高壓保護裝置設(shè)計分析論文

導(dǎo)語：高壓保護裝置設(shè)計分析論文一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：隨著現(xiàn)場對高壓微機保護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)和繼承微機保護裝置成功經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計開發(fā)了運算DSP加邏輯MPU控制單元的新型硬件平臺系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分發(fā)揮了DSP運算能力強和MPU邏輯功能強、外圍資源豐富等各自優(yōu)點，且采用大容量外圍存儲芯片，從而保證了高壓保護裝置實現(xiàn)高速采樣、實時并行計算、程序面向?qū)ο竽K化編程、故障處理報告詳細(xì)全程跟蹤、采用復(fù)雜先進保護原理等功能，并且具有足夠的硬件資源冗余度。本文詳細(xì)介紹了該硬件平臺的系統(tǒng)設(shè)計思想、技術(shù)特點和工作原理，最后介紹了基于此硬件平臺實現(xiàn)高壓微機線路保護的應(yīng)用實例。

關(guān)鍵詞：微機保護；硬件平臺

中圖分類號：

1引言

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

我們在分析和吸收國內(nèi)外同行廠家微機保護裝置先進技術(shù)和經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，研制開發(fā)了一套適用于高壓保護裝置的硬件平臺系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用DSP（TMS320C32）+MPU（MC68332）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，兩者通過雙口RAM來交互協(xié)同工作。本文將系統(tǒng)地闡述此平臺的設(shè)計思想、整體結(jié)構(gòu)、組織原理，并介紹了所選運算DSP和邏輯MPU芯片的特點。最后通過實例：基于此硬件平臺開發(fā)的高壓線路保護裝置的試驗及動模情況，說明了此平臺的先進性。

2硬件平臺總體設(shè)計

2.1整體平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

高壓保護裝置一般都采用多保護板加通訊處理板模式，通過內(nèi)部通訊網(wǎng)來聯(lián)系各板信息。隨著時代、技術(shù)等方面的不斷發(fā)展，保護功能要求越來越高，保護原理越來越完善，同時為便于事故后分析，報告、故障電量等信息要求越來越詳細(xì)，以求確切地感知不同階段保護中各模塊的響應(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)不能很好地滿足實際需求，鑒于此我們設(shè)計了雙CPU（DSP+MPU）結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)圖如圖1所示。

硬件平臺系統(tǒng)主要包括兩部分：基于TMS320C32的運算處理單元和基于MC68332的邏輯控制單元。運算處理單元任務(wù)定位于模擬量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、功能模塊運算等功能；邏輯控制單元定位于保護邏輯判斷、開入量檢測、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)點的同時，也充分發(fā)揮了MPU豐富的I/O引腳、較強的邏輯處理能力，以及強大的通訊處理功能。

圖1硬件平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1.1運算單元區(qū)設(shè)計方案

運算單元區(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)運算的設(shè)計，這種特殊的硬件結(jié)構(gòu)使得TMS320C32的處理能力達到60MFLOPS/30MIPS(每秒60兆次浮點運算或30兆條指令)。它采用增強型存儲器接口，并具有靈活的數(shù)據(jù)/地址總線，可充分利用存儲空間，增加了設(shè)計的靈活性，簡化了電路設(shè)計。

運算單元區(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定時轉(zhuǎn)換啟動等功能完全由可編程邏輯器件EPM7128實現(xiàn)，這樣既簡化了印制版的設(shè)計，提高了電路設(shè)計的靈活性，又簡化了程序軟件的邏輯設(shè)計。從而在保證采樣高可靠性的同時，節(jié)省了DSP的處理時間。

2.1.2邏輯控制單元區(qū)設(shè)計方案

邏輯控制單元區(qū)主要由MC68332、RAM、FLASH、EEPROM、EPLD、秒脈沖對鐘電路、標(biāo)準(zhǔn)232維護口、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)和精簡的指令系統(tǒng)計算機（RISC）技術(shù)，數(shù)據(jù)處理能力達32位，因而具有較高的執(zhí)行速度、較高的穩(wěn)定性和很強的邏輯處理能力。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)。秒脈沖對鐘電路利用TPU口檢測秒脈沖的觸發(fā)沿獲得GPS秒脈沖，保證了板級對鐘精度，為系統(tǒng)的故障分析提供了統(tǒng)一的時鐘。FLASH用于保存程序代碼，EEPROM用于保存定值、程序的CRC校驗碼、故障報告、擾動數(shù)據(jù)和裝置的事件記錄等。標(biāo)準(zhǔn)232維護口為程序調(diào)試提供了方便。

2.2系統(tǒng)實現(xiàn)原理

采用這種DSP+MPU的平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，按照設(shè)計的功能分工：DSP來完成數(shù)據(jù)處理運算，如：數(shù)字濾波、相量計算、故障分量提取等，以及保護功能相對獨立模塊的處理，如：六個阻抗的計算、各序量方向元件計算、各阻抗區(qū)域判別等；而MPU來完成電力系統(tǒng)的狀態(tài)檢測，根據(jù)不同的狀態(tài)，按照保護邏輯方案來組織運算單元的計算結(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)還實現(xiàn)所有的監(jiān)控功能。兩CPU相對獨立，同時兩者相互監(jiān)視是否正常運行；兩者之間唯一的聯(lián)絡(luò)方式通過雙口RAM來完成。由此有機地組成一個功能分布、協(xié)同運行的整體系統(tǒng)。

系統(tǒng)具體的組織方式為：運算單元區(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；運算處理單元通過郵箱機制，使雙端口RAM在對側(cè)產(chǎn)生一個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。

通過這樣的平臺設(shè)計和任務(wù)分配，在大幅度提高采樣頻率的同時，能夠保證保護軟件功能在一個采樣間隔執(zhí)行一遍，從而真正實現(xiàn)了電力系統(tǒng)狀態(tài)的實時檢測，最終提高了保護裝置的整體性能。

3平臺在高壓線路保護中的應(yīng)用

此硬件平臺系統(tǒng)豐富的硬件資源和冗余設(shè)計符合當(dāng)今各保護裝置硬件平臺統(tǒng)一的設(shè)計思想，滿足于各種高壓保護產(chǎn)品開發(fā)。為檢測此平臺系統(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裝置（DF3621）的實際開發(fā)經(jīng)歷來加以說明。

DF3621適用于220kV~500kV輸電線路，包括縱聯(lián)距離構(gòu)成的全線速動主保護，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構(gòu)成的后備保護，并可配備綜合自動重合閘功能。在硬件分配上具有創(chuàng)新特色：

整套裝置保護采用兩塊完全一樣的保護插件I和II雙重配置，即主、后備保護集成于一體。重合閘采用單獨保護插件III來實現(xiàn)。這樣配置既保證了現(xiàn)有高壓線路保護裝置中的啟動采用三取二方式的優(yōu)點，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，仍具備完整的保護功能。

由于硬件平臺運算能力的極大提高

，以及外圍存儲器件空間的富裕，DF3621采用面向?qū)ο竽K化編程，對各功能子模塊實行封裝，邏輯控制MPU僅能訪問模塊的接口信息，確保了整體可靠性。為提高裝置對系統(tǒng)狀態(tài)實時檢測能力，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，為了便于分析保護的動作行為，保護故障處理程序采用透明化報告機制，能夠?qū)崿F(xiàn)各功能模塊的狀態(tài)跟蹤，為故障后保護動作行為分析提供了有利信息。

此線路保護裝置已經(jīng)順利通過電磁兼容測試，RTDS數(shù)字動模和傳統(tǒng)動模測試，表明此硬件平臺系統(tǒng)的各項指標(biāo)能夠滿足于高壓保護裝置的要求。

4結(jié)語

本文提出了一套適合于高壓保護裝置的新型的運算單元加邏輯控制單元的硬件平臺系統(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引腳和強大邏輯控制能力的特點，為保護產(chǎn)品模塊化設(shè)計、采用高級語言，以及引入實時操作系統(tǒng)提供了必要的硬件基礎(chǔ)。本文就此平臺系統(tǒng)的設(shè)計思想、各功能區(qū)部件的選擇和實現(xiàn)，以及整體組織方式給予了詳細(xì)闡述，并在此基礎(chǔ)上給出了此平臺的應(yīng)用實例。

總結(jié)微機保護裝置開發(fā)、設(shè)計的成功經(jīng)驗，我們深刻感受到，適應(yīng)時代、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)點的基礎(chǔ)上，研制和開發(fā)新型的硬件平臺系統(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，使保護裝置開發(fā)中的先進保護原理以及更高要求的實現(xiàn)不再受硬件條件的限制、滿足各種保護裝置的開發(fā)、為維護和升級提供了極大便利。

參考文獻：

1.易永輝，趙志華，薛玉龍（YiYonghui，ZhaoZhihua,XueYulong）等.一種新型的繼電保護軟硬件平臺(ANewSoftwareandHardwareFrameofRelayProtection).繼電器(Relay),2002(6),Vol.30,No.6，26－28

2.姜琳,沈有昌,楊奇遜(JiangLin,ShenYouchang,YangQixun).微機保護抗干擾研究(ResearchonAnti_InterferenceAbilityofMicroprocessor_BasedProtectin).電力系統(tǒng)自動化(AutomationOfElectricPowerSystem),1998(12),Vol.22,No.12，65－68

3.由欣,唐誠,劉建飛等(YouXin,TangCheng,LiuJianfei)實用微機保護裝置可靠性分析與研究(AnalysisandResearchonReliabilityofAppliedMicroprocessor_BasedProtection).電力自動化設(shè)備(ElectricPowerAutomationEquipments),2002(3),Vol.22,No.3，5－7

4.張振華,許振宇,張月品等(ZhangZhenhua,XuZhenyu,ZhangYuepin).第三代微機保護的設(shè)計思想(DesignConsiderationoftheThirdGenerationMicroprocessor-BasedProtection).電力自動化設(shè)備(ElectricPowerAutomationEquipmets),1997(8),No.3，24－25

5.楊奇遜（YangQixun）.微型機繼電保護基礎(chǔ)(TheBasicPrincipleoftheMicroprocessor-BasedProtection).北京:中國電力出版社,(Beijing:ChinaElectricPowerPress)1988

NewDigitalHVProtectionHardwarePlatformDesign

Abstract:Withthedevelopmentofhardwareandsoftwaretechnology,thecapabilityofDigitalHVProtectionhasbeenimprovedeffectively.Onthebasisofsuccessfulexperiencesontraditionalrelayprotection,wedesignedanewhardwareplatformsystemofDSP&MPU.Thissystemimprovedthecharacteristicofcalculatingabilityandlogicalfunction,abundantperipheralsource,withCMOSchipsoflargecapabilityadopted,SoastoensuretheDigitalHVProtectioninhigh-speed&realtimecalculating,modulprogramming,faultprocessingreportandcomplicatedprotectionprinciple,withsufficienthardwaresourceredundance.Thisarticleintroducedthedesignidea,technologycharacter,andworkingprincipleofsuchhardwareplatform,aswellasaconcretexample.

Keywords:relayprotection;platformofhardware