【導(dǎo)讀】目前，傳統(tǒng)低壓保護測控裝置的硬件平臺大多使用的ARM+DSP+FPGA多CPU結(jié)構(gòu)，存在數(shù)據(jù)共享、設(shè)備間隔擴展、時鐘信號同步、功耗高等方面的問題。為了解決這些問題，本文提出了一種以多核處理器OMAP5910(內(nèi)部集成有DSP和ARM內(nèi)核)為控制核心的低壓保護測控裝置設(shè)計方案，取得了較好的效果。
隨著電力系統(tǒng)自動化程度的不斷提高，繼電保護測控裝置數(shù)字化、智能化的趨勢日益明顯，并具有功能多樣化、通信接口豐富化、高可靠性和高性能指標等特點。
目前，傳統(tǒng)低壓保護測控裝置的硬件平臺大多使用ARM+DSP+FPGA的多CPU結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以保證數(shù)據(jù)交換的實時性和保護功能的可靠性，但存在數(shù)據(jù)共享、設(shè)備間隔擴展、時鐘信號同步、功耗高等方面的問題，為了解決這些問題，本文提出了一種以多核處理器OMAP5910(內(nèi)部集成有DSP和ARM內(nèi)核)為控制核心的低壓保護測控裝置設(shè)計方案，取得了較好的效果。
保護測控裝置的總體結(jié)構(gòu)
多核處理器OMAP5910是TI公司推出的開放式多媒體應(yīng)用平臺，片內(nèi)集成了DSP處理器和ARM處理器，DSP處理器基于X核，提供2個乘累加(MAC)單元，1個40位的算術(shù)邏輯單元和1個16位的算術(shù)邏輯單元，由于DSP采用了雙ALU結(jié)構(gòu)，大部分指令可以并行運行，其工作頻率達150MHz，并且功耗更低。ARM處理器是基于ARM9核的TI925T處理器，包括了1個16KByte的指令cache和8KByte的數(shù)據(jù)cache，1個協(xié)處理器，指令長度可以是16位或者32位。OMAP5910具有集成度高、硬件可靠性和穩(wěn)定性強、數(shù)據(jù)處理能力強、低功耗等優(yōu)點。
圖1 保護測控裝置的結(jié)構(gòu)框圖
為了檢修方便，保護測控裝置在設(shè)計時采用模塊化結(jié)構(gòu)，主要包括交流模擬量輸入模塊、數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、按鍵和顯示模塊、通信模塊、微控制器模塊等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
交流模擬量輸入模塊包括電壓互感器、電流互感器、信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路，用于將交流模擬信號轉(zhuǎn)換為能被OMAP5910處理的數(shù)字信號;數(shù)字量輸入模塊用于采集負荷開關(guān)位置信號、低壓斷路器位置信號、熔斷器熔斷信號等普通開關(guān)量信號，還可以采集重瓦斯動作跳閘、輕瓦斯動作告警等非電量信號;數(shù)字量輸出模塊主要用于各種保護裝置的出口跳閘、信號報警等功能;按鍵和顯示模塊主要用于人機交互;通信模塊用于與其它智能設(shè)備和監(jiān)控中心進行通信。
OMAP5910中的DSP處理器是實現(xiàn)保護測控功能的核心，主要負責(zé)交流模擬量與數(shù)字量輸入信號的采集、數(shù)字濾波、電氣量計算、保護邏輯判斷、故障信息處理、保護動作出口等實時性任務(wù)。
OMAP5910中的ARM處理器主要負責(zé)處理人機交互、GPS對時、網(wǎng)絡(luò)通信等非實時性任務(wù)。由于DSP處理器和ARM處理器集成在一個芯片內(nèi)，所以其功耗相對于多CPU結(jié)構(gòu)的硬件平臺要低很多，且不存在時鐘信號同步問題;DSP處理器和ARM處理器可以通過192K字節(jié)的內(nèi)部SRAM實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，不存在數(shù)據(jù)共享和問題，且整個硬件平臺具有較靈活的可擴展性，較好地解決了多CPU硬件平臺中存在的問題。
低壓保護電路設(shè)計
A/D轉(zhuǎn)換電路
低壓保護測控裝置采集的交流模擬信號包括三相測量電流、三相保護電流、零序電流和三相電壓[4]，三相測量電流使用5A/3.53V的線性電流互感器采樣，三相保護電流信號使用100A/7.07V的電流互感器采樣，零序電流使用20A/7.07V的電流互感器采樣，三相電壓使用220V/7.07V的電壓互感器采樣，共需要10路A/D轉(zhuǎn)換通道。
圖2 TLC3578的接口電路
A/D轉(zhuǎn)換芯片使用TI公司生產(chǎn)的TLC3578，它是8通道14位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采用單5V模擬電源和3V~5V數(shù)字電源供電，模擬量輸入范圍為-10V~+10V，完全可以滿足同時接多個互感器的設(shè)計要求。TLC3578的接口電路如圖2所示，TLC3578同OMAP5910的串行接口主要由片選信號 、時鐘信號SCLK、串行數(shù)據(jù)輸入SDI和三態(tài)串行數(shù)據(jù)輸出SDO四個引腳組成， /EOC端連接至OMAP5910的中斷輸入端，當(dāng)TLC3578內(nèi)部FIFO存儲區(qū)滿時產(chǎn)生相應(yīng)的外部中斷，觸發(fā)相應(yīng)中斷程序?qū)?shù)據(jù)讀走。
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數(shù)字量輸入電路
數(shù)字量輸入電路不但可以采集低壓供電系統(tǒng)中的負荷開關(guān)位置信號、熔斷器熔斷信號、低壓斷路器位置信號等普通開關(guān)量信號，而且還可以采集低壓變壓器的重瓦斯跳閘、輕瓦斯告警、超高溫跳閘、高溫告警等非電量信號。該裝置設(shè)有20路強電數(shù)字量輸入接口，并提供有4路可編程的備用非電量輸入接口，便于非電量功能擴展。數(shù)字量輸入接口電路如圖3所示，DIIN是數(shù)字量輸入端子，DICOM是數(shù)字量輸入電路的公共端，DIOUT為數(shù)字量輸入的輸出端，DIIN端的輸入交流信號經(jīng)整流、濾波、光電耦合器后變成數(shù)字信號輸出。
圖3 數(shù)字量輸入電路
數(shù)字量輸出電路采用啟動繼電器閉鎖形式，啟動繼電器的控制信號由OMAP5910的ARM內(nèi)核控制，出口繼電器的控制信號由OMAP5910的DSP內(nèi)核控制，只有啟動繼電器動作后，才能開放出口繼電器的正電源，從而實現(xiàn)數(shù)字量輸出控制的部分解耦，避免由于器件損壞而引起保護誤動作。
數(shù)字量輸出接口電路如圖4所示，當(dāng)需要輸出時，首先使啟動繼電器的DOENH置高電平，DOENL置低電平，光電耦合器EL852導(dǎo)通，啟動繼電器動作，其常開觸點閉合，使+24VE連接到+24V;然后將DOOUT置為低電平，光電耦合器EL852導(dǎo)通，出口繼電器動作，其常開觸點閉合，使跳閘或告警電路導(dǎo)通。
圖4 數(shù)字量輸出電路
通信接口電路的ARM內(nèi)核是實現(xiàn)信息交換的主要樞紐，本裝置配置有兩路10/100Mbit/s光纖以太網(wǎng)口和兩路RS485接口。兩路以太網(wǎng)口組成雙GOOSE網(wǎng)，負責(zé)接收和解析來自過程層智能操作單元的跳閘、開關(guān)等數(shù)字量信息，并向智能操作單元實時傳送數(shù)字量輸出信息，與過程層設(shè)備實現(xiàn)信息共享。RS485接口主要用于裝置的調(diào)試與維護，也可以用于與其它智能設(shè)備進行數(shù)據(jù)通信。
以太網(wǎng)接口電路采用以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS實現(xiàn)，RTL8019AS是REALTEK公司出品的10Mbit/s以太網(wǎng)控制器，支持8位或16位數(shù)據(jù)總線，實現(xiàn)了以太網(wǎng)媒介訪問層(MAC)和物理層(PHY)的所有功能，通過RJ45接口與以太網(wǎng)相連。RS485接口電路使用RSM485D芯片實現(xiàn)，RSM485D是集成雙路電源隔離、電氣隔離、RS485接口芯片和總線保護器于一身的雙路隔離收發(fā)器模塊，具有很好的隔離特性，隔離電壓高達2500VDC。
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低壓保護功能配置
保護測控裝置設(shè)置有豐富的保護功能，包括三段式帶復(fù)壓閉鎖的定時限過流保護、三段式過負荷保護、反時限過流保護、零序電流保護、負序電流保護、低電壓保護、過電壓保護和PT斷線告警等。保護測控裝置按照模塊化的設(shè)計思想，將不同的保護功能給劃分為獨立的模塊，各個模塊具有獨立的入口條件和出口狀態(tài)，并且每個模塊設(shè)置有控制軟壓板，可以通過控制軟壓板的投入或退出來配置裝置的保護功能，各保護功能的整定值和出口方式(跳閘或告警)可以通過按鍵或通信網(wǎng)絡(luò)來配置。這種模塊化的設(shè)計使保護功能具有極強的可讀性和移植性，各模塊間的協(xié)作關(guān)系清晰明了，有利于提高保護的可靠性。
OMAP5910的DSP內(nèi)核根據(jù)配置的保護功能和保護整定值與出口方式，將采集到的保護用交流模擬量通過數(shù)字處理后，與保護整定值進行比較，當(dāng)滿足保護動作條件時，按照配置的出口方式動作，并將出口信息傳遞給ARM核，供LCD顯示、狀態(tài)指示和數(shù)據(jù)通信使用。當(dāng)裝置被配以某種或多種保護功能時，其它未被配置的保護功能的相關(guān)整定值和事件信息變?yōu)椴豢梢?，在系統(tǒng)程序中不執(zhí)行相關(guān)保護功能，因此只需配置所需保護功能的整定值，可以最大限度地減少整定值數(shù)量，簡化用戶的定值管理，減少出錯的可能。
軟件設(shè)計
OMAP5910是一個高度集成的硬件和軟件應(yīng)用平臺，它支持WinCE、EPOC、Nucleus、VxWorks和Linux等多種操作系統(tǒng)，由于VxWorks操作系統(tǒng)具有高效的任務(wù)管理功能、支持多任務(wù)多優(yōu)先級、支持優(yōu)先級搶占和輪轉(zhuǎn)調(diào)度機制、極高的實時性和可靠性等特點，使其非常適合在保護測控裝置中應(yīng)用，可以提高裝置的實時性、保護軟件的可靠性和軟件開發(fā)及維護效率。
由于VxWorks操作系統(tǒng)采用多任務(wù)、優(yōu)先級搶占機制，因此在編程中把重點放在對任務(wù)、中斷進行劃分和任務(wù)調(diào)度的實現(xiàn)等問題上。
系統(tǒng)主要包括三個中斷、一個任務(wù)調(diào)度和多個任務(wù)，三個中斷包括A/D采樣中斷、定時器中斷和按鍵輸入中斷，任務(wù)包括模擬量計算任務(wù)、保護邏輯判斷任務(wù)、保護功能任務(wù)、數(shù)字量控制任務(wù)、故障錄波任務(wù)、通信處理任務(wù)、按鍵管理任務(wù)、報警功能(LCD顯示和指示燈指示)任務(wù)和GPS對時任務(wù)。實時多任務(wù)調(diào)度是整個系統(tǒng)的核心，是保證多個任務(wù)合理有序地執(zhí)行的關(guān)鍵，設(shè)計時將任務(wù)調(diào)度放在數(shù)據(jù)采樣中斷處理中執(zhí)行，其任務(wù)調(diào)度框圖如圖5所示。
圖5 任務(wù)調(diào)度流程圖
結(jié)論
本文提出了以O(shè)MAP5910為核心處理器的低壓保護測控裝置設(shè)計方案，借助OMAP強大的硬件平臺和VxWorks操作系統(tǒng)的軟件環(huán)境，使整個裝置的硬件結(jié)構(gòu)更加簡潔和優(yōu)化，有效地降低了裝置的整體功耗，提高了裝置內(nèi)部數(shù)據(jù)交換的效率和軟件開發(fā)的靈活性，提高了裝置的可靠性和可擴展性。同時，裝置具有靈活的保護功能配置和保護出口配置功能，簡化了保護整定值的管理和使用，便于使用和維護。
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