基于OMAP5910的低压保护测控装置设计

电路

　　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。
　　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。

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