（测试计量技术及仪器专业论文）基于新型dsp芯片的继电保护装置及组网设计.pdf

j-1，i。j_-弱1 h n a n j i n gu m v e r s 埘o f a e r o n a u t i c sa n d a s 仃o n a u t i c s t h eg r a d l l a t es c h o o l c o n e g eo f a e i o s p a c ee n g i n e e r i i l g d e s i g no fp r o t e c t i v er e l a y i n ge q u i p m e n t a n d n e t 、o r l 【i n gm o d e b a s e do nt h ed s po fn e w a r c h i t e c t u r e a t h e s i si i l m e a s u r e m e n ta n dt e s t i n gt e c l l n o l o g y & i n s t n l m e n t s l o uk e a d v i s e db y a s s o c i a t ep r o f e s s o rs ux i a o g u a n g s u b m i t t e di np a n i a lf u l f i l l m e n t o fm ei 沁q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内 容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件， 允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：粉 日期：迦l 旦：2 ：丝 f 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 由于目前环网柜等小型柜体对于测控保护装置的宽度和深度都有严格的要求，并且在功能 和性能上的要求也越来越高，而国内合适这类应用的继电保护装置相对较少。本文根据配电系 统环网柜的应用现状，基于保护装置的应用需求，设计了一款结构紧凑、成本低廉、功能齐全 的测控保护装置。 本文首先从硬件平台设计入手，介绍了新型d s p 芯片t m s 3 2 0 f 2 8 0 3 5 的优点，并分析了在 本设计中的应用优势。其c l a 功能在本设计中起到了至关重要的作用，它使得a d 采样任务从 主c p u 中脱离出来，这样不但减轻了c p u 的负荷，而且在装置整体性能上也得到了很大的提 升。其他元器件的选择也充分考虑到了环网柜的应用特点，比如继电器等。在功能上，本装置 提供了6 路开关量的输入和5 路继电器的输出，并且配合了指示灯、按键和o u d 作为人机接 口的硬件平台。在软件设计过程中，采用面向对象的设计思想，运用c h 高级编程语言对各项 功能模块进行对象化编程。设备信息查看和参数设置等功能则采用菜单的方式进行组织，方便 用户进行独立配置。最后，在通信组网设计中，我们采用基于g p r s 网络和1 1 1 t 黜e t 网络的通 信方式，通过s c a d a - n t 后台监控软件进行数据通信和处理，并提供了图形化编程功能，方 便后台监控系统的搭建。 各项功能的测试结果表明，本文设计的环网柜测控保护装置具有较高的实时性、可靠性和 安全性，适合于工业现场的实际应用。 关键词：继电保护装置，环网柜，d s p ，g p r s ，后台监控 基于新型d s p 芯片的继电保护装置及组网设计 a b s t r t 毓a n do f 岫i 洲蝴呻炯姒雠妇a f 肭d 渤瑚赋b c 跚腑 l n d 缸m 删b e 岬t h e 婀粥l 荫啊黼“黼翰“蛐知硼i n g t dm e 删o f d i s 批哪锄妯哪a 研位枷o f t h c 即慨慨d e v 蛔，岫龀s i sw m 弘m ad 伪i g no ft h ep m t e c d v e 出w i c ew i 也t h es p 暇斑i 垃缸瞄，s 瑚h 勰c 唧a c tg 嘶椭玎笛，l o w 贫c 0 醣 跹dc m l p l e t e l y 缸c t i o n s a t 商曙t 也et l l 盥i s 诵ni n 臼o d l 脱她h 乏岫如旧p l a t l - 0 m 1 1 1 e a 1 0 t so fc o m p o i 啪t su s e di nt h e d 钾泐f o r 甑锄删e ，m e d s p l m s 3 2 0 f 2 8 0 3 5i s 瑚e d 勰m e 删l i n c p u ，a n d i t s c l a 删0 n i s 璐e d 勰t h e 删瞒砌c h 砌ls 妇m e 硼谳m em 咖c p u 皿啪觚t h i s 删丽n 珥h 旷a d et h ep i 晌m 孤o fm ep 蚍t i v ed e 、，i c e t h ep t e c t i v ed 鲥p 】、r i d 销s 投鲫血c ：hi n p i l 协 锄d 6 v e 托l a y 删p 0 幽删m - m a c 曲坞i n l 妇、j l ，i l ld e s i 驴蛐m e l e d s ，m e k e y s a n d m e o l e d ms o f t 眦i su s e d 恤嘲e c t 捌湖恤0 r y 觚d 位h i g hl g y e l 即g r a m 曲gl a n g 啦l g e c * ，讯s o 脚躺d e s i 弘w m 墩艄髓t o 蛔胡峨翻极撼删赫嘴跚d 删蝴， 峨晰c 咀愀缸d 嘲嘲馘k 龇d 础鹃缸翻蛔鼬涮岫蕊e 啦谢l hm e 懈v e r 伍瑚咖“g p r ss y s t c m 觚d 龇h 晒峨t h es c a d i a 栅诵nd 磁丽也缸d a t a 锄dd i s p l a yw 谁 也e 野叩i h i c a li i i 耐i a c e m 蛐o f a n 龇觚曲鹏岫c 妇蛳t h i s 脚赫缸硪龇缸t h c 剃妇 婶纠i c a t i 舳，l h e 础a b i l i t ya n ds w 时a p p l i c 撕o n a hi n 棚，i ti 墨g u i 纽b l e 蠡汪m ei n i d 峪奶r 舶l d 叩p 删o n s k e y w o r d s ：p r o 妣t i v er e l a y i l l g 脚蛔瑚t ，陆gm a i n 删t d i 西t a ls i 弘a lp r o c e 8 s o r g i e r a l p a c k e t 呦i os e r v i ，b a c k 哪dm i 南o r 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 继电保护行业的发展现状l 1 2 继电保护技术的发展趋势l 1 2 1 微机化l 1 2 2 网络化2 1 2 3 保护、控制、测量、数据通信一体化：2 1 2 4 智能化3 1 3 环网柜的应用现状3 1 4 本文研究的主要内容4 第二章硬件平台设计5 2 1 硬件总体设计：5 ，2 2d s p 芯片的选择6 2 2 1 电源输入设计7 。2 2 2 复位及时钟8 2 2 3j r i = a g 调试接口设计8 2 3 互感器信号采集及a d 模块设计8 2 3 1保护和测量c t 电路设计9 2 3 2测量p t 电路设计9 2 3 3 a d 采集。1 0 2 4 频率采集模块设计1 0 2 5g p i o 模拟总线结构设计l l 2 5 1指示灯电路设计：1 1 2 5 2 按键电路设计1 l 2 5 3o u d 显示电路设计。1 2 2 6s p i 总线扩展通用并行i o 设计1 3 2 6 1 继电输出电路设计1 5 2 6 2 开关量输入电路设计1 6 2 71 2 c 总线接口设计1 7 2 8s c i 总线接口设计。1 9 基于新型d s p 芯片的继电保护装置及组网设计 2 9 本章小结。1 9 第三章软件设计2 0 置l 系统启动2 0 3 1 1 软件开发平台介绍。2 0 3 1 2b 0 0 tr o m 介绍2 1 3 1 3 系统启动过程介绍。2 2 3 1 4 存储器分配。2 3 3 1 5c 代码初始化j 2 5 3 2 应用程序框架设计2 5 3 2 1 装置功能介绍。2 5 3 2 2 软件运行初始化介绍2 9 3 2 3啪a p p n t 软件平台介绍。3 0 3 2 4 中断处理介绍。3 2 3 2 5 底层驱动程序设计：3 4 3 2 5 1 模拟总线驱动3 4 3 2 5 2 趼i 接口驱动3 5 3 2 5 31 2 c 接口驱动3 6 3 2 5 4 s c l 接 1 驱动3 6 3 3a l a 功能实现3 7 3 3 1c l a 功能的组织形式3 7 3 3 2c l a 功能的实现流程3 7 3 4 本章小结3 9 第四章系统信息管理4 0 4 1 设备信息管理4 0 4 2 数据管理4 0 4 3 事件管理 4 4 显示菜单管理。 4 4 1 测量数据子菜单 4 4 2 开关量状态子菜单。 4 4 3 保护功能子菜单 4 4 4 菜单组织结构。 4 5 本章总结 南京航空航天大学硕士学位论文 第五章组网设计。4 6 5 1g p r s 模块选择及组网方式选择4 6 5 2 通信协议设计。4 7 5 3s a n d a 姗后台监控集成4 9 5 3 1s c a d a 加监控系统结构5 0 5 3 2 环网柜组网、通信及处理：5 l 5 4 本章小结。5 3 第六章功能及性能测试。5 5 6 1 硬件平台测试。5 5 6 2 软件测试5 7 6 3 装置性能测试5 8 6 4 本章小结5 9 第七章总结。6 0 参考文献。6 2 致谢6 4 攻读硕士学位期间发表的主要论文。6 5 v 基于新型d s p 芯片的继电保护装置及组网设计 圈2 1 凰2 2 图2 3 图2 4 匿2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 霉2 1 2 匿2 1 3 臣2 1 4 图2 1 5 圈2 1 6 圈3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图4 1 图4 2 图4 3 图5 1 图清单 总体硬件功能框图。5 d 印芯片功能框图。7 调试接口原理图8 保护和测量c t 电路。9 测量p t 电路。l o 频率采集电路。10 模拟总线电路。l l o u d 实物图。1 2 o u 三d 接口电路k 13 继电输出串并转换电路1 4 监测回路和开关量输入信号串并转换电路1 4 继电器输出驱动电路。16 继电器实物匿1 6 开关量输入电路图1 7 数据发送时序图18 燃5 驱动电路l9 仿真连接原理框图2l b 唧r o m 地址映射表2 2 系统启动流程图2 3 装置前面板示意图2 6 装置背面板示意图2 7 定时限过流保护逻辑框图2 8 中断服务程序框图3 3 o l e d 驱动时序图3 5j c l a 程序执行流程图3 9 主菜单实物图4 2 ， 开关量状态子菜单示意图4 2 开关量参数设置菜单示意图4 3 + g p r s 模块实物图：4 6 南京航空航天大学硕士学位论文 图5 2 数据服务器软件主界面。5 0 图5 3 系统组态软件主界面。5 l 图5 4 进线出线接线示意图5 2 图5 5s c a d a 栅集成化监控后台5 3 图6 1 互感器板实物图5 5 图6 2c p u 板实物图5 6 、 一 图6 3 环网柜测控保护装置实物图5 7 基于新型d s p 芯片的继电保护装置及组网设计 表清单 衰3 1 总线地址定义。3 4 表5 1通信帧数据结构。德 表6 1 装置测试报告5 8 南京航空航天大学硕士学位论文 c r 0 石 k o c k o c k e e p h w 电流测量 开关量输入 合闸信号 合闸回路保持 合位信号 注释表 p t k h l q k o t k o t k e e p t w 电压测量 继电器输出 分闸信号 分闸回路保持 分位信号 基于新型d s p 芯片的继电保护装置及组网设计 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 继电保护行业的发展现状 。自六十年代第一台国内自主研发的晶体管继电保护装置投入使用以来，电力工业和微机继 电保护技术经历了突飞猛进的发展。回顾我国电力系统继电保护技术的发展过程，微机继电保 护技术已经在抗干扰技术、保护算法优化以及不同复杂环境中的应用技术上取得了巨大成就， 形成了一系列性能优良、功能齐全、安全可靠的保护方案。继电保护技术已趋于完善，但是随 着新兴技术的不断出现，未来继电保护技术还存在继续改进和创新的空间。 目前，电力自动化的应用可以分为变电站自动化、调度自动化、配电自动化、电能计量自 动化和电力市场等。0 3 年以来，我国的电力供应紧张，根据国家电网的规划，电力自动化行业 每年有至少2 4 0 亿元的市场需求，而且呈现不断增长的趋势。由此，继电保护产品的需求也急 剧增长，而且对于继电保护产品的性能、新技术的应用等方面也提出了更高的要求。 1 2 继电保护技术的发展趋势 电力系统是由发电厂、变电所、输电线路、配电系统及负荷组成的。是现代社会中最重要、 最庞杂的工程系统之一。建立结构合理的大型电力系统不仅便于电能生产与消费的集中管理、 统一调度和分配，减少总装机容量，节省动力设施投资，且有利于地区能源资源的合理开发利 用，更大限度地满足地区国民经济日益增长的用电需要。电力系统建设往往是国家及地区国民 经济发展规划的重要组成部分。电力系统要实现其功能，就需在各个环节和不同层次设置相应 的信息与控制系统，以便对电能的生产和输运过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度， 确保用户获得安全、经济、优质的电能。据此，电力自动化技术也需要不断创新和完善，未来 其发展是向微机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化的方向发展。 1 2 1 微机化 随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。原华北电力学院研制的微机线 路保护硬件已经历了3 个发展阶段：从8 位单c p u 结构的微机保护问世，不到5 年时间就发展到 多c p u 结构，后又发展到总线不出模块的大模块结构，性能大大提高，得到了广泛应用。华中 理工大学研制的微机保护也是从8 位c p u ，发展到以工控机核心部分为基础的3 2 位微机保护。 采用3 2 位微机芯片并非只着眼于精度，因为精度受a d 转换器分辨率的限制，超过1 6 位时 在转换速度和成本方面都是难以接受的；更重要的是3 2 位微机芯片具有很高的集成度，很高的 工作频率和计算速度，很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出口。c p u 的寄存器、 数据总线、地址总线都是3 2 位的，具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能，并 基于新型d s p 芯片的继电保护装置及组网设计 将高速缓存( c a d h c ) 和浮点数部件都集成在c l u 内。 电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息 和数据的长期存放空闯，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、控制装置和调 度联网以共享全系统数据、信息和弼络资源的能力，高级语言编程等这就要求微机保护装置 具有相当于一台p c 机的功能。在计算机保护发展初期，曾设想过用一台夺型计算机作为继电 保护装置。由于当时小型机体积大、成本高、可靠性差，这个设想是不现实的。现在，同微机 保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机，因此，用成套 工控机作为继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一。 继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地满足电力系统 要求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经济效益和社会效益，尚须进行具 体深入的研究。 1 2 2 网络化 计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生产和社会生活 的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力的通信 手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只能反应保护安装处的 电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件缩小事故影响范围。这主要是由于缺乏强有 力的数据通信手段。国外早已提出过系统保护的概念，这在当时主要指安全自动装置。因继电 保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围( 这是首要任务h 还要保证全系统的安 全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元 与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。显然，实 现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，即实现 微机保护装置的网络化。这在当前的技术条件下是完全可能的。 对于一般的非系统保护，实现保护装置的计算机联网也有很大的好处。继电保护装置能够 得到的系统故障信息愈多，则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确。对自适 应保护原理的研究已经过很长的时间，也取得了一定的成果，但要真正实现保护对系统运行方 式和故障状态的自适应，必须获得更多的系统运行和故障信息，只有实现保护的计算机网络化， 才能做到这一点。 1 2 3 保护、控制、测量、数据通信一体化 在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能 的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故 障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或 2 南京航空航天大学硕士学位论文 任何一个终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情 况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。 目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、线路等的二次 电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆不但要大量投资，而且使二 次回路非常复杂。但是如果将上述的保护、控制、测量、数据通信一体化的计算机装置，就地 安装在室外变电站的被保护设备旁，将被保护设备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后， 通过计算机网络送到主控室，则可免除大量的控制电缆。如果用光纤作为网络的传输介质，还 可免除电磁干扰。现在光电流互感器( 叽a ) 和光电压互感器( c t 已在研究试验阶段，将来必然 在电力系统中得到应用。在采用0 1 a 和伽的情况下，保护装置应放在距o t a 和o t v 最近 的地方，亦即应放在被保护设备附近。饥a 和o t v 的光信号输入到此一体化装置中并转换成 电信号后，一方面用作保护的计算判断；另一方面作为测量量，通过网络送到主控室。从主控 室通过网络可将对被保护设备的操作控制命令送到此一体化装置，由此一体化装置执行断路器 的操作。 1 2 4 智能化 近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领 域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。神经网络是一种非线性映射的方法， 很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。例如 在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题，距离保护很 难正确作出故障位置的判别，从而造成误动或拒动；如果用神经网络方法，经过大量故障样本 的训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可正确判别。可以预见， 人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题f 1 】f 2 】。 1 3 环网柜的应用现状 环网是指环形配电网，即供电干线形成一个闭合的环形，供电电源向这个环形干线供电， 从干线上再通过高压开关向外配电。这样的好处是，每一个配电支路既可以同它的左侧干线取 电源，又可以由它右侧干线取电源。当左侧干线出了故障，它就从右侧干线继续得到供电，而 当右侧干线出了故障，它就从左侧干线继续得到供电，这样以来，尽管总电源是单路供电的， 但从每一个配电支路来说却得到类似于双路供电的实惠，从而提高了供电的可靠性。所谓“环 网柜”就是每个配电支路设一台开关柜( 出线开关柜) ，这台开关柜的母线同时就是环形干线的 一部分。就是说，环形干线是由每台出线柜的母线连接起来共同组成的。每台出线柜就叫环网 柜。 这些环网柜都不大，因而环网柜的高压开关一般不采用结构复杂的断路器而采取结构简单 3 基于新型d s p 芯片的继电保护装置及组网设计 的带高压熔断器的高压负荷开关也就是说。环网柜中的高压开关一般是负荷开关。环网柜用 负荷开关操作正常电流，而用熔断器协豫短路电流，运两者结合起来取代了断路器。 环网柜出现的时同不算长，包近年以来却得搿了广泛的使彝弘这主要是出于新发展起来的 工业企业和事业单位的建筑物，从供配电的角度来看，长期稳定供电，高压开关不频繁操作。 但对于某些用户环两柜的性能就不够完美了檑反，结构简单，运行可靠且安全；维修量很 小，运行费用低，体积小，功能强的继电保护装置就可i 没应用于要求相对较高的环网柜中【3 幔5 1 1 4 本文研究的主要内容 环网柜测控保护装置要求在结构紧凑和成本低廉的基础上实现装置功能的最优化，本文就 是从这个角度出发，设计了一款充分满足环网柜应用环境要求的测控保护装置。其具备基本的 电流电压等保护和测量功能，实现友好的人机接口环境和便捷的菜单管理系统，并且可扩展 g p r s 模块完成远程通信等功能。本文研究的内容主要为以下几个方面：串 ( 1 ) 环网柜应用现状调查，了解其技术要求，分析环网柜测控保护装置紧凑型、智能化研 究的必要性。根据应用环境需求，对本装置的软硬件整体框架进行了分析和设计。 ( 2 ) 根据多方面的了解，1 1 公司的新型d s p 芯片1 m s 3 2 0 f 2 的3 5 的各项特性都非常适合 本装置的应用需求。根据田恩3 2 0 娩8 0 3 s 的技术资料完成了包括电源、时钟、复位电路、，r a l g 调试接口和存储器电路等基本最小系统启动硬件设计。 ( 3 ) 完成电压、电流和频率等信号采集和处理电路设计，其中包括电压电流互感器、j 气他 采集电路等基本硬件电路设计。 ( 4 ) p c b 板的设计及硬件系统的抗干扰分析。 ( 5 ) 对于装置总外形结构进行设计，同时结合元器件选择和功耗水平的考虑，满足装置的 廖型化要求。 ( 6 ) 设计设备参数、设备数据和设备菜单管理系统，软件实现友好的人机交互界面。 ( 7 ) 进行多装置的组网设计，完成基于g p r s 模块的通讯网络设计，通过s c a d a - n t 后 台监控软件集成实现统一监控。其中，需要完成通讯协议的设计和后台监控软件动态库的编写。 ( 8 ) 最后，需要对装置本身、通讯网络和后台监控软件进行整体测试，满足应用环境的安 全性和可靠性需求。一 4 t 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章硬件平台设计 环网柜测控保护装置要求紧凑型结构设计以满足现场应用的要求，因此，在硬件平台设计 上就需要考虑很多相关的因素。根据本设计的外形结构要求，所有的元器件都必须放置在两块 p c b 板之内c p u 板和互感器板。这两块p c b 板的尺寸要求都为l 他n m 9 5 删m ，同时还需 要考虑装置深度的要求。因此，硬件平台的紧凑型设计就成了一大难题。解决这一难题不但需 要考虑元器件的尺寸和功能的选择，功耗的控制和抗干扰能力的提高也变得尤为重要。具体硬 件平台的搭建过程，将会在本章作详细的介绍。 2 1 硬件总体设计 图2 1总体硬件功能框图 本文从紧凑型和多功能两方面入手，设计了一款基于新型d s p 芯片的测控保护装置。d s p 芯片需要完成电压、电流等输入信号的采集和处理，并且根据一定的保护逻辑驱动继电器动作， 另外，还需要处理人机接口任务和通信任务。根据这些任务的不同优先级，d s p 芯片还需要分 配不同时间片的进程以满足各项任务合理有序地执行。 硬件设计的总体框架如图2 1 所示，输入信号包括电流、电压、频率和开关量，而输出则通 过继电器来实现。其中电流信号包括三相保护电流和一路零序电流，电压信号包括三相测量电 5 基于新型d s p 芯片的继电保护装置及组网设计 压和一路辅助电压主控制器采集并处理这些信号，分别用于显示和实现保护逻辑判断等功能 本装置的测量数据、设备信息，事件记录信息，保护定值和保护配置信息等内容都是通过 菜单的方式进行显示，装置还提供了按键用于接线方式、保护功能等基本设置功能盼实现。 设备提供了基本的串行通信功能，可完成装置和服务器之问的报文传输，实现遥信、遥澜、 遥调、遥控等功能同时还提供7e 溯娼模块、方便远距离无线通信功能的实现。 2 2d s p 芯片的选择 本文将设计一种基予f n 公司的一款新型d s p 芯片1 m s 3 2 0 f 2 8 0 3 5 的测控保护装置。目前 保护装置中用的最普遍的是1 1 公司的d s p 芯片1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，这是一款高性能数字信号处理 器，主频能达到1 5 0 m h z ，引脚数达到1 7 6 个，非常适用于高性能的数字信号处理。然而，本设 - 计要求装置具备小型化、低成本、安全性高、功能强大的特性。于是，1 m s 3 2 0 f 2 81 2 就非常不 适合，需要寻找一款体积成本和性能都能满足要求的理想芯片。峥 1 1 公司于2 0 0 9 年四季度才开始供货的d s p 芯片1 m s 3 2 0 f 2 8 0 3 5 就是一款充分满足本设计要 求的芯片。1 m s 3 2 0 f 2 8 0 3 5 是一款3 2 位低功耗微控制器，其主频能达到6 0 m h z ，具有高速的中 断响应功能，其c l a ( 控制算法加速器) 模块能完成快速信号运算和处理功能。与保护装置中 常用的d s p 芯片1 m s 3 2 0 f 2 8 1 2 的主频1 5 0 她z 相比较，明显较低，但1 m s 3 2 0 f 2 8 0 3 5 的c l a 功能弥补了这方面的缺陷，同时还增强了其并行处理事件的能力，其次1 m s 3 2 0 f 2 8 0 3 5 的成本 只是f 2 8 1 2 的四分之一。1 m s 3 2 0 f 2 8 0 3 5 只有6 4 个管脚，便于装置小型化设计，其硬件资源也比 较丰富，如图2 2 所示。其内部集成了6 他f ia s h 、l o k r a m 、1 4 个通道的1 2 位a d 模块、1 个s c l 串行端口模块、1 个s p i 串行端口模块和1 个1 2 c 串行端口模块。我们采用这些功能模块来完成 底层的硬件驱动，另外还利用其g p l o 模块来设计模拟总线结构用于驱动人机接口外设，如按 键、指示灯和o u d 等。这种紧凑的结构也促成了其小型化，便于安装。所以说这是一款非常 适合应用于环网柜测控保护装置的芯片，相信其优势也会在其他不同行业的类似需求应用中体 现出来旧。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 图2 2d s p 芯片功能框图 2 2 1电源输入设计 本装置提供8 5 2 “v 交直流通用控制电源输入，装置内部用到的电源有正负l5 v 直流开关 量输入电源、正负1 2 v 直流运放控制电源、5 v 和3 3 v 线路板元器件电源。 装置电源采用北京星原嘉泰科技有限公司的电源模块) a 良a 1 5 1 1 叮0 5 ，输出5 v 和正负1 2 v 供装置使用。5 v 输出功率为1 2 5 w ，典型效率达到8 0 ，由于此电源几乎为装置的所有元器件 供电，装置的功耗应尽量控制在l o w 以内。正负1 2 v 输出只是提供运放t 加8 4 电源，其输出功 7 基于新型d s p 芯片的继电保护装置及组网设计 率为2 4 2 w 满足运放最大功耗0 8 4 w 的设计要求。 开关量输入电源采用广州力斯特电子有限公司的电源模块p 3 w 0 5 d 1 5 ，其输出正负1 5 v ，输 出功率为3 w ，典型效率为7 3 。开关量输入中使用的光耦功耗最大为o ：w ，完全满足技术要 求。同时选取的过程中考虑到了操作温度和纹波噪声等参数的影响。 线路板其他元器件基本采用5 v 和3 3 v 供电，通过线性稳压器l t n l 7 进行5 v 转3 3 v 的电 平转换。其输出功率达到2 “w ，满足线路板的基本功耗要求。5 v 供电的主要有指示灯模块、 继电器输出模块、r s 4 8 5 总线驱动模块和线性稳压器。最大功耗分别为l w 、0 8 5 w 、0 7 5 w 和 2 “w 而3 3 v 输入电源控制的芯片功耗在1 5 w 以内，因此装置总功耗能基本控制在4 1 w 以内。 1 m s 3 2 0 f 2 8 0 3 5 需要输入5 v 的数字电源和模拟电源，数字电源通过磁珠进行隔离即得到模 拟电源，简单方便地满足了a d 对于模拟地和模拟电源的需求。同时，芯片还需要1 8 v 的内核 电源，此电源通过芯片内部的线性稳压器实现。输入合适的芯片i o 电源) d i o ，然后拉低芯 片的r g e n z 引脚，芯片会自动产生1 8 v 电源供芯片内核使用。 。 2 2 2 复位及时钟 1 m s 3 2 0 f 2 8 0 3 5 内部带p o r ( 上电复位) 回路和b o r ( 软件复位) 回路，因此装置的复位 和时钟都采用片内复位和片内晶振的功能，方便使用而且还节省空间和成本。 2 2 3j t a g 调试接口设计 m c u 和仿真器头的接口如图2 1 所示，需要注意一点的是m c u 和仿真器头的距离超过六 英寸的时候，需要对仿真信号进行缓冲处理。 图2 3 调试接口原理图 2 3 互感器信号采集及a d 模块设计 互感器的功能是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压或标准小电流，以便实现测量 8 t 南京航空航天大学硕士学位论文 仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。本装置自外部电子式电流电压互感器接入 标准电流电压信号，通过线路板内部精密电流电压互感器转换成可采样要求信号，测试信号的 精度和抗干扰效果是本设计的重点。 2 3 1 保护和测量c t 电路设计 保护电流的额定值是5 a ，测量范围为1 0 0 a 。测量电流的额定值是5 a ，测量范围是6 2 5 a 。 保护和测量电路必须非别处理，以满足两种情况下对测量精度的不同要求。如图所示保护电流 以电压跟随方式采集，精密电流互感器出来信号通过取样电阻转换成电压信号。然后经过电阻 分压得到电压信号幅值范围为0 1 1 8 v v 2 8 8 7 v ，根据换算得到可测最大输入电流幅值为1 0 8 5 4 a ， 这样做充分权衡了测试范围和精度要求两个方面。电流测量电路相对于保护电路精度要求更高， 我们把可测范围限制在6 2 2 a ，根据片内1 2 位a d 可知其测试精度能达到3 0 7 m a 。这样充分满 足了环网柜应用环境测试精度等级要求。下面还考虑了应用环境的干扰处理，首先，在线路板 布局上考虑强电和弱点的隔离，其次，在采集电路上加入了低通滤波电容，测试结果表明这样 做足够满足信号采集要求，具体信号波形如图2 2 所示。芯片管脚信号输入的时候还需要考虑保 护芯片的要求，因此，下图中的a 2 、a 3 的网络标号还分别串接了3 个二极管控制芯片管脚输入 信号在一0 3 5 v 3 2 v 的范围内以保护芯片，其他电流采集电路也类似。 ，t 图2 4 保护和测量c t 电路 2 3 2 测量p t 电路设计 测量p t 包括三相电压输入和一相由用户自选输入，如图2 3 所示为其中两相的采集电路， 其余类似。根据p t 测量的要求，此电路的最大测量幅值为1 5 8 7 v 。与c t 测量电路类似，在电 路设计中也考虑到了抗干扰和保护等方面的实现闭【8 】【9 】o 9 基于新型d s p 芯片的继电保护装置及组网设计 2 3 3a d 采集 图2 5 测量p t 电路 我们采用内置的a d 采集模块，其包涵了前置模拟多路转换开关、采样保持回路、转换内 核、电压调制器和其他模数转换支持回路。这种方式已经可以满足了装置中的测试要求，而且 一 还有助于节省空间和成本。在实际设计原理图的过程中，我们在元器件选择上还应考虑很多因 素，比如是否有备货、市场供应量、价格和需求的平衡点和功耗等等很多不同因素。在做系统 * 工程的过程中，还应考虑到一个很关键的问题，就是后续产品的兼容性，比如说在本设计的p c b 中主要包括c p u 板和互感器板两部分，在设计过程中我们预留了2 个g p i o 口方便扩展，这一 点设计过程中的细节也是非常重要的。就a d 采集这块电路印制板设计而言，我们也考虑到了 后续产品有可能只用于保护e t 功能，所以在实际测量c t 电路中也混合了保护p t 的功能，只 是在元器件焊接的过程中预留出来，增强后续的兼容性。 2 4 频率采集模块设计 如图2 4 所示，频率信号通过测量p t 中间处理信号a 4 和a 6 的比较来得到，a 4 和a 6 分别 为测量p t 的a 相和c 相电压处理后得到，它们在额定状态下由3 v 的直流和幅值为3 v 的交流 信号相加得到。由于交流信号a c 两相相比，a 相幅值大于c 相状态占半个周期，根据这个原 理，我们通过一个比较器来得到频率信号。 1 0 图2 6 频率采集电路 t 南京航空航天大学硕士学位论文 2 5g p i o 模拟总线结构设计 为了使装置满足小型化要求，本设计采用一种模拟总线结构来驱动指示灯、按键和显示器 等。这样做节约了硬件资源，使1 m s 3 2 0 f 2 8 0 3 5 的功能达到最大利用。但统一总线对设备的实 时性和安全性提出了更高的要求，这就要求在设计过程中要十分小心，尽量实现总线调度的优 化和容错能力的提高。总线的控制秉承了操作系统多任务处理的思想，在操作系统设计中，有 线程的概念和进程间并行处理的功能，其实现是通过缩小任务块和交叉执行各进程的方式。本 模拟总线也