微机保护装置中央处理器的选择探讨
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产品简介
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。
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。由于DSP具有先进的内核结构（哈佛结构）、快速的指令周期、流水线技术、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、滤序和傅里叶变换算法的计算时间，使许多过去因CPU性能因素而无法实现的继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，一方面可以使DSP专注于完成保护算法，降低软件设计的复杂程度以减少不必要的失误；另一方面，扩展功能可由更擅长网络通信、人机接口等功能的MPU来完成，做到各有所长。
（3）DSP＋DSP的方案。在配电线路的保护监控一体化的智能系统中，考虑到保护的特殊性和测控的实时性要求，可采用两片DSP并行工作、分工合作，使继电保护和测控互不影响。
3 CPU的运算速度选择 可靠性是继电保护设备最重要和最基本的要求，对于微机保护的可靠性而言，在某种程度上取决于CPU本身的可靠性和抗干扰性能，总线不引出芯片的CPU是国内外公认的最可靠方案。从可靠性的角度来分析，CPU的运算速度和位数并没有对可靠性产生影响。
微机继电保护是专用实时控制系统，数据处理所占用的时间很少，保护的动作只有等到故障后经历由算法所要求的一定采样次数后才有可能。所以，32位机的动作速度比8位机快不了多少。另外，CPU数据总线位数高，只表示当处理字长较长的数时速度快，并不表明精度越高。CPU的运算精度取决于程序，与CPU的位数无关。
目前，已有32位的CPU，但同时还在生产大量的8位、16位机。在微机保护装置中，CPU运算速度和位数的选择应以“够用”为原则，即CPU能否在两个相邻采样间隔内完成必须完成的工作，没有必要片面地追求CPU的位数或运算速度。仅就实现继电保护最主要的功能而言，16位的CPU完全可以满足继电保护的要求。今后随着网络通信功能的增强，微机保护的某些部分，如人机界面、通信接口等可能需要一些位数多、速度快一些的CPU。
4 结语
随着电力工业的发展和继电保护相关电子、通信技术的进步，微机保护装置结构将不断优化，功能不断增强，应用更加灵活。电力系统中的微机保护采用的CPU多种多样，其中多CPU配置的微型保护装置将有利于满足各种保护的特殊要求，以及系统对抗干扰能力的要求，同时充分发挥多CPU配置的资源优势，有利于系统整体性能的优化。
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