基于DSP的双CPU微机继电保护装置的设计

基于DSP的双CPU微机继电保护装置的设计

吴剑斌（西南交通大学电气工程学院，四川成都610031

作者简介：吴剑斌（1984-），男，硕士研究生，主要研究方向：电力系统自动化及微机继电保护。

摘要：继电保护装置在电力系统中起着重要的作用，特别是随着微型计算机及其应用技术的发展，信息共享以及网络化模式的不断扩展，微机型继电保护装置在电力系统的应用得以推广。基于微机继电保护中处理速度和保护算法的严格要求，提出了以DSP为核心处理器的双CPU模式的微机继电保护装置的设计方案，设计了保护装置的硬件结构，同时对于保护装置的软件设计思路和相关的编制方法作了详尽的说明。

关键词：继电保护；DSP；硬件结构

电力工业的迅速发展、电力系统的复杂化以及保护要求的提高，促进了微机继电保护的迅速发展，尤其是高度智能化、数字化的微机保护装置在电力系统的应用不断扩大。微机继电保护装置除了拥有传统的继电保护装置基本的测试功能外，还具有强大的数据处理能力和通信能力，其优越性在电力系统实际应用中得以体现。电力系统对于继电保护的可靠性、选择性、灵敏性和快速性都有很高的要求，而采用单CPU结构的继电保护装置，其缺点是容易造成任务之间的冲突并且会引入等待周期。在微机继电保护方面，数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，即DSP）由于其突出的处理能力而受到青睐。此外DSP还具有内存大、兼容性好等特点。随着性能的提高和价格的下降，DSP在自动控制、信息处理、通信以及仪器仪表等领域中得到广泛应用。本文以DSP为核心，提出了采用双CPU模块化设计的微机型继电保护装置。设计方案中使用型号为TMS320C6203B的DSP芯片，它是TMS320C6000系列DSP芯片的一种，片内程序存储器不仅在容量上进行了扩展，而去片内程序RAM分为2个存储块。此外该芯片还具有处理性能更好、外设集成度更高、A/D转换速度更快等优点，在控制方面得到广泛应用。

1装置硬件结构设计

1.1保护CPU与监控CPU

保护装置硬件部分以保护CPU和监控CPU为核心模块，来完成相关的功能。DSP是一种具有特殊结构的微处理器。与单片机比，哈佛结构、流水线操作、独有的硬件乘法累加操作、特殊的指令和特殊寻址模式、零消耗循环控制以执行时间的可预测性是DSP突出的特点。此外，DSP片内有多总线，片外的地址、数据总线分开，高速的同步串口或通信口等优点，因此数据输入／输出能力很强，吞吐量大，在进行数字信号处理时不仅速度快，精度也高。

保护CPU的主要任务包括：（1）控制A/D采样系统及开关量输入；（2）对采集的数据进行数字滤波，并对滤波后的数据进行各种保护算法操作；（3）与监控CPU进行通信，完成处理结果的传送。

监控CPU在执行动作则承担整个系统的控制、通信、存贮的功能，借助操作系统处理各种复杂任务，管理各种外设，监控整个系统的运行状况，为整个微机保护装置提供高效率的处理平台。硬件基本模块如图1所示。

1.2双CPU之间的通信

装置中保护CPU与监控CPU之间的通信是主要解决的问题。在本装置中采用的是利用高性能双口RAM来构成高速数据传送接口的方案。双口RAM是一个共享式多端口存储器，具有两套完全独立的数据线、地址线和读写控制线，并允许两个独立的系统同时对该存储器进行随机性的访问。保护CPU与监控CPU双方之间按照一定的通信协议，同时通过双口RAM完成数据的读取或存储，对数据进行分析后完成彼此命令的交互并执行相应保护处理子程序。保护装置中的双口RAM采用美国IDT公司开发研制的IDT70V24来构成。IDT70V24是3.3V高速4K×16bits的双口静态RAM，最快存取时间可达15ns，可与大多数高速处理器配合使用，在读、存数据时不用插入等待状态。双CPU通信电路如图2所示。

1.3其他模块的设计

除了核心控制模块外，装置中还必须带有模拟量采集模块、开关输入输出模块、通信及总线模块以及人机接口模块。模拟量采集模块的组成部分为滤波电路、采样保持电路、A/D转换模块、过零检测等单元回路组成。对于分布式的变电站自动化系统，联系各智能装置的计算机通信网络是整个系统的关键。因此，除了一般的保护硬件模块以外，本装置还设计了RS232和RS485以及CAN通信接口。这些通信接口的引入，可以满足新的通信技术和网络技术在电力系统及微机保护应用中的要求，便于实行变电站综合自动化管理。其中RS232接口和上位机相连，主要用于调试和下载程序，而RS485接口可用作GPS对时接口和联网通信接口。DSP与RS485的通信接口电路如图3所示。

2相关软件设计

2.1程序结构

整个保护程序包括主程序和定时中断程序两部分。主程序完成整个保护装置的基本功能,包括保护装置的初始化、自检、数值处理、故障判断、出口动作等模块；中断服务子程序包括定时采样A/D转换、电气量计算、相关数据记录、键盘中断及串行通信中断等模块。主程序和中断程序结构如下：

2.2开发环境

由于装置采用双CPU结构，根据两块CPU各自完成的功能，可将软件设计成两大部分，分别用来完成保护CPU的保护工作和监控CPU的监控与通信工作。为了方便程序的维护，及其在硬件平台的相互移植，因此本装置中对保护CPU的程序采用汇编语言编写，而监控CPU的相关程序则使用C语言编写。

TMS320C6203B系列DSP的开发环境与一般微处理器的开发环境类似，其特点是包括C优化编译器、编程接口界面友好、具有产生代码能力的C/汇编语言源调试器、软件仿真器、实时硬件仿真器、拥有实时操作系统以及大量的应用软件。整个DSP程序可以选择在CCS2.0（即CodeComposerStudio（代码调试器）2.0）集成环境下设计。CCS2.0提供了强大的仿真功能，可支持多种控制模式，同时支持汇编和C语言的调试。

3结语

在电力系统中，微机继电保护的设计逐渐顺应着计算机化、网络化，集保护、控制、测量、数据通讯与一体和人工智能化的发展趋势。本保护装置软硬件均采用模块化设计，结构清晰，并且具有灵活的通信功能，可直接与PC机进行RS232串行通信。可以看出采用DSP的双CPU模式的微机继电保护装置，能充分利用DSP高速处理数据的能力，同时也能突显出处理外部中断及对外设部件的控制能力。装置配置了高速RS485总线和CAN现场总线，在规定一定的通信协议后，便于实行变电站综合自动化管理。

参考文献：

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