基于DSP器件TMS320F2407和CAN總線實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的應(yīng)用方案

1 引 言

目前，國(guó)內(nèi)外的各種中低壓變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都趨向于采用完全分布式，這種結(jié)構(gòu)基于面向?qū)ο蟮乃枷?，以變壓器、斷路器等一次設(shè)備間隔為對(duì)象，將各種保護(hù)測(cè)控功能綜合在一個(gè)測(cè)控裝置中，下放到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控對(duì)象（即一次設(shè)備）上安裝。因此整個(gè)系統(tǒng)中，最關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)集保護(hù)、測(cè)量、控制、通信等功能于一體的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置。

本文設(shè)計(jì)了一種基于TI公司的嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2407的分布式微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置，該裝置就地采集電壓、電流等信息量，實(shí)時(shí)完成保護(hù)、測(cè)量、控制等功能，具有抗干擾性強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)。

2 裝置整體設(shè)計(jì)

一個(gè)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，測(cè)控裝置的種類(lèi)好多種，如線路、變壓器、電容器等的測(cè)控裝置。因此測(cè)控裝置采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，硬件結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，彼此間完全通用，實(shí)現(xiàn)硬件的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，不但有利于組織規(guī)?；魉€生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)又為調(diào)試、維護(hù)提供了很大的方便，還做到不同裝置間的同一種插件可以完全互換，減少備件。

3 DSP系統(tǒng)

3.1 DSP系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

DSP系統(tǒng)是整個(gè)裝置的核心部分，主要由模擬輸入電路、DSP及其外圍電路、開(kāi)關(guān)量輸入回路、開(kāi)關(guān)量輸出回路組成。

3.2 DSP微處理選擇

微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置是一個(gè)專用實(shí)時(shí)測(cè)量與控制系統(tǒng)，但他對(duì)微處理器速度的要求并不是越快越好。因?yàn)楸Ｗo(hù)的動(dòng)作必須要在故障后一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行一定采樣次數(shù)的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，才能決定是否保護(hù)動(dòng)作。由于保護(hù)算法本身的要求，這個(gè)采樣時(shí)間一般在幾個(gè)毫秒以上，也就是說(shuō)這個(gè)時(shí)間是不能靠采用高速微處理器來(lái)縮短的。因此，在微處理器速度滿足需要的前提下，盡可能選擇功能全面的微處理器芯片。

TI公司的嵌入式工業(yè)級(jí)數(shù)字處理器TMS320F2407，主頻40 MHz，集程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、CAN通信控制器于一體，非常適合于分散式裝置，使裝置的體積大大減小，抗干擾性能大大提高，可長(zhǎng)期工作在-45～+80℃的環(huán)境。

3.3 E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及時(shí)鐘電路

微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置中，需要對(duì)保護(hù)定值、故障報(bào)告、刻度系數(shù)、裝置地址等數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)，這些數(shù)據(jù)一般容量不大而可靠性要求很高，掉電不能丟失，因此采用容量為8 kB的E2PROM串行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT24C64來(lái)保存。該芯片是I2C串行總線通信，而DSP片內(nèi)自帶的SPI接口由于自身速度較高，雖然他的移位速率可編程，但仍然無(wú)法與較慢的外設(shè)匹配，配置起來(lái)不靈活。因此用DSP的I／O口線重建了I2C串行總線，使用軟件編程的方法模擬I2C串行總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序。

時(shí)鐘電路為系統(tǒng)提供時(shí)間參考，對(duì)于裝置的事件記錄等功能的實(shí)現(xiàn)有重要意義。由于時(shí)鐘電路的運(yùn)行是不間斷的，所以還需要電池為其在裝置電源失電期間供電。DS1302還需要有自己的振蕩源，按照芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)的要求選擇了頻率為32 768 Hz的晶體震蕩器。

3.4 CAN現(xiàn)場(chǎng)總線驅(qū)動(dòng)電路

變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)站內(nèi)通訊網(wǎng)采用CAN總線，是一種具有很高可靠性，支持分布式控制、實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有完全的開(kāi)放性。選用PHILIPS公司的PCA82C250總線接收器作為CAN控制器和物理總線的接口，提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收能力，增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力。

3.5 其他電路

電平轉(zhuǎn)換電路采用了TPS7333電平轉(zhuǎn)換芯片，能夠?qū)?a target="_blank">開(kāi)關(guān)電源提供的5 V電壓變換成DSP芯片LF2407使用的3.3 V電壓。

看門(mén)狗電路采用完全獨(dú)立于DSP芯片的專用的微處理器監(jiān)測(cè)芯片MAX706，實(shí)現(xiàn)看門(mén)狗和手

動(dòng)復(fù)位電路。

4 交流輸入回路

4.1 模擬信號(hào)處理

交流插件將高壓互感器二次側(cè)的電壓／電流信號(hào)變換成適合測(cè)控裝置輸入要求的小電壓信號(hào)。交流量變換回路的基本設(shè)計(jì)原則是：要保證各電壓／電流互感器的一次、二次側(cè)之間相位位移保持一致；互感器要在整個(gè)工作范圍內(nèi)保持線性傳輸，輸入小信號(hào)不失真，輸入大信號(hào)不飽和。

由于電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電流互感器二次側(cè)的電流具有很大的動(dòng)態(tài)范圍，因此，電流互感器的設(shè)計(jì)尤其需要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）優(yōu)先保證在輸出為最小工作電流時(shí)，對(duì)應(yīng)A／D變換的結(jié)果應(yīng)具有足夠的分辨能力；

（2）應(yīng)適當(dāng)選擇電流變換器的二次側(cè)負(fù)載，使電流變換器在一次側(cè)出現(xiàn)最大短路電流時(shí)不至于

出現(xiàn)飽和現(xiàn)象；

（3）應(yīng)保證在出現(xiàn)最大短路電流時(shí)，電流變換器輸出的電壓不應(yīng)使A／D轉(zhuǎn)換出現(xiàn)溢出現(xiàn)象。

小互感器在器件選型時(shí)，選擇電流互感器的規(guī)格為5 A／5 mA，精度0.2級(jí)，最大輸入電流100 A以上。一般互感器的線性范圍不能達(dá)到這么寬的要求，因此測(cè)量通道和保護(hù)通道要選取不同的電流互感器，測(cè)量互感器要求滿足正常電流時(shí)具有一定的精度，保護(hù)互感器要求在短路故障大電流情況下不飽和。

對(duì)于輸入的模擬量需要采用低通濾波器將最高信號(hào)頻率限制在一定的帶寬以內(nèi)，以降低采樣頻率。有源濾波器電路環(huán)節(jié)相對(duì)較復(fù)雜，降低了電路可靠性；而無(wú)源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能經(jīng)受較大的浪涌沖擊、可靠性高的特點(diǎn)，所以一般選擇采用RC無(wú)源低通濾波器。由于高階的模擬濾波器將帶來(lái)長(zhǎng)的過(guò)渡過(guò)程，有可能影響保護(hù)的速度，因此一般的RC低通濾波器設(shè)計(jì)為一階即可。

4.2 A／D轉(zhuǎn)換器

微機(jī)測(cè)控裝置模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇指標(biāo)主要有兩個(gè)：分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間。

TMS320F2407內(nèi)部集成有10位分辨率的A／D轉(zhuǎn)換器。為了達(dá)到0.2級(jí)的測(cè)量精度，理論上講，A／D的分辨率位數(shù)為，再加上1位符號(hào)位，即最低為9位。然而考慮到各種轉(zhuǎn)換誤差，實(shí)際應(yīng)用中的微機(jī)測(cè)控裝置A／D轉(zhuǎn)換器的分辨率位數(shù)一般都在12位以上，所以采用TMS320F2407內(nèi)部集成的A／D轉(zhuǎn)換器是不能滿足要求的，需要另外選擇。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換時(shí)間的選擇與交流采樣頻率有關(guān)。如果按每周波采樣64點(diǎn)，共12路交流模擬量來(lái)計(jì)算，則每次轉(zhuǎn)換時(shí)間為，即每次轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于26μs。

綜合以上兩點(diǎn)，需要選擇12位以上分辨率，轉(zhuǎn)換時(shí)間不大于26 μs的高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。Maxim公司的MAX125芯片為14位分辨率，通道轉(zhuǎn)換時(shí)間3μs高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該芯片集多路開(kāi)關(guān)、采樣保持器和A／D轉(zhuǎn)換器這3個(gè)環(huán)節(jié)于一體，節(jié)省了數(shù)量眾多的的采樣保持器件和多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的位置空間，降低了成本，增強(qiáng)了可靠性。MAX125內(nèi)部還有14×4的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，可以暫存采樣數(shù)據(jù)中間轉(zhuǎn)換結(jié)果，節(jié)省CPU的用于中斷操作的開(kāi)銷(xiāo)。因此，該芯片是一款非常適合高速數(shù)據(jù)采集的芯片，廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)的智能采集裝置上。

5 開(kāi)關(guān)量輸入

開(kāi)關(guān)量主要是一些非電量保護(hù)、開(kāi)關(guān)位置信號(hào)、控制信號(hào)及脈沖量信號(hào)，這些信號(hào)都是無(wú)源觸點(diǎn)。DSP檢測(cè)這些觸點(diǎn)的分、合狀態(tài)時(shí)候，需要把他們變成有源的，然后通過(guò)檢查其回路電流的有無(wú)來(lái)判斷其分合狀態(tài)。對(duì)于變電站直流控制電源系統(tǒng)，觸點(diǎn)電源一般是110 V或220 V直流控制小母線。對(duì)于交流控制電源，則由裝置的模塊電源產(chǎn)生24 V直流電源來(lái)作為觸點(diǎn)的電源。

由于直流開(kāi)關(guān)量的分合期問(wèn)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的瞬時(shí)脈沖干擾，所以開(kāi)關(guān)量輸入部分必須采取一定的抗干擾設(shè)計(jì)，如光電隔離、低通濾波等。如果開(kāi)關(guān)量電源是220 V或者110 V的強(qiáng)電，則應(yīng)采用兩級(jí)光電隔離，更好地起到抗干擾作用。

6 開(kāi)關(guān)量輸出

測(cè)控裝置的開(kāi)關(guān)量輸出分為兩類(lèi)：保護(hù)動(dòng)作輸出和信號(hào)輸出。保護(hù)動(dòng)作時(shí)輸出觸點(diǎn)送到斷路器操作回路中，啟動(dòng)操作機(jī)構(gòu)，執(zhí)行斷路器的分、合操作。信號(hào)輸出是根據(jù)裝置或者保護(hù)的情況，用繼電器的觸點(diǎn)送出不同的電氣信號(hào)，去啟動(dòng)光字牌、信號(hào)燈、警鈴、警笛等報(bào)警裝置。

為防止繼電氣受干擾導(dǎo)致開(kāi)關(guān)量誤輸出，不能用單個(gè)I／O口直接驅(qū)動(dòng)繼電器，而要采取編碼電路輸出，只有輸出特定的代碼才可以啟動(dòng)相應(yīng)的繼電器去動(dòng)作。

另外，還要設(shè)計(jì)反饋回路，將繼電器的狀態(tài)回送到DSP的I／O端口，由DSP實(shí)時(shí)監(jiān)視開(kāi)出量的狀態(tài)，保證開(kāi)關(guān)量輸出的正確性。

7 電源插件

采用微機(jī)繼電保護(hù)裝置中普遍采用的開(kāi)關(guān)電源模塊。該模塊采用直流220 V／110 V供電，輸出有3個(gè)電壓：+5 V，±5 V，+24 V。

為保證上電瞬間及電源失電時(shí)出口繼電器不誤動(dòng)，要求5 V，24 V滿足以下時(shí)序：

（1）11上電時(shí)，保證5 V電源比24 V電源先上電，躲過(guò)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)建立及I／O端口的初始

化。一般5 V系統(tǒng)上電時(shí)間為10 ms，24 V系統(tǒng)上電時(shí)間為大于50 ms；

（2）22失電時(shí)，保證5 V電澡比24 V電源后失電，延時(shí)為20 ms，同時(shí)弱電電源輸出特別是

5 V系統(tǒng)要有足夠的容量。

8 人機(jī)接口面板

人機(jī)接口面板即裝置的前面板，主要由液晶顯示器、按鍵、信號(hào)燈三部分電路組成。液晶顯示器為點(diǎn)陣式，帶有背光控制，可顯示漢字及圖形。鍵盤(pán)有4個(gè)，分別為下移鍵、右移鍵、取消鍵、回車(chē)鍵，通過(guò)這幾個(gè)鍵及其組合可以完成裝置的所有瀏覽、輸入、設(shè)置和復(fù)位功能。裝置的信號(hào)燈采用發(fā)光二極管，分別為運(yùn)行、告警、合閘位置和跳閘位置。

9 結(jié) 語(yǔ)

以上比較完整地論述了一種基于DSP的分布式微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的硬件設(shè)計(jì)，按照裝置的結(jié)構(gòu)介紹了各個(gè)插件的基本組成及元器件的選擇，著重討論了在電力系統(tǒng)的強(qiáng)電磁環(huán)境下，微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程中需要考慮的電磁抗干擾問(wèn)題。

基于這種硬件設(shè)計(jì)的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置已經(jīng)在變電站投運(yùn)多套并運(yùn)行良好。

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