摘 要: MCF5272是一種帶以太網(wǎng)接口的32位RISC微處理器，介紹了其在光纖數(shù)字化保護裝置" title="保護裝置">保護裝置中的應用。
關(guān)鍵詞: MCF5272 光纖通信 微機保護
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利用日趨成熟的光電傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電磁互感器, 用數(shù)字化光纖通信技術(shù)取代傳統(tǒng)金屬電纜進行信息傳送，不僅可大幅提高數(shù)據(jù)傳輸量，使通信更可靠、快速，而且更有利于繼電保護和控制功能的實現(xiàn)。隨著這種光電傳感技術(shù)和光纖通信技術(shù)的快速發(fā)展，采用光纖數(shù)字化微機保護裝置" title="微機保護裝置">微機保護裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬量輸入的微機保護裝置也將會成為未來發(fā)展的必然趨勢。本文介紹一種基于MCF5272的光纖數(shù)字化微機保護裝置，該裝置采用了雙CPU結(jié)構(gòu)，其中主保護CPU采用MCF5272，負責完成接收采樣值及保護計算的任務；監(jiān)控CPU采用80C196KC，主要負責人機接口" title="人機接口">人機接口和通信功能。兩個CPU之間通過雙口" title="雙口">雙口RAM來交換數(shù)據(jù)。本套裝置具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、抗干擾性強的特點，對實現(xiàn)電網(wǎng)保護的光纖傳輸有著重要意義。
1 MCF5272簡介
MCF5272微處理器是摩托羅拉公司迄今為止推出的最高集成度的ColdFire微處理器之一。憑借附加的10/100M以太網(wǎng)控制器和一個USB模塊，MCF5272集成通信微處理器將ColdFire系列的集成水平提升得更高。MCF5272擴展的外圍設備組及其誘人的價格使它成為一款適用于各類嵌入式應用的優(yōu)秀設備，特別在開發(fā)不同功能的低端網(wǎng)絡產(chǎn)品中得到了廣泛應用。
MCF5272集成了功能強大的快速以太網(wǎng)存取控制器(MAC)；支持三種不同的網(wǎng)絡物理接口(100Mbps MII，10Mbps MII和10Mbps7線)，可以適應不同的接口需求；在大于50MHz的時鐘頻率下，半雙工傳輸速度可達到100Mbps。
MAC總共有448個字節(jié)的FIFO緩沖區(qū)，這些緩沖區(qū)并不固定地分配為接收緩沖區(qū)或發(fā)送緩沖區(qū)，而是通過芯片配置在這二者之間自由地分配。由于本套微機保護裝置的光纖接口只是單向接收數(shù)據(jù)，并不發(fā)送，因此可以在448個字節(jié)范圍內(nèi)根據(jù)自己的需要配置接收緩沖區(qū)的大小。這樣就能夠大幅提高CPU總線延遲時間的允許范圍，減輕CPU處理傳輸數(shù)據(jù)的負擔。
MCF5272為32位RISC微處理器，RISC的關(guān)鍵技術(shù)在于流水線操作，即在一個時鐘周期內(nèi)完成多條指令，在使用相同的晶片技術(shù)和相同運行時鐘下，RISC系統(tǒng)的運行速度將是CISC系統(tǒng)的2～4倍。MCF5272在66MHz下典型操作速度為63MIPS(MIPS：每秒一百萬條指令)，而且MCF5272的V2內(nèi)核還集成了乘法及累計單元，可在一個單指令周期內(nèi)完成16×16位的乘法指令，這樣高的計算速度可以大大縮短保護計算的時間，提高保護裝置的保護性能。由于光纖傳輸系統(tǒng)中，保護裝置與前端信息合并單元是采用光纖以太網(wǎng)連接，為了增強系統(tǒng)的可靠性，MCF5272以其強大的以太網(wǎng)接口，超高速的計算能力，低廉的價格成為本套保護裝置理想的微處理器。
2 硬件設計
對光纖保護裝置來說，它的采樣值輸入設備為裝置在外部、數(shù)字式輸出的電子式光纖電力互感器，如圖1所示。各個光纖電力互感器將數(shù)字式采樣值數(shù)據(jù)分別傳送至信息合并單元，信息合并單元將各路數(shù)據(jù)進行匯總后做同步處理，再將這些數(shù)據(jù)打包校驗，以串行的方式發(fā)送出去。保護裝置最后通過光電轉(zhuǎn)換接口接收前端信息合并單元傳送過來的數(shù)字式電量采樣值。
按照IEC 61850-9中的建議，光纖數(shù)字化保護裝置與前端的信息合并單元采用IEEE 802.3以太網(wǎng)協(xié)議傳輸采樣值數(shù)據(jù)，其傳輸媒介為多膜光纖。在這里，保護裝置只是通過光纖接口單向接收采樣數(shù)據(jù)，因此在光纖通道上不會出現(xiàn)信道沖突的問題，有效保證了傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)應用層的標示格式采用與IEC 61850-9-1相一致的格式，它允許測量值超過正常值的10 000倍而不會發(fā)生溢出。
光纖數(shù)字微機保護裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由以下幾部分組成：光電轉(zhuǎn)換模塊單元、開關(guān)量輸入單元、中央處理單元(MCF5272和80C196KC)、出口繼電器單元、人機接口(鍵盤及顯示)及串行通信" title="串行通信">串行通信單元。
(1)中央處理單元。它是整個保護裝置的核心，主要負責對數(shù)字信號的處理、判斷并發(fā)出相應的指令。中央處理單元采用雙CPU系統(tǒng)，分別為保護CPU系統(tǒng)和監(jiān)控CPU系統(tǒng)。保護CPU系統(tǒng)采用MCF5272，負責接收采樣值和保護計算等功能；監(jiān)控CPU系統(tǒng)采用80C196KC，負責人機接口、實時通信等功能，同時也完成本裝置的監(jiān)控測量工作。兩個CPU之間通過雙口RAM來實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。當保護動作時，通過雙口RAM將相應的保護動作信息傳遞給監(jiān)控CPU系統(tǒng)，監(jiān)控CPU將所接收到的數(shù)據(jù)傳送給顯示接口，同時發(fā)送給上位機。
每個CPU系統(tǒng)都有自己的看門狗復位電路，這使得系統(tǒng)能更可靠地工作。兩個CPU系統(tǒng)均有掉電存儲芯片存儲各系統(tǒng)的定值，當程序跑飛或死機時，看門狗能使系統(tǒng)自動復位。
(2)光電轉(zhuǎn)換模塊單元。單元對于光纖數(shù)字化保護裝置來說，由光纖接口傳送進來的采樣值都是濾去了高次諧波的數(shù)字量采樣值，傳統(tǒng)微機保護裝置中的模擬輸入模塊、模擬低通濾波模塊、采樣及A/D轉(zhuǎn)換模塊所要完成的功能在這里都已經(jīng)由裝置外部的智能電子設備完成。因此，在本套微機保護裝置中去掉了這些模塊，取而代之的是一個“光收發(fā)合一模塊”。該模塊結(jié)構(gòu)小巧，負責光電轉(zhuǎn)換的工作，將前端信息合并單元傳送過來的光信號采樣值轉(zhuǎn)換為電信號采樣值，并將這些采樣值送至MCF5272的以太網(wǎng)接口交由MCF5272來處理判斷。
(3)開關(guān)量輸入單元。用于檢測外部開關(guān)狀態(tài)量。為了抗干擾，各路外部輸入均裝有光電隔離，使外部開關(guān)量與CPU之間沒有直接電的聯(lián)系，增強了系統(tǒng)的可靠性。
(4)出口繼電器單元。該單元的主要功能是跳閘、合閘。為保護裝置的出口執(zhí)行部分，包含了所有出口繼電器和信號繼電器，每個繼電器均通過光電隔離和功率放大來驅(qū)動。
(5)人機接口及串行通信接口。包含了鍵盤、液晶顯示屏(LCD)和信號指示燈等部分。該部分在空間上占有很大的面積，但所包含的元器件卻很少，主要是用作操作者與裝置之間交互信息。
(6)串行通信采用RS485/RS422通信接口，直接與通信管理機連接。
從以上可知，光纖數(shù)字化微機保護裝置與傳統(tǒng)的微機保護裝置在硬件結(jié)構(gòu)上大體相同，但是由于采樣方式上的差異而又有所不同。
3 軟件設計
傳統(tǒng)的保護裝置的采樣模塊內(nèi)嵌在裝置內(nèi)部，微處理器一般是設置一個時鐘中斷來定時進行A/D采樣，其采樣過程是一個“主動”的過程，保護裝置可以根據(jù)自己的需要完全掌握采樣的時間間隔，也可以根據(jù)A/D采樣芯片的配置來設置采樣值的數(shù)據(jù)格式。而本微機保護裝置的采樣過程是由外部電子設備來完成的，采樣值數(shù)據(jù)按照一定的傳輸協(xié)議由光纖接口傳送過來，保護裝置只是“被動”地接收。因此使其裝置的結(jié)構(gòu)更加簡單、輕巧。更為重要的是，保護裝置獲取采樣值的時間將大大縮短，從而留給CPU更多的時間進行保護計算等實時任務，大大提高了裝置的實時性。
在裝置中采用了雙CPU結(jié)構(gòu)，為了保證保護要求中的快速性，把實時性較強的接收采樣值和保護計算、判斷出口功能由MCF5272來實現(xiàn)。本套保護裝置目前應用于110kV高壓輸電線路的保護，配置了完整的三段相間和接地距離保護、四段零序方向過流保護和低周減載保護。由于MCF5272具有超高速的運算能力，在每周波24點采樣率的前提下，可以在以太網(wǎng)接收一個完整采樣值數(shù)據(jù)幀的間隔時間內(nèi)完成全部的保護計算工作，而且MCF5272還有足夠大小的以太網(wǎng)接收緩沖區(qū)，允許有一定的總線延遲時間而不會造成采樣數(shù)據(jù)的丟失，因此，將以太網(wǎng)接收采樣值、保護計算、出口判斷處理放在一個子程序中，采用以太網(wǎng)接收中斷方式來響應子程序，從而大大提高了整個裝置保護出口的實時性。
保護系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示。程序中上行數(shù)據(jù)處理部分功能是要把MCF5272的處理數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，下行命令處理功能是要把雙口RAM中來自80C196KC的監(jiān)控命令取出并執(zhí)行。
80C196KC是作為從CPU完成一些人機接口、串行通信的輔助工作。為了保證實時性，在其主程序循環(huán)中設置了鍵盤響應中斷和串行通信接收中斷。為了避免中斷處理時間過長影響其他任務的執(zhí)行，將中斷任務設置得盡量簡單，只是將鍵盤輸入和串行通信接收字符存放在對應的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，其他的任務就等待主程序循環(huán)中的相應子程序來完成。
監(jiān)控系統(tǒng)的主程序框圖如圖4所示。程序中上行命令處理部分功能是將80C196KC的監(jiān)控命令寫入雙口RAM，下行數(shù)據(jù)處理部分功能是將來自MCF5272的處理數(shù)據(jù)讀入80C196KC。
本文介紹了一種光纖數(shù)字微機保護裝置，它采用了新型的帶以太網(wǎng)接口的32位RISC微處理器，將現(xiàn)代光纖通信技術(shù)與微機保護裝置結(jié)合起來，大大提高了采樣數(shù)據(jù)的實時性、抗干擾性。具有更加廣泛的適應性。較之傳統(tǒng)的保護裝置，本套裝置結(jié)構(gòu)更加簡單、性能更加可靠。
參考文獻
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