新型数字式高压保护装置硬件平台设计(1)

新型数字式高压保护装置硬件平台设计摘要：随着现场对高压微机保护装置性能要求的不断提高，以及软、硬件技术发展的自身需要，在总结和继承微机保护装置成功经验的基础上，设计开发了运算DSP加逻辑MPU控制单元的新型硬件平台系统。该系统充分发挥了DSP运算能力强和MPU逻辑功能强、外围资源丰富等各自优点，且采用大容量外围存储芯片，从而保证了高压保护装置实现高速采样、实时并行计算、程序面向对象模块化编程、故障处理报告详细全程跟踪、采用复杂先进保护原理等功能，并且具有足够的硬件资源冗余度。本文详细介绍了该硬件平台的系统设计思想、技术特点和工作原理，最后介绍了基于此硬件平台实现高压微机线路保护的应用实例。关键词：微机保护；硬件平台

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1 引言

目前，微机保护产品在继承常规保护成熟的技术原理的基础上，其智能化的特点日益突出，这不仅更好地满足了电力系统对可靠性和安全性的要求，而且为保护的测试试验和现场维护带来了更多的便利，因此，智能化微机保护产品在电力系统中得到了广泛的应用。按照文献[4]的划分，微机保护装置经历了三代的发展，许多传统保护中无法实现的新技术在目前的数字保护装置中得以成功的应用。尽管如此，随着电力系统对微机保护装置性能的要求不断提高、保护原理和算法的研究和发展、硬件产品技术的进步，以及微机保护运行环境的更为复杂和严酷，研究设计新型的、高可靠的硬件平台系统成为当务之急；硬件平台系统作为保护原理的载体和实现继电保护全部功能的基础，其研制和开发必将推动继电保护领域整体技术水平的提高，从而为国家电力系统智能化建设作出重要贡献。

我们在分析和吸收国内外同行厂家微机保护装置先进技术和经验的基础上，研制开发了一套适用于高压保护装置的硬件平台系统，该系统采用DSP （TMS320C32）+MPU（MC68332）系统结构，两者通过双口RAM来交互协同工作。本文将系统地阐述此平台的设计思想、整体结构、组织原理，并介绍了所选运算DSP和逻辑MPU芯片的特点。最后通过实例：基于此硬件平台开发的高压线路保护装置的试验及动模情况，说明了此平台的先进性。

2 硬件平台总体设计

2.1 整体平台系统结构

高压保护装置一般都采用多保护板加通讯处理板模式，通过内部通讯网来联系各板信息。随着时代、技术等方面的不断发展，保护功能要求越来越高，保护原理越来越完善，同时为便于事故后分析，报告、故障电量等信息要求越来越详细，以求确切地感知不同阶段保护中各模块的响应行为。上述种种原因决定了目前各有功能倾向的单CPU结构不能很好地满足实际需求，鉴于此我们设计了双CPU（DSP+MPU）结构，系统图如图1所示。

硬件平台系统主要包括两部分：基于TMS320C32的运算处理单元和基于MC68332的逻辑控制单元。运算处理单元任务定位于模拟量数据采集、数据处理、功能模块运算等功能；逻辑控制单元定位于保护逻辑判断、开入量检测、开出控制，以及监控等功能。采用这种MPU+DSP结构，充分利用了DSP适于数据处理优点的同时，也充分发挥了MPU丰富的I/O引脚、较强的逻辑处理能力，以及强大的通讯处理功能。

图1 硬件平台系统结构

2.1.1 运算单元区设计方案

运算单元区主要由TMS320C32、RAM、FLASH、A/D、EPLD等器件构成。此区核心器件TMS320C32芯片为TMS320C3X系列中的一款，是TI公司1995年推出的32位浮点型DSP。该芯片内部采用哈佛结构、流水线操作、特殊的并行指令、专用的硬件乘法器等适宜于数据运算的设计，这种特殊的硬件结构使得TMS320C32的处理能力达到60MFLOPS/30MIPS(每秒60兆次浮点运算或30兆条指令)。它采用增强型存储器接口，并具有灵活的数据/地址总线，可充分利用存储空间，增加了设计的灵活性，简化了电路设计。

运算单元区的模数转换部分采用MAXIM公司生产的14位逐次逼近型、2×4通道、带采样保持器的A/D芯片。改变了原来的多路开关切换的方式，减小了各模拟量之间不同步性。此单元区的译码、AD定时转换启动等功能完全由可编程逻辑器件EPM7128实现，这样既简化了印制版的设计，提高了电路设计的灵活性，又简化了程序软件的逻辑设计。从而在保证采样高可靠性的同时，节省了DSP的处理时间。