基于TMS320F2812的中低壓線(xiàn)路保護裝置的研制

0 引言

隨著(zhù)電力系統的迅速發(fā)展，我國電網(wǎng)規模越來(lái)越大，結構也日趨復雜，對于線(xiàn)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(xiàn)的通信方案已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足系統的需要。數字信號處理（DSP）技術(shù)、復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，為電力系統微機保護技術(shù)的進(jìn)步提供了有利的條件?；谶@種發(fā)展趨勢，文中開(kāi)發(fā)研制了一種基于TMS320F2812 的針對于中低壓線(xiàn)路的微機保護裝置。

1 硬件設計

裝置硬件按功能實(shí)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(guò)CAN 口實(shí)現信息共享。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)、程序存儲器大（128k 字的FLASH）、片內外設豐富、事件管理能力強、具有在線(xiàn)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(shí)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(wǎng)實(shí)際的高電壓、大電流信號經(jīng)過(guò)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(guò)信號調理電路才能變?yōu)锳/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(dòng)

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

1.1.2 開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路

根據研制要求裝置設計了16 路開(kāi)入量,分別用于開(kāi)關(guān)位置和狀態(tài)切換等。開(kāi)入量經(jīng)過(guò)限流、去抖等處理后加到光電隔離上，然后再經(jīng)過(guò)CPLD 控制送至F2812，由F2812 以中斷方式來(lái)檢測開(kāi)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，信號帶寬為10KHz。開(kāi)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(kāi)出信號由F2812 鎖存至輸出寄存器中，由CPLD 控制，經(jīng)過(guò)達林頓型光電隔離后輸出，用于驅動(dòng)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(dòng)，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(jīng)啟動(dòng)繼電器接點(diǎn)接正電源，形成對保護出口的閉鎖。只有當起動(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(xiě)內部邏輯，可以在外部I/O 引腳和接線(xiàn)不變的情況下實(shí)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(chǎn)生時(shí)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(wèn)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，采用帶I2C 接口的RTC 時(shí)鐘芯片M41T11M6 構成實(shí)時(shí)時(shí)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(pán)按鍵處理、調試等。

1.2.1 通信電路

通信電路主要擔負著(zhù)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(wǎng)接口。RS485/232 通過(guò)2812 自帶的SCIA/B 實(shí)現。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(wǎng)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T(mén)6963C。2812 中的數據總線(xiàn)與控制

信號采用直接Ｉ/Ｏ設備訪(fǎng)問(wèn)形式來(lái)控制T6963C，通過(guò)對T6963C進(jìn)行編程可實(shí)現各種漢字、圖形的顯示。

1.2.3 其它模塊

小鍵盤(pán)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 主要用作系統調試和維護的人機接口。JTAG 主要用作系統調試時(shí)進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。

2軟件設計

軟件程序運行于硬件平臺之上，實(shí)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(shí)現快速、實(shí)時(shí)、可靠的保護功能采用C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)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(jìn)行系統初始化，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，如遇調試則進(jìn)入調試程序，如為運行方式則進(jìn)行硬件自檢，自檢通不過(guò)則報警。自檢后進(jìn)入數據采集模塊，精確計算電網(wǎng)的實(shí)時(shí)參數。通信模塊主要進(jìn)行雙CPU 通信，系統正常時(shí)則返回初始狀態(tài)，突變量啟動(dòng)元件檢測到故障后則進(jìn)入保護程序，如需出口則由驅動(dòng)模塊輸出開(kāi)出信號或告警信號。監控部分較簡(jiǎn)單不再贅述。兩部分的流程圖分別如圖5 和圖6。

圖5 保護流程圖

圖6 監控流程圖

2.2 軟件算法

電力線(xiàn)路保護裝置在得到經(jīng)過(guò)模數變換后的電流、電壓、頻率等電氣量數據后，需要進(jìn)一步計算其幅值、相位、序分量等實(shí)時(shí)參數，將得到的實(shí)時(shí)值與在EEPROM內存儲的保護整定值進(jìn)行比較，從而來(lái)判斷是否發(fā)生故障而進(jìn)行微機保護[6]。當電力線(xiàn)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的濾除諧波能力，但它無(wú)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(lái)很大的計算誤差，造成保護誤動(dòng)或拒動(dòng)。為此，國內外學(xué)者對傅立葉算法進(jìn)行了大量的改進(jìn)[7~9]，本裝置采用了文獻[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(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算基波實(shí)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(shí)部可表示為：

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

根據Mann-Morrison 算法，則

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

3 結語(yǔ)

基于DSP、CPLD 和以太網(wǎng)通信技術(shù)，該文研制了一套針對于中低壓線(xiàn)路的微機保護裝置。該裝置經(jīng)過(guò)相關(guān)測試后已經(jīng)投入現場(chǎng)運行，實(shí)際運行表明該裝置結構簡(jiǎn)單，處理精度高，反應速度快，抗干擾能力強，很好的實(shí)現了設計的保護功能。而且在此基礎上經(jīng)過(guò)軟硬件平臺的升級，可以較方便的實(shí)現高壓線(xiàn)路保護的功能。