应序号的值全部置为(δtz+0.5)，其余全部置为δtz。最终的数组CF[2 000]即为所求得触发时序信号每个点对应的时间间隔。

2.2输出反馈控制

变压器二次侧的输出与负载有着密切的联系，尤其是电流型输出。由于电流型变压器二次侧输出电压值比较小，负载阻抗的变化对电流输出影响极大。为了使最终的输出信号能够快速且稳定地达到所设置的值，需应用合理的算法对反馈信号和设定信号进行处理。

本测试仪采用数字增量PID算法来控制输出，其原理简化示意图如图6所示。

图6　增量式PID算法简化示意图

对于最终输出的信号，经互感器变换、A/D采集、DSP计算等处理后，记反馈信号为y(k)，预设输入为r(k)，则偏差为：

e(k)=r(k)-y(k)

(2)

由位置式PID控制算法得：

(3)

则增量式PID算法为：

(4)

归并后可得：

Δu(k)=q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)

(5)

(6)

(7)

(8)

式中：u0为控制量基值；u(k)为第k次采样处理后的控制量基值；Kp为比例放大系数；KI为积分放大系数；KD为微分放大系数；Tl为积分时间常数；TD为微分时间常数；Ts为采样周期[14]。

由算法公式可知，理论上只要算出相近3次偏差e(k)、e(k-1)、e(k-3)，并设定合适的q0、q1、q2，就可以求出输出应该调整的增量Δu(k)。根据此值调整D/A输出，使输出能够快速稳定地响应。

2.3系统软件综合设计

本测试仪的ARM人机交互模块搭载嵌入式实时操作系统WindowsCE，对人机交互模块的硬件进行管理，使得系统具有较高的稳定性、实时性和可靠性。DSP模块的主要任务是用于对输出拟合点和反馈信号的快速计算，无需搭载操作系统。系统软件设计逻辑图如图7所示。

图7　系统软件设计逻辑图

3样机测试

样机输出交流信号的实测波形如图8所示。图8(a)是幅值为20 V、频率为50 Hz的交流电压输出波形，通过示波器可以看出波形较光滑且无明显畸变；图8(b)是含有3、5、7次谐波畸变后的波形，畸变很明显。

对于输出电压、电流常规参数的测量，用高精度六位半万用表keithley 2 700、谐波分析仪PMM1 000等仪器来进行测试，其精度完全满足测试要求。电压与电流测试数据如表1、表2所示。由表1、表2可以看出，给定的值和输出实测值之间各种参数的误差都很小，波形质量也较高，满足《标准》要求。

图8　实测波形图

测试数据试验组别123给定幅值/V10.000060.0000100.0000实测幅值/V9.999659.9947100.0213给定频率/Hz45.000050.0000100.0000实测频率/Hz45.000150.0002100.0002给定相位差/(°)30.000060.000090.0000实测相位差/(°)30.050059.950090.0500电压畸变率/%0.00000.00000.1000

表2　电流测试数据

4结束语

本测试仪应用大功率混合集成功放，提高了效率，稳定了输出；将变压器模块和主控模块分体，减小了测试仪体积，便于携带；应用波形拟合算法，提高了频率分辨率，并保证了波形质量；反馈应用数字增量PID[15-16]算法，减少了设定与实际输出的误差，并提高了响应的速度。在人机交互部分，配置了液晶显示、键盘，方便了操作；通信上配有以太网接口，可以实现远程遥控、多机互联测试、状态监测。在装置检验方面，应用《标准》中所述的对于各项参数的测试方法对本装置进行了全面测试，各项参数测试结果均符合标准。

参考文献

[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,1999:1-2.

[2] 李斌,薄志谦.面向智能电网的保护控制系统[J].电力系统自动化,2009,33(20):7-12.

[3] 王洪涛,周有庆,彭红海.基于DSP的微机保护综合实验装置设计[J].电力自动化设备,2007,27(1):97-100.

[4] 周雯琪,马皓,李恩.一种继电保护测试仪用逆变电源的设计及相位调节方法[J].中国电机工程学报,2008,28(12):119-123.

[5] 陈铸华,周有庆,吴桂清.高精度信号发生装置的研制[J].中国仪器仪表,2007(7):48-51.

[6] 黄晓明,邹托武,赵炳,等.微机继电保护测试仪中高性能数字信号发生器的研究与实现[J].电力自动化设备,2006(6):17-21.

[7] 何智平,周玲,张方军.国内市场微机型继电保护测试仪的现状和发展[J].继电器,2005,33(8):76-80.

[8] Shen L,Liu Z,Zhang Z,et al.Frame-level bit allocation based on incremental PID algorithm and frame complexity estimation[J].Journal of Visual Communication and Image Representation,2009,20(1):28-34.

[9] 《中华人民共和国电力行业标准:继电保护微机型试验装置技术条件》DL/T 624-2010[S].

[10]孙云龙.单相正弦波变频电源设计[J].淮阴工学院学报,2011(1):20-23.

[11] 苗俭威,王英.基于DSP+IPM的异步电机直接转矩调速系统设计.电气自动化,2015,37(3): 1-2.

[12] 符晓,朱洪顺.TMS320F2833x DSP应用开发与实践.北京: 北京航空航天大学出版社,2013: 2-8.

[13] 杨家强,黄进.异步电动机直接转矩控制转矩脉动最小化方法研究.电工技术学报,2004,19(9): 23-29.

[14]李辰,李开成,陈浩,等.继电保护测试仪用大电流功率放大电路的研究[J].电力系统保护与制,2013(8):129-134.

[15] 蒋耕玮,王小艺,魏伟,等.基于抗扰动-模糊PID的污水处理控制方法研究.计算机与应用化学.2013,30(7):748-752.

[16] 汤斌斌,陈敏芳,熊伟丽,等.一种模糊自适应PID控制在溶解氧中的应用.传感器与微系统,2013,32(7):144-147.

Design of the Portable Relay Protection Tester Based on DSP and ARM

Abstract：In order to improve the quality and frequency resolution of output signals of the relay protection tester,an algorithm is proposed which makes maximum frequency of the output signals up to 1000 Hz,frequency resolution to 0.001Hz,without sacrificing the number of fitting points in each cycle.According to the demand,DSP calculates the waveform fitting point and trigger timing logic signals,CPLD triggers DAC output waveform based on the timing signals,then the waveform is disposed by the process of power and transformer operation amplifier,and the feedback signals adopted by DSP are adjusted by the digital PID algorithm,so that the final output signals can rapidly and stably reach the preset value.With the transformer module of the tester being independent,the portability of the device is improved.After testing,each of the output of the tester meets the requirements of practical application.

Keywords:DACTransformerDigital PIDPortabilityWaveform fittingAID mudularReliability

中图分类号：TM774

文献标志码：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201605023

国家自然科学基金资助项目(编号：51177039)。

修改稿收到日期：2015-09-02。

第一作者夏东升(1991-)，男，现为河海大学电力系统及其自动化专业在读硕士研究生；主要从事交流电源设计、电力设备状态监测与故障诊断方向的研究。