微机保护装置中央处理器的选择探讨.docVIP

微机保护装置中央处理器的选择探讨 　　摘　要：结合微机保护的要求，就目前微机保护装置中几种CPU的结构、速度进行了探讨，指出多CPU配置是新型微机保护的模式。??? 关键词：微机保护；中央处理器；微处理器；数字信号处理器 0　前言　　微机保护装置是以中央处理器CPU为核心，根据数据采集系统采集到的电力系统的实时状态数据，按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等，并由此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种安全装置。微机保护原理是由计算程序来实现的，CPU是计算机系统自动工作的指挥中枢，计算机程序的运行依赖于CPU来实现。因此，CPU的性能好坏在很大程度上决定了计算机系统性能的优劣。1　CPU结构的选择　　微机保护的生命力在于它的可靠性，计算机系统中最易受干扰影响的是它的总线系统（地址线、数据线、控制线）。目前，我国研制的微机保护的硬件先后经历了三代，第三代保护技术创新的关键之处是实现了总线不出芯片的原则，保证微机保护在外部出现各种电磁辐射、雷电冲击、静电干扰等不良环境下仍能正确工作，具有极强的抗干扰能力。1．1　单片机　　单片机通过大规模集成电路将微处理器（MPU）、存储器、定时器、计数器和各种输入输出接口封装在一块芯片中。新型微机保护多采用总线不出芯片的16位单片机，如用Intel公司的80C196系列CPU组成的微机保护。使用单片机为主的微机保护具有较强的针对性，系统结构紧凑，整体性能和可靠性高，性能价格比高，使用单片机的微机保护在电力系统中得到了成功的应用，如LFT－900型、CSL－100型微机保护等。现阶段使用单片机的微机保护仍将是我国微机保护的主流产品。但以单片机为核心的微机保护装置，针对性较强，直接针对电力系统具体应用环境来设计，因此通用性、可扩展性相对较差；且往往受到速度和结构的限制，不擅长数字信号的处理，特别是在处理电力系统中复杂的数据运算时，往往耗时过长，难以实现更新的复杂算法及达到更高的采样速率。1．2　工控机　　工控机通常为专业厂家生产，其总线是面向工业控制的，各模板的设计都考虑到恶劣的现场环境，机械特性和电气特性能满足微机保护装置的可靠性要求。在电力系统继电保护与自动化产品中，也有较多的厂家选用了工控机，如采用MPU为NECV40基础的STD工控机。V40内部集成了许多外围器件，简化了外围电路，提高系统抗干扰的能力。如果继电保护算法对处理器的计算速度和精度有更高的要求，可选用更高级别的工控机，如Intel公司的386EX。工控机比单片机有更高的计算速度和精度，更强的控制能力。另外，可将复杂的硬件设计生产交给专业厂家，产品开发周期较短，通用性和可互换性强，产品容易升级换代，使微机保护开发工作者更集中致力于保护功能的实现，使微机保护更加完善。1．3　数字信号处理器DSP　　数字信号处理器（DSP）是一种经过优化后用于处理实时信号的微处理器。线技术、硬件乘法器、特殊的指令、并行处理系统等，极大地缩短了数字滤波、滤序和傅里电保护算法可以通过DSP来轻松完成。近年来，微机保护的生产厂家相继推出以DSP为核心的微机保护产品。如RCS－951A型输电线路成套保护装置。2　微机保护装置的CPU组合方案　　微机保护由最初的单CPU的硬件结构为主发展为多单片机构成的多CPU硬件结构。2．1　单CPU的结构　　单CPU的微机保护装置是指整套微机保护共用一个单片微机完成数据采集、逻辑运算、人机接口、出口信号等任务。这是第一代微机保护装置的特点，如WBZ－01型微机变压器保护装置，结构简单，后备保护、主保护共用一个CPU，可靠性不高。但对于比较简单的微机保护，保护功能较少，为了简化保护结构，多数还是采用单CPU系统。2．2　多CPU的结构　　多CPU的微机保护装置中，按功能配置多个CPU模块，分别完成不同保护原理的多重主保护、后备保护及人机接口等功能。多CPU结构的组合方式有很多，主要有如下几种：　　（1）多个MPU的方案。典型的结构是WXB－11型微机保护装置。它配置了4个硬件完全相同的MPU（8031）插件，分别完成高频保护、距离保护、零序保护、综合重合闸等功能，另外设置1个MPU（8031）完成人机对话、通讯等功能。这种结构的保护装置中，每个保护CPU插件都可以独立工作，任何一个模块损坏均不影响其他模块保护的正常工作，防止了一般硬件损坏而闭锁整套保护；且提供了采用三取二启动方式的可能性，大大提高了保护装置的可靠性。　　（2）MPU＋DSP的方案。其中MPU、DSP按需要可用多个，如RCS－915A母线保护装置有4个DSP和2个MPU。其中MPU完成保护装置的总起动元件和人机界面及后台通信功能，DSP完成所有的保护算法和逻辑功能。这样，将保护功能和其他扩展功能分离，一方