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标题: 基于DSP的双处理器电容器保护 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-27 20:11
标题: 基于DSP的双处理器电容器保护

摘　要：介绍了数字信号处理器（DSP）的特点，分析了微机保护系统及电容器保护装置的现状。根据微机保护系统的发展趋势和DSP的特点，提出了基于DSP的双处理器电容器保护装置的设计思路。
　　关键词：数字信号处理器DSP；电容器保护；微机保护系统
　　目前，10 kV～35 kV电压等级系统的微机保护多为单CPU结构，全部的控制、监测和运算都由CPU来完成，CPU只能串行地完成任务。单CPU微机保护的运行速度在很大程度上取决于CPU的速度，CPU成为性能提高的瓶颈，在要求高速采样的应用场合，单CPU系统显得力不从心。因此，采用多CPU型的微机保护硬件结构是必然的。
　　高速数字信号处理芯片（DSP）技术的发展，为开发速度快、处理能力强的微机保护系统奠定了基础。近年来，人们已经开始将DSP芯片用于某些电力系统产品的开发研究，并获得了成功。
　　采用DSP芯片和一个通用处理器，设计了一个双处理器微机电容器保护系统。该系统采用一个DSP芯片负责控制数据采集和执行数据滤波的任务，以及控制逻辑处理，并通过一个双端口RAM与另一个通用处理器实现数据通信，而通用处理器主要负责部分控制逻辑处理、输入输出操作及与外部的通信等功能。

1　微机保护系统及电容器保护装置的现状
1．1　微机保护系统的现状
　　对单CPU结构的保护而言，来自TA、TV的信号经过采样保持、模／数转换后，进入微处理器进行处理，而数据处理的整个过程都需要CPU的参与控制。在单CPU系统中，CPU除了提供采样脉冲、发多路选通信号、启动模／数转换以外，还负责对数字信号进行数字滤波和实现保护算法。此外，为确保系统运行的可靠性而定期执行的自检程序，为方便运行人员的操作而设置的人机接口程序，也都由CPU执行。可见，
在单CPU系统中，全部的控制、监测和运算都由CPU来完成，致使CPU只能串行地完成任务，这将造成两方面的结果：一是保护的运行速度很大程度上取决于 CPU的速度，对于要求高速采样的应用，系统显得力不从心；二是选择算法时必须放弃虽有较满意的性能，但计算量大的方案。
　　传统的单处理器微机保护硬件结构，从运行和可靠性角度来分析，该结构存在不足：容错能力差，可靠性低，采样／保持器件之后的任一元件损坏都可能导致装置停止工作；整套保护中各个保护功能全由一个CPU分时承担，任何一处程序跑飞都可能使全套保护工作混乱；由于单CPU系统软硬件采用串行工作方式，任何新功能的增加都要对原装置作通盘的考虑和调整，因此开发扩充新的功能困难；系统故障的诊断不易定位，维修困难。
　　因此，可以对单CPU系统进行一些改进，一种设计是选用高性能器件减少S／H、MUX、ADC各环节的响应时间，以改善整个系统的速度，但实际的芯片速度受到限制，而且将增加成本；另一种设计是利用模／数转换的时间，让CPU执行其它的任务，等模／数转换完成后并发出中断申请时，CPU再响应中断，读取转换的结果，并启动下一通道转换。这种设计提高了时间的利用率，但增加了CPU响应中断、保护现场和恢复现场的工作量，在CPU速度不高时有可能得不偿失。另外，本次的采样数据要到下一个采样周期才处理，增加了反映故障的时间。
　　自80年代以来，国内外逐渐开始研制多CPU型微机保护硬件结构，各种方案总的来说可分为两类：一类是将保护功能和人机界面等功能分开，由不同的 CPU分别承担电气量的采集与变换、控制逻辑运算、人机对话和打印输出、与上位机通信、数字量输入和处理等功能。这样的系统特点是模块化，能够实现故障定位到板，开发保护的新功能方便，但接线复杂，各板间联络线多，会影响系统的可靠性；CPU数目多，使得装置体积大且成本也较高。另一类是多CPU并列处理式结构，不同保护功能（如差流、过压等）由不同的CPU完成。该系统的特点是每个保护插件的硬件完全相同，只是EPROM中的运行程序不同，各板间的联络线很少，因而维护检修方便，抗干扰能力强。此外，也可以只将信号采集与处理的功能分离出来，由一个专用CPU承担，而保护的其余任务仍旧留给另一CPU完成，这就是本文所要介绍的双处理器系统，该系统具有第一类方案的优点，但其CPU插件少，板间联络线少，维修方便，体积小成本也较低，是理想的微机保护硬件结构的设计方案。
　　在微机保护系统中，数据的采集与处理所占用时间，较运行保护运算程序的时间要长得多。因此，在双处理器微机保护系统中，由于保护运算的速度已达到较高的水平，要提高保护运行的速度就必须提高数据采集与处理的速度。美国Texas公司的DSP芯片TMS320F206的指令周期为25／35／50μs，且大多数指令可在单周期内完成，而MCS－96系列的通用处理器，最高的主频也只达20 MHz，相应的时钟周期为100μs，考虑到一条指令所需的周期数，其速度远不如DSP快。由于DSP系统中的数字部分高度的规范性，使大规模集成更为便利。
1．2　电容器装置保护的现状
　　为了维持电压在规定范围内，必须采取无功补偿措施，并联电容器由于具有运行灵活，有功损耗小、维护方便、投资少等优点，在电力系统中得到了广泛应用。因此，研究功能齐全、通用性强、可靠性高的电容器保护装置，对保证电容器的安全运行很有益处。
　　电容器装置的故障类型有两大类：一是指不正常的运行工况，可能对电容器的安全造成危害；另一种是指电容器装置内部（包括联接线）故障。尤其对于高压电力电容器而言，由于其容量大、作用重要，设计要求配置专用继电保护装置，作为电容器内部故障保护之用。
1．3　微机电容器保护装置的功能
　　1）研制的装置配有以下8种基本保护功能可供选择：①电流速断；②时限过流保护；③过电压保护；④欠电压保护；⑤零序电流保护；⑥差流保护；⑦零序电压保护；⑧差压保护。
　　各种保护的投入和退出可由用户根据电容器的接线方式方便地选择，而无需进行软、硬件的修改。
　　2）辅助功能的设置，是基于使所研制的微机电容器保护装置既可独立应用于各种电压等级的变电站和不同接线方式的电容器组的保护，又可作为变电站综合自动化系统的一个子系统，同时能满足无人值班变电站的需要而仔细设定的。归纳起来，主要辅助功能：①装置面板设有液晶面板，可以图形化和数字化相结合的方式显示电容器组的投运状态和正常无功、电压值和不平衡电流值，故障发生时显示各种故障记录值；②有RS232、RS485和CAN等通信接口，可与保护管理机或调度端之间进行信息交换和接受遥控命令；③装置面板上设有薄膜小键盘，可以就地修改保护定值；④可以记录故障时的电压和电流值，以供事后分析所需；⑤ 保护信号的自保持；⑥保护信号的就地和远方复归；⑦跳闸出口防跳功能，；⑧装置具有上电自检、静态自检和动态自检功能。
　　3）所研制的微机电容器保护装置还具有在线监测功能。
　　4）所研制的微机电容器保护装置还具有以太网（10M／100M）、CAN网、RS485等接口，能支持多种通讯规约。
2　DSP芯片的主要特点
2．1　运算速度越来越快
　　DSP的总线采用哈佛结构，即独立的程序总线和数据总线，流水线处理技术，使运算速度特别快。例如TMS320F206芯片的单周期指令执行时间为25～50μs。
2．2　片内外存储器容量越来越大
　　例如TMS320F206片内Flash RAM有32K字，片内有单访问RAM为4．5K字，双访问RAM为544字。
2．3　I／O接口功能强
　　具有并行I／O，异步串口，同步串口等。
2．4　具有多种片内外设
　　F206芯片具有16位硬件定时器，多路PWM，看门狗定时器和实时中断定时器等。
2．5　精度高
　　定点DSP芯片字长16位，CALU和累加器32位，浮点DSP芯片字长32位，累加器40位。
2．6　片上串行扫描仿真接口
　　F206芯片具有与IEEE标准1149．1兼容的JTAG扫描逻辑电路，该电路用于仿真和测试。
2．7　FFT执行时间和专用的硬件乘法器
　　FFT运算在数字信号处理中很有代表性，因此运行一个FFT程序所需时间作为DSP芯片运算能力的一个指标。而在一般形式的FIR滤波器中，乘法是 DSP的重要组成部分。对每个滤波器抽头，必须做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，DSP处理器的性能就越高。在一般的通用处理器中，乘法指令是由一系列加法来实现的，因此需要若干个指令周期来完成，相比而言，DSP芯片的特点是有一个专用的硬件乘法器，乘法可在一个指令周期内完成。
2．8　特殊的DSP指令
　　为了适应实时数字信号处理的要求，DSP芯片还设置了一些特殊的指令，如TMS320F206系列的芯片为FIR滤波运算设置了乘法累加器，从硬件上实现了乘法器与累加器的并行工作，从而可以在一个指令周期内完成一次乘法，并将上一次的乘积求和。因此，对于N阶FIR滤波只要N个指令周期就能得到一点输出。另外，DSP还专门设置了硬件数据指针的逆序寻址功能，以加快FFT过程中进行数组逆序寻址运算的速度。
3　系统设计
3．1　基于DSP的双处理器微机保护的优点
　　基于以上分析，硬件的特殊结构及集成电路的优化设计，使得DSP芯片具有很高的运行速度，将DSP芯片作为并行的处理器设计，充分发挥DSP的数字信号处理能力，可缩短整个系统的运行时间。在基于DSP的双处理器微机保护系统中，将控制数据采集部分和执行数据滤波的任务都交给DSP承担，既可以利用 DSP强大的数字运算能力来进行快速、高精度的滤波计算，又可以减轻通用微处理处理器的负担，使其有充分的时间进行高精度的保护运算。
　　由于保护和监控数据采集处理的工作量很大，通用微处理器的数据处理速度达不到要求，在以往的系统中，保护和监控功能都是由两个相互独立的处理器分别实现的。基于DSP的强大数据处理能力，保护和监控的数据采集处理操作由一个DSP处理器完成即可满足要求。从而，用基于DSP的双处理器系统可以构成单机实现保护监控的保护系统，该系统只用一套微处理器系统及相应的数据预处理元件，硬件设计简化，装置体积小，成本低。
3．2　系统软件设计
　　基于DSP构成的微机电容器保护系统，由于DSP处理器的特性和以往的通用处理器不同，计算能力有了很大的提高，使计算过程简化、计算量小不再是评价算法的首要指标，在算法的收敛速度和估计精度方面则提出了更高的要求。
　　基于以上所述，可在保护算法中引入最小二乘法（Least Error Squares），由于LES法的数据窗长度是固定的，而且是非递推的，每个新采样数据进入数据窗都会将最早的采样数据移出窗外，使数据长度不变，而相应的系数矩阵也要进行更新，必须重新求解方程，因此LES法的计算量很大。为了减少计算量，可将LES法改进成递推最小二乘法（Recursive Least Er－ror Squares Algorithm），即RLES法。采用RLES法在增加一个新采样后，仅对原估计值进行某些修正，以满足实时计算的要求。RLES法是变数据窗的，第一个采样数据到来之后就能算出结果，随着数据窗长度的增加，估计的精度逐渐改善。当采样数据远多于待估计的数据时，RLES法的计算量较常规的非递推 LES法的计算量显著减少。
　　基于DSP的双处理器电容器保护系统，DSP与通用处理器各自的软件系统是相对独立的，它们只通过共享存储器实现数据信息的传递转换。
　　DSP以中断方式实现对n路数据的采样，其中断服务程序框图如图1所示。为实现递推计算，DSP所采集的数据采用环形存贮技术存储，环形缓冲区的长度可容纳n个周波的数据。数据处理的内容包括各种电量的计算及标度变换等。而通用处理器则采用多任务操作系统的设计思想，设计了一个微型多任务调度内核，该调度内核将CPU时间资源划分为基本时间片，通过在不同的时间片分配给CPU不同的任务，实现多任务运行机制。
3．3　系统硬件设计
　　在由通用微处理器和DSP组成的双处理器电容器保护系统中，来自TA、TV的信号在经过采样／保持，多路转换，模／数转换后，进入DSP进行处理。该过程中，DSP提供采样脉冲，发多路选通信号和启动模／数转换，对数字信号的数字滤波也由DSP完成。最后，DSP将经过处理的数据传送给通用微处理器。

　　
　　通用微处理器负责对DSP送来的数据按保护算法进行计算，在加以判别后作为控制出口回路的依据，通用微处理器还负责管理人机接口和开关量读入。在系统正常工作时，两处理器只通过共享存储器实现数据的传递和转换。基于DSP的双处理器微机电容器保护系统，其硬件结构采用了一个DSPTMS320F206 芯片和一片80C196单片机做双处理器并行处理的技术，如图2所示，两者通过双端口RAM实现高速数据通信。双端口RAM芯片一般具有两套独立的控制逻辑与数据存取端口，当同时操作同一存贮单元时，片内仲裁逻辑将只允许从一端口进行读写操作，而封锁另一端口。被封锁的端口有BUSY线被拉低，从而使连接在该端口的CPU处于指令保护状态，待BUSY变高后，CPU可继续操作。每次采样，DSP将启动采样／保持，多路开关MUX和A／D转换器，分别将各路模拟通道的模拟信号转换成数字信号，进行各种数字信号处理计算后，将计算结果送入双端口RAM以供读取，双端口RAM负责出口控制操作，还负责管理人机接口的键盘显示器。

4　结论
　　提出的基于DSP芯片的双处理器微机电容器保护系统，充分利用了DSP芯片强大的数字处理能力，使保护的整体运算速度得到提高，同时具有的在线监测手段使得对电容器内部故障能提前获知。该系统符合当前电力系统微机保护快速精确的发展趋势。


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