楊會翔， 朱凌云， 馮麗麗

(1.東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620； 2.合肥金星機電科技發(fā)展有限公司，安徽 合肥 230088)

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一種新型雙核微機繼電保護裝置設計

楊會翔1， 朱凌云1， 馮麗麗2

(1.東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620； 2.合肥金星機電科技發(fā)展有限公司，安徽 合肥 230088)

在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，繼電保護裝置是保證電力系統(tǒng)安全運行和監(jiān)控電能質(zhì)量的重要工具。傳統(tǒng)微機繼電保護裝置，存在計算速度較低和保護原理不夠完善等問題。介紹了一種基于TMS320F2808+N78E366A雙核繼電保護裝置，設計了裝置的各個硬件模塊，比較了全波傅氏算法和差分全波傅氏算法的濾波性能，并通過仿真計算對上述兩種算法性能進行驗證，選定系統(tǒng)的算法及采樣點數(shù)，最后給出了系統(tǒng)主要的軟件流程圖。該裝置運算速度快、可靠、便于維護、抗干擾能力強、體積小，并且根據(jù)用戶的需要可方便地配置各種不同類型的測控保護。

數(shù)字信號處理器； 單片機； 微機繼電保護； 傅氏算法

0 引 言

傳統(tǒng)的繼電保護裝置經(jīng)互感器引入被測信號，按照電磁感應、鑒相、鑒幅等原理做出是否動作的判斷。微機繼電保護裝置[1]是以中央處理器CPU為核心，以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的電力系統(tǒng)的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，按照給定算法來檢測電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障以及故障性質(zhì)、范圍等，并由此做出是否需要跳閘或報警等判斷的一種安全裝置。一臺完整的微機繼電保護裝置不僅包括以上保護功能，還包括事件記錄和人機接口等功能，即微機保護裝置可以在系統(tǒng)發(fā)生故障時正確動作，并且記錄事件或者錄波，然后運行人員可以通過人機接口(鍵盤、液晶顯示器)管理維護及查看報告，進行事故分析。

為了提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理[2]能力及其可靠性，采用TI公司TMS320F2808 DSP芯片和Nuvoton公司的N78E366A單片機設計成雙CPU結(jié)構的微機繼電保護系統(tǒng)。這種雙CPU的結(jié)構一方面可以利用DSP芯片—保護CPU，對數(shù)據(jù)快速計算，實現(xiàn)測量、保護、通信功能。另一方面可以利用N78E366A—管理CPU，實現(xiàn)繼電保護裝置的監(jiān)控、人機對話。這種保護和管理雙CPU結(jié)構極大的提高了繼電保護的可靠性和靈活性。

1 系統(tǒng)硬件設計

硬件系統(tǒng)采用模塊化設計，總體硬件圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構圖

1.1 保護測控模塊

該部分為整個裝置的核心所在，保護測控模塊主要完成模擬量的采集，模數(shù)轉(zhuǎn)換與處理，根據(jù)采集運算的數(shù)據(jù)，完成各種保護邏輯的處理和判斷，通過RS485通信方式和上位機進行數(shù)據(jù)交換，負責采樣各種外部開入的信號并進行處理判斷，以控制輸出回路準確有效的動作。

TMS320F2808是TI公司繼TMS320LF2407A后推出的一款更高速、更適用于電氣控制系統(tǒng)的DSP芯片，它具備了TMS320x280x系列DSP高的性能，最高工作速度達100 MI/S，幾乎所有的指令都可在50 ns的周期內(nèi)完成，該系列取消了事件管理器，增強型EPWM和HRPWM模塊取而代之。TMS320F2808集成了豐富的內(nèi)部資源，有64 KB的Flash EEPROM、18 KB的SARAM和4 KB的ROM[3]。

作為系統(tǒng)管理器，TMS320F2808具有強大的片內(nèi)I/O和外設功能。它有6個功率保護端口，配置更加靈活，可外擴的外部存儲器總共可達1 MB。TMS320F2808以其引腳少、體積小、成本低等優(yōu)勢，克服了TMS320LF2407或TMS320F2812作為實際控制系統(tǒng)主控芯片所存在的不足，提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。1.2 模擬量采集模塊

電壓互感器TV、電流互感器TA[4]對電力系統(tǒng)一次側(cè)電壓、電流信號進行降幅，利用RC濾波電路對這些信號進行必要的低通濾波，濾去不必要的高頻信號，送至A/D轉(zhuǎn)換電路、測頻電路進一步處理。

1.2.1 測頻電路

電力系統(tǒng)在實際運行中，會發(fā)生波動，頻率會發(fā)生變化，會導致采樣出現(xiàn)誤差。因此需要配置測頻電路檢測電網(wǎng)中的信號頻率，采樣頻率隨著工頻頻率發(fā)生變化而調(diào)整，就可以消除上述采樣誤差。

一般情況下，測量系統(tǒng)頻率分為兩種方式：一種是硬件測量，另一種是軟件測量。硬件的測頻原理如圖2所示[5]。

圖2 硬件測頻原理圖

裝置的測頻電路選用電壓比較器LM258和高速光電隔離SI8441。LM258的工作電壓為3～30 V或±1.5～15 V。模擬信號經(jīng)二階無源濾波、運放后進入LM258，再經(jīng)過SI8441的輸出端接在TMS320F2808的定時器T0[6]的輸入捕獲引腳上，它選用TMS320F2808內(nèi)部的定時器作為捕獲單元的時基。捕獲單元通過50 Hz INT的兩個脈沖間隔，來計算出周波的周期。利用定時器T0計算出采樣間隔，可在定時器中斷過程中啟動一次采樣，實現(xiàn)采樣間隔隨電網(wǎng)頻率的變化而不斷的調(diào)整。光耦SI8441可以把外部輸入信號與TMS320F2808隔離，防止外部的干擾。

1.2.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

一般的說，不同保護對象對應著不同微機保護原理，由于保護對象的設備類型，電壓等級不盡相同，所以不同保護原理需對應的模擬量、開入量和開出量也各不相同[6]。

表1比較了使用電氣量較多的變壓器、發(fā)電機常用保護、線路保護采集的模擬量情況。不難看出，上述各種保護原理最多需要采集6路模擬電壓量和10路模擬電流量。因一共需采集16路的模擬量，另外用于測量的的4路電流量、電壓量要求同步采樣，因此裝置采用獨立的A/D轉(zhuǎn)換芯片[7]。

MAXIM125芯片具有3 μs的A/D轉(zhuǎn)換時間和14位的分辨率，能夠滿足高精度、實時的控制系統(tǒng)要求。此外，MAXIM125芯片內(nèi)部自帶4*14位的RAM，可用來存放A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，其提供的并行接口也與TMS320F2808兼容。由于MAXIM125的輸入阻抗不夠高，因此信號進入MAXIM125芯片后，有一定的分流，損耗了一定的輸入電流，可能獲得不準確的測量數(shù)據(jù)(8(。裝置低通濾波采樣后，在A/D轉(zhuǎn)換前設置了運放TLC2274ID，從而可以提高輸入阻抗，降低損耗系數(shù)。

1.3 開關量輸入、輸出模塊

該模塊由開關量輸入、輸出兩部分構成。電力系統(tǒng)中的開關輸入量指各種開關狀態(tài)信號，如斷路器、隔離開關、繼電器觸點、接地刀閘等的分、合兩種工作狀態(tài)，分別用 0、1表示。微機繼電保護的開入量一般通過+24 V電壓信號引入。裝置在采集+24 V電壓信號時，為了防止采集到不正確的的開關數(shù)據(jù)，利用二階RC濾波電路用于濾除干擾。同時采用穩(wěn)壓管FM4007以防止高壓干擾信號串入電路擊穿光耦TLP181，最后在開關量輸入到DSP前采用光電隔離芯片，去除干擾。

表1 常用保護需要采集模擬量狀況

開出量包括斷路器的跳閘信號、合閘信號以及報警信號等。裝置預留16路開出量，利用并行接口的輸出口控制有觸點繼電器的方法[9]。為了提高本部分的抗干擾能力，繼電器電源與系統(tǒng)電源相互獨立—不共地，并應用TLP127光電隔離芯片，該芯片內(nèi)部集電極開路，輸入信號的帶寬為10 KHz，隔離電壓達直流2 500 V，最大輸出電流達200 mA。

1.4 通信模塊

通信模塊是系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行傳輸、交換的紐帶。系統(tǒng)的遙測、遙控、遙信、事件順序記錄(SOE)等信息都需要通過該模塊及時傳送到上位機和人機接口模塊。微機繼電保護系統(tǒng)的通信模塊，是為了完成保護CPU、管理CPU之間的定值傳輸、錄波等功能而進行設計的。

當通信距離在幾十m到近千m時，經(jīng)常采用 RS-485總線標準。RS-485總線采用平衡發(fā)送和差分接收，具有抑制共模干擾能力。RS-485 接口的最大傳輸距離為1 200 m，在總線上允許連接多達32個收發(fā)器，數(shù)據(jù)最高傳輸速率可以達到10 Mbit/s。由于微機繼電保護系統(tǒng)的工作環(huán)境十分惡劣，容易受到各種電磁干擾，所以本系統(tǒng)采用高速光電隔離芯片TLP114A將RS-485 接口與TMS320F2808的弱電系統(tǒng)隔離。RS-485信號的轉(zhuǎn)換芯片采用SP485EEN。

一般說來，變電站自動化系統(tǒng)對本站內(nèi)各裝置的保護、監(jiān)控、事件順序記錄(SOE)、故障錄波等功能的時間精度和同步性要求較高，一般采用全球定位系統(tǒng)(GPS)[10]對站內(nèi)各裝置進行統(tǒng)一授時。裝置留有GPS授時用接口：將TMS320F2808的I2C串行總線與GPS模塊的串行接口相連接，獲得絕對時間信息，每間隔一段時間，根據(jù)GPS時間信息對TMS320F2808內(nèi)部的實時時鐘(RTC)進行校正。

該裝置還預留了USB接口和Ethernet接口，分別用于裝置信息的現(xiàn)場上傳、下載及和其他智能終端互連。

1.5 人機接口模塊

裝置的人機接口模塊由液晶顯示器(LCD)、鍵盤、LED指示燈和管理CPU組成[11]。液晶顯示器(LCD)用來顯示實時狀態(tài)參數(shù)、告警事件記錄以及當前整定參數(shù)；鍵盤用以投切保護壓板、選擇保護方式、設置和修改保護定值；LED指示燈指示當前被保護設備所處于的運行、跳閘、合閘等各種狀態(tài)。由于液晶顯示器(LCD)讀寫速度較慢，并且任務較頻繁，因此它對處理器運算能力的要求較低，本裝置采用了Nuvoton公司的80C51單片機N78E366A作為系統(tǒng)的管理CPU，N78E366A內(nèi)部帶有256 KB的RAM存儲器和64 KB的FLASH存儲器，可以在系統(tǒng)編程(ISP)也可并行編程，可專門負責液晶顯示器LCD、鍵盤及LED指示燈的控制工作。需要指出的是，它與TMS320F2808之間采用SPI總線交換數(shù)據(jù)。

1.6 電源模塊

電源模塊是微機繼電保護裝置穩(wěn)定工作的基礎，為系統(tǒng)各組成部分提供工作電源。220 V的交流電經(jīng)整流濾波后，分別輸出4路獨立電源：兩路+5 V電源和兩路+24 V電源。其中一路+5 V電源經(jīng)過DC/DC變換器，輸出通信電源+5 V；另一路+5 V電源為數(shù)字電源，根據(jù)各芯片實際所需電壓將+5 V轉(zhuǎn)化成3.3、2.5和1.8 V。其中一路+24 V電源利用電感隔離，產(chǎn)生+24 V電源，驅(qū)動開入裝置；另一路+24 V電源為開出繼電器供電，用來驅(qū)動開出繼電器跳合。

2 系統(tǒng)算法設計

傅氏算法的思想源于傅里葉級數(shù)[12]，它在微機繼電保護中經(jīng)常被用來計算信號的幅值。假設被采樣的模擬信號是周期性的時間函數(shù)，除基波外，還包含衰減直流分量和各次諧波分量，

(1)

式中：an和bn為各次諧波分量的正弦分量、余弦分量值，

(2)

(3)

對于離散數(shù)字信號，用微機來計算時，可以用矩形法則來代替積分，這時對應的正弦分量和余弦分量分別為:

(4)

(5)

其中：N每周波采樣的點數(shù)，為第k次采樣值，k=0，1，…，N-1。分析可知，全波傅氏算法可有效地濾除直流分量和各整次諧波分量[13]。

在全波傅氏算法之前增加一個差分環(huán)節(jié)構成差分全波傅氏算法[14]，能夠消除衰減的直流分量的影響[5]，對應的計算公式如下:

(6)

(7)

可以分別利用式(4)～(7)計算出全波傅氏算法和差分全波傅氏算法對應n次諧波的幅值。

(8)

(9)

由式(8)、(9)還能夠計算出n次諧波的功率因數(shù)φ，有功功率Pn，無功功率Qn，視在功率Sn。

設電力系統(tǒng)暫態(tài)電流信號為:

4sin 200πt+10sin 300πt+

2sin 400πt+6sin 500πt

(10)

式中，τ=0.03 s。假定每周采樣的點數(shù)為N=12點、N=20點和N=40點，則全波傅氏算法和差分全波傅氏算法基波分量仿真計算結(jié)果如表2所示。

表2 仿真計算結(jié)果

從表2的仿真結(jié)果中可知，當故障信號中含有衰減直流分量時，全波傅氏算法的誤差比差分全波傅氏算法要大很多。一周波采樣點數(shù)從12提高到20時，兩種算法的誤差均有一定程度的減小。而提高至40時[15]，誤差沒有可觀減小，但是對應的計算時間增加了1倍。所以周期采樣點數(shù)為20時，有著較高的采樣精度和計算速度。

差分全波傅氏算法可以消除直流分量，在一定程度上抑制衰減的非周期分量，而且當信號基波頻率偏離額定值時，差分法消除衰減非周期分量的特性比其他方法要好，求出的基波幅值最接近于實際值。因此，選用采用差分全波傅氏算法作為本裝置的算法，并且保持采樣點數(shù)設為20點/周波。

3 系統(tǒng)軟件設計

圖3為主程序流程圖，圖4為ADC中斷軟件流程圖。

主程序是軟件的主體框架，由系統(tǒng)初始化自檢和無限檢測循環(huán)兩個部分組成[16]。初始化自檢是裝置在上電或者硬件系統(tǒng)復位時首先執(zhí)行的程序及對開關量輸出、采樣通道、保護定值及自動校正系數(shù)等的自檢。包括對TMS320F2808的 I/O口、中斷、定時器、串口、全局變量等進行初始化及采樣芯片MAXIM125初始化和對開關量輸出、采樣通道、保護定值、自動校正系數(shù)的自檢。系統(tǒng)的初始化自檢結(jié)束后，進入了無限檢測循環(huán)部分，包括計算測量采樣電壓電流，頻率檢測與調(diào)整，PT 斷線檢測，告警處理及故障錄波等。在無限檢測序循環(huán)過程中，所有的功能模塊只有在條件滿足時才執(zhí)行，一旦條件不滿足，立即進入下一個功能模塊。

在中斷后，定時器每隔一個采樣周期Ts，會發(fā)出一個采樣脈沖，從而啟動A/D 轉(zhuǎn)換，完成16通道模數(shù)轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生中斷。在圖4中，利用計數(shù)器Point1統(tǒng)計已保存的測量參數(shù)的采樣個數(shù)，因要針對全波20點采樣值進行參數(shù)計算，所以完成一個全周波采樣后，Pointl等于20，置A/D flag為 2，意味此時主程序可調(diào)用計算測量參數(shù)子程序。而在測量參數(shù)計算時，新A/D采樣值不可覆蓋正用于測量參數(shù)計算的A/D采樣結(jié)果，只有A/D flag為1時，才能夠保存新的A/D采樣值。從圖4可以看到，當計算完一個周波對應的20個測量參數(shù)后，A/D flag置1，計數(shù)器Pointl清0，表示能夠開始存放下一周波的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。同時用計數(shù)器Point2來統(tǒng)計保護參數(shù)的采樣個數(shù)，在奇數(shù)次采樣時，計算、保存保護參數(shù)，調(diào)用保護判斷子程序。在偶數(shù)次采樣時，不作任何處理，一個周波后，計數(shù)器Point2清0。

圖3 主程序流程圖

圖4 A/D中斷程序流程圖

4 結(jié) 語

新型微機繼電保護裝置采用了保護、管理雙CPU結(jié)構，一方面可為電力系統(tǒng)提供快速、準確的計量和保護，另一方面也可以縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低系統(tǒng)成本。裝置適用于10 KV及以下電壓等級的發(fā)電廠及變電站，功能涵蓋了電力變壓器保護、線路保護、電容器保護、電動機保護等。對于各種不同場合，只要對功能軟件進行適當更改，即可滿足系統(tǒng)功能要求。裝置可集中組屏安裝或直接在開關柜上分散安裝，配合通訊管理單元和監(jiān)控系統(tǒng)，還可以構成完整的廠站自動化系統(tǒng)。利用多功能保護繼電測試裝置和模擬斷路器對本系統(tǒng)進行了全面的測試，結(jié)果表明該裝置保護邏輯正確，動作可靠靈敏，滿足現(xiàn)實要求。可以預見在技術迅猛發(fā)展的背景下，新型微機保護裝置將更有效、更可靠地擔當起確保電網(wǎng)安全的重任。

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A New Dual-core Microcomputer Relay Protection Device

YANGHui-xiang1,ZHULing-yun1,FENGLi-li2

(1.College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China;2. Hefei Gold Star M&E Technical Development Co. Ltd, Hefei 230088, China)

In the modern power system, relay protection device is an important tool to ensure the safe operation of the power system and monitor the quality of electricity. Traditional microcomputer relay protection device has a low computing speed, and its protection principle is also imperfect. A device of relay protection based on dual cores TMS320F2808+N78E366A is developed, the hardware of each module part is designed. The filtering performance of the full wave Fourier algorithm is compared with the differential full wave Fourier algorithm. Then the performance of the above two algorithms is verified through simulation, meanwhile the system algorithm and the sampling points are selected. Finally, the main program diagrams of system software have also been given. The device is fast, reliable, easy to maintain, strong anti-interference, cute size, and can been easily configured into various types protection and control according to users’ needs.

DSP; SCM; microcomputer relay protection; Fourier algorithms

2014-08-01

楊會翔(1987-)，男，安徽淮南人，在讀碩士，主要研究方向為檢測技術與自動化裝置。

Tel.：18818235956，021-67792313;E-mail:airhuixing1987@163.com

朱凌云(1962-)，女，湖南郴州人，副教授，主要研究方向為過程控制和嵌入式系統(tǒng)。

TP 36

B

1006-7167(2015)03-0150-05