基于TMS320F2812的中低壓線路保護(hù)裝置的研制

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模越來越大，結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，對(duì)于線路保護(hù)裝置的性能提出了更高的要求[1~2]。傳統(tǒng)的基于單片機(jī)的微處理器結(jié)構(gòu)和基于RS485、CAN 總線的通信方案已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)的需要。數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)、復(fù)雜可編程序邏輯器件CPLD技術(shù)和以太網(wǎng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，為電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)技術(shù)的進(jìn)步提供了有利的條件?；谶@種發(fā)展趨勢(shì)，文中開發(fā)研制了一種基于TMS320F2812 的針對(duì)于中低壓線路的微機(jī)保護(hù)裝置。

1 硬件設(shè)計(jì)

裝置硬件按功能實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，核心CPU 模塊采用保護(hù)DSP+監(jiān)控DSP 的雙CPU 結(jié)構(gòu)，它們之間通過CAN 口實(shí)現(xiàn)信息共享。DSP 采用的是TI 公司的32 位高性能定點(diǎn)處理器芯片TMS320F2812,該

芯片處理能力好(150MIPS)、程序存儲(chǔ)器大（128k 字的FLASH）、片內(nèi)外設(shè)豐富、事件管理能力強(qiáng)、具有在線仿真功能，使得接口、模塊化設(shè)計(jì)以及調(diào)試都很方便[3~4]。

硬件系統(tǒng)原理如圖１所示。

圖1 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 保護(hù)CPU 模塊

保護(hù)CPU 模塊主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理、算法的實(shí)現(xiàn)、邏輯判斷輸出以及與監(jiān)控的內(nèi)部通信等。

1.1.1模擬量數(shù)據(jù)采集電路

模擬量數(shù)據(jù)采集電路主要完成電壓、電流等模擬量的采集、信號(hào)調(diào)理和A/D 轉(zhuǎn)換工作。電網(wǎng)實(shí)際的高電壓、大電流信號(hào)經(jīng)過一次PT、CT 和數(shù)據(jù)采集板上二次小PT、CT 兩次變換后，還需要通過信號(hào)調(diào)理電路才能變?yōu)锳/D 轉(zhuǎn)換器可以接受的電壓范圍。信號(hào)調(diào)理電路如圖2 所示。

圖2 模擬量信號(hào)調(diào)理電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用的是TI 公司的16 位、6 通道同步采樣A/D 轉(zhuǎn)換器ADS8364。ADS8364 的三組啟動(dòng)

轉(zhuǎn)換端holdA、holdB 、holdC 由2812 的同一I/O口經(jīng)過CPLD 控制，每隔T/N （T 為測(cè)得模擬信號(hào)周期，N 為周期采樣點(diǎn)數(shù)）時(shí)間，啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換。ADS8364 轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，2812 檢測(cè)到該中斷后，通過中斷服務(wù)程序讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

1.1.2 開關(guān)量輸入輸出電路

根據(jù)研制要求裝置設(shè)計(jì)了16 路開入量,分別用于開關(guān)位置和狀態(tài)切換等。開入量經(jīng)過限流、去抖等處理后加到光電隔離上，然后再經(jīng)過CPLD 控制送至F2812，由F2812 以中斷方式來檢測(cè)開關(guān)變位情況。光電隔離采用東芝公司的TLP121,其隔離電壓為直流2500V，信號(hào)帶寬為10KHz。開出回路也為16 路,分別為斷路器各種方式的跳合閘和其它回路控制所用。開出信號(hào)由F2812 鎖存至輸出寄存器中，由CPLD 控制，經(jīng)過達(dá)林頓型光電隔離后輸出，用于驅(qū)動(dòng)外部繼電器。達(dá)林頓型光電隔離采用東芝公司的TLP127,其隔離電壓為直流2500V，信號(hào)帶寬為10KHz.需要特別指出的是，為了避免干擾引起的誤動(dòng)，對(duì)應(yīng)于跳閘出口繼電器，光電隔離的光敏三極管的集電極必須經(jīng)啟動(dòng)繼電器接點(diǎn)接正電源，形成對(duì)保護(hù)出口的閉鎖。只有當(dāng)起動(dòng)繼電器和跳閘命令同時(shí)動(dòng)作時(shí)，跳閘繼電器才出口。

1.1.3 CPLD 電路

CPLD 采用的是XILINIX 公司推出的復(fù)雜可編程邏輯芯片XC95108[5]。該芯片具有支持IEEE 1149.1標(biāo)準(zhǔn)的JTAG 引腳，支持ISP 方式下載程序。能反復(fù)擦寫內(nèi)部邏輯，可以在外部I/O 引腳和接線不變的情況下實(shí)現(xiàn)CPLD 內(nèi)部邏輯的改變。CPLD 在裝置硬件設(shè)計(jì)中的作用主要是:地址譯碼、產(chǎn)生時(shí)延信號(hào)、擴(kuò)展I/O 口以及解決外設(shè)芯片和2812 之間的速度匹配問題。

其功能框圖如圖3 所示。

圖3 CPLD功能框圖

1.1.4 其它電路

為了給裝置提供時(shí)間基準(zhǔn)，采用帶I2C 接口的RTC 時(shí)鐘芯片M41T11M6 構(gòu)成實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路。為了調(diào)試方便和數(shù)據(jù)錄波的需要外擴(kuò)了256K字的SRAM芯片CY7C1041CV33 和FLASH芯片SST39VF400F。另外還設(shè)計(jì)有硬件測(cè)頻電路。

1.2 監(jiān)控CPU 模塊

監(jiān)控CPU 模塊主要完成與變電站級(jí)的通信、數(shù)據(jù)顯示、鍵盤按鍵處理、調(diào)試等。

1.2.1 通信電路

通信電路主要擔(dān)負(fù)著監(jiān)控CPU 與外部通信的功能。其與外部的通信方式主要是RS485/232 和以太網(wǎng)接口。RS485/232 通過2812 自帶的SCIA/B 實(shí)現(xiàn)。以太網(wǎng)接口電路采用低功耗的以太網(wǎng)控制器

CS8900A,RJ45 接口,與IEEE802.3 標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。CS8900A 被設(shè)置為16 位工作模式，和2812 之間的數(shù)據(jù)傳輸采用的是默認(rèn)的I/O 方式。其應(yīng)用電路如圖4 所示。

圖4 以太網(wǎng)控制器CS8900A應(yīng)用電路圖

1.2.2 液晶顯示電路

液晶顯示采用東芝公司的MGLS12864T 模塊，其內(nèi)置控制器為T6963C。2812 中的數(shù)據(jù)總線與控制

信號(hào)采用直接Ｉ/Ｏ設(shè)備訪問形式來控制T6963C，通過對(duì)T6963C進(jìn)行編程可實(shí)現(xiàn)各種漢字、圖形的顯示。

1.2.3 其它模塊

小鍵盤模塊共16 個(gè)鍵位，采用４×４的矩陣式方案，由2812 的I/O 口、八相反相緩沖器74LS240、鎖存器74LS273 以及一些上拉電阻組成。RS232 主要用作系統(tǒng)調(diào)試和維護(hù)的人機(jī)接口。JTAG 主要用作系統(tǒng)調(diào)試時(shí)進(jìn)行在線實(shí)時(shí)仿真。

2軟件設(shè)計(jì)

軟件程序運(yùn)行于硬件平臺(tái)之上，實(shí)現(xiàn)裝置的各種保護(hù)和監(jiān)控功能，是繼電保護(hù)裝置的靈魂。本裝置軟件設(shè)計(jì)主要由主程序和子程序組成。為了實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)、可靠的保護(hù)功能采用C 語言和匯編語言混合編程。

2.1 軟件流程

與硬件相應(yīng)，軟件也分為保護(hù)和監(jiān)控兩部分。在保護(hù)部分，裝置上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，具體包括各個(gè)芯片和寄存器的初始化，然后判斷工作方式，如遇調(diào)試則進(jìn)入調(diào)試程序，如為運(yùn)行方式則進(jìn)行硬件自檢，自檢通不過則報(bào)警。自檢后進(jìn)入數(shù)據(jù)采集模塊，精確計(jì)算電網(wǎng)的實(shí)時(shí)參數(shù)。通信模塊主要進(jìn)行雙CPU 通信，系統(tǒng)正常時(shí)則返回初始狀態(tài)，突變量啟動(dòng)元件檢測(cè)到故障后則進(jìn)入保護(hù)程序，如需出口則由驅(qū)動(dòng)模塊輸出開出信號(hào)或告警信號(hào)。監(jiān)控部分較簡(jiǎn)單不再贅述。兩部分的流程圖分別如圖5 和圖6。

圖5 保護(hù)流程圖

圖6 監(jiān)控流程圖

2.2 軟件算法

電力線路保護(hù)裝置在得到經(jīng)過模數(shù)變換后的電流、電壓、頻率等電氣量數(shù)據(jù)后，需要進(jìn)一步計(jì)算其幅值、相位、序分量等實(shí)時(shí)參數(shù)，將得到的實(shí)時(shí)值與在EEPROM內(nèi)存儲(chǔ)的保護(hù)整定值進(jìn)行比較，從而來判斷是否發(fā)生故障而進(jìn)行微機(jī)保護(hù)[6]。當(dāng)電力線路發(fā)生故障時(shí)，采集到的電流量除了基波和各次諧波外，還有很大的衰減直流分量。常用的傅立葉算法具有很強(qiáng)的濾除諧波能力，但它無法濾除衰減的直流分量。若不濾除直流分量而直接采用傅立葉算法，將會(huì)帶來很大的計(jì)算誤差，造成保護(hù)誤動(dòng)或拒動(dòng)。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)傅立葉算法進(jìn)行了大量的改進(jìn)[7~9]，本裝置采用了文獻(xiàn)[7]介紹的將半波傅式算法與Mann-Morrison算法相結(jié)合的快速算法。由于衰減直流分量對(duì)半波傅式算法濾波性能的影響主要表現(xiàn)在算法的虛部，而算法的實(shí)部能有效的抑制衰減直流分量的影響。因此只使用半波傅氏算法計(jì)算基波實(shí)部，而用Mann-Morrison 算法計(jì)算基波幅值。其原理如

下：

假定被采樣的信號(hào)具有如下形式：

則應(yīng)用半波傅式算法，所得的基波分量的實(shí)部可表示為：

式中k 為從故障開始時(shí)的采樣點(diǎn)序號(hào)，h 為諧波次數(shù)，N 為每周波采樣點(diǎn)數(shù)，

根據(jù)Mann-Morrison 算法，則

該算法的數(shù)據(jù)窗為半周波加一個(gè)采樣點(diǎn)，算法的程序和計(jì)算簡(jiǎn)單，能實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)快速動(dòng)作，而且經(jīng)仿真試驗(yàn)顯示其濾波效果大大優(yōu)于半波傅氏算法。

3 結(jié)語

基于DSP、CPLD 和以太網(wǎng)通信技術(shù)，該文研制了一套針對(duì)于中低壓線路的微機(jī)保護(hù)裝置。該裝置經(jīng)過相關(guān)測(cè)試后已經(jīng)投入現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，實(shí)際運(yùn)行表明該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，處理精度高，反應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，很好的實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的保護(hù)功能。而且在此基礎(chǔ)上經(jīng)過軟硬件平臺(tái)的升級(jí)，可以較方便的實(shí)現(xiàn)高壓線路保護(hù)的功能。