基于DSP的分布式微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置的硬件設(shè)計(jì)

1 引 言 　　目前，國(guó)內(nèi)外的各種中低壓變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)產(chǎn)品，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)都趨向于采用完全分布式，這種結(jié)構(gòu)基于面向?qū)ο蟮乃枷?，以變壓器、斷路器等一次設(shè)備間隔為對(duì)象，將各種保護(hù)測(cè)控功能綜合在一個(gè)測(cè)控裝置中，下放到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)控對(duì)象(即一次設(shè)備)上安裝。因此整個(gè)系統(tǒng)中，最關(guān)鍵是要設(shè)計(jì)集保護(hù)、測(cè)量、控制、通信等功能于一體的微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置?！　”疚脑O(shè)計(jì)了一種基于ti公司的嵌入式數(shù)字信號(hào)處理器tms320f2407的分布式微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置，該裝置就地采集電壓、電流等信息量，實(shí)時(shí)完成保護(hù)、測(cè)量、控制等功能，具有抗干擾性強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)。2 裝置整體設(shè)計(jì)　　一個(gè)變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)中，測(cè)控裝置的種類好多種，如線路、變壓器、電容器等的測(cè)控裝置。因此測(cè)控裝置采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，硬件結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，彼此間完全通用，實(shí)現(xiàn)硬件的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化，不但有利于組織規(guī)模化流水線生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，同時(shí)又為調(diào)試、維護(hù)提供了很大的方便，還做到不同裝置間的同一種插件可以完全互換，減少備件。3 dsp系統(tǒng)3.1 dsp系統(tǒng)結(jié)構(gòu)　　dsp系統(tǒng)是整個(gè)裝置的核心部分，主要由模擬輸入電路、dsp及其外圍電路、開關(guān)量輸入回路、開關(guān)量輸出回路組成。3.2 dsp微處理選擇　　微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置是一個(gè)專用實(shí)時(shí)測(cè)量與控制系統(tǒng)，但他對(duì)微處理器速度的要求并不是越快越好。因?yàn)楸Ｗo(hù)的動(dòng)作必須要在故障后一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行一定采樣次數(shù)的數(shù)據(jù)采集，根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后，才能決定是否保護(hù)動(dòng)作。由于保護(hù)算法本身的要求，這個(gè)采樣時(shí)間一般在幾個(gè)毫秒以上，也就是說這個(gè)時(shí)間是不能靠采用高速微處理器來縮短的。因此，在微處理器速度滿足需要的前提下，盡可能選擇功能全面的微處理器芯片?！　i公司的嵌入式工業(yè)級(jí)數(shù)字處理器tms320f2407，主頻40 mhz，集程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、can通信控制器于一體，非常適合于分散式裝置，使裝置的體積大大減小，抗干擾性能大大提高，可長(zhǎng)期工作在-45～+80℃的環(huán)境。3.3 e2prom數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器及時(shí)鐘電路　　微機(jī)保護(hù)測(cè)控裝置中，需要對(duì)保護(hù)定值、故障報(bào)告、刻度系數(shù)、裝置地址等數(shù)據(jù)長(zhǎng)期存儲(chǔ)，這些數(shù)據(jù)一般容量不大而可靠性要求很高，掉電不能丟失，因此采用容量為8 kb的e2prom串行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器at24c64來保存。該芯片是i2c串行總線通信，而dsp片內(nèi)自帶的spi接口由于自身速度較高，雖然他的移位速率可編程，但仍然無法與較慢的外設(shè)匹配，配置起來不靈活。因此用dsp的i／o口線重建了i2c串行總線，使用軟件編程的方法模擬i2c串行總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)序?！　r(shí)鐘電路為系統(tǒng)提供時(shí)間參考，對(duì)于裝置的事件記錄等功能的實(shí)現(xiàn)有重要意義。由于時(shí)鐘電路的運(yùn)行是不間斷的，所以還需要電池為其在裝置電源失電期間供電。ds1302還需要有自己的振蕩源，按照芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)的要求選擇了頻率為32 768 hz的晶體震蕩器。3.4 can現(xiàn)場(chǎng)總線驅(qū)動(dòng)電路 　　變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)站內(nèi)通訊網(wǎng)采用can總線，是一種具有很高可靠性，支持分布式控制、實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有完全的開放性。選用philips公司的pca82c250總線接收器作為can控制器和物理總線的接口，提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收能力，增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力。3.5 其他電路　　電平轉(zhuǎn)換電路采用了tps7333電平轉(zhuǎn)換芯片，能夠?qū)㈤_關(guān)電源提供的5 v電壓變換成dsp芯片lf2407使用的3.3 v電壓?！　】撮T狗電路采用完全獨(dú)立于dsp芯片的專用的微處理器監(jiān)測(cè)芯片max706，實(shí)現(xiàn)看門狗和手動(dòng)復(fù)位電路。4 交流輸入回路4.1 模擬信號(hào)處理 　　交流插件將高壓互感器二次側(cè)的電壓／電流信號(hào)變換成適合測(cè)控裝置輸入要求的小電壓信號(hào)。交流量變換回路的基本設(shè)計(jì)原則是：要保證各電壓／電流互感器的一次、二次側(cè)之間相位位移保持一致；互感器要在整個(gè)工作范圍內(nèi)保持線性傳輸，輸入小信號(hào)不失真，輸入大信號(hào)不飽和。　　由于電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電流互感器二次側(cè)的電流具有很大的動(dòng)態(tài)范圍，因此，電流互感器的設(shè)計(jì)尤其需要考慮以下幾點(diǎn)：　　(1)優(yōu)先保證在輸出為最小工作電流時(shí)，對(duì)應(yīng)a／d變換的結(jié)果應(yīng)具有足夠的分辨能力；　　(2)應(yīng)適當(dāng)選擇電流變換器的二次側(cè)負(fù)載，使電流變換器在一次側(cè)出現(xiàn)最大短路電流時(shí)不至于出現(xiàn)飽和現(xiàn)象；　　(3)應(yīng)保證在出現(xiàn)最大短路電流時(shí)，電流變換器輸出的電壓不應(yīng)使a／d轉(zhuǎn)換出現(xiàn)溢出現(xiàn)象?！　⌒』ジ衅髟谄骷x型時(shí)，選擇電流互感器的規(guī)格為5 a／5 ma，精度0.2級(jí)，最大輸入電流100 a以上。一般互感器的線性范圍不能達(dá)到這么寬的要求，因此測(cè)量通道和保護(hù)通道要選取不同的電流互感器，測(cè)量互感器要求滿足正常電流時(shí)具有一定的精度，保護(hù)互感器要求在短路故障大電流情況下不飽和?！　?duì)于輸入的模擬量需要采用低通濾波器將最高信號(hào)頻率限制在一定的帶寬以內(nèi)，以降低采樣頻率。