基于雙CPU架構(gòu)的備用電源投入裝置設(shè)計(jì)李瀚霖張峰

孫茂林

摘要：備用電源自動投入裝置可在工作電源發(fā)生故障時(shí)，迅速投入備用電源，對提高供電可靠性發(fā)揮著重要作用。本文基于雙CPU架構(gòu)完成了備自投裝置的軟硬件設(shè)計(jì)，并綜合考慮相關(guān)干擾因素，作出針對性設(shè)計(jì)，有效提高了裝置的抗干擾能力。

關(guān)鍵詞：備自投；雙CPU；母線失壓；抗干擾

我國電力發(fā)展已進(jìn)入“大機(jī)組”、“大電網(wǎng)”、“超高壓交、直流輸電”、“電網(wǎng)調(diào)度自動化”新階段，備自投裝置對保證供電連續(xù)性具有重要意義。[12]備自投裝置逐漸發(fā)展成為各項(xiàng)功能一體化、智能化的綜合數(shù)字化裝置。[36]單CPU結(jié)構(gòu)備自投裝置在CPU或插件異常時(shí)穩(wěn)定性較差，抗干擾能力較低。本文基于雙CPU架構(gòu)完成了備自投裝置的軟硬件設(shè)計(jì)，作出抗干擾設(shè)計(jì)，有效提高了抗電磁干擾能力。

1 備自投裝置工作邏輯與切換方法

1.1 備自投裝置工作邏輯

監(jiān)控母線電壓有無是備自投裝置啟動的核心判據(jù)，但必須確保母線無電源供電，才可以動作。為了防止誤投反送電，無論進(jìn)線斷路器是否已經(jīng)處于分閘狀態(tài)，裝置啟動后都應(yīng)將該斷路器再次分閘。

1.2 備自投裝置切換方法

當(dāng)前備用電源切換主要采用快速切換法和同期捕捉切換兩種方法。快速切換法在工作母線失壓后瞬間動作，成功率高，是投切方案的首選。同期捕捉切換通過監(jiān)測母線殘壓的頻率與相角變化，在備用電源電壓與母線殘壓相量第一次相位重合時(shí)完成備用電源合閘。

2 備自投裝置硬件設(shè)計(jì)

電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，備自投裝置面臨大量任務(wù)，為保證備自投裝置測量精度、相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)以及動作的實(shí)時(shí)性，本裝置硬件設(shè)計(jì)采用DSP+AVR雙CPU結(jié)構(gòu)。

2.1 硬件整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

DSP處理器選用TMS320F28335芯片實(shí)現(xiàn)對模擬信號的測量、處理以及數(shù)據(jù)存儲、交換等相關(guān)功能；AVR單片機(jī)選用Atmega 16完成LCD液晶顯示、鍵盤控制和通信等管理功能。通過雙口靜態(tài)存儲器實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理器與單片機(jī)的數(shù)據(jù)交換。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程

本裝置采集到的模擬量數(shù)據(jù)經(jīng)互感器變換后輸入調(diào)理變換電路，對模擬信號進(jìn)行設(shè)計(jì)跟隨、濾波和電壓抬升等處理，然后進(jìn)行AD變換，DSP對轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)行計(jì)算分析。計(jì)算出的各項(xiàng)指標(biāo)通過雙口靜態(tài)隨機(jī)存儲器完成DSP和AVR之間的數(shù)據(jù)交換。AVR單片機(jī)通過LCD人機(jī)界面將結(jié)果顯示。

3 備自投裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)雙CPU硬件結(jié)構(gòu)，本裝置軟件系統(tǒng)主要包括主CPU，DSP處理器軟件系統(tǒng)和從CPU，AVR單片機(jī)軟件系統(tǒng)。主CPU軟件系統(tǒng)包括：模擬信號采集、模擬信號計(jì)算處理、開關(guān)量輸入檢測、開關(guān)量輸出控制切換動作、數(shù)據(jù)存儲及相關(guān)頻率相角就算中斷程序。從CPU軟件系統(tǒng)包括：鍵盤控制、LCD液晶顯示、RS485通信等。此外，在主CPU和從CPU需要軟件程序?qū)﹄p口RAM進(jìn)行控制。

4 備自投裝置抗干擾設(shè)計(jì)

本裝置工作在惡劣的電磁環(huán)境中，大量變電站設(shè)備會對備自投裝置產(chǎn)生干擾。因此，本裝置在軟、硬件設(shè)計(jì)中作出了針對性設(shè)計(jì)。

4.1 硬件抗電磁干擾措施

在模塊的輸入端添加鐵氧體磁珠或磁環(huán)實(shí)現(xiàn)隔離。為了防止外部浪涌電流侵入，在電源模塊的輸入端加入壓敏電阻與放電管來防止過電壓。

4.2 軟件抗干擾措施

為防止程序發(fā)生錯誤進(jìn)入死循環(huán)。本文應(yīng)用看門狗技術(shù)可識別并使程序脫離死循環(huán)并復(fù)位。本文利用數(shù)據(jù)冗余技術(shù)對數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)，將數(shù)據(jù)在不同地址上進(jìn)行備份，調(diào)用數(shù)據(jù)時(shí)，首先與備份數(shù)據(jù)比對，若兩者一致則可正常使用；若兩者不同則調(diào)用備份數(shù)據(jù)，放棄原數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了DSP+AVR單片機(jī)的雙CPU硬件架構(gòu)，圍繞此架構(gòu)設(shè)計(jì)了完整的外圍電路。同時(shí)根據(jù)硬件設(shè)計(jì)并參考相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，基于模塊化思想設(shè)計(jì)了軟件工作方案。備自投裝置在保證快速、準(zhǔn)確動作的同時(shí)，具有良好的抗干擾能力。

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作者簡介：李瀚霖（1990），男，碩士，助理工程師，主要研究方向?yàn)殡娋W(wǎng)運(yùn)行管理和分布式電源保護(hù)與控制。