隨著(zhù)電力系統自動(dòng)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(diǎn)。

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(shí)時(shí)性和保護功能的可靠性，但存在數據共享、設備間隔擴展、時(shí)鐘信號同步、功耗高等方面的問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)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(kāi)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(gè)乘累加(MAC)單元，1個(gè)40位的算術(shù)邏輯單元和1個(gè)16位的算術(shù)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A(yíng)RM9核的TI925T處理器，包括了1個(gè)16KByte的指令cache和8KByte的數據cache，1個(gè)協(xié)處理器，指令長(cháng)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(yōu)點(diǎn)。


為了檢修方便，保護測控裝置在設計時(shí)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(kāi)關(guān)位置信號、低壓斷路器位置信號、熔斷器熔斷信號等普通開(kāi)關(guān)量信號，還可以采集重瓦斯動(dòng)作跳閘、輕瓦斯動(dòng)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(jìn)行通信。

OMAP5910中的DSP處理器是實(shí)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(dòng)作出口等實(shí)時(shí)性任務(wù)。

OMAP5910中的ARM處理器主要負責處理人機交互、GPS對時(shí)、網(wǎng)絡(luò )通信等非實(shí)時(shí)性任務(wù)。由于DSP處理器和ARM處理器集成在一個(gè)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(shí)鐘信號同步問(wèn)題;DSP處理器和ARM處理器可以通過(guò)192K字節的內部SRAM實(shí)現數據共享，不存在數據共享和問(wèn)題，且整個(gè)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(wèn)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(xiàn)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。


A/D轉換芯片使用TI公司生產(chǎn)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(mǎn)足同時(shí)接多個(gè)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(shí)鐘信號SCLK、串行數據輸入SDI和三態(tài)串行數據輸出SDO四個(gè)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(mǎn)時(shí)產(chǎn)生相應的外部中斷，觸發(fā)相應中斷程序將數據讀走。
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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(kāi)關(guān)位置信號、熔斷器熔斷信號、低壓斷路器位置信號等普通開(kāi)關(guān)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(jīng)整流、濾波、光電耦合器后變成數字信號輸出。


數字量輸出電路采用啟動(dòng)繼電器閉鎖形式，啟動(dòng)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(dòng)繼電器動(dòng)作后，才能開(kāi)放出口繼電器的正電源，從而實(shí)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(dòng)作。

數字量輸出接口電路如圖4所示，當需要輸出時(shí)，首先使啟動(dòng)繼電器的DOENH置高電平，DOENL置低電平，光電耦合器EL852導通，啟動(dòng)繼電器動(dòng)作，其常開(kāi)觸點(diǎn)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(dòng)作，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，使跳閘或告警電路導通。

通信接口電路

的ARM內核是實(shí)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(wǎng)口和兩路RS485接口。兩路以太網(wǎng)口組成雙GOOSE網(wǎng)，負責接收和解析來(lái)自過(guò)程層智能操作單元的跳閘、開(kāi)關(guān)等數字量信息，并向智能操作單元實(shí)時(shí)傳送數字量輸出信息，與過(guò)程層設備實(shí)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(jìn)行數據通信。

以太網(wǎng)接口電路采用以太網(wǎng)控制芯片RTL8019AS實(shí)現，RTL8019AS是REALTEK公司出品的10Mbit/s以太網(wǎng)控制器，支持8位或16位數據總線(xiàn)，實(shí)現了以太網(wǎng)媒介訪(fǎng)問(wèn)層(MAC)和物理層(PHY)的所有功能，通過(guò)RJ45接口與以太網(wǎng)相連。RS485接口電路使用RSM485D芯片實(shí)現，RSM485D是集成雙路電源隔離、電氣隔離、RS485接口芯片和總線(xiàn)保護器于一身的雙路隔離收發(fā)器模塊，具有很好的隔離特性，隔離電壓高達2500VDC。
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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(shí)限過(guò)流保護、三段式過(guò)負荷保護、反時(shí)限過(guò)流保護、零序電流保護、負序電流保護、低電壓保護、過(guò)電壓保護和PT斷線(xiàn)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(gè)模塊具有獨立的入口條件和出口狀態(tài)，并且每個(gè)模塊設置有控制軟壓板，可以通過(guò)控制軟壓板的投入或退出來(lái)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(guò)按鍵或通信網(wǎng)絡(luò )來(lái)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(xié)作關(guān)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(guò)數字處理后，與保護整定值進(jìn)行比較，當滿(mǎn)足保護動(dòng)作條件時(shí)，按照配置的出口方式動(dòng)作，并將出口信息傳遞給ARM核，供LCD顯示、狀態(tài)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(shí)，其它未被配置的保護功能的相關(guān)整定值和事件信息變?yōu)椴豢梢?jiàn)，在系統程序中不執行相關(guān)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(jiǎn)化用戶(hù)的定值管理，減少出錯的可能。

軟件設計

OMAP5910是一個(gè)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(wù)管理功能、支持多任務(wù)多優(yōu)先級、支持優(yōu)先級搶占和輪轉調度機制、極高的實(shí)時(shí)性和可靠性等特點(diǎn)，使其非常適合在保護測控裝置中應用，可以提高裝置的實(shí)時(shí)性、保護軟件的可靠性和軟件開(kāi)發(fā)及維護效率。

由于VxWorks操作系統采用多任務(wù)、優(yōu)先級搶占機制，因此在編程中把重點(diǎn)放在對任務(wù)、中斷進(jìn)行劃分和任務(wù)調度的實(shí)現等問(wèn)題上。

系統主要包括三個(gè)中斷、一個(gè)任務(wù)調度和多個(gè)任務(wù)，三個(gè)中斷包括A/D采樣中斷、定時(shí)器中斷和按鍵輸入中斷，任務(wù)包括模擬量計算任務(wù)、保護邏輯判斷任務(wù)、保護功能任務(wù)、數字量控制任務(wù)、故障錄波任務(wù)、通信處理任務(wù)、按鍵管理任務(wù)、報警功能(LCD顯示和指示燈指示)任務(wù)和GPS對時(shí)任務(wù)。實(shí)時(shí)多任務(wù)調度是整個(gè)系統的核心，是保證多個(gè)任務(wù)合理有序地執行的關(guān)鍵，設計時(shí)將任務(wù)調度放在數據采樣中斷處理中執行，其任務(wù)調度框圖如圖5所示。


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(huán)境，使整個(gè)裝置的硬件結構更加簡(jiǎn)潔和優(yōu)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(kāi)發(fā)的靈活性，提高了裝置的可靠性和可擴展性。同時(shí)，裝置具有靈活的保護功能配置和保護出口配置功能，簡(jiǎn)化了保護整定值的管理和使用，便于使用和維護。

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