基于TMS320F2812的中低压线路保护装置的研制

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0 引言随着电力系统的迅速发展，我国电网规模越来越大，结构也日趋复杂，对于线路保护装置的性能提出了更高的要求[1~2]。传统的基于单片机的微处理器结构和基于RS485、CAN 总线的通信方案已经无法满足系统的需要。数字信号处理（DSP）技术、复杂可编程序逻辑器件CPLD 技术和以太网通信技术的迅猛发展，为电力系统微机保护技术的进步提供了有利的条件。基于这种发展趋势，文中开发研制了一种基于TMS320F2812 的针对于中低压线路的微机保护装置。
1 硬件设计
装置硬件按功能实现模块化设计，核心CPU 模块采用保护DSP+监控DSP 的双CPU 结构，它们之间通过CAN 口实现信息共享。DSP 采用的是TI 公司的32 位高性能定点处理器芯片TMS320F2812,该
芯片处理能力好(150MIPS)、程序存储器大（128k 字的FLASH）、片内外设丰富、事件管理能力强、具有在线仿真功能，使得接口、模块化设计以及调试都很方便[3~4]。

硬件系统原理如图１所示。

图1 硬件系统结构框图

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1.1 保护CPU 模块

保护CPU 模块主要完成数据的采集、处理、算法的实现、逻辑判断输出以及与监控的内部通信等。

1.1.1模拟量数据采集电路

模拟量数据采集电路主要完成电压、电流等模拟量的采集、信号调理和A/D 转换工作。电网实际的高电压、大电流信号经过一次PT、CT 和数据采集板上二次小PT、CT 两次变换后，还需要通过信号调理电路才能变为A/D 转换器可以接受的电压范围。信号调理电路如图2 所示。

图2 模拟量信号调理电路

模数转换器采用的是TI 公司的16 位、6 通道同步采样A/D 转换器ADS8364。ADS8364 的三组启动
转换端holdA、holdB 、holdC 由2812 的同一I/O口经过CPLD 控制，每隔T/N （T 为测得模拟信号周期，N 为周期采样点数）时间，启动A/D 转换。ADS8364 转换结束时会产生一个中断信号，2812 检测到该中断后，通过中断服务程序读取转换结果。

1.1.2 开关量输入输出电路

根据研制要求装置设计了16 路开入量,分别用于开关位置和状态切换等。开入量经过限流、去抖等处理后加到光电隔离上，然后再经过CPLD 控制送至F2812，由F2812 以中断方式来检测开关变位情况。光电隔离采用东芝公司的TLP121,其隔离电压为直流2500V，信号带宽为10KHz。开出回路也为16 路,分别为断路器各种方式的跳合闸和其它回路控制所用。开出信号由F2812 锁存至输出寄存器中，由CPLD 控制，经过达林顿型光电隔离后输出，用于驱动外部继电器。达林顿型光电隔离采用东芝公司的TLP127,其隔离电压为直流2500V，信号带宽为10KHz.需要特别指出的是，为了避免干扰引起的误动，对应于跳闸出口继电器，光电隔离的光敏三极管的集电极必须经启动继电器接点接正电源，形成对保护出口的闭锁。只有当起动继电器和跳闸命令同时动作时，跳闸继电
器才出口。

1.1.3 CPLD 电路

CPLD 采用的是XILINIX 公司推出的复杂可编程逻辑芯片XC95108[5]。该芯片具有支持IEEE 1149.1标准的JTAG 引脚，支持ISP 方式下载程序。能反复擦写内部逻辑，可以在外部I/O 引脚和接线不变的情况下实现CPLD 内部逻辑的改变。CPLD 在装置硬件设计中的作用主要是:地址译码、产生时延信号、扩展I/O 口以及解决外设芯片和2812 之间的速度匹配问题。

其功能框图如图3 所示。

图3 CPLD功能框图

1.1.4 其它电路

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为了给装置提供时间基准，采用带I2C 接口的RTC 时钟芯片M41T11M6 构成实时时钟电路。为了调试方便和数据录波的需要外扩了256K字的SRAM芯片CY7C1041CV33 和FLASH芯片SST39VF400F。另外还设计有硬件测频电路。

1.2 监控CPU 模块

监控CPU 模块主要完成与变电站级的通信、数据显示、键盘按键处理、调试等。

1.2.1 通信电路

通信电路主要担负着监控CPU 与外部通信的功能。其与外部的通信方式主要是RS485/232 和以太网接口。RS485/232 通过2812 自带的SCIA/B 实现。以太网接口电路采用低功耗的以太网控制器
CS8900A,RJ45 接口,与IEEE802.3 标准完全兼容。CS8900A 被设置为16 位工作模式，和2812 之间的数据传输采用的是默认的I/O 方式。其应用电路如图4 所示。

图4 以太网控制器CS8900A应用电路图

1.2.2 液晶显示电路

液晶显示采用东芝公司的MGLS12864T 模块，其内置控制器为T6963C。2812 中的数据总线与控制
信号采用直接Ｉ/Ｏ设备访问形式来控制T6963C，通过对T6963C进行编程可实现各种汉字、图形的显示。

1.2.3 其它模块

小键盘模块共16 个键位，采用４×４的矩阵式方案，由2812 的I/O 口、八相反相缓冲器74LS240、锁存器74LS273 以及一些上拉电阻组成。RS232 主要用作系统调试和维护的人机接口。JTAG 主要用作系统调试时进行在线实时仿真。

2软件设计

软件程序运行于硬件平台之上，实现装置的各种保护和监控功能，是继电保护装置的灵魂。本装置软件设计主要由主程序和子程序组成。为了实现快速、实时、可靠的保护功能采用C 语言和汇编语言混合编程。

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2.1 软件流程

与硬件相应，软件也分为保护和监控两部分。在保护部分，装置上电后，首先进行系统初始化，具体包括各个芯片和寄存器的初始化，然后判断工作方式，如遇调试则进入调试程序，如为运行方式则进行硬件自检，自检通不过则报警。自检后进入数据采集模块，精确计算电网的实时参数。通信模块主要进行双CPU 通信，系统正常时则返回初始状态，突变量启动元件检测到故障后则进入保护程序，如需出口则由驱动模块输出开出信号或告警信号。监控部分较简单不再赘述。两部分的流程图分别如图5 和图6。

图5 保护流程图

图6 监控流程图

2.2 软件算法

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电力线路保护装置在得到经过模数变换后的电流、电压、频率等电气量数据后，需要进一步计算其幅值、相位、序分量等实时参数，将得到的实时值与在EEPROM内存储的保护整定值进行比较，从而来判断是否发生故障而进行微机保护[6]。当电力线路发生故障时，采集到的电流量除了基波和各次谐波外，还有很大的衰减直流分量。常用的傅立叶算法具有很强的滤除谐波能力，但它无法滤除衰减的直流分量。若不滤除直流分量而直接采用傅立叶算法，将会带来很大的计算误差，造成保护误动或拒动。为此，国内外学者对傅立叶算法进行了大量的改进[7~9]，本装置采用了文献[7]介绍的将半波傅式算法与Mann-Morrison算法相结合的快速算法。由于衰减直流分量对半波傅式算法滤波性能的影响主要表现在算法的虚部，而算法的实部能有效的抑制衰减直流分量的影响。因此只使用半波傅氏算法计算基波实部，而用Mann-Morrison 算法计算基波幅值。其原理如下：
假定被采样的信号具有如下形式：

则应用半波傅式算法，所得的基波分量的实部可表示为：

式中k 为从故障开始时的采样点序号，h 为谐波次数，N 为每周波采样点数，

根据Mann-Morrison 算法，则

该算法的数据窗为半周波加一个采样点，算法的程序和计算简单，能实现继电保护快速动作，而且经仿真试验显示其滤波效果大大优于半波傅氏算法。

3 结语

基于DSP、CPLD 和以太网通信技术，该文研制了一套针对于中低压线路的微机保护装置。该装置经过相关测试后已经投入现场运行，实际运行表明该装置结构简单，处理精度高，反应速度快，抗干扰能力强，很好的实现了设计的保护功能。而且在此基础上经过软硬件平台的升级，可以较方便的实现高压线路保护的功能。