摘要: 提出一种基于DSP56F807的多CPU发变组保护装置的解决方案。分别介绍了装置的硬件和软件的设计思想。归纳出与通用DSP相比DSP56F807的优点。该装置充分利用了DSP56F807的特点，使得装置具有很高的整体运行可靠性和稳定性。

1 引言

    发电机变压器组（简称发变组）是电力系统最重要的电力设备之一，尤其是大型机组，运行工况复杂，配套设备多，相对事故频率高，使故障的分析、判断很困难，要求发变组保护装置具有良好的实时性、快速性和稳定性。 微机继电保护技术日新月异，硬件平台也从原来的8、16位单片机发展到现在的16位甚至32位浮点DSP。目前市场上的继电保护装置大多采用TI的TMS320系列DSP。近年来Motorola推出的新一代的高性能、低价位的16位定点DSP56800系列，除具有通用DSP的特点外，还兼具单片机的所有功能，片内集成了相当容量的Flash，RAM以及丰富的I/O模块，单芯片便可运行。基于Motorola的DSP56F807的特点，本装置首次将其应用在继电保护装置中，并取得了良好的运行效果，可实现以下保护功能：过电流保护；低压闭锁过电流保护；复合电压闭锁过电流保护；低压记忆过电流保护；定子过负荷告警；负序过负荷告警；过电压保护；失磁保护；欠电压保护；低压过流切换励磁保护；TA断线告警；TV断线告警。

2 装置特点

    本装置是成套的发变组保护，或独立的发电机保护和变压器保护，保护种类根据机组容量及配置要求而定。具有以下几个方面的特点：

● 装置具有独立性、完整性、成套性。被保护设备包括发电机变压器组、发电机、主变压器、厂用变压器、备用变压器、励磁变及同步调相机等。
● 保护装置模块配置合理，局部出现故障退出运行时，其他保护仍可运行。
● 装置中不同类型的保护设有方便的投退功能。
● 装置具有必要的参数监控功能。
● 装置具有自动检测功能。当装置自检出元器件损坏时，发出装置异常信号，装置不回因为自身故障原因误动。
● 装置设有自复位电路，在因干扰而造成程序走死时能通过自复位电路自动恢复正常工作。
● 装置各保护软件在任何情况下都不互相影响。
● 为了提高保护装置的可靠性，设有专门的启动CPU。
● 装置具有独立的内部时钟，其误差每24h不超过5s，提供外部时钟同步接口。

 3 硬件方案
      整个装置主要由中央处理单元（DSP）、人机接口单元和数据采集单元组成，中央处理单元采用DSP56F807，主要完成数据的处理、判据的实现和保护出口等；数据采集单元采用MAX125，实现对18路模拟量的实时同步采集；人机接口单元主要完成键盘响应、菜单操作、液晶显示、信号指示，并与DSP及后台计算机进行通讯等功能。硬件结构如图1所示。

    系统核心采用3块CPU方案，1号CPU负责主保护、2号CPU负责后备保护、3号CPU为启动CPU，主要负责主保护和部分后备保护的启动判断。正常情况下，启动CPU负责启动判断，2、3号负责出口判断，但在启动CPU发生故障时，2、3号CPU本身完成启动与出口判断功能。另外启动CPU与其他两块CPU采用不同的算法和判据，以保证整个装置的正确动作，降低误动、拒动发生的可能，各CPU还提供自检和互检功能。

3.1 DSP56F807的特点

     DSP56F807是Motorola推出的高性能、低价格16位定点DSP56800系列中的一种，它兼具高效率数字信号处理能力和MCU的实时控制能力。此系列DSP采用56800 Hawk V1内核，该内核的特点如下：
● 双哈佛结构，支持并行处理；
● 在80MHz的时钟频率可达到40兆条指令/s(MIPS)的指令执行速度；
● 单指令周期可以完成16×16位的并行乘－加运算；
● 支持15种不同的寻址方式；
● 支持位操作；
● 支持硬件DO和REP循环指令；
● 支持可由用户定义的多级中断优先级；
● 支持软件子程序，中断堆栈空间仅局限于存储器的空间大小；
● 具有两个带有扩展位的36位累加器；
● 支持DSP和MCU两种风格的指令系统；
● 具有3条内部地址总线和1条外部地址总线；
● 具有4条内部数据总线和1条外部数据总线；
● JTAG调试接口。

    设计中选用DSP56F807数字信号处理器，最主要的原因是它与其他的通用DSP相比具有更丰富的I/O口和多种外围设备以及丰富的存储单元，它在单一的DSP芯片上集成了通用的I/O模块GPIO(最大可用GPIO引脚32根)、2个异步通讯模块SCI、1个同步串行外设模块SPI、1个控制器局域网CAN2.0B、4×4路A/D变换模块、用于各类电机控制的多路脉冲宽度调制6通道PWM模块、4个定时器模块Timer等外设模块，实现了完全的单片化。应用中采用灵活的设计方法，根据实际控制的要求，某些模块被当作简单的I/O使用。另外，它的片内程序Flash 60K、程序RAM 2K、数据Flash 8K、数据RAM 4K，引导Flash 2K，在本装置应用中完全实现了总线不出芯片的设计思路。片外除了两片MAX125，没有其他任何功能模块，使得装置整体运行具有极高的可靠性和稳定性。

3.2 A/D单元简介

    该系统采用Maxim的单片4通道14bit A/D转换器MAX125来实现对18路模拟信号的采集。它是内部带用同步采样保持器的高速多通道14位数据采集芯片，芯片内部包含一个14位、转换时间为3us的逐次逼近型模拟数字转换器，一个+2.5V的内部电压基准，一个经过缓冲的内部基准输入端，一个内部16MHz的时钟，一组可以同时对4路输入信号同步采样/保持电路。MAX125每一个采集/保持电路(T/H)前面有一个2选1的转换开关，共可有8个输入信号。而且MAX125的总线电平和DSP56F807的完全一致，故不需加任何总线电平转换芯片。 另外采集模块还设计了自检电路，可实现对MAX125的实时监控，一旦芯片发生故障，便开出告警信号。

4 软件方案

    该保护装置是成套的发变组保护，或独立的发电机保护和变压器保护，保护种类根据机组容量及配置要求而定，分布在三个CPU系统中。各CPU系统软件采用模块化设计方法，它主要采用三大模块：系统主程序、初始化程序和采样中断处理程序。采用C语言和汇编语言混合编程方式，数据格式采用自定义的浮点格式，在定点DSP中模拟浮点运算，具有很高的运算精度。系统主程序流程图如图2所示。
     ⑴ 系统主程序主要完成各判据的实现及出口信号的输出；各电流、电压、频率、有功和无功等电量的计算。它主要包括正常处理循环和故障处理循环两大部分。
         ● 正常处理循环：告警判断、故障启动判断；
         ● 故障处理循环：告警判断、故障出口判断。
     ⑵ 初始化程序完成必要的初始化，并对装置进行全面的检查、测试、整定等；初始化内容包括CPU内部特殊功能寄存器、口线功能初始化；A/D初始化；报告区、各标志位、计数器初始化；开出初始化等。
     ⑶ 采样中断处理程序主要完成采样数据及滤波、采样指针更新；面板复归信号处理；软件时钟及保护用计时器计时。