摘  要: 傳統電力線路微機保護中，大多采用低位單片機，其處理數據能力較低，已不能滿足保護可靠性、靈敏性要求。以DSP+FPGA為核心的控制模式，設計了線路保護裝置，可以提高系統運算及處理能力，并且具有與上位機通信的功能，能夠滿足微機線路保護要求。
關鍵詞： DSP； 線路保護； 人機對話； SCI

    電力線路運行中，常見故障是相間短路及接地短路。故障一旦發生，必須迅速而有選擇性地切除故障元件，以保護線路安全，這就需要微機線路保護裝置采集電網大量數據進行計算和判定。目前許多保護裝置CPU多為低位單片機，速度較慢，而數字信號處理器（DSP）具有強大的數據處理能力和多通道采樣能力，故取代現有裝置為大勢所趨。本文給出了以TMS320F2812 DSP+FPGA為控制核心的微機線路保護系統，并輔以人機交換模塊來實現對線路的保護[1]。
1 系統組成及工作原理
    系統以TMS320F2812 DSP為控制核心元件，并輔以一片Xlinx公司XC3S400型FPGA作為邏輯控制，FPGA控制系統輸出D/A轉換及開關量，這樣可以節約DSP資源。系統外圍設備由四部分組成[2]：
    (1)故障信號采集及開關量輸入，系統采集電網A、B、C以及零序電壓和電流共8路信號進行運算和處理；DSPF2812內部自帶12 bit單精度A/D轉換器，故不需要外擴A/D芯片。
    (2)模擬信號輸出及繼電器跳閘輸出，系統采用具有16 bit轉換精度DAC8532進行D/A轉換，輸出模擬信號;同時,經過ISO124芯片隔離輸出跳閘等開關信號。
    (3)人機接口部分，系統采用SMG12864ZK液晶顯示屏作為人機接口輸出設備,鍵盤作為輸入設備。
    (4)SCI通信接口,應用DSP自帶SCIA接口和MAX232芯片,與上位機進行串口通信。 由于系統共需要1.8 V、3.3 V和5 V三個電壓等級,系統采用了TPS73HD318電源芯片來實現給系統供電。系統框圖如圖1所示。

2 外圍硬件模塊設計
    本系統采用DSP+FPGA控制模式。TMS320F2812是一款高性能32 bit DSP，廣泛應用于控制領域，主頻達到150 MHz（6.67 ns）,可以滿足DSP對外部電網信號計算和處理速度的要求，并且內部提供128 KB Flash存儲模塊。通過使用FPGA控制DAC模塊和GPIO輸出模塊，可以節約DSP資源，減少DSP控制外圍器件所消耗的時間，提高系統性能。外圍電路分為信號采集電路、輸出電路、人機對話單元和通訊單元。
2.1 信號采集電路設計
    通過TA/TV采集電網實時A/B/C及零序電流、電壓、相位角等電網信息，采集后電流、電壓信號均為交流信號， 而DSP中12 bit精度(可滿足保護10 P精度要求)A/D轉換器為單極性，必須對所采集交流信號進行調制，方可使用。在調制電路前需經過I/V電路把電流信號轉為電壓信號，送入信號調制電路，該調制電路分為濾波電路、偏置電路和反相電路，如圖2所示。通過調整電路參數可以改變系統偏置電壓大小，使調制后直流信號嵌位于滿足F2812參考電壓0~3 V之間[3]。

    在實際應用中，由于外圍電路精度不夠，在實際中采用CJ431電路產生電壓基準對所采電壓信號進行校準，從而提高系統轉換精度，能夠精確地為DSP提供實時電網信號，從而進行邏輯判斷實現保護電網功能。
   系統開關量通過鍵盤來輸入，由5個薄膜按鍵及控制電路組成，分別控制畫面切換、畫面中行列切換和確定鍵，用于對保護參數整定和故障查詢操作。
2.2 輸出電路設計
   系統輸出開關量用作保護裝置跳閘及指示斷路器跳合位置等信息，通過DSP和FPGA來控制GPIO實現，輸出開關量時經過隔離才能輸出使其跳閘。
    當系統輸入電流大于設定的定值時，GPIOA3輸出電壓3.3 V高電平，通過限流電阻加到三極管基極，從而導通三極管，使得三極管發射極和集電極等電位、電壓同時變為低電平。加在中間繼電器K1線圈上的電壓為額定導通電壓。系統回路導通，從而斷開負載。如果中間繼電器的常閉觸點上接的是系統的跳閘線圈，就可以實現系統的跳閘，斷開故障電路，保護電網的安全運行[4]。
2.3 人機對話單元設計
    人機交互單元液晶顯示和鍵盤來實現，液晶顯示采用了長沙太陽人公司SMG12864ZK液晶模塊，通過液晶模塊可以實時顯示系統工作狀態和電路參數以及事件記錄等信息，該系統所需5 V電源通過TPS73HD318來供給。該模塊只需11根GPIO來進行控制（8根數據線+片選+讀信號+寫信號），并不需要花費太多DSP中GPIO資源。鍵盤由5個薄膜按鍵及控制電路組成，用于參數整定和查詢。
2.4 通信單元設計
    裝置預留了上位機或其他設備間的串口通信，采用DSP外設中SCI兩個模塊中的SCIA模塊，通過與上位機連接可以進行上位機實時的電網信息讀取并對故障信息進行查詢，同時可以通過上位機對保護定值進行整定。
3 系統軟件設計
    軟件設計采用了TI公司CCS3.1編程軟件進行編制，系統軟件采用模塊化編程思想，主程序主要對系統和PIE進行初始化及調用子程序以及循環[5]。
    子程序主要分為A/D轉換子程序、跳閘子程序及人機接口和SCI子程序三部分。
3.1主程序
    系統編程采用模塊化思想，主程序可以實現系統的初始化以及PIE中斷的初始化和控制，且可以調用子程序和循環。具體流程如圖3所示。

3.2子程序
3.2.1 A/D轉換子程序
　    系統采樣信號精度直接影響著系統動作的可靠性，為了提高轉換的精度，系統每個周期采樣72個點，使其誤差控制在±2.5°的范圍內。通過設置F2812內部自帶事件管理器的T1進行周期匹配來觸發A/D轉換。同時加入A/D轉換兩路校驗基準電路CJ431轉換結果對系統采回結果進行校驗，從而滿足繼電保護準確性要求[6]。
　　圖4為AD轉換流程圖。其轉換結果如下，設結果寄存器轉換數字為X，輸入模擬電壓為UA0，則轉換結果X為式(1)所示。
  

3.2.2 跳閘子程序
    為了設定保護定值，首先讀取ADCRESULT寄存器中轉換結果Ｘ。
    當速斷值≤Ｘ，GPIO輸出有效，保護裝置動作，輸出速斷跳閘。
    當限時速斷≤Ｘ≤速斷值，延時t=0.5 s，GPIO輸出有效，保護裝置動作，輸出限時速斷跳閘。
    當過流≤Ｘ≤限時速斷，延時t=1 s，GPIO輸出有效，保護裝置動作，輸出過流跳閘。
    當≤Ｘ過流定值， GPIO輸出無效，保護裝置運行正常。子程序流程圖如圖5所示。

3.2.3 人機接口及SCI子程序

    人機接口程序類似F2812中XINTF對外訪問過程，本系統采用并行通信方式進行通信，具體顯示過程如下：片選信號GPIOB2（RS）有效后，讀寫信號GPIOB0(R/W)變為低有效，并行使能信號GPIOB1(E)變為高有效，數據線D0～D7數據變為有效，對液晶屏寫數據，同時調用字庫，顯示相關內容。
    SCI通信過程如下，首先通過對GPIOMUXF4和GPIOMUXF5分別設置為專用TX和RX功能，數據格式采用空閑模式進行傳輸，以此提高其傳輸效率；采用增強型SCIFIFO，可以SCI通信時緩沖深度。
    為了使實驗結果具有模擬真實電網的效果，試驗時采用1.2 kW吹風機作為感性負載，當保護測試儀輸入模擬量改變時，可模擬線路三段保護。同時,在液晶顯示中可以查詢跳閘原因。本文所設計的DSP+FPGA 結構微機線路保護裝置, 經過多次實驗表明, 該系統運行穩定可靠, 可完成大多數常用的保護功能,能夠達到線路保護可靠性、靈敏性和速動性的基本要求。
參考文獻
[1] 鮑雅萍，李曉紅.基于DSP技術的新型微機線路保護裝置[J].電力自動化設備,2007，27(9):107-109.
[2] 萬山明. TMS320F2812xDSP原理及應用實例[M]. 北京:北京航空航天大學出版社, 2007.
[3] 孫肖子.電子設計指南[M].北京：高等教育出版社,2006.
[4] 賀家李. 電力系統繼電保護原理[M]. 北京:中國電力出版社, 2000.
[5] 孫麗明. TMS320F2812原理及其C語言程序開發[M].北京:清華大學出版社, 2008.
[6] 周蕓,楊獎利,路青起.基于TMS320F2812的線路保護系統[J].高壓電器, 2005,41(4):289-291.