利用DSP处理器研制电力保护装置

利用DSP处理器研制电力保护装置

摘要研究当前国内微机保护装置，并认真分析供电公司内现有的以80C196为控制器的电力保护装置的基础上，设计一种集成性更强，功能更强大的基于DSP的电力保护装置。

关键词电力；保护装置；DSP处理器

1继电保护的发展概况

继电保护技术以其性能稳定、功能强大等独特的优点在电力系统自动化的发展中占有举足轻重的位置，而电力系统的飞速发展又不断对继电保护提出新的要求。

70年代初期，微型计算机技术的重大突破带动了微机型继电保护的研究高潮，我国计算机继电保护的研究，虽然起步较晚，但进步很快，并卓有成效。时至今日，微机保护技术已在我国取得了很大的成功，并成为继电保护技术发展的不可逆转的潮流和趋势。在我国，微机继电保护的发展大体上经历了以下几个阶段：

1）第一阶段以单CPU的硬件结构为主，数据采集系统由逐次逼近式A/D模数转换器构成，硬件及软件的设计符合“四统一”设计标准，其代表产品为微机高压轴电线路保护装置。

2）第二阶段以多单片机构成的多CPU硬件结构为主，数据采集系统为电压频率转换原理的计数式数据采集系统，硬件软件的设计吸取了第一代微机保护装置成功运行经验，利用多CPU的特点，强化了自检和互检功能，使硬件故障可以定位，对保护的跳闸出口回路，具有完善的抗干扰措施以及防止拒动与误动的措施。

3）第三阶段以高性能的16位单片机构成的硬件结构为主，具有总线不需引出芯片，电路简单的特点，抗干扰性能进一步加强，并且完善了通信功能，为实现变电站自动化提供了方便。

2继电保护的趋势展望

继电保护技术未来的发展趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。

随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断进步。现在以32位数字信号处理器（DSP）为基础的保护、控制、测量一体化微机装置已经研制成功并广泛地投入使用。采用32位微机芯片不仅仅在精度上有很大的提高，更重要的是32位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度，很大的寻

址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出接口。电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理能力，强大的通信功能，与其它保护，控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，这就要求微机保护装置具有相当于一台PC机的功能。现在，同微机保护装置大小相似的工控机在功能、速度、存储容量和可靠性等方面已得到了巨大的发展，成本大大降低，因此用成套工控机来做继电保护硬件装置的时机已经成熟，这将是微机保护未来的发展方向之一。同时微机保护装置的网络化可大大提高继电保护的性能，这也是微机保护发展的必然趋势。目前，为了测量、保护和控制的需要，这种分层分散式的自动化系统也将是变电站综合自动化系统的发展趋势。

近年来，人工智能如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已经开始。自适应继电保护是20世纪80年代提出的研究课题。其基本思想是利用各种数字信号处理方法、数学分析工具和人工智能技术，获得合适的有关系统运行方式、系统故障情况等方面的信息，对保护动作定值和特性等进行自适应的调整，对故障类型自动诊断，用适当的处理方式对故障系统采取措施，从而提高保护的动作性能。可以预见，人工智能技术在继电保护领域必将会得到越来越广泛的应用，以解决用常规方法难以解决的问题。

3电力保护装置基本结构

本系统由交流插件、CPU插件、输入输出插件、通讯模块这些基本模块组成。电源模块的功能是给系统提供电源，由外间的交流电变而来。交流模块主要是给电力保护系统提供模拟量的转化和输入，系统根据采集的数据通过给定的算法来判断保护与否。CPU模块在此有CPU1和CPU2两部分，在制板时考虑到干扰问题将他们放到一块板子上，他们是系统的核心部分。输入输出部分主要包括：扩展ST16C552的输出、开入开出、键盘输入断口、预留插口等。结构如图1所示。

3.1CPU插件

CPU插件主要由CPU电路、复位电路、电源回路和模数变换电路四部分组成。

1）CPU电路。CPU电路主要由TMS320U02和ISPLSI1016（1032）及其附属电路组成。前者是由TI公司推出的一款高性能的16位数字信号处理系统。

图2中，TMS320U02的数据总线通过电平转换芯片SN74LVC4245A与外部相连，由于地址总线是只输出不输入所以可以不加电平转换芯片直接与外部相连，TMS320R02的控制线全部经由IspLSI1016（保护电路是1016，监控电路是1032）扩展，其它的扩展都由电平转换芯片SN74LVC4245A引出，如图2所示。

Flash芯片用来存储程序，上电后根据选择模式DSP会自动的将程序读入DSP内部高速RAM中，然后按程序运行。

62256芯片用来扩展数据存储，采集的数据和运算过程中产生的数据将存储在此。

A/D用的是TLC38串行通讯的14位模数转换芯片，它与CPU是通过缓冲串口相连。

2）复位电路。保护用CPU和监控用CPU插件上都有一个复位电路，它们的电路原理图是一样的，主要由MAX706及其相应的控制电路组成。

MAX706是美国MAXIM公司推出的微处理器/单片机系统监控集成电路，具有系统复位、“看门狗”定时输出、电源电压监测等多种功能。

当VCC低于复位于限时，MAX706的/RESET引脚为低电平，与TPS7017的/RS2脚相连，TPS70171的/RESET与TMS320V02的/RESET项相连后就能使整个系统复位，完成低电压监测的功能。

除了低电压低能使/RESET引脚输出低电平以外，当在/MR引脚上加一个宽度不小于140ms的低电平，且不论其是否回到高电平都能在/RESET脚上输出宽度不小于200ms的负脉冲，使系统进入复位状态。/MR脚与面板上的RESET按健相连，当闭合复位按键时，/MR脚为低电平，即完成手动复位的功能。此外，在本装置的复位电路中，把/MR与/WDO两个引脚连接在一起，如果在1.6s的时间内微机不触发“看门狗”输入脚WDI，且该脚不处于浮空状态，则引脚/WDO将输出低电平，/MR脚亦为低电平，从而使/RESET脚输出低电平，达到使系统复位的目的。触发看门狗的方法是在WDI引脚上加一个正脉冲，如果两次正脉冲的时间间隔不大于1.6s，则/SDO引脚永远为高电平，说明微机程序执行正常，一旦干扰信号改变了程序计数器的内容引起微机程序跑飞，就不可能按时在WDI引脚上输入正脉冲，系统便会自动复位。

3）模数变换电路。模数变换电路部分主要由TLC38及其相应的控制电路构成。TLC38是美国TI公司推出的集多路开关、采样保持、14位A/D转换、基准电源等于一体的14位串行接口A/D转换器。该转换器由+5V单电源供模拟部分用电，2.7V～5.5V电源供数字电路用电，提供8个模拟输入通道，并可地由软件编程，以得到多种模拟输入范围（±10V、±5V、0～±10V、0～±5V）其中任何通道的故障将不影响选定通道的变换结果。A/D转换时间为5US，采样速度高达200Ksps。

TLC38的数据采集由写操作启动，通过写入控制字节可选择多路转换器的通道（A0~A7）。在变换周期内写入一个新的控制字节将使变换中止，并开始一次新的采集过程。

4）电源回路。TPS70151器件提供完全的电源管理为DSP处理器，处理器

电源，ASIC，EPGA和数字应用器件，这些器件都需要两种电压输出调节器。

TPS70151电源芯片具有如下特点：①提供两种电压输出；②直流输出500mA和250mA两种电流；③对电压变化能够快速的反应；④电压选项有四种格式；⑤在温度和负载范围内可以达到2%的精度；⑥具有程序化的功能。

3.2交流插件

电力保护装置中设有两块电路原理完全相同的电流电压变换插件，变换后的模拟量分别供给保护用APU（A插件）和监控用CPU（B插件）。A插件装有10路模拟量输入变换器（YB，LB）分别用于UA、UB、UC、UA1、UB1、UC1、UA2、UB2、UC2和3U0的输入变换，B插件装有7路模拟量输入变换器（YB，LB）分别用于UA、UB、UC、IA、IB、IC和3U0的输入变换。

1）开入逻辑电路。8路开入量均为外部空触点，开入专用电源，由电源插件上的+24V电源提供，也可由外部直流电源供电，只要相应地调整电阻R1的大站，保证回路中的电流在10mA左右即可。

当外加电压的微小变动会使压敏电阻阻值发生明显的变化。在正常工作情况下，压敏电阻呈现高阻状态，仅有微安数量级的漏电流，相当于开始；当回路中出现过电压时，压敏电阻阻值迅速降低，电流急剧上升，相当于过电压部分被短路。利用压敏电阻的上述特性来吸收各种干扰过电压，保证整个装置的安全。

正常工作情况下，二级管反向截止，近似于开路，当电源和地反接时，正向阻值很小，相当于短路，以保证后续的光隔不被反向电压击穿而损坏。

四通道的光电耦合器，当外部接点闭合时，发光二极管和光敏三极管都导通，输出低电平，反之则输出高电平，其作用主要有以下两点：①由于输入与输出在电气上是完全隔离的，因此夹杂在输入开关量中的各种干扰脉冲不能进入输出侧，达到抑制共模干扰的目的；②由于它的输入与输出回路之间有很高的耐压值，因此能起到很好的安全保障作用。

2）开出逻辑电路。每路开出量的控制回路相同，二极管导通，继电器线圈励磁以使其触点闭合，从而完成一次完整的动作过程。一个六通道的反向器和一个六通道的与非门，它们的组合能减少CPU误发命令的可能，提高整个装置的可靠性。小型继电器，它的作用主要有以下两点：①继电器的线圈与触点之间没有电气上的联系，从而避免了强电和弱电之间的直接接触，实现了输入与输出之间的抗干扰隔离；②继电触点的负载能力远远大于光电耦合器件，一般能直接驱动动力回断，由于它的线圈是一个感性负载，电流不能突变，此时二极管提供的续流回路就能保护电路中的元器件不被反电势击穿。

3.3通讯接口模块

为了减轻微机保护装置中微处理器的负担，一般不由它单独承担人机交互和

文档管理任务，而是通过通信接口与上层管理机或调试用微机交换，诸如整定值、采样值报告、故障报告、硬件测试命令与结果，以及一些实时测量参数等信息。目前常用的通信接口有RS-232（需光隔）、RS-422/485以及Lonworks、CAN、GPIB等工业局域网。由于扣几者利用硬件自动实现检错、纠错、重发等差错控制功能，因而在具有较高传输速率的同时也有效地降低了误码率。此外，通过提供用户编程接口，极大地简化了通信软件的开发工作。在几种工业局域网中，CAN的实现方式最为简单，成本最低且作为无主网络，增减结点也非常方便，因而非常适合在机组保护装置中应用，因此我们选择RS-232（需光隔）和RS-422/485通讯方式。

1）RS-485总线通讯电路。RS-485总线是在RS-422总线的基础上发展起来的一种现在得到广泛应用的串行接口总线。它采用平衡式发送，差分式接收的数据收发器来驱动总线，适合于多站互连，一个发送驱动器最多可连接32个负载设备。RS-485总线电路主要由四部分构成：微处理控制器TMS320U02、串行口扩展芯片ST16C552、RS-485总线接口芯片MAX1487及高速光耦6N137。TMS320U02完成ST16C552的初始化，通过控制ST16C552来实现数据的接受和发送等通信任务。

ST16C552能够扩展一个并行打印口和两个串行口，在本装置中，两个串行口分别用于RS-485总线和RS-232-C总线。其内部有16字节的发送的接收FIFO，发送和接收数据的频率可从50HZ到1.5MHZ任意改变。

MAX1487是低电源RS-485总线收发器，每个芯片内都含有一个驱动器和一个接收器，因此每个节点只用一片即可完成收发任务。

上电复位后，CPU先对ST6C552相关的内部寄存器写数据来选择接收和发送数据的波特率、奇或者偶较检以及数据的格式等等，然后由CPU控制485CTRL的状态来决定发送或者是接收数据，只要将待发的数据依闪写入ST16C552内部的发送保持寄存器即可开始发送数据，发光二极管LED1能够监视发送数据状态是否正常，接收数据则可以采取查询或者是中断的方式由CPU依次读取接收保持寄存器的内容，发光二极管LED2则可以监视当前是否处于接收数据的状态。

高速光耦6N137的作用和它在CAN总线通信回路中的作用是一样的，都是使输入与输出信号之间没有直接的电的联系，终端电阻的大小一般要根据传输介质的波阻抗来决定，它的作用就是使数据收发器与传输电缆之间的阻抗匹配，最大限度地减少传输信号的衰减，在本系统中使用双绞线作为传输介质，终端电阻的大小一般选择为120Ω。

2）RS-232-C总线通讯电路。当上位机与一台装置相连时还可以使用RS-232-C总线。RS-232-C是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线，它是美国电子工业协会1962年公布，1969后一次修订而成的，主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE）和数据通信设备（DCE）之间接口的电气特性，如CRT、打印机与CPU的通信大都采用RS-232-C总线。RS-232-C总线采用按位串行方式，对所传递信息的格式和波特率都有具体的规定，其传送距离一

般不超过15m。值得注意的是，由于RS-232-C是在TTL电路出现之前研制的，所以它的电平不是+5V和地，它使用负逻辑，其低早平“0”在+5V~+15V之间，高电平“1”在-5V~-15V之间，最高能承受±25V的信号电平。

RS-232-C和RS-485总线通信电路除了接口芯片电路不一样外，其它部分原理大致相同，主要由四部分构成，除了微控制器TMS320U02、串行口扩展芯片ST16C552和光耦6N137外就是RS-232-C总线接口芯片，主要由三部分组成：两个充电泵、DC-DC变换器、RS-232驱动器和RS-232接收器。

3.4其它模块

1）电源插件。电源插件是提供四路直流电源，+24V、+12V和两路+5V，其中+12V为开入空接点提供电源，+12V不仅是开出继电器的励磁电源，也被用作显示器的背光电源，+5V是所有的IC回路的电源。四路电源均不共地，且采用浮空方式，同外壳也不相连。

2）时钟电路。时钟电路主要由DS12887、TMS320U02（在CPU电路图中）及其相应的控制电路组成。

DS12887是美国达拉斯半导体公司（Dallas）生产的并行接口适时时钟日历芯片，它内置石英晶体、锂电池和一个集成电路、计数器以及128字节的RAM等。当外部供电不低于4.25V时，DS12887一切工作均正常，当外部供电低于4.25V时，虽然内部电路仍正常工作，但是写保护起作用，外部不能改变内部RAM内容，当外部供电低于3V时，DS12887的内部电源开关切断外部供电，而由内部的锂电池供电，在这种情况下，时钟仍能正常工作，并保证内部128字节（10个时钟控制寄存器、4个控制寄存器和114字节通用RAM）RAM的内容在10年内不丢失。DS12887可进行年、月、星期、时、分、秒计时功能，还有闰年补偿功能。时间、日历和定闹具有二进制码和BCD码两种形式，并可设定24小时制式或12小时制式以及Motorola总线时序，在25℃的情况下，计时功能保持±1分钟/月的精度。

DS12887内部具有定闹中断、周期性中断和时钟更新周期结束中断，三个中断源均可通过改变控制寄存器B的相应位的设置来决定屏蔽或者开放，DS12887的其它应用在本文中就不再介绍了，可参考相关资料。

4结论

目前我国的微机保护技术以得到了快速的发展和广泛的应用，但微机保护设备的开发还相当落后，为了改变这一现状，本文研究了一种电力保护装置。电力保护装置系统硬件设计先进，采用了在国内最新的DSP处理器，DSP器件计算能力强、精度高、总线速度快、I/O吞吐量大等突出特点决定了系统优良的性能。整个硬件设计具有模块化的特点，集成度高，结构简单，通用性强。适合在电力部门中广泛推广。

参考文献

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