1 引 言

目前，國內(nèi)外的各種中低壓變電站綜合自動化系統(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蟮乃枷耄宰儔浩?、斷路器等一次設(shè)備間隔為對象，將各種保護(hù)測控功能綜合在一個測控裝置中，下放到現(xiàn)場測控對象（即一次設(shè)備）上安裝。因此整個系統(tǒng)中，最關(guān)鍵是要設(shè)計集保護(hù)、測量、控制、通信等功能于一體的微機(jī)保護(hù)測控裝置。

本文設(shè)計了一種基于TI公司的嵌入式數(shù)字信號處理器TMS320F2407的分布式微機(jī)保護(hù)測控裝置，該裝置就地采集電壓、電流等信息量，實(shí)時完成保護(hù)、測量、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

一個變電站綜合自動化系統(tǒng)中，測控裝置的種類好多種，如線路、變壓器、電容器等的測控裝置。因此測控裝置采用標(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)是整個裝置的核心部分，主要由模擬輸入電路、DSP及其外圍電路、開關(guān)量輸入回路、開關(guān)量輸出回路組成。

3.2 DSP微處理選擇

微機(jī)保護(hù)測控裝置是一個專用實(shí)時測量與控制系統(tǒng)，但他對微處理器速度的要求并不是越快越好。因?yàn)楸Ｗo(hù)的動作必須要在故障后一段時間內(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)行計算后，才能決定是否保護(hù)動作。由于保護(hù)算法本身的要求，這個采樣時間一般在幾個毫秒以上，也就是說這個時間是不能靠采用高速微處理器來縮短的。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)級數(shù)字處理器TMS320F2407，主頻40 MHz，集程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、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，可長期工作在-45～+80℃的環(huán)境。

3.3 E2PROM數(shù)據(jù)存儲器及時鐘電路

微機(jī)保護(hù)測控裝置中，需要對保護(hù)定值、故障報告、刻度系數(shù)、裝置地址等數(shù)據(jù)長期存儲，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)存儲器AT24C64來保存。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，但仍然無法與較慢的外設(shè)匹配，配置起來不靈活。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序。

時鐘電路為系統(tǒng)提供時間參考，對于裝置的事件記錄等功能的實(shí)現(xiàn)有重要意義。由于時鐘電路的運(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)手冊的要求選擇了頻率為32 768 Hz的晶體震蕩器。

3.4 CAN現(xiàn)場總線驅(qū)動電路

變電站綜合自動化系統(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)時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有完全的開放性。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，提供對總線的差動發(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)測芯片MAX706，實(shí)現(xiàn)看門狗和手

動復(fù)位電路。

4 交流輸入回路

4.1 模擬信號處理

交流插件將高壓互感器二次側(cè)的電壓／電流信號變換成適合測控裝置輸入要求的小電壓信號。交流量變換回路的基本設(shè)計原則是：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；互感器要在整個工作范圍內(nèi)保持線性傳輸，輸入小信號不失真，輸入大信號不飽和。

由于電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，電流互感器二次側(cè)的電流具有很大的動態(tài)范圍，因此，電流互感器的設(shè)計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，對應(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，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，選擇電流互感器的規(guī)格為5 A／5 mA，精度0.2級，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，因此測量通道和保護(hù)通道要選取不同的電流互感器，測量互感器要求滿足正常電流時具有一定的精度，保護(hù)互感器要求在短路故障大電流情況下不飽和。

對于輸入的模擬量需要采用低通濾波器將最高信號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)相對較復(fù)雜，降低了電路可靠性；而無源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、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無源低通濾波器。由于高階的模擬濾波器將帶來長的過渡過程，有可能影響保護(hù)的速度，因此一般的RC低通濾波器設(shè)計為一階即可。

4.2 A／D轉(zhuǎn)換器

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

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級的測量精度，理論上講，A／D的分辨率位數(shù)為，再加上1位符號位，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路交流模擬量來計算，則每次轉(zhuǎn)換時間為，即每次轉(zhuǎn)換時間不大于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)換時間3μs高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。該芯片集多路開關(guān)、采樣保持器和A／D轉(zhuǎn)換器這3個環(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銷。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 開關(guān)量輸入

開關(guān)量主要是一些非電量保護(hù)、開關(guān)位置信號、控制信號及脈沖量信號，這些信號都是無源觸點(diǎn)。DSP檢測這些觸點(diǎn)的分、合狀態(tài)時候，需要把他們變成有源的，然后通過檢查其回路電流的有無來判斷其分合狀態(tài)。對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直流電源來作為觸點(diǎn)的電源。

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

6 開關(guān)量輸出

測控裝置的開關(guān)量輸出分為兩類：保護(hù)動作輸出和信號輸出。保護(hù)動作時輸出觸點(diǎn)送到斷路器操作回路中，啟動操作機(jī)構(gòu)，執(zhí)行斷路器的分、合操作。信號輸出是根據(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，去啟動光字牌、信號燈、警鈴、警笛等報警裝置。

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

另外，還要設(shè)計反饋回路，將繼電器的狀態(tài)回送到DSP的I／O端口，由DSP實(shí)時監(jiān)視開出量的狀態(tài)，保證開關(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關(guān)電源模塊。該模塊采用直流220 V／110 V供電，輸出有3個電壓：+5 V，±5 V，+24 V。

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

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

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

（2）22失電時，保證5 V電澡比24 V電源后失電，延時為20 ms，同時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。鍵盤有4個，分別為下移鍵、右移鍵、取消鍵、回車鍵，通過這幾個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

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)測控裝置的硬件設(shè)計，按照裝置的結(jié)構(gòu)介紹了各個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)測控裝置的設(shè)計過程中需要考慮的電磁抗干擾問題。

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

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