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引言
隨著我國(guó)電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，電網(wǎng)的電壓等級(jí)不斷提高，結(jié)構(gòu)也日趨復(fù)雜，要求保護(hù)技術(shù)向數(shù)字化和智能化的方向發(fā)展。繼電保護(hù)裝置對(duì)系統(tǒng)安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起著非常重要的作用。伴隨著通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的不斷應(yīng)用，對(duì)各種微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置都提出了新的要求，為了適應(yīng)這種發(fā)展趨勢(shì)，需要在微機(jī)測(cè)控保護(hù)裝置內(nèi)嵌入各種通信模塊，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化。本文分析介紹了基于M-CORE平臺(tái)的電力系統(tǒng)低壓設(shè)備數(shù)字式綜合保護(hù)裝置。
1硬件系統(tǒng)
本微機(jī)保護(hù)裝置的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要由主控制器模塊、鍵盤(pán)顯示模塊、模擬量采集模塊、出口模塊、電源模塊和通信模塊6個(gè)部分組成。12路開(kāi)關(guān)量輸入、8路開(kāi)關(guān)量輸出、14路模擬量輸入、點(diǎn)陣式圖形液晶顯示界面和薄膜鍵盤(pán)控制，4路電度表脈沖輸入和RS232、RS485、CAN現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)及以太網(wǎng)通信接口。硬件原理框圖如圖1所示。
1.1主控制器模塊設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的單處理器微機(jī)保護(hù)結(jié)構(gòu)容錯(cuò)能力差，任一元件損壞都可能導(dǎo)致系統(tǒng)停止工作。而且整套保護(hù)中各個(gè)保護(hù)功能由一個(gè)CPU承擔(dān)，處理速度慢，另外由于實(shí)際應(yīng)用中液晶控制器的讀寫(xiě)速度較慢，降低了CPU處理整個(gè)程序模塊的速度，穩(wěn)定可靠性低。本文采用雙CPU系統(tǒng)，一套為以MMC2107為核心的主CPU系統(tǒng)，完成保護(hù)主功能和通信功能;一套為77E58單片機(jī)從CPU系統(tǒng)，主要完成監(jiān)控功能。使用雙CPU控制，大大減少了對(duì)主CPU的負(fù)擔(dān)，使主CPU有充分的時(shí)間進(jìn)行保護(hù)運(yùn)算和完成控制功能。
MMC2107是基于M-CORE M210中央處理單元系列的一種32位通用微處理控制器（MCU）。該芯片采用3.3 V工作電壓，能耗低，適合在外部電源掉電的情況下采用電池供電，可以提高系統(tǒng)的工作可靠性。MMC2107 CPU系統(tǒng)外部參考頻率最大為33 MHz，通過(guò)內(nèi)部的PLL模式參數(shù)選擇，其系統(tǒng)時(shí)鐘最大工作頻率可以達(dá)到9倍于外部參考頻率，快速的指令周期和特殊的指令集，極大地減少了計(jì)算的時(shí)間。在實(shí)際的微機(jī)保護(hù)和監(jiān)控應(yīng)用中，為了滿(mǎn)足微機(jī)保護(hù)裝置的精度要求，往往要求采用一些有良好濾波功能和精度較高的算法，像微機(jī)保護(hù)中常采用的各種傅氏算法等，但是在提高精度的同時(shí)，算法的復(fù)雜性又導(dǎo)致了算法計(jì)算時(shí)間的增加。高性能的M-CORE處理器使一些過(guò)去低速CPU無(wú)法采用的性能優(yōu)、精度高，但計(jì)算量較大的微機(jī)保護(hù)算法得以實(shí)現(xiàn)。MMC2107內(nèi)部集成了128 K FLASH，滿(mǎn)足整個(gè)程序模塊的大小，不用另外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。程序內(nèi)置片內(nèi)存儲(chǔ)器，提高了程序的讀寫(xiě)速度,也增加了系統(tǒng)可靠性和抗干擾性。外部接口提供32位數(shù)據(jù)線(xiàn)，23位地址線(xiàn)，4個(gè)片選信號(hào)CS0~CS3，每個(gè)片選信號(hào)可以提供8 M的操作地址空間，可以通過(guò)片選寄存器設(shè)置外部或內(nèi)部啟動(dòng)模式。另外，片內(nèi)還集成有8 K的SRAM，8路10位的A/D轉(zhuǎn)換模塊，2個(gè)16位中斷定時(shí)器，2個(gè)SCI接口，1個(gè)SPI接口，55個(gè)獨(dú)立可編程的I/O引腳，內(nèi)置Watchdog定時(shí)器和7個(gè)實(shí)時(shí)外部中斷，共40個(gè)中斷源，32級(jí)中斷等，其優(yōu)越的性能滿(mǎn)足了微機(jī)保護(hù)的可靠性、快速性和靈敏性的要求。
從CPU采用的是77E58單片機(jī)。77E58是WINBOND公司的一種快速8051系列兼容微處理器，其指令操作時(shí)間約是傳統(tǒng)8051處理器的3倍，內(nèi)置有32 K-EPROM，不需外擴(kuò)程序空間。
雙CPU之間的通信采用雙口RAM方式，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。這種操作方式簡(jiǎn)單快速，兩個(gè)CPU之間的工作互不影響。 雙口RAM采用IDT71V321，該芯片具有兩套獨(dú)立的控制邏輯和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)端口，當(dāng)同時(shí)操作同一存儲(chǔ)單元時(shí)，將會(huì)發(fā)生沖突。IDT71V312有仲裁和中斷兩種方式解決，我們采用仲裁方式，此時(shí)片內(nèi)仲裁邏輯將只允許從一端口進(jìn)行讀寫(xiě)操作，而封鎖另一端口。被封鎖端口的BUSY線(xiàn)被置低電平，從而使連接在該端口的CPU處于指令保護(hù)狀態(tài)，待BUSY變高后，CPU可以繼續(xù)操作。由于MMC2107是3.3 V芯片,77E58是5 V芯片，二者之間的數(shù)據(jù)傳輸需要通過(guò)3.3～5 V電平轉(zhuǎn)換。
1.2通信模塊
為了盡可能實(shí)現(xiàn)用戶(hù)的可選配置，以利于變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)不同廠(chǎng)家的裝置開(kāi)放與互連。利用M-CORE的2個(gè)SCI和1個(gè)SPI的通信接口，在常規(guī)的串行總線(xiàn)RS232、RS485上，新增了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)CAN、以太網(wǎng)通信接口，基本上滿(mǎn)足了現(xiàn)場(chǎng)要求的各種通信方式。其中CAN通信模塊采用MICROCHIP公司的MCP2510作為控制器，MCP2551作為CAN驅(qū)動(dòng)器(如圖2所示)。MCP2551是CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)接口，提供不同的接收和發(fā)送功能，完全和ISO11898相兼容，總線(xiàn)速度最高可以達(dá)到1 Mb/s。
Ethernet網(wǎng)接口電路采用低功耗的以太網(wǎng)控制器CS8900A，10baseT接口，完全和IEEE802.3 Ethernet標(biāo)準(zhǔn)兼容。CS8900A被優(yōu)化為16位傳輸方式，提供了3種操作方式：
1)MEMORY方式。當(dāng)采用MEMORY方式時(shí)，CS8900A內(nèi)部寄存器和幀緩沖區(qū)將被分配給主存貯區(qū)一個(gè)連續(xù)的4 K字節(jié)模塊，其主CPU可以直接操作CS8900A內(nèi)部的寄存器和幀緩沖區(qū)。
2)I/O方式。當(dāng)采用I/O方式時(shí)，主CPU通過(guò)8個(gè)16位I/O口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)CS8900A，這些I/O口需要被分配到主CPU系統(tǒng)中16個(gè)連續(xù)的I/O地址。
3)從DMA方式。從DMA方式，即通過(guò)DMA控制器在CS8900A的存儲(chǔ)區(qū)和主CPU存儲(chǔ)區(qū)直接傳輸收發(fā)幀信息。
本文采用MEMORY操作方式，讀寫(xiě)操作簡(jiǎn)單。串行EEPROM93C46存儲(chǔ)芯片配置和初始化信息，復(fù)位時(shí)自動(dòng)調(diào)用到芯片的內(nèi)部配置寄存器中，完成諸如存儲(chǔ)基地址、以太網(wǎng)物理地址、信息幀配置、物理接口選擇等初始化信息。物理總線(xiàn)接口使用普通雙絞線(xiàn)RJ45接口, 工作原理圖如2所示。
1.3其它單元電路
為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，外圍的擴(kuò)展電路盡量利用CPLD來(lái)實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到簡(jiǎn)潔性設(shè)計(jì)的目的。該裝置采用XILINX公司XC9500系列的9572CPLD。利用CPLD高性能的現(xiàn)場(chǎng)可編程及多次擦寫(xiě)功能，實(shí)現(xiàn)了電路的集成化和可靠性，和CPU一起構(gòu)成了系統(tǒng)的核心。并與外圍的存儲(chǔ)芯片、時(shí)鐘芯片、模擬量回路、通信電路、顯示電路、開(kāi)入開(kāi)出電路一起共同構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)。
為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，增加了看門(mén)狗復(fù)位電路，采用了X5043掉電存儲(chǔ)芯片，其具有4 kB的EEPROM，存儲(chǔ)各系統(tǒng)定值，同時(shí)具有看門(mén)狗功能。當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí)，能自動(dòng)復(fù)位。
模擬量采集電路，各電流電壓模擬量通過(guò)電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）、經(jīng)光耦隔離、放大，進(jìn)入主CPU模塊，通過(guò)A/D定時(shí)循環(huán)采集模擬信號(hào)。由于M-CORE內(nèi)部集成的10位A/D不能滿(mǎn)足保護(hù)及監(jiān)控精度的要求，所以在外部擴(kuò)展了4通道，14位A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7865，以滿(mǎn)足微機(jī)保護(hù)較高的轉(zhuǎn)換精度要求，濾波電路采用二階低通濾波器。此外，模擬量測(cè)量電路中還包括過(guò)零檢測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)模擬量頻率和相位的測(cè)量。
開(kāi)關(guān)量輸入輸出電路，開(kāi)關(guān)輸入量通過(guò)光電隔離后，經(jīng)過(guò)濾波整形，進(jìn)入主CPU模塊，開(kāi)關(guān)量輸出信號(hào)經(jīng)光電隔離后，輸出動(dòng)作信號(hào)。將主CPU讀入讀出、開(kāi)入開(kāi)出量功能集成在CPLD上，通過(guò)CPLD擴(kuò)展開(kāi)入開(kāi)出I/O接口地址。
液晶顯示電路采用單獨(dú)CPU控制液晶顯示，液晶控制器采用SEIKOEPSON公司的SED1335液晶控制器，讀寫(xiě)速度較快。液晶顯示器LCD使用320x240 點(diǎn)陣式圖形LCD，滿(mǎn)足了電力系統(tǒng)保護(hù)設(shè)備使用壽命長(zhǎng)、界面美觀的要求。
本裝置采用薄膜鍵盤(pán)，只需要通過(guò)上、下、左、右、取消、確認(rèn)6個(gè)按鍵結(jié)合菜單便可直觀地在線(xiàn)、離線(xiàn)整定定值、修改實(shí)際時(shí)間、就地操作開(kāi)關(guān)等。采用中斷方式相應(yīng)鍵盤(pán),以減少其對(duì)CPU的占用。鍵盤(pán)的中斷信號(hào)通過(guò)一個(gè)與門(mén)產(chǎn)生［3］。
1.4硬件設(shè)計(jì)特點(diǎn)
電力系統(tǒng)保護(hù)微機(jī)測(cè)控系統(tǒng)通常由一系列不同功能的小型單元箱組成。本裝置的單元箱采用小型機(jī)箱設(shè)計(jì)，里面包括模板和4塊插件板。插件板包括CPU插件板、輸入輸出I/O插件板、模擬量采集插件板和人機(jī)接口插件板。各插件板通過(guò)鋼板隔離起來(lái)，以防止各插件板間的電路發(fā)生相互干擾。
電源系統(tǒng)采用開(kāi)關(guān)電源，并采用隔離屏蔽設(shè)計(jì)，在電源輸出端插入由共模扼流線(xiàn)圈和電容組成的電源濾波器，直接有效地抑制了一次電源對(duì)測(cè)控系統(tǒng)的電磁干擾，提高了抗干擾能力。I/O插件板繼電器采用隔離措施，采用SIEMENS繼電器，開(kāi)關(guān)速度快、抗干擾、壽命長(zhǎng)，大大增強(qiáng)了出口電路的可靠性［5］。
CPU插件板采用4層板工藝和全懸浮設(shè)計(jì)，使CPU插件能有效地阻止外界干擾的入侵，以增強(qiáng)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。另外，豐富的軟件和強(qiáng)大的通信功能對(duì)單元裝置的故障自檢提供了良好的環(huán)境［4］。
2系統(tǒng)軟件
在微機(jī)保護(hù)裝置的軟件設(shè)計(jì)中，主要考慮的是交流采樣算法、保護(hù)算法。通過(guò)采樣得到的數(shù)據(jù)按照一定的保護(hù)算法來(lái)進(jìn)行判斷保護(hù)是否動(dòng)作。在實(shí)際的電力系統(tǒng)故障時(shí)，往往是在基波基礎(chǔ)上疊加有衰減的非周期分量和高頻分量，因此要求微機(jī)保護(hù)裝置對(duì)輸入的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，盡可能地濾掉非周期和高頻分量。由于M-CORE芯片計(jì)算處理的高速性，本裝置在現(xiàn)有的傅氏算法的基礎(chǔ)上，采用改進(jìn)的全波傅氏算法，在全波傅氏變換提取出基波或各次諧波分量的基礎(chǔ)上，延時(shí)2個(gè)采樣間隔，通過(guò)3個(gè)N點(diǎn)數(shù)據(jù)窗的計(jì)算，除去了直流衰減分量帶來(lái)的誤差。該算法既能濾除高次諧波，也能夠滿(mǎn)足保護(hù)的響應(yīng)速度和精確性的要求。
本保護(hù)裝置的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)的思想，由主程序模塊、中斷服務(wù)子程序模塊和各個(gè)功能子程序模塊(保護(hù)算法軟件模塊、通信軟件模塊、顯示軟件模塊、濾波軟件模塊等)組成。實(shí)際編程采用C語(yǔ)言和匯編混合編寫(xiě)，提高了數(shù)據(jù)處理的能力，也保證了程序的可靠性。該裝置的雙CPU系統(tǒng),完全能滿(mǎn)足電力系統(tǒng)的要求［3］。
3結(jié)束語(yǔ)
在模塊化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)的以M-CORE處理器MMC2107為硬件核心的微機(jī)繼電保護(hù)裝置，是一個(gè)通用的硬件平臺(tái)，能夠滿(mǎn)足各種保護(hù)可靠性、選擇性、速動(dòng)性以及靈敏性的要求。在此平臺(tái)上通過(guò)對(duì)軟件的適當(dāng)修改可以實(shí)現(xiàn)變壓器保護(hù)、電容器保護(hù)、電動(dòng)機(jī)保護(hù)等中低壓電力設(shè)備的監(jiān)控保護(hù)功能。</di
