雙核結構在電力保護系統中的應用

摘 要:隨著微機保護的發展，一些新的保護原理和方案，受到了越來越多的關注，并逐步得到實際應用。在此設計了一種基于DSP和單片機雙CPU結構的微機保護測控系統，并用于電力保護裝置當中。此雙CPU結構具有并行工作、分工合作的優點，既保證了繼電保護的速動性、選擇性、靈敏性和可靠性，又實現了實時測量的高精度。實驗證明，該系統運算速度快，易實現復雜保護原理，較好地提高了保護系統性能。

關鍵詞:電力保護 DSP 單片機

中圖分類號:TM7文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(c)-0069-02

目前，國內現場所使用的電力保護系統大部分采用單CPU結構，來自電壓、電流互感器的信號經過采樣保持、模/數轉換后，進入微處理器進行處理，而數據處理的整個過程都需要CPU的參與控制。在單CPU系統中，CPU除了提供采樣脈沖、觸發多路選通信號、啟動模/數轉換以外，還負責對數字信號進行數字濾波和實現保護算法。此外，為確保系統運行的可靠性而定期執行的自檢程序，為方便運行人員的操作而設置的人機接口程序，也都由CPU執行。可見，在單CPU系統中，全部的控制、監測和運算都由CPU來完成，致使CPU只能串行地完成任務，這將造成兩方面的結果:一是保護的運行速度很大程度上取決于CPU的速度，CPU成為系統性能提高的瓶頸，對于要求高速采樣的應用，系統顯得力不從心;二是選擇算法時必須放棄雖有較滿意的性能，但計算量大的方案。因此，采用多CPU型的微機保護硬件結構是必然的。

高速數字信號處理芯片(DSP)技術的發展，為開發一種速度快、處理能力強的微機保護系統奠定了基礎。今年來，人們已經開始將DSP芯片用于某些電力系統產品的開發研究，并獲得了成功。因此，本文采用DSP和單片機構成雙CPU結構的電力保護系統。充分利用DSP強大的運算能力和單片機較強的控制能力，由DSP完成數據采集和各種保護算法的運算等，單片機主要負責各種參數的設置和液晶顯示。DSP和單片機之間通過雙口RAM進行數據通信，既保證了數據傳輸的高速率，又具有較好的抗干擾性能。

1 系統設計

1.1 硬件設計

本保護系統采用運算速度快、擅長數字信號處理的DSP芯片TMS320LF2407作為主CPU控制模擬量的采集和計算、保護的判斷、開關量的輸入和輸出。由于系統實時性的要求很高，功能配置也較多，所以為了分擔主CPU的負擔，增加了一塊8051單片機作為從CPU負責人機對話，處理鍵盤掃描、LCD顯示、信號燈顯示及與上位機通信等實時性要求不高1的系統任務。此DSP (TMS320LF2407)十單片機(AT89C52)的雙CPU結構，克服了傳統裝置計算速度慢、計算精度低和保護功能不完善的缺點，充分發揮了雙CPU結構并行工作、分工合作的優點以及DSP芯片運算速度快、擅長數字信號處理的優點，既滿足繼電保護速動性、選擇性和可靠性的要求，同時又實現了實時測量的高精度。保護系統的總體框圖如圖1所示。

1.1.1數據采集與處理模塊

數據采集與數據處理模塊以DSP為核心，通過對ADC的控制實現模擬量轉換，然后完成預定的保護算法的運算，同時，在數據計算結果滿足的情況下，控制開關量的輸出，以實現對外部回路的實時控制。

除DSP主處理器外，A/D轉換芯片也是數據采集與處理模塊的核心。由于系統的模擬輸入量較多，而且其中的零序電流和零序電壓還必須同步采樣，所以采用了ADS8364芯片。它是16位的數據采集系統，內部集成6個獨立的帶采樣保持地ADC，提供6個獨立的差分輸入口，每兩個通道共用一個轉換觸發信號，三個轉換信號同時觸發可實現6通道同步采樣，最高采樣頻率為250KHz，ADS8364內部集成6*16bit數據緩沖寄存器，通過向A0、A1、A2寫控制字可選擇直接尋址模式、循環讀數、FIFO三種方式讀取單次模數轉換的數據。我們采用控制邏輯最簡單的FIFO方式，即讓A0、A1、A2直接接高電平，同時，讓所有的轉換信號共用一個同步脈沖啟動信號，這樣6個通道同時工作，等所有通道都發出轉換完畢中斷低電平后，DSP可按邏輯分別從FIFO中讀取轉換數據，ADS8364芯片和DSP的電氣接線如圖2所示。

1.1.2 DSP與89C52數據通信

由于本系統采用了DSP與單片機雙CPU結構，因此他們之間的數據交換接口成為影響整個系統數據處理能力的重要環節。本系統采用了雙口RAM實現高速數據通信，這種通信方式數據傳輸的速率很高，而且抗干擾性能較好。

雙端口RAM提供了兩個完全獨立的端口，每個端口具有自己的地址線、數據線和控制線，兩側CPU都可以將雙口RAM看作自己的本地存儲器，獨立地讀寫雙口RAM的任一存儲單元。

使用雙口RAM時有一個問題需要特別注意，即當兩側CPU同時對雙口RAM的同一個單元進行操作時，有可能出現爭用沖突。通常，解決爭用沖突的方案有四種:硬件仲裁方案、中斷方案、令牌傳遞方案和軟件仲裁方案。前三種方案必須有器件內部相應的硬件功能的支持，而軟件仲裁方案適用于任何雙口RAM器件。

在具體實現時，為了盡可能減少雙方讀寫沖突，將雙口RAM空間分為低地址區和高地址區兩部分，規定低地址區空間用于單片機寫入和DSP讀出，高地址區空間用于DSP寫入和單片機讀出。

1.1.3 DeviceNet通信接口

本文利用DSP內部集成的CAN控制器，提供了DeviceNet通信接口。為提高通信通道的抗干擾能力和可靠性，CAN收發器和CAN控制器之間加有雙通道的高速光耦6N137，以實現裝置和DeviceNet總線之間的電氣隔離。CAN收發器選用Philips公司生產的具有多種保護的差動驅動器PCA82C250，并使其工作于高速工作方式。利用本系統的DeviceNet通信接口可與上位機組成網絡監控系統，實現無人化管理。

1.2 軟件設計

整個系統需要完成保護、測量、通信、故障記憶、自診斷和人機交互等眾多功能，這就需要合理設計軟件，科學安排程序流程。系統所有軟件均采用C語言編寫，采用模塊化編程技術，整個程序具有結構清晰、可移植性強和升級容易等特點。

DSP主程序流程如圖3(a)所示，主要完成初始化、保護器自檢、掃描斷路器狀態、電力參數計算、各種故障的判斷、處理以及與單片機通信進行數據交換等操作。其中，初始化部分主要完成裝置內各個模塊的初始化(包括DSP本身初始化、ADC模塊初始化、捕獲單元初始化、SCI模塊初始化以及保護器系統參數、保護參數和故障記憶值的初始化)和將保護器的初始化數據(系統參數、保護參數及故障記憶值)經雙口RAM通信發送給單片機等操作。三相電流、電壓值和零序電流、電壓值的采樣在DSP的定時中斷子程序中完成。有關DeviceNet通信的數據的接收、發送都在DSP的通信接收、發送中斷子程序中完成。

單片機主程序流程如圖3(b)所示，主要完成液晶顯示和按鍵的識別與處理，采用全漢化液晶顯示，通過按鍵可以隨時查詢或設置保護器的系統參數、保護參數和時鐘參數等信息。

DSP經雙口RAM通信發送給單片機的數據有:初始化數據、測量數據、故障信息(包括故障類型、故障發生時間以及故障發生時的電流、電壓值等)。其中初始化數據單片機以查詢方式接收，而測量數據和故障信息單片機以中斷方式接收。

2 結語

本系統采用基于DSP和單片機的雙CPU結構作為硬件平臺，充分利用了兩種CPU的各自特點，軟件采用模塊化編程技術，可移植性強、升級容易。本系統集保護、測量、控制和通信等多種功能于一體，具有較高的穩定性和實時性，并成功將DeviceNet總線應用于現場數據通信，對提高電力保護系統的網絡化、智能化、自動化水平具有重要意義。

參考文獻

[1]余永權.ATMEL89系列單片及應用技術.北京:北京航空航天大學出版社，2002.

[2]劉和平.TMS320LF2407xDSPC語言開發應用.北京:北京航空航天大學出版社，2003.

[3]陳文會，張元豐，徐榮英.基于MSP430F149的電力保護系統的實現.現代電子技術2002，9:62-65.

[4]朱國慶 付夢印.基于DSP和單片機的雙CPU數據處理系統.計算機工程與應用2005，21:113－115.

“本文中所涉及到的圖表、公式、注解等請以PDF格式閱讀”