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摘 要：介紹了數字信號處理器（DSP）的特點，分析了微機保護系統及電容器保護裝置的現狀。根據微機保護系統的發展趨勢和DSP的特點，提出了基于DSP的雙處理器電容器保護裝置的設計思路。<!--摘要CH(結束)←-->
<!--→關鍵CH(開始)--> 關鍵詞：數字信號處理器DSP；電容器保護；微機保護系統 目前，10 kV～35 kV電壓等級系統的微機保護多為單CPU結構，全部的控制、監測和運算都由CPU來完成，CPU只能串行地完成任務。單CPU微機保護的運行速度在很大程度上取決于CPU的速度，CPU成為性能提高的瓶頸，在要求高速采樣的應用場合，單CPU系統顯得力不從心。因此，采用多CPU型的微機保護硬件結構是必然的。
高速數字信號處理芯片（DSP）技術的發展，為開發速度快、處理能力強的微機保護系統奠定了基礎。近年來，人們已經開始將DSP芯片用于某些電力系統產品的開發研究，并獲得了成功。
采用DSP芯片和一個通用處理器，設計了一個雙處理器微機電容器保護系統。該系統采用一個DSP芯片負責控制數據采集和執行數據濾波的任務，以及控制邏輯處理，并通過一個雙端口RAM與另一個通用處理器實現數據通信，而通用處理器主要負責部分控制邏輯處理、輸入輸出操作及與外部的通信等功能。
1 微機保護系統及電容器保護裝置的現狀
1．1 微機保護系統的現狀
對單CPU結構的保護而言，來自TA、TV的信號經過采樣保持、模／數轉換后，進入微處理器進行處理，而數據處理的整個過程都需要CPU的參與控制。在單CPU系統中，CPU除了提供采樣脈沖、發多路選通信號、啟動模／數轉換以外，還負責對數字信號進行數字濾波和實現保護算法。此外，為確保系統運行的可靠性而定期執行的自檢程序，為方便運行人員的操作而設置的人機接口程序，也都由CPU執行。可見，
在單CPU系統中，全部的控制、監測和運算都由CPU來完成，致使CPU只能串行地完成任務，這將造成兩方面的結果：一是保護的運行速度很大程度上取決于 CPU的速度，對于要求高速采樣的應用，系統顯得力不從心；二是選擇算法時必須放棄雖有較滿意的性能，但計算量大的方案。
傳統的單處理器微機保護硬件結構，從運行和可靠性角度來分析，該結構存在不足：容錯能力差，可靠性低，采樣／保持器件之后的任一元件損壞都可能導致裝置停止工作；整套保護中各個保護功能全由一個CPU分時承擔，任何一處程序跑飛都可能使全套保護工作混亂；由于單CPU系統軟硬件采用串行工作方式，任何新功能的增加都要對原裝置作通盤的考慮和調整，因此開發擴充新的功能困難；系統故障的診斷不易定位，維修困難。
因此，可以對單CPU系統進行一些改進，一種設計是選用高性能器件減少S／H、MUX、ADC各環節的響應時間，以改善整個系統的速度，但實際的芯片速度受到限制，而且將增加成本；另一種設計是利用模／數轉換的時間，讓CPU執行其它的任務，等模／數轉換完成后并發出中斷申請時，CPU再響應中斷，讀取轉換的結果，并啟動下一通道轉換。這種設計提高了時間的利用率，但增加了CPU響應中斷、保護現場和恢復現場的工作量，在CPU速度不高時有可能得不償失。另外，本次的采樣數據要到下一個采樣周期才處理，增加了反映故障的時間。
自80年代以來，國內外逐漸開始研制多CPU型微機保護硬件結構，各種方案總的來說可分為兩類：一類是將保護功能和人機界面等功能分開，由不同的 CPU分別承擔電氣量的采集與變換、控制邏輯運算、人機對話和打印輸出、與上位機通信、數字量輸入和處理等功能。這樣的系統特點是模塊化，能夠實現故障定位到板，開發保護的新功能方便，但接線復雜，各板間聯絡線多，會影響系統的可靠性；CPU數目多，使得裝置體積大且成本也較高。另一類是多CPU并列處理式結構，不同保護功能（如差流、過壓等）由不同的CPU完成。該系統的特點是每個保護插件的硬件完全相同，只是EPROM中的運行程序不同，各板間的聯絡線很少，因而維護檢修方便，抗干擾能力強。此外，也可以只將信號采集與處理的功能分離出來，由一個專用CPU承擔，而保護的其余任務仍舊留給另一CPU完成，這就是本文所要介紹的雙處理器系統，該系統具有第一類方案的優點，但其CPU插件少，板間聯絡線少，維修方便，體積小成本也較低，是理想的微機保護硬件結構的設計方案。
在微機保護系統中，數據的采集與處理所占用時間，較運行保護運算程序的時間要長得多。因此，在雙處理器微機保護系統中，由于保護運算的速度已達到較高的水平，要提高保護運行的速度就必須提高數據采集與處理的速度。美國Texas公司的DSP芯片TMS320F206的指令周期為25／35／50μs，且大多數指令可在單周期內完成，而MCS－96系列的通用處理器，最高的主頻也只達20 MHz，相應的時鐘周期為100μs，考慮到一條指令所需的周期數，其速度遠不如DSP快。由于DSP系統中的數字部分高度的規范性，使大規模集成更為便利。
1．2 電容器裝置保護的現狀
為了維持電壓在規定范圍內，必須采取無功補償措施，并聯電容器由于具有運行靈活，有功損耗小、維護方便、投資少等優點，在電力系統中得到了廣泛應用。因此，研究功能齊全、通用性強、可靠性高的電容器保護裝置，對保證電容器的安全運行很有益處。
電容器裝置的故障類型有兩大類：一是指不正常的運行工況，可能對電容器的安全造成危害；另一種是指電容器裝置內部（包括聯接線）故障。尤其對于高壓電力電容器而言，由于其容量大、作用重要，設計要求配置專用繼電保護裝置，作為電容器內部故障保護之用。
1．3 微機電容器保護裝置的功能
1）研制的裝置配有以下8種基本保護功能可供選擇：①電流速斷；②時限過流保護；③過電壓保護；④欠電壓保護；⑤零序電流保護；⑥差流保護；⑦零序電壓保護；⑧差壓保護。
各種保護的投入和退出可由用戶根據電容器的接線方式方便地選擇，而無需進行軟、硬件的修改。
2）輔助功能的設置，是基于使所研制的微機電容器保護裝置既可獨立應用于各種電壓等級的變電站和不同接線方式的電容器組的保護，又可作為變電站綜合自動化系統的一個子系統，同時能滿足無人值班變電站的需要而仔細設定的。歸納起來，主要輔助功能：①裝置面板設有液晶面板，可以圖形化和數字化相結合的方式顯示電容器組的投運狀態和正常無功、電壓值和不平衡電流值，故障發生時顯示各種故障記錄值；②有RS232、RS485和CAN等通信接口，可與保護管理機或調度端之間進行信息交換和接受遙控命令；③裝置面板上設有薄膜小鍵盤，可以就地修改保護定值；④可以記錄故障時的電壓和電流值，以供事后分析所需；⑤ 保護信號的自保持；⑥保護信號的就地和遠方復歸；⑦跳閘出口防跳功能，；⑧裝置具有上電自檢、靜態自檢和動態自檢功能。
3）所研制的微機電容器保護裝置還具有在線監測功能。
4）所研制的微機電容器保護裝置還具有以太網（10M／100M）、CAN網、RS485等接口，能支持多種通訊規約。
2 DSP芯片的主要特點
2．1 運算速度越來越快
DSP的總線采用哈佛結構，即獨立的程序總線和數據總線，流水線處理技術，使運算速度特別快。例如TMS320F206芯片的單周期指令執行時間為25～50μs。
2．2 片內外存儲器容量越來越大
例如TMS320F206片內Flash RAM有32K字，片內有單訪問RAM為4．5K字，雙訪問RAM為544字。
2．3 I／O接口功能強
具有并行I／O，異步串口，同步串口等。
2．4 具有多種片內外設
F206芯片具有16位硬件定時器，多路PWM，看門狗定時器和實時中斷定時器等。
2．5 精度高
定點DSP芯片字長16位，CALU和累加器32位，浮點DSP芯片字長32位，累加器40位。
2．6 片上串行掃描仿真接口
F206芯片具有與IEEE標準1149．1兼容的JTAG掃描邏輯電路，該電路用于仿真和測試。
2．7 FFT執行時間和專用的硬件乘法器
FFT運算在數字信號處理中很有代表性，因此運行一個FFT程序所需時間作為DSP芯片運算能力的一個指標。而在一般形式的FIR濾波器中，乘法是 DSP的重要組成部分。對每個濾波器抽頭，必須做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，DSP處理器的性能就越高。在一般的通用處理器中，乘法指令是由一系列加法來實現的，因此需要若干個指令周期來完成，相比而言，DSP芯片的特點是有一個專用的硬件乘法器，乘法可在一個指令周期內完成。
2．8 特殊的DSP指令
為了適應實時數字信號處理的要求，DSP芯片還設置了一些特殊的指令，如TMS320F206系列的芯片為FIR濾波運算設置了乘法累加器，從硬件上實現了乘法器與累加器的并行工作，從而可以在一個指令周期內完成一次乘法，并將上一次的乘積求和。因此，對于N階FIR濾波只要N個指令周期就能得到一點輸出。另外，DSP還專門設置了硬件數據指針的逆序尋址功能，以加快FFT過程中進行數組逆序尋址運算的速度。
3 系統設計
3．1 基于DSP的雙處理器微機保護的優點
基于以上分析，硬件的特殊結構及集成電路的優化設計，使得DSP芯片具有很高的運行速度，將DSP芯片作為并行的處理器設計，充分發揮DSP的數字信號處理能力，可縮短整個系統的運行時間。在基于DSP的雙處理器微機保護系統中，將控制數據采集部分和執行數據濾波的任務都交給DSP承擔，既可以利用 DSP強大的數字運算能力來進行快速、高精度的濾波計算，又可以減輕通用微處理處理器的負擔，使其有充分的時間進行高精度的保護運算。
由于保護和監控數據采集處理的工作量很大，通用微處理器的數據處理速度達不到要求，在以往的系統中，保護和監控功能都是由兩個相互獨立的處理器分別實現的。基于DSP的強大數據處理能力，保護和監控的數據采集處理操作由一個DSP處理器完成即可滿足要求。從而，用基于DSP的雙處理器系統可以構成單機實現保護監控的保護系統，該系統只用一套微處理器系統及相應的數據預處理元件，硬件設計簡化，裝置體積小，成本低。
3．2 系統軟件設計
基于DSP構成的微機電容器保護系統，由于DSP處理器的特性和以往的通用處理器不同，計算能力有了很大的提高，使計算過程簡化、計算量小不再是評價算法的首要指標，在算法的收斂速度和估計精度方面則提出了更高的要求。
基于以上所述，可在保護算法中引入最小二乘法（Least Error Squares），由于LES法的數據窗長度是固定的，而且是非遞推的，每個新采樣數據進入數據窗都會將最早的采樣數據移出窗外，使數據長度不變，而相應的系數矩陣也要進行更新，必須重新求解方程，因此LES法的計算量很大。為了減少計算量，可將LES法改進成遞推最小二乘法（Recursive Least Er－ror Squares Algorithm），即RLES法。采用RLES法在增加一個新采樣后，僅對原估計值進行某些修正，以滿足實時計算的要求。RLES法是變數據窗的，第一個采樣數據到來之后就能算出結果，隨著數據窗長度的增加，估計的精度逐漸改善。當采樣數據遠多于待估計的數據時，RLES法的計算量較常規的非遞推 LES法的計算量顯著減少。
基于DSP的雙處理器電容器保護系統，DSP與通用處理器各自的軟件系統是相對獨立的，它們只通過共享存儲器實現數據信息的傳遞轉換。
DSP以中斷方式實現對n路數據的采樣，其中斷服務程序框圖如圖1所示。為實現遞推計算，DSP所采集的數據采用環形存貯技術存儲，環形緩沖區的長度可容納n個周波的數據。數據處理的內容包括各種電量的計算及標度變換等。而通用處理器則采用多任務操作系統的設計思想，設計了一個微型多任務調度內核，該調度內核將CPU時間資源劃分為基本時間片，通過在不同的時間片分配給CPU不同的任務，實現多任務運行機制。
3．3 系統硬件設計
在由通用微處理器和DSP組成的雙處理器電容器保護系統中，來自TA、TV的信號在經過采樣／保持，多路轉換，模／數轉換后，進入DSP進行處理。該過程中，DSP提供采樣脈沖，發多路選通信號和啟動模／數轉換，對數字信號的數字濾波也由DSP完成。最后，DSP將經過處理的數據傳送給通用微處理器。
通用微處理器負責對DSP送來的數據按保護算法進行計算，在加以判別后作為控制出口回路的依據，通用微處理器還負責管理人機接口和開關量讀入。在系統正常工作時，兩處理器只通過共享存儲器實現數據的傳遞和轉換。基于DSP的雙處理器微機電容器保護系統，其硬件結構采用了一個DSPTMS320F206 芯片和一片80C196單片機做雙處理器并行處理的技術，如圖2所示，兩者通過雙端口RAM實現高速數據通信。雙端口RAM芯片一般具有兩套獨立的控制邏輯與數據存取端口，當同時操作同一存貯單元時，片內仲裁邏輯將只允許從一端口進行讀寫操作，而封鎖另一端口。被封鎖的端口有BUSY線被拉低，從而使連接在該端口的CPU處于指令保護狀態，待BUSY變高后，CPU可繼續操作。每次采樣，DSP將啟動采樣／保持，多路開關MUX和A／D轉換器，分別將各路模擬通道的模擬信號轉換成數字信號，進行各種數字信號處理計算后，將計算結果送入雙端口RAM以供讀取，雙端口RAM負責出口控制操作，還負責管理人機接口的鍵盤顯示器。
4 結論
提出的基于DSP芯片的雙處理器微機電容器保護系統，充分利用了DSP芯片強大的數字處理能力，使保護的整體運算速度得到提高，同時具有的在線監測手段使得對電容器內部故障能提前獲知。該系統符合當前電力系統微機保護快速精確的發展趨勢。
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