一种新型双核微机继电保护装置设计

杨会翔， 朱凌云， 冯丽丽

(1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620； 2.合肥金星机电科技发展有限公司，安徽 合肥 230088)



一种新型双核微机继电保护装置设计

杨会翔1， 朱凌云1， 冯丽丽2

(1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620； 2.合肥金星机电科技发展有限公司，安徽 合肥 230088)

在现代电力系统中，继电保护装置是保证电力系统安全运行和监控电能质量的重要工具。传统微机继电保护装置，存在计算速度较低和保护原理不够完善等问题。介绍了一种基于TMS320F2808+N78E366A双核继电保护装置，设计了装置的各个硬件模块，比较了全波傅氏算法和差分全波傅氏算法的滤波性能，并通过仿真计算对上述两种算法性能进行验证，选定系统的算法及采样点数，最后给出了系统主要的软件流程图。该装置运算速度快、可靠、便于维护、抗干扰能力强、体积小，并且根据用户的需要可方便地配置各种不同类型的测控保护。

数字信号处理器； 单片机； 微机继电保护； 傅氏算法

0 引 言

传统的继电保护装置经互感器引入被测信号，按照电磁感应、鉴相、鉴幅等原理做出是否动作的判断。微机继电保护装置[1]是以中央处理器CPU为核心，以数据采集系统采集的电力系统的实时状态数据，按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等，并由此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种安全装置。一台完整的微机继电保护装置不仅包括以上保护功能，还包括事件记录和人机接口等功能，即微机保护装置可以在系统发生故障时正确动作，并且记录事件或者录波，然后运行人员可以通过人机接口(键盘、液晶显示器)管理维护及查看报告，进行事故分析。

为了提高系统数据处理[2]能力及其可靠性，采用TI公司TMS320F2808 DSP芯片和Nuvoton公司的N78E366A单片机设计成双CPU结构的微机继电保护系统。这种双CPU的结构一方面可以利用DSP芯片—保护CPU，对数据快速计算，实现测量、保护、通信功能。另一方面可以利用N78E366A—管理CPU，实现继电保护装置的监控、人机对话。这种保护和管理双CPU结构极大的提高了继电保护的可靠性和灵活性。

1 系统硬件设计

硬件系统采用模块化设计，总体硬件图如图1所示。

图1 系统硬件结构图

1.1 保护测控模块

该部分为整个装置的核心所在，保护测控模块主要完成模拟量的采集，模数转换与处理，根据采集运算的数据，完成各种保护逻辑的处理和判断，通过RS485通信方式和上位机进行数据交换，负责采样各种外部开入的信号并进行处理判断，以控制输出回路准确有效的动作。

TMS320F2808是TI公司继TMS320LF2407A后推出的一款更高速、更适用于电气控制系统的DSP芯片，它具备了TMS320x280x系列DSP高的性能，最高工作速度达100 MI/S，几乎所有的指令都可在50 ns的周期内完成，该系列取消了事件管理器，增强型EPWM和HRPWM模块取而代之。TMS320F2808集成了丰富的内部资源，有64 KB的Flash EEPROM、18 KB的SARAM和4 KB的ROM[3]。

作为系统管理器，TMS320F2808具有强大的片内I/O和外设功能。它有6个功率保护端口，配置更加灵活，可外扩的外部存储器总共可达1 MB。TMS320F2808以其引脚少、体积小、成本低等优势，克服了TMS320LF2407或TMS320F2812作为实际控制系统主控芯片所存在的不足，提高了系统的抗干扰性能。1.2 模拟量采集模块

电压互感器TV、电流互感器TA[4]对电力系统一次侧电压、电流信号进行降幅，利用RC滤波电路对这些信号进行必要的低通滤波，滤去不必要的高频信号，送至A/D转换电路、测频电路进一步处理。

1.2.1 测频电路

电力系统在实际运行中，会发生波动，频率会发生变化，会导致采样出现误差。因此需要配置测频电路检测电网中的信号频率，采样频率随着工频频率发生变化而调整，就可以消除上述采样误差。

一般情况下，测量系统频率分为两种方式：一种是硬件测量，另一种是软件测量。硬件的测频原理如图2所示[5]。

图2 硬件测频原理图

装置的测频电路选用电压比较器LM258和高速光电隔离SI8441。LM258的工作电压为3～30 V或±1.5～15 V。模拟信号经二阶无源滤波、运放后进入LM258，再经过SI8441的输出端接在TMS320F2808的定时器T0[6]的输入捕获引脚上，它选用TMS320F2808内部的定时器作为捕获单元的时基。捕获单元通过50 Hz INT的两个脉冲间隔，来计算出周波的周期。利用定时器T0计算出采样间隔，可在定时器中断过程中启动一次采样，实现采样间隔随电网频率的变化而不断的调整。光耦SI8441可以把外部输入信号与TMS320F2808隔离，防止外部的干扰。

1.2.2 A/D转换电路

一般的说，不同保护对象对应着不同微机保护原理，由于保护对象的设备类型，电压等级不尽相同，所以不同保护原理需对应的模拟量、开入量和开出量也各不相同[6]。

表1比较了使用电气量较多的变压器、发电机常用保护、线路保护采集的模拟量情况。不难看出，上述各种保护原理最多需要采集6路模拟电压量和10路模拟电流量。因一共需采集16路的模拟量，另外用于测量的的4路电流量、电压量要求同步采样，因此装置采用独立的A/D转换芯片[7]。

MAXIM125芯片具有3 μs的A/D转换时间和14位的分辨率，能够满足高精度、实时的控制系统要求。此外，MAXIM125芯片内部自带4*14位的RAM，可用来存放A/D转换结果，其提供的并行接口也与TMS320F2808兼容。由于MAXIM125的输入阻抗不够高，因此信号进入MAXIM125芯片后，有一定的分流，损耗了一定的输入电流，可能获得不准确的测量数据(8(。装置低通滤波采样后，在A/D转换前设置了运放TLC2274ID，从而可以提高输入阻抗，降低损耗系数。

1.3 开关量输入、输出模块

该模块由开关量输入、输出两部分构成。电力系统中的开关输入量指各种开关状态信号，如断路器、隔离开关、继电器触点、接地刀闸等的分、合两种工作状态，分别用 0、1表示。微机继电保护的开入量一般通过+24 V电压信号引入。装置在采集+24 V电压信号时，为了防止采集到不正确的的开关数据，利用二阶RC滤波电路用于滤除干扰。同时采用稳压管FM4007以防止高压干扰信号串入电路击穿光耦TLP181，最后在开关量输入到DSP前采用光电隔离芯片，去除干扰。

表1 常用保护需要采集模拟量状况

开出量包括断路器的跳闸信号、合闸信号以及报警信号等。装置预留16路开出量，利用并行接口的输出口控制有触点继电器的方法[9]。为了提高本部分的抗干扰能力，继电器电源与系统电源相互独立—不共地，并应用TLP127光电隔离芯片，该芯片内部集电极开路，输入信号的带宽为10 KHz，隔离电压达直流2 500 V，最大输出电流达200 mA。

1.4 通信模块

通信模块是系统数据进行传输、交换的纽带。系统的遥测、遥控、遥信、事件顺序记录(SOE)等信息都需要通过该模块及时传送到上位机和人机接口模块。微机继电保护系统的通信模块，是为了完成保护CPU、管理CPU之间的定值传输、录波等功能而进行设计的。

当通信距离在几十m到近千m时，经常采用 RS-485总线标准。RS-485总线采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰能力。RS-485 接口的最大传输距离为1 200 m，在总线上允许连接多达32个收发器，数据最高传输速率可以达到10 Mbit/s。由于微机继电保护系统的工作环境十分恶劣，容易受到各种电磁干扰，所以本系统采用高速光电隔离芯片TLP114A将RS-485 接口与TMS320F2808的弱电系统隔离。RS-485信号的转换芯片采用SP485EEN。

一般说来，变电站自动化系统对本站内各装置的保护、监控、事件顺序记录(SOE)、故障录波等功能的时间精度和同步性要求较高，一般采用全球定位系统(GPS)[10]对站内各装置进行统一授时。装置留有GPS授时用接口：将TMS320F2808的I2C串行总线与GPS模块的串行接口相连接，获得绝对时间信息，每间隔一段时间，根据GPS时间信息对TMS320F2808内部的实时时钟(RTC)进行校正。

该装置还预留了USB接口和Ethernet接口，分别用于装置信息的现场上传、下载及和其他智能终端互连。

1.5 人机接口模块

装置的人机接口模块由液晶显示器(LCD)、键盘、LED指示灯和管理CPU组成[11]。液晶显示器(LCD)用来显示实时状态参数、告警事件记录以及当前整定参数；键盘用以投切保护压板、选择保护方式、设置和修改保护定值；LED指示灯指示当前被保护设备所处于的运行、跳闸、合闸等各种状态。由于液晶显示器(LCD)读写速度较慢，并且任务较频繁，因此它对处理器运算能力的要求较低，本装置采用了Nuvoton公司的80C51单片机N78E366A作为系统的管理CPU，N78E366A内部带有256 KB的RAM存储器和64 KB的FLASH存储器，可以在系统编程(ISP)也可并行编程，可专门负责液晶显示器LCD、键盘及LED指示灯的控制工作。需要指出的是，它与TMS320F2808之间采用SPI总线交换数据。

1.6 电源模块

电源模块是微机继电保护装置稳定工作的基础，为系统各组成部分提供工作电源。220 V的交流电经整流滤波后，分别输出4路独立电源：两路+5 V电源和两路+24 V电源。其中一路+5 V电源经过DC/DC变换器，输出通信电源+5 V；另一路+5 V电源为数字电源，根据各芯片实际所需电压将+5 V转化成3.3、2.5和1.8 V。其中一路+24 V电源利用电感隔离，产生+24 V电源，驱动开入装置；另一路+24 V电源为开出继电器供电，用来驱动开出继电器跳合。

2 系统算法设计

傅氏算法的思想源于傅里叶级数[12]，它在微机继电保护中经常被用来计算信号的幅值。假设被采样的模拟信号是周期性的时间函数，除基波外，还包含衰减直流分量和各次谐波分量，

(1)

式中：an和bn为各次谐波分量的正弦分量、余弦分量值，

(2)

(3)

对于离散数字信号，用微机来计算时，可以用矩形法则来代替积分，这时对应的正弦分量和余弦分量分别为:

(4)

(5)

其中：N每周波采样的点数，为第k次采样值，k=0，1，…，N-1。分析可知，全波傅氏算法可有效地滤除直流分量和各整次谐波分量[13]。

在全波傅氏算法之前增加一个差分环节构成差分全波傅氏算法[14]，能够消除衰减的直流分量的影响[5]，对应的计算公式如下:

(6)

(7)

可以分别利用式(4)～(7)计算出全波傅氏算法和差分全波傅氏算法对应n次谐波的幅值。

(8)

(9)

由式(8)、(9)还能够计算出n次谐波的功率因数φ，有功功率Pn，无功功率Qn，视在功率Sn。

设电力系统暂态电流信号为:

4sin 200πt+10sin 300πt+

2sin 400πt+6sin 500πt

(10)

式中，τ=0.03 s。假定每周采样的点数为N=12点、N=20点和N=40点，则全波傅氏算法和差分全波傅氏算法基波分量仿真计算结果如表2所示。

表2 仿真计算结果

从表2的仿真结果中可知，当故障信号中含有衰减直流分量时，全波傅氏算法的误差比差分全波傅氏算法要大很多。一周波采样点数从12提高到20时，两种算法的误差均有一定程度的减小。而提高至40时[15]，误差没有可观减小，但是对应的计算时间增加了1倍。所以周期采样点数为20时，有着较高的采样精度和计算速度。

差分全波傅氏算法可以消除直流分量，在一定程度上抑制衰减的非周期分量，而且当信号基波频率偏离额定值时，差分法消除衰减非周期分量的特性比其他方法要好，求出的基波幅值最接近于实际值。因此，选用采用差分全波傅氏算法作为本装置的算法，并且保持采样点数设为20点/周波。

3 系统软件设计

图3为主程序流程图，图4为ADC中断软件流程图。

主程序是软件的主体框架，由系统初始化自检和无限检测循环两个部分组成[16]。初始化自检是装置在上电或者硬件系统复位时首先执行的程序及对开关量输出、采样通道、保护定值及自动校正系数等的自检。包括对TMS320F2808的 I/O口、中断、定时器、串口、全局变量等进行初始化及采样芯片MAXIM125初始化和对开关量输出、采样通道、保护定值、自动校正系数的自检。系统的初始化自检结束后，进入了无限检测循环部分，包括计算测量采样电压电流，频率检测与调整，PT 断线检测，告警处理及故障录波等。在无限检测序循环过程中，所有的功能模块只有在条件满足时才执行，一旦条件不满足，立即进入下一个功能模块。

在中断后，定时器每隔一个采样周期Ts，会发出一个采样脉冲，从而启动A/D 转换，完成16通道模数转换后产生中断。在图4中，利用计数器Point1统计已保存的测量参数的采样个数，因要针对全波20点采样值进行参数计算，所以完成一个全周波采样后，Pointl等于20，置A/D flag为 2，意味此时主程序可调用计算测量参数子程序。而在测量参数计算时，新A/D采样值不可覆盖正用于测量参数计算的A/D采样结果，只有A/D flag为1时，才能够保存新的A/D采样值。从图4可以看到，当计算完一个周波对应的20个测量参数后，A/D flag置1，计数器Pointl清0，表示能够开始存放下一周波的A/D转换结果。同时用计数器Point2来统计保护参数的采样个数，在奇数次采样时，计算、保存保护参数，调用保护判断子程序。在偶数次采样时，不作任何处理，一个周波后，计数器Point2清0。

图3 主程序流程图

图4 A/D中断程序流程图

4 结 语

新型微机继电保护装置采用了保护、管理双CPU结构，一方面可为电力系统提供快速、准确的计量和保护，另一方面也可以缩短产品开发周期，降低系统成本。装置适用于10 KV及以下电压等级的发电厂及变电站，功能涵盖了电力变压器保护、线路保护、电容器保护、电动机保护等。对于各种不同场合，只要对功能软件进行适当更改，即可满足系统功能要求。装置可集中组屏安装或直接在开关柜上分散安装，配合通讯管理单元和监控系统，还可以构成完整的厂站自动化系统。利用多功能保护继电测试装置和模拟断路器对本系统进行了全面的测试，结果表明该装置保护逻辑正确，动作可靠灵敏，满足现实要求。可以预见在技术迅猛发展的背景下，新型微机保护装置将更有效、更可靠地担当起确保电网安全的重任。

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A New Dual-core Microcomputer Relay Protection Device

YANGHui-xiang1,ZHULing-yun1,FENGLi-li2

(1.College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Hefei Gold Star M&E Technical Development Co. Ltd, Hefei 230088, China)

In the modern power system, relay protection device is an important tool to ensure the safe operation of the power system and monitor the quality of electricity. Traditional microcomputer relay protection device has a low computing speed, and its protection principle is also imperfect. A device of relay protection based on dual cores TMS320F2808+N78E366A is developed, the hardware of each module part is designed. The filtering performance of the full wave Fourier algorithm is compared with the differential full wave Fourier algorithm. Then the performance of the above two algorithms is verified through simulation, meanwhile the system algorithm and the sampling points are selected. Finally, the main program diagrams of system software have also been given. The device is fast, reliable, easy to maintain, strong anti-interference, cute size, and can been easily configured into various types protection and control according to users’ needs.

DSP; SCM; microcomputer relay protection; Fourier algorithms

2014-08-01

杨会翔(1987-)，男，安徽淮南人，在读硕士，主要研究方向为检测技术与自动化装置。

Tel.：18818235956，021-67792313;E-mail:airhuixing1987@163.com

朱凌云(1962-)，女，湖南郴州人，副教授，主要研究方向为过程控制和嵌入式系统。

TP 36

B

1006-7167(2015)03-0150-05