基于DSP的雙CPU微機繼電保護裝置的設計

吳劍斌

摘要:繼電保護裝置在電力系統中起著重要的作用,特別是隨著微型計算機及其應用技術的發展,信息共享以及網絡化模式的不斷擴展,微機型繼電保護裝置在電力系統的應用得以推廣。基于微機繼電保護中處理速度和保護算法的嚴格要求,文章提出了以DSP為核心處理器的雙CPU模式的微機繼電保護裝置的設計方案,設計了保護裝置的硬件結構,同時對于保護裝置的軟件設計思路和相關的編制方法作了詳盡的說明。

關鍵詞:繼電保護;DSP;硬件結構

中圖分類號:TM77 文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)20-0013-02

電力工業的迅速發展、電力系統的復雜化以及保護要求的提高,促進了微機繼電保護的迅速發展,尤其是高度智能化、數字化的微機保護裝置在電力系統的應用不斷擴大。微機繼電保護裝置除了擁有傳統的繼電保護裝置基本的測試功能外,還具有強大的數據處理能力和通信能力,其優越性在電力系統實際應用中得以體現。電力系統對于繼電保護的可靠性、選擇性、靈敏性和快速性都有很高的要求,而采用單CPU結構的繼電保護裝置,其缺點是容易造成任務之間的沖突并且會引入等待周期。在微機繼電保護方面,數字信號處理器(Digital Signal Processor,即DSP)由于其突出的處理能力而受到青睞。此外DSP還具有內存大、兼容性好等特點。隨著性能的提高和價格的下降,DSP在自動控制、信息處理、通信以及儀器儀表等領域中得到廣泛應用。文章以DSP為核心,提出了采用雙CPU模塊化設計的微機型繼電保護裝置。設計方案中使用型號為TMS320C6203B的DSP芯片,它是TMS320C6000系列DSP芯片的一種,片內程序存儲器不僅在容量上進行了擴展,而去片內程序RAM分為2個存儲塊。此外該芯片還具有處理性能更好、外設集成度更高、A/D轉換速度更快等優點,在控制方面得到廣泛應用。

1裝置硬件結構設計

1.1保護CPU與監控CPU

保護裝置硬件部分以保護CPU和監控CPU為核心模塊,來完成相關的功能。DSP是一種具有特殊結構的微處理器。與單片機比,哈佛結構、流水線操作、獨有的硬件乘法累加操作、特殊的指令和特殊尋址模式、零消耗循環控制以執行時間的可預測性是DSP突出的特點。此外,DSP片內有多總線,片外的地址、數據總線分開,高速的同步串口或通信口等優點,因此數據輸入/輸出能力很強,吞吐量大,在進行數字信號處理時不僅速度快,精度也高。

保護CPU的主要任務包括:①控制A/D采樣系統及開關量輸入;②對采集的數據進行數字濾波,并對濾波后的數據進行各種保護算法操作;③與監控CPU進行通信,完成處理結果的傳送。

監控CPU在執行動作則承擔整個系統的控制、通信、存貯的功能,借助操作系統處理各種復雜任務,管理各種外設,監控整個系統的運行狀況,為整個微機保護裝置提供高效率的處理平臺。硬件基本模塊如圖1所示。

1.2雙CPU之間的通信

裝置中保護CPU與監控CPU之間的通信是主要解決的問題。在本裝置中采用的是利用高性能雙口RAM來構成高速數據傳送接口的方案。雙口RAM 是一個共享式多端口存儲器,具有兩套完全獨立的數據線、地址線和讀寫控制線,并允許兩個獨立的系統同時對該存儲器進行隨機性的訪問。保護CPU與監控CPU雙方之間按照一定的通信協議,同時通過雙口RAM完成數據的讀取或存儲,對數據進行分析后完成彼此命令的交互并執行相應保護處理子程序。保護裝置中的雙口RAM采用美國IDT公司開發研制的IDT70V24來構成。IDT70V24是3.3V高速4K×16bits的雙口靜態RAM,最快存取時間可達15ns,可與大多數高速處理器配合使用,在讀、存數據時不用插入等待狀態。雙CPU通信電路如圖2所示。

1.3其他模塊的設計

除了核心控制模塊外,裝置中還必須帶有模擬量采集模塊、開關輸入輸出模塊、通信及總線模塊以及人機接口模塊。模擬量采集模塊的組成部分為濾波電路、采樣保持電路、A/D轉換模塊、過零檢測等單元回路組成。對于分布式的變電站自動化系統,聯系各智能裝置的計算機通信網絡是整個系統的關鍵。因此,除了一般的保護硬件模塊以外,本裝置還設計了RS232和RS485以及CAN通信接口。這些通信接口的引入,可以滿足新的通信技術和網絡技術在電力系統及微機保護應用中的要求,便于實行變電站綜合自動化管理。其中RS232接口和上位機相連,主要用于調試和下載程序,而RS485接口可用作GPS對時接口和聯網通信接口。DSP與RS485的通信接口電路如圖3所示。

2相關軟件設計

2.1程序結構

整個保護程序包括主程序和定時中斷程序兩部分。主程序完成整個保護裝置的基本功能,包括保護裝置的初始化、自檢、數值處理、故障判斷、出口動作等模塊;中斷服務子程序包括定時采樣A/D轉換、電氣量計算、相關數據記錄、鍵盤中斷及串行通信中斷等模塊。主程序和中斷程序結構如圖4圖5所示。

2.2開發環境

由于裝置采用雙CPU結構,根據兩塊CPU各自完成的功能,可將軟件設計成兩大部分,分別用來完成保護CPU的保護工作和監控CPU的監控與通信工作。為了方便程序的維護,及其在硬件平臺的相互移植,因此本裝置中對保護CPU的程序采用匯編語言編寫,而監控CPU的相關程序則使用C語言編寫。

TMS320C6203B系列DSP的開發環境與一般微處理器的開發環境類似,其特點是包括C優化編譯器、編程接口界面友好、具有產生代碼能力的C/匯編語言源調試器、軟件仿真器、實時硬件仿真器、擁有實時操作系統以及大量的應用軟件。整個DSP程序可以選擇在CCS2.0(即Code Composer Studio(代碼調試器)2.0)集成環境下設計。CCS2.0提供了強大的仿真功能,可支持多種控制模式,同時支持匯編和C語言的調試。

3結 語

在電力系統中,微機繼電保護的設計逐漸順應著計算機化、網絡化,集保護、控制、測量、數據通訊與一體和人工智能化的發展趨勢。本保護裝置軟硬件均采用模塊化設計,結構清晰,并且具有靈活的通信功能,可直接與PC機進行RS232串行通信。可以看出采用DSP的雙CPU模式的微機繼電保護裝置,能充分利用DSP高速處理數據的能力,同時也能突顯出處理外部中斷及對外設部件的控制能力。裝置配置了高速RS485總線和CAN現場總線,在規定一定的通信協議后,便于實行變電站綜合自動化管理。

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