摘  要： 隨著微機繼電保護技術的高速發(fā)展,，微機繼電保護裝置已經(jīng)廣泛采用數(shù)字信號處理器,。介紹了一種基于TMS320F2812芯片的微機型變壓器后備保護裝置的硬件結(jié)構及軟件算法,。
關鍵詞： TMS320F2812,；后備保護,；通信,；傅里葉算法

　電力變壓器是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要環(huán)節(jié)，在其正常運行中,，可能會出現(xiàn)各種故障和不正常運行狀態(tài)。為了保證變壓器的正常而穩(wěn)定地工作,，必須為其配備完備可靠的繼電保護措施[1],。目前電力變壓器的繼電保護普遍采用以微處理器控制技術為核心的   繼電保護裝置，從最初的8 bit單片機,、16 bit單片機,、多CPU結(jié)構，再到32 bit DSP處理器構成的微機電力變壓器保護裝置,，變壓器繼電保護水平已經(jīng)取得了長足的進步[2],。但是，由于新型變壓器的出現(xiàn)及微機保護的要求和算法的不斷加強,，對于微機型變壓器保護裝置的核心(即微處理器)的性能要求也越來越高,。本文對采用一種基于DSP的微機型變壓器后備保護裝置進行了研究。
1 硬件結(jié)構
　本保護裝置是為35 kV及以下的配電變壓器提供后備保護,，安裝在35 kV及以下電壓等級的降壓變壓器的電源側(cè),。該裝置的核心微處理器采用32 bit DSP芯片TMS320F2812，其他主要電路包括：復雜可編程邏輯器件CPLD,、數(shù)據(jù)量采集電路,、外部擴展RAM、異步串口,、CAN接口,、開關量輸入/輸出接口電路、以太網(wǎng)接口電路,、鍵盤及液晶顯示等,。其硬件結(jié)構系統(tǒng)圖如圖1所示。

1.1 DSP芯片
　裝置的核心微處理器采用德州儀器公司推出的TMS320F2812 DSP芯片,。DSP芯片工作頻率達到150 MHz,，為32 bit定點高性能數(shù)字信號處理器，采用經(jīng)典的哈佛總線結(jié)構和指令流水線技術,，保證信號處理的快速性和實時性,；其內(nèi)部存儲器包括：18 K×16 bit的RAM和118 K×16 bit的Flash，芯片內(nèi)部集成的外圍模塊也非常豐富,，包括16通道12 bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC),、16通道的PWM輸出，多達56個獨立的,、可編程的通用輸入輸出口,；同時還集成有完全符合RS232標準的雙通道串行接口,、CAN總線模塊和串行外圍設備接口，大大減輕了設計的難度和節(jié)省了電路板的面積,，提高了DSP系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,。該DSP開發(fā)既可以采用C28x匯編，也可使用ANSI C/C++語言,。此外,，TI公司還提供有虛擬浮點數(shù)學函數(shù)庫(3G數(shù)學函數(shù)庫)、快速傅里葉變換(FFT)算法函數(shù)庫,、濾波器庫等,，這些函數(shù)庫的應用大大方便和簡化了系統(tǒng)的開發(fā)[3]。
1.2 復雜可編程邏輯器件CPLD
　CPLD選用ISPMAC4128[4]芯片,，其功能主要有：配置開關量輸入與輸出的接口,、以太網(wǎng)與DSP的接口以及液晶顯示和鍵盤輸入與DSP之間的接口等。CPLD與DSP之間,，通過數(shù)據(jù)線來傳遞數(shù)據(jù)和地址信息,，地址線負責完成邏輯譯碼、控制整個外圍電路的工作,，控制線則負責DSP與CPLD之間的同步,。
1.3 數(shù)據(jù)采集電路
　數(shù)據(jù)采集電路負責將系統(tǒng)所需的各模擬量信號(電壓、電流,、頻率,、相位等)經(jīng)測量后，轉(zhuǎn)換為與裝置系統(tǒng)相匹配的電平,，通過低通模擬濾波電路,，再通過A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后進行處理。由于TMS320F2812芯片自帶有16通道的12 bit A/D轉(zhuǎn)換ADC,，因此可以同時采樣16路模擬量,。此ADC包含2路采樣保持器和一個轉(zhuǎn)換單元，可以實現(xiàn)雙通道的同步采樣,，而且12 bit的采樣精度也能滿足裝置作為配電變壓器后備保護的精度要求,，故不再增設專門的A/D轉(zhuǎn)換電路。
1.4 存儲器的擴展
　雖然TMS320F2812芯片提供了18 K×16 bit的隨機存儲器RAM和128 K×16 bit的Flash,，但在微機變壓器繼電保護裝置中,，由于系統(tǒng)的全部算法實現(xiàn)程序要寫入Flash，并且在裝置投入運行后,，還需要足夠的存儲空間用來存儲大量的數(shù)據(jù)和報告,，需要較大的存儲空間以保證系統(tǒng)的可靠運行。因此,，對存儲器進行外部的擴展是非常必要的,。而TMS320F2812提供了外部存儲器的擴展接口XNTF,，且尋址空間可達1 MB，非常方便進行系統(tǒng)的擴展,。
1.5 開關量輸入/輸出模塊
　微機型變壓器保護裝置中,，除了大量的模擬量輸入外，還有大量的開關量輸入和輸出(如觸電狀態(tài)或邏輯電平的高低等),，這就需要開關量輸入/輸出電路,，將與微機型變壓器后備保護相關的外設的開關量的狀態(tài)通過開關量輸入回路送給DSP，而DSP則將相關的開關量指令輸出到開關量輸出回路,。同時，為了避免外來干擾對裝置穩(wěn)定性的影響,，在開關量輸入/輸出電路前均要增加光電耦合電路,，使任何開關量在進入DSP之前都要通過光電耦合電路進行光電隔離。
1.6 開放性的通信設計
　隨著電力系統(tǒng)自動化技術的發(fā)展,，傳統(tǒng)的通信方式已不能完全滿足微機保護裝置的通信需求,。為增加裝置對于通信的兼容性，采用了以下設計：
　(1)在TMS320F2812芯片內(nèi)集成串行通信接口,，使裝置保留有2個帶有RS485標準的硬件接口,，通過芯片的GPIO的PB12、PB13來控制RS485的接收和發(fā)送,，以完成上位機和下位機之間的數(shù)據(jù)傳遞,。
　(2)TMS320F2812芯片內(nèi)集成了增強型CAN總線通信接口，該接口與CAN2.0標準接口完全兼容,，且最高可達1 Mb/s的速率[5],。
　(3)TMS320F2812芯片內(nèi)沒有集成以太網(wǎng)接口，為此,，本裝置擴展了2個以太網(wǎng)接口供以太網(wǎng)通信用,，使得裝置可以兼容于由以太網(wǎng)來構架的變電站綜合自動化系統(tǒng)的通信網(wǎng)絡[6]。
2 軟件算法
2.1 軟件流程
　裝置的軟件流程圖如圖2所示,。

　裝置上電后,，首先進行系統(tǒng)初始化，包括微機系統(tǒng)及其接口芯片,、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),、定時器等的初始化。初始化完成后,，對系統(tǒng)硬件進行全面的自檢,，即初始化自檢。自檢不通過,，則裝置報警并閉鎖保護,；自檢通過,，則主程序進行運行方式判別。主程序根據(jù)運行方式判別的結(jié)果,，分別執(zhí)行調(diào)試方式和運行方式,。若為運行方式，則進行數(shù)據(jù)采集初始化,，并開放采樣中斷,，進入主循環(huán)程序。主循環(huán)程序包括自檢循環(huán)程序和故障處理程序,。若無故障,，則進入自檢循環(huán)程序，主要進行故障報告文件處理及運行狀態(tài)自檢,；若有故障,，則進入故障處理程序，在故障處理程序完成全部故障處理任務且整組復歸時間到后,，執(zhí)行復歸操作,，保護裝置返回到故障前的狀態(tài)，為下一次保護動作做好準備,。若故障未處理完成或復歸時間未到,，則回到故障處理程序繼續(xù)處理故障。
2.2 算法
　考慮到在工程實際當中的運用,，綜合比較各種算法,，本裝置選用傅里葉算法作為裝置的電壓量、電流量算法,。其中,，半波傅里葉算法的速度較快，但從濾波效果來看,，全波傅里葉算法不僅能完全濾除各次濾波分量和穩(wěn)定的直流分量,，而且能較好地濾除線路分布電容引起的高頻分量，對隨機干擾信號的反應也較小,，而對于畸變波形中的基頻分量可平穩(wěn)和精確地做出響應,。此外，半波傅里葉算法的濾波效果不如全波算法,，它不能濾去直流分量和偶次諧波,。而且，從精度來看,，由于半波傅里葉算法的數(shù)據(jù)窗只有半周,，其精度低于全波傅里葉算法[7]。
　因此，本裝置采用變動數(shù)據(jù)窗的方法來協(xié)調(diào)響應速度和精度的關系,。其做法是：在啟動元件啟動之后,，先調(diào)用半波傅里葉算法程序，為靈敏度要求低而安全裕度較大的保護提供數(shù)據(jù),，一個周波后,，改用全波傅里葉算法，相應地提高了保護的靈敏性,。這樣,，在保證裝置的濾波性和精確性的前提下，運算速度也比單純采用全波算法要提高一倍[8],。
　本文介紹的保護裝置中,，由于采用了具有優(yōu)良的數(shù)據(jù)處理能力和高度集成化的DSP芯片，能更好地滿足保護裝置對實時性,、小型化的要求,；而CPLD芯片的引入，則簡化了CPU外圍電路的設計,，并極大地提高了硬件部分的抗干擾能力,；開放性的通信設計和以太網(wǎng)通信技術的使用,，大大增強了裝置的兼容性,，為裝置提供了可靠的數(shù)據(jù)通信。
參考文獻
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