基于微处理器和双DSP通用平台的微机高压保护装置的研制

基 于 微 处 理 器 和 双 DSP 硬 件 平 台 的 微 机 高 压 保 护 装 置 的 研 制 汤 乃 传 ( 正 泰 电 气 自 动 化 产 品 部 / 上 海 市 /13916231168) 摘 要 : 设 计 了 一 款 以 MCF5442 为 主 处 理 器, 以 ADI 的 Blackfin DSP BF533 作 为 协 处 理 器 的 通 用 平 台, 介 绍 了 其 硬 件 体 系 结 构 和 软 件 配 置, 最 后 总 结 了 它 的 优 越 性 0 引 言 微 机 保 护 装 置 是 以 中 央 处 理 器 CPU 为 核 心, 根 据 数 据 采 集 系 统 采 集 到 的 电 力 系 统 实 时 状 态 数 据, 按 照 给 定 算 法 来 检 测 电 力 系 统 是 否 发 生 故 障 或 处 于 不 正 常 状 态, 并 及 时 动 作 于 断 路 器 跳 闸 或 发 出 报 警 信 号 的 自 动 化 设 备 然 而 一 台 微 机 保 护 装 置 不 仅 包 括 上 述 保 护 功 能, 还 包 括 事 件 记 录 故 障 录 波 通 信 和 人 机 接 口 等 功 能 即 微 机 保 护 装 置 应 在 系 统 发 生 扰 动 时 正 确 动 作, 并 且 记 录 事 件 报 告 或 者 录 波 然 后 运 行 人 员 可 以 通 过 人 机 接 口 ( 键 盘 显 示 器 ) 或 变 电 站 自 动 化 系 统 (Substation Automation System,SAS) 即 后 台 来 管 理 维 护 和 查 看 事 件 报 告 进 行 事 故 分 析 [1] 我 国 研 制 的 微 机 保 护 的 硬 件 先 后 经 历 了 三 代 : 第 一 代 微 机 保 护 装 置 是 单 CPU 结 构 ; 第 二 代 微 机 保 护 装 置 是 多 CPU 结 构, 每 块 印 刷 电 路 板 上 以 CPU 为 核 心 组 成 一 个 计 算 机 系 统, 因 此 实 现 了 总 线 不 出 插 件 ; 第 三 代 微 机 保 护 装 置 采 用 多 个 不 同 形 式 的 高 性 能 处 理 器, 如 DSP (Digital Signal Processor )+ 单 片 机 系 统 DSP+ARM(Advanced RISC Machine) 系 统 微 处 理 器 (MPU)+ 单 DSP 系 统 微 处 理 器 (MPU)+ 多 DSP 系 统 等 其 保 护 功 能 集 成 于 一 个 芯 片 内, 实 现 了 总 线 不 出 芯 片 根 据 可 靠 性 速 动 性 灵 敏 性 和 选 择 性 的 要 求, 研 制 了 基 于 微 处 理 器 和 双 DSP 通 用 平 台 的 微 机 保 护 装 置 1 保 护 装 置 硬 件 系 统 设 计 保 护 装 置 的 硬 件 结 构 如 图 1 所 示 :

PCPU1 SDRAM FLASH 16 位 A/D DSP ADSP-BF533 FPGA EP3C10E144I7 SSPI CPLD 光 隔 光 隔 外 部 开 入 继 电 器 出 口 SSPI MCPU DATAFLASH SDRAM 编 程 口 IAP CODEFLASH 人 机 接 口 时 钟 FM31L276 MCU MCF54452 打 印 口 RS232 以 太 网 收 发 器 LXT971A FPGA EP3C5F256I7 AD FLASH SDRAM RS485-1 RS485-2 IRIG-B 码 对 时 PCPU2 SDRAM FLASH 16 位 A/D DSP ADSP-BF533 SSPI FPGA EP3C10E144I7 SSPI +E 图 1 硬 件 平 台 结 构 图 1.1 管 理 板 管 理 板 (MCPU) 以 美 国 Freescale 公 司 的 高 性 能 32 位 微 处 理 器 MCF54452 为 核 心, 主 要 承 担 保 护 装 置 启 动 自 检 事 件 和 故 障 数 据 收 集 整 理 以 及 显 示 打 印 实 时 时 钟 对 时 与 广 播 各 DSP 运 行 状 态 监 视 通 讯 协 议 转 换 本 地 以 及 远 程 调 试 维 护 通 讯 人 机 接 口 等 任 务 装 置 上 电 后, 管 理 板 进 行 自 检, 自 检 成 功 后 加 载 保 护 板 程 序, 否 则 禁 止 保 护 板 运 行 管 理 板 实 时 比 较 两 块 保 护 板 (PCPU1 和 PCPU2) 的 采 集 量 ( 包 括 模 拟 量 和 数 字 量 ), 当 采 集 量 不 一 致 时, 及 时 发 出 报 警 信 号, 并 且 闭 锁 保 护, 提 高 装 置 的 可 靠 性 管 理 板 还 配 有 两 个 以 太 网 接 口, 可 进 行 单 网 或 双 网 通 讯 (1) 存 储 器 部 分 微 处 理 器 MCF54452 支 持 同 步 动 态 随 机 存 取 存 储 器 和 FLASH 存 储 器, 这 两 种 新 型 存 储 器 的 特 点 是 速 度 快 容 量 大 价 格 低 廉 采 用 2 片 512Mbit SDRAM(K4H511638F) 用 于 存 放 装 置 运 行 时 的 程 序 代 码 和 各 种 数 据 为 了 提 高 程 序 运 行 的 速 度 和 流 水 线 的 命 中 率, 装 置 一 旦 启 动, 所 有 程 序 都 拷 入 SDRAM 中 运 行 采 用 2 片 128 Mbit FLASH(JS28F128J3D75), 一 片 (CODEFLASH) 用 于 固 化 操 作 系 统 和 管 理 板 及 保 护 板 的 程 序 代 码, 另 一 片 (DATAFLASH) 用 于 存 放 事 件 信 息 和 录 波 数 据, 一 般 按 照 每 个 通 道 故 障 前 3 个 周 波 故 障 后 10 个 周 波 的 设 定 来 存 放 录 波 数 据 (2) 通 信 部 分 在 变 电 站 通 信 网 络 与 系 统 的 国 际 标 准 IEC61850 的 推 动 下, IEEE 802.3 以 太 网 已 经 成 为 变 电 站 内 通 信 网 络 的 标 准 因 此, 将 以 太 网 作 为 装 置 对 外 的 主 要 通 信 方 式

微 处 理 器 MCF54452 内 部 带 有 2 个 以 太 网 媒 体 访 问 控 制 器 (MAC), 通 过 以 太 网 收 发 器 LXT971A 构 成 2 个 10/100Mbps 自 适 应 的 以 太 网 通 信 接 口 管 理 板 通 过 FPGA(EP3C5F256I7) 扩 展 了 3 路 RS485 总 线 接 口 和 2 路 高 速 同 步 串 行 口 SSPI (Synchronous Serial Peripheral Interface), 其 中 2 路 RS485 总 线 用 于 与 变 电 站 自 动 化 系 统 (SAS) 即 后 台 通 信,1 路 RS485 总 线 用 于 IRIG-B 码 GPS 脉 冲 对 时 ;2 路 高 速 同 步 串 行 口 SSPI 分 别 用 于 和 两 个 保 护 板 (PCPU1 和 PCPU2) 交 换 数 据 另 外, 管 理 板 还 预 留 了 RS232 接 口, 用 于 连 接 打 印 机 或 与 其 他 装 置 互 连 出 ) (3) 其 他 部 分 人 机 接 口 ( 键 盘 和 显 示 器 ) 经 CPLD(EPM1270) 扩 展 I/O 后 连 接 到 MCF54452( 图 1 中 未 画 变 电 站 自 动 化 系 统 对 站 内 各 装 置 的 保 护 监 控 事 件 顺 序 记 录 (SOE) 故 障 录 波 等 功 能 的 时 间 精 度 和 同 步 性 有 较 高 要 求 [2], 一 般 通 过 全 球 定 位 系 统 (GPS) 实 现 站 内 的 统 一 授 时 GPS 授 时 主 要 有 脉 冲 信 号 和 串 行 通 信 2 种 方 式, 前 者 提 供 同 步 秒 脉 冲, 后 者 提 供 绝 对 时 间 信 息 装 置 为 这 2 种 方 式 都 留 有 接 口 : 利 用 MCF54452 一 个 定 时 器 捕 获 口, 捕 获 GPS 模 块 提 供 的 秒 脉 冲 ; 利 用 RS485 总 线 与 GPS 模 块 串 行 接 口 连 接, 获 取 绝 对 时 间 信 息 由 于 管 理 板 通 过 MCF54452 片 上 的 I 2 C 接 口 外 接 低 功 耗 实 时 时 钟 RTC(FM31L276), 因 此, 装 置 运 行 中 使 用 RTC 提 供 的 时 间 信 息, 每 隔 一 段 时 间 依 据 GPS 时 间 信 息 对 其 进 行 校 正 1.2 保 护 板 保 护 板 (PCPU1 和 PCPU2) 以 美 国 Analog Device 公 司 的 高 速 数 字 信 号 处 理 器 ADSP-BF533 为 核 心, 二 者 完 全 相 同 2 个 DSP 并 行 工 作,PCPU2 为 启 动 板, 计 算 所 有 保 护 的 启 动 元 件 ;PCPU1 为 保 护 板, 计 算 所 有 的 保 护 告 警 逻 辑 高 性 能 的 DSP 保 证 了 装 置 在 每 一 个 采 样 间 隔 对 所 有 继 电 器 进 行 实 时 计 算, 提 高 了 采 样 的 精 度, 保 证 了 保 护 的 可 靠 性 和 速 动 性 PCPU2 进 行 保 护 运 算 并 完 成 装 置 起 动 功 能 即 开 放 出 口 继 电 器 正 电 源 ;PCPU1 进 行 保 护 的 逻 辑 运 算 及 出 口 跳 闸, 并 完 成 事 件 记 录 录 波 (1) A/D 转 换 部 分 A/D 转 换 是 微 机 保 护 的 关 键 功 能, 考 虑 到 装 置 的 通 用 性 硬 件 平 台 设 计, 装 置 设 计 了 最 多 16 路 通 道 的 模 拟 量 输 入, 采 用 2 片 高 速 低 功 耗 16 位 采 样 芯 片 AD7606, 每 片 内 部 带 有 8 组 跟 随 保 持 放 大 器, 可 对 8 路 模 拟 输 入 信 号 进 行 同 步 采 样 继 电 保 护 对 模 拟 量 采 样 的 同 步 性 有 较 高 要 求 : 一 方 面, 各 路 模 拟 量 的 采 样 时 刻 要 求 同 步 ; 另 一 方 面, 采 样 频 率 要 求 随 着 电 网 频 率 的 变 化 而 进 行 修 正 利 用 微 处 理 器 ADSP-BF533 强 大 的 定 时 器 功 能 可 以 便 捷 地 实 现 上 述 2 种 同 步 ADSP-BF533 共 有 4 组 硬 件 定 时 器 利 用 一 组 定 时 器 产 生 可 调 脉 冲 作 为 2 片 AD7606 开 始 转 换 的 统 一 触 发 信 号 ; 利 用 另 一 组 定 时 器 采 用 测 周 期 法 对 电 网 频 率 进 行 捕 获, 并 根 据 电 网 频 率 的 变 化 实 时 调 整 产 生 采 样 触 发 脉 冲 的 定 时 器 的 计 数 值, 从 而 修 正 了 采 样 频 率 当 2 片 AD7606 全 部 转 换 完 毕 后, 触 发 ADSP-BF533 快 速 中 断,ADSP-BF533 依 次 从 2 片 AD7606 读 取 采 样 值, 如 图 2 所 示 根 据 采 样 定 理, 输 人 信 号 中 频 率 高 于 采 样 频 率 1/2 的 分 量 将 会 引 起 频 率 混 叠 保 护 用 信 号 分 量 一 般 为 基 波 和 2 次 3 次 5 次 谐 波, 引 起 频 率 混 叠 的 高 次 谐 波 分 量 应 尽 可 能 用 前 置 模 拟 滤 波 器 滤 除 前 置 模 拟 滤 波 器 通 常 有 二 阶 无 源 低 通 滤 波 器 和 二 阶 有 源 低 通 滤 波 器 2 种 类 型

前 者 价 格 低 廉 占 用 面 积 小 滤 波 效 果 略 差 ; 后 者 价 格 昂 贵 占 用 面 积 大 滤 波 效 果 较 好 显 而 易 见, 采 样 频 率 越 高 则 混 入 的 高 次 谐 波 的 阶 数 越 高 幅 值 越 小, 对 有 用 信 息 的 混 叠 影 响 越 小 因 此, 采 样 频 率 越 高 越 好 考 虑 到 实 际 需 要 和 ADSP-BF533 处 理 速 度, 采 样 频 率 设 定 为 每 个 周 波 48 点, 即 2400Hz, 此 时, 47 次 46 次 45 次 43 次 谐 波 分 别 混 叠 到 基 波 和 2 次 3 次 5 次 谐 波 中 考 虑 到 AD7606 内 部 集 成 了 二 阶 抗 混 叠 模 拟 滤 波 器 [2], 保 护 板 上 省 去 前 置 模 拟 滤 波 器 (2) 存 储 器 部 分 微 处 理 器 ADSP-BF533 支 持 同 步 动 态 随 机 存 取 存 储 器 和 FLASH 存 储 器, 采 用 1 片 512Mbit SDRAM(MT48LC8M16A2P-6A) 构 成 16 位 高 速 数 据 总 线, 用 于 存 放 装 置 运 行 时 的 程 序 代 码 和 各 种 数 据 为 了 提 高 程 序 运 行 的 速 度 和 流 水 线 的 命 中 率, 装 置 一 旦 启 动, 所 有 程 序 都 拷 入 SDRAM 中 运 行 采 用 1 片 128 Mbit FLASH(JS28F128J3D75), 用 于 存 放 保 护 板 的 程 序 代 码 (3) 通 信 部 分 保 护 板 通 过 FPGA(EP3C10E144I7) 扩 展 了 2 路 高 速 同 步 串 行 口 SSPI(Synchronous Serial Peripheral Interface),1 路 用 于 与 管 理 板 通 信, 另 1 路 用 于 与 CPLD 通 信 (4) 开 关 量 输 入 输 出 部 分 保 护 板 通 过 CPLD(EPM1270) 扩 展 I/O 端 口, 再 经 光 隔 连 接 到 开 关 量 的 输 入 和 输 出 部 分 2 保 护 装 置 硬 件 系 统 设 计 系 统 采 用 Freescale 公 司 的 Coldfire 微 处 理 器 MCF54452 作 为 主 处 理 器, 以 ADI 的 Blackfin DSP BF533 作 为 协 处 理 器, 并 在 MCF54452 上 移 植 实 现 了 Linux 2.1 保 护 板 的 软 件 配 置 微 机 保 护 CPU 的 软 件 一 般 由 主 程 序 和 定 时 器 中 断 处 理 程 序 两 个 主 要 部 分 构 成 (1) 主 程 序 主 要 包 括 上 电 过 程 初 始 化 和 正 常 运 行 两 部 分 保 护 板 上 电 时 首 先 进 行 初 始 化 自 检, 包 括 定 值 FLASH SDRAM 开 出 通 道 以 及 AD 回 路 等 自 检 若 自 检 发 现 异 常, 则 闭 锁 保 护 并 告 警 反 之, 则 初 始 化 各 变 量, 开 放 定 时 中 断 并 填 充 采 样 缓 冲 区 最 后 置 允 许 保 护 启 动 标 志, 进 入 保 护 正 常 流 程 保 护 板 的 主 程 序 流 程 图 如 图 2 所 示 :

开 始 初 始 化 自 检 初 始 化 开 放 中 断 修 改 定 值? 修 改 定 值 有 报 告? 发 送 报 告 自 检 时 间 到? 自 检 有 故 障? 报 警 存 报 告 图 2 保 护 板 主 程 序 流 程 图 (2) 保 护 功 能 包 括 A /D 转 换 所 有 的 保 护 需 要 的 特 征 量 以 及 保 护 判 据 的 计 算 保 护 逻 辑 的 判 断, 均 通 过 定 时 器 中 断 服 务 程 序 来 实 现 的 定 时 器 中 断 服 务 程 序 流 程 图 如 图 3 和 图 4 所 示 :

定 时 器 中 断 开 始 数 据 采 集 模 块 电 气 量 计 算 模 块 启 动 标 志 置 位? 启 动 标 志 清 零 保 护 判 据 计 算 模 块 启 动 元 件 动 作? 接 通 出 口 继 电 器 正 电 源 启 动 标 志 置 位 定 时 器 中 断 返 回 图 3 保 护 板 (PCPU2) 定 时 器 中 断 程 序 流 程 图

定 时 器 中 断 开 始 数 据 采 集 模 块 电 气 量 计 算 模 块 启 动 标 志 置 位? 启 动 标 志 清 零 保 护 判 据 计 算 模 块 保 护 逻 辑 运 算 模 块 启 动 元 件 动 作? 故 障 启 动? 故 障 处 理 模 块 整 组 复 归 启 动 标 志 置 位 读 取 开 入 量 通 信 模 块 定 时 器 中 断 返 回 图 4 保 护 板 (PCPU1) 定 时 器 中 断 程 序 流 程 图 (3) 各 模 块 的 基 本 功 能 如 下 : 1 数 据 采 样 模 块 : 通 过 A/D 转 换 依 次 采 集 各 相 电 压 电 流 的 瞬 时 值, 经 过 前 期 处 理 后 放 在 缓 冲 区 内 排 队, 以 便 后 续 计 算 2 电 气 量 计 算 模 块 : 根 据 采 样 所 获 得 的 瞬 时 值, 经 过 差 分 滤 波, 利 用 全 周 富 氏 算 法 计 算 各 相 电 压 电 流 相 量 序 量 及 其 突 变 量 的 实 虚 部 3 保 护 判 据 计 算 模 块 : 利 用 前 面 计 算 出 的 各 种 相 量 序 量 突 变 量 来 计 算 启 动 元 件 方 向 元 件 阻 抗 元 件 零 序 过 流 元 件 以 及 振 荡 闭 锁 元 件 等 的 判 据 4 保 护 逻 辑 运 算 模 块 : 由 前 面 算 出 的 各 种 保 护 元 件 的 结 果, 根 据 保 护 动 作 逻 辑 方 案, 进 行 逻 辑 运 算, 由 最 终 结 果 决 定 是 否 发 信 跳 闸 或 给 信 号 等 等 5 故 障 处 理 模 块 : 当 系 统 发 生 扰 动 使 保 护 启 动, 保 护 板 将 保 存 启 动 前 后 的 暂 态 数 据 ; 若 保 护 动 作 如 跳 闸 重 合 或 加 速 跳 等 也 将 保 存 这 些 事 件 前 后 的 暂 态 数 据 以 便 于 事 故 分 析 6 读 取 开 入 量 : 保 护 DSP 通 过 FPGA 扩 展 的 同 步 串 行 口 读 取 装 置 的 开 关 量 输 入 的 状 态

7 通 讯 模 块 : 主 要 完 成 物 理 层 数 据 的 收 发 在 上 述 各 功 能 模 块 中, 保 护 判 据 计 算 模 块 和 保 护 逻 辑 运 算 模 块 是 定 时 器 中 断 服 务 程 序 的 核 心 2.2 管 理 板 的 软 件 配 置 管 理 CPU 上 电 初 始 化 自 检 成 功 后, 进 入 人 机 界 面 之 前, 首 先 要 把 DSP 的 程 序 从 自 己 的 FLASH 中 读 出, 通 过 高 速 同 步 串 行 口 (SSPI) 下 传 给 保 护 DSP, 使 DSP 进 入 正 常 的 保 护 程 序 管 理 板 的 功 能 可 以 分 为 两 大 部 分, 一 是 人 机 接 口 功 能, 即 运 行 人 员 借 助 键 盘 液 晶 显 示 器 进 行 整 定 值 维 护 开 入 开 出 调 试 正 常 运 行 时 电 气 参 量 监 测 故 障 报 告 和 SOE 报 告 的 上 传 等 ; 二 是 通 信 功 能, 实 现 管 理 板 对 各 个 保 护 板 的 DSP 通 信 任 务, 实 现 上 层 管 理 软 件 ( 如 变 电 站 综 合 自 动 化 系 统 ) 和 保 护 装 置 之 间 的 通 信 任 务 管 理 板 的 绝 大 部 分 的 功 能 的 实 现 都 需 要 依 靠 通 信 规 约 与 保 护 CPU 进 行 数 据 交 互 管 理 板 的 通 信 协 议 有 两 种, 一 种 是 IEC60870-5-103 标 准, 也 就 是 103 规 约 ; 另 一 种 就 是 国 际 电 工 委 员 会 发 布 的 IEC61850 标 准 管 理 板 的 程 序 流 程 图 如 图 5 所 示 开 始 初 始 化 有 GPS 对 时 请 求? 初 始 化 自 检 GPS 对 时 模 块 有 故 障? 加 载 保 护 板 程 序 报 警 存 报 告 自 检 时 间 到? 自 检 开 放 中 断 有 故 障? 人 机 界 面 通 信 模 块 报 警 存 报 告 读 取 PCPU1 和 PCU2 采 集 量 采 集 量 一 致? 闭 锁 保 护 图 5 管 理 板 程 序 流 程 图

3 结 束 语 采 用 高 性 能 微 处 理 器 和 双 DSP 结 构 的 微 机 保 护 装 置 在 保 证 装 置 硬 件 可 靠 性 的 前 提 下, 很 容 易 地 通 过 微 机 保 护 软 件 来 实 现 其 功 能 管 理 CPU 集 中 管 理 数 据 文 件 的 软 件 配 置 方 法, 使 得 管 理 CPU 可 以 很 方 便 兼 容 IEC61850 标 准