《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于DSP的微機型變壓器后備保護(hù)裝置
來源:微型機與應(yīng)用2011年第13期
常強貴,張崇巍
(合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院,安徽 合肥 230009)
摘要: 隨著微機繼電保護(hù)技術(shù)的高速發(fā)展,微機繼電保護(hù)裝置已經(jīng)廣泛采用數(shù)字信號處理器。介紹了一種基于TMS320F2812芯片的微機型變壓器后備保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu)及軟件算法。
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摘  要: 隨著微機繼電保護(hù)技術(shù)的高速發(fā)展,微機繼電保護(hù)裝置已經(jīng)廣泛采用數(shù)字信號處理器。介紹了一種基于TMS320F2812芯片的微機型變壓器后備保護(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),在其正常運行中,可能會出現(xiàn)各種故障和不正常運行狀態(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、16 bit單片機、多CPU結(jié)構(gòu),再到32 bit DSP處理器構(gòu)成的微機電力變壓器保護(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)及微機保護(hù)的要求和算法的不斷加強,對于微機型變壓器保護(hù)裝置的核心(即微處理器)的性能要求也越來越高。本文對采用一種基于DSP的微機型變壓器后備保護(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定點高性能數(shù)字信號處理器,采用經(jīng)典的哈佛總線結(jié)構(gòu)和指令流水線技術(shù),保證信號處理的快速性和實時性;其內(nèi)部存儲器包括: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個獨立的、可編程的通用輸入輸出口;同時還集成有完全符合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(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,因此可以同時采樣16路模擬量。此ADC包含2路采樣保持器和一個轉(zhuǎn)換單元,可以實現(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 存儲器的擴展
 雖然TMS320F2812芯片提供了18 K×16 bit的隨機存儲器RAM和128 K×16 bit的Flash,但在微機變壓器繼電保護(hù)裝置中,由于系統(tǒng)的全部算法實現(xiàn)程序要寫入Flash,并且在裝置投入運行后,還需要足夠的存儲空間用來存儲大量的數(shù)據(jù)和報告,需要較大的存儲空間以保證系統(tǒng)的可靠運行。因此,對存儲器進(jìn)行外部的擴展是非常必要的。而TMS320F2812提供了外部存儲器的擴展接口XNTF,且尋址空間可達(dá)1 MB,非常方便進(jìn)行系統(tǒng)的擴展。
1.5 開關(guān)量輸入/輸出模塊
 微機型變壓器保護(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,為了避免外來干擾對裝置穩(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
 隨著電力系統(tǒng)自動化技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的通信方式已不能完全滿足微機保護(hù)裝置的通信需求。為增加裝置對于通信的兼容性,采用了以下設(shè)計:
 (1)在TMS320F2812芯片內(nèi)集成串行通信接口,使裝置保留有2個帶有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,以完成上位機和下位機之間的數(shù)據(jù)傳遞。
 (2)TMS320F2812芯片內(nèi)集成了增強型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,本裝置擴展了2個以太網(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,包括微機系統(tǒng)及其接口芯片、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、定時器等的初始化。初始化完成后,對系統(tǒng)硬件進(jìn)行全面的自檢,即初始化自檢。自檢不通過,則裝置報警并閉鎖保護(hù);自檢通過,則主程序進(jìn)行運行方式判別。主程序根據(jù)運行方式判別的結(jié)果,分別執(zhí)行調(diào)試方式和運行方式。若為運行方式,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)行故障報告文件處理及運行狀態(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)動作做好準(zhǔn)備。若故障未處理完成或復(fù)歸時間未到,則回到故障處理程序繼續(xù)處理故障。
2.2 算法
 考慮到在工程實際當(dāng)中的運用,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,對隨機干擾信號的反應(yīng)也較小,而對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:在啟動元件啟動之后,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)裝置對實時性、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,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)計和以太網(wǎng)通信技術(shù)的使用,大大增強了裝置的兼容性,為裝置提供了可靠的數(shù)據(jù)通信。
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