基于DSP的微機型變壓器后備保護裝置

常強貴，張崇巍

(合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥 230009)

電力變壓器是電力系統中不可缺少的重要環節，在其正常運行中，可能會出現各種故障和不正常運行狀態。為了保證變壓器的正常而穩定地工作，必須為其配備完備可靠的繼電保護措施[1]。目前電力變壓器的繼電保護普遍采用以微處理器控制技術為核心的微機型變壓器繼電保護裝置，從最初的8 bit單片機、16 bit單片機、多CPU結構，再到32 bit DSP處理器構成的微機電力變壓器保護裝置，變壓器繼電保護水平已經取得了長足的進步[2]。但是，由于新型變壓器的出現及微機保護的要求和算法的不斷加強，對于微機型變壓器保護裝置的核心(即微處理器)的性能要求也越來越高。本文對采用一種基于DSP的微機型變壓器后備保護裝置進行了研究。

1 硬件結構

本保護裝置是為35 kV及以下的配電變壓器提供后備保護，安裝在35 kV及以下電壓等級的降壓變壓器的電源側。該裝置的核心微處理器采用32 bit DSP芯片TMS320F2812，其他主要電路包括：復雜可編程邏輯器件CPLD、數據量采集電路、外部擴展RAM、異步串口、CAN接口、開關量輸入/輸出接口電路、以太網接口電路、鍵盤及液晶顯示等。其硬件結構系統圖如圖1所示。

圖1 硬件結構系統圖

1.1 DSP芯片

裝置的核心微處理器采用德州儀器公司推出的TMS320F2812 DSP芯片。DSP芯片工作頻率達到150 MHz，為32 bit定點高性能數字信號處理器，采用經典的哈佛總線結構和指令流水線技術，保證信號處理的快速性和實時性；其內部存儲器包括：18 K×16 bit的 RAM和 118 K×16 bit的 Flash，芯片內部集成的外圍模塊也非常豐富，包括 16通道 12 bit的模數轉換模塊(ADC)、16通道的PWM輸出，多達56個獨立的、可編程的通用輸入輸出口；同時還集成有完全符合RS232標準的雙通道串行接口、CAN總線模塊和串行外圍設備接口，大大減輕了設計的難度和節省了電路板的面積，提高了DSP系統的可靠性和穩定性。該DSP開發既可以采用C28x匯編，也可使用ANSI C/C++語言。此外，TI公司還提供有虛擬浮點數學函數庫 (3G數學函數庫)、快速傅里葉變換(FFT)算法函數庫、濾波器庫等，這些函數庫的應用大大方便和簡化了系統的開發[3]。

1.2 復雜可編程邏輯器件CPLD

CPLD選用ISPMAC4128[4]芯片，其功能主要有：配置開關量輸入與輸出的接口、以太網與DSP的接口以及液晶顯示和鍵盤輸入與DSP之間的接口等。CPLD與DSP之間，通過數據線來傳遞數據和地址信息，地址線負責完成邏輯譯碼、控制整個外圍電路的工作，控制線則負責DSP與CPLD之間的同步。

1.3 數據采集電路

數據采集電路負責將系統所需的各模擬量信號 (電壓、電流、頻率、相位等)經測量后，轉換為與裝置系統相匹配的電平，通過低通模擬濾波電路，再通過A/D轉換為數字量后進行處理。由于TMS320F2812芯片自帶有16通道的12 bit A/D轉換ADC，因此可以同時采樣16路模擬量。此ADC包含2路采樣保持器和一個轉換單元，可以實現雙通道的同步采樣，而且12 bit的采樣精度也能滿足裝置作為配電變壓器后備保護的精度要求，故不再增設專門的A/D轉換電路。

1.4 存儲器的擴展

雖然 TMS320F2812芯片提供了 18 K×16 bit的隨機存儲器RAM和 128 K×16 bit的Flash，但在微機變壓器繼電保護裝置中，由于系統的全部算法實現程序要寫入Flash，并且在裝置投入運行后，還需要足夠的存儲空間用來存儲大量的數據和報告，需要較大的存儲空間以保證系統的可靠運行。因此，對存儲器進行外部的擴展是非常必要的。而TMS320F2812提供了外部存儲器的擴展接口XNTF，且尋址空間可達1 MB，非常方便進行系統的擴展。

1.5 開關量輸入/輸出模塊

微機型變壓器保護裝置中，除了大量的模擬量輸入外，還有大量的開關量輸入和輸出(如觸電狀態或邏輯電平的高低等)，這就需要開關量輸入/輸出電路，將與微機型變壓器后備保護相關的外設的開關量的狀態通過開關量輸入回路送給DSP，而DSP則將相關的開關量指令輸出到開關量輸出回路。同時，為了避免外來干擾對裝置穩定性的影響，在開關量輸入/輸出電路前均要增加光電耦合電路，使任何開關量在進入DSP之前都要通過光電耦合電路進行光電隔離。

1.6 開放性的通信設計

隨著電力系統自動化技術的發展，傳統的通信方式已不能完全滿足微機保護裝置的通信需求。為增加裝置對于通信的兼容性，采用了以下設計：

(1)在TMS320F2812芯片內集成串行通信接口，使裝置保留有2個帶有RS485標準的硬件接口，通過芯片的GPIO的PB12、PB13來控制RS485的接收和發送，以完成上位機和下位機之間的數據傳遞。

(2)TMS320F2812芯片內集成了增強型CAN總線通信接口，該接口與CAN2.0標準接口完全兼容，且最高可達 1 Mb/s的速率[5]。

(3)TMS320F2812芯片內沒有集成以太網接口，為此，本裝置擴展了2個以太網接口供以太網通信用，使得裝置可以兼容于由以太網來構架的變電站綜合自動化系統的通信網絡[6]。

2 軟件算法

2.1 軟件流程

圖2 軟件流程圖

裝置上電后，首先進行系統初始化，包括微機系統及其接口芯片、數據采集系統、定時器等的初始化。初始化完成后，對系統硬件進行全面的自檢，即初始化自檢。自檢不通過，則裝置報警并閉鎖保護；自檢通過，則主程序進行運行方式判別。主程序根據運行方式判別的結果，分別執行調試方式和運行方式。若為運行方式，則進行數據采集初始化，并開放采樣中斷，進入主循環程序。主循環程序包括自檢循環程序和故障處理程序。若無故障，則進入自檢循環程序，主要進行故障報告文件處理及運行狀態自檢；若有故障，則進入故障處理程序，在故障處理程序完成全部故障處理任務且整組復歸時間到后，執行復歸操作，保護裝置返回到故障前的狀態，為下一次保護動作做好準備。若故障未處理完成或復歸時間未到，則回到故障處理程序繼續處理故障。

2.2 算法

考慮到在工程實際當中的運用，綜合比較各種算法，本裝置選用傅里葉算法作為裝置的電壓量、電流量算法。其中，半波傅里葉算法的速度較快，但從濾波效果來看，全波傅里葉算法不僅能完全濾除各次濾波分量和穩定的直流分量，而且能較好地濾除線路分布電容引起的高頻分量，對隨機干擾信號的反應也較小，而對于畸變波形中的基頻分量可平穩和精確地做出響應。此外，半波傅里葉算法的濾波效果不如全波算法，它不能濾去直流分量和偶次諧波。而且，從精度來看，由于半波傅里葉算法的數據窗只有半周，其精度低于全波傅里葉算法[7]。

因此，本裝置采用變動數據窗的方法來協調響應速度和精度的關系。其做法是：在啟動元件啟動之后，先調用半波傅里葉算法程序，為靈敏度要求低而安全裕度較大的保護提供數據，一個周波后，改用全波傅里葉算法，相應地提高了保護的靈敏性。這樣，在保證裝置的濾波性和精確性的前提下，運算速度也比單純采用全波算法要提高一倍[8]。

本文介紹的保護裝置中，由于采用了具有優良的數據處理能力和高度集成化的DSP芯片，能更好地滿足保護裝置對實時性、小型化的要求；而CPLD芯片的引入，則簡化了CPU外圍電路的設計，并極大地提高了硬件部分的抗干擾能力；開放性的通信設計和以太網通信技術的使用，大大增強了裝置的兼容性，為裝置提供了可靠的數據通信。

[1]賀家李，宋從矩.電力系統繼電保護原理(增訂版)[M].北京：中國電力出版社，2004.

[2]田國政，譚偉.微機保護裝置的發展 [J].電網技術，2006，30(10)：358-361.

[3]蘇奎峰，呂強，耿慶峰.TMS320F22812原理與開發[M].北京：電子工業出版社，2005.

[4]劉勇，劉曙光，柯善文，等.新一代微機保護裝置的設計與實現[J].繼電器，2007，35(12)：118-121.

[5]陶維青，劉寧，余淼，等.基于DSP與 CAN總線技術的饋線監控終端開發[J].合肥工業大學學報(自然科學版)，2008，31(7)：1016-1019.

[6]吳騫，胡紅兵，顧欣欣.基于 TMS320F812的微機保護平臺[J].電網技術，2007，31(12)：243-247.

[7]楊奇遜.微機型繼電保護基礎[M].北京：中國電力出版社，2002.

[8]姬春義.基于 DSP變壓器保護裝置的設計[D].合肥：合肥工業大學，2007.