【文章內(nèi)容簡介】 狀 態(tài)基礎上，簡單地介紹了變壓器應裝設的保護裝置，并著重分析了變壓器的差動保護的基本原理。 三、保護裝置的硬件設計 保護裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。系統(tǒng)采用了 DSP 芯片進行保護測控的數(shù)據(jù)處理，保證了高性能實時算法的實現(xiàn)，提高了裝置可靠性和整體性能。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 6 （一） 芯片的選擇 1. DSP 的選擇 DSP 芯片也稱數(shù)字信號處理器，是一種特別適合進行數(shù)字信號運算的微處理器，其主要應用于實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法，以得到符合工程所需要的信號。 目前， DSP 技術發(fā)展迅速，尤其是美國 TI 公司的 TMS320 系列芯片應用最為廣泛，主要應用于電機控制、通信、圖象處理等領域。它既有數(shù)字信號處理能力，又有強大的事件管理能力和嵌入式功能。本文選用 TI 公司的 TMS320F2812，該芯片的主要特點有： （ 1） TMS320F2812 DSP 采用高性能的靜態(tài)技術 CMOS 技術 ；（ 2）高性能 32 位 CPU；（ 3）片上存儲器 ；（ 4）外部存儲器擴展接口；（ 5）時鐘和系統(tǒng)控制； （ 6）三個外部中斷 ；（ 7）外設中斷擴展模塊（ PIE）支持 45 個外設中斷 串口通信外設（ 8） 12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊 。 由上述特性可以看出 ， TMS320F2812 芯片在運算處理速度、集成度和功能上都能滿足實時性、可靠性。 2. A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇 模數(shù)轉(zhuǎn)換的芯片有很多種。按輸出數(shù)據(jù)的格式分有并行和串行之分；并行方式下按輸出數(shù)字量得位數(shù)分有 8 位， 10 位， 12 位， 14 位和 16 位的芯片。在微機保護裝置中，目前大多數(shù)產(chǎn)品均選擇并行接口的 12位或 12位以上的 AD芯片。為了滿足保護裝置對保護精度的要求，采用 AD 公司的 12 位高精度 AD 轉(zhuǎn)換器 AD7874。 圖 為 AD7874 內(nèi)部邏輯電路圖。由 AD7874 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖可看出，在芯片上集成了 4 個采樣保持器，多路轉(zhuǎn)換開關， 12 位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部時鐘，參考電壓和控制邏輯電路。 7 圖 AD7874 內(nèi)部邏輯電路圖 對于 DSP 的外部存儲器的選擇要考慮其存放讀取時間與 DSP 的指令時間相匹配，這樣可以提高 DSP 的實時處理能力，否則就要插入等待周期，影響 DSP 的實時運算處理效率。這里DSP 的外部外擴 RAM采用 Cypress 公司的 CY7C1021，它是一款高速 6416K180。位的 Static RAM，采用 CMOS 制造工藝， +5V供電，存儲讀取時間只要 12ns，完全符合 DSP 指令讀取時 間的需要。 CY7C1021 的優(yōu)點： （ 1）高速性，最小存取時間為 12ns；（ 2）低功耗，最大功耗 312mW ；（ 3）未被選通時自動進入掉電模式；（ 4）輸入輸出與 TTL電平兼容。 （二）數(shù)據(jù)采集模塊的設計 在微機保護系統(tǒng)中采用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要有采用逐次逼近 AD 式芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和采用積分型 AD 芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（即 VFC 式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）。他們都能實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，但兩種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)各有特點。本文采用逐次逼近 AD 芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 采用逐次逼近 A/D 芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 框圖如圖 所示。 圖 A/D 式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖 、電流變換器 電壓、電流變換器的作用主要有以下幾點： （ 1）將電壓互感器二次的電壓、電流互感器二次的電流進一步變換為適合 A/D 芯片量程的信號。 8 （ 2）變換器可起到隔離的作用。有利于防止干擾從二次回路侵入微機系統(tǒng)。 的原、副邊可加一屏蔽層。有利于抗干擾。 采樣頻率的選擇是微機保護數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中硬件設計的重要內(nèi)容。需要綜合考慮多種因素。首先，采樣頻率的選擇必須滿足采樣定理的要求，即采樣頻率必須大于原始信 號中最高頻率的二倍，否則將造成頻率混疊現(xiàn)象。其次，采樣頻率的高限受到 CPU的速度、被采集的模擬信號的路數(shù)、 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與存儲器的數(shù)據(jù)傳送方式的制約。如果采樣頻率太高，而被采樣的模擬信號又特別多，則在一個采樣間隔內(nèi)難以完成對所有采樣信號的處理，就會造成數(shù)據(jù)的錯誤。微機系統(tǒng)無法正常工作。 本設計所用采樣頻率為 600Hz，采樣點 N=12。 在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障初瞬電壓、電流中往往含有頻率很高的分量，為了防止頻率混疊，必須選擇很高的采樣頻率，這就會對硬件提出相當高的要求，而目前絕大多數(shù)微機保護的原理 都是基于反映工頻信號的，因此為了降低采樣頻率，可在采樣前先用一個模擬低通濾波器將頻率高于采樣頻率一半的信號濾掉。 模擬低通濾波器一般為一階或二階的 RC 阻容濾波器。如圖 所示。 圖 阻容式模擬低通濾波器 當負載 RL開路時，一階 RC 濾波器的截止頻率為： 當濾波器接有負載時，一階 RC 濾波器的截止頻率為： 其中 采樣保持電路的作用一方面是在采樣時刻把模擬信號的瞬時值記錄下來，另一方面是在 A/D轉(zhuǎn)換期間使被采樣的信號保持不變。其硬件電路如圖 所示。 圖 中， A1， A2， A3 為運算放大器，為受控電子開關， Ch為外接的采樣保持電容。 9 圖 采樣保持電路原理圖 目前采用的有些 A/D 芯片中已將 S/H，多路開關和 A/D 轉(zhuǎn)換功能集成在一個芯片內(nèi)，例如 AD7874 芯片，其內(nèi)部含有 4 路 S/H，多路開關和 12 位的 A/D 轉(zhuǎn)換部分。所以用一片 AD7874 可實現(xiàn)對 4 路模擬信號的采集。在一套輸電線路保護裝置中，可采用 23 片 AD7874 芯片。 多路轉(zhuǎn)換開關是將多個采樣 /保持后的信號逐一與 A/D 芯片接通的控制電路。它一般有多個輸入端，一個輸出端和幾個控制信號端 。根據(jù)控制端的二進制編碼決定哪一個輸入端和輸出端接通。在有多個采樣保持電路而共用一個 A/D 的系統(tǒng)中必須設有多路開關。 AD7874 芯片構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 由 AD7874 構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)如圖 所示。 圖 由 AD7874 構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 從圖 可以看出，由 AD7874 構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括變換器，低通濾波器，運算放大器 AD713 和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 AD7874。為簡化，在圖中只畫了一路模擬信號，實際的一片 AD713 芯片中有 4 個完全相同的運算放大器，剛好與 AD7874 的四路模擬輸入對 應。 AD7874 的控制信號包括片選、讀、起動轉(zhuǎn)換，分別由譯碼電路和單片機提供，其中斷請求信號接到單片 10 機的外部中斷請求輸入端。當 4 路信號轉(zhuǎn)換完成后向單片機申請中斷，在中斷服務程序中將轉(zhuǎn)換結(jié)果讀出并存入采樣數(shù)據(jù)循環(huán)存儲區(qū)的指定單元。 （三）開關量輸入輸出電路 微機保護裝置中一般應設置幾路開關量輸入電路。所謂開關量輸入電路主要是將外部一些開關接點引入微機保護的電路。通常這些外部接點不能直接引入微機保護裝置，而必須經(jīng)過光電隔離芯片引入。本裝置采用光電耦合器作為兩者的接口，以減少強點 對弱點的干擾。單個通道開關量輸入電路原理圖如圖 所示。 圖 單個通道開關量輸入電路原理圖 如圖 所示，開關量輸入為 24V信號， R1 與 C1 組成濾波電路濾除輸入信號中的干擾信號，保證輸入到光耦的信號為較純凈的 24V電壓信號。穩(wěn)壓管的作用為防止干擾高電壓串入對光耦造成擊穿性破壞。開關量輸入到系統(tǒng)內(nèi)部前采用了光耦元件進行了隔離，有效的去除了干擾信號對系統(tǒng)可能造成的影響。 本裝置的開關輸出量主要包括保護的跳閘出口信號、本地信號和中央信號等， DSP 輸出的是 電流信號，直接用它來控制斷路器動作顯然是不可能的，因此需要將這些小信號轉(zhuǎn)換為大功率的輸出信號，滿足驅(qū)動斷路器動作的要求。另外，為了防止斷路器對微機系統(tǒng)的反饋干擾，輸出模塊還要設置隔離環(huán)節(jié)。單個通道開關量輸出原理圖如圖 所示。 11 圖 單個通道開關量輸出原理圖 如圖 所示， DSP 發(fā)出輸出使能信號和相應的數(shù)字輸出控制信號，經(jīng)過光電隔離器后輸出到控制端口。只有當輸出使能為 “1”，數(shù)字輸出控制位為 “0”時，該路開關量輸出信號才能對斷路器進行控制。 （四）人機接口部分硬件的設計 人機接口模塊部分采用 單片機 W78E51BP 實現(xiàn)對鍵盤、顯示以及通信的控制管理。 本裝置采用簡易的小鍵盤輸入，共有 9 個按鍵，分別是復位鍵、取消鍵、確認鍵、加、減鍵以及上、下、左、右按鍵。復位鍵的功能由硬件實現(xiàn)，當按下此鍵后，對顯示 CPU 和液晶同時發(fā)出復位信號，使裝置得到復位。其他的按鍵功能通過軟件實現(xiàn)，它們主要用于對顯示菜單進行操作。根據(jù)中文菜單和提示可以方便地查詢實時數(shù)據(jù)及系統(tǒng)信息，輸入保護定值、系統(tǒng)參數(shù)，選擇保護單元投入 /退出。如圖 所示為鍵盤接口電路原理圖。九個按鍵分別連到 CPU 的 I/O 口，并且外接上拉電阻來防止誤動。 圖 鍵盤電路原理圖 12 本裝置的顯示器電路采用 VLCM320240B 液晶顯示模塊，點數(shù)為 320240180。，采用單 5V供電。該液晶顯示器模塊由單片機串行控制，內(nèi)含 512KBFlash顯示資料閃存，最多可存放五十幅整屏資料，同時內(nèi)有 GB_2312 二級字庫和 127 個半角 ASCII 碼可供調(diào)用。 圖 液晶顯示器接口電路 圖 為液晶顯示器接口電路。其中 VLCM320240B 的串行通信口的 RX引腳與監(jiān)控 DSP 電路的擴展串行口 C 的 TXC 引腳相連 ，而 BUSY 引腳與 RXC 引腳相連。串行口通信采用 1個起始位， 8 個數(shù)據(jù)位， 1 個停止位及波特率 19200 的模式，在發(fā)送命令之前必須先檢測液晶顯示模塊為閑態(tài) (BUSY=0)，否則所發(fā)的命令可能失效。 （五）數(shù)據(jù)采集處理模塊與人機接口模塊的通信設計 數(shù)據(jù)采集處理模塊與人機接口模塊的連接如圖 所示。 保護裝置安裝在變壓器現(xiàn)場后，一般不需要人員對其操作，直接由 DPS 完成保護參數(shù)的采集以及保護邏輯判斷，只有在安裝檢修及遠程操作時需要人員對其進行調(diào)試和控制操作，因此數(shù)據(jù)采集處理模塊與人機接口模塊之間的通信較少， 采用異步串口通信 (使用 DSP 片上外設異步串行口 ASP)。 圖 數(shù)據(jù)采集處理模塊與人機接口模塊的連接 DSP 串行通信的接受發(fā)送方式有 ASPCR 寄存器設定，它有發(fā)送中斷和接受中斷 (均可使能的硬件中斷 )。在傳送期間，當發(fā)送接受緩存器 ADTR 為空時即產(chǎn)生發(fā)送中斷到 TXRXINT， 13 指示該端口準備接受一個新的發(fā)送字符。當 ADTR 接受到一個新字符，會產(chǎn)生接受中斷到 TXEX 工 NT。考慮到利用這種中斷時，只要 ADTR 寄存器為空，它將頻繁的產(chǎn)生中斷。這里只容許接受中斷，屏蔽發(fā)送中斷。只在 ADTR 接受到數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生 TXRXINT 中斷，引導 CUP 到程序存儲器的中斷向量單元 000Ch，執(zhí)行接受子程序。而對于數(shù)據(jù)發(fā)送，主循環(huán)程序根據(jù)人機接口部分發(fā)來的請求信息 (即接受到的信息 )，判斷需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，再在主循環(huán)程序中每次 發(fā)送一塊數(shù)據(jù)，若未發(fā)送完，則等待下次循環(huán)發(fā)送。 （六）小結(jié) 本章中主要選用 TI 公司