1 引言

　　發(fā)電機變壓器組（簡稱發(fā)變組）是電力系統(tǒng)重要的電力設(shè)備之一，尤其是大型機組，運行工況復(fù)雜，配套設(shè)備多，相對事故頻率高，使故障的分析、判斷很困難，要求發(fā)變組保護裝置具有良好的實時性、快速性和穩(wěn)定性。 微機繼電保護技術(shù)日新月異，硬件平臺也從原來的8、16位單片機發(fā)展到現(xiàn)在的16位甚至32位浮點DSP。目前市場上的繼電保護裝置大多采用TI的TMS320系列DSP。近年來Motorola推出的新一代的高性能、低價位的16位定點DSP56800系列，除具有通用DSP的特點外，還兼具單片機的所有功能，片內(nèi)集成了相當容量的Flash，RAM以及豐富的I/O模塊，單芯片便可運行。基于Motorola的DSP56F807的特點，本裝置將其應(yīng)用在繼電保護裝置中，并取得了良好的運行效果，可實現(xiàn)以下保護功能：過電流保護；低壓閉鎖過電流保護；復(fù)合電壓閉鎖過電流保護；低壓記憶過電流保護；定子過負荷告警；負序過負荷告警；過電壓保護；失磁保護；欠電壓保護；低壓過流切換勵磁保護；TA斷線告警；TV斷線告警。

2 裝置特點

　　本裝置是成套的發(fā)變組保護，或獨立的發(fā)電機保護和變壓器保護，保護種類根據(jù)機組容量及配置要求而定。具有以下幾個方面的特點：

● 裝置具有獨立性、完整性、成套性。被保護設(shè)備包括發(fā)電機變壓器組、發(fā)電機、主變壓器、廠用變壓器、備用變壓器、勵磁變及同步調(diào)相機等。
● 保護裝置模塊配置合理，局部出現(xiàn)故障退出運行時，其他保護仍可運行。
● 裝置中不同類型的保護設(shè)有方便的投退功能。
● 裝置具有必要的參數(shù)監(jiān)控功能。
● 裝置具有自動檢測功能。當裝置自檢出元器件損壞時，發(fā)出裝置異常信號，裝置不回因為自身故障原因誤動。
● 裝置設(shè)有自復(fù)位電路，在因干擾而造成程序走死時能通過自復(fù)位電路自動恢復(fù)正常工作。
● 裝置各保護軟件在任何情況下都不互相影響。
● 為了提高保護裝置的可靠性，設(shè)有專門的啟動CPU。
● 裝置具有獨立的內(nèi)部時鐘，其誤差每24h不超過5s，提供外部時鐘同步接口。

3 硬件方案
　　
　　整個裝置主要由中央處理單元（DSP）、人機接口單元和數(shù)據(jù)采集單元組成，中央處理單元采用DSP56F807，主要完成數(shù)據(jù)的處理、判據(jù)的實現(xiàn)和保護出口等；數(shù)據(jù)采集單元采用MAX125，實現(xiàn)對18路模擬量的實時同步采集；人機接口單元主要完成鍵盤響應(yīng)、菜單操作、液晶顯示、信號指示，并與DSP及后臺計算機進行通訊等功能。硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)核心采用3塊CPU方案，1號CPU負責主保護、2號CPU負責后備保護、3號CPU為啟動CPU，主要負責主保護和部分后備保護的啟動判斷。正常情況下，啟動CPU負責啟動判斷，2、3號負責出口判斷，但在啟動CPU發(fā)生故障時，2、3號CPU本身完成啟動與出口判斷功能。另外啟動CPU與其他兩塊CPU采用不同的算法和判據(jù)，以保證整個裝置的正確動作，降低誤動、拒動發(fā)生的可能，各CPU還提供自檢和互檢功能。

3.1 DSP56F807的特點

　　DSP56F807是Motorola推出的高性能、低價格16位定點DSP56800系列中的一種，它兼具高效率數(shù)字信號處理能力和MCU的實時控制能力。此系列DSP采用56800 Hawk V1內(nèi)核，該內(nèi)核的特點如下：

● 雙哈佛結(jié)構(gòu)，支持并行處理；
● 在80MHz的時鐘頻率可達到40兆條指令/s(MIPS)的指令執(zhí)行速度；
● 單指令周期可以完成16×16位的并行乘－加運算；
● 支持15種不同的尋址方式；
● 支持位操作；
● 支持硬件DO和REP循環(huán)指令；
● 支持可由用戶定義的多級中斷優(yōu)先級；
● 支持軟件子程序，中斷堆棧空間僅局限于存儲器的空間大小；
● 具有兩個帶有擴展位的36位累加器；
● 支持DSP和MCU兩種風格的指令系統(tǒng)；
● 具有3條內(nèi)部地址總線和1條外部地址總線；
● 具有4條內(nèi)部數(shù)據(jù)總線和1條外部數(shù)據(jù)總線；
● JTAG調(diào)試接口。

　　設(shè)計中選用DSP56F807數(shù)字信號處理器，主要的原因是它與其他的通用DSP相比具有更豐富的I/O口和多種外圍設(shè)備以及豐富的存儲單元，它在單一的DSP芯片上集成了通用的I/O模塊GPIO(可用GPIO引腳32根)、2個異步通訊模塊SCI、1個同步串行外設(shè)模塊SPI、1個控制器局域網(wǎng)CAN2.0B、4×4路A/D變換模塊、用于各類電機控制的多路脈沖寬度調(diào)制6通道PWM模塊、4個定時器模塊Timer等外設(shè)模塊，實現(xiàn)了完全的單片化。應(yīng)用中采用靈活的設(shè)計方法，根據(jù)實際控制的要求，某些模塊被當作簡單的I/O使用。另外，它的片內(nèi)程序Flash 60K、程序RAM 2K、數(shù)據(jù)Flash 8K、數(shù)據(jù)RAM 4K，引導(dǎo)Flash 2K，在本裝置應(yīng)用中完全實現(xiàn)了總線不出芯片的設(shè)計思路。片外除了兩片MAX125，沒有其他任何功能模塊，使得裝置整體運行具有極高的可靠性和穩(wěn)定性。

3.2 A/D單元簡介

　　該系統(tǒng)采用Maxim的單片4通道14bit A/D轉(zhuǎn)換器MAX125來實現(xiàn)對18路模擬信號的采集。它是內(nèi)部帶用同步采樣保持器的高速多通道14位數(shù)據(jù)采集芯片，芯片內(nèi)部包含一個14位、轉(zhuǎn)換時間為3us的逐次逼近型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，一個+2.5V的內(nèi)部電壓基準，一個經(jīng)過緩沖的內(nèi)部基準輸入端，一個內(nèi)部16MHz的時鐘，一組可以同時對4路輸入信號同步采樣/保持電路。MAX125每一個采集/保持電路(T/H)前面有一個2選1的轉(zhuǎn)換開關(guān)，共可有8個輸入信號。而且MAX125的總線電平和DSP56F807的完全一致，故不需加任何總線電平轉(zhuǎn)換芯片。 另外采集模塊還設(shè)計了自檢電路，可實現(xiàn)對MAX125的實時監(jiān)控，一旦芯片發(fā)生故障，便開出告警信號。

4 軟件方案

　　該保護裝置是成套的發(fā)變組保護，或獨立的發(fā)電機保護和變壓器保護，保護種類根據(jù)機組容量及配置要求而定，分布在三個CPU系統(tǒng)中。各CPU系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計方法，它主要采用三大模塊：系統(tǒng)主程序、初始化程序和采樣中斷處理程序。采用C語言和匯編語言混合編程方式，數(shù)據(jù)格式采用自定義的浮點格式，在定點DSP中模擬浮點運算，具有很高的運算精度。系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

⑴ 系統(tǒng)主程序主要完成各判據(jù)的實現(xiàn)及出口信號的輸出；各電流、電壓、頻率、有功和無功等電量的計算。它主要包括正常處理循環(huán)和故障處理循環(huán)兩大部分。

● 正常處理循環(huán)：告警判斷、故障啟動判斷；
● 故障處理循環(huán)：告警判斷、故障出口判斷。

⑵ 初始化程序完成必要的初始化，并對裝置進行全面的檢查、測試、整定等；初始化內(nèi)容包括CPU內(nèi)部特殊功能寄存器、口線功能初始化；A/D初始化；報告區(qū)、各標志位、計數(shù)器初始化；開出初始化等。

⑶ 采樣中斷處理程序主要完成采樣數(shù)據(jù)及濾波、采樣指針更新；面板復(fù)歸信號處理；軟件時鐘及保護用計時器計時。