目前，10 kV～35 kV電壓等級(jí)系統(tǒng)的微機(jī)保護(hù)多為單CPU結(jié)構(gòu)，全部的控制、監(jiān)測和運(yùn)算都由CPU來完成，CPU只能串行地完成任務(wù)。單CPU微機(jī)保護(hù)的運(yùn)行速度在很大程度上取決于CPU的速度，CPU成為性能提高的瓶頸，在要求高速采樣的應(yīng)用場合，單CPU系統(tǒng)顯得力不從心。因此，采用多CPU型的微機(jī)保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)是必然的。
　　高速數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）技術(shù)的發(fā)展，為開發(fā)速度快、處理能力強(qiáng)的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。近年來，人們已經(jīng)開始將DSP芯片用于某些電力系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)研究，并獲得了成功。
　　采用DSP芯片和一個(gè)通用處理器，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙處理器微機(jī)電容器保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用一個(gè)DSP芯片負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行數(shù)據(jù)濾波的任務(wù)，以及控制邏輯處理，并通過一個(gè)雙端口RAM與另一個(gè)通用處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，而通用處理器主要負(fù)責(zé)部分控制邏輯處理、輸入輸出操作及與外部的通信等功能。

1　微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)及電容器保護(hù)裝置的現(xiàn)狀
1．1　微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)的現(xiàn)狀
　　對(duì)單CPU結(jié)構(gòu)的保護(hù)而言，來自TA、TV的信號(hào)經(jīng)過采樣保持、模／數(shù)轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入微處理器進(jìn)行處理，而數(shù)據(jù)處理的整個(gè)過程都需要CPU的參與控制。在單CPU系統(tǒng)中，CPU除了提供采樣脈沖、發(fā)多路選通信號(hào)、啟動(dòng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換以外，還負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波和實(shí)現(xiàn)保護(hù)算法。此外，為確保系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性而定期執(zhí)行的自檢程序，為方便運(yùn)行人員的操作而設(shè)置的人機(jī)接口程序，也都由CPU執(zhí)行�？梢姡�
在單CPU系統(tǒng)中，全部的控制、監(jiān)測和運(yùn)算都由CPU來完成，致使CPU只能串行地完成任務(wù)，這將造成兩方面的結(jié)果：一是保護(hù)的運(yùn)行速度很大程度上取決于 CPU的速度，對(duì)于要求高速采樣的應(yīng)用，系統(tǒng)顯得力不從心；二是選擇算法時(shí)必須放棄雖有較滿意的性能，但計(jì)算量大的方案。
　　傳統(tǒng)的單處理器微機(jī)保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)，從運(yùn)行和可靠性角度來分析，該結(jié)構(gòu)存在不足：容錯(cuò)能力差，可靠性低，采樣／保持器件之后的任一元件損壞都可能導(dǎo)致裝置停止工作；整套保護(hù)中各個(gè)保護(hù)功能全由一個(gè)CPU分時(shí)承擔(dān)，任何一處程序跑飛都可能使全套保護(hù)工作混亂；由于單CPU系統(tǒng)軟硬件采用串行工作方式，任何新功能的增加都要對(duì)原裝置作通盤的考慮和調(diào)整，因此開發(fā)擴(kuò)充新的功能困難；系統(tǒng)故障的診斷不易定位，維修困難。
　　因此，可以對(duì)單CPU系統(tǒng)進(jìn)行一些改進(jìn)，一種設(shè)計(jì)是選用高性能器件減少S／H、MUX、ADC各環(huán)節(jié)的響應(yīng)時(shí)間，以改善整個(gè)系統(tǒng)的速度，但實(shí)際的芯片速度受到限制，而且將增加成本；另一種設(shè)計(jì)是利用模／數(shù)轉(zhuǎn)換的時(shí)間，讓CPU執(zhí)行其它的任務(wù)，等模／數(shù)轉(zhuǎn)換完成后并發(fā)出中斷申請(qǐng)時(shí)，CPU再響應(yīng)中斷，讀取轉(zhuǎn)換的結(jié)果，并啟動(dòng)下一通道轉(zhuǎn)換。這種設(shè)計(jì)提高了時(shí)間的利用率，但增加了CPU響應(yīng)中斷、保護(hù)現(xiàn)場和恢復(fù)現(xiàn)場的工作量，在CPU速度不高時(shí)有可能得不償失。另外，本次的采樣數(shù)據(jù)要到下一個(gè)采樣周期才處理，增加了反映故障的時(shí)間。
　　自80年代以來，國內(nèi)外逐漸開始研制多CPU型微機(jī)保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)，各種方案總的來說可分為兩類：一類是將保護(hù)功能和人機(jī)界面等功能分開，由不同的 CPU分別承擔(dān)電氣量的采集與變換、控制邏輯運(yùn)算、人機(jī)對(duì)話和打印輸出、與上位機(jī)通信、數(shù)字量輸入和處理等功能。這樣的系統(tǒng)特點(diǎn)是模塊化，能夠?qū)崿F(xiàn)故障定位到板，開發(fā)保護(hù)的新功能方便，但接線復(fù)雜，各板間聯(lián)絡(luò)線多，會(huì)影響系統(tǒng)的可靠性；CPU數(shù)目多，使得裝置體積大且成本也較高。另一類是多CPU并列處理式結(jié)構(gòu)，不同保護(hù)功能（如差流、過壓等）由不同的CPU完成。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是每個(gè)保護(hù)插件的硬件完全相同，只是EPROM中的運(yùn)行程序不同，各板間的聯(lián)絡(luò)線很少，因而維護(hù)檢修方便，抗干擾能力強(qiáng)。此外，也可以只將信號(hào)采集與處理的功能分離出來，由一個(gè)專用CPU承擔(dān)，而保護(hù)的其余任務(wù)仍舊留給另一CPU完成，這就是本文所要介紹的雙處理器系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有第一類方案的優(yōu)點(diǎn)，但其CPU插件少，板間聯(lián)絡(luò)線少，維修方便，體積小成本也較低，是理想的微機(jī)保護(hù)硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案。
　　在微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的采集與處理所占用時(shí)間，較運(yùn)行保護(hù)運(yùn)算程序的時(shí)間要長得多。因此，在雙處理器微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中，由于保護(hù)運(yùn)算的速度已達(dá)到較高的水平，要提高保護(hù)運(yùn)行的速度就必須提高數(shù)據(jù)采集與處理的速度。美國Texas公司的DSP芯片TMS320F206的指令周期為25／35／50μs，且大多數(shù)指令可在單周期內(nèi)完成，而MCS－96系列的通用處理器，最高的主頻也只達(dá)20 MHz，相應(yīng)的時(shí)鐘周期為100μs，考慮到一條指令所需的周期數(shù)，其速度遠(yuǎn)不如DSP快。由于DSP系統(tǒng)中的數(shù)字部分高度的規(guī)范性，使大規(guī)模集成更為便利。
1．2　電容器裝置保護(hù)的現(xiàn)狀
　　為了維持電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，必須采取無功補(bǔ)償措施，并聯(lián)電容器由于具有運(yùn)行靈活，有功損耗小、維護(hù)方便、投資少等優(yōu)點(diǎn)，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。因此，研究功能齊全、通用性強(qiáng)、可靠性高的電容器保護(hù)裝置，對(duì)保證電容器的安全運(yùn)行很有益處。
　　電容器裝置的故障類型有兩大類：一是指不正常的運(yùn)行工況，可能對(duì)電容器的安全造成危害；另一種是指電容器裝置內(nèi)部（包括聯(lián)接線）故障。尤其對(duì)于高壓電力電容器而言，由于其容量大、作用重要，設(shè)計(jì)要求配置專用繼電保護(hù)裝置，作為電容器內(nèi)部故障保護(hù)之用。
1．3　微機(jī)電容器保護(hù)裝置的功能
　　1）研制的裝置配有以下8種基本保護(hù)功能可供選擇：①電流速斷；②時(shí)限過流保護(hù)；③過電壓保護(hù)；④欠電壓保護(hù)；⑤零序電流保護(hù)；⑥差流保護(hù)；⑦零序電壓保護(hù)；⑧差壓保護(hù)。
　　各種保護(hù)的投入和退出可由用戶根據(jù)電容器的接線方式方便地選擇，而無需進(jìn)行軟、硬件的修改。
　　2）輔助功能的設(shè)置，是基于使所研制的微機(jī)電容器保護(hù)裝置既可獨(dú)立應(yīng)用于各種電壓等級(jí)的變電站和不同接線方式的電容器組的保護(hù)，又可作為變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的一個(gè)子系統(tǒng)，同時(shí)能滿足無人值班變電站的需要而仔細(xì)設(shè)定的。歸納起來，主要輔助功能：①裝置面板設(shè)有液晶面板，可以圖形化和數(shù)字化相結(jié)合的方式顯示電容器組的投運(yùn)狀態(tài)和正常無功、電壓值和不平衡電流值，故障發(fā)生時(shí)顯示各種故障記錄值；②有RS232、RS485和CAN等通信接口，可與保護(hù)管理機(jī)或調(diào)度端之間進(jìn)行信息交換和接受遙控命令；③裝置面板上設(shè)有薄膜小鍵盤，可以就地修改保護(hù)定值；④可以記錄故障時(shí)的電壓和電流值，以供事后分析所需；⑤ 保護(hù)信號(hào)的自保持；⑥保護(hù)信號(hào)的就地和遠(yuǎn)方復(fù)歸；⑦跳閘出口防跳功能，；⑧裝置具有上電自檢、靜態(tài)自檢和動(dòng)態(tài)自檢功能。
　　3）所研制的微機(jī)電容器保護(hù)裝置還具有在線監(jiān)測功能。
　　4）所研制的微機(jī)電容器保護(hù)裝置還具有以太網(wǎng)（10M／100M）、CAN網(wǎng)、RS485等接口，能支持多種通訊規(guī)約。
2　DSP芯片的主要特點(diǎn)
2．1　運(yùn)算速度越來越快
　　DSP的總線采用哈佛結(jié)構(gòu)，即獨(dú)立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，流水線處理技術(shù)，使運(yùn)算速度特別快。例如TMS320F206芯片的單周期指令執(zhí)行時(shí)間為25～50μs。
2．2　片內(nèi)外存儲(chǔ)器容量越來越大
　　例如TMS320F206片內(nèi)Flash RAM有32K字，片內(nèi)有單訪問RAM為4．5K字，雙訪問RAM為544字。
2．3　I／O接口功能強(qiáng)
　　具有并行I／O，異步串口，同步串口等。
2．4　具有多種片內(nèi)外設(shè)
　　F206芯片具有16位硬件定時(shí)器，多路PWM，看門狗定時(shí)器和實(shí)時(shí)中斷定時(shí)器等。
2．5　精度高
　　定點(diǎn)DSP芯片字長16位，CALU和累加器32位，浮點(diǎn)DSP芯片字長32位，累加器40位。
2．6　片上串行掃描仿真接口
　　F206芯片具有與IEEE標(biāo)準(zhǔn)1149．1兼容的JTAG掃描邏輯電路，該電路用于仿真和測試。
2．7　FFT執(zhí)行時(shí)間和專用的硬件乘法器
　　FFT運(yùn)算在數(shù)字信號(hào)處理中很有代表性，因此運(yùn)行一個(gè)FFT程序所需時(shí)間作為DSP芯片運(yùn)算能力的一個(gè)指標(biāo)。而在一般形式的FIR濾波器中，乘法是 DSP的重要組成部分。對(duì)每個(gè)濾波器抽頭，必須做一次乘法和一次加法。乘法速度越快，DSP處理器的性能就越高。在一般的通用處理器中，乘法指令是由一系列加法來實(shí)現(xiàn)的，因此需要若干個(gè)指令周期來完成，相比而言，DSP芯片的特點(diǎn)是有一個(gè)專用的硬件乘法器，乘法可在一個(gè)指令周期內(nèi)完成。
2．8　特殊的DSP指令
　　為了適應(yīng)實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)處理的要求，DSP芯片還設(shè)置了一些特殊的指令，如TMS320F206系列的芯片為FIR濾波運(yùn)算設(shè)置了乘法累加器，從硬件上實(shí)現(xiàn)了乘法器與累加器的并行工作，從而可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成一次乘法，并將上一次的乘積求和。因此，對(duì)于N階FIR濾波只要N個(gè)指令周期就能得到一點(diǎn)輸出。另外，DSP還專門設(shè)置了硬件數(shù)據(jù)指針的逆序?qū)ぶ饭δ埽�以加快FFT過程中進(jìn)行數(shù)組逆序?qū)ぶ愤\(yùn)算的速度。
3　系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1　基于DSP的雙處理器微機(jī)保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)
　　基于以上分析，硬件的特殊結(jié)構(gòu)及集成電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得DSP芯片具有很高的運(yùn)行速度，將DSP芯片作為并行的處理器設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮DSP的數(shù)字信號(hào)處理能力，可縮短整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。在基于DSP的雙處理器微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)中，將控制數(shù)據(jù)采集部分和執(zhí)行數(shù)據(jù)濾波的任務(wù)都交給DSP承擔(dān)，既可以利用 DSP強(qiáng)大的數(shù)字運(yùn)算能力來進(jìn)行快速、高精度的濾波計(jì)算，又可以減輕通用微處理處理器的負(fù)擔(dān)，使其有充分的時(shí)間進(jìn)行高精度的保護(hù)運(yùn)算。
　　由于保護(hù)和監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)采集處理的工作量很大，通用微處理器的數(shù)據(jù)處理速度達(dá)不到要求，在以往的系統(tǒng)中，保護(hù)和監(jiān)控功能都是由兩個(gè)相互獨(dú)立的處理器分別實(shí)現(xiàn)的�；�于DSP的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力，保護(hù)和監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集處理操作由一個(gè)DSP處理器完成即可滿足要求。從而，用基于DSP的雙處理器系統(tǒng)可以構(gòu)成單機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)監(jiān)控的保護(hù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)只用一套微處理器系統(tǒng)及相應(yīng)的數(shù)據(jù)預(yù)處理元件，硬件設(shè)計(jì)簡化，裝置體積小，成本低。
3．2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
　　基于DSP構(gòu)成的微機(jī)電容器保護(hù)系統(tǒng)，由于DSP處理器的特性和以往的通用處理器不同，計(jì)算能力有了很大的提高，使計(jì)算過程簡化、計(jì)算量小不再是評(píng)價(jià)算法的首要指標(biāo)，在算法的收斂速度和估計(jì)精度方面則提出了更高的要求。
　　基于以上所述，可在保護(hù)算法中引入最小二乘法（Least Error Squares），由于LES法的數(shù)據(jù)窗長度是固定的，而且是非遞推的，每個(gè)新采樣數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)窗都會(huì)將最早的采樣數(shù)據(jù)移出窗外，使數(shù)據(jù)長度不變，而相應(yīng)的系數(shù)矩陣也要進(jìn)行更新，必須重新求解方程，因此LES法的計(jì)算量很大。為了減少計(jì)算量，可將LES法改進(jìn)成遞推最小二乘法（Recursive Least Er－ror Squares Algorithm），即RLES法。采用RLES法在增加一個(gè)新采樣后，僅對(duì)原估計(jì)值進(jìn)行某些修正，以滿足實(shí)時(shí)計(jì)算的要求。RLES法是變數(shù)據(jù)窗的，第一個(gè)采樣數(shù)據(jù)到來之后就能算出結(jié)果，隨著數(shù)據(jù)窗長度的增加，估計(jì)的精度逐漸改善。當(dāng)采樣數(shù)據(jù)遠(yuǎn)多于待估計(jì)的數(shù)據(jù)時(shí)，RLES法的計(jì)算量較常規(guī)的非遞推 LES法的計(jì)算量顯著減少。
　　基于DSP的雙處理器電容器保護(hù)系統(tǒng)，DSP與通用處理器各自的軟件系統(tǒng)是相對(duì)獨(dú)立的，它們只通過共享存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞轉(zhuǎn)換。
　　DSP以中斷方式實(shí)現(xiàn)對(duì)n路數(shù)據(jù)的采樣，其中斷服務(wù)程序框圖如圖1所示。為實(shí)現(xiàn)遞推計(jì)算，DSP所采集的數(shù)據(jù)采用環(huán)形存貯技術(shù)存儲(chǔ)，環(huán)形緩沖區(qū)的長度可容納n個(gè)周波的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理的內(nèi)容包括各種電量的計(jì)算及標(biāo)度變換等。而通用處理器則采用多任務(wù)操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一個(gè)微型多任務(wù)調(diào)度內(nèi)核，該調(diào)度內(nèi)核將CPU時(shí)間資源劃分為基本時(shí)間片，通過在不同的時(shí)間片分配給CPU不同的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)運(yùn)行機(jī)制。
3．3　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
　　在由通用微處理器和DSP組成的雙處理器電容器保護(hù)系統(tǒng)中，來自TA、TV的信號(hào)在經(jīng)過采樣／保持，多路轉(zhuǎn)換，模／數(shù)轉(zhuǎn)換后，進(jìn)入DSP進(jìn)行處理。該過程中，DSP提供采樣脈沖，發(fā)多路選通信號(hào)和啟動(dòng)模／數(shù)轉(zhuǎn)換，對(duì)數(shù)字信號(hào)的數(shù)字濾波也由DSP完成。最后，DSP將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)傳送給通用微處理器。

　　
　　通用微處理器負(fù)責(zé)對(duì)DSP送來的數(shù)據(jù)按保護(hù)算法進(jìn)行計(jì)算，在加以判別后作為控制出口回路的依據(jù)，通用微處理器還負(fù)責(zé)管理人機(jī)接口和開關(guān)量讀入。在系統(tǒng)正常工作時(shí)，兩處理器只通過共享存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞和轉(zhuǎn)換�；�于DSP的雙處理器微機(jī)電容器保護(hù)系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)采用了一個(gè)DSPTMS320F206 芯片和一片80C196單片機(jī)做雙處理器并行處理的技術(shù)，如圖2所示，兩者通過雙端口RAM實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。雙端口RAM芯片一般具有兩套獨(dú)立的控制邏輯與數(shù)據(jù)存取端口，當(dāng)同時(shí)操作同一存貯單元時(shí)，片內(nèi)仲裁邏輯將只允許從一端口進(jìn)行讀寫操作，而封鎖另一端口。被封鎖的端口有BUSY線被拉低，從而使連接在該端口的CPU處于指令保護(hù)狀態(tài)，待BUSY變高后，CPU可繼續(xù)操作。每次采樣，DSP將啟動(dòng)采樣／保持，多路開關(guān)MUX和A／D轉(zhuǎn)換器，分別將各路模擬通道的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，進(jìn)行各種數(shù)字信號(hào)處理計(jì)算后，將計(jì)算結(jié)果送入雙端口RAM以供讀取，雙端口RAM負(fù)責(zé)出口控制操作，還負(fù)責(zé)管理人機(jī)接口的鍵盤顯示器。

4　結(jié)論
　　提出的基于DSP芯片的雙處理器微機(jī)電容器保護(hù)系統(tǒng)，充分利用了DSP芯片強(qiáng)大的數(shù)字處理能力，使保護(hù)的整體運(yùn)算速度得到提高，同時(shí)具有的在線監(jiān)測手段使得對(duì)電容器內(nèi)部故障能提前獲知。該系統(tǒng)符合當(dāng)前電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)快速精確的發(fā)展趨勢。