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【摘要】本文设计了一个基于DSP的变压器微机继电保护装置。为了满足实时反映并处理故障的要求，设计中采用了具有快速处理能力的DSP芯片作为核心CPU，并配置了CAN总线连接口和RS485串行通信口以满足电力系统网络化管理的需要，这些由单片机控制完成。本文从功能配置，电气量输入，硬件结构，保护算法等方面对变压器保护的方案进行了设计。
【关键词】多CPU的结构方式，微机继电保护，DSP
所谓多CPU的结构方式就是在一套微机保护装置中，按功能配置有多个CPU模块，分别完成不同原理的主保护和后备保护及人机接口等功能。这种多CPU结构方式的保护装置，如有任何一个模块损坏，均不影响其他模块保护的正常工作，有效地提高了装置的容错水平，防止了一般性硬件损坏而闭锁整套保护。多CPU结构的保护装置还提供了采取三取二保护启动方式，提高了保护装置启动的可靠性。另外还配置了一块带CPU管理模块，负责对保护（CPU）模块巡检、人机对话、监控系统、通信联络等功能。
多CPU结构中某一种保护的工作原理同单CPU结构的保护基本相同。多CPU结构的保护装置中，每个保护CPU插件都可以独立工作，各保护之间不存在依赖关系。保护CPU的完整性和独立性提高了保护的可靠性。多CPU结构的保护装置，实质上是主从分布式的微机工控系统，人机接口部分是主机，完成集中管理及人机对话的任务。而单片机保护部分是四个智能从机，它们分别独立完成部分保护任务。
单片机（CPU2）用来处理人机接口问题，实现键盘输入和通信功能; CT采集变压器各侧的电流值，用于差动保护及零序电流保护各参数的计算;PT采集后备保护侧的电压值，用于后备保护中零序电压保护判断参数的计算;系统运行时，通过计算处理CT/PT采集量，结合开关输入量（继电器的状态量）和控制字，作出相应保护判断，驱动相应继电器动并（或）发出报警信号，并记录下保护动作事件，以备故障分析用;人机接口部分的串口RS485和CAN通信口是为了满足变电站自动化系统的需要，可以与其他设备构成一个大型的网络。为了提高系统的集成度，采用CPLD完成CPU的外围电路设计。
为了满足变压器保护实时性的要求，数据处理部分的CPU采用DSP来完成，这里选用TI公司的TMS320F206。人机接口模块部分的CPU采用Winbond公司的单片机W78E51BP（带4个中断源，可实现CAN， RS485的接收中断和键盘中断处理），实现对键盘、显示及通信端口的控制。为了提高DSP处理数据的实时性，不用DSP的片上外设CAN控制器，而改用外置的CAN控制器SJAl000。为了满足保护装置对保护精度要求，采用AD公司的14位高精度AD转换器AD7865，A本装置选用AD7865-2型号。对于DSP的外部存储器的选择要考虑其存放读取时间与DSP的指令时间相匹配，这样可以提高DSP的实时处理能力，否则就要插入等待周期，影响DSP的实时运算处理效率。这里DSP的外部外扩RAM采用Cypress公司的CY7C1021，它是一款高速64KX16位的Static RAM，采用CMOS制造工艺，+5V供电，存储读取时间只要12ns，完全符合DSP指令读取时间的需要。单片机W78E51BP的外扩存储器采用Winbond公司的W24257，这也是一款高速32KX8位的CMOS静态RAM，采用+5V电压供电，最快存储时间达70ns。
为了提高系统的集成度，减少外部环境的干扰，系统设计时采用CPLD来完成外部逻辑功能。这里选用Altera公司的CPLD MAX7000E系列的EPM7128EQC100-7来满足CPU的外围电路设计需要。MAX7000系列器件结构主要由高性能、非常灵活的逻辑阵列模块（通常称为逻辑阵列列块，LAB）互连而成。每个LAB由16个宏单元阵列组成，多个LAB之间通过可编程连线阵列（PIA）和全局总线连接在一起，全局总线由专用输入、I/O引脚和宏单元反馈给信号。
微机保护装置的交流输入主要是将输入的模拟电流、电压量经过电压形成与低通滤波变换后，全部转换为弱电压信号，供给保护CPU模数转换用;同时经过这些变换，也实现将一次设备的电流互感器CT、电压互感器PT的二次回路与微机保护的模数转换系统强弱电隔离，提高抗干扰能力。
当输电线上的交流电频率偏移工频50Hz时，系统利用固定采样频率采样到的采样值来计算系统运行时的参数时，将会产生偏差，影响保护判断的可靠性。因此需要检测交流电的输送频率，必要时闭锁保护判断。
外扩RAM时将芯片64K存储空间分成两块分别映射为数据存储区（低32K）和程序存储器（高32K），这通过将最高位地址引脚接DSP的 ， 引脚的逻辑组合输出口（在CPLD中实现）来实现。为了保证装置在掉电时，保护记录不被丢失，保护参数保存在EEPROM中，另外保护装置的一些参数整定值及控制字需要先存在EEPROM中，便于保护判断时调用。这里采用通过 协议控制读写的HT24LC02，这样可以减少对DSP的I/O的占用。HT24LC02总共8个管脚，A0， Al， A2为器件地址引脚，由于这里只用一片HT24LC02，所以A0， A1， A2均接地。WP为芯片写保护脚，WP脚接低电平时，芯片可进行读写操作;WP脚接高时，芯片只可进行读，不可进行写。HT24LC02具有8字的读写能力。它的读写通过DSP的通用I/O口I1， I2， I3模拟 主控制器来实现（通过改变寄存器ASPCR的CI01-CI03设定其作为输出还是输出）。
开入量输入回路包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点输入，外部装置闭锁重合闸触点接入，轻瓦斯和重瓦斯继电器接点输入等回路。。
开关量输出主要包括保护的跳闸出口及本地和中央信号等，本装置共预留了16路开出量，用户可以根据自己的需要选用。开出量由保护DSP计算和判断后开出，再经CPLD产生。
人机接口模块部分采用单片机W78E51BP结合EPM7128QC100-7实现对键、显示通信的控制管理。EPM7128QC100-7实现地址锁存、地址译码（片选信号）、键盘及显示控制功能。
看门狗电路保证程序的正常运行，提高系统的稳定性。单片机W78E51BP循环给出喂食信号，清空看门狗定时寄存器。一旦出现程序跑飞，看门狗REST引脚发出复位信号，使人机接口模块复位。
保护装置安装在变压器现场后，一般不需要人员对其操作，直接由DSP完成保护参数的采集以及保护逻辑判断，只有在安装检修及远程操作时需要人员对其进行调试和控制操作，因此数据采集处理模块与人机接口模块之间的通信较少，采用异步串口通信（使用DSP片上外设异步串行口ASP）。
【关键词】多CPU的结构方式，微机继电保护，DSP
所谓多CPU的结构方式就是在一套微机保护装置中，按功能配置有多个CPU模块，分别完成不同原理的主保护和后备保护及人机接口等功能。这种多CPU结构方式的保护装置，如有任何一个模块损坏，均不影响其他模块保护的正常工作，有效地提高了装置的容错水平，防止了一般性硬件损坏而闭锁整套保护。多CPU结构的保护装置还提供了采取三取二保护启动方式，提高了保护装置启动的可靠性。另外还配置了一块带CPU管理模块，负责对保护（CPU）模块巡检、人机对话、监控系统、通信联络等功能。
多CPU结构中某一种保护的工作原理同单CPU结构的保护基本相同。多CPU结构的保护装置中，每个保护CPU插件都可以独立工作，各保护之间不存在依赖关系。保护CPU的完整性和独立性提高了保护的可靠性。多CPU结构的保护装置，实质上是主从分布式的微机工控系统，人机接口部分是主机，完成集中管理及人机对话的任务。而单片机保护部分是四个智能从机，它们分别独立完成部分保护任务。
单片机（CPU2）用来处理人机接口问题，实现键盘输入和通信功能; CT采集变压器各侧的电流值，用于差动保护及零序电流保护各参数的计算;PT采集后备保护侧的电压值，用于后备保护中零序电压保护判断参数的计算;系统运行时，通过计算处理CT/PT采集量，结合开关输入量（继电器的状态量）和控制字，作出相应保护判断，驱动相应继电器动并（或）发出报警信号，并记录下保护动作事件，以备故障分析用;人机接口部分的串口RS485和CAN通信口是为了满足变电站自动化系统的需要，可以与其他设备构成一个大型的网络。为了提高系统的集成度，采用CPLD完成CPU的外围电路设计。
为了满足变压器保护实时性的要求，数据处理部分的CPU采用DSP来完成，这里选用TI公司的TMS320F206。人机接口模块部分的CPU采用Winbond公司的单片机W78E51BP（带4个中断源，可实现CAN， RS485的接收中断和键盘中断处理），实现对键盘、显示及通信端口的控制。为了提高DSP处理数据的实时性，不用DSP的片上外设CAN控制器，而改用外置的CAN控制器SJAl000。为了满足保护装置对保护精度要求，采用AD公司的14位高精度AD转换器AD7865，A本装置选用AD7865-2型号。对于DSP的外部存储器的选择要考虑其存放读取时间与DSP的指令时间相匹配，这样可以提高DSP的实时处理能力，否则就要插入等待周期，影响DSP的实时运算处理效率。这里DSP的外部外扩RAM采用Cypress公司的CY7C1021，它是一款高速64KX16位的Static RAM，采用CMOS制造工艺，+5V供电，存储读取时间只要12ns，完全符合DSP指令读取时间的需要。单片机W78E51BP的外扩存储器采用Winbond公司的W24257，这也是一款高速32KX8位的CMOS静态RAM，采用+5V电压供电，最快存储时间达70ns。
为了提高系统的集成度，减少外部环境的干扰，系统设计时采用CPLD来完成外部逻辑功能。这里选用Altera公司的CPLD MAX7000E系列的EPM7128EQC100-7来满足CPU的外围电路设计需要。MAX7000系列器件结构主要由高性能、非常灵活的逻辑阵列模块（通常称为逻辑阵列列块，LAB）互连而成。每个LAB由16个宏单元阵列组成，多个LAB之间通过可编程连线阵列（PIA）和全局总线连接在一起，全局总线由专用输入、I/O引脚和宏单元反馈给信号。
微机保护装置的交流输入主要是将输入的模拟电流、电压量经过电压形成与低通滤波变换后，全部转换为弱电压信号，供给保护CPU模数转换用;同时经过这些变换，也实现将一次设备的电流互感器CT、电压互感器PT的二次回路与微机保护的模数转换系统强弱电隔离，提高抗干扰能力。
当输电线上的交流电频率偏移工频50Hz时，系统利用固定采样频率采样到的采样值来计算系统运行时的参数时，将会产生偏差，影响保护判断的可靠性。因此需要检测交流电的输送频率，必要时闭锁保护判断。
外扩RAM时将芯片64K存储空间分成两块分别映射为数据存储区（低32K）和程序存储器（高32K），这通过将最高位地址引脚接DSP的 ， 引脚的逻辑组合输出口（在CPLD中实现）来实现。为了保证装置在掉电时，保护记录不被丢失，保护参数保存在EEPROM中，另外保护装置的一些参数整定值及控制字需要先存在EEPROM中，便于保护判断时调用。这里采用通过 协议控制读写的HT24LC02，这样可以减少对DSP的I/O的占用。HT24LC02总共8个管脚，A0， Al， A2为器件地址引脚，由于这里只用一片HT24LC02，所以A0， A1， A2均接地。WP为芯片写保护脚，WP脚接低电平时，芯片可进行读写操作;WP脚接高时，芯片只可进行读，不可进行写。HT24LC02具有8字的读写能力。它的读写通过DSP的通用I/O口I1， I2， I3模拟 主控制器来实现（通过改变寄存器ASPCR的CI01-CI03设定其作为输出还是输出）。
开入量输入回路包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器接点输入，外部装置闭锁重合闸触点接入，轻瓦斯和重瓦斯继电器接点输入等回路。。
开关量输出主要包括保护的跳闸出口及本地和中央信号等，本装置共预留了16路开出量，用户可以根据自己的需要选用。开出量由保护DSP计算和判断后开出，再经CPLD产生。
人机接口模块部分采用单片机W78E51BP结合EPM7128QC100-7实现对键、显示通信的控制管理。EPM7128QC100-7实现地址锁存、地址译码（片选信号）、键盘及显示控制功能。
看门狗电路保证程序的正常运行，提高系统的稳定性。单片机W78E51BP循环给出喂食信号，清空看门狗定时寄存器。一旦出现程序跑飞，看门狗REST引脚发出复位信号，使人机接口模块复位。
保护装置安装在变压器现场后，一般不需要人员对其操作，直接由DSP完成保护参数的采集以及保护逻辑判断，只有在安装检修及远程操作时需要人员对其进行调试和控制操作，因此数据采集处理模块与人机接口模块之间的通信较少，采用异步串口通信（使用DSP片上外设异步串行口ASP）。