MPS430在雙CPU微機電力保護裝置中的應用

廖延初

（福建師范大學福清分校 電子與信息工程系，福建 福清 350300）

MPS430在雙CPU微機電力保護裝置中的應用

廖延初

（福建師范大學福清分校 電子與信息工程系，福建 福清 350300）

為實現(xiàn)電力線路的微機保護功能，介紹了一種基于MPS430的雙處理器的微機保護裝置，它可以采集配電網(wǎng)的電流、電壓以及開關(guān)的狀態(tài),并根據(jù)所采集的電壓、電流對配電網(wǎng)實現(xiàn)保護功能,并實現(xiàn)與測量模塊、人機界面模塊的通信.從硬件和軟件兩方面詳細說明該裝置的結(jié)構(gòu)和功能，該裝置實現(xiàn)對三相電機低壓三相負荷的保護、遙測、遙信、遙測功能.

微機保護；雙CPU；數(shù)據(jù)通信

電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼電保護技術(shù)的發(fā)展不斷地注入了新的活力.微機繼電保護的出現(xiàn)，使原有繼電保護裝置的工作性能有了明顯的改善，大大提高了電力系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性.隨著微機保護裝置的研究，在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果.電力系統(tǒng)對微機保護的要求不斷提高,除了保護的基本功能外,還應具有大容量故障信息和數(shù)據(jù)的長期存放空間,快速的數(shù)據(jù)處理功能,強大的通信能力,與其他保護、控制裝置和調(diào)度聯(lián)網(wǎng),以共享全系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息和網(wǎng)絡資源的能力、高級語言編程等.每個微機保護裝置不但可完成繼電保護功能,而且在無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能,亦即實現(xiàn)保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化.

本文以MSP430F149微處理器為基礎(chǔ),通過采集配電網(wǎng)的電流、電壓以及開關(guān)的狀態(tài);對配電網(wǎng)實現(xiàn)保護,其內(nèi)容包括電流速斷保護、三段式過流保護、反時限保護、零序保護和帶后加速的三相一次重合閘,并且利用口總線實現(xiàn)與測量模塊、人機界面模塊的通信.

1 硬件框架與模塊設(shè)計部分

1.1 概述

微機保護裝置是電力線路保護系統(tǒng)的最重要的一環(huán)，對系統(tǒng)性能起著決定性的作用.保護系統(tǒng)通過微機保護裝置實現(xiàn)對現(xiàn)場電氣量采集和電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)，即遙測、遙信、遙控和遙調(diào).當發(fā)生事故時，可報警并迅速采取對應措施，從而保證整個系統(tǒng)的正常運行與安全.根據(jù)系統(tǒng)和現(xiàn)場需要，微機保護裝置主要需要實現(xiàn)的功能如下：①數(shù)據(jù)采集與處理功能.②輸入輸出功能.③通信功能.④報警保護功能.

根據(jù)微機保護裝置的主要功能，該裝置應該包括CPU部分模塊、模擬量采集部分、開關(guān)量輸入部分、繼電器輸出部分、通信部分、電源部分等及其外圍電路.具體的硬件框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

1.2 保護裝置的工作過程

三相電壓、電流通過模擬量采集模塊，將電氣設(shè)備的各通道電量轉(zhuǎn)換為對應的電壓值，一并送入AD采樣模塊電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由保護CPU讀入各通道的采樣結(jié)果，通過DFT運算得出電壓電流的有效值和相位；保護CPU根據(jù)運算的結(jié)果進行判斷，若判斷有故障執(zhí)行跳閘或發(fā)出信號，并記錄時間信息（發(fā)生時間、事故性質(zhì)、故障量），以實現(xiàn)對電氣設(shè)備的保護；同時保護CPU把所有的狀態(tài)量通過FRAM通信模塊傳遞到通信CPU中；根據(jù)報警保護狀態(tài)，進行對應的保護報警LED指示；通信CPU通過RS232、RS485或CAN通信接口和上位監(jiān)控機通信，及時的把裝置各測控信息量傳遞到上位監(jiān)控機，上位監(jiān)控機也可以通過通信接口對裝置設(shè)置和整定裝置的定值參數(shù).

圖1 微機保護裝置結(jié)構(gòu)模塊圖

電源模塊把220V的交流電源通過HAS-5轉(zhuǎn)換成直流5V電壓，再通過TPS76333產(chǎn)生一個3.3V電壓供CPU使用.在模擬量采集模塊中，三相電壓和電流分別通過電壓、電流互感器，將這些電氣量轉(zhuǎn)換成對應的低電壓（-1.25V～1.25V），在通過一個1.25V的穩(wěn)壓源把所有電壓抬高成正電壓，送入MSP430的AD采樣通道進行模數(shù)轉(zhuǎn)換.

為了提高系統(tǒng)的運行速度，減輕單個CPU運行負荷，提高裝置的精確度，裝置都采用雙CPU結(jié)構(gòu)，一片CPU完成模擬量采集并處理、開關(guān)量輸入輸出、保護報警功能.另一片CPU完成通信功能和保護報警LED燈指示功能.兩個CPU通過FRAM存儲器實現(xiàn)CPU間的信息共享.在保護CPU模塊中，MSP430把采樣通道的采樣結(jié)果通過DFT運算，得出三相電壓、電流的有效值和相位.根據(jù)運算結(jié)果判斷是否處于故障狀態(tài)，如果是，則發(fā)出信號并通過繼電器輸出模塊，執(zhí)行對應繼電器的跳閘操作.同時從時鐘模塊中讀出當前時間，產(chǎn)生故障記錄SOE.MSP430還通過開關(guān)量輸入模塊讀取各開關(guān)量的狀態(tài).通信CPU模塊通過讀取存儲器FM24CL64來獲得保護CPU中的各測控信息量，從而實現(xiàn)保護報警狀態(tài)的LED指示，并把保護CPU中的測控信息量通過通信接口傳遞到上位監(jiān)控主機,RS485/CAN通信模塊實現(xiàn)RS485/CAN通信.

2 微機保護裝置的軟件框架設(shè)計

保護裝置所有功能的實現(xiàn)和可靠運行，還依靠于完善的軟件設(shè)計，軟件是完成系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，是智能保護的靈魂，只有在軟件系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮下，保護裝置才能夠完成一系列的保護工作.

2.1 軟件設(shè)計模塊結(jié)構(gòu)

軟件設(shè)計方法是指導軟件設(shè)計的某種規(guī)則和準則，結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計是最常用的程序設(shè)計方法，它采用自頂向下逐步求精的設(shè)計方法和單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)，將一個復雜的系統(tǒng)按功能劃分為幾個獨立的模塊，模塊劃分遵循“功能獨立”原則，每個模塊功能分配明確，有利于軟件的調(diào)試、修改和維護.保護裝置就是采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)模塊圖1系統(tǒng)軟件主要分成如下幾個模塊：保護CPU主程序模塊、AD采樣模塊、DFT運算模塊、保護邏輯判斷模塊、輸入輸出模塊、定時器模塊、時鐘模塊、FRAM模塊、通信CPU主程序模塊、通信模塊和LED燈指示模塊.

2.2 雙CPU模塊工作

（1）保護CPU.主要承擔裝置的保護任務，系統(tǒng)一上電，首先進行系統(tǒng)初始化工作，在初始化過程中，系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)時鐘模塊初始化、MSP430的各個端口的初始化、定時器的初始化、AD采樣初始化并啟動AD采樣，時鐘芯片PCF8563的初始化和、FRAM存儲器的初始化和讀取FRAM中的定值，并設(shè)置相應的中斷允許寄存器.其主程序流程圖如圖2所示.

圖2 保護CPU的主程序流程圖

系統(tǒng)就進入了主程序循環(huán)，首先判斷定值的有效性，主要包括對保護定值、測量參數(shù)和校正系數(shù)的判斷，這個判斷依據(jù)是CRC校驗.如果定值無效，則設(shè)置定值錯誤報警，在通信CPU中實現(xiàn)所有燈閃爍的定值錯誤報警.只有定值有效，才進行DFT運算，根據(jù)AD采樣的結(jié)果，算出電壓電流的有效值和相位.接下來進行的是將計算得到的被采集電量的有效值按照標準公式進行計算和判斷，得出本控制保護單元外接的電機的運行狀態(tài)，并將此結(jié)果暫時記入各個軟繼電器中.若有暫時故障狀態(tài)，則啟動相應的定時器，開始故障計時.然后根據(jù)保護控制字的投入，在保護報警輸出模塊中，進行繼電器輸出.接著主程序循環(huán)判斷開關(guān)量的輸入狀態(tài)和根據(jù)上位機的遙控操作進行遠動操作.最后主程序循環(huán)進行FRAM操作，實現(xiàn)和通信CPU的數(shù)據(jù)交流，把保護CPU中的測控信息量的變化告訴通信CPU，同時從通信CPU中獲知上位機發(fā)送下來的更改定值命令或遙控命令，并根據(jù)這些命令執(zhí)行對應的操作.

（2）通信CPU.主要擔任裝置的通信任務，包括RS485/CAN通信、RS232通信和保護報警LED燈指示，其主程序流程圖如圖3所示.系統(tǒng)上電后，通信CPU進行初始化.初始化完成后進入主程序循環(huán)，在主循環(huán)中，首先是進行每0.1s一次的FRAM操作，實現(xiàn)和保護CPU的數(shù)據(jù)交流，獲得保護CPU中得到的遙測值和校正電量，進行平均值濾波和計算功率電度.然后通過通信接口，把所有的現(xiàn)場測控信息量傳到上位監(jiān)控機，上位監(jiān)控機按照需要也向裝置發(fā)送更改定值命令或遙控命令.通信CPU把上位機的的命令保存到FRAM中.

圖3 通信CPU的主程序流程圖

3 結(jié)論

在總結(jié)前人對電力保護保置研究工作的基礎(chǔ)上,對電力保護裝置的應用做了深入探討,設(shè)計了一種具有多功能的雙處理機的電力保護裝置,并可靠地應用在配電網(wǎng)中.但設(shè)計中,由于本人的水平有限,論文還需進一步研究和改進.

〔1〕商立群,白維祖,程剛.基于 ARMS3C4510B 的微機保護裝置的設(shè)計[J].工礦自動化,2008（2）:116-118.

〔2〕余良國,梁錦華.基于DSP控制的新型微機保護方案[J].水利電力械,2007（12）:94-96.

〔3〕沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004.

〔4〕胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設(shè)計與開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2002.

〔5〕陳明,包鑫,朱墨子.MSP430在電力系統(tǒng)微機保護模塊中的應用.現(xiàn)代電子技術(shù),2009（10）.

TM76;TP368.1

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1673-260X（2011）10-0134-02