基于DSP的雙CPU微機(jī)繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

吳劍斌

摘要:繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)中起著重要的作用,特別是隨著微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展,信息共享以及網(wǎng)絡(luò)化模式的不斷擴(kuò)展,微機(jī)型繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)的應(yīng)用得以推廣?；谖C(jī)繼電保護(hù)中處理速度和保護(hù)算法的嚴(yán)格要求,文章提出了以DSP為核心處理器的雙CPU模式的微機(jī)繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)了保護(hù)裝置的硬件結(jié)構(gòu),同時(shí)對(duì)于保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)思路和相關(guān)的編制方法作了詳盡的說(shuō)明。

關(guān)鍵詞:繼電保護(hù);DSP;硬件結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào):TM77 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1006-8937(2009)20-0013-02

電力工業(yè)的迅速發(fā)展、電力系統(tǒng)的復(fù)雜化以及保護(hù)要求的提高,促進(jìn)了微機(jī)繼電保護(hù)的迅速發(fā)展,尤其是高度智能化、數(shù)字化的微機(jī)保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)的應(yīng)用不斷擴(kuò)大。微機(jī)繼電保護(hù)裝置除了擁有傳統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置基本的測(cè)試功能外,還具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和通信能力,其優(yōu)越性在電力系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中得以體現(xiàn)。電力系統(tǒng)對(duì)于繼電保護(hù)的可靠性、選擇性、靈敏性和快速性都有很高的要求,而采用單CPU結(jié)構(gòu)的繼電保護(hù)裝置,其缺點(diǎn)是容易造成任務(wù)之間的沖突并且會(huì)引入等待周期。在微機(jī)繼電保護(hù)方面,數(shù)字信號(hào)處理器(Digital Signal Processor,即DSP)由于其突出的處理能力而受到青睞。此外DSP還具有內(nèi)存大、兼容性好等特點(diǎn)。隨著性能的提高和價(jià)格的下降,DSP在自動(dòng)控制、信息處理、通信以及儀器儀表等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。文章以DSP為核心,提出了采用雙CPU模塊化設(shè)計(jì)的微機(jī)型繼電保護(hù)裝置。設(shè)計(jì)方案中使用型號(hào)為T(mén)MS320C6203B的DSP芯片,它是TMS320C6000系列DSP芯片的一種,片內(nèi)程序存儲(chǔ)器不僅在容量上進(jìn)行了擴(kuò)展,而去片內(nèi)程序RAM分為2個(gè)存儲(chǔ)塊。此外該芯片還具有處理性能更好、外設(shè)集成度更高、A/D轉(zhuǎn)換速度更快等優(yōu)點(diǎn),在控制方面得到廣泛應(yīng)用。

1裝置硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1保護(hù)CPU與監(jiān)控CPU

保護(hù)裝置硬件部分以保護(hù)CPU和監(jiān)控CPU為核心模塊,來(lái)完成相關(guān)的功能。DSP是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。與單片機(jī)比,哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、獨(dú)有的硬件乘法累加操作、特殊的指令和特殊尋址模式、零消耗循環(huán)控制以執(zhí)行時(shí)間的可預(yù)測(cè)性是DSP突出的特點(diǎn)。此外,DSP片內(nèi)有多總線,片外的地址、數(shù)據(jù)總線分開(kāi),高速的同步串口或通信口等優(yōu)點(diǎn),因此數(shù)據(jù)輸入/輸出能力很強(qiáng),吞吐量大,在進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理時(shí)不僅速度快,精度也高。

保護(hù)CPU的主要任務(wù)包括:①控制A/D采樣系統(tǒng)及開(kāi)關(guān)量輸入;②對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波,并對(duì)濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種保護(hù)算法操作;③與監(jiān)控CPU進(jìn)行通信,完成處理結(jié)果的傳送。

監(jiān)控CPU在執(zhí)行動(dòng)作則承擔(dān)整個(gè)系統(tǒng)的控制、通信、存貯的功能,借助操作系統(tǒng)處理各種復(fù)雜任務(wù),管理各種外設(shè),監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,為整個(gè)微機(jī)保護(hù)裝置提供高效率的處理平臺(tái)。硬件基本模塊如圖1所示。

1.2雙CPU之間的通信

裝置中保護(hù)CPU與監(jiān)控CPU之間的通信是主要解決的問(wèn)題。在本裝置中采用的是利用高性能雙口RAM來(lái)構(gòu)成高速數(shù)據(jù)傳送接口的方案。雙口RAM 是一個(gè)共享式多端口存儲(chǔ)器,具有兩套完全獨(dú)立的數(shù)據(jù)線、地址線和讀寫(xiě)控制線,并允許兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)同時(shí)對(duì)該存儲(chǔ)器進(jìn)行隨機(jī)性的訪問(wèn)。保護(hù)CPU與監(jiān)控CPU雙方之間按照一定的通信協(xié)議,同時(shí)通過(guò)雙口RAM完成數(shù)據(jù)的讀取或存儲(chǔ),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后完成彼此命令的交互并執(zhí)行相應(yīng)保護(hù)處理子程序。保護(hù)裝置中的雙口RAM采用美國(guó)IDT公司開(kāi)發(fā)研制的IDT70V24來(lái)構(gòu)成。IDT70V24是3.3V高速4K×16bits的雙口靜態(tài)RAM,最快存取時(shí)間可達(dá)15ns,可與大多數(shù)高速處理器配合使用,在讀、存數(shù)據(jù)時(shí)不用插入等待狀態(tài)。雙CPU通信電路如圖2所示。

1.3其他模塊的設(shè)計(jì)

除了核心控制模塊外,裝置中還必須帶有模擬量采集模塊、開(kāi)關(guān)輸入輸出模塊、通信及總線模塊以及人機(jī)接口模塊。模擬量采集模塊的組成部分為濾波電路、采樣保持電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、過(guò)零檢測(cè)等單元回路組成。對(duì)于分布式的變電站自動(dòng)化系統(tǒng),聯(lián)系各智能裝置的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵。因此,除了一般的保護(hù)硬件模塊以外,本裝置還設(shè)計(jì)了RS232和RS485以及CAN通信接口。這些通信接口的引入,可以滿足新的通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)及微機(jī)保護(hù)應(yīng)用中的要求,便于實(shí)行變電站綜合自動(dòng)化管理。其中RS232接口和上位機(jī)相連,主要用于調(diào)試和下載程序,而RS485接口可用作GPS對(duì)時(shí)接口和聯(lián)網(wǎng)通信接口。DSP與RS485的通信接口電路如圖3所示。

2相關(guān)軟件設(shè)計(jì)

2.1程序結(jié)構(gòu)

整個(gè)保護(hù)程序包括主程序和定時(shí)中斷程序兩部分。主程序完成整個(gè)保護(hù)裝置的基本功能,包括保護(hù)裝置的初始化、自檢、數(shù)值處理、故障判斷、出口動(dòng)作等模塊;中斷服務(wù)子程序包括定時(shí)采樣A/D轉(zhuǎn)換、電氣量計(jì)算、相關(guān)數(shù)據(jù)記錄、鍵盤(pán)中斷及串行通信中斷等模塊。主程序和中斷程序結(jié)構(gòu)如圖4圖5所示。

2.2開(kāi)發(fā)環(huán)境

由于裝置采用雙CPU結(jié)構(gòu),根據(jù)兩塊CPU各自完成的功能,可將軟件設(shè)計(jì)成兩大部分,分別用來(lái)完成保護(hù)CPU的保護(hù)工作和監(jiān)控CPU的監(jiān)控與通信工作。為了方便程序的維護(hù),及其在硬件平臺(tái)的相互移植,因此本裝置中對(duì)保護(hù)CPU的程序采用匯編語(yǔ)言編寫(xiě),而監(jiān)控CPU的相關(guān)程序則使用C語(yǔ)言編寫(xiě)。

TMS320C6203B系列DSP的開(kāi)發(fā)環(huán)境與一般微處理器的開(kāi)發(fā)環(huán)境類(lèi)似,其特點(diǎn)是包括C優(yōu)化編譯器、編程接口界面友好、具有產(chǎn)生代碼能力的C/匯編語(yǔ)言源調(diào)試器、軟件仿真器、實(shí)時(shí)硬件仿真器、擁有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以及大量的應(yīng)用軟件。整個(gè)DSP程序可以選擇在CCS2.0(即Code Composer Studio(代碼調(diào)試器)2.0)集成環(huán)境下設(shè)計(jì)。CCS2.0提供了強(qiáng)大的仿真功能,可支持多種控制模式,同時(shí)支持匯編和C語(yǔ)言的調(diào)試。

3結(jié) 語(yǔ)

在電力系統(tǒng)中,微機(jī)繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)逐漸順應(yīng)著計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化,集保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通訊與一體和人工智能化的發(fā)展趨勢(shì)。本保護(hù)裝置軟硬件均采用模塊化設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)清晰,并且具有靈活的通信功能,可直接與PC機(jī)進(jìn)行RS232串行通信?？梢钥闯霾捎肈SP的雙CPU模式的微機(jī)繼電保護(hù)裝置,能充分利用DSP高速處理數(shù)據(jù)的能力,同時(shí)也能突顯出處理外部中斷及對(duì)外設(shè)部件的控制能力。裝置配置了高速RS485總線和CAN現(xiàn)場(chǎng)總線,在規(guī)定一定的通信協(xié)議后,便于實(shí)行變電站綜合自動(dòng)化管理。

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