新型雙 CPU繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

徐耀良,楊曉紅,楊 寧,夏 磊,張少成

(上海電力學(xué)院電力與自動(dòng)化工程學(xué)院,上海 200090)

在綜合自動(dòng)化的發(fā)展下,電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置將集監(jiān)測(cè)、保護(hù)、控制及通信于一體,可以完成多種復(fù)雜任務(wù)[1].除了具備基本的測(cè)量功能外還需要有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和通信能力,這使得軟件的開發(fā)和維護(hù)變得異常復(fù)雜.在這種情況下,若只采用單 CPU容易造成多重任務(wù)間的相互沖突.

為兼顧對(duì)實(shí)時(shí)保護(hù)任務(wù)和通信任務(wù)的不同處理要求,保護(hù)裝置需要由高性能的微控制器與數(shù)字信號(hào)處理器構(gòu)成高性能的硬件系統(tǒng)[2].本文介紹了一種基于S3C2410和 TMS320F2812的雙CPU繼電保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)方案,并給出了主要模塊的程序流程圖.

1 裝置的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由兩個(gè) CPU分別承擔(dān)電氣量的采集與轉(zhuǎn)換、控制邏輯運(yùn)算、人機(jī)對(duì)話和打印輸出,以及與上位機(jī)通信、數(shù)字量輸入和處理等功能,各司其職,分工合作.

設(shè)計(jì)過程中采用模塊化設(shè)計(jì),以實(shí)現(xiàn)故障的準(zhǔn)確定位,同時(shí)方便增加新的保護(hù)功能[3].雙CPU系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1所示.

圖1 雙CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

電流電壓信號(hào)經(jīng)電流電壓互感器變換后產(chǎn)生低電壓信號(hào)送入微機(jī)保護(hù)裝置主模塊.模擬量輸入模塊需測(cè)量三相電流,保護(hù)安裝側(cè)的三相電壓,考慮用兩塊 16位新型數(shù)字 A/D芯片,簡化采樣,保持電路與多路開關(guān)電路的連接,濾波功能由DSP芯片中的軟件實(shí)現(xiàn).主模塊內(nèi)的 DSP芯片運(yùn)行片內(nèi)的保護(hù)軟件,進(jìn)行信號(hào)采樣,并加以運(yùn)算、分析,最后將結(jié)果送回 ARM芯片顯示、存儲(chǔ).若有電網(wǎng)故障,則由 DSP直接發(fā)出跳閘動(dòng)作信號(hào),達(dá)到保護(hù)系統(tǒng)的目的;同時(shí),由 AMR報(bào)警,并以各種通信方式將保護(hù)動(dòng)作信息發(fā)送至上位機(jī),記錄故障時(shí)間與電流電壓數(shù)據(jù),保存數(shù)據(jù),完成保護(hù)的工作過程.通信功能方面要求 ARM芯片集成RS232/485,以太網(wǎng)控制芯片,可支持變電站常用的 10Mb/s的雙絞線接口,100Mb/s的光纖和雙絞線接口,以適應(yīng)更高可靠性和更大通信帶寬的變電站自動(dòng)化系統(tǒng).

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

本裝置的硬件系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、DSP子系統(tǒng)、ARM子系統(tǒng),以及一些外圍基礎(chǔ)電路模塊組成.

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊即模擬量輸入模塊,就是把電力系統(tǒng)中一次電流互感器和一次電壓互感器的強(qiáng)電信號(hào)首先轉(zhuǎn)換成微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置所需的弱電信號(hào),并對(duì)這些弱電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理,變換成和 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入特性相符的模擬信號(hào),然后通過 A/D轉(zhuǎn)化為 CPU模塊可以識(shí)別的數(shù)字量,以進(jìn)行各種計(jì)算和判斷.

本裝置選用了 AD7656芯片,是高集成度、6通道、16位逐次逼近(SAR)型 ADC,它具有最大4 LSBS INL和每通道達(dá) 250 kSPS的采樣率,并且在片內(nèi)包含一個(gè) 2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和基準(zhǔn)緩沖器.該器件僅有典型值 160mW的功耗,比最接近的同類雙極性輸入 ADC的功耗降低了 60%,且封裝小,耐受高電源電壓,非常適合在微機(jī)保護(hù)、電機(jī)控制等工業(yè)領(lǐng)域使用.

采樣芯片內(nèi)的時(shí)序問題是 A/D芯片的重點(diǎn).圖2為AD7656的工作時(shí)序.由圖 2可知,A/D讀數(shù)時(shí)先通過 DSP控制 CONVST管腳啟動(dòng)轉(zhuǎn)換,并保持該信號(hào)為高電平,此時(shí)自動(dòng)輸出 BUSY信號(hào).當(dāng) BUSY信號(hào)處于下降沿時(shí),代表轉(zhuǎn)換已經(jīng)全部完成,芯片內(nèi)部的 6個(gè)寄存器將轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)保存完畢.然后通過控制片選 CS和讀 RD信號(hào)依次順序讀出 6個(gè)通道 A/D轉(zhuǎn)換值即可.讀取結(jié)束,改變CONVST電平信號(hào)為低.

圖2 AD7656工作時(shí)序

2.2 DSP子系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)代電網(wǎng)中超高壓、大容量、遠(yuǎn)距離輸電線路的不斷增多,對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)提出了更高的要求.改善保護(hù)性能的一個(gè)重要方面是在確保其動(dòng)作的可靠性和選擇性的條件下,加快保護(hù)的動(dòng)作速度.在實(shí)際故障信號(hào)中包含有大量非基頻噪音信號(hào)的情況下,保護(hù)動(dòng)作速度越快,基頻分量的濾波精度越差.為了適應(yīng)現(xiàn)代電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求,軟件算法需對(duì)信號(hào)進(jìn)行更高程度的分解,以此得到更精確的判斷,同時(shí)也是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等理論更有效地用于繼電保護(hù)的前提.但分解程度的提高意味著計(jì)算量的增大,再加上是實(shí)時(shí)計(jì)算,需要保證計(jì)算的速度,因此對(duì)硬件的要求也越來越高.

與傳統(tǒng)采用 MCS51,96等系列單片機(jī)的微機(jī)保護(hù)裝置相比,本設(shè)計(jì)采用 DSP芯片TMS320F2812來進(jìn)行數(shù)字信號(hào)的處理,針對(duì)電力系統(tǒng)中的各種數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的算法和更高的采樣率.該芯片具有 16×16和 32×32位操作的專用硬件乘法器,可以在單周期內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)32位乘積結(jié)果的有符號(hào)或無符號(hào)數(shù)據(jù),在處理主要由乘法和加法組成的濾波算法時(shí),可以大大提高算法效率,在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以完成一次加法和一次乘法.采用 DSP為主保護(hù)芯片,可以為微機(jī)保護(hù)采集數(shù)據(jù)計(jì)算的實(shí)時(shí)性提供保障.

在本裝置中 DSP部分主要完成數(shù)據(jù)的采集、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的分析計(jì)算、保護(hù)算法的實(shí)現(xiàn),以及出口邏輯功能.DSP子系統(tǒng)框圖如圖 3所示.

圖3 DSP子系統(tǒng)示意

TMS320F2812是一款高性能、高性價(jià)比的 32位定點(diǎn) DSP,性能優(yōu)越,資源非常豐富.其 I/O接口電壓為 3.3 V,與 ARM芯片接口電壓一致,極大地方便了接口的設(shè)計(jì),且豐富的通用 I/O口可直接與外部設(shè)備進(jìn)行信息交換,開入開出量在經(jīng)過光電隔離后可直接接到 DSP芯片端口,從而省去了并行 I/O接口芯片,提高了保護(hù)裝置開入開出的可靠性,而且也利于今后的產(chǎn)品換代.

此芯片的串行外設(shè) SPI接口通過 SPICLK,MISO,MOSI,SPISTE等 4個(gè)引腳與 ARM芯片相連,其模塊有主動(dòng)或從動(dòng)兩種工作方式;提供 125種波特率,當(dāng)頻率為 30 MHz時(shí),波特率可達(dá) 7.5 Mbps;具有 4種時(shí)鐘方案,即:無延時(shí)的下降沿,有延時(shí)的下降沿,無延時(shí)的上升沿,有延時(shí)的上升沿.考慮到要配合 ARM芯片,在后期軟件搭建時(shí)令 SPICCR.6=0x00,SPICTL.3=0x00,控制數(shù)據(jù)在 SPICLK的上升邊沿由移位寄存器移出,下降沿向移位寄存器移入,且無半周期延時(shí),與 ARM的設(shè)置相應(yīng).因此,兩個(gè)控制器能同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù),以判定軟件程序數(shù)據(jù)是否有意義.

2.3 ARM子系統(tǒng)功能與設(shè)計(jì)

隨著電力系統(tǒng)監(jiān)測(cè)與保護(hù)功能一體化的發(fā)展,軟件的規(guī)模越來越大,實(shí)現(xiàn)的功能越來越全.綜合考慮實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、嵌入式以太網(wǎng)和大量數(shù)據(jù)管理等因素,本設(shè)計(jì)選擇針對(duì)系統(tǒng)控制以及通信領(lǐng)域的 ARM微處理器 S3C2410[4].其特點(diǎn)是性能高,功耗低,支持廣泛的通信接口.如從廣泛使用的 RS485和 RS232到現(xiàn)在正在普及的以太網(wǎng),可為以后的進(jìn)一步開發(fā)預(yù)留足夠的空間;處理速度快,存儲(chǔ)空間大,變址尋址能力強(qiáng),外圍接口豐富等.由 ARM芯片處理計(jì)算以外的管理任務(wù),同時(shí)內(nèi)嵌在高效多任務(wù)調(diào)度和中斷管理的操作系統(tǒng)中的 TCP/IP等網(wǎng)絡(luò)協(xié)議簇用于處理通信任務(wù),打破了以太網(wǎng)通信模式在工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用中的很多限制,完全符合 IEC61850體系關(guān)于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想.

另外,采用 ARM微處理器 S3C2410協(xié)助 DSP工作.ARM子系統(tǒng)具有負(fù)責(zé)系統(tǒng)時(shí)鐘基準(zhǔn)、通信、液晶顯示、鍵盤按鍵處理,以及部分?jǐn)?shù)值的初始化整定等功能[5].ARM子系統(tǒng)框圖如圖 4所示.

圖4 ARM子系統(tǒng)示意

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主體流程如圖 5所示,上電或復(fù)位后 DSP與 ARM均需完成第一步初始化工作:

(1)對(duì)硬件可編程接口初始化,設(shè)定端口作用,對(duì)于輸出端口則賦予初值,保證所有出口繼電器處于不動(dòng)作狀態(tài);

(2)全面的軟硬件自檢,保證裝置投入使用時(shí)處于完好的狀態(tài),若出現(xiàn)異常則停機(jī)告警.

對(duì)于 DSP而言,還需讀取所有開關(guān)量的輸入狀態(tài)并加以保存,標(biāo)志字清零,初始化采樣單元,設(shè)定指針位置與采樣間隔時(shí)間.

DSP與 ARM處理器有機(jī)地構(gòu)成了一個(gè)功能分布、協(xié)同運(yùn)行的整體系統(tǒng).圖 5a為 DSP子系統(tǒng)運(yùn)行保護(hù)相關(guān)程序流程,初始化完畢后,開放中斷.其采樣中斷程序流程如圖 5b所示,數(shù)據(jù)采集單元 A/D完成模擬量采集與轉(zhuǎn)換后,DSP對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行精加工,并計(jì)算電氣參數(shù),同時(shí),實(shí)時(shí)運(yùn)行一次保護(hù)啟動(dòng)分析與判斷.根據(jù)采樣程序中的啟動(dòng)邏輯判斷,判定電力系統(tǒng)是處在正常運(yùn)行狀態(tài)還是發(fā)生了故障,若檢測(cè)到故障發(fā)生,則進(jìn)入故障分析程序,最終結(jié)合開入量推斷邏輯結(jié)果作出相應(yīng)控制,并將電氣計(jì)算結(jié)果和保護(hù)判斷結(jié)果通過 SPI傳輸至 ARM.

圖5c為 ARM子系統(tǒng)運(yùn)行管理相關(guān)程序流程,通過 SPI通信中斷程序,接收 DSP數(shù)據(jù)后予以顯示,并根據(jù)需要判定是否告警、通知上位機(jī),以及故障錄波.本裝置中,故障錄波為預(yù)設(shè)功能,若使用需外擴(kuò) E2PROM.

圖5 系統(tǒng)程序流程

4 結(jié) 論

(1)通過采用由 MATLAB搭建的 110 kV電力系統(tǒng)線路模型所導(dǎo)出故障仿真數(shù)據(jù),在 DSP程序中進(jìn)行計(jì)算分析,結(jié)果通過 SPI接口送至 ARM并將開關(guān)量輸出信息傳遞給與 DSP輸出 I/O相連的繼電器,其及時(shí)準(zhǔn)確的跳閘動(dòng)作證明故障時(shí)本裝置能夠正確發(fā)出保護(hù)動(dòng)作命令,實(shí)現(xiàn)跳閘控制;

(2)由 DSP和 ARM組成的雙 CPU系統(tǒng),其硬件結(jié)構(gòu)緊湊,可擴(kuò)展性強(qiáng),可靠性高;軟件資源豐富,數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng);保護(hù)功能強(qiáng)大,適用于110 kV及以下的電力系統(tǒng).

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