江苏电机工程 ４０ ２００６年７月 Ｊｉａｎｇｓｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ 第２５卷第４期 基于ＤＳＰ的微机继电保护装置数据采集系统设计 何红军，郭 伟，常 莹 （东南大学电气工程系，江苏南京２１００９６） 摘 要：介绍了一种用于电力系统微机保护装置的数据采集系统，该系统采用数字信号处理器（ＤＳＰ）、复杂可编程 逻辑器件（ＣＰＬＤ）以及高精度模数转换芯片ＭＡＸ１２５为核心芯片，给出了系统硬件结构的主要电路部分及其原理， 并分别介绍了数字信号处理器及模数转换芯片的选择原则及其技术特点。测试结果表明：该系统具有采样速度快、 运算结果精度高、可靠性高、可升级等优点。 关键词：电力系统；数据采集系统；数字信号处理器；复杂可编程逻辑器件 中图分类号：ＴＰ２７４ ．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００９—０６６５（２００６）０４—００４０—０３ 电力系统是一个庞大的、瞬变的多输入输出系 有专门设计的适于数字信号处理的指令系统等．与 统，为了保证其安全运行需要实时地监视各节点的 单片机相比具有更适合数字信号处理的优点。将 运行状况．及时发现电力系统的不正常状态及故障 ＤＳＰ应用于微机继电保护，极大地缩短了数字滤波 状态，并通知运行人员或快速地通过继电保护装置 傅里叶变换算法的计算时间．不但可以完成数据采 进行故障的切除【１］。微处理器、数据采集系统对微 集、信号处理的功能，还可完成以往主要由ＣＰＵ完 机保护的工作性能的提高影响很大．目前电力系统 成的运算，实现独立的继电保护功能。 继电保护设备中最常用的微处理器包括５１系列和 ９６系列等控制型器件。但随着电力系统对实时性、数 １数据采集系统的硬件结构 据量和计算要求的不断提高以及新的保护算法的 图１所示为数据采集系统的硬件结构。在该系 不断出现，这些器件在许多方面，特别是在计算能力 统中，ＤＳＰ片外扩展了２片ＦＬＡＳＨ—ＡＭ２９ＬＶ１６０Ｄ 方面，已不能很好地适应电力系统的要求。因此，数字 作为系统的程序存储器，２片ＩＳ６１ＬＶ５１２１６作为程 信号处理器（ＤＳＰ）逐渐被应用到电力系统中。由于 序运行时的数据存储器，１片ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ— ＤＳＰ采用改进的哈佛总线结构，内部有硬件乘法器、 Ｋ９Ｋ４Ｇ１６ＱＯＭ作为大量重要数据的存储器。采用２ 累加器，使用流水线结构，具有良好的并行特性，并 片ＭＡＸ１２５可同时进行１６路采样，也可进行２次 收稿日期：２００６—０３—２２：修回日期：２００６—０４—２７ ８路同时采样，并且可以２路频率跟踪采样，微机保 ［１２］宋军英．刘涤尘．陈允平．电力系统模糊无功优化的建模及算 学学报，１９９８，３２（１）：１２７—１３０ 法［Ｊ］．电网技术，２００１，２５（３）：２２－２５． ［１３］王平洋．王广生．胡兆平．加快模糊遗传算法的搜索过程［Ｊ］． 作者简介： 电网技术，１９９９．２３（５）：３—７． 郭炜（１９７８一），女，江苏南京人，工程师，从事电力系统变电设计 【１４Ｊ ＳＡＮＴＯＡＯＮＩ．ＴＡＮＯＴ．Ｎｅｕｔｒａ１．ｎｅｔ Ｂａｓｅｄ Ｒｅａ１．ｔｉｍｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ 研究工作： Ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ Ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｏｎ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ【ＪＪ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ 成一峰（１９７７一），男，江苏南京人，政工师，从事电力系统自动化研 ＰｏｗｅｒＤｅｌｉｖｅｒｙ，１９９０，５（１）． 究管理工作。 ［１５］程浩忠．基于遗传算法的电力系统无功优化［Ｊ］．上海交通大 Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｇｅｎｅｔｉｃ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｉｎ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ＧＵＯ Ｗｅｉ，ＣＨＥＮＧ Ｙｉ・ｆｅｎｇ （Ｎａｎｊｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００８，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｇｅｎ￣ｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ（ＧＡ）ｉｓ ａｎ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂｅｉｎｇ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｓｔ ｄｅｃａｄｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｎａｔｕｒａｌ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｒｏｌｅ．Ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ Ｃａｌｌ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｖａｒｉａｂｌｅｓ ａｎｄ ａｖｏｉｄ ｔｈｅ ｌｏｃａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｉｎ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｈｔｅ ｓｉｍｐｌｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ｈｔｅ ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｈｔ ｏｔｈｅｒ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｉｎ ｅｒａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ ｈｔｅ ｕｆｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｄｉｅｒｃｔｉｏｎ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｌｏｔｓ ｏｆ ｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｐａｐｅｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ；ｒｅａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ；ｇｅｎｅｔｉｃ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ 维普资讯 http://www.cqvip.com
何红军等：基于ＤＳＰ的微机继电保护装置数据采集系统设计 ４１ 护装置应用该系统可以很方便地完成系统电压、电 流、频率、功率及相位的测量和计算。 Ａ／Ｄ转换器Ｌ—ｌ缓冲、驱动 （ＭＡＸ１２５）广～ｌ（ＨＣ ２４５） １感器（Ｔｖ）广～ｌ嚣 ｌ至控制ＡＲＭ板Ｉ． １ ＤＳＰ 的双口ＲＡＭ ｌ ｌ（ＴＭＳ ３２０ＶＣ３３） 静态随机存储器（ＳＲＡＭ） “与非”闪存（ＮＡＮＤ ＦＬＡＳＨ） ＤＢ 开关量输出 复杂可编程逻 Ｃ Ｂ 辑器件（ＣＰＬＤ） 开关量输入 （ＸＣ ９５１４４） 图１数据采集系统的硬件结构 该数据采集系统已做成了一个通用模块，软件 作适当改动、采用不同算法后，可应用于不同的系 统。同时，该系统与控制ＣＰＵ板通过双口随机存储 器（ＲＡＭ）进行数据交换，可很方便的进行采样数据 实时显示。 ２系统的主要芯片及原理 ２．１ ＤＳＰ核心控制芯片 ２ 从结构上．ＤＳＰ可分为定点ＤＳＰ和浮点ＤＳＰ， 定点ＤＳＰ和浮点ＤＳＰ在硬件结构上最大区别在数 据存储结构方面，因此使用的场合也不相同。浮点 ＤＳＰ适用于采样频率较高算法相对较复杂的场合， 而定点ＤＳＰ则适用于采样频率比较低及算法相对 简单的场合。用户在选择ＤＳＰ时可从芯片的性能、 运行速度、价格、功耗等方面综合考虑…。本系统选 用了ＴＩ公司３２位浮点芯片ＴＭＳ３２０ＶＣ３３一ｌ５０，运 算速度达７５ ＭＩ／ｓ，硬件资源丰富，内部包含了２块 ２ｋｘ ３２位和２块１６ｋｘ ３２位的快速ＲＡＭ块，６４ ｘ ３２位的Ｃａｃｈｅ可用来存储需要经常使用的代码块， ２个定时器、１个串行口，独立的程序总线，数据总 线和直接数据存储（ＤＭＡ）总线使得取指、读写数据 和ＤＭＡ操作可以并行进行，２４位的地址线使得用 户可以访问多达ｌ６ ＭＢ的存储空间，程序、数据、 Ｉ／Ｏ空间都包含在这个ｌ６ＭＢ的空间中。丰富的指 令系统，使得ＴＭＳ３２０ＶＣ３３—１５０适合于数字信号处 理．因而在电力系统的微机继电保护装置研制中得 到广泛应用 ２．２ Ａ／Ｄ转换芯片 ３， 微机继电保护装置的信号动态范围很大，因此 要求Ａ／Ｄ转换的结果要有足够的精度。目前，国内 生产微机保护的厂家大多采用保护ＣＰＵ外接ｌ６位 Ａ／Ｄ转换芯片的方法来提高数据采集的分辨率和测 量精度。但在实际应用中，ｌ４位逐次逼近式Ａ／Ｄ转 换器即可满足要求，其最大相对误差仅为２．４４％， ｌ４位以上的高位数Ａ／Ｄ转换器对提高精度意义不 大＿５＿６＿。系统选用了ＭＡＸＩＭ公司的ＭＡＸ１２５芯片， 该芯片是内部带同步采样保持器的高速多通道ｌ４ 位数据采集芯片。芯片包括１个ｌ４位、转换时间为 ３ ｓ的逐步逼近型模拟数字转换器，１个＋２．５ Ｖ的 内部电压基准，１个经过缓冲的内部电压基准输入 端，１个内部ｌ６ ＭＨｚ的时钟，一组可同时对４路输 入信号同步采样的采样／保持电路（Ｔ／Ｈ）。ＭＡＸ１２５ 每一个Ｔ／Ｈ前面有１个２选ｌ的转换开关。总共有 ８个输入信号。在默认模式下，４个采样保持放大器 的输出从ｌ通道到４通道依次转换。单一通道转换 时间为３ ｓ，当４个通道全部转换完毕后，将转换 结果存储在芯片内部的４ｘ１４位ＲＡＭ中，并对外部 产生一个中断信号，ＤＳＰ可依次对ＲＤ脚施加读脉 冲以读出内部数据，４次读操作依次读出ＲＡＭ中的 ４个数据字 ２．３交流量采集通道设计 模人板是微机保护装置的重要组成部分，提供 了保护装置所需交流量的输入通道，设计过程中需 考虑信号的测量精度和测量范围等性能指标。图２ 所示为交流采样通道的原理，它由ＴＶ／ＴＡ、运放及外 围电阻电容等元件组成。 换器 图２交流采样通道 运放是在４－５ Ｖ供电条件下。输出电压为－４．１～ ４．１ Ｖ。因此当信号最大量程时，对应的运放输出幅 值应小于４．１ Ｖ，否则运放将发生电压饱和。当互感 器输出电流为，时，运放输出的电压Ｕｏ＝ＩｘＲ】ｘＲｒ／ （Ｒ ＋Ｒ ）（忽略Ｃ 对幅值的影响），为防止运放发生 电压饱和，必须选择合适的Ｒ 、Ｒ 。 ２．４ ＴＭ￥３２０ＶＣ３３与Ａ／Ｄ部分的接口设计 具体设计中，交流模拟量由一次ＴＶ／ＴＡ出来， 再经由本装置的交流变换单元，变为小电压信号后 经由运算放大器ＯＰ０７（将电流量变换成电压量，通 过调节运算放大器的反馈电阻，在输出端得到所要 求的电压输出）接至ＭＡＸ１２５，通过ＴＭＳ３２０ＶＣ３３ 给ＣＰＬＤ发出采样指令，启动ＡＤ转换将装置所需 维普资讯 http://www.cqvip.com
４２ 江苏 电机工程 的模拟量转化为数字量，并将ＭＡＸ１２５内部ＲＡＭ 中的转换结果读出来存储到外扩ＳＲＡＭ中。此时， ＤＳＰ通过可调用程序存储器中的程序对采样的数据 进行处理与计算，其计算结果与存放在电可擦除可 编程只读存储器（ＥＥＰＲＯＭ）中的整定值进行比较， 图４数据采集程序流程 以判别装置是否出口。 ＡＤＣ的启动转换信号和转化完毕后的结果读 ４结论 取信号由ＣＰＵ的读写控制信号和地址总线在ＣＰＬＤ （１）ＤＳＰ的指令执行时间为ｎｓ级，与常用单片 内部综合而成，如图３所示。 机的速度相比快了约２个数量级．而本系统中采用 ＭＡＸ１２５ 了ＤＳＰ作为中央处理芯片．ＴＭＳ３２０ＶＣ３３—１５０典型 （ＤＳＰ ＋——— ＳＮ—＋＿二二－二— ， ＡＶＤＤ 单周期指令执行时间为１３ ｎｓ．从而大大提高了系统 ＶＣ３３） 旦里ＡＧＮＤ 的整体速度。经测试，应用该系统的微机保护装置使 ＣＰＩＤ ＡＶＳＳ ／ＲＷ 三态双向数据 保护性能有了很大的提高。 ／ＰＡＧＥ０ ———■ 总线收发电路 ，Ｓｌ控制Ｉ ＲＥＦＩＮ （２）采用ＣＰＬＤ可减少系统所需芯片的数量， １ＲＢ —— 地址总线驱动ｌ ＲＥＦＯＵＴ 提高系统的集成度．在高速、强电磁干扰等恶劣条件 电 路 ｌ 下，可减少系统受干扰的概率，提高了系统的可靠 ／ＩＮＴ Ｔ０ ＩＩｌ 译逻码辑Ｉｌ性。另外，通过对ＣＰＬＤ的结构和工作方式进行重 ｌ ∞扩展电路ｌ １ｆＮＴ ｌ『『 构，可以很方便地对产品进行升级。 图３ ＴＭＳ３２０ＶＣ３３与Ａ／Ｄ的接口 参考文献： ［１］崔学深，张建华，肖刚．ＤＳＰ技术在电力系统中的应用和硬件 ３电磁兼容性设计及系统软件设计 实现方式［Ｊ］．现代电力，２００２，１９（２）：３６—４２． ［２］ＴＭＳ３２０ＶＣ３３ ＤａｔａＳｈｅｅｔ［Ｍ］．Ｄａｌｌａｓ：Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｉｎｃｏｒ． 由于继电保护装置在现场的应用环境比较恶 ｐｏｒａｔｅｄ，１９９９． 劣，设计中模拟量采用硬件及软件滤波，输入输出通 ［３］ＭＡＸ１２５ＤａｔａＳｈｅｅｔ［Ｍ］．Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ：ＭａｘｉｍＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＰｒｏｄｕｃｔｓ． 道均采用光电隔离及浮动电源技术；工艺设计采用 １９９８． ［４］袁春，袁国洲，喻寿益．ＤＳＰ与ＭＡＸ１２５／１２６在电力参数测 多层电路板、大面积电源和地平面．元件采用表面 量中的应用［Ｊ］．电脑与信息技术，２０００，９（１）：４１—４３． 贴装封装，以适应国家标准Ⅳ级的测试要求。 ［５］李艳丽，李晓明，孙卫华．提高ＤＳＰ芯片数据采集精度的电路 系统软件设计的主要功能是完成数据采集、把 设计方法［Ｊ］．电力系统自动化，２００５，２９（１）：８９—９１． 数据读取到数据存储器、数据分析与处理、数据输 ［６］林涛．大型发电机微机保护装置数据采集与计算精度探讨 出。数据采集的流程为：首先设定ＭＡＸ１２５的工作 ［Ｊ］．中国电力．２０００，３３（６）：６２—６４． 模式．初始化ＤＳＰ芯片上的定时器．设定定时时间间 作者简介： 隔，开ＤＳＰ的中断，启动定时器，如果定时采样周期 何红军（１９７９一），男，安徽怀宁人，硕士研究生，研究方向为发电机 到，就向ＣＰＬＤ发采样命令，启动Ａ／Ｄ转换器，当转 保护与控制： 换完成后ＭＡＸ１２５向ＤＳＰ发出中断请求信号．转入 郭伟（１９７０一），男，江苏南京人，副教授，研究方向为电力系统保 外部中断服务子程序，读取数据，对数据进行分析 护与控制； 常莹（１９８０－），女，河南开封人，硕士研究生，研究方向为电机电 和处理。数据采集系统程序流程如图４所示。 器与控制。 Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ＤＳＰ Ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｉｃｒｏ．ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｒｅｌａｙ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＨＥ Ｈｏｎｇ－ｊｕｎ，ＧＵＯ Ｗｅｉ，ＣＨＡＮＧ Ｙｉｎｇ （ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｄ ｉｎ ｍｉｃｒｏ－ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｉ）ｅｒ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｄｏｐｔｓ ｄｉｇｉａｔｌ ｓｉｇｎａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒｓ（ＤＳＰ），ｃｏｍｐｌｅｘ ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ（ＣＰＬＤ）ａｎｄ ｈｉｇｈ－ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎａｌｏｇ ｔｏ ｄｉｉｇｔａｌ ｃｈｉｐｓ ＭＡＸ１２５ ａｓ ｃｏｒｅ ｃｈｉｐｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｏｆ ｈｔｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｈｔｅｏｒｙ，ａｎｄ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ｏｆ ＤＳＰ ａｎｄ Ａ／Ｄ ｃｈｉｐｓ．Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍｈａｓｍｅｒｉｔｓ ｏｆｒａｐｉｄ ｓａｍｐｌｉｎｇ，ｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ，ｈｉｇｈ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｎｄｕｐｇｒａｄｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ．．ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ；ｄａｔａ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ；ｄｉｇｉａｔｌ ｓｉｎｇａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ；ｃｏｍｐｌｅｘｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ ｌｏｇｉｃ ｄｅｖｉｃｅ
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