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摘要：介紹了變電站主變成套保護裝置的特點，給出了一種基于DSP器件TMS320LF2407A進行保護的雙CPU成套保護系統的基本設計方法及設計過程中應該特別注意的問題，最后給出了它的詳細硬件構成。該系統具有功能齊全、抗干擾能力強、性價比高等特點，具有一定的實用性。
關鍵詞：變壓器保護； 雙CPU成套保護；DSP；TMS320LF2407A
1 引言
大型變壓器在電力系統中的地位非常重要，一旦發生故障，影響范圍較大。隨著計算機技術的發展，變壓器微機保護越來越多，性能越來越好，使提高變壓器保護的運行水平成為可能，為保證系統和變壓器安全運行，對變壓器的保護提出了更嚴格的要求：
(1)提高靈敏度。要求差動保護能靈敏動作于相間短路故障，同時，也要求靈敏動作于內部高電阻接地故障。
(2)保持高速度。接至超高壓遠距離輸電線路的變壓器發生內部故障時，由于諧振會產生諧波電流，可能引起諧波制動的差動保護延緩動作，需要采取有效的加速措施或尋求新原理的勵磁涌流鑒別方法。
(3)有效地對付過勵磁。當大型變壓器短時過電壓或頻率降低時，勵磁電流會激增。一方面要求此時差動保護不能誤動作，另一方面要求防止變壓器流過很大的勵磁電流而發熱燒毀，需要具備能夠滿足過勵磁倍數要求，具有反時限特性，并能夠計熱累積效應的過勵磁保護。
早期的主變壓器微機型保護采用主保護和后備保護分開的設計方案，一套主保護加各側后備保護、操作箱、失靈及非電量保護等，需要7或8層機箱。但隨著高性能計算機芯片的出現，在一套裝置中包含主保護、各側全部后備保護的新一代主變壓器微機型保護已開發并得到廣泛應用。該套保護裝置除了非電量保護及開關操作箱外，全套主保護與后備保護只需一層機箱，實現雙重化后，一般僅需要4或5層機箱，2面屏。由于一套保護功能集中在一個機箱內，雙套保護采用相同的輸入輸出設計，所以外圍接線簡潔，其外圍回路要比主保護與后備保護分開的單套配置簡單。
主變壓器保護的雙重化理由：隨著計算機技術的發展，高性能計算機芯片的出現，主保護與后備保護合一的設計在技術上使保護配置雙重化成為可能；有多年線路保護雙重化的成功運行實踐經驗；對供電可靠性要求提高；雙重化的保護可采用不同廠家的產品，不用原理設計，對變壓器發生各類復雜故障時可靠地切除故障更有利。變壓器組屏方式的基本原則是相互獨立、安全可靠，并兼顧投停、檢修的靈活便利。主要考慮在一套保護異常投退的情況下，另一套保護仍能擔當起保護變壓器的重任；其次，考慮兩個屏之間的接線盡量少，以減少因二次回路接線復雜導致的差錯或隱患而引發的保護誤動作。
2 系統總體設計方案
2.1 總體設計的特點
根據主變成套保護裝置的功能需求及市場上的成熟技術，該系統采用“硬件+應用軟件”的系統構件進行設計，在此詳細介紹其硬件裝置。選取TI公司的DSP芯片TMS320LF2407A作為主控制器，其外圍硬件接口電路包括模擬信號的采集、開關信號的輸入輸出電路、通信模塊電路等。
該變電站主變成套保護裝置采用的是雙CPU系統：一套為監控CPU系統，另一套為保護CPU系統。監控CPU系統有雙重任務，其一為與上位機的通信管理，其二為該裝置的監控測量工作，保護CPU系統僅實現單遠箱內的所有保護功能。該系統具有系統故障自診斷功能，保護CPU定時向雙口RAM某地址寫入巡檢數據，供監控CPU系統查詢。當保護CPU系統出現故障時，雙口RAM中的數據不變，若監控CPU在20 ms內查詢巡檢數據不變，則認為保護CPU出現故障，同時告知上位機系統并實施后備功能。當監控CPU系統出現故障或通信故障時，上位機接收不到小機箱的信息，發出小機箱退出運行信號。硬件系統構成如圖l所示。
該雙CPU系統由兩套結構近似的保護測控裝置組成，其主要核心模塊為CPU處理系統、模擬信號的輸入和轉換電路、開關量輸入輸出電路、通信模塊電路。
雙CPU保護裝置的設計特點：
(1)硬件的模塊化設計，所有單元裝置均由不同插件組成。
(2)高可靠性設計。電源插件采用隔離屏蔽高冗余設計，可降低電源系統的溫度并提高抗干擾能力。
(3)簡潔性設計。選用多功能高集成度芯片作為CPU插件，以簡化硬件設計，提高可靠性。雖然硬件電路簡單，但功能強大，它充分利用軟件系統自檢及通信功能，用軟件實現硬件功能。
(4)系統性設計。變電站綜合自動化測控系統是由上位機、通信網絡和系列單元箱組成的一個完整系統。單元箱在整個系統中具有保護運行的獨立性，但也可充分利用本身雙CPU的優勢，來完成許多新的功能。監控CPU系統通過實時網絡將上述大量數據傳給上位機，便可完成諸如諧波分析、小電流接地選線及故障錄波等功能。
對有載調壓變壓器而言，單元裝置將相位的電壓及無功信息傳給上位機，上位機根據一定的數學模型進行數據處理，然后通過遙控方式進行主變壓器檔位的調節或補償電容器的投切，從而實現變電所無功電壓的綜合控制。
由此可知，各單元裝置既有獨立性，又互相聯系。作為系統的一部分，其功能和作用將隨著設計思想的進步而得到升華。軟硬件系統采用開放式設計思想，即實現系統的微機化和網絡化。
2.2 雙CPU的最佳組屏方式
傳統設計中有很多種組屏方式，如兩屏、三屏、四屏等。有的方案是將主后備保護分開，而通過分析目前變電站主變壓器出現的故障種類，可以得出一個結論，那就是為了減少變電站由于主變壓器造成的故障，最為理想的是采用三屏實現方式，即兩個主保護和一個輔助保護。兩個保護屏之間盡量不發生橫向聯系，而只與輔助裝置屏發生聯系。兩個主保護屏中都具有相同的差動保護、后備保護和非電量保護，而輔助屏只含有一些實現計量、測控和通信的保護。下面就具體設計方案作詳細介紹。
主保護主要包括：
(1)差動保護裝置：比率制動式差動保護、二次諧波制動、差動速斷保護和CT斷線閉鎖差動保護。
(2)后備保護裝置：復合電壓閉鎖方向過流(壓)保護、過負荷保護和零(間)序(過流、過壓)保護。
(3)電量保護裝置：瓦斯保護(本體重/輕瓦斯)、有載調壓保護。
輔助保護主要包括：
TA斷線自鎖、PT斷線告警、故障錄波斷路器分、合操作、開關狀態顯示，風機啟停控制、測量功能、電能計量功能。
該裝置配置了2個完全相同的CPU插件，分別實現監控和保護功能。CPU共用交流變換與模數轉換插件、開關量輸入、輸出插件、人機對話插件、跳閘與邏輯插件、告警和信號插件以及電源插件。該裝置采用多機并行工作、模擬量輸入、開關量輸入、輸出通道共享的硬件結構形式，具有抗干擾能力強、硬件冗余度好、速度快、硬件自檢能力強等優點。該裝置采用三屏設計，即保證了當某一線路出現故障時，變壓器仍然能正常工作，這點無論對于變壓器出現故障或變壓器的檢修都是非常重要的。
3 模塊子系統詳細設計方案
通常，在實現其功能的前提下，變壓器主變保護裝置的硬件設計應遵循以下幾個原則：多用高集成度的元件，少用分立元件；多用通用元件，少用特殊元件；盡量采用低功耗器件；模塊化設計，便于硬件發生故障后的檢測和修復。按照這個原則，本文設計的主變雙重CPU保護裝置的硬件構成如圖2所示，該裝置以TMS320LF240TA芯片為核心。時鐘芯片用于向系統提供當前時間，并為保存系統參數提供了空間。使用光電耦合器使系統的主要部分與外界電氣信號無直接的電氣連接，保證了系統在大電壓、大電流環境下的安全運行。
從圖中可以看出，整個硬件部分可以分為8個模塊，但是考慮到雙重主變保護裝置的特殊性，下面將詳細介紹四個模塊：
(1)CPU處理系統，目前大多采用DSP器件TMS320LF2407A。
(2)模擬信號的輸入和轉換電路，含有電流交流模擬信號、電壓交流模擬信號和直流模擬信號。電流電壓模擬量通過底板上的小CT和小PT隔離，進入CPU板放大。分別進入兩個CPU系統的多路開關，各CPU通過選通信號循環采集模擬信號。同時采用數字濾波器對各個模擬量濾波。
(3)開關量輸入/輸出電路，用于分合閘信號、分合閘位置信號、蓄電池、電容故障信號等。開關量輸入采用光電隔離芯片與CPU隔離插件進行隔離，進行濾波整形后，進入CPU口。同時程序具有防抖動功能。兩個CPU口輸出的控制信號經過與門、光電隔離、驅動后進入I/O板。
(4)通信模塊，CPU插件采用帶光電隔離的通信接口芯片來實現與總線網的隔離。電流互感器件采用單孔安裝方式，能有效地避免斷線故障，實現了強電和弱電的隔離。采用RS-485通信接口及CAN總線接口。
3.1 DSP模塊介紹
CPU是控制器的核心部分，它不僅需要處理輸入信號、輸出信號，而且還需要控制和協調各部分的工作等。該裝置的核心處理芯片采用美國德州儀器(TI)公司推出的低功耗Flash型16位RISC精簡指令集DSP芯片TMS320LF2407A。TMS320LF2407A除具有程序、數據分開的哈佛總線結構，流水線操作功能，單周期完成乘法的硬件乘法器之外，還具有以下特點：
(1)采用高性能靜態CMOS技術，使供電電壓降為3.3 V，減小控制器的功耗。
(2)具有高達32 KB Flash的存儲器，為多種用途的產品提供經濟的可編程解決方案。基于Flash的芯片中有256 KB引導ROM，使在線編程更加方便。
(3)高性能的10位模數轉換器(ADC)轉換時間為500 ns，提供多達16路的模擬量輸入，具有自動排序功能，可使最大為16路的轉換在進行同一轉換時不會增加CPU的開銷。
(4)提供串行通訊接口(SCI)，使之能與系統中的其他控制器進行異步通信(RS-485)。對于要求額外通信接口的系統，TMS320LF2407A提供一個16位的同步串行外圍接口(SPI)，還提供CAN通信模塊。
TMS320LF2407A DSP具有低成本、低功耗、高性能的特點，內部集成了幾種先進的外設，成為真正的單芯片控制器。
3.2 模擬量輸入及輸出電路
變電站自動化系統采集的電流、電壓、有功功率、無功功率、溫度等都屬于模擬量。模擬量輸入電路是綜合自動化系統中很重要的部分，變電站自動化裝置的動作速度和測量精度等性能都與該電路密切相關。
模擬量輸入電路的主要作用是隔離、規范輸入電壓以及完成模/數轉換，以便于與CPU接口，實現數據采集。
外部電流及電壓輸入經隔離互感器隔離變換后，由低通濾波器輸入至模數轉換器，CPU經采樣數字處理后，構成各種保護繼電器，并計算各種遙測量。外部開關量輸入經光電隔離，送CPU處理后，發出各種遙信及保護投退信號。
模擬量輸出電路的作用是把微型機系統輸出的數字量轉換為模擬量輸出，這個任務主要由數/模(D/A)變換器來完成。
由于本系統使用的TMS320LF2407A自帶16位模數轉換(ADC)模塊，所以不用另外設計采樣電路。但是考慮到TMS320LF2407A的轉換精度較低，可在TMS320LF2407A與外部電路之間連接一個MAXl280。
MAXl280是400 ksps/300 ksps、單電源、低功耗、8通道、串行12位ADC、內置電壓基準。采用真差分輸入，提供優異的噪聲抑制，具有改進的失真特性以及單端輸入時更寬的動態范圍。標準接口提供了轉換所必需的時鐘。可以方便地與標準的數字信號處理器(DSP)同步串行接口連接。
3.3 開關量輸入/輸出電路
開關量輸入電路的基本功能是將變電站內所需的狀態信號引入微機系統。輸出電路主要用來顯示、控制或調節CPU輸出的數字信號或數據。
開關量輸入電路由信號調節電路、控制邏輯電路、驅動電路、地址譯碼電路、隔離電路等組成。開關量輸出電路與輸入電路基本一樣。開關量輸入電路包括斷路器和隔離開關的輔助觸點、跳合閘位置繼電器觸點、有載調壓變壓器的分接頭位置等輸入、外部裝置閉鎖重合閘觸電輸入、裝置上連接片位置輸入等回路。這些輸入可以分為安裝在裝置面板上的觸點和從裝置外部經過端子排引入裝置的觸點。
由于電力系統特別是配電網中的干擾比較嚴重，因此開關量的輸入/輸出電路都需要連接光電隔離器件。
3.4 通信接口電路
目前，電力系統綜合自動化裝置的設計結構多采用多微機處理器，即多CPU系統。人機對話微型系統用于協調和指揮其他的微型機系統，各功能專用的微型機系統通過串行接口相互聯系，用人機對話微型機系統通過串型接口相互通信。通信方式采用異步通信。其原理如圖3所示。
在配電網設備龐大、種類繁多、地域分布廣、運行環境惡劣等特定條件下，選擇合理的通信系統是配電自動化系統的關鍵。由于變電站主變壓器通信點多，而且分散，一般很難只采用一種通信方式解決問題。因此實際應用中，要根據滿足應用要求、經濟、可靠的原則，因地制宜，采用混合通信方式。經綜合考慮，本設計采用以CAN總線為遠程通信接口，RS-485接口為本地通信接口的通信接口設計。
CAN總線接口如圖4所示。TMS320LF2407A內部集成有CAN控制器模塊，只需要在TMS320-LF2407A與CAN總線之間連接CAN驅動器82C-250即可。設計中采用光電耦合器6N137，以提高電路的抗干擾能力，防止總線上的干擾信號竄入控制器，同時也完成了TMS320LF2407與82C250之間3.3 V和5V電平的轉換。
圖5所示為RS-485通信接口，RS-485通信是目前最常用的串行通信方式之一。本設計基于TMS320LF2407A的SCI模塊實現了控制器的RS-485通信接口。電路采用65LBCl84作為標準的RS-485總線驅動收發器。由于TMS320LF2407A采用+3.3 V供電，所以在TMS320LF2407A與65LBCl84之間需電平轉換，這里采用6N137光電隔離器進行光電隔離和電平轉換控制。
4 主變雙重保護裝置的軟件設計
該裝置除在硬件設計方面采用了新的設計思想外，軟件設計上也有獨特之處，具體包括：模塊化設計、冗余設計、兼容性設計和靈活性設計。
對于主變雙重保護裝置來說，軟件系統包括：主程序、數據采集與轉換模塊、數據處理模塊、控制輸出模塊、通信模塊等部分。
4.1 主程序
主程序在軟件中是一個管理者，負責將不同功能的模塊組織在一起。主程序中的初始化主要是整個系統為正常工作做好準備，對于主變保護裝置來說，主程序主要包括：CPU初始化、對實時時鐘X1227進行初始化和對必要的參數設置默認值。
初始化完成后主程序進入工作狀態，首先判斷是否需要進行定值整定工作，如果需要則轉入定值整定模塊，否則繼續向下執行。在采集開關量和檢測鍵盤環節中，如果檢測到開關量變位或有按鍵被按下，則由主程序發出信息并轉入信息處理模塊進行處理，信息處理的結果再傳送到顯示打印模塊進行顯示、打印，否則程序繼續向下執行信號采集與計算模塊。邏輯判斷模塊根據電壓無功的計算值和其他有關條件判斷是否需要動作。當邏輯判斷模塊產生動作指令后，通過檢測裝置出口繼電器是否動作，以及檢測變壓器分接頭檔位和控制電容器組真空斷路器的狀態來判斷動作指令是否得到正確執行，如果正確執行則轉入下一次循環，否則將此異常信息傳送到信息處理模塊進行處理，再將結果送給顯示輸出模塊。
4.2 采集程序流程和實現
TMS320LF2407A內置10位ADC核，一個采樣保持器，16個模擬輸入通道可以切換；其A/D轉換時間為500 ns；可以對序列進行自動控制，有兩個自動采樣隊列。基于DSP的跟蹤頻率變化的交流采樣技術，巧妙地利用該款DSP的定時器、捕獲器和不可屏蔽中斷(NMI)實現了跟蹤頻率變化的交流采樣。
在使用DSP進行數字信號處理時，應用過采樣技術可以增加其內置模數轉換器的分辨率。實現過采樣DSP軟件包括：外設初始化、三角波信號產生、數據采集、數字濾波、抽取、中斷服務程序。
TMS320LF2407A以其豐富的指令功能和較高的運行速度，為軟件抗干擾提供了良好的條件。在本程序的設計中采用了以下抗干擾措施：軟件陷阱、程序的冗余設計、軟件濾波、軟件“看門狗”技術，能有效地提高系統的抗干擾能力。
5 結束語
本設計介紹了目前較為先進的組屏雙CPU變電站主變壓器保護裝置的硬件特點，同時介紹了最為理想的三屏化設計方案。設計中充分利用了高性能DSP芯片TMS320LF2407A，使系統結構簡化，能有效解決目前農網變電站存在的問題，也是變電站自動化保護裝置的最佳選擇。
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