MPS430在雙CPU微機電力保護裝置中的應用

廖延初

（福建師范大學福清分校 電子與信息工程系，福建 福清 350300）

MPS430在雙CPU微機電力保護裝置中的應用

廖延初

（福建師范大學福清分校 電子與信息工程系，福建 福清 350300）

為實現電力線路的微機保護功能，介紹了一種基于MPS430的雙處理器的微機保護裝置，它可以采集配電網的電流、電壓以及開關的狀態,并根據所采集的電壓、電流對配電網實現保護功能,并實現與測量模塊、人機界面模塊的通信.從硬件和軟件兩方面詳細說明該裝置的結構和功能，該裝置實現對三相電機低壓三相負荷的保護、遙測、遙信、遙測功能.

微機保護；雙CPU；數據通信

電力系統的飛速發展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技術、計算機技術與通信技術的飛速發展又為繼電保護技術的發展不斷地注入了新的活力.微機繼電保護的出現，使原有繼電保護裝置的工作性能有了明顯的改善，大大提高了電力系統運行的安全性和穩定性.隨著微機保護裝置的研究，在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果.電力系統對微機保護的要求不斷提高,除了保護的基本功能外,還應具有大容量故障信息和數據的長期存放空間,快速的數據處理功能,強大的通信能力,與其他保護、控制裝置和調度聯網,以共享全系統數據、信息和網絡資源的能力、高級語言編程等.每個微機保護裝置不但可完成繼電保護功能,而且在無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數據通信功能,亦即實現保護、控制、測量、數據通信一體化.

本文以MSP430F149微處理器為基礎,通過采集配電網的電流、電壓以及開關的狀態;對配電網實現保護,其內容包括電流速斷保護、三段式過流保護、反時限保護、零序保護和帶后加速的三相一次重合閘,并且利用口總線實現與測量模塊、人機界面模塊的通信.

1 硬件框架與模塊設計部分

1.1 概述

微機保護裝置是電力線路保護系統的最重要的一環，對系統性能起著決定性的作用.保護系統通過微機保護裝置實現對現場電氣量采集和電氣設備的狀態監視、控制和調節，即遙測、遙信、遙控和遙調.當發生事故時，可報警并迅速采取對應措施，從而保證整個系統的正常運行與安全.根據系統和現場需要，微機保護裝置主要需要實現的功能如下：①數據采集與處理功能.②輸入輸出功能.③通信功能.④報警保護功能.

根據微機保護裝置的主要功能，該裝置應該包括CPU部分模塊、模擬量采集部分、開關量輸入部分、繼電器輸出部分、通信部分、電源部分等及其外圍電路.具體的硬件框架結構圖如圖1所示.

1.2 保護裝置的工作過程

三相電壓、電流通過模擬量采集模塊，將電氣設備的各通道電量轉換為對應的電壓值，一并送入AD采樣模塊電路進行模數轉換，由保護CPU讀入各通道的采樣結果，通過DFT運算得出電壓電流的有效值和相位；保護CPU根據運算的結果進行判斷，若判斷有故障執行跳閘或發出信號，并記錄時間信息（發生時間、事故性質、故障量），以實現對電氣設備的保護；同時保護CPU把所有的狀態量通過FRAM通信模塊傳遞到通信CPU中；根據報警保護狀態，進行對應的保護報警LED指示；通信CPU通過RS232、RS485或CAN通信接口和上位監控機通信，及時的把裝置各測控信息量傳遞到上位監控機，上位監控機也可以通過通信接口對裝置設置和整定裝置的定值參數.

圖1 微機保護裝置結構模塊圖

電源模塊把220V的交流電源通過HAS-5轉換成直流5V電壓，再通過TPS76333產生一個3.3V電壓供CPU使用.在模擬量采集模塊中，三相電壓和電流分別通過電壓、電流互感器，將這些電氣量轉換成對應的低電壓（-1.25V～1.25V），在通過一個1.25V的穩壓源把所有電壓抬高成正電壓，送入MSP430的AD采樣通道進行模數轉換.

為了提高系統的運行速度，減輕單個CPU運行負荷，提高裝置的精確度，裝置都采用雙CPU結構，一片CPU完成模擬量采集并處理、開關量輸入輸出、保護報警功能.另一片CPU完成通信功能和保護報警LED燈指示功能.兩個CPU通過FRAM存儲器實現CPU間的信息共享.在保護CPU模塊中，MSP430把采樣通道的采樣結果通過DFT運算，得出三相電壓、電流的有效值和相位.根據運算結果判斷是否處于故障狀態，如果是，則發出信號并通過繼電器輸出模塊，執行對應繼電器的跳閘操作.同時從時鐘模塊中讀出當前時間，產生故障記錄SOE.MSP430還通過開關量輸入模塊讀取各開關量的狀態.通信CPU模塊通過讀取存儲器FM24CL64來獲得保護CPU中的各測控信息量，從而實現保護報警狀態的LED指示，并把保護CPU中的測控信息量通過通信接口傳遞到上位監控主機,RS485/CAN通信模塊實現RS485/CAN通信.

2 微機保護裝置的軟件框架設計

保護裝置所有功能的實現和可靠運行，還依靠于完善的軟件設計，軟件是完成系統設計的關鍵，是智能保護的靈魂，只有在軟件系統的統一指揮下，保護裝置才能夠完成一系列的保護工作.

2.1 軟件設計模塊結構

軟件設計方法是指導軟件設計的某種規則和準則，結構化程序設計是最常用的程序設計方法，它采用自頂向下逐步求精的設計方法和單入口單出口的控制結構，將一個復雜的系統按功能劃分為幾個獨立的模塊，模塊劃分遵循“功能獨立”原則，每個模塊功能分配明確，有利于軟件的調試、修改和維護.保護裝置就是采用結構化的程序設計方法，根據硬件結構模塊圖1系統軟件主要分成如下幾個模塊：保護CPU主程序模塊、AD采樣模塊、DFT運算模塊、保護邏輯判斷模塊、輸入輸出模塊、定時器模塊、時鐘模塊、FRAM模塊、通信CPU主程序模塊、通信模塊和LED燈指示模塊.

2.2 雙CPU模塊工作

（1）保護CPU.主要承擔裝置的保護任務，系統一上電，首先進行系統初始化工作，在初始化過程中，系統主要完成系統時鐘模塊初始化、MSP430的各個端口的初始化、定時器的初始化、AD采樣初始化并啟動AD采樣，時鐘芯片PCF8563的初始化和、FRAM存儲器的初始化和讀取FRAM中的定值，并設置相應的中斷允許寄存器.其主程序流程圖如圖2所示.

圖2 保護CPU的主程序流程圖

系統就進入了主程序循環，首先判斷定值的有效性，主要包括對保護定值、測量參數和校正系數的判斷，這個判斷依據是CRC校驗.如果定值無效，則設置定值錯誤報警，在通信CPU中實現所有燈閃爍的定值錯誤報警.只有定值有效，才進行DFT運算，根據AD采樣的結果，算出電壓電流的有效值和相位.接下來進行的是將計算得到的被采集電量的有效值按照標準公式進行計算和判斷，得出本控制保護單元外接的電機的運行狀態，并將此結果暫時記入各個軟繼電器中.若有暫時故障狀態，則啟動相應的定時器，開始故障計時.然后根據保護控制字的投入，在保護報警輸出模塊中，進行繼電器輸出.接著主程序循環判斷開關量的輸入狀態和根據上位機的遙控操作進行遠動操作.最后主程序循環進行FRAM操作，實現和通信CPU的數據交流，把保護CPU中的測控信息量的變化告訴通信CPU，同時從通信CPU中獲知上位機發送下來的更改定值命令或遙控命令，并根據這些命令執行對應的操作.

（2）通信CPU.主要擔任裝置的通信任務，包括RS485/CAN通信、RS232通信和保護報警LED燈指示，其主程序流程圖如圖3所示.系統上電后，通信CPU進行初始化.初始化完成后進入主程序循環，在主循環中，首先是進行每0.1s一次的FRAM操作，實現和保護CPU的數據交流，獲得保護CPU中得到的遙測值和校正電量，進行平均值濾波和計算功率電度.然后通過通信接口，把所有的現場測控信息量傳到上位監控機，上位監控機按照需要也向裝置發送更改定值命令或遙控命令.通信CPU把上位機的的命令保存到FRAM中.

圖3 通信CPU的主程序流程圖

3 結論

在總結前人對電力保護保置研究工作的基礎上,對電力保護裝置的應用做了深入探討,設計了一種具有多功能的雙處理機的電力保護裝置,并可靠地應用在配電網中.但設計中,由于本人的水平有限,論文還需進一步研究和改進.

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〔5〕陳明,包鑫,朱墨子.MSP430在電力系統微機保護模塊中的應用.現代電子技術,2009（10）.

TM76;TP368.1

A

1673-260X（2011）10-0134-02