摘  要: 傳統(tǒng)電力線路微機保護中，大多采用低位單片機，其處理數(shù)據(jù)能力較低，已不能滿足保護可靠性、靈敏性要求。以DSP+FPGA為核心的控制模式，設計了線路保護裝置，可以提高系統(tǒng)運算及處理能力，并且具有與上位機通信的功能，能夠滿足微機線路保護要求。
關(guān)鍵詞： DSP； 線路保護； 人機對話； SCI

    電力線路運行中，常見故障是相間短路及接地短路。故障一旦發(fā)生，必須迅速而有選擇性地切除故障元件，以保護線路安全，這就需要微機線路保護裝置采集電網(wǎng)大量數(shù)據(jù)進行計算和判定。目前許多保護裝置CPU多為低位單片機，速度較慢，而數(shù)字信號處理器（DSP）具有強大的數(shù)據(jù)處理能力和多通道采樣能力，故取代現(xiàn)有裝置為大勢所趨。本文給出了以TMS320F2812 DSP+FPGA為控制核心的微機線路保護系統(tǒng)，并輔以人機交換模塊來實現(xiàn)對線路的保護[1]。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
    系統(tǒng)以TMS320F2812 DSP為控制核心元件，并輔以一片Xlinx公司XC3S400型FPGA作為邏輯控制，F(xiàn)PGA控制系統(tǒng)輸出D/A轉(zhuǎn)換及開關(guān)量，這樣可以節(jié)約DSP資源。系統(tǒng)外圍設備由四部分組成[2]：
    (1)故障信號采集及開關(guān)量輸入，系統(tǒng)采集電網(wǎng)A、B、C以及零序電壓和電流共8路信號進行運算和處理；DSPF2812內(nèi)部自帶12 bit單精度A/D轉(zhuǎn)換器，故不需要外擴A/D芯片。
    (2)模擬信號輸出及繼電器跳閘輸出，系統(tǒng)采用具有16 bit轉(zhuǎn)換精度DAC8532進行D/A轉(zhuǎn)換，輸出模擬信號;同時,經(jīng)過ISO124芯片隔離輸出跳閘等開關(guān)信號。
    (3)人機接口部分，系統(tǒng)采用SMG12864ZK液晶顯示屏作為人機接口輸出設備,鍵盤作為輸入設備。
    (4)SCI通信接口,應用DSP自帶SCIA接口和MAX232芯片,與上位機進行串口通信。 由于系統(tǒng)共需要1.8 V、3.3 V和5 V三個電壓等級,系統(tǒng)采用了TPS73HD318電源芯片來實現(xiàn)給系統(tǒng)供電。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 外圍硬件模塊設計
    本系統(tǒng)采用DSP+FPGA控制模式。TMS320F2812是一款高性能32 bit DSP，廣泛應用于控制領(lǐng)域，主頻達到150 MHz（6.67 ns）,可以滿足DSP對外部電網(wǎng)信號計算和處理速度的要求，并且內(nèi)部提供128 KB Flash存儲模塊。通過使用FPGA控制DAC模塊和GPIO輸出模塊，可以節(jié)約DSP資源，減少DSP控制外圍器件所消耗的時間，提高系統(tǒng)性能。外圍電路分為信號采集電路、輸出電路、人機對話單元和通訊單元。
2.1 信號采集電路設計
    通過TA/TV采集電網(wǎng)實時A/B/C及零序電流、電壓、相位角等電網(wǎng)信息，采集后電流、電壓信號均為交流信號， 而DSP中12 bit精度(可滿足保護10 P精度要求)A/D轉(zhuǎn)換器為單極性，必須對所采集交流信號進行調(diào)制，方可使用。在調(diào)制電路前需經(jīng)過I/V電路把電流信號轉(zhuǎn)為電壓信號，送入信號調(diào)制電路，該調(diào)制電路分為濾波電路、偏置電路和反相電路，如圖2所示。通過調(diào)整電路參數(shù)可以改變系統(tǒng)偏置電壓大小，使調(diào)制后直流信號嵌位于滿足F2812參考電壓0~3 V之間[3]。

    在實際應用中，由于外圍電路精度不夠，在實際中采用CJ431電路產(chǎn)生電壓基準對所采電壓信號進行校準，從而提高系統(tǒng)轉(zhuǎn)換精度，能夠精確地為DSP提供實時電網(wǎng)信號，從而進行邏輯判斷實現(xiàn)保護電網(wǎng)功能。
   系統(tǒng)開關(guān)量通過鍵盤來輸入，由5個薄膜按鍵及控制電路組成，分別控制畫面切換、畫面中行列切換和確定鍵，用于對保護參數(shù)整定和故障查詢操作。
2.2 輸出電路設計
   系統(tǒng)輸出開關(guān)量用作保護裝置跳閘及指示斷路器跳合位置等信息，通過DSP和FPGA來控制GPIO實現(xiàn)，輸出開關(guān)量時經(jīng)過隔離才能輸出使其跳閘。
    當系統(tǒng)輸入電流大于設定的定值時，GPIOA3輸出電壓3.3 V高電平，通過限流電阻加到三極管基極，從而導通三極管，使得三極管發(fā)射極和集電極等電位、電壓同時變?yōu)榈碗娖?。加在中間繼電器K1線圈上的電壓為額定導通電壓。系統(tǒng)回路導通，從而斷開負載。如果中間繼電器的常閉觸點上接的是系統(tǒng)的跳閘線圈，就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的跳閘，斷開故障電路，保護電網(wǎng)的安全運行[4]。
2.3 人機對話單元設計
    人機交互單元液晶顯示和鍵盤來實現(xiàn)，液晶顯示采用了長沙太陽人公司SMG12864ZK液晶模塊，通過液晶模塊可以實時顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)和電路參數(shù)以及事件記錄等信息，該系統(tǒng)所需5 V電源通過TPS73HD318來供給。該模塊只需11根GPIO來進行控制（8根數(shù)據(jù)線+片選+讀信號+寫信號），并不需要花費太多DSP中GPIO資源。鍵盤由5個薄膜按鍵及控制電路組成，用于參數(shù)整定和查詢。
2.4 通信單元設計
    裝置預留了上位機或其他設備間的串口通信，采用DSP外設中SCI兩個模塊中的SCIA模塊，通過與上位機連接可以進行上位機實時的電網(wǎng)信息讀取并對故障信息進行查詢，同時可以通過上位機對保護定值進行整定。
3 系統(tǒng)軟件設計
    軟件設計采用了TI公司CCS3.1編程軟件進行編制，系統(tǒng)軟件采用模塊化編程思想，主程序主要對系統(tǒng)和PIE進行初始化及調(diào)用子程序以及循環(huán)[5]。
    子程序主要分為A/D轉(zhuǎn)換子程序、跳閘子程序及人機接口和SCI子程序三部分。
3.1主程序
    系統(tǒng)編程采用模塊化思想，主程序可以實現(xiàn)系統(tǒng)的初始化以及PIE中斷的初始化和控制，且可以調(diào)用子程序和循環(huán)。具體流程如圖3所示。

3.2子程序
3.2.1 A/D轉(zhuǎn)換子程序
　    系統(tǒng)采樣信號精度直接影響著系統(tǒng)動作的可靠性，為了提高轉(zhuǎn)換的精度，系統(tǒng)每個周期采樣72個點，使其誤差控制在±2.5°的范圍內(nèi)。通過設置F2812內(nèi)部自帶事件管理器的T1進行周期匹配來觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換。同時加入A/D轉(zhuǎn)換兩路校驗基準電路CJ431轉(zhuǎn)換結(jié)果對系統(tǒng)采回結(jié)果進行校驗，從而滿足繼電保護準確性要求[6]。
　　圖4為AD轉(zhuǎn)換流程圖。其轉(zhuǎn)換結(jié)果如下，設結(jié)果寄存器轉(zhuǎn)換數(shù)字為X，輸入模擬電壓為UA0，則轉(zhuǎn)換結(jié)果X為式(1)所示。
  

3.2.2 跳閘子程序
    為了設定保護定值，首先讀取ADCRESULT寄存器中轉(zhuǎn)換結(jié)果Ｘ。
    當速斷值≤Ｘ，GPIO輸出有效，保護裝置動作，輸出速斷跳閘。
    當限時速斷≤Ｘ≤速斷值，延時t=0.5 s，GPIO輸出有效，保護裝置動作，輸出限時速斷跳閘。
    當過流≤Ｘ≤限時速斷，延時t=1 s，GPIO輸出有效，保護裝置動作，輸出過流跳閘。
    當≤Ｘ過流定值， GPIO輸出無效，保護裝置運行正常。子程序流程圖如圖5所示。

3.2.3 人機接口及SCI子程序

    人機接口程序類似F2812中XINTF對外訪問過程，本系統(tǒng)采用并行通信方式進行通信，具體顯示過程如下：片選信號GPIOB2（RS）有效后，讀寫信號GPIOB0(R/W)變?yōu)榈陀行?，并行使能信號GPIOB1(E)變?yōu)楦哂行?，?shù)據(jù)線D0～D7數(shù)據(jù)變?yōu)橛行?，對液晶屏寫?shù)據(jù)，同時調(diào)用字庫，顯示相關(guān)內(nèi)容。
    SCI通信過程如下，首先通過對GPIOMUXF4和GPIOMUXF5分別設置為專用TX和RX功能，數(shù)據(jù)格式采用空閑模式進行傳輸，以此提高其傳輸效率；采用增強型SCIFIFO，可以SCI通信時緩沖深度。
    為了使實驗結(jié)果具有模擬真實電網(wǎng)的效果，試驗時采用1.2 kW吹風機作為感性負載，當保護測試儀輸入模擬量改變時，可模擬線路三段保護。同時,在液晶顯示中可以查詢跳閘原因。本文所設計的DSP+FPGA 結(jié)構(gòu)微機線路保護裝置, 經(jīng)過多次實驗表明, 該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠, 可完成大多數(shù)常用的保護功能,能夠達到線路保護可靠性、靈敏性和速動性的基本要求。
參考文獻
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[3] 孫肖子.電子設計指南[M].北京：高等教育出版社,2006.
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[6] 周蕓,楊獎利,路青起.基于TMS320F2812的線路保護系統(tǒng)[J].高壓電器, 2005,41(4):289-291.