一 概述。

随着电力系统智能变电站的迅速发展，新的智能监测装置、网络通信技术在变电站中得到广泛应用，传统的继电保护装置已经远远不能满足变压器继电保护的需求，为了提高变压器继电保护的可靠性，满足智能变电站建设的需要，基于微机保护的变压器智能保护装置得到应用，变压器继电保护技术焕发了新的活力。本文根据变压器保护的工程实践需要，应用单片机芯片设计了一款基于DSP的变压器智能保护器。文中从硬件和软件两方面对该保护器的进行了介绍，其中硬件方面主要介绍了数据采集部分、人机接口部分以及两部分的通信构成，在软件方面主要对该装置的整体设计思路进行了介绍。

二 变压器保护器的硬件设计。

图2.1 保护器硬件整体结构图

智能变压器保护器除具有差动保护、过载保护等变压器必备的保护功能外，还应具备信号采集功能，实时监测变压器的电流、电压、有功功率、无功功率、功率因素等电气参数的功能，以及数据存储和串行通讯功能。为了提高运行和处理速度，本文设计的保护器采用两个CPU同时工作的方式，分别负责信号采集处理和人机交换功能。数据处理中DPS芯片的应用使运算能力得到加强，装置的整体性能大大提高了。装置的硬件整体结构图如图2.1所示。图中的单片机芯片（CPU2）专门处理人机交换任务，执行面板操作处理和通信任务，由于要与远程服务器进行远程通讯，因此保护器要具备与上级控制器相适应的串口通讯功能。CT/PT检测变压器的电流和电压的实际数值，用作继电保护的计算。开关量输入输出用作外部开关量状态的监测和继电保护动作的控制输出。

2.1 单片机芯片的选取。

（1）控制器芯片的选取。

为了提高数据采集的速率，处理器CPU选用型号为TMS320F206的DSP执行。^[1]该芯片的指令最快处理时间可达25ns，内部存储空间大，且具有扩展功能。人机交换部分的CPU选择型号为W78E51BP的单片机，与外设组件完成数据录入显示以及通讯功能。

表2-1 TMS320F206的内部存储空间

（2） 模拟量转换芯片的选取。

AD转换芯片选择AD7865高精度芯片，其采样速率最快可达2.4μS，最多可容纳四路模拟量同时采样，其耗能低并且具有过电压保护功能。

（3）外部扩展存储器的选取。

存储器的存放时间和控制器的操作时间相匹配才能最大发挥控制器的处理能力，因此，外部存储器选用CY7C1021，其存储空间为64K，存取时间可达12ns，可以完全满足控制器指令的需要。

（4）CPLD的选取。

选取CPLD进行开关量控制，可以使外部干扰对系统的影响大大减小，此处选用的CPLD芯片为EPM7128EQC100-7。^[2]

2.2 信号采集运算模块的设计。

信号采集运算模块电路原理图如图2.2所示，其主要功能为进行信号采集、信号处理和保护逻辑运算。

（1）模拟量采集电路。

采用三组芯片分别对变压器不同电压等级的三相电流以及装置保护侧的电压值进行检测，总计12组检测信号。应在进行信号转换前对信号进行滤波处理，同时为了保证数据相位相同，采集应同时触发同步进行。受系统算法的限制，信号采集必须在每个频率周期达到32次，即该转换器的信号频率应为1.6KHZ。的状态在AD完成转换之后转变为低电平，3块数据采集芯片的进行与非运算后输入到DSP的IN3接口，触发DSP的中断功能，从而处理器进行数据中断读取工作。完成数据读取任务后，中断INT8触发，保护判断运算被执行。

图2.2 信号采集运算模块电路图

（2）频率检测电路。

由于采样严格按照固定周期进行，当变压器上的电源频率产生波动时，会导致计算的结果产生误差，可能会引起保护功能的误动作。因此，需要实时检测电源频率。频率检测电路如如2.3所示，经互感器检测的电压信号经转换和隔离处理后，在CPLD中完成周期计数，经分频后，得出电源频率。^[3]

图2.3 频率检测电路

（3）外部扩展存储器。

将外扩存储区64K空间划分为两部分，分别用作数据存储和程序存储。为防止数据掉电丢失，重要参数和数据应储存在EEPROM中。为减少DSP输入输出口的占用，HT24LCO2的读取采用I²C协议。当WP的状态为1时，芯片可以执行读取操作，写操作被禁止；当WP状态为0时，芯片既可以进行读操作，又可以进行写操作。I²C主控制器完成HT24LC02的读写功能。

（4）CPLD的程序编写。

CPLD具有简化电路的功能。其主要功能有：

a.由于进行逻辑运算需要使用的开关量接口比较多，CPLD的输入输出接口的扩展弥补了DSP输入输出接口的不足。

b.一个四位输出端口可以用来进行AD转换芯片、看门狗芯片、AD运行正常指示以及继电保护运算程序正常指示的控制。

c.DSP进行AD采样数据的中断读取信号的发出。

d.划分外部RAM储存空间的内部数据区和程序存储区。

2.3 人机交换电路设计。

人机交换部分的电路原理图如2.3所示。

图2.4 人机交换电路原理图

CPLD分频发出串口通讯模块的时钟信号。外部存储器和处理器的地址连接通过CPLD连接，CAN和时钟芯片也通过CPLD也分时间共用数据总线。CPLD的地址译码器负责处理芯片的片选信号。时钟芯片记录了设备执行动作时的时间，DS12R887时钟芯片功能强大，具有定时、中断、日历、可设定方波和带电存储的RAM空间等功能。时钟时间格式可自由调整，电源具有电源故障监测功能，当电源出现问题时可自动投入备用电源进行供电，具有充电电路，可对电池进行充电。看门狗芯片可以提高系统可靠性，当系统死机时，可执行复位重启操作。

2.4 串行通信端口设计。

图2.5 485通讯电路图

485通讯的应用非常普遍，图2.5为485通讯控制器的通讯控制电路图。485协议控制器的串行输入和输出线通过光电隔离芯片连接到收发器MAX485。收发器MAX485通过具有数据发送和数据接收功能的总线中端A和B连接到485总线。光电耦合器TIL113用作485通讯读写使能的控制。

2.5 信号采集模块和人机交换模块的连接

图2.6 信号采集模块和人机交换模块的连接

DSP串口通讯的收发方式通过ASPCR进行设置，它有硬件发送和接收两个中断。在数据传输过程中，当接收寄存器ADTR空闲时则发出发送中断请求，表示该端口已经做好接收数据的准备。当ADTR收到新的数据时，则有接收中断产生。当ADTR空闲时，则将会不断有中断产生。仅在ADTR收到信息发出发送中断时，CPU进行接收子程序的调用。当有数据发送请求时，则进行信息发送。

三 变压器保护器的软件设计。

图3.1 主程序工作流程图

软件的主程序整体工作流程如图3.1所示，装置上电后。首先执行系统初始化操作，然后进行系统自检，自检主要是对RAM、CT/PT线路的检测。若检测结果正常，则系统执行保护参数的运算和处理，进行电量保护参数的运算。运算完成以后，系统进行保护逻辑的运算，判断变压器是否有故障发生，一旦发生故障，则驱动硬件设备发出故障报警信号，并对故障信息进行存储，然后在液晶显示面板对监测数据和故障信息进行显示；若变压器没有故障发生，则仅显示监测数据。然后整个程序如此往复循环执行。

四 结论

本文结合现场实践中的具体经验，通过对变压器故障和继电保护原理的研究，进行了变压器保护装置的设计。由于DSP迅速强大的处理能力，可对变压器的各种故障进行快速的分析和处理。在硬件上，CPLD的选用，增强保护器的抗干扰能力的同时，使电路的结构得到简化，串口通讯的引入使远程监控成为可能。通过实际应用表明该保护器的继电保护功能正常，动作准确有效。然而该装置将会有很多地方需要改进，在通讯方面随着高速以太网的应用，可以在保护器中加入高速以太网通讯接口；在谐波干扰抑制方面，应采取有效的手段，加强设备对谐波信号干扰的抑制能力，提高设备的可靠性，避免误动作的产生。另外随着技术的不断发展，更多更新更先进的技术应当应用到保护器的设计之中。

参考文献：

[1] 李刚,林凌,叶文宇.TMS32OFZO6DPS结构、原理及应用.第一版.北京:北京航空航天大学出版社,2002

[2] 张永强,邓少芝,王凯,许宁生.专用键盘接口芯片的一种CPLD实现方案.电子技术应用.2002(11):17-18