探究一种DSP的分布式微机保护测控装置的硬件设计

1 引 言

目前，国内外的各种中低压变电站综合自动化系统产品，其系统结构都趋向于采用完全分布式，这种结构基于面向对象的思想，以变压器、断路器等一次设备间隔为对象，将各种保护测控功能综合在一个测控装置中，下放到现场测控对象（即一次设备）上安装。因此整个系统中，最关键是要设计集保护、测量、控制、通信等功能于一体的微机保护测控装置。

本文设计了一种基于ti公司的嵌入式数字信号处理器tms320f2407的分布式微机保护测控装置，该装置就地采集电压、电流等信息量，实时完成保护、测量、控制等功能，具有抗干扰性强、精度高的特点。

2 装置整体设计

一个变电站综合自动化系统中，测控装置的种类好多种，如线路、变压器、电容器等的测控装置。因此测控装置采用标准机箱，硬件结构统一，彼此间完全通用，实现硬件的标准化、模块化，不但有利于组织规模化流水线生产，提高生产效率，同时又为调试、维护提供了很大的方便，还做到不同装置间的同一种插件可以完全互换，减少备件。

3 dsp系统

3.1 dsp系统结构

dsp系统是整个装置的核心部分，主要由模拟输入电路、dsp及其外围电路、开关量输入回路、开关量输出回路组成。如图一所示。

3.2 dsp微处理选择

微机保护测控装置是一个专用实时测量与控制系统，但他对微处理器速度的要求并不是越快越好。因为保护的动作必须要在故障后一段时间内进行一定采样次数的数据采集，根据这些数据进行计算后，才能决定是否保护动作。由于保护算法本身的要求，这个采样时间一般在几个毫秒以上，也就是说这个时间是不能靠采用高速微处理器来缩短的。因此，在微处理器速度满足需要的前提下，尽可能选择功能全面的微处理器芯片。

ti公司的嵌入式工业级数字处理器tms320f2407，主频40 mhz，集程序存储器、数据存储器、can通信控制器于一体，非常适合于分散式装置，使装置的体积大大减小，抗干扰性能大大提高，可长期工作在-45～+80℃的环境。

3.3 e2prom数据存储器及时钟电路

微机保护测控装置中，需要对保护定值、故障报告、刻度系数、装置地址等数据长期存储，这些数据一般容量不大而可靠性要求很高，掉电不能丢失，因此采用容量为8 kb的e2prom串行数据存储器at24c64来保存。该芯片是i2c串行总线通信，而dsp片内自带的spi接口由于自身速度较高，虽然他的移位速率可编程，但仍然无法与较慢的外设匹配，配置起来不灵活。因此用dsp的i／o口线重建了i2c串行总线，使用软件编程的方法模拟i2c串行总线数据传输的时序。

时钟电路为系统提供时间参考，对于装置的事件记录等功能的实现有重要意义。由于时钟电路的运行是不间断的，所以还需要电池为其在装置电源失电期间供电。ds1302还需要有自己的振荡源，按照芯片数据手册的要求选择了频率为32 768 hz的晶体震荡器。

3.4 can现场总线驱动电路

变电站综合自动化系统站内通讯网采用can总线，是一种具有很高可靠性，支持分布式控制、实时控制的串行通信网络，具有完全的开放性。选用philips公司的pca82c250总线接收器作为can控制器和物理总线的接口，提供对总线的差动发送和接收能力，增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力。

3.5 其他电路

电平转换电路采用了tps7333电平转换芯片，能够将开关电源提供的5 v电压变换成dsp芯片lf2407使用的3.3 v电压。

看门狗电路采用完全独立于dsp芯片的专用的微处理器监测芯片max706，实现看门狗和手动复位电路。

4 交流输入回路

4.1 模拟信号处理

交流插件将高压互感器二次侧的电压／电流信号变换成适合测控装置输入要求的小电压信号。交流量变换回路的基本设计原则是：要保证各电压／电流互感器的一次、二次侧之间相位位移保持一致；互感器要在整个工作范围内保持线性传输，输入小信号不失真，输入大信号不饱和。

由于电力系统发生故障时，电流互感器二次侧的电流具有很大的动态范围，因此，电流互感器的设计尤其需要考虑以下几点：

（1）优先保证在输出为最小工作电流时，对应a／d变换的结果应具有足够的分辨能力；

（2）应适当选择电流变换器的二次侧负载，使电流变换器在一次侧出现最大短路电流时不至于出现饱和现象；

（3）应保证在出现最大短路电流时，电流变换器输出的电压不应使a／d转换出现溢出现象。

小互感器在器件选型时，选择电流互感器的规格为5 A／5 mA，精度0.2级，最大输入电流100 A以上。一般互感器的线性范围不能达到这么宽的要求，因此测量通道和保护通道要选取不同的电流互感器，测量互感器要求满足正常电流时具有一定的精度，保护互感器要求在短路故障大电流情况下不饱和。

对于输入的模拟量需要采用低通滤波器将最高信号频率限制在一定的带宽以内，以降低采样频率。有源滤波器电路环节相对较复杂，降低了电路可靠性；而无源滤波器具有结构简单、能经受较大的浪涌冲击、可靠性高的特点，所以一般选择采用RC无源低通滤波器。由于高阶的模拟滤波器将带来长的过渡过程，有可能影响保护的速度，因此一般的RC低通滤波器设计为一阶即可。

4.2 A／D转换器

微机测控装置模数转换器的选择指标主要有两个：分辨率和转换时间。

TMS320F2407内部集成有10位分辨率的A／D转换器。为了达到0.2级的测量精度，理论上讲，A／D的分辨率位数为

，再加上1位符号位，即最低为9位。然而考虑到各种转换误差，实际应用中的微机测控装置A／D转换器的分辨率位数一般都在12位以上，所以采用TMS320F2407内部集成的A／D转换器是不能满足要求的，需要另外选择。

模数转换器转换时间的选择与交流采样频率有关。如果按每周波采样64点，共12路交流模拟量来计算，则每次转换时间为

，即每次转换时间不大于26μs。

综合以上两点，需要选择12位以上分辨率，转换时间不大于26 μs的高速模数转换器。Maxim公司的MAX125芯片为14位分辨率，通道转换时间3μs高速模数转换器。该芯片集多路开关、采样保持器和A／D转换器这3个环节于一体，节省了数量众多的的采样保持器件和多路转换开关的位置空间，降低了成本，增强了可靠性。MAX125内部还有14×4的数据缓冲区，可以暂存采样数据中间转换结果，节省CPU的用于中断操作的开销。因此，该芯片是一款非常适合高速数据采集的芯片，广泛应用在电力系统的智能采集装置上。A／D转换回路如图2所示。

5 开关量输入

开关量主要是一些非电量保护、开关位置信号、控制信号及脉冲量信号，这些信号都是无源触点。DSP检测这些触点的分、合状态时候，需要把他们变成有源的，然后通过检查其回路电流的有无来判断其分合状态。对于变电站直流控制电源系统，触点电源一般是110 V或220 V直流控制小母线。对于交流控制电源，则由装置的模块电源产生24 V直流电源来作为触点的电源。

由于直流开关量的分合期问会产生强烈的瞬时脉冲干扰，所以开关量输入部分必须采取一定的抗干扰设计，如光电隔离、低通滤波等。如果开关量电源是220 V或者110 V的强电，则应采用两级光电隔离，更好地起到抗干扰作用。

6 开关量输出

测控装置的开关量输出分为两类：保护动作输出和信号输出。保护动作时输出触点送到断路器操作回路中，启动操作机构，执行断路器的分、合操作。信号输出是根据装置或者保护的情况，用继电器的触点送出不同的电气信号，去启动光字牌、信号灯、警铃、警笛等报警装置。

为防止继电气受干扰导致开关量误输出，不能用单个I／O口直接驱动继电器，而要采取编码电路输出，只有输出特定的代码才可以启动相应的继电器去动作。

另外，还要设计反馈回路，将继电器的状态回送到DSP的I／O端口，由DSP实时监视开出量的状态，保证开关量输出的正确性。

7 电源插件

采用微机继电保护装置中普遍采用的开关电源模块。该模块采用直流220 V／110 V供电，输出有3个电压：+5 V，±5 V，+24 V。

为保证上电瞬间及电源失电时出口继电器不误动，要求5 V，24 V满足以下时序：

（1）11上电时，保证5 V电源比24 V电源先上电，躲过计算机系统建立及I／O端口的初始化。一般5 V系统上电时间为10 ms，24 V系统上电时间为大于50 ms；

（2）22失电时，保证5 V电澡比24 V电源后失电，延时为20 ms，同时弱电电源输出特别是5 V系统要有足够的容量。

8 人机接口面板

人机接口面板即装置的前面板，主要由液晶显示器、按键、信号灯三部分电路组成。液晶显示器为点阵式，带有背光控制，可显示汉字及图形。键盘有4个，分别为下移键、右移键、取消键、回车键，通过这几个键及其组合可以完成装置的所有浏览、输入、设置和复位功能。装置的信号灯采用发光二极管，分别为运行、告警、合闸位置和跳闸位置。

9 结 语

以上比较完整地论述了一种基于DSP的分布式微机保护测控装置的硬件设计，按照装置的结构介绍了各个插件的基本组成及元器件的选择，着重讨论了在电力系统的强电磁环境下，微机保护测控装置的设计过程中需要考虑的电磁抗干扰问题。

基于这种硬件设计的微机保护测控装置已经在变电站投运多套并运行良好。

编辑：jq