【導讀】目前，傳統低壓保護測控裝置的硬件平臺大多使用的ARM+DSP+FPGA多CPU結構，存在數據共享、設備間隔擴展、時鐘信號同步、功耗高等方面的問題。為了解決這些問題，本文提出了一種以多核處理器OMAP5910(內部集成有DSP和ARM內核)為控制核心的低壓保護測控裝置設計方案，取得了較好的效果。
隨著電力系統自動化程度的不斷提高，繼電保護測控裝置數字化、智能化的趨勢日益明顯，并具有功能多樣化、通信接口豐富化、高可靠性和高性能指標等特點。
目前，傳統低壓保護測控裝置的硬件平臺大多使用ARM+DSP+FPGA的多CPU結構，該結構可以保證數據交換的實時性和保護功能的可靠性，但存在數據共享、設備間隔擴展、時鐘信號同步、功耗高等方面的問題，為了解決這些問題，本文提出了一種以多核處理器OMAP5910(內部集成有DSP和ARM內核)為控制核心的低壓保護測控裝置設計方案，取得了較好的效果。
保護測控裝置的總體結構
多核處理器OMAP5910是TI公司推出的開放式多媒體應用平臺，片內集成了DSP處理器和ARM處理器，DSP處理器基于X核，提供2個乘累加(MAC)單元，1個40位的算術邏輯單元和1個16位的算術邏輯單元，由于DSP采用了雙ALU結構，大部分指令可以并行運行，其工作頻率達150MHz，并且功耗更低。ARM處理器是基于ARM9核的TI925T處理器，包括了1個16KByte的指令cache和8KByte的數據cache，1個協處理器，指令長度可以是16位或者32位。OMAP5910具有集成度高、硬件可靠性和穩定性強、數據處理能力強、低功耗等優點。
圖1 保護測控裝置的結構框圖
為了檢修方便，保護測控裝置在設計時采用模塊化結構，主要包括交流模擬量輸入模塊、數字量輸入模塊、數字量輸出模塊、按鍵和顯示模塊、通信模塊、微控制器模塊等，其結構框圖如圖1所示。
交流模擬量輸入模塊包括電壓互感器、電流互感器、信號調理電路和A/D轉換電路，用于將交流模擬信號轉換為能被OMAP5910處理的數字信號;數字量輸入模塊用于采集負荷開關位置信號、低壓斷路器位置信號、熔斷器熔斷信號等普通開關量信號，還可以采集重瓦斯動作跳閘、輕瓦斯動作告警等非電量信號;數字量輸出模塊主要用于各種保護裝置的出口跳閘、信號報警等功能;按鍵和顯示模塊主要用于人機交互;通信模塊用于與其它智能設備和監控中心進行通信。
OMAP5910中的DSP處理器是實現保護測控功能的核心，主要負責交流模擬量與數字量輸入信號的采集、數字濾波、電氣量計算、保護邏輯判斷、故障信息處理、保護動作出口等實時性任務。
OMAP5910中的ARM處理器主要負責處理人機交互、GPS對時、網絡通信等非實時性任務。由于DSP處理器和ARM處理器集成在一個芯片內，所以其功耗相對于多CPU結構的硬件平臺要低很多，且不存在時鐘信號同步問題;DSP處理器和ARM處理器可以通過192K字節的內部SRAM實現數據共享，不存在數據共享和問題，且整個硬件平臺具有較靈活的可擴展性，較好地解決了多CPU硬件平臺中存在的問題。
低壓保護電路設計
A/D轉換電路
低壓保護測控裝置采集的交流模擬信號包括三相測量電流、三相保護電流、零序電流和三相電壓[4]，三相測量電流使用5A/3.53V的線性電流互感器采樣，三相保護電流信號使用100A/7.07V的電流互感器采樣，零序電流使用20A/7.07V的電流互感器采樣，三相電壓使用220V/7.07V的電壓互感器采樣，共需要10路A/D轉換通道。
圖2 TLC3578的接口電路
A/D轉換芯片使用TI公司生產的TLC3578，它是8通道14位串行模數轉換器，采用單5V模擬電源和3V~5V數字電源供電，模擬量輸入范圍為-10V~+10V，完全可以滿足同時接多個互感器的設計要求。TLC3578的接口電路如圖2所示，TLC3578同OMAP5910的串行接口主要由片選信號 、時鐘信號SCLK、串行數據輸入SDI和三態串行數據輸出SDO四個引腳組成， /EOC端連接至OMAP5910的中斷輸入端，當TLC3578內部FIFO存儲區滿時產生相應的外部中斷，觸發相應中斷程序將數據讀走。
[page]
數字量輸入電路
數字量輸入電路不但可以采集低壓供電系統中的負荷開關位置信號、熔斷器熔斷信號、低壓斷路器位置信號等普通開關量信號，而且還可以采集低壓變壓器的重瓦斯跳閘、輕瓦斯告警、超高溫跳閘、高溫告警等非電量信號。該裝置設有20路強電數字量輸入接口，并提供有4路可編程的備用非電量輸入接口，便于非電量功能擴展。數字量輸入接口電路如圖3所示，DIIN是數字量輸入端子，DICOM是數字量輸入電路的公共端，DIOUT為數字量輸入的輸出端，DIIN端的輸入交流信號經整流、濾波、光電耦合器后變成數字信號輸出。
圖3 數字量輸入電路
數字量輸出電路采用啟動繼電器閉鎖形式，啟動繼電器的控制信號由OMAP5910的ARM內核控制，出口繼電器的控制信號由OMAP5910的DSP內核控制，只有啟動繼電器動作后，才能開放出口繼電器的正電源，從而實現數字量輸出控制的部分解耦，避免由于器件損壞而引起保護誤動作。
數字量輸出接口電路如圖4所示，當需要輸出時，首先使啟動繼電器的DOENH置高電平，DOENL置低電平，光電耦合器EL852導通，啟動繼電器動作，其常開觸點閉合，使+24VE連接到+24V;然后將DOOUT置為低電平，光電耦合器EL852導通，出口繼電器動作，其常開觸點閉合，使跳閘或告警電路導通。
圖4 數字量輸出電路
通信接口電路的ARM內核是實現信息交換的主要樞紐，本裝置配置有兩路10/100Mbit/s光纖以太網口和兩路RS485接口。兩路以太網口組成雙GOOSE網，負責接收和解析來自過程層智能操作單元的跳閘、開關等數字量信息，并向智能操作單元實時傳送數字量輸出信息，與過程層設備實現信息共享。RS485接口主要用于裝置的調試與維護，也可以用于與其它智能設備進行數據通信。
以太網接口電路采用以太網控制芯片RTL8019AS實現，RTL8019AS是REALTEK公司出品的10Mbit/s以太網控制器，支持8位或16位數據總線，實現了以太網媒介訪問層(MAC)和物理層(PHY)的所有功能，通過RJ45接口與以太網相連。RS485接口電路使用RSM485D芯片實現，RSM485D是集成雙路電源隔離、電氣隔離、RS485接口芯片和總線保護器于一身的雙路隔離收發器模塊，具有很好的隔離特性，隔離電壓高達2500VDC。
[page]
低壓保護功能配置
保護測控裝置設置有豐富的保護功能，包括三段式帶復壓閉鎖的定時限過流保護、三段式過負荷保護、反時限過流保護、零序電流保護、負序電流保護、低電壓保護、過電壓保護和PT斷線告警等。保護測控裝置按照模塊化的設計思想，將不同的保護功能給劃分為獨立的模塊，各個模塊具有獨立的入口條件和出口狀態，并且每個模塊設置有控制軟壓板，可以通過控制軟壓板的投入或退出來配置裝置的保護功能，各保護功能的整定值和出口方式(跳閘或告警)可以通過按鍵或通信網絡來配置。這種模塊化的設計使保護功能具有極強的可讀性和移植性，各模塊間的協作關系清晰明了，有利于提高保護的可靠性。
OMAP5910的DSP內核根據配置的保護功能和保護整定值與出口方式，將采集到的保護用交流模擬量通過數字處理后，與保護整定值進行比較，當滿足保護動作條件時，按照配置的出口方式動作，并將出口信息傳遞給ARM核，供LCD顯示、狀態指示和數據通信使用。當裝置被配以某種或多種保護功能時，其它未被配置的保護功能的相關整定值和事件信息變為不可見，在系統程序中不執行相關保護功能，因此只需配置所需保護功能的整定值，可以最大限度地減少整定值數量，簡化用戶的定值管理，減少出錯的可能。
軟件設計
OMAP5910是一個高度集成的硬件和軟件應用平臺，它支持WinCE、EPOC、Nucleus、VxWorks和Linux等多種操作系統，由于VxWorks操作系統具有高效的任務管理功能、支持多任務多優先級、支持優先級搶占和輪轉調度機制、極高的實時性和可靠性等特點，使其非常適合在保護測控裝置中應用，可以提高裝置的實時性、保護軟件的可靠性和軟件開發及維護效率。
由于VxWorks操作系統采用多任務、優先級搶占機制，因此在編程中把重點放在對任務、中斷進行劃分和任務調度的實現等問題上。
系統主要包括三個中斷、一個任務調度和多個任務，三個中斷包括A/D采樣中斷、定時器中斷和按鍵輸入中斷，任務包括模擬量計算任務、保護邏輯判斷任務、保護功能任務、數字量控制任務、故障錄波任務、通信處理任務、按鍵管理任務、報警功能(LCD顯示和指示燈指示)任務和GPS對時任務。實時多任務調度是整個系統的核心，是保證多個任務合理有序地執行的關鍵，設計時將任務調度放在數據采樣中斷處理中執行，其任務調度框圖如圖5所示。
圖5 任務調度流程圖
結論
本文提出了以OMAP5910為核心處理器的低壓保護測控裝置設計方案，借助OMAP強大的硬件平臺和VxWorks操作系統的軟件環境，使整個裝置的硬件結構更加簡潔和優化，有效地降低了裝置的整體功耗，提高了裝置內部數據交換的效率和軟件開發的靈活性，提高了裝置的可靠性和可擴展性。同時，裝置具有靈活的保護功能配置和保護出口配置功能，簡化了保護整定值的管理和使用，便于使用和維護。
相關閱讀：
試比較鋰離子電池不同的電路保護方案
取代被動保護器件，鋰電池的電路保護還安全嗎？
