基于ARM和DSP的微機線路保護裝置

張小偉

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

隨著微機保護系統向多功能及網絡化方向的發展，通常系統采用的單片機、DSP這些處理器已經不能完全滿足需求。因此，在設計新的微機保護裝置時，有必要選用高性能、低成本的微處理器。本文提出以ARM9微處理器S3C2410為核心控制器，并結合DSP組成雙CPU架構模式設計了針對35kV及以下的微機線路保護裝置，提供三段式電流和電壓方向保護、小電流接地選線、三相一次重合閘、過負荷、后加速、零序過電流等保護功能，并且該裝置采用以太網通信的機制和上位機進行通信［1］。

1 設計方案的確定

目前，國內市場上的線路保護裝置也層出不窮，研究開發部門以及生產廠商很多，線路保護的CPU一般采用單片機，網絡拓撲采用總線型結構，這樣的缺點是與節點相連的通信電纜一旦發生故障則保護裝置可能失去作用。而基于DSP的線路保護裝置的優點是設計簡單，數據采集與處理速度較快，實時性高，同時具有很高的性價比；但缺點是與站級通信也采用DSP處理器，使用RS－485、控制器局部網（CAN）總線方式，這就不適應變電站自動化系統設計中過程層與間隔層、間隔層與變電站層間的通信方式——標準以太網方式。

隨著計算機技術的快速發展，線路保護裝置也不斷地向嵌入式計算機系統方向發展，這對線路保護裝置整套硬件的小型化、一體化、高指標、高性能化提供了很大的擴展空間。本文在參考了典型的線路保護測試裝置后，提出了一種基于DSP和嵌入式系統的雙CPU的線路保護裝置的設計方法，使得該保護裝置性能指標優化、通信高速穩定、交互界面友好直觀、功能更加強大、升級更加方便。

該線路保護裝置以ARM9作為上位機核心硬件平臺，以TI公司DSP TMS320F2812為下位機核心通信控制器，ARM處理器作為主CPU用于與變電站級的通信，DSP則主要負責數據的采集、計算、邏輯判斷，有效地保證了線路保護的可靠性、選擇性及速動性，并在故障發生時進行濾波，記錄故障數據以供分析，兩者通過雙口RAM進行數據交換和信息傳輸，配合完成線路保護的任務。軟件部分則基于Linux操作系統，完成Linux系統及應用程序的移植。

2 線路保護硬件的設計

根據前面所確定的設計方案，保護裝置的硬件構架就是DSP＋ARM的雙CPU結構，DSP處理器則是利用自身運算速度快、擅長數字信號處理的優點進行數據采集、計算、邏輯判斷，ARM處理器作為主CPU用于與主站級的通信。

裝置的總體結構電路除了ARM、DSP微處理器外還有一些外圍模塊，硬件結構如圖1所示。

圖1 裝置的硬件結構

經過電壓、電流互感器變換后產生的電壓、電流信號進行二次電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）變換，即將100V、5A的二次電壓、電流信號轉換成＋5V～－5V的弱電信號，并進行信號調理，然后進行模數轉換（A／D），在DSP內完成各種數值運算，并把結果送入ARM處理單元，確定待保護系統的運行狀態，通過帶有觸摸屏功能的液晶顯示器（LCD）進行人機交互，并通過以太網通信接口連接到遠程上位機，可對該保護裝置進行遠程監控。如判斷有故障，DSP發出跳閘動作信號，驅動外部保護器件斷開電路以保護系統。

2.1 DSP部分硬件設計

DSP部分主要完成對狀態量、模擬量、脈沖量等變電站內數據的采集、調理、A／D轉換、分析計算以及各種保護算法的實現，邏輯判斷輸出和故障時濾波等功能。

2.1.1 信號調理電路

這里的調理是針對諸如線路電壓、電流等遙測模擬信號，將CT、PT二次測得的大電壓、大電流轉換成0～5V的電壓送到A／D模塊。

2.1.2 A／D模塊

本裝置采用14位的A／D模塊MAX125，啟動轉換端接2812的定時器比較輸出，每隔采樣點時間輸出下降沿啟動A／D。MAX125轉換結束會產生中斷，2812則在中斷程序中讀取轉換結果。當采集一個周期后進行N＝128點的快速傅里葉變換（FFT）計算。

2.1.3 光電隔離模塊

為了有效地抑制系統噪聲，消除接地回路的干擾，本裝置在開關量輸入時使用光電隔離電路，把驅動電路和控制電路之間驅動信號和控制信號隔離，實現不同電壓之間的信號傳輸。為了給DSP應用程序運行時留有更多的空間，裝置還外擴了一塊RAM以保存臨時數據。

2.2 ARM部分硬件設計

ARM部分主要完成與牽引變電站的通信、鍵盤按鍵處理、系統時鐘基準、液晶顯示及部分數值的初始化整定等功能［2］。

2.2.1 RS－232串行模塊

目前RS－232是PC機與通信工業中應用最廣泛的一種串行接口。RS－232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標準。系統需要通過該串口下載程序或者進行串行通信。系統中采用RS－232的電平轉換芯片MAX232實現串口的通信。在這里RS－232接口主要是用于初始化整定數值的設定和系統維護的人機接口。

2.2.2 液晶顯示（LCD）模塊

LCD模塊選用 MG－12232－5，液晶控制器組成的邏輯轉換液晶圖像數據從一個位于系統內存的視頻緩沖器到外部LCD驅動器。液晶控制器支持單色，采用2位每像素（4級灰度）或4位每像素模式的單色液晶顯示屏，使用基于時間的抖動算法和幀速率控制方法，它可以連接帶有彩色液晶顯示屏上的8位每像素和12位每像素接口與液晶顯示器。該LCD控制器可以編程，以支持不同的要求（屏幕上的橫向和縱向像素，數據線寬度的數據接口，接口時間和刷新率）。

2.2.3 DSP與 ARM 的通信

在同一個線路保護系統中，DSP與ARM需要進行高速數據交換和信息傳輸。為了確保ARM能夠實時顯示各種信息，DSP必須定時將采集到的電流值、電壓值和時間信息傳送給ARM；ARM必須及時地將用戶通過鍵盤設置的信息傳給DSP，使DSP可以用做計算和判斷。而這些功能通過雙口RAM這樣一種性能優越的快速通信器件來實現［3］。

在本設計中，采用美國IDT公司開發的高速256kb的高速靜態雙口RAM IDT70261PF。它可允許2個端口同時進行高速讀寫數據，每個端口具有自己獨立的控制信號線、地址線和數據線，可高速存取數據，最快存取時間為15ns，可與大多數高速處理器配合使用，而無需插入等待狀態。IDT70261PF除具有雙端口存取功能外，還具有標識器功能，在數據傳送時可構成多種接口形式。

2.2.4 其他模塊電路

小鍵盤電路主要由ARM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，采用DS12887芯片構成外部時鐘電路。邊界掃描技術（JTAG）仿真器也稱為JTAG調試器，是通過ARM芯片上的JTAG邊界掃描口進行調試的設備，JTAG接口主要是在系統程序調試時進行在線實時仿真。

3 軟件部分設計

3.1 ARM軟件結構

ARM部分軟件結構如圖2所示，由嵌入式操作系統Linux、網絡協議驅動和應用程序組成。Linux具有性能穩定、良好的移植性、對各種文件系統廣泛支持以及標準豐富的應用程序接口（API）等。應用程序直接在Linux上編寫，主要包括3個部分：以太網通信程序、雙口RAM讀寫程序和按鍵處理程序。硬件初始化就在Linux啟動中完成，但讀系統時鐘則作為操作系統的一個線程運行［4］。

3.2 DSP軟件結構

圖2 ARM部分軟件結構

DSP部分軟件結構如圖3所示，主要包括DSP硬件初始化、軟件遙測（YC）采樣、測頻、諧波快速傅里葉變換（FFT）分析、保護算法以及遙控（YK）輸出等，主要完成數據采集、饋線保護邏輯判斷及故障數據記錄等功能。

本裝置保護軟件充分利用DSP強大的中斷功能實現數據實時處理。程序啟動時先寫入定時采樣時間，工頻時為0.02s，然后通過軟件進行測頻實現跟蹤頻率的變化。

利用同步采樣消除頻域中柵欄效應，加漢寧窗來減少能量泄漏，每周期采樣128點進行FFT變換足以算出電力系統中高次諧波。啟動元件采用相電流差突變量方式，只有在裝置連續采樣32點以上才允許保護裝置輸出動作信號。

圖3 DSP部分軟件設計框圖

本牽引變電所所采用的保護方式包括電流保護和距離保護，電流保護為電流速斷、限時電流速斷和過電流保護的三段式電流保護。

按照飽和磁通為1.4倍的額定磁通幅值時合閘電流的大小，采用15%的制動比整定值來躲開勵磁涌流，而阻抗元件為了有較好地躲過系統振蕩能力和提高允許過渡電阻的能力，裝置采用帶偏移特性的多邊形方向阻抗特性，充分考慮了過渡電阻以及由其引起的附加測量阻抗。

當雙保護輸出有效即判斷有饋線故障時，延時返回后記錄故障前10個周波的數據的有效值，并逐次錄下故障后的10個周波的數據。本裝置采用改進的傅里葉算法為饋線保護的采樣算法，采用Matlab仿真的故障電流波形如圖4所示。

裝置采用電流、距離雙保護，以距離保護為主保護，以電流保護作為輔保護和后備保護，保護電氣化鐵路牽引變電所饋線的整個線路。

4 結束語

由實驗知，ARM9微處理器S3C2410與DSP構成的雙CPU模式微機線路保護裝置充分發揮了嵌入式ARM處理器強大的網絡通信功能和DSP的高效數字信號處理能力，不僅能達到微機保護可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的基本要求，而且硬件平臺具有運行速度快、功耗低、人機界面友好、通信接口多等優點，完全可以替代以往單CPU構成的微機線路保護裝置。

圖4 故障電流仿真波形

［1］于群，曹娜.電力系統微機繼電保護［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［2］孫天澤，袁文菊，張海峰.嵌入式設計及Linux驅動開發指南——基于ARM9處理器［M］.北京：電子工業出版社，2005.

［3］劉斌，李仲陽.ARM／DSP雙核系統的通信接口設計［J］.單片機與嵌入式系統應用，2005，53（5）：22－24.

［4］吳明暉，徐睿，黃健.基于ARM的嵌入式系統開發與應用［M］.北京：人民郵電出版社，2004.