新型双 CPU继电保护装置的设计

徐耀良,杨晓红,杨 宁,夏 磊,张少成

(上海电力学院电力与自动化工程学院,上海 200090)

在综合自动化的发展下,电力系统继电保护装置将集监测、保护、控制及通信于一体,可以完成多种复杂任务[1].除了具备基本的测量功能外还需要有强大的数据处理能力和通信能力,这使得软件的开发和维护变得异常复杂.在这种情况下,若只采用单 CPU容易造成多重任务间的相互冲突.

为兼顾对实时保护任务和通信任务的不同处理要求,保护装置需要由高性能的微控制器与数字信号处理器构成高性能的硬件系统[2].本文介绍了一种基于S3C2410和 TMS320F2812的双CPU继电保护装置的硬件设计方案,并给出了主要模块的程序流程图.

1 装置的总体结构设计

由两个 CPU分别承担电气量的采集与转换、控制逻辑运算、人机对话和打印输出,以及与上位机通信、数字量输入和处理等功能,各司其职,分工合作.

设计过程中采用模块化设计,以实现故障的准确定位,同时方便增加新的保护功能[3].双CPU系统总体结构如图 1所示.

图1 双CPU系统结构示意

电流电压信号经电流电压互感器变换后产生低电压信号送入微机保护装置主模块.模拟量输入模块需测量三相电流,保护安装侧的三相电压,考虑用两块 16位新型数字 A/D芯片,简化采样,保持电路与多路开关电路的连接,滤波功能由DSP芯片中的软件实现.主模块内的 DSP芯片运行片内的保护软件,进行信号采样,并加以运算、分析,最后将结果送回 ARM芯片显示、存储.若有电网故障,则由 DSP直接发出跳闸动作信号,达到保护系统的目的;同时,由 AMR报警,并以各种通信方式将保护动作信息发送至上位机,记录故障时间与电流电压数据,保存数据,完成保护的工作过程.通信功能方面要求 ARM芯片集成RS232/485,以太网控制芯片,可支持变电站常用的 10Mb/s的双绞线接口,100Mb/s的光纤和双绞线接口,以适应更高可靠性和更大通信带宽的变电站自动化系统.

2 系统硬件实现

本装置的硬件系统主要由数据采集模块、DSP子系统、ARM子系统,以及一些外围基础电路模块组成.

2.1 数据采集模块

数据采集模块即模拟量输入模块,就是把电力系统中一次电流互感器和一次电压互感器的强电信号首先转换成微机保护测控装置所需的弱电信号,并对这些弱电信号进行调理,变换成和 A/D模数转换器输入特性相符的模拟信号,然后通过 A/D转化为 CPU模块可以识别的数字量,以进行各种计算和判断.

本装置选用了 AD7656芯片,是高集成度、6通道、16位逐次逼近(SAR)型 ADC,它具有最大4 LSBS INL和每通道达 250 kSPS的采样率,并且在片内包含一个 2.5 V内部基准电压源和基准缓冲器.该器件仅有典型值 160mW的功耗,比最接近的同类双极性输入 ADC的功耗降低了 60%,且封装小,耐受高电源电压,非常适合在微机保护、电机控制等工业领域使用.

采样芯片内的时序问题是 A/D芯片的重点.图2为AD7656的工作时序.由图 2可知,A/D读数时先通过 DSP控制 CONVST管脚启动转换,并保持该信号为高电平,此时自动输出 BUSY信号.当 BUSY信号处于下降沿时,代表转换已经全部完成,芯片内部的 6个寄存器将转换数据保存完毕.然后通过控制片选 CS和读 RD信号依次顺序读出 6个通道 A/D转换值即可.读取结束,改变CONVST电平信号为低.

图2 AD7656工作时序

2.2 DSP子系统功能与设计

由于现代电网中超高压、大容量、远距离输电线路的不断增多,对电力系统继电保护提出了更高的要求.改善保护性能的一个重要方面是在确保其动作的可靠性和选择性的条件下,加快保护的动作速度.在实际故障信号中包含有大量非基频噪音信号的情况下,保护动作速度越快,基频分量的滤波精度越差.为了适应现代电网稳定运行的要求,软件算法需对信号进行更高程度的分解,以此得到更精确的判断,同时也是人工神经网络、模糊理论等理论更有效地用于继电保护的前提.但分解程度的提高意味着计算量的增大,再加上是实时计算,需要保证计算的速度,因此对硬件的要求也越来越高.

与传统采用 MCS51,96等系列单片机的微机保护装置相比,本设计采用 DSP芯片TMS320F2812来进行数字信号的处理,针对电力系统中的各种数据,可以实现更复杂的算法和更高的采样率.该芯片具有 16×16和 32×32位操作的专用硬件乘法器,可以在单周期内产生一个32位乘积结果的有符号或无符号数据,在处理主要由乘法和加法组成的滤波算法时,可以大大提高算法效率,在一个机器周期内可以完成一次加法和一次乘法.采用 DSP为主保护芯片,可以为微机保护采集数据计算的实时性提供保障.

在本装置中 DSP部分主要完成数据的采集、A/D转换结果的分析计算、保护算法的实现,以及出口逻辑功能.DSP子系统框图如图 3所示.

图3 DSP子系统示意

TMS320F2812是一款高性能、高性价比的 32位定点 DSP,性能优越,资源非常丰富.其 I/O接口电压为 3.3 V,与 ARM芯片接口电压一致,极大地方便了接口的设计,且丰富的通用 I/O口可直接与外部设备进行信息交换,开入开出量在经过光电隔离后可直接接到 DSP芯片端口,从而省去了并行 I/O接口芯片,提高了保护装置开入开出的可靠性,而且也利于今后的产品换代.

此芯片的串行外设 SPI接口通过 SPICLK,MISO,MOSI,SPISTE等 4个引脚与 ARM芯片相连,其模块有主动或从动两种工作方式;提供 125种波特率,当频率为 30 MHz时,波特率可达 7.5 Mbps;具有 4种时钟方案,即:无延时的下降沿,有延时的下降沿,无延时的上升沿,有延时的上升沿.考虑到要配合 ARM芯片,在后期软件搭建时令 SPICCR.6=0x00,SPICTL.3=0x00,控制数据在 SPICLK的上升边沿由移位寄存器移出,下降沿向移位寄存器移入,且无半周期延时,与 ARM的设置相应.因此,两个控制器能同时发送和接收数据,以判定软件程序数据是否有意义.

2.3 ARM子系统功能与设计

随着电力系统监测与保护功能一体化的发展,软件的规模越来越大,实现的功能越来越全.综合考虑实时操作系统、嵌入式以太网和大量数据管理等因素,本设计选择针对系统控制以及通信领域的 ARM微处理器 S3C2410[4].其特点是性能高,功耗低,支持广泛的通信接口.如从广泛使用的 RS485和 RS232到现在正在普及的以太网,可为以后的进一步开发预留足够的空间;处理速度快,存储空间大,变址寻址能力强,外围接口丰富等.由 ARM芯片处理计算以外的管理任务,同时内嵌在高效多任务调度和中断管理的操作系统中的 TCP/IP等网络协议簇用于处理通信任务,打破了以太网通信模式在工业控制领域应用中的很多限制,完全符合 IEC61850体系关于变电站自动化系统的设计思想.

另外,采用 ARM微处理器 S3C2410协助 DSP工作.ARM子系统具有负责系统时钟基准、通信、液晶显示、键盘按键处理,以及部分数值的初始化整定等功能[5].ARM子系统框图如图 4所示.

图4 ARM子系统示意

3 系统软件实现

系统软件主体流程如图 5所示,上电或复位后 DSP与 ARM均需完成第一步初始化工作:

(1)对硬件可编程接口初始化,设定端口作用,对于输出端口则赋予初值,保证所有出口继电器处于不动作状态;

(2)全面的软硬件自检,保证装置投入使用时处于完好的状态,若出现异常则停机告警.

对于 DSP而言,还需读取所有开关量的输入状态并加以保存,标志字清零,初始化采样单元,设定指针位置与采样间隔时间.

DSP与 ARM处理器有机地构成了一个功能分布、协同运行的整体系统.图 5a为 DSP子系统运行保护相关程序流程,初始化完毕后,开放中断.其采样中断程序流程如图 5b所示,数据采集单元 A/D完成模拟量采集与转换后,DSP对原始数据进行精加工,并计算电气参数,同时,实时运行一次保护启动分析与判断.根据采样程序中的启动逻辑判断,判定电力系统是处在正常运行状态还是发生了故障,若检测到故障发生,则进入故障分析程序,最终结合开入量推断逻辑结果作出相应控制,并将电气计算结果和保护判断结果通过 SPI传输至 ARM.

图5c为 ARM子系统运行管理相关程序流程,通过 SPI通信中断程序,接收 DSP数据后予以显示,并根据需要判定是否告警、通知上位机,以及故障录波.本装置中,故障录波为预设功能,若使用需外扩 E2PROM.

图5 系统程序流程

4 结 论

(1)通过采用由 MATLAB搭建的 110 kV电力系统线路模型所导出故障仿真数据,在 DSP程序中进行计算分析,结果通过 SPI接口送至 ARM并将开关量输出信息传递给与 DSP输出 I/O相连的继电器,其及时准确的跳闸动作证明故障时本装置能够正确发出保护动作命令,实现跳闸控制;

(2)由 DSP和 ARM组成的双 CPU系统,其硬件结构紧凑,可扩展性强,可靠性高;软件资源丰富,数据处理能力强;保护功能强大,适用于110 kV及以下的电力系统.

[1]贺家李.电力系统继电保护技术的现状与发展[J].中国电力,2001,32(10):38-40.

[2]张剑春,江忠耀,黄光林.一种基于 DSP+ARM的微机线路保护装置[J].水能源科学,2005,23(4):86-88.

[3]郝非,汪玉凤,郑艳明.基于双 CPU的微机型继电保护测试装置的设计[J].电力系统保护与控制,2009,37(16):116-117.

[4]陈珍萍.基于 ARM7的嵌入式继电保护装置设计[J].煤矿机械,2007,28(7):26-27.

[5]孙秀桂,张洪斌,刘佳佳.基于 ARM控制器 LPC2214的微机继电保护装置的设计[J].电子测量技术,2009,32(9):118-121.