基于TMS320C32的变压器微机继电保护装置
摘要：介绍了DSP芯片在电力系统变压器微机保护装置设计中的应用。在对保护装置的总体设计方案作了分析的基础上，重点介绍了装置中模拟量采集的硬件电路设计。此外，论文对装置的保护算法作了一定的介绍。在电力系统变压器微机保护装置中采用DSP芯片进行开发设计，不仅可以完成变压器保护的功能，而且大大提高了处理数据的效率。
关键词：DSP；变压器；微机保护；小波变换
概述
在电力系统微机继电保护研究领域中，变压器保护的研究和开发一直受到人们的广泛关注。一方面，将传统的保护原理如比率制动和二次谐波制动原理应用于微机保护，并借助计算机所具有的技术优势，重点针对保护原理的具体实现技术进行改进和完善，以提高变压器保护的总体性能。另一方面，充分利用计算机的数字运算、逻辑处理以及长记忆能力，不断探索新的保护原理，如采用故障电流实现差动保护、采样值差动保护、波形对称性原理、以及根据变压器磁通变化特性来判断励磁涌流等。
但这些原理的实际应用无不对微机保护的指挥中心——CPU的内核结构、高速运算能力以及与实时信号处理相适应的寻址方式等许多方面的特性提出了更高的性能。在研制开发矿井35kV主变微机保护的调研时发现，当前应用于电力系统微机保护中所采用的CPU多为8位或16位CPU，如INTEL公司的8086、MCS51系列及其兼容产品、8098、8086、以及80C196等。这一类CPU均是80、90年代的主流CPU。其中80C196系列是目前国内微机保护装置中最常用的一种CPU。由于变压器微机保护中，要求采样的模拟量多，数字保护算法的计算量大，即使采用80C196作为保护装置的CPU，其任务也是相当繁重，这成为改进微机保护性能的一个瓶颈。因此直接采用了美国德州仪器公司(TI公司)生产的TMS320C32作为保护装置的主CPU，让其承担实时数据的采集、完成保护算法等继电保护的主要功能从而使整个保护装置的性能有了一个质的飞跃。
TMS320C32概述
TMS320C3X系列是TI公司的第三代产品，也是第一代高性能的32位浮点运算的芯片。C3X将浮点运算和定点运算结合应用，使其运算精度更高。由于不用考虑运算溢出的问题，所以能实现高级语言的程序设计，可以实现诸如FFT等复杂的控制算法。TMS320C32的速度有40、50、60MFLOPS3种型号，其对应的指令周期分别为50ns、40ns、33ns，是一款高性能32位DSP器件。TMS320C32具有以下性能和特点：
(1)对整数或浮点数进行并行乘法和ALU运算，可以在单指令周期内完成。
(2)具有可用的寄存器组、程序高速缓存、专用的辅助寄存器运算单元(ARAU)、内部32位256字单指令周期双口存储器。
(3)16Mb的地址空间(24位地址总线)，拥有多处理器接口。其程序总线16/32位可选，由于采用了增强型的外部存储器接口，可以灵活方便地存取8/16/32位数据。
(4)具有2个DMA通道支持开发的I/O、2个内部32位定时器、一个串行接口，多重中断结构，中断的触发方式可以是电平触发，也可以是边沿触发。
(5)软件编程上具有灵活方便的可变引导程序装载功能。
保护装置的硬件结构
保护装置的硬件结构如图1所示。使用DSP芯片TMS320C32PCM40作为主处理器，其主要承担实时数据的采集、完成保护算法以及实现继电保护功能，而将人机接口、网络通信等功能交给监控管理CPU完成。这样，将保护功能和其他扩展功能分离，一方面可以使DSP更专注于完成保护算法，降低软件设计的复杂程度以减少不必要的失误。另一方面，扩展功能可由更擅长人机接口、网络通信等功能且有大量成熟外围电路的AT89C52来完成，以做到各施所长。
图1 保护装置系统功能结构
由于TMS320C32没有片内ROM和FLASH，必须进行扩展。其片内RAM由RAM0和RAM1两部分组成，均为256×32位单指令双口RAM，由于不能满足微机保护系统的要求，故也必须进行扩展。对于高速DSP处理器，其读操作从地址稳定至数据有效的时间约为50ns左右(对于40MHz的处理器而言)，因此，在进行外部存储器扩展时，为了减少不必要的低速外设接口部件而插入的等待时间，故应选用高速器件。在本设计中系统扩展的外部RAM采用了IS61C1024L，该片是128k×8位的高速低功耗静态SRAM，采用单电源+5V供电，完全兼容TTL电平。其存取时间仅在10～25ns之间，故对于TMS320C32来说可实现零等待扩展。对于外部程序存储器的扩展，本设计采用了AT29C010，该片是128k×8位CMOSFLASH存储器。由于其数据擦除和编程均采用隧道效应来实现，所以仅需要nA级的电压(15～20V)编程电流。因此，只需要单电源+5V供电，通过片内电荷泵来产生所需编程电压，且完全兼容TTL电平。AT29C010的存取周期为70ns，因此需要在进行片选读写时必须插入2个等待周期，这可以采用门电路或译码电路来实现。
在微机保护中，前向通道的设计是至关重要的。在本系统中，变压器两侧的6个电流互感器二次侧输出的电流，经过西南自动化所生产的WB系列电量隔离放大器的二次变换，转换为与输入电流成正比的电压信号。该电压信号经RC低通滤波和限幅电路后，至同步保持电路。经过同步保持的模拟信号通过差分的多路开关(MPC507A)输入，经过高速运放(IN154)调理后，作为模数转换器件的输入信号。模数转换(A/D)采用了TI公司的ADS7810。该芯片是12位并行单通道高速A/D转换器，采样频率为800kHz，转换时间仅为1.25μs。ADS7810采用±5V的供电模式，模拟量的输入范围为±5V。图2为以ADS7810为核心的前向通道的接口逻辑图。ADS7810的转换结果通过高速光耦(TLP113)接入到TMS320C32的数据总线。多路开关和A/D的地址信号与片选信号均由控制逻辑产生并经隔离后发出。ADS7810完成一次转换后，发出#BUSY信号通过隔离后接到DSP处理器的INT3中断，用于启动DSP处理器中的中服务程序以读取转换后的数据，并进行运算和处理。在本系统中，没有在A/D转换前采用高速线性光耦，而是将隔离部分放在了处理器与A/D模块之间。这样做，一方面是降低了系统的成本；另一方面也避免了由于隔离放大器的精度而带来的系统偏差，从而提高了整个前向通道的采样精度。
从以上的硬件电路结构可以看出，DSP与高速A/D的采用为实时信号快速采集以及进行高速的运算提供了可靠、强大的硬件保障。
图2 以ADS7810为核心的前向通道的接口逻辑
保护的算法及软件简介
该装置在选用保护原理时，一方面充分考虑并配置了几种传统变压器保护原理，如相量差流速断保护、比例制动相量差动保护、比例制动采样值差动保护、二次谐波闭锁等，另一方面又对当今学术界比较热门的小波变换变压器保护这一新原理进行了应用研究。在保护装置的实验运行阶段先投入传统原理的保护，新原理的保护投信号以进行验证和比较，考验时间充足后转投跳闸。限于篇幅，本文仅对所采用的小波变换变压器保护这一原理进行简单介绍。
小波变换是90年代兴起的一门新的理论，它克服了工程界一直应用的Fourier变换不能同时在时、频域取得局部化特性的缺点。小波变换根据信号的变化特征，通过对小波基的伸缩和平移，可自适应地调整分析窗的宽窄来更好地分析暂态突变信号或微弱变化信号。事实上，当电力系统发生故障时，其暂态突变信号包含了所有反应故障的有用信息。况且，电力系统故障暂态信号具有持续时间短、所占频带宽等特点，传统的付里叶变换和加窗付里叶变换均难以对其进行有效的分析。而小波变换由于具有时频局部化性质和时空域的平移不变性，因此从理论上来说，小波变换这样一种适合分析暂态信号的算法将有利于提高电力系统继电保护装置运行的可靠性和灵敏度。
对于变压器保护的一个重要问题是找到区分空载合闸时产生的励磁涌流和变压器内部故障的根本依据。变压器空载合闸和内部故障时差动电流的波形具有明显的不同特征。对于励磁涌流有2种情况：对称性励磁涌流和单向励磁涌流，其波形具有间断特征，而内部故障时的波形是连续变化的，整个过程没有间断。为此把小波变换应用于变压器保护主要就是立足于变压器差动电流的波形特征，这样有用的只是小波系数的幅值，为此选用实小波。由于B样条在同阶多项式样条函数中具有最小支集，且其各阶系数容易计算得到，又因三次样条小波具有广义线性相位和较窄的时间窗等特性，故本文选用三次B样条小波，并用Mallat算法对变压器的差动电流进行分析以检测信号奇异性。其对应的镜相滤波器中，低通分解滤波器H其离散形式的系数为：h(-1)=1/8，h(0)=3/8，h(1)=3/8，h(2)=1/8；高通分解滤波器G其离散形式的系数为：g(0)=-2，g(1)=2。
将典型的变压器空载合闸和内部故障时差动电流的进行小波分解后，若把一周内小波系数的波形分成前后2个半波，把后半波前移180°(半个周期)就可以直观地看出，在内部故障时，小波系数波形比较平滑且大多数采样时刻总有当前时刻小波系数与半周前对应时刻的小波系数符号相反，大小也大致相等；而空载合闸时，励磁涌流的小波系数绝大部分时刻不满足这一点。若前后半波小波系数大小相等(数值对称)、符号相反(方向对称)，称为对称，若仅符号相反的则称为不完全对称，符号相同的称为完全不对称。
为此，可利用一个变量来描述前后半波小波系数在数值和方向上的对称情况，设一个合适的门坎值，作为小波变换变压器保护的主判据。
为了保证在进行小波分解时励磁涌流的间断特性不产生太大的畸变，因此需要选用较高的采样率。为兼顾硬件的性能和变压器主保护快速动作的要求，本文选取1800Hz的采样率，即每周采样36点，这样所能区别的最小角度就是10°。
保护装置的软件采用了模块化的设计思想，由主程序模块、中断服务子程序模块和各个功能子程序模块3大部分组成。实际编程采用C语言和汇编混合编写，提高了数据处理的能力，也保证了程序的可靠性。
总结
在模块化设计的基础上，开发的TMS320C32处理器为硬件核心的电力系统变压器微机继电保护装置，经过近半年的实验室和工业现场试验运行证明，能够满足35kV变压器保护可靠性、选择性、速动性以及灵敏性的要求。在此硬件装置平台上不仅可以实现对变压器的保护，通过对软件的适当修改还可以实现高压电动机保护、电容器保护等其它功能。