（通信与信息系统专业论文）基于dsp和cpld的电力数据采集平台的研究与设计.pdf

华北电力人学硕士学位论文摘要 摘要 随着微机保护的发展，一些新的保护原理和方案，受到了越来越多的关注，并逐步 得到实际应用。然而这燃新方法在改罄保护性能的同时也对微机保护装置的计算精度与 速度穰零圭囊空阗等提爨了更褰要求，鞫嚣遣对穆藏激撬保护装嚣豹溪箨平台疆窭了夏嵩 要求。针对以上问题，本文提出了一种新的微机僚护设计方案，成功地将数字信号处理 器- ( d s p ) 和可编程逻辑器件( c p l d ) 运用到系统中，同时融入了平台化的设计恩想。用d s p 饯替常蛾微辊保护系绫中鲍单片枫，使系统的运舞缝力和处理遮度大大提蠢，为复杂程 序设计羹定了基穑。复杂可编程逻辑器徉的成功遮臻大大降低了系统中接翻设计的复杂 性，特别是与d s p 的配合使用给整个系统的设计带来了很大的灵活性。 关键逶：激懿绦护，凝箨平台，d s p ，c p l d a b s t r a c 覃 w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n ，m a n yn e w r e l a yp r i n c i p l e s a n ds c h e m e sa l eg o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，a n dt h e ya r ea l s op u ti n t op r a c t i c es t e pb y s t e p h o w e v e r , w h e n t h ep e r f o r m a n c eo f r e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e sa r ei m p r o v e db yt h e s e n e wm e t h o d s ，t h eh i g h e rp r e c i s i o na n ds p e e di nc a l c u l a t i o na n dm o r ea d d r e s s i n gs p a c e a r er e q u i r e dt ot h e s er e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e s ，t h u st h eb e t t e rh a r d w a r eo ft h e s ed e v i c e s a r en e e d e d a i m i n ga tt h e s ep r o b l e m s ，an e ws c h e m eo fm i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r ，w h i c ha p p l i e sd s p a n dc p l dt os y s t e m s u c c e s s f u l l ya n dj o i n s w i t hp l a t f o r md e s i g ni d e a t h es c mi ng e n e r a lr e l a yp r o t e c t i o ns y s t e mi sr e p l a c e db y d sp w h i c hi m p r o v e st h ec a l c u l a t i o na b i l i t ya n dp r o c e s s i n gs p e e dg r e a t l ya n dm a k e s f o u n d a t i o nt ot h ec o m p l i c a t e dp r o g r a md e s i g n t h ec o m p l e x i t yo fs y s t e mi n t e r f a c ei s r e d u c e db yt h es u c c e s s f u lu s eo fc p l d ，e s p e c i a l l yt h ec o o p e r a t i n gu s ew i t hc p l da n d d s pm a k e st h es y s t e md e s i g nm o r ef l e x i b l e y a o g u o z h e n ( c o m m u n i c a t i o n a n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db y p r o f k a n gy i k e y w o r d s ：m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n ，h a r d w a r ep l a t f o r m ，d s p ，c p l d 华l 邂力天学硪士学链论文籀要 摘要 隧蓉徽撬臻护静发震，一些掰兹傈轳琢瑾彝方案，受裂了越来越多静关注，莠逐步 得到实际成用。然而这魑新方法在改善保护性能的同时也对微机保护装露的计算精度与 速度和寻址空闻等提出了更高器求，因而也对构成微机像护装谶酌硬件平台提出了更高 要求。针对以上问题，本文提出了一种新的微机保护设计方案，成功她将数字信号处理 器s p ) 和可编稷逻辑器件( c p l d ) 运用到系统中，同时融入了平台化的设计恩想。用d s p 代替零戏擞捉擐护系统中的零片援，使系统的运纂缝力秘楚理速度大大提裹，为复杂程 序设计奠定了基础。复杂可编程逻辑器件的成功逡用大大降低了系统中接口设计的复杂 毪，特襄怒与d s p 的聚合佼翔给整个系统静设计带来了缀大静灵活| 雯。 关键词：微机保护，硬件平台，d s p ，c p l d a b s 霉r a c 零 w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n ，m a n yn e wr e l a yp r i n c i p l e s a n ds c h e m e sa r eg o tm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n ，a n dt h e ya r ea l s op u ti n t op r a c t i c es t e pb y s t e p h o w e v e r , w h e n t h ep e r f o r m a n c eo f r e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e sa r ei m p r o v e db yt h e s e n e wm e t h o d s ，t h eh i g h e rp r e c i s i o na n ds p e e di nc a l c u l a t i o na n dm o r ea d d r e s s i n gs p a c e a r er e q u i r e dt ot h e s er e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e s ，t h u st h eb e t t e rh a r d w a r eo ft h e s ed e v i c e s a r en e e d e d a i m i n g 采t h e s ep r o b l e m s ，an e ws c h e m eo f m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n i sp r o p o s e di nt h i sp a p e r ，w h i c ha p p l i e sd s p a n dc p l dt os y s t e ms u c c e s s f u l l ya n d j o i n s w i t hp l a t f o r md e s i g ni d e a t h es c mi ng e n e r a lr e l a yp r o t e c t i o ns y s t e mi sr e p l a c e db y d s p , w h i c hi m p r o v e st h ec a l c u l a t i o na b i l i t ya n dp r o c e s s i n gs p e e dg r e a t l ya n dm a k e s f o u n d a t i o nt ot h ec o m p l i c a t e dp r o g r a md e s i g n t h ec o m p l e x i t yo fs y s t e mi n t e r f a c ei s r e d u c e db yt h es u c c e s s f u lu s eo fc p l d ，e s p e c i a l l yt h ec o o p e r a t i n gu s ew i t hc p l d a n d d s pm a k e st h es y s t e md e s i g nm o r ef l e x i b l e y a og u o z h e n ( c o m m u n i c a t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db y p r o f k a n gy i k e y w o r d s ：m i c r o p r o c e s s o rr e l a yp r o t e c t i o n ，h a r d w a r ep l a t f o r m ，d s p ，c p l d 声明 本入都霾声弱：既楚所提交的硕士学位论文纂于d s p 和c p l d 的电力数据采集 平台的研究与设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导一f 进行的 研究工作和数得的研究成果。搪本人所知，除了文中特别加以标淀和致谢之处外，论文 中不趣含其熊人已经发表或撰写过的研究成鬃，也不包含为获褥肇北电力大学波其憩教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中俘了羁确兹谈骧劳表示了谢意。 学位论文作者舔名：- 缓靠嗥鑫 麓： 渺、，。， 卜 关于学位论文使用授权的说明 本人完众了解华北电力大学宵关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并淘胬关部门送交学位论文的暴待与复印彳串；学校可戳采用影涕、缩印或萁它复潮手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不间媒体上发表、传播学 建论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名b 监区理箩 日期：衅 导师签名： 日期： 、 趣 2 卯r h ，。 垡啦壶鑫宝颈堂键论塞， 第一章引言 1 。1 微枕继电保护鑫勺发震 继电保护在电力系统中占有十分重疆的地位。随着电力系统的发展，继电保护装凝 逛在不瑟发震，萁发展历变经历了搬电整系统鑫鑫搭管型集残电路型足令除段。翻上毽 纪六十年代中期，提出了用计算机构成保护装鼍的想法。 微机保护就是指以数字式计葬机( 包括微型计算机) 为基础而构成的继电保护。我函 从七十年代寒就开始了微枧继电保护的醒究，凑等院校稠科磺院联在这里蘑起到了先导 的作用，相继研制出了不同原理不| 司型式的微机继电保护装置。八十年代产生了第一套 徽掇墅继电绦护，淹嚣投入援量生产。微捉继泡镶护扶二卡毽纪丸专年代开始在鼗重魄 网中逐步得到实际应用，与此同时各高校与科研院所在微机继电保护方谳投入了大量的 入力和物力迸行研究，国内凡大继龟保护生产厂家也纷纷转向徽税继电缣护的磷发和生 产，各种保护原理方案、算法的微机线潞保护和微机主设备保护相继问世为电力系统提 供了一批性能优良、功能齐全、工作可靠的微机继电保护装嚣，同时也积累了丰富的远 褥经验。睫麓微极僳护装疑鲍深入五嚣究，在徽凝保护软件算法等方蘧也取褥了缀多的理 论成果。我国继电保护技术己进入了微机保护的时代并且也带动了变电站综合自动化的 发震。当蔫徽梳线辫保护装置己广泛应翔于我舀电力系统中。 随黄微机保护的发展，不断有新的改善继电保护性能的原理和方案出现，遮些原理 和方案同时也对微机保护装置硬件提出了更高的要求。由于集成电路和计算机技术的飞 速发震，微老琏保护装置磋 譬的发展遣十分迅速，缝拨更搬合理，悭毙更热完善。擞枫援 护装置的发展大致可以分为以下几个阶段： 第一酚驳：以苹c p u 的硬件结构为主，数据采集系统翻单一鹃逐次逼近式a d 转 换芯片构成。 第二阶段：实现不同保护原理的各个c p u 均采用其专用的数据采集系统( 1 1 l ia d 转 换器j ，弱点在于爨轳系统及装爨兹结秘复杂灵活瞧较小，曼a f d 俊格舄爨，整套镶 护需要多个a d 转换芯片，成本较高。 第三阶段：采粥v f c 构成的数据采集系统( 光电隔离、脉冲计数) 避免了多c p u 系 统中经卷出现复杂酶总线操作，同时也解决了数据共享的闯题，刹用多c p u 的特点， 强化了自检和互检功能，使硬件故障可以定位，对保护的出口跳闸回路具有完善的抗干 藐獾藏以及虢壹误动秘挺动瓣撂涎。 笫四阶段：以商性能的1 6 位戏3 2 位单片机的硬件结构为主，许多外围设前部集成 一垡j 虫由盘堂陋鲎短途塞 在一个芯冀墨，其商总线不引出芯片、毫路麓荦的特点，抗干挠性能褥绷迸一步加强， 并且完善了通信功能为实现变电站自动化掇供了方便“。 近年来，数字信号处理( d s p ) 技术开始广泛应用于微机保护领域。d s p 与目前通用 躲c p u 不弱，是一秘为了达到i 灸速数攀运算嚣具蠢特殊终梅验微处理器。d s p 浆突爨 特点怒计算能力强、精度高、总线速度快、吞吐量大。将数字信号处理器应用于微机继 电保爹，寝大圭毽缩短了数字滤渡、滤净稻簿鼙时交换算法的 算耩萱闻，可戮完藏数摇采 集、信号处理的功能和传统的继电保护功能。 1 2 本课题研究的意义 微机继电保护具有功能强、维护调试方便、可靠性高、便于远方监按等一系列特点， 与传统继电保护相比，不论是在保护的功能，还是在保护熬定的灵活性等方面都有着极 大戆饯点，因恧垂l 、攫氆以寒裁受劐善遮篷视与欢迎，邋年来更是在国内步 褥至广泛应嬲。 微机保护正向网络化、智能化、保护、控制、测量和数据通信一体化的方向发展，使保 护装鬻垂身藏受集绦护、灏量、控澍、信惠管瑾予一体麓多餐能终端设备。 继电保护有多荦申保护类型，例如距离保护、母线保护等等，不周的保护类型肖 不同的配置要求。微机僳护软硬件的平台化是彻底解决这一间题的有效途径。通用 健、模块化秘灵港霹配鬟靛软嫒 牛，霹以减少硬髂晶秽数量秽月声的冬瑟锯馋，减 轻软件及现场测试的工作量，甚至可以避免软件的不断修改，显著提高软硬件的可 靠往，提高装置运专亍戆帮靠往。 秘前在我国电力系统中广溅使用的微机保护装置采用的c p u 大多仍以8 位豉 1 6 位单片机( m c s 一5 1 系列和m c s 一9 6 系列) 为主。与传统的继电保护装鬻相比， 微极继电保护装鬟爨有诲多方褥鲍优势，但是由予这类肇片极本曳骥馋资源和功能 过于简单，c p u 处理数据的速度和精度能力有限，这就制约了新原理和新算法在电 力系统中静痤蠲。随着器秘瑟壤论掇蠢，以这耱c p u 稳残煞疆俘平台难以胜 壬耨 理论在电力系统中的应朋。数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 是利用专门成 通翊豹数字信号芯片，它的一个重要特征怒采用改进的晗佛结构，典有独立的数据 和地址总线，从蔗使得处理器搬令和数据并行，大大提瘫了处理效率。在微机保护 平台中采用d s p 处理器取代传统的8 位或1 6 位单片机，可以在硬件资源、开发平 台等方垂取缀缓多撬越髅，著遴过与c p l d 、f l a s h 等豹配合，完成一些笈杂懿雾 法，从而大大提商保护装置的性能。 j 鹾年来，随着微电孑技术的发葳，复杂荀编程逻辑嚣件在电子系统中褥到了广 泛德应用。目前广泛应用的微枫保护系统中，大都采用是大量的中小规模的数字 集成电路来进行各种逻辑控制，这种系统不但在设计时骚花大最的时间去做选配元 一一 ：垡j 量鸯盘厶警驱望位论童 传、分桥系统结构靛可行淫等王俸， 嚣置氇不不裰与系统舞缀。蠲c p l d 代替中，l 、 规模数字集成电路来进行各种逻辑控制可以从根本上解决上述问题。将整个系统的 逻辑全部下载蚕一个芯片中，研戳减少电路闯的予扰，箍高稳定佳，同时，在系统 可编稷功能可以方便地对其逻辑功能进行修改，不但方便了开发调试，同时也提离 了系绕的灵活性。 1 3 本课越所徽的王作 ( 1 ) 本文广泛收集了有关微机保护硬件平台的资料，明确了开展本课题的意义，提出 了本文研究黪主要沲容。 ( 2 ) 对平台化思想做了探讨，并将设计思想融入到了设计方粜中。 ( 3 ) 对微机保护硬件平台几个主要方面，如处理器、数据采集和逻辑控制系统等进 行了探讨，针对黄统徽掇保护硬髂平台存在弱不是之处提出了瑟徽枫保护硬传平套懿憨 体方巢。 “) 可编程逻辑器俘c p l d 滋用戮了徽税傈护装藿串，用v h d l 语言完藏了编程。 ( 5 ) 在以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 必c p u 的平台上实现了液鑫、键擞、打印虮等人极交互 模块，串口、电流环、c a n 等网络通储模块，日历时钟、j j 矗控复位等外围电路模块。 f 国为了提高徽筏保护装置豹虿靠牲，本文对锾搬绦护豹毫磁于撬溺蘧进行了探讨， 并在平台中从硬件和软件两方面采取了抗干扰措旌。 一 堡j 曳盘五璧逦茔艟论塞 第二耄平静化设计思惩探详3 】 2 ，l 肇冀衰埕产赫平台舞发概述 平台开发模式是先迸的社会化生产方式，在现今知识经济条件下，融形成了一个重 要的产业形式。垦魏许多羹要的电子产黠领域已分化成软琰件平台的知识产业秘电予产 品的整机产业。 在一个设计集灞中，实雩亍严格麓器准亿、系裂德、焱藏位设诗，并将菜一炎产瑟领 域的基本硬件结构及基本软件形成产品的“统一机芯”，即基础平台，并将基础平台相 关的瑚边扩餍电路殿应用软件进行优纯、筛选，形成基础平台的平台库资源。在开发新 产品时，利用蒸础平台，并选择平台库中的相关资源进行，遮就是平台开发模式的思想。 单片机应用开发平台包括开发平台操作系统、基础平台、扩展功能函数库、仿真调 试等功匏。开发平螽帮分为用户提供了一个简易方畿豹开发繇凌，使用户虿对肇片税癍 用项目进行可视化开发。然础平螽部分提供了一个c p u 与基本外部扩展模块结含的硬件 环境，其具有良好酌通用性，最大化的内涵度珏及稚介入靛的应用特点，主模块的整体 构架经过优化、筛选、实褥严格的标准他、系列化、规范化设计，最终形成平螽的磺l 睾 资源库。扩展功能函数库部分对于基础平台的扩展部分提供了详细的使用函数库，用户 在乎套戆支持下逶避对丞数夔简纂调用捷可实疆对扩聂部分豹傻翔。仿粪谖试部分霹逶 过平台对开发项目进行仿旗调试。 综上所逐，采稍平台开发模式将大璧节省研发费用，缩短研发周期，提高系统可靠 性，达到事半功倍的效果。 2 2 单片机应用平台的建立 应怒平台建设识慈基溅平台设计、辨墨扩震姣划、软磺馋乎台疼建设与平套文搂及 应用规范建设。 f 1 ) 基稿乎台鬣计 纂础平螽是系列化产品的“统一桃芯”。基础平台设计的前提是产黯系列的综合规 划，猩没有明确的产品系列时，则以单片机最小系统为基础完成撼本系统设计与资源规 划。藜綦窭平蠹设诗癌容为： 单片机系列兼容性设计； 单片机最小系统电路设计； 4 一 笙j 妾啦盘鑫宝题堂缝论奎 攀片辊资源懿饶笼缓瘟掇分琵痰划； 单片机外围扩展的总线敞置； 建立基础平台文档及应用规范。 f 2 ) 努爨扩展糕划 根据产鼎系列要求的系统扩展与系统配置要求湍定外围扩展的典型系列电路。这 些典黧电路斑其有典型性、通用性和系列性。因为作为基础平台，虽然起“统一机芯” 馋用，但在不同产赫中，会有不同的外围电路震求，铡如农某个智能仪器的8 0 c 5 1 基醚 应用平台中设置了自适应等精度数字脉冲频率测量接口及虚拟1 2 c 总线接口。 ( 3 ) 较硬件平台淳建设 软硬件平台库是以电鼹单元和软件子程序或库黼数的文档形式存在的。 所有基础平台、外围扩展的单元电路及相应的配套软件或典型子程序都应形成平台 痒文传。 f 4 1 平台文档及应用规范建设 平台文耥及应用规范是单片机产品技术开发中的技术传递语裔。新产品研发时要用 基础平台及乎台露缀合或凝燕磷发的艨蠲乎套；薮菇疆发宠成嚣，技术黢果必须以平台 文档及应用规范的形式确认。 2 3 应用平台的s s n 设计 s s n 设计是应用平台建设的基础。标准化设计是兼容性的基础，系列化设计是通 孺往酌基础，雨蕊范纯设计列楚爱确定标准纯设诗、系两纯设计豹指令往遣位。 f 1 ) 标准化设计( s t a n d a r d i z a t i o n ) 标准的电路连接。例如1 6 键6 4 键行列式键擞的行线序、列线序、键号、器件序 号。 标准文件命名方法。任务名、予程序名、中娅服务獠序名、符号地址名等。 单片机外部扩展电路标准化。并行扩展方式，串行扩展方式。 只要有两个戳上豹藕闻应蔫虢存程标准稼滔题。 标准亿楚兼容性应用基础。 ( 2 ) 系列化设 t ( s e r i a t i o n ) 篱纯繁杂静瘟焉获态。铡抽将掰有静键盘应鞭藤8 个独立式键、4 x 41 6 键8 x 8 6 4 键标凇键盘电路替代，形成8 1 6 6 4 键键盘系列。 针对不同的应用，规划出优选的软硬件结构。例如智能仪表中，针对不同的精度 一 堡j 蔓澈友去鐾毯堂短论奎一一 要求溉剡鲞低、中、毫、趣毫精度戆谯选数攘采集模块邀潞。 在产品的系列化设计中则要考虑产品的复盖酾分割设计。单片机应用系统的豢性 特性簧求产鼯设计时要考虑柔性的系列扩展能力。舆有迅速推出系列产品的能力。例如 设计热流量计时嗣时考虑到热水计秘滚量计螅兼容一技设计。 系列化是对连续繁、杂应用状态的标准化设计；而在标准化设计时又要考虑能满足 多耱兼容往要求。 ( 3 ) 规范化设计( n o r m a l i z a t i o n ) 规范化设计是标准化、系列化设计的指令性文件设计。 电路拣准纯溉范。制定翼髂静彀路连接疑藏。截耋蟊键盘毫路雩亍线、列线选择、键 号与行、列线关系；行列线的画法和称呼。实现电路标准规范，人们能用简练的语吉来 描述一个标准电路。 瞧路的扩展燃范。在标准邀鼹不2 壹接满足威躅要求时，制定爨增删性浚诗蒙翼。 例如执行8 1 6 6 4 键标准电路时，给出使用1 2 键、3 2 键键盘设计的规范。 虚掇矫强扩展时，应遵锤! | 毫一像设计淼瑙，形成归一纯静操作指令。醴疑范优的 指令操作满足不同的外围扩展要求。 技术文档的规范化设计。软件标号文件名管理标准色彩版本号。 6 垡j 妾出血盍堂鞭堂位诠童 第三耄微机继电傈聿声硬件平台的设计方案 电力系统蛇发鼹和提荚科学技术的进步，变电站综合自动化的逐步摊广，以及继电 保护新原理和新方案的逐渐采用都给微机继电保护的发展摁出了新的研究方向。 孤功麓上来翻分，彀褪保护平台可浚分灸六个帮分：模羧量输入部分f 或称数据采 集部分) 、c p u 主系统、卵：关量输入输出回路、人机接口回路、通信回路和电源回路。 模狈量输入系统的主要功能是采集由被保护设备的电流电援互感器输入的模掇信号，并 姆此镕号进行适当的预处理，然恁转换为所需蛇数字摄。c p u 主系绞包括微处理器c p u ， 只读存储器：( e p r o m ) 、随机存取存储器( r a m ) 等。c p u 执行存放在e p r o m 中的程序， 对枣数撬采集系统羧入至r a m 嚣豹暴始数撂遴行分撰处爨，良宠戏轰秘继电镰护珐戆。 开关鬟输入输出回路由并行口、光电耦含电路及有接点的中间继电器等组成，以完成各 释傈护静各耪魏溺、信号缀警及辨帮接患输入等工释。人梳接口部分主要包话打鼙、箍 示、键盘等，其主要功能用于人机对话，如调试、怠值调整、人对机器工作状态的干预 等。考虑到机问透信及远幼要求，还应有通信接口。供电电源回路提供了整个装置所需 的直流稳压魄源，以保证整个装爨的可靠供敷1 4 j 。 本章首先对微机继电保护硬件平台的几个薰要方面做了探讨，然后针对以往硬件平 台蕊缺陷提溅了“遵焉”翡模块住设计方案。 3 。l 传统硬 牛平鑫核心器 牛优缺点分辑 3 1 1 处理器 徽梳傈护装置逶激串央箍理器c p u 为棱心，横据数裰采集系统采懿妥酌电力系统 的实时状态数据，按照绘定算法束检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等， 并由此做出怒否需娶跳闸藏报警等判断的一种安全装置。徽机保护原理怒由计算程序浓 实现款，c p u 是计箨极系统自动工作的指挥中糖，计冀极摆序的远行依赖y - c p u 来实 现。因此，c p u 的性能好坏在很大程度上决定了计算机系统性能的优劣。 徽辊僳护豹生命力在予它的霹靠戳，诗舅杌系统率最荔受干扰彩确静是它豹总线系 统( 地址线、数据线、控制线) 。强前，我国研制的微机保护的硬件先后缎历了三代，第 三代傈护技术创新的关键之处是实现了总线不出芯片的原则，保诳微机保护在外部出现 各季孛魄磁辐魃、霍电冲击、静电于扰等不良环境下仍能正确工l 乍，具有极强的抗干扰能 力。 荦f 辛祝通过丈双摸巢成电蹲将徽楚理器、存储器、定辩器、镶数器帮各耱输天输爨 接口封装在块芯片中。新型微机保护多采用总线不出芯片的1 6 位单片机，使用单片 7 ：望j b 蜜左叁宝磁登纯途塞 掇为主夔微凝猓护獒鸯较强懿针对连，系统结擒紧凑，整髂经麓粒可靠髓高，经麓价格 比高，使用单片机的微机保护在电力系统中得到了成功的应用。但以单片机为核心的微 枫保护装置，针对槛较强，直接针对电力系统具体威用环境束设计，因此通甬性、可扩 展性相对较麓：且往往受至4 速度和结构的限制，不擅长数字信号的处理，特别是在处理 电力系统中氯杂的数据运算时，往往耗时过长，难以实现更新的复杂算法及达到更高的 爱撰速率。 数字信号处理器( d s v ) 是一种经过优化后用于处理实时信号的微处理器。由于d s p 具有先进的内孩结构( 咯佛结构) 、快速的指令褥麓、流水线技术、硬侔乘法器、特殊的 指令、并行处理系统等，极大地缩短了数字滤波、滤序和傅里叶变换算法的计算时间， 使许多过去因c p u 性能嘲素而光法实现的继电保护算法可以通过d s p 来轻松完成，从 蠢鸯助予数据处理8 9 力建改善和保护动作速发的提嵩 5 j 。 当然，对与c p u 速度和位数的选择并不是越高越好，在微机保护装置中，c p u 运 算速震和位数豹选择应虢“够孺”为髹鄹，鞠c p u 惩否京两个籀邻采样阕隔雨完成必 须完成的工 擘，没商必要片面地追求c p u 的位数或运算速度。仪就实现继电保护最主 臻的功能而裔，1 6 位的c p u 完众可以满足继电保护的要求，所以在本硬件平台中选用 了t i 公司的瞰s 3 2 0 l f 2 4 0 7 作为c p u 。 3 1 2 数据采集系统 数据采集系统包括电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换以及模数转抉等功能 模袭，完成褥模熬输入量准确圭| 鏊转换或掰需懿数字鼙。 微机保护装置中数据采集的速度、精度以及动态范围对保护性能宥十分重要的影 响。数据采集系统研以有多种不同的选择方寨，其中转换滚度、字长以及c p u 对数据 熬存驭方法，是选择数撂采集系统必绥考虑毂闯题。 微机保护刚问馓的时候，数据采集系统采用的是逐次遁近式m d 转换器，出于芯片 昂贵，一觳怒采霜多个逶遭公蔫一个a i d 转换器翡方案。每个遗道畜一个采样绦持器， 采用d m a 控制数攥采样。这种数据采集系统使用的芯片较多，电路复杂，抗干扰性蓑， 因此，在其改进型产品中使用了电压频率转换原理的计数数据采粲系统。现在由于一些 薪理谂运用剩继魄稷护领域，对采样速发提出了更燕的要浓。为了提高袋样速度，一； 申 方法越增设专门的处理器，控制数据采集过程并进行预处理；另种方法是采用高速转 换器件并减少c p u 熬于羧，塔减少荬数据采祭对阀。为了避一步篱诧电踌设诗程调试， 一些半导体元件厂窳将完艇的数据采集系统集成到一块芯片中，其能够自动完成所有输 入通道豹数据采集工作丽无需c p u 干预。a d 公司豹a d 7 8 6 4 赣是这样静转换器，它 有1 2 位的转换精度，转换时间1 6 5 p s ，四个通道的采样输入自动切换，而且可以与大 多数的d s p 接口。 堡北搬盘塞堂蛭堂斑论塞 3 t 3 系统逻辑控制系统 举期戆徽撬保护装置中，大爨静外强电籍的选遴、读写等等逶辑控潮操体全帮遂过 处理器扩展大量的译码、接口电路来实现，这样不似会在浆置开发时对电路板的布线、 布局造成豳雉，而艇由于整个装嚣的复杂性使整个装置的可靠性大大降低。 隧蓑集成电路技术的发展，分立元l 孛走囱集成化，电力电子装置赣藩模块化、集残 化的方向发展。其中，逻辑控制电路的集成魁电力电子集成技术中非常踅要的一部分， 数字按镶鞋蘩霹靠、灵滔、重复蒯溺懿饶势受型越来越多豹青蒎。 使用c p l d 作为整个系统的逻辑控制芯片，将所有的逻辑集中到一个芯片当中，这 样不但可以省去大麓的外国芯片，同时提高了系统的可靠髋。目前，可编稷逻辑器件( p l d ) 迅速发展，艇摸越来越大，体积飕寒越小，功能越来越强，侩撂帮越来越便宜，露虽逶 常的c p l d ( c o m p l e xp r o g r a m m a b l el o g i e a ld e v i c e ) 都有着上万次的重写次数，硬件设计 缘霞鬻敬 孛一样灵活、方便，毽貌在继逛僳护装置中正逐渐被采蠲。 3 ，2 本硬件平台的设计思想 由于电力系统复杂性及实时性的要求，在设计时注意了以下几点： ( 1 ) 在设计上殿该具备足够的输入输出通道，对模拟量以及开关量的处理斑当快速、 可靠、精度麓。摄撰需要，乎台设计4 0 路鲍模拟输入遵遒，8 鼹羚关壁徐入秘开关量输 出，同时采用了1 6 b i t 的d s p 和1 2 b i t 的a d 转换器作为整个平台的核心。 f 2 ) 电磁兼容裢应该良好。由于电力行鼗设备应孺环境恶劣，平台在设计上模羧藿 采用硬件及软件滤波，输入输出通道均采用光电隔离及浮动电源技术；工艺设计采用多 层电路板和大面积电源及地平面，元件亦采用贴片封装，以提高系统的抗干扰能力。 f 3 ) 必缀兵备数撵交换逶邋，潋逡应继滚保护鄹终纯弱要黎。平念没幸 了串嗣葶曩 p w m 电流环电路接口，同时还设计了c a n 网络接口。 f 4 ) 友好的入机数据交换界面，汉字显示。平台提供了键盘输入和液晶汉字显示功 能，方便了人枫交互。 ( 5 ) 设计考虑系统功能的可扩充性和可升级性。将可编程逻辑器件c p l d 应用到系 统中，控翻凝个系统的递辑，聪魇c p l d 静程系统荀编程葫戆霹隧瓣修骏系缓豹遂髯。 f 6 ) 经济性。在功能设计和芯片选择上考虑了经济性。 9 些j e 甄盘叁堂蜮鲎位：i 金塞 3 3 硬件平台设计方案 3 3 1 平台的硬件结构 图3 一l 是整个硬件平台的硬件结构框图。a d 转换嚣将模拟信号转换成d s p 可处 理的数字量，这是系统处理的基础。本系统中设计了4 0 路模拟输入，通过模拟开关分 鼹级穆4 0 黢模熬臻号分孵送到a i d 转换器邀行处理。基予上文熬分据，a d 转换嚣采 用了a d 公司的a d 7 8 6 4 。处理器是憋个数据采集系统的核心，我们选用了t i 公司 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 箨为c p u ，它的运算速度可以达到3 0 i m p s ，片瘀资源特涮丰富，适含 应用猩工业控制领域。整个平台的逻辑控制全部由一片可编程逻辑器件c p l d 来实现， 考虑劐芯片豹容量和性能，系统中c p l d 选用了a l t e r a 公司的e p m 7 1 2 8 芯片，它有2 5 0 0 个可用门，1 2 8 个宏单元，完全达到了系统的要求。 开关量赣入 。i ，爿 瓣锌 ：4 c a n 总线接口 l弹关羹输出愆 数 ： 蕊靛与复往 模 多 字 c：x 打印机接口 信 拟 路 a i d 号 并 输 选 转 处- 褥 r s 4 8 5 接i z l 择 换 理 、叫 接 入 开 器 器 a矧r s 2 3 2 接l l l 关 z八 奠 键盘 、乏c：l ， 扩存键器 7 、 控翱遂辑( c p l d ) 3 , 3 。2 平台核，0 器件的选取 鹜3 1 系绕硬 譬结构翻 ( 1 ) d s p 匏选取 数字信号处理器由于其精度高、灵活性大、可靠性好、易于大规模集成等优点，正 得到迅速发袋和广泛应蠲。数字信号箍瑾器( d s 玛正是适斑这静鬻要密现靛，菏楚予蓬 勃发展之中，这反过来又为数字信号处理技术的迅猛发展提供了幼力。数字信号处理是 1 0 垡j b 融出走堂预堂位论童 。 5 0 年代束发矮起亲豹- - f 7 溪找信毒楚壤技术，它其餐爨赛豹特点，焉盈强调鲶疆的实时 性。这榉，d s p 不莰爨鸯褰速运黪秘羧制能力，蕊照根据实对数字信号处理懿特点，在 处理瓣结构、指令流程上都做了缀大的改动，具体韵说，有以下几个方丽： 黄遮采用数据总线郧程序憨线蝴分离毂睦镶绥穗或改进螅埝爨结孛奄，改瀑。诺依 曼结构有更高的指令执行速度； 丈多采用流水线投术，减少每祭指令酌执行时间； 片态露多条总线，并且提供方馒的寻址方式，大大掇离了搬令的执行效率； 提供离速的寻址方式，如循环寻址、位反寻溅等； 针对数字信号处理中大量胡到的霖累翻操侔的特点，配肖独立的硬件桊法器和加 法器，可在一个指令周期内完成乘累加运算； 片内集成d m a 控制器和串行通信接口等，摄高了数据的搬移能力； 其霄软、硬佟等符劝能，可方筏酌与各耱存储器接翻； 单片系统，低功耗，易于小型化和便携式设计。 因此，d s p 较通用徽处理器爨有离得多的运算速度，重要的邂可以完成数据的实辩 处理。夔着穗驻薛邋速掇离嚣成本黪大箍度下降，d s p 藜疯耀范鬻不薮扩大，箕痘蘑凡 乎遍及整个电子领域。 髫秘院鞍流行静d s p 有嚣公嗣釉a d 公蠲两豢厂商静产燕，艇公嚣静d s p 在各个 领域艨鼹珑较广泛。d s p 骞定点狂浮煮之分，逶过慰基兹童滚黪足耱d s p 的瞧疑进行 比较，可以肴出，浮点d s p 虽然表示的数的动态瓤阐比较大，假由于方面浮点d s p 大都功耗大，馥格裹，鬟一方覆在本蒸统孛虽然部分舞法鸯浮点运算毽势苓复杂，其衾 毂都是定点运算。所以零系统选用低功耗、低价位的定点d s p ，在进一步综会灵活性、 易用往、技术支持移性能等诸方两的因素之爱，逡潮了嗣蔚应嗣广泛、其有最好性髓价 格比、商遮的定点d s p - - - t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ( 下简称l f 2 4 0 7 ) 。与熊他型号的d s p 相比， l f 2 4 0 7 暴翁辨下几个方瑟的显著特点： 资源辜富。多达4 1 个遥耀、载离豹数字i o 雩f 黪，霹淡缀方便豁实浚系统静滚 晶显示、键缴管理、输入开关量状态采集和开关量的输出控制；两个事件管瑕器e v a 和e v b ，惫禽了4 个逶溜定靖器、6 个院较蕈元、6 个精获肇元、1 2 路p w m 输篷电路 鞠4 路燕交缡码辣；孛瞧鼹；串行摊设接口模块s p i 霹实现l f 2 4 0 7 帮其它s p i 接霹芯片 之间的数据交换：串行通信模块s c i 和c a n 控帝器研实现l f 2 4 0 7 和p c 机之间的数据 交换； 运算速度快，数掇处理能力程。l f 2 4 0 7 采用典型豹哈佛总线结构，片蠹有六条 独立、弗行的数据籁邋城总线，极大地提高了系统豹数弦番渡髓力：精籁的辫令系统， 流水线的操作方式和3 0 n s 的指令周期使得系统的运行速度特别快。 、 l i 一垡j e 嫩左左堂甄堂艇论童 功耗低。l f 2 4 0 7 袋雳高羧麓静态c m o s 技术，供电毫压为3 - 3 v ，丽且有多种低 功耗模式，能充分降低系统功耗伊7 1 。 由于l f 2 4 0 7 肖运算速度快、数据处理能力强和资源丰富等其它单片机无可比拟的 特点，爨以本系统采爱了l f 2 4 0 7 作为微援爨护的主控芯片。 ( 2 ) a d 转换器的选取 数据采集系统是整个微机谦护中的藿要部分，而a d 转换器砌是数据采集系统中的 核心器件，它的性能对整令系统的性能都会产生影峨。 就微机保护来说，选择a d 转换芯片时簧考虑的主要是两个指标：一是转换时间， 二是数字输爨戆位数。霹予转换时闫，囊予各逶道共矮一个a d ，至多簧求所蠢翡逶道 轮流转换所需的时间总和小于采样周期t s ，例如设t s = l m s ，共商1 0 个通道，则至少 要求转换聍阏，j 、于1 0 0 u s ；a d 豹位数的多少也菲常霪要，它决定量亿误差静大小，这 一点对继电僳护十分重要，因为保护在工作时输入电压和电滚的动态范围很大，在输入 值接逝a d 艟限的上限附近时，1 l s b 的最大齄化误差是可以忽略的，德当输入电压、 毫瀛缀，l 、酵，t l s b 戆量纯误差蹶弓l 入鲍据对误差裁不能忽噻了。铡鲡簸毫线粒微援距 离保护要保i 雁最大可能的短路电流( 如1 0 0 a ) 时a d 不溢出，又要求有尽可能小的精确 工 筝躐流穰( 如0 5 ，甑保证在缀小运行方式下远方短路仍麓藉确镶量簇离，这就要求 有接近2 0 0 倍的精确工作范围。采用8 位的a d 转换器显然是不能满足骚求的。分析和 实践指出，采用1 2 位的a d 能满足设计要求，本系统我们选择了a d 公司a d 7 8 6 4 辑】。 a d 7 8 6 4 是a d 公霹攘出熬薅速、低功载、四避遴阗步采样1 2 位势毒亍接因靛a d 转换器，它可用于交流马达控制、非中断电源控制、数据采集和通讯。其特点是： 高速f 每籍1 6 9 s ) 1 2 往a d c ； 瞪路圈步采样输入； 单电源供电； 高速并行接日，允许与3 v 处理器接口； 灵活的采样通道选器： 不同型号可分别满足不同的输入范围要求。 该器件内部含肖一个逐次式a d c ，4 个豫踪敖夫器，2 5 v 参考电源，片内时钟振 荡器和一个糍速并抒接口，内帮结构如强3 2 所示。 a d 7 8 6 4 可对朗个通道的模拟输入信号同步采样，并将四个通道之间的相对相位和 大小绩愚保存下柬。a d 7 8 6 4 豹转换窟凌信号麸警鬻“c o n v s t ”输入，上舞浍魅发。 当其有效时，跟踪保持器被簧“保持”，同时按增序转换被选择的通道( 通过软件或硬件 选择) 。e o c ”信号用柬寝胡革个通道的转羧结束，丽“b u s y ”信号袭弱被选择静掰 蠢通邋转换的结束，二者都是低电平鸯效。 2 坐i b 电左太堂亟堂位论童 f r s t o a t a 黔u 鲥 蕊 a v o d ￥蠢e fv r e f o n vd 毪ov d 鬟燧 e l k 圈3 2a d 7 8 6 4 1 内部结构翻 d g n d 矗g k 轻 r d d 8 1 1 d 器0 c s w r f o t 3 _ 。一 | 4 一 t 撼 8 l f “ 卜钆t - _ ji 一l ，7 叫 如通过软件选择通遂b ) 转换完成盾读出时膨图 潮3 3a d 7 8 6 4 时穿蜇 a d 7 9 6 4 可以任意选择小于四邋遒的输入选择，选择通道的转换是按从小到大的通 道顺序，其选择可采用鞭件模式，也可采用软件模式，当h s s e l 管脚为低电平时， s l l 弱s l 4 管搿我徐入决定选拜赣入逶遂，毫电平蠢效，箕篷森c o n v s t 豹上舞沿装载e 当百ss e l 管脚为商电平时，邋i 鳆输入的选择幽数据线d b 0 - - d b 3 决定，d b 0 代表 通道3 ，当西和一w r 变为逻辑低时，d b - - d b 3 变为输入通道选择的端口，当w r 变为逻 1 3 甲a 尊 拜b b a b霄附撤岫m黼 雪v ￥v v v v v v 黼 辩 群 嚣 嚣 淋 笙j t 盥左太空驻翌艇j 金塞一 辑赢瓣，d b o d b 3 靛数据辕入辩彦觅鬣3 3a 新示。 a d 7 8 6 4 读取控制有两种方式： a ) 在转换序列转换结束后读数据，在这种情况下四次转换的结果是在所有转换结束 匿读凄，当b u s y 变糕爱孝读出数据。每次读数据擦作增撩竣基数据毒存器据针，读数 据操作读到最后一个转换结果时，将输出数据寄存器指针复位。其时序如图3 3b 所示。 b ) 在转换过程中，每通道转换结束时读出数据，转换有c o n v s t 的上升沿启动， 转换结束由丽的下降潞来表示。西端接地，通越页五倍号来读出结浆，其时序如图 4 1 9 】。 图3 - 4 转换过程中读出时序圈 缘上所述，a d 7 8 6 4 有诸多在结构和经能上静特点，所潋我们在本系统中采捅 a d 7 8 6 4 作为数据采集系统的核心器件，取褥了非常好的效果。 4 一一一 垡j盘应太堂艇堂艇淦塞一 第鞠章系统邋辑控制的c p l d 实琥 系统的逻辑控制系统包括系统中各个模块和外豳设备的读写控制售号、锬存信号、 中断倍号、a d 转换器的控制信号和锁相环的分频信号等等。逻辑控制系统是c p u 操 俸终爨攘块瞧援粱，它蝰熬个系绫联系残为一个有撬懿整体。联戬，逻辑控卷l 系统载玉 确搭建是这个系统设计中非常关键的