微機(jī)保護(hù)裝置硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)范文

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摘要：隨著現(xiàn)場(chǎng)對(duì)高壓微機(jī)保護(hù)裝置性能要求的不斷提高，以及軟、硬件技術(shù)發(fā)展的自身需要，在總結(jié)和繼承微機(jī)保護(hù)裝置成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)開發(fā)了運(yùn)算dsp加邏輯mpu控制單元的新型硬件平臺(tái)系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了dsp運(yùn)算能力強(qiáng)和mpu邏輯功能強(qiáng)、外圍資源豐富等各自優(yōu)點(diǎn)，且采用大容量外圍存儲(chǔ)芯片，從而保證了高壓保護(hù)裝置實(shí)現(xiàn)高速采樣、實(shí)時(shí)并行計(jì)算、程序面向?qū)ο竽K化編程、故障處理報(bào)告詳細(xì)全程跟蹤、采用復(fù)雜先進(jìn)保護(hù)原理等功能，并且具有足夠的硬件資源冗余度。本文詳細(xì)介紹了該硬件平臺(tái)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想、技術(shù)特點(diǎn)和工作原理，最后介紹了基于此硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)高壓微機(jī)線路保護(hù)的應(yīng)用實(shí)例。

關(guān)鍵詞：微機(jī)保護(hù)；硬件平臺(tái)

中圖分類號(hào)：

1引言

目前，微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品在繼承常規(guī)保護(hù)成熟的技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，其智能化的特點(diǎn)日益突出，這不僅更好地滿足了電力系統(tǒng)對(duì)可靠性和安全性的要求，而且為保護(hù)的測(cè)試試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)帶來(lái)了更多的便利，因此，智能化微機(jī)保護(hù)產(chǎn)品在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。按照文獻(xiàn)[4]的劃分，微機(jī)保護(hù)裝置經(jīng)歷了三代的發(fā)展，許多傳統(tǒng)保護(hù)中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新技術(shù)在目前的數(shù)字保護(hù)裝置中得以成功的應(yīng)用。盡管如此，隨著電力系統(tǒng)對(duì)微機(jī)保護(hù)裝置性能的要求不斷提高、保護(hù)原理和算法的研究和發(fā)展、硬件產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步，以及微機(jī)保護(hù)運(yùn)行環(huán)境的更為復(fù)雜和嚴(yán)酷，研究設(shè)計(jì)新型的、高可靠的硬件平臺(tái)系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急；硬件平臺(tái)系統(tǒng)作為保護(hù)原理的載體和實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)全部功能的基礎(chǔ)，其研制和開發(fā)必將推動(dòng)繼電保護(hù)領(lǐng)域整體技術(shù)水平的提高，從而為國(guó)家電力系統(tǒng)智能化建設(shè)作出重要貢獻(xiàn)。

我們?cè)诜治龊臀諊?guó)內(nèi)外同行廠家微機(jī)保護(hù)裝置先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了一套適用于高壓保護(hù)裝置的硬件平臺(tái)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用dsp（tms320c32）+mpu（mc68332）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，兩者通過(guò)雙口ram來(lái)交互協(xié)同工作。本文將系統(tǒng)地闡述此平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想、整體結(jié)構(gòu)、組織原理，并介紹了所選運(yùn)算dsp和邏輯mpu芯片的特點(diǎn)。最后通過(guò)實(shí)例：基于此硬件平臺(tái)開發(fā)的高壓線路保護(hù)裝置的試驗(yàn)及動(dòng)模情況，說(shuō)明了此平臺(tái)的先進(jìn)性。

2硬件平臺(tái)總體設(shè)計(jì)

2.1整體平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓保護(hù)裝置一般都采用多保護(hù)板加通訊處理板模式，通過(guò)內(nèi)部通訊網(wǎng)來(lái)聯(lián)系各板信息。隨著時(shí)代、技術(shù)等方面的不斷發(fā)展，保護(hù)功能要求越來(lái)越高，保護(hù)原理越來(lái)越完善，同時(shí)為便于事故后分析，報(bào)告、故障電量等信息要求越來(lái)越詳細(xì)，以求確切地感知不同階段保護(hù)中各模塊的響應(yīng)行為。上述種種原因決定了目前各有功能傾向的單cpu結(jié)構(gòu)不能很好地滿足實(shí)際需求，鑒于此我們?cè)O(shè)計(jì)了雙cpu（dsp+mpu）結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)圖如圖1所示。

硬件平臺(tái)系統(tǒng)主要包括兩部分：基于tms320c32的運(yùn)算處理單元和基于mc68332的邏輯控制單元。運(yùn)算處理單元任務(wù)定位于模擬量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、功能模塊運(yùn)算等功能；邏輯控制單元定位于保護(hù)邏輯判斷、開入量檢測(cè)、開出控制，以及監(jiān)控等功能。采用這種mpu+dsp結(jié)構(gòu)，充分利用了dsp適于數(shù)據(jù)處理優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，也充分發(fā)揮了mpu豐富的i/o引腳、較強(qiáng)的邏輯處理能力，以及強(qiáng)大的通訊處理功能。

圖1硬件平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1運(yùn)算單元區(qū)設(shè)計(jì)方案

運(yùn)算單元區(qū)主要由tms320c32、ram、flash、a/d、epld等器件構(gòu)成。此區(qū)核心器件tms320c32芯片為tms320c3x系列中的一款，是ti公司1995年推出的32位浮點(diǎn)型dsp。該芯片內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、特殊的并行指令、專用的硬件乘法器等適宜于數(shù)據(jù)運(yùn)算的設(shè)計(jì)，這種特殊的硬件結(jié)構(gòu)使得tms320c32的處理能力達(dá)到60mflops/30mips(每秒60兆次浮點(diǎn)運(yùn)算或30兆條指令)。它采用增強(qiáng)型存儲(chǔ)器接口，并具有靈活的數(shù)據(jù)/地址總線，可充分利用存儲(chǔ)空間，增加了設(shè)計(jì)的靈活性，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。

運(yùn)算單元區(qū)的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分采用maxim公司生產(chǎn)的14位逐次逼近型、2×4通道、帶采樣保持器的a/d芯片。改變了原來(lái)的多路開關(guān)切換的方式，減小了各模擬量之間不同步性。此單元區(qū)的譯碼、ad定時(shí)轉(zhuǎn)換啟動(dòng)等功能完全由可編程邏輯器件epm7128實(shí)現(xiàn)，這樣既簡(jiǎn)化了印制版的設(shè)計(jì)，提高了電路設(shè)計(jì)的靈活性，又簡(jiǎn)化了程序軟件的邏輯設(shè)計(jì)。從而在保證采樣高可靠性的同時(shí)，節(jié)省了dsp的處理時(shí)間。

2.1.2邏輯控制單元區(qū)設(shè)計(jì)方案

邏輯控制單元區(qū)主要由mc68332、ram、flash、eeprom、epld、秒脈沖對(duì)鐘電路、標(biāo)準(zhǔn)232維護(hù)口、開入開出電路，以及通信電路構(gòu)成。此區(qū)核心器件mc68332是由motorola公司生產(chǎn)的32位微處理器，它采用hcmos技術(shù)和精簡(jiǎn)的指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（risc）技術(shù)，數(shù)據(jù)處理能力達(dá)32位，因而具有較高的執(zhí)行速度、較高的穩(wěn)定性和很強(qiáng)的邏輯處理能力。軟件看門狗、豐富的i/o口、可掉電保持的2k片上ram、qspi等豐富的控制功能使mc68332是一款非常適合控制領(lǐng)域的高性能芯片。

邏輯控制單元區(qū)的開出電路由epld和光電隔離器構(gòu)成。通信電路由uart芯片及epld硬件設(shè)計(jì)的hdl協(xié)議構(gòu)成的fdk_bus（本公司自主開發(fā)的一種局域總線)板間通信網(wǎng)絡(luò)。秒脈沖對(duì)鐘電路利用tpu口檢測(cè)秒脈沖的觸發(fā)沿獲得gps秒脈沖，保證了板級(jí)對(duì)鐘精度，為系統(tǒng)的故障分析提供了統(tǒng)一的時(shí)鐘。flash用于保存程序代碼，eeprom用于保存定值、程序的crc校驗(yàn)碼、故障報(bào)告、擾動(dòng)數(shù)據(jù)和裝置的事件記錄等。標(biāo)準(zhǔn)232維護(hù)口為程序調(diào)試提供了方便。

2.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

采用這種dsp+mpu的平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按照設(shè)計(jì)的功能分工：dsp來(lái)完成數(shù)據(jù)處理運(yùn)算，如：數(shù)字濾波、相量計(jì)算、故障分量提取等，以及保護(hù)功能相對(duì)獨(dú)立模塊的處理，如：六個(gè)阻抗的計(jì)算、各序量方向元件計(jì)算、各阻抗區(qū)域判別等；而mpu來(lái)完成電力系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)，根據(jù)不同的狀態(tài)，按照保護(hù)邏輯方案來(lái)組織運(yùn)算單元的計(jì)算結(jié)果以及開入量等，最終根據(jù)邏輯結(jié)果作相應(yīng)控制，另外此單元區(qū)還實(shí)現(xiàn)所有的監(jiān)控功能。兩cpu相對(duì)獨(dú)立，同時(shí)兩者相互監(jiān)視是否正常運(yùn)行；兩者之間唯一的聯(lián)絡(luò)方式通過(guò)雙口ram來(lái)完成。由此有機(jī)地組成一個(gè)功能分布、協(xié)同運(yùn)行的整體系統(tǒng)。

系統(tǒng)具體的組織方式為：運(yùn)算單元區(qū)a/d所有通道轉(zhuǎn)換完成后以中斷方式激發(fā)dsp采樣中斷，dsp響應(yīng)外部中斷用dma的方式讀走原始采樣數(shù)據(jù)；dsp在獲得采樣數(shù)據(jù)后，將采樣數(shù)據(jù)精加工，并利用最新數(shù)據(jù)運(yùn)算所有的功能模塊，然后將采樣數(shù)據(jù)、加工后數(shù)據(jù)，以及各模塊接口信息放到雙端口ram中；運(yùn)算處理單元通過(guò)郵箱機(jī)制，使雙端口ram在對(duì)側(cè)產(chǎn)生一個(gè)中斷電平通知邏輯控制單元；邏輯控制單元在響應(yīng)外部中斷電平后，將雙端口ram中信息讀出，置于自身數(shù)據(jù)區(qū)域中；最后邏輯控制單元采用最新數(shù)據(jù)執(zhí)行所有的邏輯控制。

通過(guò)這樣的平臺(tái)設(shè)計(jì)和任務(wù)分配，在大幅度提高采樣頻率的同時(shí)，能夠保證保護(hù)軟件功能在一個(gè)采樣間隔執(zhí)行一遍，從而真正實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，最終提高了保護(hù)裝置的整體性能。

3平臺(tái)在高壓線路保護(hù)中的應(yīng)用

此硬件平臺(tái)系統(tǒng)豐富的硬件資源和冗余設(shè)計(jì)符合當(dāng)今各保護(hù)裝置硬件平臺(tái)統(tǒng)一的設(shè)計(jì)思想，滿足于各種高壓保護(hù)產(chǎn)品開發(fā)。為檢測(cè)此平臺(tái)系統(tǒng)的可行性，以及其各方面的性能指標(biāo)，我們以高壓線路保護(hù)裝置（df3621）的實(shí)際開發(fā)經(jīng)歷來(lái)加以說(shuō)明。

df3621適用于220kv~500kv輸電線路，包括縱聯(lián)距離構(gòu)成的全線速動(dòng)主保護(hù)，三段式相間距離和接地距離及四段靈敏段和兩段不靈敏段的零序方向保護(hù)構(gòu)成的后備保護(hù)，并可配備綜合自動(dòng)重合閘功能。在硬件分配上具有創(chuàng)新特色：

整套裝置保護(hù)采用兩塊完全一樣的保護(hù)插件i和ii雙重配置，即主、后備保護(hù)集成于一體。重合閘采用單獨(dú)保護(hù)插件iii來(lái)實(shí)現(xiàn)。這樣配置既保證了現(xiàn)有高壓線路保護(hù)裝置中的啟動(dòng)采用三取二方式的優(yōu)點(diǎn)，又能夠保證最大程度上的熱備用，即使插件i和ii之一因故退出后，仍具備完整的保護(hù)功能。

由于硬件平臺(tái)運(yùn)算能力的極大提高，以及外圍存儲(chǔ)器件空間的富裕，df3621采用面向?qū)ο竽K化編程，對(duì)各功能子模塊實(shí)行封裝，邏輯控制mpu僅能訪問(wèn)模塊的接口信息，確保了整體可靠性。為提高裝置對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)能力，以及滿足某些智能算法和邏輯控制的要求，裝置模擬通道采用2000hz的采樣速率。另外，為了便于分析保護(hù)的動(dòng)作行為，保護(hù)故障處理程序采用透明化報(bào)告機(jī)制，能夠?qū)崿F(xiàn)各功能模塊的狀態(tài)跟蹤，為故障后保護(hù)動(dòng)作行為分析提供了有利信息。

此線路保護(hù)裝置已經(jīng)順利通過(guò)電磁兼容測(cè)試，rtds數(shù)字動(dòng)模和傳統(tǒng)動(dòng)模測(cè)試，表明此硬件平臺(tái)系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)能夠滿足于高壓保護(hù)裝置的要求。

4結(jié)語(yǔ)

本文提出了一套適合于高壓保護(hù)裝置的新型的運(yùn)算單元加邏輯控制單元的硬件平臺(tái)系統(tǒng)，該系統(tǒng)既充分發(fā)揮了dsp適于各種數(shù)據(jù)處理的功能，又充分發(fā)揮mpu豐富的i/o引腳和強(qiáng)大邏輯控制能力的特點(diǎn)，為保護(hù)產(chǎn)品模塊化設(shè)計(jì)、采用高級(jí)語(yǔ)言，以及引入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)提供了必要的硬件基礎(chǔ)。本文就此平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想、各功能區(qū)部件的選擇和實(shí)現(xiàn)，以及整體組織方式給予了詳細(xì)闡述，并在此基礎(chǔ)上給出了此平臺(tái)的應(yīng)用實(shí)例。

總結(jié)微機(jī)保護(hù)裝置開發(fā)、設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)，我們深刻感受到，適應(yīng)時(shí)代、技術(shù)等方面不斷發(fā)展的需求，在繼承傳統(tǒng)產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，研制和開發(fā)新型的硬件平臺(tái)系統(tǒng)是必要的。在保證可靠性、快速性、穩(wěn)定性等原則的前提下，提供更豐富的硬件資源，使保護(hù)裝置開發(fā)中的先進(jìn)保護(hù)原理以及更高要求的實(shí)現(xiàn)不再受硬件條件的限制、滿足各種保護(hù)裝置的開發(fā)、為維護(hù)和升級(jí)提供了極大便利。

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