（电力系统及其自动化专业论文）基于dsp的微机距离保护的研究与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 本课题设计不仅能够适用于电力系统高压线路的保护，还可以改进为继电保 护试验装置，服务于实验教学和保护软件的研发调试，具有多方面的功能。 关键词：微机保护；数字信号处理器；微机保护算法：距离保护 i i 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t p r o t e c t i v er e l a y i n gi so n eo fd e v i c et or e s p o n dt h ef a u l ta n da b n o r m a lo p e r a t i n g c o n d i t i o n so fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，a n dt r i pt h ec i r c u i tb r e a k e r so rs e n ds i g n a l s i n t h em o d e mp o w e rn e t w o r k ，a l o n gw i t ht h ee x t r a h i g h v o l t a g e ，h i g h c a p a c i t ya n d l o n g - d i s t a n c et r a n s m i t t i n gl i n ei n c r e a s i n gu n c e a s i n g l y , i ti sp r o p o s e ds t r i c t e rr e q u e s tt o t h es e c u r i t ya n ds t a b i l i t yd u r i n gp o w e rs y s t e m so p e r a t i n g t h et r a d i t i o n a lp r o t e c t i o n d e v i c e sa r eb a s e do nm i c r o p r o c e s s o ra st h es c mw h i c hh a sl o wd i g i tc a p a c i t y w h e n t h e s ed e v i c e sa r eu s e di nh vt r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i v er e l a y i n g ，t h e r em a yb es o m e d i s a d v a n t a g e s ，s u c ha ss l o wc o m p u t i n gs p e e d ，s m a l lm e m o r yc a p a c i t a n c ea n dl o w r e l i a b i l i t y i ti sv e r yd i f f i c u l tt os a t i s f yt h ed e m a n do ft h em o d e me l e c t r i cp o w e r s y s t e m sd e v e l o p m e n t o nt h eb a s eo f g e n e r a l i z i n gt h ed e v e l o p m e n th i s t o r ya n dt h ee x i s t i n gc o n d i t i o no f m i c r o p r o c e s s o r _ b a s e dr e l a y so ft h et r a n s m i t t i n gl i n e s ，t h i st o p i ca n a l y z e st h ee x i s t i n g c o n d i t i o n sa b o u tt h eh a r d w a r eo fm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o ni nd o m e s t i c t h e t o p i cc o m p a r e ss e v e r a lo fp r o c e s s o rc h i p s ，a n dc o n s i d e r st h ed e m a n do ft h em o d e m t r a n s m i t t i n gl i n e ，a n dc h o o s e st h ec o r ep r o c e s s o r ，f i n a l l yg i v e sas c h e m eo fr e l a y s b a s e do nd s pa n da r mp r o c e s s o r s t h i sd e s i g nu s e ss e e d - d p s 2 812 mi n d u s t r i a l c o n t r o lb o a r dm a d eb ys e e dc o m p a n ya st h ep r o t e c t i v ec p u ，w h i c hm a i n l ya n s w e r s f o ra d s a m p l i n g ，s w i t c h i n gv a l u e si n p u t t i n g ，d i g i t a lf i l t e r i n g ，r e l a yp r o t e c t i o n m e a s u r i n ge l e m e n t ，l o g i c f u n c t i o ni m p l e m e n t a t i o n ，s e t t i n gv a l u e sm a n a g e m e n t ， s i g n a l so u t p u t t i n g ，t r i p p i n ga n dc l o s i n go fb r e a k e r s o nt h eo t h e rh a n d ，t h ed e s i g nu s e s m 2 0 2 0 一n 2 0e m b e d d e di n d u s t r i a lc o n t r o lb o a r da st h em a n a g e m e n tc p u ，w h i c h m a i n l ya n s w e r sf o rs y s t e mm o n i t o r i n g ，s t a r t i n ge l e m e n t ，t o u c hs c r e e nc o n t r o l l i n g ， l c d d i s p l a y i n g ，r s 2 3 2s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，e t h e m e tc o m m u n i c a t i o n a t t h es a m e t i m e ，i no r d e rt or e a l i z ee q u a li n t e r v a ls a m p l i n g ，t h i st o p i cd e s i g n st h ef r e q u e n c y t r a c k i n gc i r c u i t ，w h i c hc a na d j u s tt h es a m p l i n gi n t e r v a l sa c c o r d i n gt of r e q u e n c y c h a n g ei nr e a l t i m e t h eh a r d w a r eu s e st h em o d u l ed e s i g n t h et o p i cd e s c r i b e st h e d a t as a m p l i n gs y s t e ma n di os w i t c h i n gm o d ei nd e t a i l i i i a st h ep r o t e c t i o na l g o r i t h ma n dm e a s u r e m e n ta l g o r i t h mh a v ed i f f e r e n te m p h a s i s p o i n t so np r e c i s i o na n dr e s p o n s es p e e d ，t h i st o p i cc h o o s e sd i f f e r e n ts a m p l i n gp o i n t s f o rd i f f e r e n ta l g o r i t h m s b yc o m p a r i n gs e v e r a lo fp r o t e c t i o na l g o r i t h m s ，t h et o p i c a d o p t st h ef o u r i e ra l g o r i t h mw i t ht h ef i r s tc u tl i n t e rd i f f e r e n c e ，w h i c hc a nr e d u c et h e e f f e c to ft h ed a m p i n gd cc o m p o n e n te f f i c i e n t l y t h er e c u r s i v ef o u r i e ra l g o r i t h mi s u s e dt oc a l c u l a t er e a l t i m ep a r a m e t e r si nr e a l - t i m e ，w h i c hc a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t o fp e r f o r m a n c e t h es o f t w a r eu s e st y p i c a lu pt od o w na n dm o d u l a rd e s i g n i n gm e t h o d s t h e s o f t w a r ei n c l u d e sm a i np r o g r a m ，i n t e r r u p ts e r v i c er o u t i n ea n df a u l tp r o c e s s i n g p r o g r a m ，w h i c ha r ee x p l a i n e di nd e t a i l a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh v t r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o na n dt h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h et o p i ce x p l a i n st h ep r o t e c t i o n f u n c t i o n so ft h ef a u l tp r o c e s s i n gp r o g r a mm a i n l y t h ep h a s e - t o - p h a s ed i s t a n c e p r o t e c t i o na d o p t st h ei m p e d a n c er e l a yw h i c hh a st h eq u a s iq u a d r i l a t e r a lc h a r a c t e r i s t i c t h ei m p e d a n c er e l a yp o s s e s s e sw e l ls t a n d i n gr e s i s t a n c ea b i l i t ya n da v o i d i n gl o a d a b i l i t y z e r os e q u e n c ec u r r e n tp r o t e c t i o ni su s e df o rt h eg r o u n d i n gf a u l t s ，w h i c hi s s i m p l e ，f a s ta n d r e l i a b l e t h i sd e s i g nn o to n l yc a nb eu s e di nh i g hv o l t a g el i n ep r o t e c t i o n ，b u ta l s oc a nb e i m p r o v e da sat e s t i n gd e v i c ef o rp r o t e c t i v er e l a y i n g t h et e s t i n gd e v i c ec a nb eu s e d f o re x p e r i m e n tt e a c h i n ga n ds o f t w a r ed e b u g g i n g k e yw o r d s - m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dr e l a y s ；d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ；p r o t e c t i o n a l g o r i t h m ；d i s t a n c er e l a y i v 山东大学硕士学位论文 符号说明 d s p ：d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ，数字信号处理 e p r o m ：用紫外线照射擦除的可编程只读存储器 e 2 p r o m ：用电压信号擦除的可编程只读存储器 r a m ：r a m r a n d o ma c c e s sm e m o r y ，随机存储器 g p s ：g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统 m p u ：m i c r op r o c e s s o ru n i t ，微处理器单元 a r m ：a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为是 对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。 a d ：模数转换 m i p s ：m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ，单字长定点指令平均执行速度 o t p r o m ：o n et i m ep r o g r a m m a b l er e a do n l ym e m o r y ，一次编程只读存储器 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 cd e v i c e ，复杂可编程逻辑器件 c a n ：c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局部网 r t c ：r e a l t i m ec l o c k ，实时时钟芯片 k s p s ：k i l os a m p l e sp e rs e c o n d ，千采样秒 a p ha p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ，应用程序编程接口 e m c ：e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，电磁兼容性 j t a g ：j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p ，联合测试行为组织，也是测试访问端口和边界 扫描结构标准 t h u m b ：a r m 体系结构中的一种1 6 位的指令集 t d m ht ，支持1 6 位压缩指令集t h u m b ；d ：支持片上d e b u g ；m ：内嵌硬件 乘法器( m u l t i p l i e r ) ；i ：嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点 i n t m ：d s p 状态寄存器s t l 的第0 位，中断全局屏蔽位。 声：采样频率 t s ：采样周期 v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：盟日 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 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 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二丝u 复导师签名。趣日 期： 占i 山东大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章绪论 电力系统是一个庞大的、瞬变的多输入输出系统，为了保证其安全运行，需 要实时地监视各节点的运行状况，及时发现电力系统的不正常状态及故障状态， 并通知运行人员或快速地通过继电保护装置进行故障的切除。继电保护装置能检 测电力系统故障及不正常运行状态，动作于断路器跳闸、自动隔离故障，或发出 故障告警信号，有助于运行人员或其它自动装置进行故障处理。因此，继电保护 是保障电力系统稳定运行的重要手段。 电力系统继电保护研究的内容包括两个方面：一是继电保护各种新原理的研 究；二是继电保护各种装置的开发。纵观继电保护的发展历史，继电保护原理是 伴随着电力系统的发展而不断发展的；也随着电子器件，特别是微处理器芯片的 发展而不断发展。由于电力系统规模的扩大及电压等级的提高，为了保证电力系 统的安全可靠运行，必须研究动作速度快，灵敏度高，选择性好的继电保护原理， 因而继电保护原理从简单的电流保护逐步发展到复杂的距离保护和高频保护，芯 片也从8 位微处理器发展到1 6 位、3 2 位处理器，运算的速度也越来越快，执行 的功能也越来越多，越来越复杂【l 】。 1 1 1 我国微机继电保护技术的发展历史及现状 继电保护科学和技术是随电力系统的发展而发展起来的。随着材料、器件、 制造技术等相关学科的发展，继电保护装置的结构、型式和制造工艺也发生着巨 大的变化。其发展初期，主要是由电磁型、感应型继电器构成的继电保护装置， 2 0 世纪6 0 年代由于半导体二极管的问世，出现了整流型继电保护装置；伴随着 半导体技术的进一步发展，7 0 年代出现了晶体管继电保护装置；大规模集成电 路的出现，又促成了8 0 年代集成电路型保护装置的盛行。由于计算机技术和微 型计算机的快速发展，到了8 0 年代中期，出现了微机型继电保护装置。 我国自1 9 7 9 年开始微机保护的研究工作。首先在高等院校和些科研单位 山东大学硕士学位论文 开展了微机保护的研究工作，1 9 8 4 年4 月，华北电力大学研究的以m c 6 8 0 9 c p u 构成的m d w i 型微机线路保护装置在河北某电厂投入运行，这是我国研究成功 的第一套微机线路保护装置。到目前为止，微机保护装置已经涵盖了常规保护的 所有领域，在2 2 0 k v 及以上电压等级的电网中微机线路保护的普及率达到了9 0 以上。 我国微机保护的发展从硬件上看大体可分为四个阶段。 第一阶段是以单c p u 的8 位微处理器构成的微机保护装置。其主要特点为： 保护采用8 位微处理器m c 6 8 0 9 构成微机系统，由于m c 6 8 0 9 仅仅是一个c p u ， 因此需要在外部扩展许多硬件电路，所以总线必须引出插件，保护的存储器容量 较小，程序和保护的定值均存放在e p r o m 中，定值的改写十分不方便，保护装 置中仅有软件时钟，当直流电源消失后时钟便停止运行，硬件不具备数据远距离 传输功能。由于仅有一个c p u ，所有的保护功能只能集中由这个c p u 处理，可 靠性较低。其代表产品为w x b 一0 1 微机高压线路保护装置。 第二个阶段是以多个8 位单片机组成的多微机系统。其主要特点为：具有多 个8 位单片机，由于采用了单片机，需要外部扩展的硬件电路较少，因此可以做 到总线不出插件，保护装置的定值存放在e e p r o m 中，修改十分方便。系统设 有硬件时钟芯片，依靠备用电源的支持，装置直流电源消失后，硬件时钟可继续 运行，硬件上设计了进行远距离数据传输的串行接口，由于硬件由多个单片机系 统组成，因此一条输电线路的多种保护的功能可分散于不同的单片机系统，从而 增加了保护装置的可靠性。其代表产品为w x b 1 1 系列微机保护装置。 第三个阶段是以1 6 位单片机构成的多微机系统。例如以英特尔公司的 8 0 c 1 9 6 k 1 3 构成的微机系统。这些单片机内部资源丰富，具有较大容量的r a m 和e p r o m ，因而可做到不需在芯片外部扩展存储器，同时做到总线不出芯片。 保护装置的硬件设计除具有硬件时钟外，还具备接收g p s 全球定位系统秒脉冲 的接口，具备较完善的通信网络，可应用于变电站综合自动化系统中，其代表产 品为四方公司的c s l 系列微机保护装置和南瑞的l f p 9 0 0 系列微机保护装置。 第四个阶段是1 6 位m p u + 3 2 位d s p 构成的多微机系统。m p u + d s p 结构是 目前讨论的比较多的方案，其主要特点是：采用3 2 位d s p 作为保护c p u ，完成 所有的保护算法和逻辑功能；以1 6 位单片机作为管理c p u ，完成保护装置的总 2 山东大学硕士学位论文 启动元件、人机界面和后台通信功能。这种方案一方面可以利用d s p 擅长数据 处理和浮点运算的特点，使d s p 专注于完成保护算法；另一方面也可以降低软 件设计的复杂程度。 从2 0 世纪8 0 年代中期开始，到目前为止，我国的微机保护已经历了2 0 年 的发展历史。输电线路的微机保护从用于超高压5 0 0 k v 系统的保护装置到用于 低压1 0 k v 线路的微机保护装置均有相应的产品。根据2 0 0 1 年全国电力系统继 电保护动作情况的统计数据，2 0 0 1 年我国2 2 0 k v 以上电网的继电保护的正确动 作率达到了9 9 1 3 ，元件保护的正确动作率也达到了9 0 3 。这些成果无疑与 微机保护的成功应用是分不开的1 2 卜【3 j 。 1 1 2 微机继电保护的发展趋势 经过2 0 多年的研究、应用、推广与实践，现在新投入使用的高中压等级继 电保护设备几乎均为微机保护产品，并且随着微机保护和网络通信等技术的结 合，变电站自动化系统、配网自动化系统也已经在全国电力系统中得到了广泛的 应用，将保护、测量、控制、录波、监视、通信等多种功能融为一体，进一步提 高了电力系统的安全、稳定、可靠和经济运行，为电网高质量的电能传输和供电 提供了更好的技术保障，也为变电站实现无人或少人值班创造了必要的条件。 微机保护将朝着高可靠性、简便性、开放性、通用性、灵活性和网络化、智 能化、动作过程透明化的方向发展，并可以方便地与电子式互感器、光学互感器 实现连接，充分利用计算机的计算速度、数据处理能力、通信能力和硬件集成度 不断提高等各方面的优势，结合模糊理论、自适应原理、遗传算法等，设计出性 能更为优良的微机保护装置1 4 】。 1 2 本课题研究的背景及意义 1 2 1 本课题研究的背景 在现代电网中，随着超高压、大容量、远距离输电线路的不断增多，对电力 系统的安全稳定运行提出了更高、更严格的要求。距离保护作为线路保护的基本 组成部分，其工作性能对电力系统的安全稳定运行有着直接和重要的影响。距离 山东大学硕士学位论文 保护性能改善的一个重要方面是在确保其动作的可靠性和选择性的条件下，加快 保护的动作速度。目前，提高保护速度面临的主要问题是距离保护采用故障后的 稳态基频分量，在实际故障信号中包含有大量非基频噪声信号的情况下，保护动 作速度越快，基频分量的滤波精度越差。为了适应现代高压电网稳定运行的要求， 设计者们除了在软件上尽力简化算法和提高算法的效率，对硬件的要求也越来越 高。 目前电力系统继电保护设备中最常用的微处理器包括5 1 系列和9 6 系列等控 制型器件。但随着电力系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高以及新的保 护算法的不断出现，这些器件在许多方面，特别是在计算能力、存储容量方面， 已不能很好地适应电力系统的要求。本课题将对上述问题进行探讨，从硬件和软 件两方面对电力系统微机保护设备进行深入分析，并提出相应的解决方案5 h 3 1 。 1 2 2 本课题研究的意义 随着电力工业的发展，高压输电网络的结构、用电负荷性质和用户对供电的 要求都发生了很大的变化，这也对继电保护工作提出了越来越高的要求。对系统 保护性能和功能需求的不断提高，也是促使担任微机保护装置的处理器位数不断 提升的主要原因之一。采用高性能高位数的d s p + a r m 处理器芯片构成微机保 护装置，已经成为电力系统保护产品的发展趋势。本设计正是顺应这一趋势，针 对保护的要求以及处理器芯片的性能特点，选取了t i 公司3 2 位定点d s p 芯片 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 和p h i l i p s 公司的a r m 7 处理器l p c 2 2 2 0 作为本设计的核心处理 器。 经过对比各个公司的芯片特性，本设计选择了合众达公司生产的d p s 2 8 1 2 m 电力系统工控板和m 2 0 2 0 n 2 0 嵌入式工控板构成微机保护装置中的核心器件。 d p s 2 8 1 2 m 工控板是在s e e d d s p 2 8 1 2 的基础上，专为电力监控而设计开发的 基于3 2 位定点d s p 的高性能、低成本d s p 电力应用系统解决方案，具有良好 的扩展性。其上具有丰富的外设资源和时钟，多种大容量存储器，便于实现保护 参数的存储和大量保护数据的暂存，做到掉电不丢失数据。具有多种通信接口， 方便实现多种形式的通信。d p s 2 8 1 2 m 结构紧凑，布局合理，外部接口信号根据 信号特点合理划分，提高了模板的稳定性及抗干扰的能力，十分适合应用于电力 4 山东大学硕士学位论文 系统继电保护和电力测量方面。m 2 0 2 0 n 2 0 工控板是基于l p c 2 2 2 0 的工业级微 控制器，支持1 0 m 以太网等功能，方便实现网络互联，便于保护装置与后台以 及计算机网络系统之间的通信，带有实时操作系统，方便构成通信管理系统，特 别适合于电力设备监控等行业。采用上述两种工控板来进行设计和研发，使本保 护装置具有优良的性能和可靠性，对于电力系统的安全运行有重要的意义【9 卜【1 2 】。 另一方面，本设计除可用于电力工业外，还可以应用于继电保护教学实验， 工控板上预留有通道管脚接口，方便改进为继电保护试验装置，用作开放性实验， 装置的各种保护插件、硬件结构可对学生开放，方便学生了解相关硬件原理和结 构特点。另外，还可以通过该保护装置进行保护新原理的调试开发，服务于保护 软件的研发，具有多方面的用途。 1 3 本文所做的主要工作 本文针对输电线路微机距离保护进行了深入的研究，主要做了以下几个方面 的工作： 1 、在广泛阅读文献资料的基础上，总结了电力系统微机继电保护的历史、 研究现状和发展趋势，指出国内外现有微机保护中存在的问题，分析了本课题的 研究意义和价值。 2 、分析了国内现有微机保护硬件的现状，总结了其优缺点，确定了采用 d s p + a r m 的双c p u 模式的微机保护硬件组成方案，并对核心处理器进行了选 型。 3 、对实现保护功能的装置硬件结构进行了设计，对其中的模拟量采集系统、 开关量输入输出系统等模块进行了详细说明。 4 、了解电力系统高压输电线路各种继电保护的特点、作用，研究相关的高 压线路( 针对1 1 0 k v 电压等级) 保护的微机实现方法，选择计算保护参数和测 量参数的最佳算法。 5 、根据保护装置要实现的功能和已设计的硬件电路，用c 语言进行相关软 件模块程序的编写和调试，详细介绍了保护部分的软件流程。 山东大学硕士学位论文 第二章核心处理器的选型 随着电网的不断发展，高压线路对于微机保护装置的要求也在不断提高。传 统的微机保护装置虽然具有保护、测控、通信等功能，但这些功能往往采用多个 设备，使用几个c p u 分别实现。这些设备中某些功能重复，硬件资源浪费现象 严重，同时也降低了设备的可靠性。另外，还存在着c p u 的位数较低，处理速 度慢，而且存储器容量低等诸多不足之处。 另一方面，对于单c p u 的电力系统微机保护装置，处理器不仅需要具有处 理大量数据的能力，还需要能够很好的满足人机界面、网络通信协议、大量数据 管理的要求。虽然由单个d s p 芯片或者a r m 芯片构成的保护装置，都能够更充 分发挥各自的性能优势，但却不能全面满足多方面的要求【1 3 卜【14 1 。 基于上述原因，考虑到本系统中设计的采样参数较多，运算量大，实时性要 求高的情况，本设计采用了d s p + a r m 两块c p u 分别完成保护和管理功能。采 用s e e d d p s 2 8 1 2 m 嵌入式控制板实现保护c p u 功能，包括：a d 采样、开关 量输入、数字滤波、继电保护测量元件、逻辑功能、保护定值管理、信号输出、 跳合闸输出等功能；采用m 2 0 2 0 - n 2 0 嵌入式工控板实现管理c p u 功能，用于实 现系统监控、保护启动元件、触摸屏控制、液晶显示、r s 2 3 2 通信、调度以太网 通信等功能。 2 1 保护c p u 简介 d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 是数字信号处理的简称，它是- l q 涉及电子 学、计算机、应用数学等许多学科且广泛应用于许多领域的新兴技术。数字信号 处理是利用计算机或专用设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、 增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。它的理论基础涉及 众多的学科，范围极其广泛，在数字控制系统，通信领域，人工智能等方面与数 字信号处理都密不可分。 目前，数字信号处理器已经成为信号处理技术的主流。与早期的模拟信号相 比，数字信号处理有着巨大的优势。d s p 的优越性主要表现在以下几个方面： 6 山东大学硕士学位论文 首先，d s p 芯片采用改进的哈佛结构( h a r v a r ds t r u c t u r e ) ，程序和数据具有 独立的存储空间，有各自独立的程序总线和数据总线，可以同时对数据和程序进 行寻址，大大地提高了数据处理能力。t i 公司的d s p 芯片结构是基本哈佛结构 的改进类型。改进之处是在数据总线和程序总线之间进行局部的交叉连接。这一 改进允许数据存放在程序存储器中，并被算术运算指令直接使用，增强了芯片的 灵活性。改进的哈佛结构还可使指令存储在高速缓存器中( c a c h e ) ，省去了从存 储器中读取指令的时间，大大提高了运行速度。 其次，d s p 指令系统是流水线操作。在流水线操作中，一个任务被分解为若 干个子任务，各个任务可以在执行时相互重叠。 第三，采用专用的硬件乘法器。乘法指令在单周期内完成数字滤波、f f t 、 矩阵运算等算法中的大量重复乘法。 第四，特殊的d s p 指令。如循环寻址、位倒序等指令，使f f t 、卷积等运 算中的寻址、排序及计算速度大大提高。 第五，快速的指令周期。 第六，多处理器接口。使多个处理器可以很方便地实现并行或串行工作，以 提高处理速度。 由于d s p 的优越性，它自2 0 世纪6 0 年代以来，迅速得到广泛的应用。d s p 应用几乎遍及整个电子领域，典型应用有通信、语音处理、图形图像处理、自 动控制、仪器仪表及医学电子等。 2 1 1 t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片 本课题采用的是t i 公司生产的t m s 3 2 0 f 2 8 l x 系列d s p 中的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片。该系列处理器是基于t m s 3 2 0 c 2 x x 内核的定点数字信号处理器。器件上 集成了多种先进的外设，为电机及其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平 台。与f 2 4 x 系列数字信号处理器相比，f 2 8 1 x 系列数字信号处理器提高了运算 的精度( 3 2 位) 和系统的处理能力( 达到1 5 0 m i p s ) 。该系列数字信号处理器还 集成了1 2 8 k b 的f l a s h 存储器，4 k b 的引导r o m ，数学运算表以及2 k b 的 0 t p r o m ，从而大大改善了应用的灵活性。1 2 8 位的密码保护机制有效地保护了 产品的知识产权。1 6 通道高性能1 2 位a d c 单元提供了两个采样保持电路，可 7 山东大学硕士学位论文 以实现双通道信号同步采样【1 5 1 【2 2 1 。 2 1 2 s e e d d p s 2 8 1 2 m 电力系统工控板 合众达公司生产的s e e d d p s 2 8 1 2 m 工控板是在s e e d d s p 2 8 1 2 基础上， 专为电力监控而设计、开发的基于3 2 位定点d s p 的高性能、低成本d s p 电力 应用系统解决方案，具有良好的扩展性。其上包括： 高性能的3 2 位定点d s p ：t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 ，主频1 5 0 m h z ，处理性能高达 1 5 0 m i p s ，能够对大量数据实现高速的运算；片上包含1 2 8 k 1 6 位高速f l a s h ( 具有加密功能，更好地保护开发者的知识产权) ，用来保存整定值以及大量的 故障记录数据，具有高速读取和掉电后不丢失数据的优点；1 8 k x1 6 位o 等待 s r a m ；2 路s c i 异步串口，l 路c a n 总线，1 路s p i 同步串口，便于实现多种 通信方式；多达5 6 个通用i o 引脚，便于实现各种开关量的输入输出控制。 工控板上外扩有：存储器：最大5 1 2 1 6 位的高速s r a m ，用于暂存需要 快速交换的大量临时数据；配置有x 1 2 2 6 实时时钟+ 串行s r a m ，可以产生年、 月、日、星期、时、分、秒等实时时间信息，还有5 6 8 位s r a m ，可以用来存 储数据，非常适合于工业控制场合，x 1 2 2 6 器件可提供4 k b i t 的e e p r o m ，8 块 加锁控制，可用作用户大量的数据存储的存储器，具有安全、保密性，在主电源 和备用电源全都失效时不受影响：s p i 接口的串行e e p r o m ( 最大1 2 8 8 位) 芯片a t 2 5 0 8 0 ，用来存储保护定值，e e p r o m 中保存的数据允许高速读取且在 失电后不会丢失，同时无需专用设备就可以在使用中在线改写，对于修改整定值 比较方便；输入输出：配置有1 2 路模拟量输入，通过2 片a d i 的a d 7 6 5 6 实现 1 2 通道、1 6 位、每通道最高采样率1 5 0 k s p s 同步采样，输入电压范围选择5 v ， d s p 通过c p l d 对a d 7 6 5 6 进行控制选通；还配置有4 路模拟量输出，通过1 片t i 的d a c 7 7 4 4 实现4 通道、1 6 位的同时输出，输出电压范围为1 0 v 5 v 。 通过c p l d 实现d s p 对该芯片的控制逻辑；4 8 路i o 及功能扩展口线、8 位数 据及3 位地址总线扩展，方便进行开关量的输入输出接口设计；通信接口：采用 了1 片c s 8 9 0 0 a 芯片实现1 0 m 以太网接口、保留的i o 口线可使用户方便的实 现r s 4 8 5 r s 2 3 2 c a n s p i 等多种形式的通讯。d p s 2 8 1 2 m 结构紧凑，布局合理， 外部接口信号根据信号特点合理划分，提高了模版的稳定性及抗干扰的能力。 8 山东大学硕士学位论文 d p s 2 8 1 2 m 功能框图如下图所示。 一 ! ： 卜 ；臻 嚏 ： y 。；u 篙 肥 酬“誊鼢 ；： 咎罐嚣： f u 鼎二 1 2 者k x l 暑世 s 鞔 1 杈嗨堙 d f 豢1 - i r ” j 姚 b o 氍黾钠 铱r 5 - 镑 0 _ _ ；r 糯，k 磁 砖 耘v 鼋。 = = = = 穹铲0 5 l ，e v a 0 3 e = ：= = = ；g 磁0 b 聱，韪j 啪 p 墓 k 尊 0 羁r c 事弘惘 蓉 v ”一 嗟 刊麓_ b 铲0 磁r 割 搴0 c 季 僦嘲1 掣。；i 旷 燕 0 牟0 睨印巍r 毒，e 。0 c 羹 酬茎p g 0 c 冀x 孙广i 蓦 寺= = = = = = 高g 0 f l 蛹j 璃 = = = = = = 嘲0 0 0 挣雩j s c 强 僦f 母司e 辩 崮l 。一 牵= = 目辫h o f 黟t 麓，蛾e o p 秘绉 嗨? p u 嬲 ：卸峰l 川韶ji 一黧 ：! 誊t 妒曝鬻；阿矿 s p 毒艇； t 赢骥 图2 1d p s 2 8 1 2 m 功能框图 2 1 3 对s e e d d p s 2 8 1 2 m 工控板外部扩展总线的配置 为了满足电力系统保护装置功能和电磁兼容性的需要，d p s 2 8 1 2 m 根据自身 的特点实现标准化的扩展总线，有效地将模拟量输入模块、数字量输入输出模块、 各种通讯模块有效地分开，互不干扰。j 5 6 扩展总线包含模拟量输入模块、电源 模块、数字量输入输出模块、通信等模块，采用6 4 芯的3 2 2 欧式双排插座。 本课题对该总线端子进行了相应的改进和重新定义，对j 5 、j 6 各管脚的定义、 功能以及与系统的连接方式如表2 1 和2 2 所示。 9 山东大学硕士学位论文 表2 1j 5 端子管脚对应表 | 泓ea lb lm r s t h r e s e ta 2b 2r d w ra 3b 3l c de l c d c s b a 4b 4 l c d c s a l c d b l e a 5b 5a 0 a 1a 6b 6a 2 d la 7b 7d o d 3a 8b 8d 2 d 5a 9 b 9 d 4 d 7a 1 0b 1 0d 6 b 1 7g n da l lb 1 lg n db 1 8 k d l a 1 2 b 1 2k d 2 k d 3a 1 3b 1 3k d 4 k s la 1 4b 1 4k s 2 k s 3a 1 5b 1 5k s 4 b 1 6 + 5 va 1 6b 1 6+ 5 v b 1 7 b 1 7+ 5 va 1 7b 1 7+ 5 v 3 d b l 6 ( + 5 v ) b 1 8g n da 1 8b 1 8g n d 3 d b l 8 ( 5 r e ) b 1 9a g n da 1 9b 1 9a g n db 2 3 b 2 0+ 1 5 va 2 0b 2 0+ 1 5 v 3 d b l 0 ( + 1 5 v ) b 2 la g n da 2 lb 2 1a g n db 2 3 b 2 21 5 va 2 2 b 2 2 1 5 v 3 d b l 2 ( 一1 5 v ) b 2 3a g n da 2 3b 2 3a g n d 3 d b l 4 ( 1 5 v e ) d a c 、厶a 2 4b 2 4d a c v b d a c v ca 2 5b 2 5d a c v d a g n da 2 6b 2 6a g n d u a a i n o oa 2 7b 2 7a i n 0 l u b u c a i n 0 2a 2 8b 2 8a i n 0 3 u l a i n 0 4 a 2 9b 2 9a i n 0 5 i a a i n 0 6a 3 0b 3 0 a i n 0 7 i b i c a n 、1 0 8a 3 lb 3 la 烈0 9 k a i n l 0a 3 2b 3 2a i n l l 1 0 山东大学硕士学位论文 表2 2j 6 端子管脚对应表 p 3l a nr x +a lb 1l a nr x p 4 p il a nt x +a 2b 2 l a nt x p 2 p 5 ，通信l e d ll a na c ta 3b 3 l a n l n k c h g n da 4b 4l a ns y s b 5g n da 5b 5g n d3 d b l 8 a r m 7 状态发( 8 j 2 1 ) p f14 p l l d i sa 6b 6p e 0 2 i n t l 3 a r m 7 状态收( 8 j 1 5 ) a r m 7 通信发( 8 j 1 0 ) p f 0 4 s c i t x d aa 7b 7p f 0 5 s c i r x d a a r m 7 通信收( 8 j 9 ) ( 保留4 8 5 通信) p g 0 4 c s i t x d ba 8b 8p g 0 5 s c i r x d b ( 保留4 8 5 通信) ( 保留c a n 通信)p f 0 6 c a n t x aa 9b 9p f 0 7 c a n