双核结构在电力保护系统中的应用

摘 要:随着微机保护的发展,一些新的保护原理和方案,受到了越来越多的关注,并逐步得到实际应用。在此设计了一种基于DSP和单片机双CPU结构的微机保护测控系统,并用于电力保护装置当中。此双CPU结构具有并行工作、分工合作的优点,既保证了继电保护的速动性、选择性、灵敏性和可靠性,又实现了实时测量的高精度。实验证明,该系统运算速度快,易实现复杂保护原理,较好地提高了保护系统性能。

关键词:电力保护 DSP 单片机

中图分类号:TM7文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)04(c)-0069-02

目前,国内现场所使用的电力保护系统大部分采用单CPU结构,来自电压、电流互感器的信号经过采样保持、模/数转换后,进入微处理器进行处理,而数据处理的整个过程都需要CPU的参与控制。在单CPU系统中,CPU除了提供采样脉冲、触发多路选通信号、启动模/数转换以外,还负责对数字信号进行数字滤波和实现保护算法。此外,为确保系统运行的可靠性而定期执行的自检程序,为方便运行人员的操作而设置的人机接口程序,也都由CPU执行。可见,在单CPU系统中,全部的控制、监测和运算都由CPU来完成,致使CPU只能串行地完成任务,这将造成两方面的结果:一是保护的运行速度很大程度上取决于CPU的速度,CPU成为系统性能提高的瓶颈,对于要求高速采样的应用,系统显得力不从心;二是选择算法时必须放弃虽有较满意的性能,但计算量大的方案。因此,采用多CPU型的微机保护硬件结构是必然的。

高速数字信号处理芯片(DSP)技术的发展,为开发一种速度快、处理能力强的微机保护系统奠定了基础。今年来,人们已经开始将DSP芯片用于某些电力系统产品的开发研究,并获得了成功。因此,本文采用DSP和单片机构成双CPU结构的电力保护系统。充分利用DSP强大的运算能力和单片机较强的控制能力,由DSP完成数据采集和各种保护算法的运算等,单片机主要负责各种参数的设置和液晶显示。DSP和单片机之间通过双口RAM进行数据通信,既保证了数据传输的高速率,又具有较好的抗干扰性能。

1 系统设计

1.1 硬件设计

本保护系统采用运算速度快、擅长数字信号处理的DSP芯片TMS320LF2407作为主CPU控制模拟量的采集和计算、保护的判断、开关量的输入和输出。由于系统实时性的要求很高,功能配置也较多,所以为了分担主CPU的负担,增加了一块8051单片机作为从CPU负责人机对话,处理键盘扫描、LCD显示、信号灯显示及与上位机通信等实时性要求不高1的系统任务。此DSP (TMS320LF2407)十单片机(AT89C52)的双CPU结构,克服了传统装置计算速度慢、计算精度低和保护功能不完善的缺点,充分发挥了双CPU结构并行工作、分工合作的优点以及DSP芯片运算速度快、擅长数字信号处理的优点,既满足继电保护速动性、选择性和可靠性的要求,同时又实现了实时测量的高精度。保护系统的总体框图如图1所示。

1.1.1数据采集与处理模块

数据采集与数据处理模块以DSP为核心,通过对ADC的控制实现模拟量转换,然后完成预定的保护算法的运算,同时,在数据计算结果满足的情况下,控制开关量的输出,以实现对外部回路的实时控制。

除DSP主处理器外,A/D转换芯片也是数据采集与处理模块的核心。由于系统的模拟输入量较多,而且其中的零序电流和零序电压还必须同步采样,所以采用了ADS8364芯片。它是16位的数据采集系统,内部集成6个独立的带采样保持地ADC,提供6个独立的差分输入口,每两个通道共用一个转换触发信号,三个转换信号同时触发可实现6通道同步采样,最高采样频率为250KHz,ADS8364内部集成6*16bit数据缓冲寄存器,通过向A0、A1、A2写控制字可选择直接寻址模式、循环读数、FIFO三种方式读取单次模数转换的数据。我们采用控制逻辑最简单的FIFO方式,即让A0、A1、A2直接接高电平,同时,让所有的转换信号共用一个同步脉冲启动信号,这样6个通道同时工作,等所有通道都发出转换完毕中断低电平后,DSP可按逻辑分别从FIFO中读取转换数据,ADS8364芯片和DSP的电气接线如图2所示。

1.1.2 DSP与89C52数据通信

由于本系统采用了DSP与单片机双CPU结构,因此他们之间的数据交换接口成为影响整个系统数据处理能力的重要环节。本系统采用了双口RAM实现高速数据通信,这种通信方式数据传输的速率很高,而且抗干扰性能较好。

双端口RAM提供了两个完全独立的端口,每个端口具有自己的地址线、数据线和控制线,两侧CPU都可以将双口RAM看作自己的本地存储器,独立地读写双口RAM的任一存储单元。

使用双口RAM时有一个问题需要特别注意,即当两侧CPU同时对双口RAM的同一个单元进行操作时,有可能出现争用冲突。通常,解决争用冲突的方案有四种:硬件仲裁方案、中断方案、令牌传递方案和软件仲裁方案。前三种方案必须有器件内部相应的硬件功能的支持,而软件仲裁方案适用于任何双口RAM器件。

在具体实现时,为了尽可能减少双方读写冲突,将双口RAM空间分为低地址区和高地址区两部分,规定低地址区空间用于单片机写入和DSP读出,高地址区空间用于DSP写入和单片机读出。

1.1.3 DeviceNet通信接口

本文利用DSP内部集成的CAN控制器,提供了DeviceNet通信接口。为提高通信通道的抗干扰能力和可靠性,CAN收发器和CAN控制器之间加有双通道的高速光耦6N137,以实现装置和DeviceNet总线之间的电气隔离。CAN收发器选用Philips公司生产的具有多种保护的差动驱动器PCA82C250,并使其工作于高速工作方式。利用本系统的DeviceNet通信接口可与上位机组成网络监控系统,实现无人化管理。

1.2 软件设计

整个系统需要完成保护、测量、通信、故障记忆、自诊断和人机交互等众多功能,这就需要合理设计软件,科学安排程序流程。系统所有软件均采用C语言编写,采用模块化编程技术,整个程序具有结构清晰、可移植性强和升级容易等特点。

DSP主程序流程如图3(a)所示,主要完成初始化、保护器自检、扫描断路器状态、电力参数计算、各种故障的判断、处理以及与单片机通信进行数据交换等操作。其中,初始化部分主要完成装置内各个模块的初始化(包括DSP本身初始化、ADC模块初始化、捕获单元初始化、SCI模块初始化以及保护器系统参数、保护参数和故障记忆值的初始化)和将保护器的初始化数据(系统参数、保护参数及故障记忆值)经双口RAM通信发送给单片机等操作。三相电流、电压值和零序电流、电压值的采样在DSP的定时中断子程序中完成。有关DeviceNet通信的数据的接收、发送都在DSP的通信接收、发送中断子程序中完成。

单片机主程序流程如图3(b)所示,主要完成液晶显示和按键的识别与处理,采用全汉化液晶显示,通过按键可以随时查询或设置保护器的系统参数、保护参数和时钟参数等信息。

DSP经双口RAM通信发送给单片机的数据有:初始化数据、测量数据、故障信息(包括故障类型、故障发生时间以及故障发生时的电流、电压值等)。其中初始化数据单片机以查询方式接收,而测量数据和故障信息单片机以中断方式接收。

2 结语

本系统采用基于DSP和单片机的双CPU结构作为硬件平台,充分利用了两种CPU的各自特点,软件采用模块化编程技术,可移植性强、升级容易。本系统集保护、测量、控制和通信等多种功能于一体,具有较高的稳定性和实时性,并成功将DeviceNet总线应用于现场数据通信,对提高电力保护系统的网络化、智能化、自动化水平具有重要意义。

参考文献

[1]余永权.ATMEL89系列单片及应用技术.北京:北京航空航天大学出版社,2002.

[2]刘和平.TMS320LF2407xDSPC语言开发应用.北京:北京航空航天大学出版社,2003.

[3]陈文会,张元丰,徐荣英.基于MSP430F149的电力保护系统的实现.现代电子技术2002,9:62-65.

[4]朱国庆 付梦印.基于DSP和单片机的双CPU数据处理系统.计算机工程与应用2005,21:113－115.

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