基于DSP的继电保护测控装置

文章编号：1006-1576（2006）05-0075-03

基于DSP的继电保护测控装置

张伟，王仲东

（华中科技大学 控制科学与工程系，湖北 武汉 430074）

摘要：基于DSP的继电保护测控装置，通过快速傅立叶算法对电量值及各次谐波的测量分析，实现对电网的实时检测。装置采用双CPU结构，其TMSVC5410承担计算，MSP430F149控制通信，XC95144X芯片实现逻辑控制，MAX125芯片实现模数转化，并通过HPI口完成DSP和单片机间的高速数据传递。DSP软件的核心是抑制高次谐波的算法编写及微机保护算法编写，包括数据处理算法、采样点数及采样起始时刻的选择等。

关键词：继电保护测控装置；TMSVC5410；MSP430F149；XC95144X；HPI；快速傅立叶算法 中图分类号：TP274.5 文献标识码：A

Measurement and Control Equipment for Relay Protection Based on DSP

ZHANG Wei, WANG Zhong-dong

(Dept. of Control Science & Engineering, Huazhong University of Science & Technology, Wuhan 430074, China) Abstract: The measurement and control equipment for relay protection was based on DSP. The electric quantity value and subharmonic were measured and analyzed by FFT to realize the real time detection on electricity net. The double CPU structure was adopted by equipment; the TMSVC was used to calculate; the MSP430F149 was used to control the communication; the XC95144X chip was used to realize the logic control; the MAX125 chip was used to realize the conversion between model and figure; the HPI interface was adopted to achieve the high-speed data transmission between DSP and singlechip. The algorithms compiling of high subharmonic restrain and microcomputer protection is the core of DSP software. The algorithm also includes data processing algorithm, sampling spots, choosing the sampling start time and so on.

Keywords: Measurement and control equipment for relay protection; TMSVC5410; MSP430F149; XC95144X; HPI; FFT (Fast Fourier Transform Algorithm)

0 引言

为达到高可靠高质量的供电要求，设计基于DSP控制的高精度的综合测控终端设备，硬件使用高速运算TMS320VC5410型DSP以及MSP430F149单片机，并采用基于快速傅立叶变换（FFT）的交流测量算法及谐波测量技术，实现对三相电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、功率因素、电能电度等的精确测量。

Flash对存储空间进行扩展，如图1。

………16通道开关量输入光电隔离8通道…开关量输出继电器FRAM 32k*8*2 ………12通道模拟量输入14位ADC显示器及键盘接口MCU光电隔离DSP CPLD FLASH 128k*16通讯接口图1 系统结构

1.1 DSP和MCU通过主机接口（HPI）连接 采用双CPU结构，把数据处理和通信分开来处理，以达到实时性要求。

虽然双CPU的方法解决计算量、实时性等问题，也带来两个CPU间如何互通信息，实现数据交换的问题。系统中，MCU是主机，DSP为从机。由于TMS320C54x提供一种特殊的并行端口HPI，利用该接口可方便和外部主机实现高速并行通信。 1.2 DSP和MCU通过HPI构成的核心处理单元 主机接口是TMS320C54X系列DSP芯片内部接口部件，用于DSP与其他总线或CPU进行通信。C5410具有增强型的HPI-8接口。图2为

1 系统构成和基本原理

系统采用双CPU结构，其中TI公司的DSP芯片TMS320VC5410用于计算和部分控制任务；以16位RISC超低功耗单片机MSP430F149作为通信、显示和键盘输入控制CPU；而逻辑控制由CPLD芯片XC95144XL实现；两片ADC芯片MAX125用于实现模拟量到数据量的转化。因片内资源有限、计算数据量大且在TMS320VC5410和MSP430F149间共享数据，故由DSP的HPI（Host Port Interface）口来达到DSP和单片机间的数据传递。而DSP程序和采集的数据需存储在外部存储器，由FRAM和

收稿日期：2005-08-09；修回日期：2005-10-29 作者简介：张伟（1981-），男，湖北人，华中科技大学在读硕士，从事智能控制系统与智能信号处理技术研究。

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MSP430F149微控制器和DSP的硬件接口电路图。

因DSP在Boot过程中向单片机发送HPI中断，所以单片机在初始化时要清除中断。且逐级在数据交互前将控制寄存器中的BOB位设置好，指示高地址在前还是低地址在前。在程序初始化时由单片机完成。因DSP复位后默认处于共享模式（SAM），所以不用对存储器访问模式进行设置，如图2。

时间和DSP内存空间，具有较大优越性和操作性。2.2 采样点数的选择

要获得精确的计算结果，采样频率的选择很重

要。通过比较，64点采样从计算时间、结果精度以及对存储容量的要求都较为适当。

2.3 采样起始时刻选择

P4.0-4.7P2.0P2.1P2.2MSP430F149 P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7VCC HPIENA HD0-HD7 HRDY /HDS2 /HDS1 TMS320VC5410HBIL HCNTL1 HCNTL2 HR/W /HINT /HCS /HAS (1) 任意起始时刻采样的谐波检测

假设采样信号不含偶次谐波且半周波内只过零一次，采样时周期波信号的负半周数据不能够被正确地采集到，因此任意起始时刻采样的谐波检测需要解决2个问题：在采样数据中准确确定正半周的32点数据；根据正半周的数据经过处理生成负半周的数据并存入相应存储区。

任意时刻开始采样得到起始点的数据只能有2种情况：正数或零。正数表示采样是从周期波的正半周某一时刻开始；零则代表采样开始时刻有3种可能：① 由正向负过零时刻；② 由负向正过零时刻；③ 负半周某一时刻。

(2) 起始点数据为正数时正半周数据的确定及负半周数据的生成

周期波的正半周数据分布在负半周的零数据两侧，为准确确定正半周数据，需从采样数据两端开始向内进行判断。记采样数据为D1～D64，从D1开始取数并与零比较，直到Di＝0止，记X＝i-1，则X为不为零的数据个数。再从D64开始向前取Y＝32-X个数，X+Y为正半周32点数据，对D1～DX数据作取反加一处理得D’1～D’X，将D’i（i＝1,2,…,X）送入到Di地址加20H形成地址中，正半周其余Y点数据D64～D64-Ｙ+1作相应处理后送入到对应原数据地址减20H形成地址中。

(3) 起始点数据为0时正半周数据的确定及负半周数据的生成

起始点数据为零时，首先应判断当前64点采样属于①、②、③中哪一种，然后才能进行负半周对应地址中数据的确定。

从连续存放的64点数据中的D1点开始取数并与零比较，直到Di≠0为止，设N＝i-1。若N＝1，此时需要看第33点数据值是否为零，若D33＝0，则当前采样情况属于②；若D33≠0，当前采样情况属于③；若N≥32，则当前采样情况属于①；对于

图2 DSP与MCU通过HPI连接示意图

2 系统的软件设计

系统软件设计由DSP软件、单片机软件和上层主站的软件构成。各部分软件设计相对独立，彼此间通过信息传递进行联系。DSP软件采用标准C编程，而在关键运算的地方嵌入汇编，以提高程序的运行效率。软件设计采用模块化、结构化设计思想，使系统可按需要添加和删减功能。DSP软件的核心部分是抑制高次谐波的算法及微机保护算法。 2.1 数据处理算法选择

傅立叶分析划分信号时具有很好的频率特征，电压电流信号经傅立叶变换后可准确得到各次谐波值，适用于平衡信号分析和处理，如图3。

开始 交流采样同步 噪声干扰消除 数据滤波处理 FFT 自校准各种电参量的计算 结束

采用FFT算法进行谐波分析与数据的实时处理。该装置检测的三相电压和三相电流都是实函数，依FFT的运算特性，可将每一相电压、电流分别组合成复数数据进行运算，经分解得到每一相电压、电流各次谐波值。此方法能节约近一半的运算

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图3 数据处理流程

2≤N≤31时对应的采样情况应为③。

对①采样情况，负半周数据生成：在64点采样

对每点数据中从最后一点D64始向前依次取32点，

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数据取反加一后送该点地址减20H形成的地址中。

对②采样情况，负半周数据生成：在64点采样数据中从第一点D1开始向后依次取32点，对每点数据取反加一后送该点地址加20H形成的地址中。

对③采样情况，负半周数据生成：周期波负半周零数据分布在正半周数据两侧，为准确确定正半周数据，需从采样数据两端开始向内进行判断。从D1开始向后取数并与零比较，直取到Di≠0止，零数据的个数记为X，则X＝i-1，从开始向后取32-X个数据，对Di～Dｉ+(32-ｘ)-1数据作取反加一处理得D’1～D’i +(32-ｘ)-1，将D’i送到Di地址加20H形成地址中。正半周其余X点数据Di +(32-ｘ)～Di +32-1作相应处理后送入到对应原数据地址减20H形成地址中。当一个采样周期的负半周数据生成后，将正负半周共64点数据装入倒序表中，调用FFT算法子程序，进行谐波检测。

采用数字信号处理芯片TMS320VC5410为处理CPU。并采用16位单片机MSP430F149为通信CPU，通过DSP的HPI口连接。利用快速傅立叶算法FFT进行滤波及电量测量监测，经通信单片机由远方进行实时监控，可用于急需改造的10KV等级电网，提高供电可靠性，减少经济损失。

参考文献：

[1] 张雄伟, 陈亮, 徐光辉. DSP芯片的原理与开发应用[M].

成都: 电子工业出版社, 2003.

[2] TMS320VC5410 FIXED-POINT DIGITAL SIGNAL

PROCESSOR [Z]. Texas Instrument. June, 1999

[3] 崔成贤, 金明华. 快速傅立叶变换过程的分析[J]. 佳木

斯大学学报, 2004, 22 (4): 552-555.

[4] 王宾, 潘贞存, 赵建国, 等. 电能质量监测数据的同步

处理与装置设计[J]. 电力系统自动化, 2002, (11): 45-49.

[5] 李宏刚, 全玉生, 焦邵麟, 等. 一种基于DSP技术的配

电网实时监测与故障诊断装置[J]. 继电器, 2004, 32 (9): 48-52.

3 结束语

******************************************************************************************* （上接第74页） 处理程序由JTAG口下装到DM6422.3 存储器扩展电路 中的FLASH，最后将输出数据送出。 DM642内部有16KB的一级数据缓存和256KB2.2 图像处理器DM642模块

CMOS10 摄像头 VCXO and POWER DM642 10-Bit Video port Clock and System EMIF HPI RESET FLASH32/64 SDRAM16 RS232RESET图3 DM642处理器结构框图

图像处理模块（DM642）图像采集系统是以DM642为核心的处理器，完成视频信号的实时采集、处理等功能。

(1) TMS320DM642具有独立工作模式；(2) 在上电后DM642能快速的从flash启动，这种模式在独立运行模式下能使系统很快启动；(3) DM642通过外部存储器接口EMIF与SDRAM和FLASH相连，进行数据存储。在DM642处理数据时，将存储器中的数据以DMA的方式与SDRAM进行数据存储。FLASH的存储空间为4M，主要存放应用程序，通过JTAG口下装。并有32位的数据线能实现快速的图像处理。EMIF接口与RS232相连可实现信号交流与控制功能；(4) DM642时钟和电源，作为系统时钟源。通过晶体振荡器、同步分离器为系统各部分提供所需的时钟信号；(5) DM642的中断和UART芯片相连。对串口进行控制，实现快速的中断处理。系统中只用两个中断，其它的做成插针方式作为扩展用；(6) 把HPI端口和GPIO端口做成插针式，留作扩展用。

程序数据共享二级缓存，但对处理图像数据是不够的。因此存储器扩展电路（SDRAM同步动态随机存储器）扩展两块SDRAM来存放原始图像数据。

对图像以宏块为单位处理，只将运算时该宏块所需数据导入片内，其它数据留在片外，则数据量足够放在片内。DM642有强大的DMA能力，因此可在处理当前宏块数据时，将下一宏块数据通过DMA导入片内，当处理完当前宏块时，下一宏块的数据已准备好，可极大提高DM642的利用率。

3 结语

该方案能在一片DM642上实现图像采集及图像处理的几乎全部功能。由于CMOS与DM642具有兼容性，使系统成为小系统，并具有可扩展性，即可与其他芯片相连实现其他功能。可广泛应用于图像采集及其他图像处理系统中。

参考文献：

[1] 周霖主. DSP信号处理技术应用[M]. 北京: 国防工业出

版社, 2004.

[2] 王华, 颜钢锋, 等. 图像处理技术在纺织品检测中的应

用[J]. 浙江工程学院学报, 2003, (9).

[3] 任丽香. TMS320C6000系列DSPs的原理与应用[M]. 北

京: 电子工业出版社, 2000.

[4] TMS320DM642 [OL/DB]. focus.ti.com/docs/prod/folders/ print/tms320dm642.html. 2004(8).

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