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引言
　　隨著我國電力系統的不斷發展，電網的電壓等級不斷提高，結構也日趨復雜，要求保護技術向數字化和智能化的方向發展。繼電保護裝置對系統安全和經濟運行起著非常重要的作用。伴隨著通信技術和網絡技術在電力系統中的不斷應用，對各種微機測控保護裝置都提出了新的要求，為了適應這種發展趨勢，需要在微機測控保護裝置內嵌入各種通信模塊，以實現網絡化。本文分析介紹了基于M-CORE平臺的電力系統低壓設備數字式綜合保護裝置。

1硬件系統
　　本微機保護裝置的硬件系統結構采用模塊化結構，主要由主控制器模塊、鍵盤顯示模塊、模擬量采集模塊、出口模塊、電源模塊和通信模塊6個部分組成。12路開關量輸入、8路開關量輸出、14路模擬量輸入、點陣式圖形液晶顯示界面和薄膜鍵盤控制，4路電度表脈沖輸入和RS232、RS485、CAN現場總線及以太網通信接口。硬件原理框圖如圖1所示。

1.1主控制器模塊設計
　　傳統的單處理器微機保護結構容錯能力差，任一元件損壞都可能導致系統停止工作。而且整套保護中各個保護功能由一個CPU承擔，處理速度慢，另外由于實際應用中液晶控制器的讀寫速度較慢，降低了CPU處理整個程序模塊的速度，穩定可靠性低。本文采用雙CPU系統，一套為以MMC2107為核心的主CPU系統，完成保護主功能和通信功能;一套為77E58單片機從CPU系統，主要完成監控功能。使用雙CPU控制，大大減少了對主CPU的負擔，使主CPU有充分的時間進行保護運算和完成控制功能。
　　MMC2107是基于M-CORE M210中央處理單元系列的一種32位通用微處理控制器（MCU）。該芯片采用3.3 V工作電壓，能耗低，適合在外部電源掉電的情況下采用電池供電，可以提高系統的工作可靠性。MMC2107 CPU系統外部參考頻率最大為33 MHz，通過內部的PLL模式參數選擇，其系統時鐘最大工作頻率可以達到9倍于外部參考頻率，快速的指令周期和特殊的指令集，極大地減少了計算的時間。在實際的微機保護和監控應用中，為了滿足微機保護裝置的精度要求，往往要求采用一些有良好濾波功能和精度較高的算法，像微機保護中常采用的各種傅氏算法等，但是在提高精度的同時，算法的復雜性又導致了算法計算時間的增加。高性能的M-CORE處理器使一些過去低速CPU無法采用的性能優、精度高，但計算量較大的微機保護算法得以實現。MMC2107內部集成了128 K FLASH，滿足整個程序模塊的大小，不用另外擴展程序存儲器。程序內置片內存儲器，提高了程序的讀寫速度,也增加了系統可靠性和抗干擾性。外部接口提供32位數據線，23位地址線，4個片選信號CS0~CS3，每個片選信號可以提供8 M的操作地址空間，可以通過片選寄存器設置外部或內部啟動模式。另外，片內還集成有8 K的SRAM，8路10位的A/D轉換模塊，2個16位中斷定時器，2個SCI接口，1個SPI接口，55個獨立可編程的I/O引腳，內置Watchdog定時器和7個實時外部中斷，共40個中斷源，32級中斷等，其優越的性能滿足了微機保護的可靠性、快速性和靈敏性的要求。
　　從CPU采用的是77E58單片機。77E58是WINBOND公司的一種快速8051系列兼容微處理器，其指令操作時間約是傳統8051處理器的3倍，內置有32 K-EPROM，不需外擴程序空間。
　　雙CPU之間的通信采用雙口RAM方式，以實現數據共享。這種操作方式簡單快速，兩個CPU之間的工作互不影響。 雙口RAM采用IDT71V321，該芯片具有兩套獨立的控制邏輯和數據存儲端口，當同時操作同一存儲單元時，將會發生沖突。IDT71V312有仲裁和中斷兩種方式解決，我們采用仲裁方式，此時片內仲裁邏輯將只允許從一端口進行讀寫操作，而封鎖另一端口。被封鎖端口的BUSY線被置低電平，從而使連接在該端口的CPU處于指令保護狀態，待BUSY變高后，CPU可以繼續操作。由于MMC2107是3.3 V芯片,77E58是5 V芯片，二者之間的數據傳輸需要通過3.3～5 V電平轉換。
1.2通信模塊
　　為了盡可能實現用戶的可選配置，以利于變電站自動化系統中實現不同廠家的裝置開放與互連。利用M-CORE的2個SCI和1個SPI的通信接口，在常規的串行總線RS232、RS485上，新增了現場總線CAN、以太網通信接口，基本上滿足了現場要求的各種通信方式。其中CAN通信模塊采用MICROCHIP公司的MCP2510作為控制器，MCP2551作為CAN驅動器(如圖2所示)。MCP2551是CAN協議控制器和物理總線接口，提供不同的接收和發送功能，完全和ISO11898相兼容，總線速度最高可以達到1 Mb/s。
　　Ethernet網接口電路采用低功耗的以太網控制器CS8900A，10baseT接口，完全和IEEE802.3 Ethernet標準兼容。CS8900A被優化為16位傳輸方式，提供了3種操作方式：
　　1)MEMORY方式。當采用MEMORY方式時，CS8900A內部寄存器和幀緩沖區將被分配給主存貯區一個連續的4 K字節模塊，其主CPU可以直接操作CS8900A內部的寄存器和幀緩沖區。
　　2)I/O方式。當采用I/O方式時，主CPU通過8個16位I/O口來訪問CS8900A，這些I/O口需要被分配到主CPU系統中16個連續的I/O地址。 
　　3)從DMA方式。從DMA方式，即通過DMA控制器在CS8900A的存儲區和主CPU存儲區直接傳輸收發幀信息。
　　本文采用MEMORY操作方式，讀寫操作簡單。串行EEPROM93C46存儲芯片配置和初始化信息，復位時自動調用到芯片的內部配置寄存器中，完成諸如存儲基地址、以太網物理地址、信息幀配置、物理接口選擇等初始化信息。物理總線接口使用普通雙絞線RJ45接口, 工作原理圖如2所示。

1.3其它單元電路
　　為了簡化系統結構，外圍的擴展電路盡量利用CPLD來實現，以達到簡潔性設計的目的。該裝置采用XILINX公司XC9500系列的9572CPLD。利用CPLD高性能的現場可編程及多次擦寫功能，實現了電路的集成化和可靠性，和CPU一起構成了系統的核心。并與外圍的存儲芯片、時鐘芯片、模擬量回路、通信電路、顯示電路、開入開出電路一起共同構成了整個系統。
　　為了進一步提高系統的可靠性，增加了看門狗復位電路，采用了X5043掉電存儲芯片，其具有4 kB的EEPROM，存儲各系統定值，同時具有看門狗功能。當程序跑飛或死機時，能自動復位。
　　模擬量采集電路，各電流電壓模擬量通過電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）、經光耦隔離、放大，進入主CPU模塊，通過A/D定時循環采集模擬信號。由于M-CORE內部集成的10位A/D不能滿足保護及監控精度的要求，所以在外部擴展了4通道，14位A/D轉換芯片AD7865，以滿足微機保護較高的轉換精度要求，濾波電路采用二階低通濾波器。此外，模擬量測量電路中還包括過零檢測單元，實現模擬量頻率和相位的測量。
　　開關量輸入輸出電路，開關輸入量通過光電隔離后，經過濾波整形，進入主CPU模塊，開關量輸出信號經光電隔離后，輸出動作信號。將主CPU讀入讀出、開入開出量功能集成在CPLD上，通過CPLD擴展開入開出I/O接口地址。
　　液晶顯示電路采用單獨CPU控制液晶顯示，液晶控制器采用SEIKOEPSON公司的SED1335液晶控制器，讀寫速度較快。液晶顯示器LCD使用320x240 點陣式圖形LCD，滿足了電力系統保護設備使用壽命長、界面美觀的要求。
　　本裝置采用薄膜鍵盤，只需要通過上、下、左、右、取消、確認6個按鍵結合菜單便可直觀地在線、離線整定定值、修改實際時間、就地操作開關等。采用中斷方式相應鍵盤,以減少其對CPU的占用。鍵盤的中斷信號通過一個與門產生［3］。
1.4硬件設計特點
　　電力系統保護微機測控系統通常由一系列不同功能的小型單元箱組成。本裝置的單元箱采用小型機箱設計，里面包括模板和4塊插件板。插件板包括CPU插件板、輸入輸出I/O插件板、模擬量采集插件板和人機接口插件板。各插件板通過鋼板隔離起來，以防止各插件板間的電路發生相互干擾。
　　電源系統采用開關電源，并采用隔離屏蔽設計，在電源輸出端插入由共模扼流線圈和電容組成的電源濾波器，直接有效地抑制了一次電源對測控系統的電磁干擾，提高了抗干擾能力。I/O插件板繼電器采用隔離措施，采用SIEMENS繼電器，開關速度快、抗干擾、壽命長，大大增強了出口電路的可靠性［5］。
　　CPU插件板采用4層板工藝和全懸浮設計，使CPU插件能有效地阻止外界干擾的入侵，以增強整個系統的可靠性。另外，豐富的軟件和強大的通信功能對單元裝置的故障自檢提供了良好的環境［4］。 

2系統軟件
　　在微機保護裝置的軟件設計中，主要考慮的是交流采樣算法、保護算法。通過采樣得到的數據按照一定的保護算法來進行判斷保護是否動作。在實際的電力系統故障時，往往是在基波基礎上疊加有衰減的非周期分量和高頻分量，因此要求微機保護裝置對輸入的電流、電壓信號進行預處理，盡可能地濾掉非周期和高頻分量。由于M-CORE芯片計算處理的高速性，本裝置在現有的傅氏算法的基礎上，采用改進的全波傅氏算法，在全波傅氏變換提取出基波或各次諧波分量的基礎上，延時2個采樣間隔，通過3個N點數據窗的計算，除去了直流衰減分量帶來的誤差。該算法既能濾除高次諧波，也能夠滿足保護的響應速度和精確性的要求。
　　本保護裝置的軟件采用模塊化設計的思想，由主程序模塊、中斷服務子程序模塊和各個功能子程序模塊(保護算法軟件模塊、通信軟件模塊、顯示軟件模塊、濾波軟件模塊等)組成。實際編程采用C語言和匯編混合編寫，提高了數據處理的能力，也保證了程序的可靠性。該裝置的雙CPU系統,完全能滿足電力系統的要求［3］。

3結束語
　　在模塊化設計的基礎上，開發的以M-CORE處理器MMC2107為硬件核心的微機繼電保護裝置，是一個通用的硬件平臺，能夠滿足各種保護可靠性、選擇性、速動性以及靈敏性的要求。在此平臺上通過對軟件的適當修改可以實現變壓器保護、電容器保護、電動機保護等中低壓電力設備的監控保護功能。</di