摘 要： 隨著微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)的高速發(fā)展，微機(jī)繼電保護(hù)裝置已經(jīng)廣泛采用數(shù)字信號(hào)處理器。介紹了一種基于TMS320F2812芯片的微機(jī)型變壓器后備保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)及軟件算法。
關(guān)鍵詞： TMS320F2812；后備保護(hù)；通信；傅里葉算法
電力變壓器是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，在其正常運(yùn)行中，可能會(huì)出現(xiàn)各種故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)。為了保證變壓器的正常而穩(wěn)定地工作，必須為其配備完備可靠的繼電保護(hù)措施[1]。目前電力變壓器的繼電保護(hù)普遍采用以微處理器控制技術(shù)為核心的 繼電保護(hù)裝置，從最初的8 bit單片機(jī)、16 bit單片機(jī)、多CPU結(jié)構(gòu)，再到32 bit DSP處理器構(gòu)成的微機(jī)電力變壓器保護(hù)裝置，變壓器繼電保護(hù)水平已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步[2]。但是，由于新型變壓器的出現(xiàn)及微機(jī)保護(hù)的要求和算法的不斷加強(qiáng)，對(duì)于微機(jī)型變壓器保護(hù)裝置的核心(即微處理器)的性能要求也越來越高。本文對(duì)采用一種基于DSP的微機(jī)型變壓器后備保護(hù)裝置進(jìn)行了研究。
1 硬件結(jié)構(gòu)
本保護(hù)裝置是為35 kV及以下的配電變壓器提供后備保護(hù)，安裝在35 kV及以下電壓等級(jí)的降壓變壓器的電源側(cè)。該裝置的核心微處理器采用32 bit DSP芯片TMS320F2812，其他主要電路包括：復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD、數(shù)據(jù)量采集電路、外部擴(kuò)展RAM、異步串口、CAN接口、開關(guān)量輸入/輸出接口電路、以太網(wǎng)接口電路、鍵盤及液晶顯示等。其硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖如圖1所示。
1.1 DSP芯片
裝置的核心微處理器采用德州儀器公司推出的TMS320F2812 DSP芯片。DSP芯片工作頻率達(dá)到150 MHz，為32 bit定點(diǎn)高性能數(shù)字信號(hào)處理器，采用經(jīng)典的哈佛總線結(jié)構(gòu)和指令流水線技術(shù)，保證信號(hào)處理的快速性和實(shí)時(shí)性；其內(nèi)部存儲(chǔ)器包括：18 K×16 bit的RAM和118 K×16 bit的Flash，芯片內(nèi)部集成的外圍模塊也非常豐富，包括16通道12 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)、16通道的PWM輸出，多達(dá)56個(gè)獨(dú)立的、可編程的通用輸入輸出口；同時(shí)還集成有完全符合RS232標(biāo)準(zhǔn)的雙通道串行接口、CAN總線模塊和串行外圍設(shè)備接口，大大減輕了設(shè)計(jì)的難度和節(jié)省了電路板的面積，提高了DSP系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。該DSP開發(fā)既可以采用C28x匯編，也可使用ANSI C/C++語言。此外，TI公司還提供有虛擬浮點(diǎn)數(shù)學(xué)函數(shù)庫(3G數(shù)學(xué)函數(shù)庫)、快速傅里葉變換(FFT)算法函數(shù)庫、濾波器庫等，這些函數(shù)庫的應(yīng)用大大方便和簡化了系統(tǒng)的開發(fā)[3]。
1.2 復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD
CPLD選用ISPMAC4128[4]芯片，其功能主要有：配置開關(guān)量輸入與輸出的接口、以太網(wǎng)與DSP的接口以及液晶顯示和鍵盤輸入與DSP之間的接口等。CPLD與DSP之間，通過數(shù)據(jù)線來傳遞數(shù)據(jù)和地址信息，地址線負(fù)責(zé)完成邏輯譯碼、控制整個(gè)外圍電路的工作，控制線則負(fù)責(zé)DSP與CPLD之間的同步。
1.3 數(shù)據(jù)采集電路
數(shù)據(jù)采集電路負(fù)責(zé)將系統(tǒng)所需的各模擬量信號(hào)(電壓、電流、頻率、相位等)經(jīng)測量后，轉(zhuǎn)換為與裝置系統(tǒng)相匹配的電平，通過低通模擬濾波電路，再通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后進(jìn)行處理。由于TMS320F2812芯片自帶有16通道的12 bit A/D轉(zhuǎn)換ADC，因此可以同時(shí)采樣16路模擬量。此ADC包含2路采樣保持器和一個(gè)轉(zhuǎn)換單元，可以實(shí)現(xiàn)雙通道的同步采樣，而且12 bit的采樣精度也能滿足裝置作為配電變壓器后備保護(hù)的精度要求，故不再增設(shè)專門的A/D轉(zhuǎn)換電路。
1.4 存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
雖然TMS320F2812芯片提供了18 K×16 bit的隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM和128 K×16 bit的Flash，但在微機(jī)變壓器繼電保護(hù)裝置中，由于系統(tǒng)的全部算法實(shí)現(xiàn)程序要寫入Flash，并且在裝置投入運(yùn)行后，還需要足夠的存儲(chǔ)空間用來存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)和報(bào)告，需要較大的存儲(chǔ)空間以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。因此，對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行外部的擴(kuò)展是非常必要的。而TMS320F2812提供了外部存儲(chǔ)器的擴(kuò)展接口XNTF，且尋址空間可達(dá)1 MB，非常方便進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展。
1.5 開關(guān)量輸入/輸出模塊
微機(jī)型變壓器保護(hù)裝置中，除了大量的模擬量輸入外，還有大量的開關(guān)量輸入和輸出(如觸電狀態(tài)或邏輯電平的高低等)，這就需要開關(guān)量輸入/輸出電路，將與微機(jī)型變壓器后備保護(hù)相關(guān)的外設(shè)的開關(guān)量的狀態(tài)通過開關(guān)量輸入回路送給DSP，而DSP則將相關(guān)的開關(guān)量指令輸出到開關(guān)量輸出回路。同時(shí)，為了避免外來干擾對(duì)裝置穩(wěn)定性的影響，在開關(guān)量輸入/輸出電路前均要增加光電耦合電路，使任何開關(guān)量在進(jìn)入DSP之前都要通過光電耦合電路進(jìn)行光電隔離。
1.6 開放性的通信設(shè)計(jì)
隨著電力系統(tǒng)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的通信方式已不能完全滿足微機(jī)保護(hù)裝置的通信需求。為增加裝置對(duì)于通信的兼容性，采用了以下設(shè)計(jì)：
(1)在TMS320F2812芯片內(nèi)集成串行通信接口，使裝置保留有2個(gè)帶有RS485標(biāo)準(zhǔn)的硬件接口，通過芯片的GPIO的PB12、PB13來控制RS485的接收和發(fā)送，以完成上位機(jī)和下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳遞。
(2)TMS320F2812芯片內(nèi)集成了增強(qiáng)型CAN總線通信接口，該接口與CAN2.0標(biāo)準(zhǔn)接口完全兼容，且最高可達(dá)1 Mb/s的速率[5]。
(3)TMS320F2812芯片內(nèi)沒有集成以太網(wǎng)接口，為此，本裝置擴(kuò)展了2個(gè)以太網(wǎng)接口供以太網(wǎng)通信用，使得裝置可以兼容于由以太網(wǎng)來構(gòu)架的變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)[6]。
2 軟件算法
2.1 軟件流程
裝置的軟件流程圖如圖2所示。
裝置上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，包括微機(jī)系統(tǒng)及其接口芯片、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、定時(shí)器等的初始化。初始化完成后，對(duì)系統(tǒng)硬件進(jìn)行全面的自檢，即初始化自檢。自檢不通過，則裝置報(bào)警并閉鎖保護(hù)；自檢通過，則主程序進(jìn)行運(yùn)行方式判別。主程序根據(jù)運(yùn)行方式判別的結(jié)果，分別執(zhí)行調(diào)試方式和運(yùn)行方式。若為運(yùn)行方式，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集初始化，并開放采樣中斷，進(jìn)入主循環(huán)程序。主循環(huán)程序包括自檢循環(huán)程序和故障處理程序。若無故障，則進(jìn)入自檢循環(huán)程序，主要進(jìn)行故障報(bào)告文件處理及運(yùn)行狀態(tài)自檢；若有故障，則進(jìn)入故障處理程序，在故障處理程序完成全部故障處理任務(wù)且整組復(fù)歸時(shí)間到后，執(zhí)行復(fù)歸操作，保護(hù)裝置返回到故障前的狀態(tài)，為下一次保護(hù)動(dòng)作做好準(zhǔn)備。若故障未處理完成或復(fù)歸時(shí)間未到，則回到故障處理程序繼續(xù)處理故障。
2.2 算法
考慮到在工程實(shí)際當(dāng)中的運(yùn)用，綜合比較各種算法，本裝置選用傅里葉算法作為裝置的電壓量、電流量算法。其中，半波傅里葉算法的速度較快，但從濾波效果來看，全波傅里葉算法不僅能完全濾除各次濾波分量和穩(wěn)定的直流分量，而且能較好地濾除線路分布電容引起的高頻分量，對(duì)隨機(jī)干擾信號(hào)的反應(yīng)也較小，而對(duì)于畸變波形中的基頻分量可平穩(wěn)和精確地做出響應(yīng)。此外，半波傅里葉算法的濾波效果不如全波算法，它不能濾去直流分量和偶次諧波。而且，從精度來看，由于半波傅里葉算法的數(shù)據(jù)窗只有半周，其精度低于全波傅里葉算法[7]。
因此，本裝置采用變動(dòng)數(shù)據(jù)窗的方法來協(xié)調(diào)響應(yīng)速度和精度的關(guān)系。其做法是：在啟動(dòng)元件啟動(dòng)之后，先調(diào)用半波傅里葉算法程序，為靈敏度要求低而安全裕度較大的保護(hù)提供數(shù)據(jù)，一個(gè)周波后，改用全波傅里葉算法，相應(yīng)地提高了保護(hù)的靈敏性。這樣，在保證裝置的濾波性和精確性的前提下，運(yùn)算速度也比單純采用全波算法要提高一倍[8]。
本文介紹的保護(hù)裝置中，由于采用了具有優(yōu)良的數(shù)據(jù)處理能力和高度集成化的DSP芯片，能更好地滿足保護(hù)裝置對(duì)實(shí)時(shí)性、小型化的要求；而CPLD芯片的引入，則簡化了CPU外圍電路的設(shè)計(jì)，并極大地提高了硬件部分的抗干擾能力；開放性的通信設(shè)計(jì)和以太網(wǎng)通信技術(shù)的使用，大大增強(qiáng)了裝置的兼容性，為裝置提供了可靠的數(shù)據(jù)通信。
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