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隨著電力系統的迅速發展，我國電網規模越來越大，結構也日趨復雜，對于線路保護裝置的性能提出了更高的要求[1~2]。傳統的基于單片機的微處理器結構和基于RS485、CAN 總線的通信方案已經無法滿足系統的需要。數字信號處理（DSP）技術、復雜可編程序邏輯器件CPLD 技術和以太網通信技術的迅猛發展，為電力系統微機保護技術的進步提供了有利的條件。基于這種發展趨勢，文中開發研制了一種基于TMS320F2812 的針對于中低壓線路的微機保護裝置。 1 硬件設計 裝置硬件按功能實現模塊化設計，核心CPU 模塊采用保護DSP+監控DSP 的雙CPU 結構，它們之間通過CAN 口實現信息共享。DSP 采用的是TI 公司的32 位高性能定點處理器芯片TMS320F2812,該 芯片處理能力好(150MIPS)、程序存儲器大（128k 字的FLASH）、片內外設豐富、事件管理能力強、具有在線仿真功能，使得接口、模塊化設計以及調試都很方便[3~4]。 硬件系統原理如圖１所示。 圖1 硬件系統結構框圖 1.1 保護CPU 模塊 保護CPU 模塊主要完成數據的采集、處理、算法的實現、邏輯判斷輸出以及與監控的內部通信等。 1.1.1模擬量數據采集電路 模擬量數據采集電路主要完成電壓、電流等模擬量的采集、信號調理和A/D 轉換工作。電網實際的高電壓、大電流信號經過一次PT、CT 和數據采集板上二次小PT、CT 兩次變換后，還需要通過信號調理電路才能變為A/D 轉換器可以接受的電壓范圍。信號調理電路如圖2 所示。 圖2 模擬量信號調理電路 模數轉換器采用的是TI 公司的16 位、6 通道同步采樣A/D 轉換器ADS8364。ADS8364 的三組啟動 轉換端holdA、holdB 、holdC 由2812 的同一I/O口經過CPLD 控制，每隔T/N （T 為測得模擬信號周期，N 為周期采樣點數）時間，啟動A/D 轉換。ADS8364 轉換結束時會產生一個中斷信號，2812 檢測到該中斷后，通過中斷服務程序讀取轉換結果。 1.1.2 開關量輸入輸出電路 根據研制要求裝置設計了16 路開入量,分別用于開關位置和狀態切換等。開入量經過限流、去抖等處理后加到光電隔離上，然后再經過CPLD 控制送至F2812，由F2812 以中斷方式來檢測開關變位情況。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。開出信號由F2812 鎖存至輸出寄存器中，由CPLD 控制，經過達林頓型光電隔離后輸出，用于驅動外部繼電器。達林頓型光電隔離采用東芝公司的TLP127,其隔離電壓為直流2500V，信號帶寬為10KHz.需要特別指出的是，為了避免干擾引起的誤動，對應于跳閘出口繼電器，光電隔離的光敏三極管的集電極必須經啟動繼電器接點接正電源，形成對保護出口的閉鎖。只有當起動繼電器和跳閘命令同時動作時，跳閘繼電 器才出口。 1.1.3 CPLD 電路 CPLD 采用的是XILINIX 公司推出的復雜可編程邏輯芯片XC95108[5]。該芯片具有支持IEEE 1149.1標準的JTAG 引腳，支持ISP 方式下載程序。能反復擦寫內部邏輯，可以在外部I/O 引腳和接線不變的情況下實現CPLD 內部邏輯的改變。CPLD 在裝置硬件設計中的作用主要是:地址譯碼、產生時延信號、擴展I/O 口以及解決外設芯片和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 為了給裝置提供時間基準，采用帶I2C 接口的RTC 時鐘芯片M41T11M6 構成實時時鐘電路。為了調試方便和數據錄波的需要外擴了256K字的SRAM芯片CY7C1041CV33 和FLASH芯片SST39VF400F。另外還設計有硬件測頻電路。 1.2 監控CPU 模塊 監控CPU 模塊主要完成與變電站級的通信、數據顯示、鍵盤按鍵處理、調試等。 1.2.1 通信電路 通信電路主要擔負著監控CPU 與外部通信的功能。其與外部的通信方式主要是RS485/232 和以太網接口。RS485/232 通過2812 自帶的SCIA/B 實現。以太網接口電路采用低功耗的以太網控制器 CS8900A,RJ45 接口,與IEEE802.3 標準完全兼容。CS8900A 被設置為16 位工作模式，和2812 之間的數據傳輸采用的是默認的I/O 方式。其應用電路如圖4 所示。 圖4 以太網控制器CS8900A應用電路圖 1.2.2 液晶顯示電路 液晶顯示采用東芝公司的MGLS12864T 模塊，其內置控制器為T6963C。2812 中的數據總線與控制 信號采用直接Ｉ/Ｏ設備訪問形式來控制T6963C，通過對T6963C進行編程可實現各種漢字、圖形的顯示。 1.2.3 其它模塊 小鍵盤模塊共16 個鍵位，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 主要用作系統調試和維護的人機接口。JTAG 主要用作系統調試時進行在線實時仿真。 2軟件設計 軟件程序運行于硬件平臺之上，實現裝置的各種保護和監控功能，是繼電保護裝置的靈魂。本裝置軟件設計主要由主程序和子程序組成。為了實現快速、實時、可靠的保護功能采用C 語言和匯編語言混合編程。 2.1 軟件流程 與硬件相應，軟件也分為保護和監控兩部分。在保護部分，裝置上電后，首先進行系統初始化，具體包括各個芯片和寄存器的初始化，然后判斷工作方式，如遇調試則進入調試程序，如為運行方式則進行硬件自檢，自檢通不過則報警。自檢后進入數據采集模塊，精確計算電網的實時參數。通信模塊主要進行雙CPU 通信，系統正常時則返回初始狀態，突變量啟動元件檢測到故障后則進入保護程序，如需出口則由驅動模塊輸出開出信號或告警信號。監控部分較簡單不再贅述。兩部分的流程圖分別如圖5 和圖6。 圖5 保護流程圖 圖6 監控流程圖 2.2 軟件算法 電力線路保護裝置在得到經過模數變換后的電流、電壓、頻率等電氣量數據后，需要進一步計算其幅值、相位、序分量等實時參數，將得到的實時值與在EEPROM內存儲的保護整定值進行比較，從而來判斷是否發生故障而進行微機保護[6]。當電力線路發生故障時，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，將會帶來很大的計算誤差，造成保護誤動或拒動。為此，國內外學者對傅立葉算法進行了大量的改進[7~9]，本裝置采用了文獻[7]介紹的將半波傅式算法與Mann-Morrison算法相結合的快速算法。由于衰減直流分量對半波傅式算法濾波性能的影響主要表現在算法的虛部，而算法的實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算基波實部，而用Mann-Morrison 算法計算基波幅值。其原理如 下： 假定被采樣的信號具有如下形式： 則應用半波傅式算法，所得的基波分量的實部可表示為： 式中k 為從故障開始時的采樣點序號，h 為諧波次數，N 為每周波采樣點數， 根據Mann-Morrison 算法，則 該算法的數據窗為半周波加一個采樣點，算法的程序和計算簡單，能實現繼電保護快速動作，而且經仿真試驗顯示其濾波效果大大優于半波傅氏算法。 3 結語 基于DSP、CPLD 和以太網通信技術，該文研制了一套針對于中低壓線路的微機保護裝置。該裝置經過相關測試后已經投入現場運行，實際運行表明該裝置結構簡單，處理精度高，反應速度快，抗干擾能力強，很好的實現了設計的保護功能。而且在此基礎上經過軟硬件平臺的升級，可以較方便的實現高壓線路保護的功能。 |
