張小偉

（船舶重工集團公司723所，揚州225001）

0 引 言

隨著微機保護系統(tǒng)向多功能及網(wǎng)絡(luò)化方向的發(fā)展，通常系統(tǒng)采用的單片機、DSP這些處理器已經(jīng)不能完全滿足需求。因此，在設(shè)計新的微機保護裝置時，有必要選用高性能、低成本的微處理器。本文提出以ARM9微處理器S3C2410為核心控制器，并結(jié)合DSP組成雙CPU架構(gòu)模式設(shè)計了針對35kV及以下的微機線路保護裝置，提供三段式電流和電壓方向保護、小電流接地選線、三相一次重合閘、過負(fù)荷、后加速、零序過電流等保護功能，并且該裝置采用以太網(wǎng)通信的機制和上位機進行通信［1］。

1 設(shè)計方案的確定

目前，國內(nèi)市場上的線路保護裝置也層出不窮，研究開發(fā)部門以及生產(chǎn)廠商很多，線路保護的CPU一般采用單片機，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎每偩€型結(jié)構(gòu)，這樣的缺點是與節(jié)點相連的通信電纜一旦發(fā)生故障則保護裝置可能失去作用。而基于DSP的線路保護裝置的優(yōu)點是設(shè)計簡單，數(shù)據(jù)采集與處理速度較快，實時性高，同時具有很高的性價比；但缺點是與站級通信也采用DSP處理器，使用RS－485、控制器局部網(wǎng)（CAN）總線方式，這就不適應(yīng)變電站自動化系統(tǒng)設(shè)計中過程層與間隔層、間隔層與變電站層間的通信方式——標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)方式。

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，線路保護裝置也不斷地向嵌入式計算機系統(tǒng)方向發(fā)展，這對線路保護裝置整套硬件的小型化、一體化、高指標(biāo)、高性能化提供了很大的擴展空間。本文在參考了典型的線路保護測試裝置后，提出了一種基于DSP和嵌入式系統(tǒng)的雙CPU的線路保護裝置的設(shè)計方法，使得該保護裝置性能指標(biāo)優(yōu)化、通信高速穩(wěn)定、交互界面友好直觀、功能更加強大、升級更加方便。

該線路保護裝置以ARM9作為上位機核心硬件平臺，以TI公司DSP TMS320F2812為下位機核心通信控制器，ARM處理器作為主CPU用于與變電站級的通信，DSP則主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、計算、邏輯判斷，有效地保證了線路保護的可靠性、選擇性及速動性，并在故障發(fā)生時進行濾波，記錄故障數(shù)據(jù)以供分析，兩者通過雙口RAM進行數(shù)據(jù)交換和信息傳輸，配合完成線路保護的任務(wù)。軟件部分則基于Linux操作系統(tǒng)，完成Linux系統(tǒng)及應(yīng)用程序的移植。

2 線路保護硬件的設(shè)計

根據(jù)前面所確定的設(shè)計方案，保護裝置的硬件構(gòu)架就是DSP＋ARM的雙CPU結(jié)構(gòu)，DSP處理器則是利用自身運算速度快、擅長數(shù)字信號處理的優(yōu)點進行數(shù)據(jù)采集、計算、邏輯判斷，ARM處理器作為主CPU用于與主站級的通信。

裝置的總體結(jié)構(gòu)電路除了ARM、DSP微處理器外還有一些外圍模塊，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 裝置的硬件結(jié)構(gòu)

經(jīng)過電壓、電流互感器變換后產(chǎn)生的電壓、電流信號進行二次電壓互感器（PT）和電流互感器（CT）變換，即將100V、5A的二次電壓、電流信號轉(zhuǎn)換成＋5V～－5V的弱電信號，并進行信號調(diào)理，然后進行模數(shù)轉(zhuǎn)換（A／D），在DSP內(nèi)完成各種數(shù)值運算，并把結(jié)果送入ARM處理單元，確定待保護系統(tǒng)的運行狀態(tài)，通過帶有觸摸屏功能的液晶顯示器（LCD）進行人機交互，并通過以太網(wǎng)通信接口連接到遠(yuǎn)程上位機，可對該保護裝置進行遠(yuǎn)程監(jiān)控。如判斷有故障，DSP發(fā)出跳閘動作信號，驅(qū)動外部保護器件斷開電路以保護系統(tǒng)。

2.1 DSP部分硬件設(shè)計

DSP部分主要完成對狀態(tài)量、模擬量、脈沖量等變電站內(nèi)數(shù)據(jù)的采集、調(diào)理、A／D轉(zhuǎn)換、分析計算以及各種保護算法的實現(xiàn)，邏輯判斷輸出和故障時濾波等功能。

2.1.1 信號調(diào)理電路

這里的調(diào)理是針對諸如線路電壓、電流等遙測模擬信號，將CT、PT二次測得的大電壓、大電流轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓送到A／D模塊。

2.1.2 A／D模塊

本裝置采用14位的A／D模塊MAX125，啟動轉(zhuǎn)換端接2812的定時器比較輸出，每隔采樣點時間輸出下降沿啟動A／D。MAX125轉(zhuǎn)換結(jié)束會產(chǎn)生中斷，2812則在中斷程序中讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)采集一個周期后進行N＝128點的快速傅里葉變換（FFT）計算。

2.1.3 光電隔離模塊

為了有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，本裝置在開關(guān)量輸入時使用光電隔離電路，把驅(qū)動電路和控制電路之間驅(qū)動信號和控制信號隔離，實現(xiàn)不同電壓之間的信號傳輸。為了給DSP應(yīng)用程序運行時留有更多的空間，裝置還外擴了一塊RAM以保存臨時數(shù)據(jù)。

2.2 ARM部分硬件設(shè)計

ARM部分主要完成與牽引變電站的通信、鍵盤按鍵處理、系統(tǒng)時鐘基準(zhǔn)、液晶顯示及部分?jǐn)?shù)值的初始化整定等功能［2］。

2.2.1 RS－232串行模塊

目前RS－232是PC機與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口。RS－232被定義為一種在低速率串行通信中增加通信距離的單端標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)需要通過該串口下載程序或者進行串行通信。系統(tǒng)中采用RS－232的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實現(xiàn)串口的通信。在這里RS－232接口主要是用于初始化整定數(shù)值的設(shè)定和系統(tǒng)維護的人機接口。

2.2.2 液晶顯示（LCD）模塊

LCD模塊選用 MG－12232－5，液晶控制器組成的邏輯轉(zhuǎn)換液晶圖像數(shù)據(jù)從一個位于系統(tǒng)內(nèi)存的視頻緩沖器到外部LCD驅(qū)動器。液晶控制器支持單色，采用2位每像素（4級灰度）或4位每像素模式的單色液晶顯示屏，使用基于時間的抖動算法和幀速率控制方法，它可以連接帶有彩色液晶顯示屏上的8位每像素和12位每像素接口與液晶顯示器。該LCD控制器可以編程，以支持不同的要求（屏幕上的橫向和縱向像素，數(shù)據(jù)線寬度的數(shù)據(jù)接口，接口時間和刷新率）。

2.2.3 DSP與 ARM 的通信

在同一個線路保護系統(tǒng)中，DSP與ARM需要進行高速數(shù)據(jù)交換和信息傳輸。為了確保ARM能夠?qū)崟r顯示各種信息，DSP必須定時將采集到的電流值、電壓值和時間信息傳送給ARM；ARM必須及時地將用戶通過鍵盤設(shè)置的信息傳給DSP，使DSP可以用做計算和判斷。而這些功能通過雙口RAM這樣一種性能優(yōu)越的快速通信器件來實現(xiàn)［3］。

在本設(shè)計中，采用美國IDT公司開發(fā)的高速256kb的高速靜態(tài)雙口RAM IDT70261PF。它可允許2個端口同時進行高速讀寫數(shù)據(jù)，每個端口具有自己獨立的控制信號線、地址線和數(shù)據(jù)線，可高速存取數(shù)據(jù)，最快存取時間為15ns，可與大多數(shù)高速處理器配合使用，而無需插入等待狀態(tài)。IDT70261PF除具有雙端口存取功能外，還具有標(biāo)識器功能，在數(shù)據(jù)傳送時可構(gòu)成多種接口形式。

2.2.4 其他模塊電路

小鍵盤電路主要由ARM的I／O口、八相反相緩沖器74LS240、鎖存器74LS273以及一些上拉電阻組成，采用DS12887芯片構(gòu)成外部時鐘電路。邊界掃描技術(shù)（JTAG）仿真器也稱為JTAG調(diào)試器，是通過ARM芯片上的JTAG邊界掃描口進行調(diào)試的設(shè)備，JTAG接口主要是在系統(tǒng)程序調(diào)試時進行在線實時仿真。

3 軟件部分設(shè)計

3.1 ARM軟件結(jié)構(gòu)

ARM部分軟件結(jié)構(gòu)如圖2所示，由嵌入式操作系統(tǒng)Linux、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議驅(qū)動和應(yīng)用程序組成。Linux具有性能穩(wěn)定、良好的移植性、對各種文件系統(tǒng)廣泛支持以及標(biāo)準(zhǔn)豐富的應(yīng)用程序接口（API）等。應(yīng)用程序直接在Linux上編寫，主要包括3個部分：以太網(wǎng)通信程序、雙口RAM讀寫程序和按鍵處理程序。硬件初始化就在Linux啟動中完成，但讀系統(tǒng)時鐘則作為操作系統(tǒng)的一個線程運行［4］。

3.2 DSP軟件結(jié)構(gòu)

圖2 ARM部分軟件結(jié)構(gòu)

DSP部分軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括DSP硬件初始化、軟件遙測（YC）采樣、測頻、諧波快速傅里葉變換（FFT）分析、保護算法以及遙控（YK）輸出等，主要完成數(shù)據(jù)采集、饋線保護邏輯判斷及故障數(shù)據(jù)記錄等功能。

本裝置保護軟件充分利用DSP強大的中斷功能實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時處理。程序啟動時先寫入定時采樣時間，工頻時為0.02s，然后通過軟件進行測頻實現(xiàn)跟蹤頻率的變化。

利用同步采樣消除頻域中柵欄效應(yīng)，加漢寧窗來減少能量泄漏，每周期采樣128點進行FFT變換足以算出電力系統(tǒng)中高次諧波。啟動元件采用相電流差突變量方式，只有在裝置連續(xù)采樣32點以上才允許保護裝置輸出動作信號。

圖3 DSP部分軟件設(shè)計框圖

本牽引變電所所采用的保護方式包括電流保護和距離保護，電流保護為電流速斷、限時電流速斷和過電流保護的三段式電流保護。

按照飽和磁通為1.4倍的額定磁通幅值時合閘電流的大小，采用15%的制動比整定值來躲開勵磁涌流，而阻抗元件為了有較好地躲過系統(tǒng)振蕩能力和提高允許過渡電阻的能力，裝置采用帶偏移特性的多邊形方向阻抗特性，充分考慮了過渡電阻以及由其引起的附加測量阻抗。

當(dāng)雙保護輸出有效即判斷有饋線故障時，延時返回后記錄故障前10個周波的數(shù)據(jù)的有效值，并逐次錄下故障后的10個周波的數(shù)據(jù)。本裝置采用改進的傅里葉算法為饋線保護的采樣算法，采用Matlab仿真的故障電流波形如圖4所示。

裝置采用電流、距離雙保護，以距離保護為主保護，以電流保護作為輔保護和后備保護，保護電氣化鐵路牽引變電所饋線的整個線路。

4 結(jié)束語

由實驗知，ARM9微處理器S3C2410與DSP構(gòu)成的雙CPU模式微機線路保護裝置充分發(fā)揮了嵌入式ARM處理器強大的網(wǎng)絡(luò)通信功能和DSP的高效數(shù)字信號處理能力，不僅能達到微機保護可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的基本要求，而且硬件平臺具有運行速度快、功耗低、人機界面友好、通信接口多等優(yōu)點，完全可以替代以往單CPU構(gòu)成的微機線路保護裝置。

圖4 故障電流仿真波形

［1］于群，曹娜.電力系統(tǒng)微機繼電保護［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［2］孫天澤，袁文菊，張海峰.嵌入式設(shè)計及Linux驅(qū)動開發(fā)指南——基于ARM9處理器［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［3］劉斌，李仲陽.ARM／DSP雙核系統(tǒng)的通信接口設(shè)計［J］.單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2005，53（5）：22－24.

［4］吳明暉，徐睿，黃健.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用［M］.北京：人民郵電出版社，2004.