微机继电保护论文

0新疆农业大学课程论文题目:基于DSPIC30F的双CPU微机继电保护装置课程:微型机继电保护原理姓名:王超毅专业:电气工程及其自动化班级:电气082学号:083736239指导教师:李春兰2012年1月1基于DSPIC30F的双CPU微机继电保护装置王超毅（新疆农业大学机械交通学院电气082班083736239号）摘要：随着我国电力工业的迅速发展，新型继电保护装置特别是微机保护的推广应用，对相应的微机继电保护系统的设计有了更新、更高的要求。由DSPIC30F组成的微机继电保护装置，采用双CPU系统的硬件、软件结构，并以12路模拟量的采集、改进的傅氏算法，系统外围器件少，结构简单，能够进行复杂的保护算法，满足多种通信要求，具有良好的市场前景。关键词：电力工业；继电保护装置；DSPIC30F；双CPU系统Thedual-CPUcomputerprotectiondevicesbasedonDSPIC30FWangChao-yi(XinjiangagriculturaluniversityMechanicaltrafficinstituteElectricalengineeringandautomation082NO.083736239)Abstract:WiththerapiddevelopmentofChina'spowerindustry,newprotectiondevicesinparticular,promotetheuseofmicroprocessor-basedprotection,thecorrespondingrelayonthecorrespondingcomputersystemdesignwiththenewerandhigherrequirements.FormedbytheDSPIC30Fcomputerprotectiondevices,dual-CPUsystemhardware,softwarearchitecture,andto12analogacquisition,animprovedFourieralgorithm,thesystemperipheraldevices,simplestructure,capableofcomplexprotectionalgorithms,meetavarietyofcommunicationrequirements,havegoodmarketprospects.Keywords:ElectricPowerIndustry;Protectiondevices;DSPIC30F;Dual-CPUsystem0前言继电保护是电力系统的重要组成部分。在现代的电力系统中，如果没有专门的继电保护装置，要想维持系统的正常运行是根本不可能的。综合一下微机保护中使用的CPU主要是20世纪八九十年代的主流CPU，如Intel公司的8086、MCS51系列及其兼容产品，以及80C196等，80C196KB/KC系列是目前国内微机保护装置中最常用的CPU。近年来，数字处理器DSP，如以TMS320C32为主的CPU，应用在此类装置中。单片机一般都有丰富的外设，工作电压范围大，抗干扰性能力强等特点，然而，在执行复杂算法方面有所欠缺。DSP虽然擅长计算，但是由于相对较为苛刻的工作环境要求，及昂贵的价格，需要繁多的外围器件协调工作等原因，也使大规模的应用面临困难。当前市场逐步进入到“微利”时代，同时用户对装置的保护功能也提出了新的要求，如保护和电能质量在线检测的一体化，设备保护和设备录波的一体化，保护设备网络化等，这就需要处理器具备完成复杂算法和提供更加丰富接口的能力，于是保护装置控制器的选择便是一个重要的问题[1]。在综合自动化的发展下,电力系统继电保护装置将集监测、保护、控制及通信于一体,可以完成多种复杂任务。除了具备基本的测量功能外还需要有强大的数据处理能力和通信能力,这使得软件的开发和维护变得异常复杂。在这种情况下,若只采用单CPU容易造成多重任务间的相互冲突。为兼顾对实时保护任务和通信任务的不同处理要求,保护装置需要由高性能的微控制器与数字信号处理器构成高性能的硬件系统。单片嵌入式控制器，即数字信号控制器(DSC)便是目前较为经济、合理的选择。它综合了单片机(MCU)的控制功能和集成多种外设的优点，以及数字信号处理器(DSP)的计算能力和2数据吞吐能力。Microchip公司的数字信号处理器DSPIC30F在同类产品中具备独特优势，它在功能强大的16位单片机的基础上巧妙地添加了DSP功能，具备单指令周期的16×16乘法，双40位累加器，双操作数预取等功能；同时包含多种外设，满足继电保护装置对控制器的要求。本文主要介绍以DSPIC30F系列CPU为主控芯片，介绍该系列研制的微机综合保护装置，实践证明采用DSPIC30F开发微机综合保护切实可行，同时有结构简单，外围器件少，可靠性高等特点；而且可以提供多个网络接口，满足用户多样化的组网需要[2]。1系统的硬件结构及特点1.1双CPU系统的硬件结构由两个CPU分别承担电气量的采集与转换、控制逻辑运算、人机对话和打印输出,以及与上位机通信、数字量输入和处理等功能,各司其职,分工合作。设计过程中采用模块化设计,以实现故障的准确定位,同时方便增加新的保护功能。双CPU系统总体结构如图1所示。图1双CPU系统结构图电流电压信号经电流电压互感器变换后产生低电压信号送入微机保护装置主模块。模拟量输入模块需测量三相电流,保护安装侧的三相电压,考虑用两块16位新型数字A/D芯片,简化采样,保持电路与多路开关电路的连接,滤波功能由DSP芯片中的软件实现。主模块内的DSP芯片运行片内的保护软件,进行信号采样,并加以运算、分析,最后将结果送回ARM芯片显示、存储。若有电网故障,则由DSP直接发出跳闸动作信号,达到保护系统的目的；同时,由AMR报警,并以各种通信方式将保护动作信息发送至上位机,记录故障时间与电流电压数据,保存数据,完成保护的工作过程。通信功能方面要求ARM芯片集成RS232/485,太网控制芯片,可支持变电站常用的10Mb/s的双绞线接口,100Mb/s的光纤和双绞线接口,以适应更高可靠性和更大通信带宽的变电站自动化系统[3]。1.2DSPIC30F系统的特点（1）功能完善，所需外设较少主CPUDSPIC30F内部集成A/D采样转换器、8KB数据区RAM、4KBEEPROM和高达144KB的程序空间。（2）接口丰富DSPIC30F提供I2C接口和SPI接口，同时包含两路独立工作的UART接口和两路独立CAN接口，可以实现多种网络连接模式。装置可以作为CAN节点，也可以作为RS485网络的主节点，构成本地网络。（3）双CPU结构合理分配系统任务，高端CPU完成实时性较强的任务，其他CPU完成显示，3按键管理等常规任务。（4）宽电压工作能力主芯片能工作在2.5V～5.5V，可以根据不同情况实时切换时钟，提供丰富的系统复位诊断功能[4]。1.3DSPIC30F系统结构本系统采用模块化结构设计，分为5个部分：控制板、开关量及测量板、保护模拟量板、电源板、母板和显示板。图2为微机型继电保护系统的硬件结构图。图2系统硬件结构图控制板上配置系统主控芯片DSPIC30F，主要实现各电量的幅值计算，相角计算，各保护算法的判断，及网络通信等。保护定值存放在DSPIC30F内部的EEPROM内，用户可以通过显示板上的按键修改，也可通过网络下载修改。显示板上的PIC18F通过RS232与主CPU交换信息，显示板主要进行按键的处理，定值的显示和设定，系统操作菜单显示，系统状态的显示。在主CPU出现故障时，提供给监控网络一个诊断接口，诊断数据来源于共享RAM区。电源板为系统提供5V、±15V、24V等电源，模拟量板采用保护型电压/电流互感器。开关量及测量板有8路继电器输出，12路24V开关量输入，2路故障滤波型电流互感器和2路故障滤波型电压互感器可以实现网络的故障录波和测量请求。2DSPIC30F双CPU结构及任务分配2.1DSPIC30F双CPU结构本系统采用如图3所示的双CPU结构，这种结构要解决的首要问题是它们之间的通信问题，常用的结构有串行通信结构、并行总线结构、共享RAM结构和双口RAM结构。考虑各结构的优缺点，以及本系统中的CPU具有丰富的网络接口的特点，确定采用串行加共享RAM的方式进行通信。对于实时小批量数据它们之间采用RS232串行通信，对于大批量数据则采用共享RAM的方式。这样不仅串行通信接线少，抗干扰强，也发挥了共享RAM的快速大量传送数据的功能。该RAM集成在时钟芯片内，存储系统的事件记录和系统运行的各种状态，而且单独由电池供电，所以不会丢失，以便事后系统诊断。显示板控制板显示板电源板控制板开关量及测量板保护模拟量板时钟钟DSPIC30F隔离电源模拟量输入开关量输入输出通信接口隔离按键管理通信接口LCD显示PIC18FLED显示母版4图3双CPU之间的通信2.2DSPIC30F的任务分配DSPIC30F为系统的主CPU，可以工作在保护运算和数据高速采集两种状态。保护运算状态主要计算基波分量和保护判据的算法，此时DSPIC30F主要对8路保护模拟量进行数据采集、滤波和计算，完成速断、过流、过压、过载、反时限和重合闸等保护算法，对4路测量模拟量进行基波分析，可显示测量值；高速采集状态，主要完成网络要求的录波功能。控制板配置CAN网络接口和RS485网络接口，符合设备网络化的趋势。PIC18F主要完成按键的管理，定值的修改、查看，装置通信站号的设置，波特率的设定以及通信的投入和退出设定等；显示输入输出开关量的状态，模拟量的大小等状态信息。用户可以在显示板的LCD查看主芯片的工作情况，如保护状态和录波状态，也可查看系统特殊事件的记录，如上电信息、复位信息和网络通信信息等。图4是双CPU的任务分配示意图。图4双CPU任务的分配图3系统软件实现系统软件主体流程如图3所示,上电或复位后DSP与ARM均需完成第一步初始化工作(1)对硬件可编程接口初始化,设定端口作用,对于输出端口则赋予初值,保证所有出口继电器处于不动作状态。(2)全面的软硬件自检,保证装置投入使用时处于完好的状态,若出现异常则停机告警。对于DSP而言,还需读取所有开关量的输入状态并加以保存,标志字清零,初始化采样单元,设定指针位置与采样间隔时间。DSP与ARM处理器有机地构成了一个功能分布、协同运行的整体系统。图5aDSP子系统运行保护相关程序流程,初始化完毕后,开放中断。其采样中断程序流程如图5b示,数据采集单元A/D完成模拟量采集与转换后,DSP对原始数据进行精加工,并计算电气参数,同时,实时运行一次保护启动分析与判断。根据采样程序中的启动逻辑判断,判定电力系统是处在正常运行状态还是发生了故障,若检测到故障发生,则进入故障分析程序,最终结合开入量推断逻辑结果作出相应控制,并将电气计算结果和保护判断结果通过SPI传输至ARM。图5为ARM子系统运行管理相关程序流程,通过SPI通信中断程序,接收DSP数据后予以显示,并根据需要判定是DSPIC30FUARTDS275D8275DSPIC30FUARTSD2001时钟芯片SRAMRS232FCFCDSPIC30F保护算法A/D采样及计算网络通信事件记录PIC18F系统参数设定网络诊断接口按键管理LED显示LCD显示定值管理5否告警、通知上位机,以及故障录波。aDSP子系统程序员b定时采样中断程序cARM子系统程序图5系统程序流程此微机保护只用到基波分量或某次谐波分量，因此最关心的是幅值特性。电力系统中故障状态下输入保护装置的信号不是纯正弦的，其他分量往往相当大，但可以当作周期信号进行处理。全波傅氏算法能够滤除直流分量，分离出基波分量和各次谐波分量，较为常用的是递推式傅氏算法，见式3-1和式3-2)/2cos()(211nmUUNUUmnmMRMR（3-1）)/2cos()(211nmUUNUUmnmMLML