基于DSP的电力保护系统设计研究

基于DSP的电力保护系统设计研究
摘要：DSP即数字信号处理，是通过对数值计算的方式对信号进行加工的理论和
技术。

此技术用于变压器装置中，通过对变压器的控制进而对电力系统进行保护。

国内的电力保护系统主要通过单个的CPU结构进行处理，但也有采用双CPU单元进行处理，采用双CPU结构即DSP和单片机构成双CPU结构的电力保护系统设计，也取得了较好的效果。

单个的CPU系统，所有的控制、监测和运算都由这一
个CPU来处理，这样的CPU只能串行才能完成任务，此类结构造成保护的运行速度由CPU的速度来决定，就会使CPU系统不能很好的处理数据。

这样的单个CPU 系统也会造成计算量增大，所以采用多种形式CPU系统对电力系统进行保护就成
了必然。

随着高速数字信号处理芯片（DSP）技术的发展，开发一种速度快、处
理能力强的微机保护系统就成为了可能。

DSP的运算能力很强大，将其运用在电
力保护系统将是今后电力保护系统设计要特别关注的方向。

基于DSP技术用在电
力系统设计的成果很多，本文通过对DSP技术用于电力保护系统进行设计的技术
要点，并提出今后的发展进行展望。

关键词：电力保护；DSP；设计
目前，国内现场所使用的电力保护系统大部分采用单CPU结构，来自电压、
电流互感器的信号经过采样保持、模/数转换后，进入微处理器进行处理，而数据处理的整个过程都需要CPU的参与控制。

在单CPU系统中，CPU除了提供采样脉冲、触发多路选通信号、启动模/数转换以外，还负责对数字信号进行数字滤波和实现保护算法。

此外，为确保系统运行的可靠性而定期执行的自检程序，为方便
运行人员的操作而设置的人机接口程序，也都由CPU执行。

可见，在单CPU系统中，全部的控制、监测和运算都由CPU来完成，致使CPU只能串行地完成任务，这将造成两方面的结果:一是保护的运行速度很大程度上取决于CPU的速度，CPU
成为系统性能提高的瓶颈，对于要求高速采样的应用，系统显得力不从心;二是选
择算法时必须放弃虽有较满意的性能，但计算量大的方案。

因此，采用多CPU型
的微机保护硬件结构是必然的[1]。

高速数字信号处理芯片(DSP)技术的发展，为开发一种速度快、处理能力强的
微机保护系统奠定了基础。

近年来，人们已经开始将DSP芯片用于某些电力系统
产品的开发研究，并获得了成功。

因此，本文采用DSP和单片机构成双CPU结构
的电力保护系统，充分利用DSP强大的运算能力和单片机较强的控制能力，由DSP完成数据采集和各种保护算法的运算等，单片机主要负责各种参数的设置和
液晶显示。

DSP和单片机之间通过双口RAM进行数据通信，既保证了数据传输的高速率，又具有较好的抗干扰性能[2]。

1 电力保护系统的现状
我国的电力保护技术的研究，保护不同的部件，也就会出现不同的保护技术。

馈线保护技术是保护电流的一种保护技术。

馈线自动化保护技术主要由馈线自动
化和配电治理系统两大系统组成。

其中，馈线自动化主要通过对馈线信息进行及
时采集及掌控，进而进行有关馈线保护的功能。

而馈线自动化保护技术最主要的
是通信技术，通信技术能达到对整个配电网的数据采集及有效掌控，并能够实现
配电SCADA、配电高级应用（PAS）技术[3]。

随着技术的发展，这种技术也会出
现一些不足之处，于是就出现了新的馈线保护技术，通信技术发展到了光纤环网
和光纤以太网两种方式，采用这两种方式，进行数据的采集，不仅速度提升，而
且对电力故障的排查工作做得更确切。

馈线系统保护技术的出现，主要保护高压电线上的电流保护，主要通过快速
的通信技术进行实现，馈线系统保护运用快速通信技术实现了对其保护性能的选择，可以顺利完成故障隔离、重合闸、恢复故障等方面工作。

此技术表现的优点
是解决故障问题时间短，断开故障时间快，直接将故障隔离在故障区域之内，不
需要多余的装置就能够完成馈线保护等。

这些优点是随着通信技术不断的进步而
实现的一种保护技术。

到现在高速数字信号处理芯片（DSP）技术的发展，对电力保护系统的技术也有了更快的发展，此技术对数据的处理比以往更快速，更准确，排查故障方面的
运用也更加彻底。

此技术的内容庞杂，涉及到图像处理、语音处理及强度的数据
处理系统对我国电力保护系统都是一个很大的进步。

数字信号处理器的功能是将
从原始信号抽样转换得来的数字信号按照一定的要求，加以适当的处理，即得到
所需的数字输出信号[4]。

经过数模转换先将数字输出信号转换为离散信号，再经
过保持电路将离散信号连接起来成为模拟输出信号，这样的处理系统适用于各种
数字信号处理的应用，只不过专用处理器或所用软件有所不同而已。

2电力保护系统设计
本保护系统采用运算速度快、擅长数字信号处理的DSP芯片TMS320LF2407
作为主CPU控制模拟量的采集和计算、保护的判断、开关量的输入和输出。

由于
系统实时性的要求很高，功能配置也较多，所以为了分担主CPU的负担，增加了
一块8051单片机作为从CPU负责人机对话，处理键盘扫描、LCD显示、信号灯
显示及与上位机通信等实时性要求不高的系统任务。

此DSP (TMS320LF2407)十单
片机(AT89C52)的双CPU结构，克服了传统装置计算速度慢、计算精度低和保护
功能不完善的缺点，充分发挥了双CPU结构并行工作、分工合作的优点以及DSP
芯片运算速度快、擅长数字信号处理的优点，既满足继电保护速动性、选择性和
可靠性的要求，同时又实现了实时测量的高精度[5]。

2.1电力保护系统的硬件设计
电力保护系统的硬件主要的关键技术点是数据采集与处理模块、DSP与
89C52数据通信和DeviceNet通信接口。

DSP是数据采集与数据处理模块的核心，通过控制ADC来实现模拟量转换，并完成设定好的保护算法的运算，当计算的结
果满意时，就可以控制开关电量的输出。

A/D转换芯片也是数据采集与数据处理
模块的核心，它主要通过ADS8364芯片进行控制，采用FIFO方式读取转换数据。

DSP与89C52数据通信是两个端口，采用双端口RAM设计。

2.1.1 数据采集与处理模块
数据采集与数据处理模块以DSP为核心，通过对ADC的控制实现模拟量转换，然后完成预定的保护算法的运算，同时，在数据计算结果满足的情况下，控制开
关量的输出，以实现对外部回路的实时控制。

除DSP主处理器外，A/D转换芯片也是数据采集与处理模块的核心。

由于系
统的模拟输入量较多，而且其中的零序电流和零序电压还必须同步采样，所以采
用了ADS8364芯片。

它是16位的数据采集系统，内部集成6个独立的带采样保
持地ADC，提供6个独立的差分输入口，每两个通道共用一个转换触发信号，三
个转换信号同时触发可实现6通道同步采样，最高采样频率为250kHz，ADS8364
内部集成6×16bit数据缓冲寄存器，通过向A0、A1、A2写控制字可选择直接寻址模式、循环读数、FIFO三种方式读取单次模数转换的数据[6]。

我们采用控制逻辑
最简单的FIFO方式，即让A0、A1、A2直接接高电平，同时，让所有的转换信号
共用一个同步脉冲启动信号，这样6个通道同时工作，等所有通道都发出转换完
毕中断低电平后，DSP可按逻辑分别从FIFO中读取转换数据。

2.1.2 DSP与89C52数据通信
由于本系统采用了DSP与单片机双CPU结构，因此他们之间的数据交换接口
成为影响整个系统数据处理能力的重要环节。

本系统采用了双口RAM实现高速
数据通信，这种通信方式数据传输的速率很高，而且抗干扰性能较好。

双端口RAM提供了两个完全独立的端口，每个端口具有自己的地址线、数据
线和控制线，两侧CPU都可以将双口RAM看作自己的本地存储器，独立地读写
双口RAM的任一存储单元。

使用双口RAM时有一个问题需要特别注意，即当两侧CPU同时对双口RAM
的同一个单元进行操作时，有可能出现争用冲突。

通常，解决争用冲突的方案有
四种:硬件仲裁方案、中断方案、令牌传递方案和软件仲裁方案。

前三种方案必须
有器件内部相应的硬件功能的支持，而软件仲裁方案适用于任何双口RAM器件。

在具体实现时，为了尽可能减少双方读写冲突，将双口RAM空间分为低地址
区和高地址区两部分，规定低地址区空间用于单片机写入和DSP读出，高地址区
空间用于DSP写入和单片机读出。

2.1.3 DeviceNet通信接口
本文利用DSP内部集成的CAN控制器，提供了DeviceNet通信接口。

为提高
通信通道的抗干扰能力和可靠性，CAN收发器和CAN控制器之间加有双通道的高
速光耦6N137，以实现装置和DeviceNet总线之间的电气隔离。

CAN收发器选用Philips公司生产的具有多种保护的差动驱动器PCA82C250，并使其工作于高速工
作方式。

利用本系统的DeviceNet通信接口可与上位机组成网络监控系统，实现
无人化管理[7]。

2.2 电力保护系统的软件设计
整个系统需要完成保护、测量、通信、故障记忆、自诊断和人机交互等众多
功能，这就需要合理设计软件，科学安排程序流程。

系统所有软件均采用C语言
编写，采用模块化编程技术，整个程序具有结构清晰、可移植性强和升级容易等
特点。

DSP主程序主要完成初始化、保护器自检、扫描断路器状态、电力参数计算、各种故障的判断、处理以及与单片机通信进行数据交换等操作。

其中，初始化部
分主要完成装置内各个模块的初始化(包括DSP本身初始化、ADC模块初始化、捕获单元初始化、SCI模块初始化以及保护器系统参数、保护参数和故障记忆值的
初始化)和将保护器的初始化数据(系统参数、保护参数及故障记忆值)经双口RAM
通信发送给单片机等操作。

三相电流、电压值和零序电流、电压值的采样在DSP
的定时中断子程序中完成[8]。

有关DeviceNet通信的数据的接收、发送都在DSP
的通信接收、发送中断子程序中完成。

单片机主程序流程主要完成液晶显示和按键的识别与处理，采用全汉化液晶
显示，通过按键可以随时查询或设置保护器的系统参数、保护参数和时钟参数等
信息。

DSP经双口RAM通信发送给单片机的数据有:初始化数据、测量数据、故障信息(包括故障类型、故障发生时间以及故障发生时的电流、电压值等)。

其中初始
化数据单片机以查询方式接收，而测量数据和故障信息单片机以中断方式接收。

3继电保护的趋势展望
继电保护技术未来的发展趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展[9]。

3.1计算机化
随着我国计算机硬件迅速发展，微机的保护硬件也在不断地发展。

电力系统
对于微机保护的要求在不断地提高，除了继电保护的基本功能之外，还应该具有
大容量的故障信息存放空间，快速的处理数据的功能和通信能力，并且与其它保护、控制装置以及调度联网共享全系统的数据、信息以及网络资源的能力，高级
的语言编程等。

继电保护的微机化和计算机化是一个不可逆转的现代发展趋势。

但是对于如何能够更好地去满足电力系统新的要求，如何进一步地提高继电保护
装置的可靠性，还需要进行具体和深入的探索研究。

3.2网络化
3.3智能化
智能化技术如模糊逻辑、进化规划、遗传算法、神经网络等继电保护的各个
领域都得到了广泛应用，在未来的一段时间，智能化技术在继电保护方面必将会
得到更加广泛地应用，进而解决使用常规的方法很难解决的问题。

随着电力系统继电保护技术的高速发展以及计算机技术和通信技术的快速进步，继电保护的相关技术将面临着进一步高速发展。

目前国内外的继电保护技术
发展的趋势是：计算机化，网络化以及人工智能化，这对于继电保护工作者既是
一个机遇，也是一个挑战。

结语：DSP技术的发展给电力保护系统提供了便利，DSP技术和单片机的结
合也越来越多的应用在电力保护系统中，不仅在不同领域的电力系统得到了很好
的应用，而且也让DSP技术变得更成熟。

此系统将保护、测量、监控等技术进行
结合，为电力系统的保护变的更稳定，更安全。

此技术的硬件及软件技术的一些
技术内容可以移植到其他技术领域中，不仅将此技术系统得到了更好的推广，而
且让此类技术变得更有利用价值。

我国的电力发展在不断的变革，这也需要更先
进的系统保护技术的应用，没有技术的进步就不会有我国电力的发展，现在电力
系统中的变压器技术也是电力保护的核心设备，在这方面的研究也是电力保护的
重要领域，将这些技术应用在变压器上也是这个系统的关键。

智能化的技术在不
断进步，DSP技术实现了智能化，它使电力保护系统实现了网络化、智能化和自
动化全方位的发展，将来的电力系统将是一个人性化的管理，无需大量的人力就
可以实现全自动的控制，这也是电力保护系统的美好未来。

参考文献：
[1]何治勇，王松.基于双C P U 的电力保护系统设计研究[J].科技资讯，2012（1）：129-130.
[2] 余永权.ATMEL89系列单片及应用技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2012
[3] 陈文会，张元丰，徐荣英.基于MSP430F149的电力保护系统的实现[J].现
代电子技术，2012，9:62～65.
[4] 朱国庆，付梦印.基于DSP和单片机的双CPU数据处理系统[J].计算机工程
与应用，2015，21:113～115.
[5] 刘和平.TMS320LF2407xDSPC语言开发应用[M].北京:北京航空航天大学出
版社，2013
[6]张瑛. 基于DSP的可通信式漏电保护系统设计[J].漏电保护技术，2016（5）：31-32.
[7]江永玲，欧阳名三，曹粟，等.基于DSP的矿用馈电开关保护系统设计[J].
煤炭技术，2012，31（6）：32-33.
[8]姜炯迪. 基于DSP的电力系统继电保护测试系统设计[J].继电保护技术，
2014（7）：19-20.
[9]贺家李.电力系统继电保护技术的现状与发展[J].中国电力，2013，32(10):38-40.。