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一种基于OMAP5910的低压保护测控装置设计

作者:时间:2017-08-01来源:网络

  本文介绍了多核处理器的软硬件结构和特点,提出了以为核心处理器的低压保护测控装置设计方案,简述了保护测控装置的硬件和软件设计方案,并给出了A/D转换电路、数字量输入电路和数字量输出电路的设计原理图,介绍了继电保护功能的特点。由于采用了高性能的硬件平台和嵌入式实时操作系统,该装置具有功能完善、保护配置灵活、运行可靠、维护方便、可扩充性好等特点,较好地满足了低压保护测控装置的性能要求。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201708/362465.htm

  随着电力系统自动化程度的不断提高,继电保护测控装置数字化、智能化的趋势日益明显,并具有功能多样化、通信接口丰富化、高可靠性和高性能指标等特点。目前,传统低压保护测控装置的硬件平台大多使用+DSP+FPGA的多CPU结构,该结构可以保证数据交换的实时性和保护功能的可靠性,但存在数据共享、设备间隔扩展、时钟信号同步、功耗高等方面的问题,为了解决这些问题,本文提出了一种以多核处理器(内部集成有DSP和内核)为控制核心的低压保护测控装置设计方案,取得了较好的效果。

  保护测控装置的总体结构

  多核处理器OMAP5910是TI公司推出的开放式多媒体应用平台,片内集成了DSP处理器和处理器,DSP处理器基于TMS320C55X核,提供2个乘累加(MAC)单元,1个40位的算术逻辑单元和1个16位的算术逻辑单元,由于DSP采用了双ALU结构,大部分指令可以并行运行,其工作频率达150MHz,并且功耗更低。ARM处理器是基于ARM9核的TI925T处理器,包括了1个16KByte的指令cache和8KByte的数据cache,1个协处理器,指令长度可以是16位或者32位。OMAP5910具有集成度高、硬件可靠性和稳定性强、数据处理能力强、低功耗等优点。

  图1保护测控装置的结构框图

  为了检修方便,保护测控装置在设计时采用模块化结构,主要包括交流模拟量输入模块、数字量输入模块、数字量输出模块、按键和显示模块、通信模块、微控制器模块等,其结构框图如图1所示。交流模拟量输入模块包括电压互感器、电流互感器、信号调理电路和A/D转换电路,用于将交流模拟信号转换为能被OMAP5910处理的数字信号;数字量输入模块用于采集负荷开关位置信号、低压断路器位置信号、熔断器熔断信号等普通开关量信号,还可以采集重瓦斯动作跳闸、轻瓦斯动作告警等非电量信号;数字量输出模块主要用于各种保护装置的出口跳闸、信号报警等功能;按键和显示模块主要用于人机交互;通信模块用于与其它智能设备和监控中心进行通信。

  OMAP5910中的DSP处理器是实现保护测控功能的核心,主要负责交流模拟量与数字量输入信号的采集、数字滤波、电气量计算、保护逻辑判断、故障信息处理、保护动作出口等实时性任务。OMAP5910中的ARM处理器主要负责处理人机交互、GPS对时、网络通信等非实时性任务。由于DSP处理器和ARM处理器集成在一个芯片内,所以其功耗相对于多CPU结构的硬件平台要低很多,且不存在时钟信号同步问题;DSP处理器和ARM处理器可以通过192K字节的内部SRAM实现数据共享,不存在数据共享和问题,且整个硬件平台具有较灵活的可扩展性,较好地解决了多CPU硬件平台中存在的问题。

  主要硬件电路设计

  A/D转换电路

  低压保护测控装置采集的交流模拟信号包括三相测量电流、三相保护电流、零序电流和三相电压[4],三相测量电流使用5A/3.53V的线性电流互感器采样,三相保护电流信号使用100A/7.07V的电流互感器采样,零序电流使用20A/7.07V的电流互感器采样,三相电压使用220V/7.07V的电压互感器采样,共需要10路A/D转换通道。

  图2TLC3578的接口电路

  A/D转换芯片使用TI公司生产的TLC3578,它是8通道14位串行模数转换器,采用单5V模拟电源和3V~5V数字电源供电,模拟量输入范围为-10V~+10V,完全可以满足同时接多个互感器的设计要求。TLC3578的接口电路如图2所示,TLC3578同OMAP5910的串行接口主要由片选信号、时钟信号SCLK、串行数据输入SDI和三态串行数据输出SDO四个引脚组成,/EOC端连接至OMAP5910的中断输入端,当TLC3578内部FIFO存储区满时产生相应的外部中断,触发相应中断程序将数据读走。

  数字量输入电路

  数字量输入电路不但可以采集低压供电系统中的负荷开关位置信号、熔断器熔断信号、低压断路器位置信号等普通开关量信号,而且还可以采集低压变压器的重瓦斯跳闸、轻瓦斯告警、超高温跳闸、高温告警等非电量信号。该装置设有20路强电数字量输入接口,并提供有4路可编程的备用非电量输入接口,便于非电量功能扩展。数字量输入接口电路如图3所示,DIIN是数字量输入端子,DICOM是数字量输入电路的公共端,DIOUT为数字量输入的输出端,DIIN端的输入交流信号经整流、滤波、光电耦合器后变成数字信号输出。

  图3数字量输入电路

  数字量输出电路采用启动继电器闭锁形式,启动继电器的控制信号由OMAP5910的ARM内核控制,出口继电器的控制信号由OMAP5910的DSP内核控制,只有启动继电器动作后,才能开放出口继电器的正电源,从而实现数字量输出控制的部分解耦,避免由于器件损坏而引起保护误动作。数字量输出接口电路如图4所示,当需要输出时,首先使启动继电器的DOENH置高电平,DOENL置低电平,光电耦合器EL852导通,启动继电器动作,其常开触点闭合,使+24VE连接到+24V;然后将DOOUT置为低电平,光电耦合器EL852导通,出口继电器动作,其常开触点闭合,使跳闸或告警电路导通。

   

  图4数字量输出电路

  通信接口电路

  OMAP5910的ARM内核是实现信息交换的主要枢纽,本装置配置有两路10/100Mbit/s光纤以太网口和两路RS485接口。两路以太网口组成双GOOSE网,负责接收和解析来自过程层智能操作单元的跳闸、开关等数字量信息,并向智能操作单元实时传送数字量输出信息,与过程层设备实现信息共享。RS485接口主要用于装置的调试与维护,也可以用于与其它智能设备进行数据通信。

  以太网接口电路采用以太网控制芯片RTL8019AS实现,RTL8019AS是REALTEK公司出品的10Mbit/s以太网控制器,支持8位或16位数据总线,实现了以太网媒介访问层(MAC)和物理层(PHY)的所有功能,通过RJ45接口与以太网相连。RS485接口电路使用RSM485D芯片实现,RSM485D是集成双路电源隔离、电气隔离、RS485接口芯片和总线保护器于一身的双路隔离收发器模块,具有很好的隔离特性,隔离电压高达2500VDC。

  保护功能配置灵活

  保护测控装置设置有丰富的保护功能,包括三段式带复压闭锁的定时限过流保护、三段式过负荷保护、反时限过流保护、零序电流保护、负序电流保护、低电压保护、过电压保护和PT断线告警等。保护测控装置按照模块化的设计思想,将不同的保护功能给划分为独立的模块,各个模块具有独立的入口条件和出口状态,并且每个模块设置有控制软压板,可以通过控制软压板的投入或退出来配置装置的保护功能,各保护功能的整定值和出口方式(跳闸或告警)可以通过按键或通信网络来配置。这种模块化的设计使保护功能具有极强的可读性和移植性,各模块间的协作关系清晰明了,有利于提高保护的可靠性。

  OMAP5910的DSP内核根据配置的保护功能和保护整定值与出口方式,将采集到的保护用交流模拟量通过数字处理后,与保护整定值进行比较,当满足保护动作条件时,按照配置的出口方式动作,并将出口信息传递给ARM核,供LCD显示、状态指示和数据通信使用。当装置被配以某种或多种保护功能时,其它未被配置的保护功能的相关整定值和事件信息变为不可见,在系统程序中不执行相关保护功能,因此只需配置所需保护功能的整定值,可以最大限度地减少整定值数量,简化用户的定值管理,减少出错的可能。

  软件设计

  OMAP5910是一个高度集成的硬件和软件应用平台,它支持WinCE、EPOC、Nucleus、VxWorks和Linux等多种操作系统,由于VxWorks操作系统具有高效的任务管理功能、支持多任务多优先级、支持优先级抢占和轮转调度机制、极高的实时性和可靠性等特点,使其非常适合在保护测控装置中应用,可以提高装置的实时性、保护软件的可靠性和软件开发及维护效率。

  由于VxWorks操作系统采用多任务、优先级抢占机制,因此在编程中把重点放在对任务、中断进行划分和任务调度的实现等问题上。系统主要包括三个中断、一个任务调度和多个任务,三个中断包括A/D采样中断、定时器中断和按键输入中断,任务包括模拟量计算任务、保护逻辑判断任务、保护功能任务、数字量控制任务、故障录波任务、通信处理任务、按键管理任务、报警功能(LCD显示和指示灯指示)任务和GPS对时任务。实时多任务调度是整个系统的核心,是保证多个任务合理有序地执行的关键,设计时将任务调度放在数据采样中断处理中执行,其任务调度框图如图5所示。

  图5任务调度流程图

  结论

  本文提出了以OMAP5910为核心处理器的低压保护测控装置设计方案,借助OMAP强大的硬件平台和VxWorks操作系统的软件环境,使整个装置的硬件结构更加简洁和优化,有效地降低了装置的整体功耗,提高了装置内部数据交换的效率和软件开发的灵活性,提高了装置的可靠性和可扩展性。同时,装置具有灵活的保护功能配置和保护出口配置功能,简化了保护整定值的管理和使用,便于使用和维护。

 



关键词: OMAP5910 ARM

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