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关闭窗口 关键词： 微机保护;M-CORE；双CPU
引言
随着我国电力系统的不断发展，电网的电压等级不断提高，结构也日趋复杂，要求保护技术向数字化和智能化的方向发展。继电保护装置对系统安全和经济运行起着非常重要的作用。伴随着通信技术和网络技术在电力系统中的不断应用，对各种微机测控保护装置都提出了新的要求，为了适应这种发展趋势，需要在微机测控保护装置内嵌入各种通信模块，以实现网络化。本文分析介绍了基于M-CORE平台的电力系统低压设备数字式综合保护装置。
随着我国电力系统的不断发展，电网的电压等级不断提高，结构也日趋复杂，要求保护技术向数字化和智能化的方向发展。继电保护装置对系统安全和经济运行起着非常重要的作用。伴随着通信技术和网络技术在电力系统中的不断应用，对各种微机测控保护装置都提出了新的要求，为了适应这种发展趋势，需要在微机测控保护装置内嵌入各种通信模块，以实现网络化。本文分析介绍了基于M-CORE平台的电力系统低压设备数字式综合保护装置。
1硬件系统
本微机保护装置的硬件系统结构采用模块化结构，主要由主控制器模块、键盘显示模块、模拟量采集模块、出口模块、电源模块和通信模块6个部分组成。12路开关量输入、8路开关量输出、14路模拟量输入、点阵式图形液晶显示界面和薄膜键盘控制，4路电度表脉冲输入和RS232、RS485、CAN现场总线及以太网通信接口。硬件原理框图如图1所示。
本微机保护装置的硬件系统结构采用模块化结构，主要由主控制器模块、键盘显示模块、模拟量采集模块、出口模块、电源模块和通信模块6个部分组成。12路开关量输入、8路开关量输出、14路模拟量输入、点阵式图形液晶显示界面和薄膜键盘控制，4路电度表脉冲输入和RS232、RS485、CAN现场总线及以太网通信接口。硬件原理框图如图1所示。
1.1主控制器模块设计
传统的单处理器微机保护结构容错能力差，任一元件损坏都可能导致系统停止工作。而且整套保护中各个保护功能由一个CPU承担，处理速度慢，另外由于实际应用中液晶控制器的读写速度较慢，降低了CPU处理整个程序模块的速度，稳定可靠性低。本文采用双CPU系统，一套为以MMC2107为核心的主CPU系统，完成保护主功能和通信功能;一套为77E58单片机从CPU系统，主要完成监控功能。使用双CPU控制，大大减少了对主CPU的负担，使主CPU有充分的时间进行保护运算和完成控制功能。
MMC2107是基于M-CORE M210中央处理单元系列的一种32位通用微处理控制器（MCU）。该芯片采用3.3 V工作电压，能耗低，适合在外部电源掉电的情况下采用电池供电，可以提高系统的工作可靠性。MMC2107 CPU系统外部参考频率最大为33 MHz，通过内部的PLL模式参数选择，其系统时钟最大工作频率可以达到9倍于外部参考频率，快速的指令周期和特殊的指令集，极大地减少了计算的时间。在实际的微机保护和监控应用中，为了满足微机保护装置的精度要求，往往要求采用一些有良好滤波功能和精度较高的算法，像微机保护中常采用的各种傅氏算法等，但是在提高精度的同时，算法的复杂性又导致了算法计算时间的增加。高性能的M-CORE处理器使一些过去低速CPU无法采用的性能优、精度高，但计算量较大的微机保护算法得以实现。MMC2107内部集成了128 K FLASH，满足整个程序模块的大小，不用另外扩展程序存储器。程序内置片内存储器，提高了程序的读写速度,也增加了系统可靠性和抗干扰性。外部接口提供32位数据线，23位地址线，4个片选信号CS0~CS3，每个片选信号可以提供8 M的操作地址空间，可以通过片选寄存器设置外部或内部启动模式。另外，片内还集成有8 K的SRAM，8路10位的A/D转换模块，2个16位中断定时器，2个SCI接口，1个SPI接口，55个独立可编程的I/O引脚，内置Watchdog定时器和7个实时外部中断，共40个中断源，32级中断等，其优越的性能满足了微机保护的可靠性、快速性和灵敏性的要求。
从CPU采用的是77E58单片机。77E58是WINBOND公司的一种快速8051系列兼容微处理器，其指令操作时间约是传统8051处理器的3倍，内置有32 K-EPROM，不需外扩程序空间。
双CPU之间的通信采用双口RAM方式，以实现数据共享。这种操作方式简单快速，两个CPU之间的工作互不影响。 双口RAM采用IDT71V321，该芯片具有两套独立的控制逻辑和数据存储端口，当同时操作同一存储单元时，将会发生冲突。IDT71V312有仲裁和中断两种方式解决，我们采用仲裁方式，此时片内仲裁逻辑将只允许从一端口进行读写操作，而封锁另一端口。被封锁端口的BUSY线被置低电平，从而使连接在该端口的CPU处于指令保护状态，待BUSY变高后，CPU可以继续操作。由于MMC2107是3.3 V芯片,77E58是5 V芯片，二者之间的数据传输需要通过3.3～5 V电平转换。
1.2通信模块
为了尽可能实现用户的可选配置，以利于变电站自动化系统中实现不同厂家的装置开放与互连。利用M-CORE的2个SCI和1个SPI的通信接口，在常规的串行总线RS232、RS485上，新增了现场总线CAN、以太网通信接口，基本上满足了现场要求的各种通信方式。其中CAN通信模块采用MICROCHIP公司的MCP2510作为控制器，MCP2551作为CAN驱动器(如图2所示)。MCP2551是CAN协议控制器和物理总线接口，提供不同的接收和发送功能，完全和ISO11898相兼容，总线速度最高可以达到1 Mb/s。
Ethernet网接口电路采用低功耗的以太网控制器CS8900A，10BASET接口，完全和IEEE802.3 Ethernet标准兼容。CS8900A被优化为16位传输方式，提供了3种操作方式：
1)MEMORY方式。当采用MEMORY方式时，CS8900A内部寄存器和帧缓冲区将被分配给主存贮区一个连续的4 K字节模块，其主CPU可以直接操作CS8900A内部的寄存器和帧缓冲区。
2)I/O方式。当采用I/O方式时，主CPU通过8个16位I/O口来访问CS8900A，这些I/O口需要被分配到主CPU系统中16个连续的I/O地址。
3)从DMA方式。从DMA方式，即通过DMA控制器在CS8900A的存储区和主CPU存储区直接传输收发帧信息。
本文采用MEMORY操作方式，读写操作简单。串行EEPROM93C46存储芯片配置和初始化信息，复位时自动调用到芯片的内部配置寄存器中，完成诸如存储基地址、以太网物理地址、信息帧配置、物理接口选择等初始化信息。物理总线接口使用普通双绞线RJ45接口, 工作原理图如2所示。
传统的单处理器微机保护结构容错能力差，任一元件损坏都可能导致系统停止工作。而且整套保护中各个保护功能由一个CPU承担，处理速度慢，另外由于实际应用中液晶控制器的读写速度较慢，降低了CPU处理整个程序模块的速度，稳定可靠性低。本文采用双CPU系统，一套为以MMC2107为核心的主CPU系统，完成保护主功能和通信功能;一套为77E58单片机从CPU系统，主要完成监控功能。使用双CPU控制，大大减少了对主CPU的负担，使主CPU有充分的时间进行保护运算和完成控制功能。
MMC2107是基于M-CORE M210中央处理单元系列的一种32位通用微处理控制器（MCU）。该芯片采用3.3 V工作电压，能耗低，适合在外部电源掉电的情况下采用电池供电，可以提高系统的工作可靠性。MMC2107 CPU系统外部参考频率最大为33 MHz，通过内部的PLL模式参数选择，其系统时钟最大工作频率可以达到9倍于外部参考频率，快速的指令周期和特殊的指令集，极大地减少了计算的时间。在实际的微机保护和监控应用中，为了满足微机保护装置的精度要求，往往要求采用一些有良好滤波功能和精度较高的算法，像微机保护中常采用的各种傅氏算法等，但是在提高精度的同时，算法的复杂性又导致了算法计算时间的增加。高性能的M-CORE处理器使一些过去低速CPU无法采用的性能优、精度高，但计算量较大的微机保护算法得以实现。MMC2107内部集成了128 K FLASH，满足整个程序模块的大小，不用另外扩展程序存储器。程序内置片内存储器，提高了程序的读写速度,也增加了系统可靠性和抗干扰性。外部接口提供32位数据线，23位地址线，4个片选信号CS0~CS3，每个片选信号可以提供8 M的操作地址空间，可以通过片选寄存器设置外部或内部启动模式。另外，片内还集成有8 K的SRAM，8路10位的A/D转换模块，2个16位中断定时器，2个SCI接口，1个SPI接口，55个独立可编程的I/O引脚，内置Watchdog定时器和7个实时外部中断，共40个中断源，32级中断等，其优越的性能满足了微机保护的可靠性、快速性和灵敏性的要求。
从CPU采用的是77E58单片机。77E58是WINBOND公司的一种快速8051系列兼容微处理器，其指令操作时间约是传统8051处理器的3倍，内置有32 K-EPROM，不需外扩程序空间。
双CPU之间的通信采用双口RAM方式，以实现数据共享。这种操作方式简单快速，两个CPU之间的工作互不影响。 双口RAM采用IDT71V321，该芯片具有两套独立的控制逻辑和数据存储端口，当同时操作同一存储单元时，将会发生冲突。IDT71V312有仲裁和中断两种方式解决，我们采用仲裁方式，此时片内仲裁逻辑将只允许从一端口进行读写操作，而封锁另一端口。被封锁端口的BUSY线被置低电平，从而使连接在该端口的CPU处于指令保护状态，待BUSY变高后，CPU可以继续操作。由于MMC2107是3.3 V芯片,77E58是5 V芯片，二者之间的数据传输需要通过3.3～5 V电平转换。
1.2通信模块
为了尽可能实现用户的可选配置，以利于变电站自动化系统中实现不同厂家的装置开放与互连。利用M-CORE的2个SCI和1个SPI的通信接口，在常规的串行总线RS232、RS485上，新增了现场总线CAN、以太网通信接口，基本上满足了现场要求的各种通信方式。其中CAN通信模块采用MICROCHIP公司的MCP2510作为控制器，MCP2551作为CAN驱动器(如图2所示)。MCP2551是CAN协议控制器和物理总线接口，提供不同的接收和发送功能，完全和ISO11898相兼容，总线速度最高可以达到1 Mb/s。
Ethernet网接口电路采用低功耗的以太网控制器CS8900A，10BASET接口，完全和IEEE802.3 Ethernet标准兼容。CS8900A被优化为16位传输方式，提供了3种操作方式：
1)MEMORY方式。当采用MEMORY方式时，CS8900A内部寄存器和帧缓冲区将被分配给主存贮区一个连续的4 K字节模块，其主CPU可以直接操作CS8900A内部的寄存器和帧缓冲区。
2)I/O方式。当采用I/O方式时，主CPU通过8个16位I/O口来访问CS8900A，这些I/O口需要被分配到主CPU系统中16个连续的I/O地址。
3)从DMA方式。从DMA方式，即通过DMA控制器在CS8900A的存储区和主CPU存储区直接传输收发帧信息。
本文采用MEMORY操作方式，读写操作简单。串行EEPROM93C46存储芯片配置和初始化信息，复位时自动调用到芯片的内部配置寄存器中，完成诸如存储基地址、以太网物理地址、信息帧配置、物理接口选择等初始化信息。物理总线接口使用普通双绞线RJ45接口, 工作原理图如2所示。
1.3其它单元电路
为了简化系统结构，外围的扩展电路尽量利用CPLD来实现，以达到简洁性设计的目的。该装置采用XILINX公司XC9500系列的9572CPLD。利用CPLD高性能的现场可编程及多次擦写功能，实现了电路的集成化和可靠性，和CPU一起构成了系统的核心。并与外围的存储芯片、时钟芯片、模拟量回路、通信电路、显示电路、开入开出电路一起共同构成了整个系统。
为了进一步提高系统的可靠性，增加了看门狗复位电路，采用了X5043掉电存储芯片，其具有4 kB的EEPROM，存储各系统定值，同时具有看门狗功能。当程序跑飞或死机时，能自动复位。
模拟量采集电路，各电流电压模拟量通过电流互感器（CT）、电压互感器（PT）、经光耦隔离、放大，进入主CPU模块，通过A/D定时循环采集模拟信号。由于M-CORE内部集成的10位A/D不能满足保护及监控精度的要求，所以在外部扩展了4通道，14位A/D转换芯片AD7865，以满足微机保护较高的转换精度要求，滤波电路采用二阶低通滤波器。此外，模拟量测量电路中还包括过零检测单元，实现模拟量频率和相位的测量。
开关量输入输出电路，开关输入量通过光电隔离后，经过滤波整形，进入主CPU模块，开关量输出信号经光电隔离后，输出动作信号。将主CPU读入读出、开入开出量功能集成在CPLD上，通过CPLD扩展开入开出I/O接口地址。
液晶显示电路采用单独CPU控制液晶显示，液晶控制器采用SEIKOEPSON公司的SED1335液晶控制器，读写速度较快。液晶显示器LCD使用320X240 点阵式图形LCD，满足了电力系统保护设备使用寿命长、界面美观的要求。
本装置采用薄膜键盘，只需要通过上、下、左、右、取消、确认6个按键结合菜单便可直观地在线、离线整定定值、修改实际时间、就地操作开关等。采用中断方式相应键盘,以减少其对CPU的占用。键盘的中断信号通过一个与门产生［3］。
1.4硬件设计特点
电力系统保护微机测控系统通常由一系列不同功能的小型单元箱组成。本装置的单元箱采用小型机箱设计，里面包括模板和4块插件板。插件板包括CPU插件板、输入输出I/O插件板、模拟量采集插件板和人机接口插件板。各插件板通过钢板隔离起来，以防止各插件板间的电路发生相互干扰。
电源系统采用开关电源，并采用隔离屏蔽设计，在电源输出端插入由共模扼流线圈和电容组成的电源滤波器，直接有效地抑制了一次电源对测控系统的电磁干扰，提高了抗干扰能力。I/O插件板继电器采用隔离措施，采用SIEMENS继电器，开关速度快、抗干扰、寿命长，大大增强了出口电路的可靠性［5］。
CPU插件板采用4层板工艺和全悬浮设计，使CPU插件能有效地阻止外界干扰的入侵，以增强整个系统的可靠性。另外，丰富的软件和强大的通信功能对单元装置的故障自检提供了良好的环境［4］。
为了简化系统结构，外围的扩展电路尽量利用CPLD来实现，以达到简洁性设计的目的。该装置采用XILINX公司XC9500系列的9572CPLD。利用CPLD高性能的现场可编程及多次擦写功能，实现了电路的集成化和可靠性，和CPU一起构成了系统的核心。并与外围的存储芯片、时钟芯片、模拟量回路、通信电路、显示电路、开入开出电路一起共同构成了整个系统。
为了进一步提高系统的可靠性，增加了看门狗复位电路，采用了X5043掉电存储芯片，其具有4 kB的EEPROM，存储各系统定值，同时具有看门狗功能。当程序跑飞或死机时，能自动复位。
模拟量采集电路，各电流电压模拟量通过电流互感器（CT）、电压互感器（PT）、经光耦隔离、放大，进入主CPU模块，通过A/D定时循环采集模拟信号。由于M-CORE内部集成的10位A/D不能满足保护及监控精度的要求，所以在外部扩展了4通道，14位A/D转换芯片AD7865，以满足微机保护较高的转换精度要求，滤波电路采用二阶低通滤波器。此外，模拟量测量电路中还包括过零检测单元，实现模拟量频率和相位的测量。
开关量输入输出电路，开关输入量通过光电隔离后，经过滤波整形，进入主CPU模块，开关量输出信号经光电隔离后，输出动作信号。将主CPU读入读出、开入开出量功能集成在CPLD上，通过CPLD扩展开入开出I/O接口地址。
液晶显示电路采用单独CPU控制液晶显示，液晶控制器采用SEIKOEPSON公司的SED1335液晶控制器，读写速度较快。液晶显示器LCD使用320X240 点阵式图形LCD，满足了电力系统保护设备使用寿命长、界面美观的要求。
本装置采用薄膜键盘，只需要通过上、下、左、右、取消、确认6个按键结合菜单便可直观地在线、离线整定定值、修改实际时间、就地操作开关等。采用中断方式相应键盘,以减少其对CPU的占用。键盘的中断信号通过一个与门产生［3］。
1.4硬件设计特点
电力系统保护微机测控系统通常由一系列不同功能的小型单元箱组成。本装置的单元箱采用小型机箱设计，里面包括模板和4块插件板。插件板包括CPU插件板、输入输出I/O插件板、模拟量采集插件板和人机接口插件板。各插件板通过钢板隔离起来，以防止各插件板间的电路发生相互干扰。
电源系统采用开关电源，并采用隔离屏蔽设计，在电源输出端插入由共模扼流线圈和电容组成的电源滤波器，直接有效地抑制了一次电源对测控系统的电磁干扰，提高了抗干扰能力。I/O插件板继电器采用隔离措施，采用SIEMENS继电器，开关速度快、抗干扰、寿命长，大大增强了出口电路的可靠性［5］。
CPU插件板采用4层板工艺和全悬浮设计，使CPU插件能有效地阻止外界干扰的入侵，以增强整个系统的可靠性。另外，丰富的软件和强大的通信功能对单元装置的故障自检提供了良好的环境［4］。
2系统软件
在微机保护装置的软件设计中，主要考虑的是交流采样算法、保护算法。通过采样得到的数据按照一定的保护算法来进行判断保护是否动作。在实际的电力系统故障时，往往是在基波基础上叠加有衰减的非周期分量和高频分量，因此要求微机保护装置对输入的电流、电压信号进行预处理，尽可能地滤掉非周期和高频分量。由于M-CORE芯片计算处理的高速性，本装置在现有的傅氏算法的基础上，采用改进的全波傅氏算法，在全波傅氏变换提取出基波或各次谐波分量的基础上，延时2个采样间隔，通过3个N点数据窗的计算，除去了直流衰减分量带来的误差。该算法既能滤除高次谐波，也能够满足保护的响应速度和精确性的要求。
本保护装置的软件采用模块化设计的思想，由主程序模块、中断服务子程序模块和各个功能子程序模块(保护算法软件模块、通信软件模块、显示软件模块、滤波软件模块等)组成。实际编程采用C语言和汇编混合编写，提高了数据处理的能力，也保证了程序的可靠性。该装置的双CPU系统,完全能满足电力系统的要求［3］。
在微机保护装置的软件设计中，主要考虑的是交流采样算法、保护算法。通过采样得到的数据按照一定的保护算法来进行判断保护是否动作。在实际的电力系统故障时，往往是在基波基础上叠加有衰减的非周期分量和高频分量，因此要求微机保护装置对输入的电流、电压信号进行预处理，尽可能地滤掉非周期和高频分量。由于M-CORE芯片计算处理的高速性，本装置在现有的傅氏算法的基础上，采用改进的全波傅氏算法，在全波傅氏变换提取出基波或各次谐波分量的基础上，延时2个采样间隔，通过3个N点数据窗的计算，除去了直流衰减分量带来的误差。该算法既能滤除高次谐波，也能够满足保护的响应速度和精确性的要求。
本保护装置的软件采用模块化设计的思想，由主程序模块、中断服务子程序模块和各个功能子程序模块(保护算法软件模块、通信软件模块、显示软件模块、滤波软件模块等)组成。实际编程采用C语言和汇编混合编写，提高了数据处理的能力，也保证了程序的可靠性。该装置的双CPU系统,完全能满足电力系统的要求［3］。
3结束语
在模块化设计的基础上，开发的以M-CORE处理器MMC2107为硬件核心的微机继电保护装置，是一个通用的硬件平台，能够满足各种保护可靠性、选择性、速动性以及灵敏性的要求。在此平台上通过对软件的适当修改可以实现变压器保护、电容器保护、电动机保护等中低压电力设备的监控保护功能。
在模块化设计的基础上，开发的以M-CORE处理器MMC2107为硬件核心的微机继电保护装置，是一个通用的硬件平台，能够满足各种保护可靠性、选择性、速动性以及灵敏性的要求。在此平台上通过对软件的适当修改可以实现变压器保护、电容器保护、电动机保护等中低压电力设备的监控保护功能。
参考文献
［1］ Inc MMC2107 Technical Data［Ｚ］.Motorola,2000.
［2］李维諟，郭强(LI Weidi, GUO Qiang).液晶显示器件应用技术(Application Technology of LCD Display Elements)［Ｍ］.北京:北京邮电学院出版社(Beijing: Publishing House of Beijing University of Posts and Telecommunications),1999.448-501.
［3］单亚娟，郑建勇，曹晓华(SHAN Yajuan, ZHENG Jianyong, CAO Xiaohua). TMS320F240DSP处理器在电动机微机保护装置设计中的应用(Application of TMS320F240DSP in the Hardware Design of Motor Protection Device)［Ｊ］.电力系统及其自动化学报(Proceedings of the EPSA),2003,15(1):67-69.
［4］吴翠娟,王致杰，李冬，等(WU Cuijuan, WANG Zhijie, LI Dong, et al).基于80Ｃ196ＫＢ设计的变电所综合保护与测控装置(The Measurement and Controlling Device of Electric Power Station Computer Synthesize Protection Based on 80C196 Design)［Ｊ］. 煤矿机械(Mine Machinery),2003,(3):41-43.
［5］邓正才, 黄松筠( DENG Zhengcai,HUANG Songjun).工控单片机系统的电磁兼容性设计( EMC Design of MCU Systems for Industrial Control)［Ｊ］.国防科技大学学报(Journal of National University of Defense Technology)，2001,23(4):63-66.
［2］李维諟，郭强(LI Weidi, GUO Qiang).液晶显示器件应用技术(Application Technology of LCD Display Elements)［Ｍ］.北京:北京邮电学院出版社(Beijing: Publishing House of Beijing University of Posts and Telecommunications),1999.448-501.
［3］单亚娟，郑建勇，曹晓华(SHAN Yajuan, ZHENG Jianyong, CAO Xiaohua). TMS320F240DSP处理器在电动机微机保护装置设计中的应用(Application of TMS320F240DSP in the Hardware Design of Motor Protection Device)［Ｊ］.电力系统及其自动化学报(Proceedings of the EPSA),2003,15(1):67-69.
［4］吴翠娟,王致杰，李冬，等(WU Cuijuan, WANG Zhijie, LI Dong, et al).基于80Ｃ196ＫＢ设计的变电所综合保护与测控装置(The Measurement and Controlling Device of Electric Power Station Computer Synthesize Protection Based on 80C196 Design)［Ｊ］. 煤矿机械(Mine Machinery),2003,(3):41-43.
［5］邓正才, 黄松筠( DENG Zhengcai,HUANG Songjun).工控单片机系统的电磁兼容性设计( EMC Design of MCU Systems for Industrial Control)［Ｊ］.国防科技大学学报(Journal of National University of Defense Technology)，2001,23(4):63-66.
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