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摘要：隨著現場對高壓微機保護裝置性能要求的不斷提高，以及軟、硬件技術發展的自身需要，在總結和繼承微機保護裝置成功經驗的基礎上，設計開發了運算DSP加邏輯MPU控制單元的新型硬件平臺系統。該系統充分發揮了DSP運算能力強和MPU邏輯功能強、外圍資源豐富等各自優點，且采用大容量外圍存儲芯片，從而保證了高壓保護裝置實現高速采樣、實時并行計算、程序面向對象模塊化編程、故障處理報告詳細全程跟蹤、采用復雜先進保護原理等功能，并且具有足夠的硬件資源冗余度。本文詳細介紹了該硬件平臺的系統設計思想、技術特點和工作原理，最后介紹了基于此硬件平臺實現高壓微機線路保護的應用實例。

關鍵詞：微機保護；硬件平臺

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1引言

目前，微機保護產品在繼承常規保護成熟的技術原理的基礎上，其智能化的特點日益突出，這不僅更好地滿足了電力系統對可靠性和安全性的要求，而且為保護的測試試驗和現場維護帶來了更多的便利，因此，智能化微機保護產品在電力系統中得到了廣泛的應用。按照文獻[4]的劃分，微機保護裝置經歷了三代的發展，許多傳統保護中無法實現的新技術在目前的數字保護裝置中得以成功的應用。盡管如此，隨著電力系統對微機保護裝置性能的要求不斷提高、保護原理和算法的研究和發展、硬件產品技術的進步，以及微機保護運行環境的更為復雜和嚴酷，研究設計新型的、高可靠的硬件平臺系統成為當務之急；硬件平臺系統作為保護原理的載體和實現繼電保護全部功能的基礎，其研制和開發必將推動繼電保護領域整體技術水平的提高，從而為國家電力系統智能化建設作出重要貢獻。

我們在分析和吸收國內外同行廠家微機保護裝置先進技術和經驗的基礎上，研制開發了一套適用于高壓保護裝置的硬件平臺系統，該系統采用DSP（TMS320C32）+MPU（MC68332）系統結構，兩者通過雙口RAM來交互協同工作。本文將系統地闡述此平臺的設計思想、整體結構、組織原理，并介紹了所選運算DSP和邏輯MPU芯片的特點。最后通過實例：基于此硬件平臺開發的高壓線路保護裝置的試驗及動模情況，說明了此平臺的先進性。

2硬件平臺總體設計

2.1整體平臺系統結構

高壓保護裝置一般都采用多保護板加通訊處理板模式，通過內部通訊網來聯系各板信息。隨著時代、技術等方面的不斷發展，保護功能要求越來越高，保護原理越來越完善，同時為便于事故后分析，報告、故障電量等信息要求越來越詳細，以求確切地感知不同階段保護中各模塊的響應行為。上述種種原因決定了目前各有功能傾向的單CPU結構不能很好地滿足實際需求，鑒于此我們設計了雙CPU（DSP+MPU）結構，系統圖如圖1所示。

硬件平臺系統主要包括兩部分：基于TMS320C32的運算處理單元和基于MC68332的邏輯控制單元。運算處理單元任務定位于模擬量數據采集、數據處理、功能模塊運算等功能；邏輯控制單元定位于保護邏輯判斷、開入量檢測、開出控制，以及監控等功能。采用這種MPU+DSP結構，充分利用了DSP適于數據處理優點的同時，也充分發揮了MPU豐富的I/O引腳、較強的邏輯處理能力，以及強大的通訊處理功能。

圖1硬件平臺系統結構

2.1.1運算單元區設計方案

運算單元區主要由TMS320C32、RAM、FLASH、A/D、EPLD等器件構成。此區核心器件TMS320C32芯片為TMS320C3X系列中的一款，是TI公司1995年推出的32位浮點型DSP。該芯片內部采用哈佛結構、流水線操作、特殊的并行指令、專用的硬件乘法器等適宜于數據運算的設計，這種特殊的硬件結構使得TMS320C32的處理能力達到60MFLOPS/30MIPS(每秒60兆次浮點運算或30兆條指令)。它采用增強型存儲器接口，并具有靈活的數據/地址總線，可充分利用存儲空間，增加了設計的靈活性，簡化了電路設計。

運算單元區的模數轉換部分采用MAXIM公司生產的14位逐次逼近型、2×4通道、帶采樣保持器的A/D芯片。改變了原來的多路開關切換的方式，減小了各模擬量之間不同步性。此單元區的譯碼、AD定時轉換啟動等功能完全由可編程邏輯器件EPM7128實現，這樣既簡化了印制版的設計，提高了電路設計的靈活性，又簡化了程序軟件的邏輯設計。從而在保證采樣高可靠性的同時，節省了DSP的處理時間。

2.1.2邏輯控制單元區設計方案

邏輯控制單元區主要由MC68332、RAM、FLASH、EEPROM、EPLD、秒脈沖對鐘電路、標準232維護口、開入開出電路，以及通信電路構成。此區核心器件MC68332是由MOTOROLA公司生產的32位微處理器，它采用HCMOS技術和精簡的指令系統計算機（RISC）技術，數據處理能力達32位，因而具有較高的執行速度、較高的穩定性和很強的邏輯處理能力。軟件看門狗、豐富的I/O口、可掉電保持的2K片上RAM、QSPI等豐富的控制功能使MC68332是一款非常適合控制領域的高性能芯片。

邏輯控制單元區的開出電路由EPLD和光電隔離器構成。通信電路由UART芯片及EPLD硬件設計的HDL協議構成的FDK_BUS（本公司自主開發的一種局域總線)板間通信網絡。秒脈沖對鐘電路利用TPU口檢測秒脈沖的觸發沿獲得GPS秒脈沖，保證了板級對鐘精度，為系統的故障分析提供了統一的時鐘。FLASH用于保存程序代碼，EEPROM用于保存定值、程序的CRC校驗碼、故障報告、擾動數據和裝置的事件記錄等。標準232維護口為程序調試提供了方便。

2.2系統實現原理

采用這種DSP+MPU的平臺系統結構，按照設計的功能分工：DSP來完成數據處理運算，如：數字濾波、相量計算、故障分量提取等，以及保護功能相對獨立模塊的處理，如：六個阻抗的計算、各序量方向元件計算、各阻抗區域判別等；而MPU來完成電力系統的狀態檢測，根據不同的狀態，按照保護邏輯方案來組織運算單元的計算結果以及開入量等，最終根據邏輯結果作相應控制，另外此單元區還實現所有的監控功能。兩CPU相對獨立，同時兩者相互監視是否正常運行；兩者之間唯一的聯絡方式通過雙口RAM來完成。由此有機地組成一個功能分布、協同運行的整體系統。

系統具體的組織方式為：運算單元區A/D所有通道轉換完成后以中斷方式激發DSP采樣中斷，DSP響應外部中斷用DMA的方式讀走原始采樣數據；DSP在獲得采樣數據后，將采樣數據精加工，并利用最新數據運算所有的功能模塊，然后將采樣數據、加工后數據，以及各模塊接口信息放到雙端口RAM中；運算處理單元通過郵箱機制，使雙端口RAM在對側產生一個中斷電平通知邏輯控制單元；邏輯控制單元在響應外部中斷電平后，將雙端口RAM中信息讀出，置于自身數據區域中；最后邏輯控制單元采用最新數據執行所有的邏輯控制。

通過這樣的平臺設計和任務分配，在大幅度提高采樣頻率的同時，能夠保證保護軟件功能在一個采樣間隔執行一遍，從而真正實現了電力系統狀態的實時檢測，最終提高了保護裝置的整體性能。

3平臺在高壓線路保護中的應用

此硬件平臺系統豐富的硬件資源和冗余設計符合當今各保護裝置硬件平臺統一的設計思想，滿足于各種高壓保護產品開發。為檢測此平臺系統的可行性，以及其各方面的性能指標，我們以高壓線路保護裝置（DF3621）的實際開發經歷來加以說明。

DF3621適用于220kV~500kV輸電線路，包括縱聯距離構成的全線速動主保護，三段式相間距離和接地距離及四段靈敏段和兩段不靈敏段的零序方向保護構成的后備保護，并可配備綜合自動重合閘功能。在硬件分配上具有創新特色：

整套裝置保護采用兩塊完全一樣的保護插件I和II雙重配置，即主、后備保護集成于一體。重合閘采用單獨保護插件III來實現。這樣配置既保證了現有高壓線路保護裝置中的啟動采用三取二方式的優點，又能夠保證最大程度上的熱備用，即使插件I和II之一因故退出后，仍具備完整的保護功能。

由于硬件平臺運算能力的極大提高

，以及外圍存儲器件空間的富裕，DF3621采用面向對象模塊化編程，對各功能子模塊實行封裝，邏輯控制MPU僅能訪問模塊的接口信息，確保了整體可靠性。為提高裝置對系統狀態實時檢測能力，以及滿足某些智能算法和邏輯控制的要求，裝置模擬通道采用2000Hz的采樣速率。另外，為了便于分析保護的動作行為，保護故障處理程序采用透明化報告機制，能夠實現各功能模塊的狀態跟蹤，為故障后保護動作行為分析提供了有利信息。

此線路保護裝置已經順利通過電磁兼容測試，RTDS數字動模和傳統動模測試，表明此硬件平臺系統的各項指標能夠滿足于高壓保護裝置的要求。

4結語

本文提出了一套適合于高壓保護裝置的新型的運算單元加邏輯控制單元的硬件平臺系統，該系統既充分發揮了DSP適于各種數據處理的功能，又充分發揮MPU豐富的I/O引腳和強大邏輯控制能力的特點，為保護產品模塊化設計、采用高級語言，以及引入實時操作系統提供了必要的硬件基礎。本文就此平臺系統的設計思想、各功能區部件的選擇和實現，以及整體組織方式給予了詳細闡述，并在此基礎上給出了此平臺的應用實例。

總結微機保護裝置開發、設計的成功經驗，我們深刻感受到，適應時代、技術等方面不斷發展的需求，在繼承傳統產品優點的基礎上，研制和開發新型的硬件平臺系統是必要的。在保證可靠性、快速性、穩定性等原則的前提下，提供更豐富的硬件資源，使保護裝置開發中的先進保護原理以及更高要求的實現不再受硬件條件的限制、滿足各種保護裝置的開發、為維護和升級提供了極大便利。

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NewDigitalHVProtectionHardwarePlatformDesign

Abstract:Withthedevelopmentofhardwareandsoftwaretechnology,thecapabilityofDigitalHVProtectionhasbeenimprovedeffectively.Onthebasisofsuccessfulexperiencesontraditionalrelayprotection,wedesignedanewhardwareplatformsystemofDSP&MPU.Thissystemimprovedthecharacteristicofcalculatingabilityandlogicalfunction,abundantperipheralsource,withCMOSchipsoflargecapabilityadopted,SoastoensuretheDigitalHVProtectioninhigh-speed&realtimecalculating,modulprogramming,faultprocessingreportandcomplicatedprotectionprinciple,withsufficienthardwaresourceredundance.Thisarticleintroducedthedesignidea,technologycharacter,andworkingprincipleofsuchhardwareplatform,aswellasaconcretexample.

Keywords:relayprotection;platformofhardware