基于DSP的数字综合保护控制装置的研制

摘要：提出了一种基于32位高性能DSP芯片TMS320F2808的数字综合保护控制装置的软硬件设计方案。可以实现110kv电压等级以下的线路、变压器、电容器、电动机等回路和设备的多种保护功能。

关键词：DSP；数字综合保护控制装置

中图分类号：F49文献标识码：A文章编号：1672-3198（2012）19-0170-01

0引言

与传统的继电保护装置相比，微机保护装置由于其在性能和可维护性方面的优势得到了越来越广泛的应用。然而，由于应用到现场的微机保护装置种类繁多，功能各异，使装置的软硬件结构日趋复杂，不可避免的带来一些诸如装置可靠性，实用性，制造成本等方面的问题，给用户的维护和掌握增加了诸多不便。因此，尽可能的减少非标准化的补丁设计，减少后续开发维护的工作量，研制一种结构尽可能简单可靠，功能满足大部分用户要求的突出其实用性的保护装置成为大势所趋。

本文采用TI公司32位高性能的DSP芯片——TMS320F2808，设计了可以满足电力系统各种保护装置的最常用的功能的数字综合保护控制装置。在硬件设计上尽量简练可靠，更多的工作交由软件实现，采用了保护元件可编程的方法，使装置能够适用于110kv电压等级以下的线路、变压器、电容器、电动机等回路和设备的保护；装置结构采用模块化设计；在DSP上嵌入了一个实时操作系统平台；程序语言主要采用C语言，少量代码用汇编语言来实现。完成了人机接口设计，通过按键对装置进行操作，指示灯能指示出装置各种运行状态，液晶显示器LCD通过“图元”文件的方式绘制要显示的内容，可以显示一次系统图等。

1保护元件可编程机制

本装置采用面向对象的设计思想，实现系统可编程和多层次编程模式(元件级－工程级－用户级)，采用“主保护元件”和“子保护元件”组合机制，提供32×6种保护元件类型供选择，用户可以根据实际需要，通过键盘设定保护类型，为装置的功能扩展奠定了良好的基础，使装置可以满足不同类型的设备、回路的要求和变化。

2硬件系统设计

本装置采用TMS320F2808作为核心控制器，充分利用了DSP的速度和丰富的内部资源，为了使本装置能适应广泛的使用范围，在硬件上采用了模块化设计。

装置共由七大模块组成：

(1)DSP的最小系统为整个微机保护装置的核心。主要功能为依据一定的算法和逻辑判断对采集到的数据进行实时分析处理，并根据处理结果完成输出控制功能。

(2)交流采样模块完成保护单元对模拟信号的采样保持、模数转换等功能。本装置需对16个通道(包括10个交流量，6个按键以节省有限的I/O)进行A/D采样和转换，其中包括测量电压、测量电流和保护电流。

(3)开关量模块共有8个开关输入量，4个开关输出量。开关量为数字信号，由DSP通过I/O口输入输出。

(4)本系统配有人机接口。人机对话模块包括系统接受用户输入的硬件设备键盘和向用户反馈信息的显示屏和指示灯。本装置采用128×64点的图形液晶显示器。为节省DSP有限的I/O口，采用HC164将液晶和指示灯与DSP连接起来，只需5个I/O口即可。

(5)为使硬件结构简练紧凑，本装置采用模块电源，输入电压220V(交直流)，输出电压为＋5V。5V电压贯穿整个电路：通过数字电源芯片TPS73HD318产生1.8V和3.3V数字电压，分别提供给DSP内核、DSPIO模块，光电隔离器、液晶和运算放大器等器件；通过LM317产生3V模拟电压，给A/D转换模块提供模拟电压；给输出继电器供电。数字电源和模拟电源分开，使系统具有良好的抗干扰性能。

(6)采用光耦电路来模拟RS－485通讯模块，简单可靠。

(7)实时时钟模块采用DS1302时钟芯片，为系统提供时间标准，便于事件记录。采用三线接口与MCU进行同步通讯，占用CPU的I/O口线少，体积小，使用灵活，可用纽扣电池供电，使装置掉电时间不丢失。

3硬件抗干扰措施

微机继电保护装置应用于现场时，要求具有较好的抗干扰能力和较高的稳定性。本装置硬件设计中主要采取了以下抗干扰措施：采用模块电源，并在电源入口处增设阻容滤波器和磁珠来防止外部干扰的侵入；把X5043的看门狗输出引脚接到DSP的复位端，使DSP在死机时能够及时复位，使程序重新开始工作；对于开关量输入输出电路，采用了光电耦合器对以强电形式输入的信号进行了绝缘隔离传输的方法来抑制各种干扰和防止与强电相连；为增强模拟通道的抗干扰能力，在互感器一次侧加了高频性能好的瓷片电容以不同的接线方式抑制共模和差模信号；在结构布局上，数字电路、模拟电路、大电流器件和噪声源器件(如继电器等)分开放置。对于频率很高的CPU时钟电路，尽量靠近管脚放置，使时钟线尽量短。模拟部分和数字部分应采用分离的电源系统和接地系统。模拟部分接地采用单点接地法，即每个电压电流通道自成系统，有各自的电源线和地线。电源线和地线最后连接到装置的电源端，减小公共接地元件接地阻抗不同造成各模拟信号之间的耦合；在装置的数字电路中配置了去耦电容等。

4结束语

目前，装置已通过检测，在现场得到了应用。今后应对装置做进一步的跟踪，收集现场使用中的各种问题，以便对装置的性能进行进一步的完善和提高。