摘 要:传统电力线路微机保护中，大多采用低位单片机，其处理数据能力较低，已不能满足保护可靠性、灵敏性要求。以DSP+FPGA为核心的控制模式，设计了线路保护装置，可以提高系统运算及处理能力，并且具有与上位机通信的功能，能够满足微机线路保护要求。
关键词：DSP； 线路保护；人机对话； SCI
电力线路运行中，常见故障是相间短路及接地短路。故障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，以保护线路安全，这就需要微机线路保护装置采集电网大量数据进行计算和判定。目前许多保护装置CPU多为低位单片机，速度较慢，而数字信号处理器（DSP）具有强大的数据处理能力和多通道采样能力，故取代现有装置为大势所趋。本文给出了以TMS320F2812DSP+FPGA为控制核心的微机线路保护系统，并辅以人机交换模块来实现对线路的保护[1]。
1 系统组成及工作原理
系统以TMS320F2812 DSP为控制核心元件，并辅以一片Xlinx公司XC3S400型FPGA作为逻辑控制，FPGA控制系统输出D/A转换及开关量，这样可以节约DSP资源。系统外围设备由四部分组成[2]：
(1)故障信号采集及开关量输入，系统采集电网A、B、C以及零序电压和电流共8路信号进行运算和处理；DSPF2812内部自带12 bit单精度A/D转换器，故不需要外扩A/D芯片。
(2)模拟信号输出及继电器跳闸输出，系统采用具有16 bit转换精度DAC8532进行D/A转换，输出模拟信号;同时,经过ISO124芯片隔离输出跳闸等开关信号。
(3)人机接口部分，系统采用SMG12864ZK液晶显示屏作为人机接口输出设备,键盘作为输入设备。
(4)SCI通信接口,应用DSP自带SCIA接口和MAX232芯片,与上位机进行串口通信。 由于系统共需要1.8 V、3.3 V和5 V三个电压等级,系统采用了TPS73HD318电源芯片来实现给系统供电。系统框图如图1所示。
2 外围硬件模块设计
本系统采用DSP+FPGA控制模式。TMS320F2812是一款高性能32 bit DSP，广泛应用于控制领域，主频达到150 MHz（6.67 ns）,可以满足DSP对外部电网信号计算和处理速度的要求，并且内部提供128 KB Flash存储模块。通过使用FPGA控制DAC模块和GPIO输出模块，可以节约DSP资源，减少DSP控制外围器件所消耗的时间，提高系统性能。外围电路分为信号采集电路、输出电路、人机对话单元和通讯单元。
2.1 信号采集电路设计
通过TA/TV采集电网实时A/B/C及零序电流、电压、相位角等电网信息，采集后电流、电压信号均为交流信号， 而DSP中12 bit精度(可满足保护10 P精度要求)A/D转换器为单极性，必须对所采集交流信号进行调制，方可使用。在调制电路前需经过I/V电路把电流信号转为电压信号，送入信号调制电路，该调制电路分为滤波电路、偏置电路和反相电路，如图2所示。通过调整电路参数可以改变系统偏置电压大小，使调制后直流信号嵌位于满足F2812参考电压0~3 V之间[3]。
在实际应用中，由于外围电路精度不够，在实际中采用CJ431电路产生电压基准对所采电压信号进行校准，从而提高系统转换精度，能够精确地为DSP提供实时电网信号，从而进行逻辑判断实现保护电网功能。
系统开关量通过键盘来输入，由5个薄膜按键及控制电路组成，分别控制画面切换、画面中行列切换和确定键，用于对保护参数整定和故障查询操作。
2.2 输出电路设计
系统输出开关量用作保护装置跳闸及指示断路器跳合位置等信息，通过DSP和FPGA来控制GPIO实现，输出开关量时经过隔离才能输出使其跳闸。
当系统输入电流大于设定的定值时，GPIOA3输出电压3.3 V高电平，通过限流电阻加到三极管基极，从而导通三极管，使得三极管发射极和集电极等电位、电压同时变为低电平。加在中间继电器K1线圈上的电压为额定导通电压。系统回路导通，从而断开负载。如果中间继电器的常闭触点上接的是系统的跳闸线圈，就可以实现系统的跳闸，断开故障电路，保护电网的安全运行[4]。
2.3 人机对话单元设计
人机交互单元液晶显示和键盘来实现，液晶显示采用了长沙太阳人公司SMG12864ZK液晶模块，通过液晶模块可以实时显示系统工作状态和电路参数以及事件记录等信息，该系统所需5 V电源通过TPS73HD318来供给。该模块只需11根GPIO来进行控制（8根数据线+片选+读信号+写信号），并不需要花费太多DSP中GPIO资源。键盘由5个薄膜按键及控制电路组成，用于参数整定和查询。
2.4 通信单元设计
装置预留了上位机或其他设备间的串口通信，采用DSP外设中SCI两个模块中的SCIA模块，通过与上位机连接可以进行上位机实时的电网信息读取并对故障信息进行查询，同时可以通过上位机对保护定值进行整定。
3 系统软件设计
软件设计采用了TI公司CCS3.1编程软件进行编制，系统软件采用模块化编程思想，主程序主要对系统和PIE进行初始化及调用子程序以及循环[5]。
子程序主要分为A/D转换子程序、跳闸子程序及人机接口和SCI子程序三部分。
3.1主程序
系统编程采用模块化思想，主程序可以实现系统的初始化以及PIE中断的初始化和控制，且可以调用子程序和循环。具体流程如图3所示。
3.2子程序
3.2.1 A/D转换子程序
系统采样信号精度直接影响着系统动作的可靠性，为了提高转换的精度，系统每个周期采样72个点，使其误差控制在±2.5°的范围内。通过设置F2812内部自带事件管理器的T1进行周期匹配来触发A/D转换。同时加入A/D转换两路校验基准电路CJ431转换结果对系统采回结果进行校验，从而满足继电保护准确性要求[6]。
图4为AD转换流程图。其转换结果如下，设结果寄存器转换数字为X，输入模拟电压为UA0，则转换结果X为式(1)所示。
3.2.2 跳闸子程序
为了设定保护定值，首先读取ADCRESULT寄存器中转换结果Ｘ。
当速断值≤Ｘ，GPIO输出有效，保护装置动作，输出速断跳闸。
当限时速断≤Ｘ≤速断值，延时t=0.5 s，GPIO输出有效，保护装置动作，输出限时速断跳闸。
当过流≤Ｘ≤限时速断，延时t=1 s，GPIO输出有效，保护装置动作，输出过流跳闸。
当≤Ｘ过流定值， GPIO输出无效，保护装置运行正常。子程序流程图如图5所示。
3.2.3 人机接口及SCI子程序
人机接口程序类似F2812中XINTF对外访问过程，本系统采用并行通信方式进行通信，具体显示过程如下：片选信号GPIOB2（RS）有效后，读写信号GPIOB0(R/W)变为低有效，并行使能信号GPIOB1(E)变为高有效，数据线D0～D7数据变为有效，对液晶屏写数据，同时调用字库，显示相关内容。
SCI通信过程如下，首先通过对GPIOMUXF4和GPIOMUXF5分别设置为专用TX和RX功能，数据格式采用空闲模式进行传输，以此提高其传输效率；采用增强型SCIFIFO，可以SCI通信时缓冲深度。
为了使实验结果具有模拟真实电网的效果，试验时采用1.2 kW吹风机作为感性负载，当保护测试仪输入模拟量改变时，可模拟线路三段保护。同时,在液晶显示中可以查询跳闸原因。本文所设计的DSP+FPGA 结构微机线路保护装置, 经过多次实验表明, 该系统运行稳定可靠, 可完成大多数常用的保护功能,能够达到线路保护可靠性、灵敏性和速动性的基本要求。
参考文献
[1] 鲍雅萍，李晓红.基于DSP技术的新型微机线路保护装置[J].电力自动化设备,2007，27(9):107-109.
[2] 万山明. TMS320F2812xDSP原理及应用实例[M]. 北京:北京航空航天大学出版社, 2007.
[3] 孙肖子.电子设计指南[M].北京：高等教育出版社,2006.
[4] 贺家李. 电力系统继电保护原理[M]. 北京:中国电力出版社, 2000.
[5] 孙丽明. TMS320F2812原理及其C语言程序开发[M].北京:清华大学出版社, 2008.
[6] 周芸,杨奖利,路青起.基于TMS320F2812的线路保护系统[J].高压电器, 2005,41(4):289-291.