按照IEC 61850-9中的建議，光纖數(shù)字化保護(hù)裝置與前端的信息合并單元采用IEEE 802.3以太網(wǎng)協(xié)議傳輸采樣值數(shù)據(jù)，其傳輸媒介為多膜光纖。在這里，保護(hù)裝置只是通過光纖接口單向接收采樣數(shù)據(jù)，因此在光纖通道上不會(huì)出現(xiàn)信道沖突的問題，有效保證了傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)應(yīng)用層的標(biāo)示格式采用與IEC 61850-9-1相一致的格式，它允許測(cè)量值超過正常值的10 000倍而不會(huì)發(fā)生溢出。
　　光纖數(shù)字微機(jī)保護(hù)裝置硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要由以下幾部分組成：光電轉(zhuǎn)換模塊單元、開關(guān)量輸入單元、中央處理單元(MCF5272和80C196KC)、出口繼電器單元、人機(jī)接口(鍵盤及顯示)及串行通信" title="串行通信">串行通信單元。

　　(1)中央處理單元。它是整個(gè)保護(hù)裝置的核心，主要負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字信號(hào)的處理、判斷并發(fā)出相應(yīng)的指令。中央處理單元采用雙CPU系統(tǒng)，分別為保護(hù)CPU系統(tǒng)和監(jiān)控CPU系統(tǒng)。保護(hù)CPU系統(tǒng)采用MCF5272，負(fù)責(zé)接收采樣值和保護(hù)計(jì)算等功能；監(jiān)控CPU系統(tǒng)采用80C196KC，負(fù)責(zé)人機(jī)接口、實(shí)時(shí)通信等功能，同時(shí)也完成本裝置的監(jiān)控測(cè)量工作。兩個(gè)CPU之間通過雙口RAM來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。當(dāng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)，通過雙口RAM將相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作信息傳遞給監(jiān)控CPU系統(tǒng)，監(jiān)控CPU將所接收到的數(shù)據(jù)傳送給顯示接口，同時(shí)發(fā)送給上位機(jī)。
　　每個(gè)CPU系統(tǒng)都有自己的看門狗復(fù)位電路，這使得系統(tǒng)能更可靠地工作。兩個(gè)CPU系統(tǒng)均有掉電存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)各系統(tǒng)的定值，當(dāng)程序跑飛或死機(jī)時(shí)，看門狗能使系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。
　　(2)光電轉(zhuǎn)換模塊單元。單元對(duì)于光纖數(shù)字化保護(hù)裝置來說，由光纖接口傳送進(jìn)來的采樣值都是濾去了高次諧波的數(shù)字量采樣值，傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置中的模擬輸入模塊、模擬低通濾波模塊、采樣及A/D轉(zhuǎn)換模塊所要完成的功能在這里都已經(jīng)由裝置外部的智能電子設(shè)備完成。因此，在本套微機(jī)保護(hù)裝置中去掉了這些模塊，取而代之的是一個(gè)“光收發(fā)合一模塊”。該模塊結(jié)構(gòu)小巧，負(fù)責(zé)光電轉(zhuǎn)換的工作，將前端信息合并單元傳送過來的光信號(hào)采樣值轉(zhuǎn)換為電信號(hào)采樣值，并將這些采樣值送至MCF5272的以太網(wǎng)接口交由MCF5272來處理判斷。
　　(3)開關(guān)量輸入單元。用于檢測(cè)外部開關(guān)狀態(tài)量。為了抗干擾，各路外部輸入均裝有光電隔離，使外部開關(guān)量與CPU之間沒有直接電的聯(lián)系，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
　　(4)出口繼電器單元。該單元的主要功能是跳閘、合閘。為保護(hù)裝置的出口執(zhí)行部分，包含了所有出口繼電器和信號(hào)繼電器，每個(gè)繼電器均通過光電隔離和功率放大來驅(qū)動(dòng)。
　　(5)人機(jī)接口及串行通信接口。包含了鍵盤、液晶顯示屏(LCD)和信號(hào)指示燈等部分。該部分在空間上占有很大的面積，但所包含的元器件卻很少，主要是用作操作者與裝置之間交互信息。
　　(6)串行通信采用RS485/RS422通信接口，直接與通信管理機(jī)連接。
　　從以上可知，光纖數(shù)字化微機(jī)保護(hù)裝置與傳統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)裝置在硬件結(jié)構(gòu)上大體相同，但是由于采樣方式上的差異而又有所不同。
3 軟件設(shè)計(jì)
　　傳統(tǒng)的保護(hù)裝置的采樣模塊內(nèi)嵌在裝置內(nèi)部，微處理器一般是設(shè)置一個(gè)時(shí)鐘中斷來定時(shí)進(jìn)行A/D采樣，其采樣過程是一個(gè)“主動(dòng)”的過程，保護(hù)裝置可以根據(jù)自己的需要完全掌握采樣的時(shí)間間隔，也可以根據(jù)A/D采樣芯片的配置來設(shè)置采樣值的數(shù)據(jù)格式。而本微機(jī)保護(hù)裝置的采樣過程是由外部電子設(shè)備來完成的，采樣值數(shù)據(jù)按照一定的傳輸協(xié)議由光纖接口傳送過來，保護(hù)裝置只是“被動(dòng)”地接收。因此使其裝置的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、輕巧。更為重要的是，保護(hù)裝置獲取采樣值的時(shí)間將大大縮短，從而留給CPU更多的時(shí)間進(jìn)行保護(hù)計(jì)算等實(shí)時(shí)任務(wù)，大大提高了裝置的實(shí)時(shí)性。
　　在裝置中采用了雙CPU結(jié)構(gòu)，為了保證保護(hù)要求中的快速性，把實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的接收采樣值和保護(hù)計(jì)算、判斷出口功能由MCF5272來實(shí)現(xiàn)。本套保護(hù)裝置目前應(yīng)用于110kV高壓輸電線路的保護(hù)，配置了完整的三段相間和接地距離保護(hù)、四段零序方向過流保護(hù)和低周減載保護(hù)。由于MCF5272具有超高速的運(yùn)算能力，在每周波24點(diǎn)采樣率的前提下，可以在以太網(wǎng)接收一個(gè)完整采樣值數(shù)據(jù)幀的間隔時(shí)間內(nèi)完成全部的保護(hù)計(jì)算工作，而且MCF5272還有足夠大小的以太網(wǎng)接收緩沖區(qū)，允許有一定的總線延遲時(shí)間而不會(huì)造成采樣數(shù)據(jù)的丟失，因此，將以太網(wǎng)接收采樣值、保護(hù)計(jì)算、出口判斷處理放在一個(gè)子程序中，采用以太網(wǎng)接收中斷方式來響應(yīng)子程序，從而大大提高了整個(gè)裝置保護(hù)出口的實(shí)時(shí)性。
　　保護(hù)系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示。程序中上行數(shù)據(jù)處理部分功能是要把MCF5272的處理數(shù)據(jù)寫入雙口RAM，下行命令處理功能是要把雙口RAM中來自80C196KC的監(jiān)控命令取出并執(zhí)行。

　　80C196KC是作為從CPU完成一些人機(jī)接口、串行通信的輔助工作。為了保證實(shí)時(shí)性，在其主程序循環(huán)中設(shè)置了鍵盤響應(yīng)中斷和串行通信接收中斷。為了避免中斷處理時(shí)間過長(zhǎng)影響其他任務(wù)的執(zhí)行，將中斷任務(wù)設(shè)置得盡量簡(jiǎn)單，只是將鍵盤輸入和串行通信接收字符存放在對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，其他的任務(wù)就等待主程序循環(huán)中的相應(yīng)子程序來完成。
　　監(jiān)控系統(tǒng)的主程序框圖如圖4所示。程序中上行命令處理部分功能是將80C196KC的監(jiān)控命令寫入雙口RAM，下行數(shù)據(jù)處理部分功能是將來自MCF5272的處理數(shù)據(jù)讀入80C196KC。

　　本文介紹了一種光纖數(shù)字微機(jī)保護(hù)裝置，它采用了新型的帶以太網(wǎng)接口的32位RISC微處理器，將現(xiàn)代光纖通信技術(shù)與微機(jī)保護(hù)裝置結(jié)合起來，大大提高了采樣數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、抗干擾性。具有更加廣泛的適應(yīng)性。較之傳統(tǒng)的保護(hù)裝置，本套裝置結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、性能更加可靠。
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