雙核結(jié)構(gòu)在電力保護系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘 要:隨著微機保護的發(fā)展，一些新的保護原理和方案，受到了越來越多的關(guān)注，并逐步得到實際應(yīng)用。在此設(shè)計了一種基于DSP和單片機雙CPU結(jié)構(gòu)的微機保護測控系統(tǒng)，并用于電力保護裝置當(dāng)中。此雙CPU結(jié)構(gòu)具有并行工作、分工合作的優(yōu)點，既保證了繼電保護的速動性、選擇性、靈敏性和可靠性，又實現(xiàn)了實時測量的高精度。實驗證明，該系統(tǒng)運算速度快，易實現(xiàn)復(fù)雜保護原理，較好地提高了保護系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞:電力保護 DSP 單片機

中圖分類號:TM7文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)04(c)-0069-02

目前，國內(nèi)現(xiàn)場所使用的電力保護系統(tǒng)大部分采用單CPU結(jié)構(gòu)，來自電壓、電流互感器的信號經(jīng)過采樣保持、模/數(shù)轉(zhuǎn)換后，進入微處理器進行處理，而數(shù)據(jù)處理的整個過程都需要CPU的參與控制。在單CPU系統(tǒng)中，CPU除了提供采樣脈沖、觸發(fā)多路選通信號、啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換以外，還負責(zé)對數(shù)字信號進行數(shù)字濾波和實現(xiàn)保護算法。此外，為確保系統(tǒng)運行的可靠性而定期執(zhí)行的自檢程序，為方便運行人員的操作而設(shè)置的人機接口程序，也都由CPU執(zhí)行。可見，在單CPU系統(tǒng)中，全部的控制、監(jiān)測和運算都由CPU來完成，致使CPU只能串行地完成任務(wù)，這將造成兩方面的結(jié)果:一是保護的運行速度很大程度上取決于CPU的速度，CPU成為系統(tǒng)性能提高的瓶頸，對于要求高速采樣的應(yīng)用，系統(tǒng)顯得力不從心;二是選擇算法時必須放棄雖有較滿意的性能，但計算量大的方案。因此，采用多CPU型的微機保護硬件結(jié)構(gòu)是必然的。

高速數(shù)字信號處理芯片(DSP)技術(shù)的發(fā)展，為開發(fā)一種速度快、處理能力強的微機保護系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。今年來，人們已經(jīng)開始將DSP芯片用于某些電力系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)研究，并獲得了成功。因此，本文采用DSP和單片機構(gòu)成雙CPU結(jié)構(gòu)的電力保護系統(tǒng)。充分利用DSP強大的運算能力和單片機較強的控制能力，由DSP完成數(shù)據(jù)采集和各種保護算法的運算等，單片機主要負責(zé)各種參數(shù)的設(shè)置和液晶顯示。DSP和單片機之間通過雙口RAM進行數(shù)據(jù)通信，既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚俾剩志哂休^好的抗干擾性能。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 硬件設(shè)計

本保護系統(tǒng)采用運算速度快、擅長數(shù)字信號處理的DSP芯片TMS320LF2407作為主CPU控制模擬量的采集和計算、保護的判斷、開關(guān)量的輸入和輸出。由于系統(tǒng)實時性的要求很高，功能配置也較多，所以為了分擔(dān)主CPU的負擔(dān)，增加了一塊8051單片機作為從CPU負責(zé)人機對話，處理鍵盤掃描、LCD顯示、信號燈顯示及與上位機通信等實時性要求不高1的系統(tǒng)任務(wù)。此DSP (TMS320LF2407)十單片機(AT89C52)的雙CPU結(jié)構(gòu)，克服了傳統(tǒng)裝置計算速度慢、計算精度低和保護功能不完善的缺點，充分發(fā)揮了雙CPU結(jié)構(gòu)并行工作、分工合作的優(yōu)點以及DSP芯片運算速度快、擅長數(shù)字信號處理的優(yōu)點，既滿足繼電保護速動性、選擇性和可靠性的要求，同時又實現(xiàn)了實時測量的高精度。保護系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。

1.1.1數(shù)據(jù)采集與處理模塊

數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理模塊以DSP為核心，通過對ADC的控制實現(xiàn)模擬量轉(zhuǎn)換，然后完成預(yù)定的保護算法的運算，同時，在數(shù)據(jù)計算結(jié)果滿足的情況下，控制開關(guān)量的輸出，以實現(xiàn)對外部回路的實時控制。

除DSP主處理器外，A/D轉(zhuǎn)換芯片也是數(shù)據(jù)采集與處理模塊的核心。由于系統(tǒng)的模擬輸入量較多，而且其中的零序電流和零序電壓還必須同步采樣，所以采用了ADS8364芯片。它是16位的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，內(nèi)部集成6個獨立的帶采樣保持地ADC，提供6個獨立的差分輸入口，每兩個通道共用一個轉(zhuǎn)換觸發(fā)信號，三個轉(zhuǎn)換信號同時觸發(fā)可實現(xiàn)6通道同步采樣，最高采樣頻率為250KHz，ADS8364內(nèi)部集成6*16bit數(shù)據(jù)緩沖寄存器，通過向A0、A1、A2寫控制字可選擇直接尋址模式、循環(huán)讀數(shù)、FIFO三種方式讀取單次模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。我們采用控制邏輯最簡單的FIFO方式，即讓A0、A1、A2直接接高電平，同時，讓所有的轉(zhuǎn)換信號共用一個同步脈沖啟動信號，這樣6個通道同時工作，等所有通道都發(fā)出轉(zhuǎn)換完畢中斷低電平后，DSP可按邏輯分別從FIFO中讀取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，ADS8364芯片和DSP的電氣接線如圖2所示。

1.1.2 DSP與89C52數(shù)據(jù)通信

由于本系統(tǒng)采用了DSP與單片機雙CPU結(jié)構(gòu)，因此他們之間的數(shù)據(jù)交換接口成為影響整個系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力的重要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)采用了雙口RAM實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信，這種通信方式數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾屎芨撸铱垢蓴_性能較好。

雙端口RAM提供了兩個完全獨立的端口，每個端口具有自己的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線，兩側(cè)CPU都可以將雙口RAM看作自己的本地存儲器，獨立地讀寫雙口RAM的任一存儲單元。

使用雙口RAM時有一個問題需要特別注意，即當(dāng)兩側(cè)CPU同時對雙口RAM的同一個單元進行操作時，有可能出現(xiàn)爭用沖突。通常，解決爭用沖突的方案有四種:硬件仲裁方案、中斷方案、令牌傳遞方案和軟件仲裁方案。前三種方案必須有器件內(nèi)部相應(yīng)的硬件功能的支持，而軟件仲裁方案適用于任何雙口RAM器件。

在具體實現(xiàn)時，為了盡可能減少雙方讀寫沖突，將雙口RAM空間分為低地址區(qū)和高地址區(qū)兩部分，規(guī)定低地址區(qū)空間用于單片機寫入和DSP讀出，高地址區(qū)空間用于DSP寫入和單片機讀出。

1.1.3 DeviceNet通信接口

本文利用DSP內(nèi)部集成的CAN控制器，提供了DeviceNet通信接口。為提高通信通道的抗干擾能力和可靠性，CAN收發(fā)器和CAN控制器之間加有雙通道的高速光耦6N137，以實現(xiàn)裝置和DeviceNet總線之間的電氣隔離。CAN收發(fā)器選用Philips公司生產(chǎn)的具有多種保護的差動驅(qū)動器PCA82C250，并使其工作于高速工作方式。利用本系統(tǒng)的DeviceNet通信接口可與上位機組成網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)無人化管理。

1.2 軟件設(shè)計

整個系統(tǒng)需要完成保護、測量、通信、故障記憶、自診斷和人機交互等眾多功能，這就需要合理設(shè)計軟件，科學(xué)安排程序流程。系統(tǒng)所有軟件均采用C語言編寫，采用模塊化編程技術(shù)，整個程序具有結(jié)構(gòu)清晰、可移植性強和升級容易等特點。

DSP主程序流程如圖3(a)所示，主要完成初始化、保護器自檢、掃描斷路器狀態(tài)、電力參數(shù)計算、各種故障的判斷、處理以及與單片機通信進行數(shù)據(jù)交換等操作。其中，初始化部分主要完成裝置內(nèi)各個模塊的初始化(包括DSP本身初始化、ADC模塊初始化、捕獲單元初始化、SCI模塊初始化以及保護器系統(tǒng)參數(shù)、保護參數(shù)和故障記憶值的初始化)和將保護器的初始化數(shù)據(jù)(系統(tǒng)參數(shù)、保護參數(shù)及故障記憶值)經(jīng)雙口RAM通信發(fā)送給單片機等操作。三相電流、電壓值和零序電流、電壓值的采樣在DSP的定時中斷子程序中完成。有關(guān)DeviceNet通信的數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送都在DSP的通信接收、發(fā)送中斷子程序中完成。

單片機主程序流程如圖3(b)所示，主要完成液晶顯示和按鍵的識別與處理，采用全漢化液晶顯示，通過按鍵可以隨時查詢或設(shè)置保護器的系統(tǒng)參數(shù)、保護參數(shù)和時鐘參數(shù)等信息。

DSP經(jīng)雙口RAM通信發(fā)送給單片機的數(shù)據(jù)有:初始化數(shù)據(jù)、測量數(shù)據(jù)、故障信息(包括故障類型、故障發(fā)生時間以及故障發(fā)生時的電流、電壓值等)。其中初始化數(shù)據(jù)單片機以查詢方式接收，而測量數(shù)據(jù)和故障信息單片機以中斷方式接收。

2 結(jié)語

本系統(tǒng)采用基于DSP和單片機的雙CPU結(jié)構(gòu)作為硬件平臺，充分利用了兩種CPU的各自特點，軟件采用模塊化編程技術(shù)，可移植性強、升級容易。本系統(tǒng)集保護、測量、控制和通信等多種功能于一體，具有較高的穩(wěn)定性和實時性，并成功將DeviceNet總線應(yīng)用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)通信，對提高電力保護系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、自動化水平具有重要意義。

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