MCF5272在光纤数字化微机保护装置中的应用
2008-06-18
作者：阳 光１， 刘欣荣２， 王欣欣1
摘 要: MCF5272是一种带以太网接口的32位RISC微处理器，介绍了其在光纤数字化保护装置" title="保护装置">保护装置中的应用。
关键词: MCF5272 光纤通信 微机保护
利用日趋成熟的光电传感器代替传统的电磁互感器, 用数字化光纤通信技术取代传统金属电缆进行信息传送，不仅可大幅提高数据传输量，使通信更可靠、快速，而且更有利于继电保护和控制功能的实现。随着这种光电传感技术和光纤通信技术的快速发展，采用光纤数字化微机保护装置" title="微机保护装置">微机保护装置代替传统模拟量输入的微机保护装置也将会成为未来发展的必然趋势。本文介绍一种基于MCF5272的光纤数字化微机保护装置，该装置采用了双CPU结构，其中主保护CPU采用MCF5272，负责完成接收采样值及保护计算的任务；监控CPU采用80C196KC，主要负责人机接口" title="人机接口">人机接口和通信功能。两个CPU之间通过双口" title="双口">双口RAM来交换数据。本套装置具有结构简单可靠、抗干扰性强的特点，对实现电网保护的光纤传输有着重要意义。
1 MCF5272简介
MCF5272微处理器是摩托罗拉公司迄今为止推出的最高集成度的ColdFire微处理器之一。凭借附加的10/100M以太网控制器和一个USB模块，MCF5272集成通信微处理器将ColdFire系列的集成水平提升得更高。MCF5272扩展的外围设备组及其诱人的价格使它成为一款适用于各类嵌入式应用的优秀设备，特别在开发不同功能的低端网络产品中得到了广泛应用。
MCF5272集成了功能强大的快速以太网存取控制器(MAC)；支持三种不同的网络物理接口(100Mbps MII，10Mbps MII和10Mbps7线)，可以适应不同的接口需求；在大于50MHz的时钟频率下，半双工传输速度可达到100Mbps。
MAC总共有448个字节的FIFO缓冲区，这些缓冲区并不固定地分配为接收缓冲区或发送缓冲区，而是通过芯片配置在这二者之间自由地分配。由于本套微机保护装置的光纤接口只是单向接收数据，并不发送，因此可以在448个字节范围内根据自己的需要配置接收缓冲区的大小。这样就能够大幅提高CPU总线延迟时间的允许范围，减轻CPU处理传输数据的负担。
MCF5272为32位RISC微处理器，RISC的关键技术在于流水线操作，即在一个时钟周期内完成多条指令，在使用相同的晶片技术和相同运行时钟下，RISC系统的运行速度将是CISC系统的2～4倍。MCF5272在66MHz下典型操作速度为63MIPS(MIPS：每秒一百万条指令)，而且MCF5272的V2内核还集成了乘法及累计单元，可在一个单指令周期内完成16×16位的乘法指令，这样高的计算速度可以大大缩短保护计算的时间，提高保护装置的保护性能。由于光纤传输系统中，保护装置与前端信息合并单元是采用光纤以太网连接，为了增强系统的可靠性，MCF5272以其强大的以太网接口，超高速的计算能力，低廉的价格成为本套保护装置理想的微处理器。
2 硬件设计
对光纤保护装置来说，它的采样值输入设备为装置在外部、数字式输出的电子式光纤电力互感器，如图1所示。各个光纤电力互感器将数字式采样值数据分别传送至信息合并单元，信息合并单元将各路数据进行汇总后做同步处理，再将这些数据打包校验，以串行的方式发送出去。保护装置最后通过光电转换接口接收前端信息合并单元传送过来的数字式电量采样值。
按照IEC 61850-9中的建议，光纤数字化保护装置与前端的信息合并单元采用IEEE 802.3以太网协议传输采样值数据，其传输媒介为多膜光纤。在这里，保护装置只是通过光纤接口单向接收采样数据，因此在光纤通道上不会出现信道冲突的问题，有效保证了传输数据的可靠性。数据应用层的标示格式采用与IEC 61850-9-1相一致的格式，它允许测量值超过正常值的10 000倍而不会发生溢出。
光纤数字微机保护装置硬件结构框图如图2所示，主要由以下几部分组成：光电转换模块单元、开关量输入单元、中央处理单元(MCF5272和80C196KC)、出口继电器单元、人机接口(键盘及显示)及串行通信" title="串行通信">串行通信单元。
(1)中央处理单元。它是整个保护装置的核心，主要负责对数字信号的处理、判断并发出相应的指令。中央处理单元采用双CPU系统，分别为保护CPU系统和监控CPU系统。保护CPU系统采用MCF5272，负责接收采样值和保护计算等功能；监控CPU系统采用80C196KC，负责人机接口、实时通信等功能，同时也完成本装置的监控测量工作。两个CPU之间通过双口RAM来实现数据交换。当保护动作时，通过双口RAM将相应的保护动作信息传递给监控CPU系统，监控CPU将所接收到的数据传送给显示接口，同时发送给上位机。
每个CPU系统都有自己的看门狗复位电路，这使得系统能更可靠地工作。两个CPU系统均有掉电存储芯片存储各系统的定值，当程序跑飞或死机时，看门狗能使系统自动复位。
(2)光电转换模块单元。单元对于光纤数字化保护装置来说，由光纤接口传送进来的采样值都是滤去了高次谐波的数字量采样值，传统微机保护装置中的模拟输入模块、模拟低通滤波模块、采样及A/D转换模块所要完成的功能在这里都已经由装置外部的智能电子设备完成。因此，在本套微机保护装置中去掉了这些模块，取而代之的是一个“光收发合一模块”。该模块结构小巧，负责光电转换的工作，将前端信息合并单元传送过来的光信号采样值转换为电信号采样值，并将这些采样值送至MCF5272的以太网接口交由MCF5272来处理判断。
(3)开关量输入单元。用于检测外部开关状态量。为了抗干扰，各路外部输入均装有光电隔离，使外部开关量与CPU之间没有直接电的联系，增强了系统的可靠性。
(4)出口继电器单元。该单元的主要功能是跳闸、合闸。为保护装置的出口执行部分，包含了所有出口继电器和信号继电器，每个继电器均通过光电隔离和功率放大来驱动。
(5)人机接口及串行通信接口。包含了键盘、液晶显示屏(LCD)和信号指示灯等部分。该部分在空间上占有很大的面积，但所包含的元器件却很少，主要是用作操作者与装置之间交互信息。
(6)串行通信采用RS485/RS422通信接口，直接与通信管理机连接。
从以上可知，光纤数字化微机保护装置与传统的微机保护装置在硬件结构上大体相同，但是由于采样方式上的差异而又有所不同。
3 软件设计
传统的保护装置的采样模块内嵌在装置内部，微处理器一般是设置一个时钟中断来定时进行A/D采样，其采样过程是一个“主动”的过程，保护装置可以根据自己的需要完全掌握采样的时间间隔，也可以根据A/D采样芯片的配置来设置采样值的数据格式。而本微机保护装置的采样过程是由外部电子设备来完成的，采样值数据按照一定的传输协议由光纤接口传送过来，保护装置只是“被动”地接收。因此使其装置的结构更加简单、轻巧。更为重要的是，保护装置获取采样值的时间将大大缩短，从而留给CPU更多的时间进行保护计算等实时任务，大大提高了装置的实时性。
在装置中采用了双CPU结构，为了保证保护要求中的快速性，把实时性较强的接收采样值和保护计算、判断出口功能由MCF5272来实现。本套保护装置目前应用于110kV高压输电线路的保护，配置了完整的三段相间和接地距离保护、四段零序方向过流保护和低周减载保护。由于MCF5272具有超高速的运算能力，在每周波24点采样率的前提下，可以在以太网接收一个完整采样值数据帧的间隔时间内完成全部的保护计算工作，而且MCF5272还有足够大小的以太网接收缓冲区，允许有一定的总线延迟时间而不会造成采样数据的丢失，因此，将以太网接收采样值、保护计算、出口判断处理放在一个子程序中，采用以太网接收中断方式来响应子程序，从而大大提高了整个装置保护出口的实时性。
保护系统主程序框图如图3所示。程序中上行数据处理部分功能是要把MCF5272的处理数据写入双口RAM，下行命令处理功能是要把双口RAM中来自80C196KC的监控命令取出并执行。
80C196KC是作为从CPU完成一些人机接口、串行通信的辅助工作。为了保证实时性，在其主程序循环中设置了键盘响应中断和串行通信接收中断。为了避免中断处理时间过长影响其他任务的执行，将中断任务设置得尽量简单，只是将键盘输入和串行通信接收字符存放在对应的数据缓冲区，其他的任务就等待主程序循环中的相应子程序来完成。
监控系统的主程序框图如图4所示。程序中上行命令处理部分功能是将80C196KC的监控命令写入双口RAM，下行数据处理部分功能是将来自MCF5272的处理数据读入80C196KC。
本文介绍了一种光纤数字微机保护装置，它采用了新型的带以太网接口的32位RISC微处理器，将现代光纤通信技术与微机保护装置结合起来，大大提高了采样数据的实时性、抗干扰性。具有更加广泛的适应性。较之传统的保护装置，本套装置结构更加简单、性能更加可靠。
参考文献
1 聂一雄．基于光学互感器和光纤网的变电站自动化系统构想[J]．中国电力，2001；(8)：35～38MCF5272
2 ColdFireintegrated microprocessor user′s manual. Mar.2002,http://www.motorola.com
3 陈德树．计算机继电保护原理与技术[M]．北京：水利电力出版社，1992
4 李 华．微机型继电保护装置软硬件技术探讨．电力建设，2001；(5)：44～47