廖延初

（福建師范大學(xué)福清分校 電子與信息工程系，福建 福清 350300）

MPS430在雙CPU微機電力保護裝置中的應(yīng)用

廖延初

（福建師范大學(xué)福清分校 電子與信息工程系，福建 福清 350300）

為實現(xiàn)電力線路的微機保護功能，介紹了一種基于MPS430的雙處理器的微機保護裝置，它可以采集配電網(wǎng)的電流、電壓以及開關(guān)的狀態(tài),并根據(jù)所采集的電壓、電流對配電網(wǎng)實現(xiàn)保護功能,并實現(xiàn)與測量模塊、人機界面模塊的通信.從硬件和軟件兩方面詳細說明該裝置的結(jié)構(gòu)和功能，該裝置實現(xiàn)對三相電機低壓三相負荷的保護、遙測、遙信、遙測功能.

微機保護；雙CPU；數(shù)據(jù)通信

電力系統(tǒng)的飛速發(fā)展對繼電保護不斷提出新的要求，電子技術(shù)、計算機技術(shù)與通信技術(shù)的飛速發(fā)展又為繼電保護技術(shù)的發(fā)展不斷地注入了新的活力.微機繼電保護的出現(xiàn)，使原有繼電保護裝置的工作性能有了明顯的改善，大大提高了電力系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性.隨著微機保護裝置的研究，在微機保護軟件、算法等方面也取得了很多理論成果.電力系統(tǒng)對微機保護的要求不斷提高,除了保護的基本功能外,還應(yīng)具有大容量故障信息和數(shù)據(jù)的長期存放空間,快速的數(shù)據(jù)處理功能,強大的通信能力,與其他保護、控制裝置和調(diào)度聯(lián)網(wǎng),以共享全系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息和網(wǎng)絡(luò)資源的能力、高級語言編程等.每個微機保護裝置不但可完成繼電保護功能,而且在無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能,亦即實現(xiàn)保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化.

本文以MSP430F149微處理器為基礎(chǔ),通過采集配電網(wǎng)的電流、電壓以及開關(guān)的狀態(tài);對配電網(wǎng)實現(xiàn)保護,其內(nèi)容包括電流速斷保護、三段式過流保護、反時限保護、零序保護和帶后加速的三相一次重合閘,并且利用口總線實現(xiàn)與測量模塊、人機界面模塊的通信.

1 硬件框架與模塊設(shè)計部分

1.1 概述

微機保護裝置是電力線路保護系統(tǒng)的最重要的一環(huán)，對系統(tǒng)性能起著決定性的作用.保護系統(tǒng)通過微機保護裝置實現(xiàn)對現(xiàn)場電氣量采集和電氣設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)視、控制和調(diào)節(jié)，即遙測、遙信、遙控和遙調(diào).當(dāng)發(fā)生事故時，可報警并迅速采取對應(yīng)措施，從而保證整個系統(tǒng)的正常運行與安全.根據(jù)系統(tǒng)和現(xiàn)場需要，微機保護裝置主要需要實現(xiàn)的功能如下：①數(shù)據(jù)采集與處理功能.②輸入輸出功能.③通信功能.④報警保護功能.

根據(jù)微機保護裝置的主要功能，該裝置應(yīng)該包括CPU部分模塊、模擬量采集部分、開關(guān)量輸入部分、繼電器輸出部分、通信部分、電源部分等及其外圍電路.具體的硬件框架結(jié)構(gòu)圖如圖1所示.

1.2 保護裝置的工作過程

三相電壓、電流通過模擬量采集模塊，將電氣設(shè)備的各通道電量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電壓值，一并送入AD采樣模塊電路進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由保護CPU讀入各通道的采樣結(jié)果，通過DFT運算得出電壓電流的有效值和相位；保護CPU根據(jù)運算的結(jié)果進行判斷，若判斷有故障執(zhí)行跳閘或發(fā)出信號，并記錄時間信息（發(fā)生時間、事故性質(zhì)、故障量），以實現(xiàn)對電氣設(shè)備的保護；同時保護CPU把所有的狀態(tài)量通過FRAM通信模塊傳遞到通信CPU中；根據(jù)報警保護狀態(tài)，進行對應(yīng)的保護報警LED指示；通信CPU通過RS232、RS485或CAN通信接口和上位監(jiān)控機通信，及時的把裝置各測控信息量傳遞到上位監(jiān)控機，上位監(jiān)控機也可以通過通信接口對裝置設(shè)置和整定裝置的定值參數(shù).

圖1 微機保護裝置結(jié)構(gòu)模塊圖

電源模塊把220V的交流電源通過HAS-5轉(zhuǎn)換成直流5V電壓，再通過TPS76333產(chǎn)生一個3.3V電壓供CPU使用.在模擬量采集模塊中，三相電壓和電流分別通過電壓、電流互感器，將這些電氣量轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的低電壓（-1.25V～1.25V），在通過一個1.25V的穩(wěn)壓源把所有電壓抬高成正電壓，送入MSP430的AD采樣通道進行模數(shù)轉(zhuǎn)換.

為了提高系統(tǒng)的運行速度，減輕單個CPU運行負荷，提高裝置的精確度，裝置都采用雙CPU結(jié)構(gòu)，一片CPU完成模擬量采集并處理、開關(guān)量輸入輸出、保護報警功能.另一片CPU完成通信功能和保護報警LED燈指示功能.兩個CPU通過FRAM存儲器實現(xiàn)CPU間的信息共享.在保護CPU模塊中，MSP430把采樣通道的采樣結(jié)果通過DFT運算，得出三相電壓、電流的有效值和相位.根據(jù)運算結(jié)果判斷是否處于故障狀態(tài)，如果是，則發(fā)出信號并通過繼電器輸出模塊，執(zhí)行對應(yīng)繼電器的跳閘操作.同時從時鐘模塊中讀出當(dāng)前時間，產(chǎn)生故障記錄SOE.MSP430還通過開關(guān)量輸入模塊讀取各開關(guān)量的狀態(tài).通信CPU模塊通過讀取存儲器FM24CL64來獲得保護CPU中的各測控信息量，從而實現(xiàn)保護報警狀態(tài)的LED指示，并把保護CPU中的測控信息量通過通信接口傳遞到上位監(jiān)控主機,RS485/CAN通信模塊實現(xiàn)RS485/CAN通信.

2 微機保護裝置的軟件框架設(shè)計

保護裝置所有功能的實現(xiàn)和可靠運行，還依靠于完善的軟件設(shè)計，軟件是完成系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，是智能保護的靈魂，只有在軟件系統(tǒng)的統(tǒng)一指揮下，保護裝置才能夠完成一系列的保護工作.

2.1 軟件設(shè)計模塊結(jié)構(gòu)

軟件設(shè)計方法是指導(dǎo)軟件設(shè)計的某種規(guī)則和準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計是最常用的程序設(shè)計方法，它采用自頂向下逐步求精的設(shè)計方法和單入口單出口的控制結(jié)構(gòu)，將一個復(fù)雜的系統(tǒng)按功能劃分為幾個獨立的模塊，模塊劃分遵循“功能獨立”原則，每個模塊功能分配明確，有利于軟件的調(diào)試、修改和維護.保護裝置就是采用結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計方法，根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)模塊圖1系統(tǒng)軟件主要分成如下幾個模塊：保護CPU主程序模塊、AD采樣模塊、DFT運算模塊、保護邏輯判斷模塊、輸入輸出模塊、定時器模塊、時鐘模塊、FRAM模塊、通信CPU主程序模塊、通信模塊和LED燈指示模塊.

2.2 雙CPU模塊工作

（1）保護CPU.主要承擔(dān)裝置的保護任務(wù)，系統(tǒng)一上電，首先進行系統(tǒng)初始化工作，在初始化過程中，系統(tǒng)主要完成系統(tǒng)時鐘模塊初始化、MSP430的各個端口的初始化、定時器的初始化、AD采樣初始化并啟動AD采樣，時鐘芯片PCF8563的初始化和、FRAM存儲器的初始化和讀取FRAM中的定值，并設(shè)置相應(yīng)的中斷允許寄存器.其主程序流程圖如圖2所示.

圖2 保護CPU的主程序流程圖

系統(tǒng)就進入了主程序循環(huán)，首先判斷定值的有效性，主要包括對保護定值、測量參數(shù)和校正系數(shù)的判斷，這個判斷依據(jù)是CRC校驗.如果定值無效，則設(shè)置定值錯誤報警，在通信CPU中實現(xiàn)所有燈閃爍的定值錯誤報警.只有定值有效，才進行DFT運算，根據(jù)AD采樣的結(jié)果，算出電壓電流的有效值和相位.接下來進行的是將計算得到的被采集電量的有效值按照標(biāo)準(zhǔn)公式進行計算和判斷，得出本控制保護單元外接的電機的運行狀態(tài)，并將此結(jié)果暫時記入各個軟繼電器中.若有暫時故障狀態(tài)，則啟動相應(yīng)的定時器，開始故障計時.然后根據(jù)保護控制字的投入，在保護報警輸出模塊中，進行繼電器輸出.接著主程序循環(huán)判斷開關(guān)量的輸入狀態(tài)和根據(jù)上位機的遙控操作進行遠動操作.最后主程序循環(huán)進行FRAM操作，實現(xiàn)和通信CPU的數(shù)據(jù)交流，把保護CPU中的測控信息量的變化告訴通信CPU，同時從通信CPU中獲知上位機發(fā)送下來的更改定值命令或遙控命令，并根據(jù)這些命令執(zhí)行對應(yīng)的操作.

（2）通信CPU.主要擔(dān)任裝置的通信任務(wù)，包括RS485/CAN通信、RS232通信和保護報警LED燈指示，其主程序流程圖如圖3所示.系統(tǒng)上電后，通信CPU進行初始化.初始化完成后進入主程序循環(huán)，在主循環(huán)中，首先是進行每0.1s一次的FRAM操作，實現(xiàn)和保護CPU的數(shù)據(jù)交流，獲得保護CPU中得到的遙測值和校正電量，進行平均值濾波和計算功率電度.然后通過通信接口，把所有的現(xiàn)場測控信息量傳到上位監(jiān)控機，上位監(jiān)控機按照需要也向裝置發(fā)送更改定值命令或遙控命令.通信CPU把上位機的的命令保存到FRAM中.

圖3 通信CPU的主程序流程圖

3 結(jié)論

在總結(jié)前人對電力保護保置研究工作的基礎(chǔ)上,對電力保護裝置的應(yīng)用做了深入探討,設(shè)計了一種具有多功能的雙處理機的電力保護裝置,并可靠地應(yīng)用在配電網(wǎng)中.但設(shè)計中,由于本人的水平有限,論文還需進一步研究和改進.

〔1〕商立群,白維祖,程剛.基于 ARMS3C4510B 的微機保護裝置的設(shè)計[J].工礦自動化,2008（2）:116-118.

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〔3〕沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2004.

〔4〕胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設(shè)計與開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

〔5〕陳明,包鑫,朱墨子.MSP430在電力系統(tǒng)微機保護模塊中的應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù),2009（10）.

TM76;TP368.1

A

1673-260X（2011）10-0134-02