MPS430在双CPU微机电力保护装置中的应用

廖延初

（福建师范大学福清分校 电子与信息工程系，福建 福清 350300）

MPS430在双CPU微机电力保护装置中的应用

廖延初

（福建师范大学福清分校 电子与信息工程系，福建 福清 350300）

为实现电力线路的微机保护功能，介绍了一种基于MPS430的双处理器的微机保护装置，它可以采集配电网的电流、电压以及开关的状态,并根据所采集的电压、电流对配电网实现保护功能,并实现与测量模块、人机界面模块的通信.从硬件和软件两方面详细说明该装置的结构和功能，该装置实现对三相电机低压三相负荷的保护、遥测、遥信、遥测功能.

微机保护；双CPU；数据通信

电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力.微机继电保护的出现，使原有继电保护装置的工作性能有了明显的改善，大大提高了电力系统运行的安全性和稳定性.随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果.电力系统对微机保护的要求不断提高,除了保护的基本功能外,还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间,快速的数据处理功能,强大的通信能力,与其他保护、控制装置和调度联网,以共享全系统数据、信息和网络资源的能力、高级语言编程等.每个微机保护装置不但可完成继电保护功能,而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能,亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化.

本文以MSP430F149微处理器为基础,通过采集配电网的电流、电压以及开关的状态;对配电网实现保护,其内容包括电流速断保护、三段式过流保护、反时限保护、零序保护和带后加速的三相一次重合闸,并且利用口总线实现与测量模块、人机界面模块的通信.

1 硬件框架与模块设计部分

1.1 概述

微机保护装置是电力线路保护系统的最重要的一环，对系统性能起着决定性的作用.保护系统通过微机保护装置实现对现场电气量采集和电气设备的状态监视、控制和调节，即遥测、遥信、遥控和遥调.当发生事故时，可报警并迅速采取对应措施，从而保证整个系统的正常运行与安全.根据系统和现场需要，微机保护装置主要需要实现的功能如下：①数据采集与处理功能.②输入输出功能.③通信功能.④报警保护功能.

根据微机保护装置的主要功能，该装置应该包括CPU部分模块、模拟量采集部分、开关量输入部分、继电器输出部分、通信部分、电源部分等及其外围电路.具体的硬件框架结构图如图1所示.

1.2 保护装置的工作过程

三相电压、电流通过模拟量采集模块，将电气设备的各通道电量转换为对应的电压值，一并送入AD采样模块电路进行模数转换，由保护CPU读入各通道的采样结果，通过DFT运算得出电压电流的有效值和相位；保护CPU根据运算的结果进行判断，若判断有故障执行跳闸或发出信号，并记录时间信息（发生时间、事故性质、故障量），以实现对电气设备的保护；同时保护CPU把所有的状态量通过FRAM通信模块传递到通信CPU中；根据报警保护状态，进行对应的保护报警LED指示；通信CPU通过RS232、RS485或CAN通信接口和上位监控机通信，及时的把装置各测控信息量传递到上位监控机，上位监控机也可以通过通信接口对装置设置和整定装置的定值参数.

图1 微机保护装置结构模块图

电源模块把220V的交流电源通过HAS-5转换成直流5V电压，再通过TPS76333产生一个3.3V电压供CPU使用.在模拟量采集模块中，三相电压和电流分别通过电压、电流互感器，将这些电气量转换成对应的低电压（-1.25V～1.25V），在通过一个1.25V的稳压源把所有电压抬高成正电压，送入MSP430的AD采样通道进行模数转换.

为了提高系统的运行速度，减轻单个CPU运行负荷，提高装置的精确度，装置都采用双CPU结构，一片CPU完成模拟量采集并处理、开关量输入输出、保护报警功能.另一片CPU完成通信功能和保护报警LED灯指示功能.两个CPU通过FRAM存储器实现CPU间的信息共享.在保护CPU模块中，MSP430把采样通道的采样结果通过DFT运算，得出三相电压、电流的有效值和相位.根据运算结果判断是否处于故障状态，如果是，则发出信号并通过继电器输出模块，执行对应继电器的跳闸操作.同时从时钟模块中读出当前时间，产生故障记录SOE.MSP430还通过开关量输入模块读取各开关量的状态.通信CPU模块通过读取存储器FM24CL64来获得保护CPU中的各测控信息量，从而实现保护报警状态的LED指示，并把保护CPU中的测控信息量通过通信接口传递到上位监控主机,RS485/CAN通信模块实现RS485/CAN通信.

2 微机保护装置的软件框架设计

保护装置所有功能的实现和可靠运行，还依靠于完善的软件设计，软件是完成系统设计的关键，是智能保护的灵魂，只有在软件系统的统一指挥下，保护装置才能够完成一系列的保护工作.

2.1 软件设计模块结构

软件设计方法是指导软件设计的某种规则和准则，结构化程序设计是最常用的程序设计方法，它采用自顶向下逐步求精的设计方法和单入口单出口的控制结构，将一个复杂的系统按功能划分为几个独立的模块，模块划分遵循“功能独立”原则，每个模块功能分配明确，有利于软件的调试、修改和维护.保护装置就是采用结构化的程序设计方法，根据硬件结构模块图1系统软件主要分成如下几个模块：保护CPU主程序模块、AD采样模块、DFT运算模块、保护逻辑判断模块、输入输出模块、定时器模块、时钟模块、FRAM模块、通信CPU主程序模块、通信模块和LED灯指示模块.

2.2 双CPU模块工作

（1）保护CPU.主要承担装置的保护任务，系统一上电，首先进行系统初始化工作，在初始化过程中，系统主要完成系统时钟模块初始化、MSP430的各个端口的初始化、定时器的初始化、AD采样初始化并启动AD采样，时钟芯片PCF8563的初始化和、FRAM存储器的初始化和读取FRAM中的定值，并设置相应的中断允许寄存器.其主程序流程图如图2所示.

图2 保护CPU的主程序流程图

系统就进入了主程序循环，首先判断定值的有效性，主要包括对保护定值、测量参数和校正系数的判断，这个判断依据是CRC校验.如果定值无效，则设置定值错误报警，在通信CPU中实现所有灯闪烁的定值错误报警.只有定值有效，才进行DFT运算，根据AD采样的结果，算出电压电流的有效值和相位.接下来进行的是将计算得到的被采集电量的有效值按照标准公式进行计算和判断，得出本控制保护单元外接的电机的运行状态，并将此结果暂时记入各个软继电器中.若有暂时故障状态，则启动相应的定时器，开始故障计时.然后根据保护控制字的投入，在保护报警输出模块中，进行继电器输出.接着主程序循环判断开关量的输入状态和根据上位机的遥控操作进行远动操作.最后主程序循环进行FRAM操作，实现和通信CPU的数据交流，把保护CPU中的测控信息量的变化告诉通信CPU，同时从通信CPU中获知上位机发送下来的更改定值命令或遥控命令，并根据这些命令执行对应的操作.

（2）通信CPU.主要担任装置的通信任务，包括RS485/CAN通信、RS232通信和保护报警LED灯指示，其主程序流程图如图3所示.系统上电后，通信CPU进行初始化.初始化完成后进入主程序循环，在主循环中，首先是进行每0.1s一次的FRAM操作，实现和保护CPU的数据交流，获得保护CPU中得到的遥测值和校正电量，进行平均值滤波和计算功率电度.然后通过通信接口，把所有的现场测控信息量传到上位监控机，上位监控机按照需要也向装置发送更改定值命令或遥控命令.通信CPU把上位机的的命令保存到FRAM中.

图3 通信CPU的主程序流程图

3 结论

在总结前人对电力保护保置研究工作的基础上,对电力保护装置的应用做了深入探讨,设计了一种具有多功能的双处理机的电力保护装置,并可靠地应用在配电网中.但设计中,由于本人的水平有限,论文还需进一步研究和改进.

〔1〕商立群,白维祖,程刚.基于 ARMS3C4510B 的微机保护装置的设计[J].工矿自动化,2008（2）:116-118.

〔2〕余良国,梁锦华.基于DSP控制的新型微机保护方案[J].水利电力械,2007（12）:94-96.

〔3〕沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004.

〔4〕胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002.

〔5〕陈明,包鑫,朱墨子.MSP430在电力系统微机保护模块中的应用.现代电子技术,2009（10）.

TM76;TP368.1

A

1673-260X（2011）10-0134-02