摘 要：數(shù)字高壓斷路器具有無(wú)磨損、精度高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但某些部件的失效也會(huì)給電力系統(tǒng)及用戶帶來(lái)重大損失。為了提高斷路器的性能和可靠性，減少事故，采用兩片DSP芯片進(jìn)行冗余來(lái)實(shí)現(xiàn)斷路器控制器，不僅可以實(shí)現(xiàn)負(fù)載分擔(dān)，還具有容錯(cuò)功能，在兩芯片都正常工作的情況下，各自處理自己的輸入信號(hào)，當(dāng)其中某一芯片出現(xiàn)故障而不能處理信號(hào)時(shí)，另一芯片獨(dú)立承擔(dān)全部處理任務(wù)，提高了系統(tǒng)的處理能力和可靠性。 關(guān)鍵字：斷路器 容錯(cuò) 冗余 故障診斷 可靠性 1 高壓斷路器測(cè)控系統(tǒng) [align=center] 圖1 高壓斷路器測(cè)控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成[/align] 　　高壓斷路器測(cè)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中，當(dāng)發(fā)生過(guò)載、短路及其他故障時(shí)，高壓斷路器切斷以保護(hù)電力線和電力設(shè)備，同時(shí)為電力部門(mén)提供電壓、電流、有功功率、無(wú)功功率、頻率等基本參數(shù)，聯(lián)網(wǎng)后可對(duì)區(qū)域內(nèi)的電能質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，判斷電網(wǎng)的整體可靠性、安全性和穩(wěn)定性是否在指定的指標(biāo)內(nèi)，為電力部門(mén)監(jiān)測(cè)電網(wǎng)的運(yùn)行提供有力支持。 　　圖1是高壓斷路器測(cè)控系統(tǒng)，由供電子系統(tǒng)、電參數(shù)變換子系統(tǒng)、核心控制子系統(tǒng)、操動(dòng)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)和人機(jī)交互子系統(tǒng)組成。其中供電子系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，電參數(shù)變換子系統(tǒng)將10KV的高電壓和幾百安的大電流變換成可供CPU采集的0～3V的DC信號(hào)，人機(jī)交互子系統(tǒng)利用無(wú)線和載波方式與核心控制子系統(tǒng)通信。 　　核心控制子系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它采集電參數(shù)變換子系統(tǒng)變換后的信號(hào)，計(jì)算頻率和功率、進(jìn)行過(guò)流檢測(cè)、輸出分合閘控制命令，并同外界通訊。 　　驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)接收核心控制子系統(tǒng)輸出的分合閘控制信號(hào)，再進(jìn)行放大，作為固態(tài)繼電器的控制信號(hào)，固態(tài)繼電器的觸點(diǎn)作為斷路器操動(dòng)機(jī)構(gòu)中分、合閘繼電器的電源開(kāi)關(guān)。 2 基于冗余技術(shù)的斷路器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 　　2.1可靠性原理 　　可靠性是在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。冗余是實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)和提高可靠性的一種有效方法，為了保證斷路器在任何有載情況下有效工作、保證數(shù)據(jù)的時(shí)效性和準(zhǔn)確性，利用硬件冗余來(lái)提高系統(tǒng)可靠性。硬件冗余就是對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件配備多個(gè)相同的物理部件，一旦出現(xiàn)故障能迅速自動(dòng)切除故障部分，立即啟用備份系統(tǒng)。在圖1中，核心控制子系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它的失效將使整個(gè)系統(tǒng)失效，因此使用兩個(gè)。TI公司的TMS320LF2406 DSP芯片進(jìn)行硬件冗余。 　　如圖2所示，讓四路（或多路）輸入信號(hào)同時(shí)輸入到兩個(gè)DSP芯片，可通過(guò)軟件編程的方法使其中一個(gè)芯片只采樣處理兩路信號(hào)，而另一個(gè)芯片采樣處理剩余的兩路信號(hào)，若其中一個(gè)芯片發(fā)生故障，故障診斷模塊將檢出故障并指示另一個(gè)芯片迅速作出響應(yīng)，并承擔(dān)起所有四路信號(hào)的處理，即此時(shí)只由一個(gè)芯片處理信號(hào)，相當(dāng)于單個(gè)芯片進(jìn)行控制的情況。DSP芯片是否有軟、硬故障發(fā)生主要是通過(guò)對(duì)DSP輸出的關(guān)鍵信號(hào)的檢測(cè)來(lái)確定的，若有故障信號(hào)出現(xiàn)，就進(jìn)行切換，讓無(wú)故障的芯片繼續(xù)工作。整個(gè)系統(tǒng)主要由四個(gè)模塊組成：故障診斷模塊（包括硬、軟故障診斷）、判決模塊、程序切換模塊、共享存儲(chǔ)器模塊。其中共享存儲(chǔ)器用來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)芯片間的通信，切換模塊由軟件實(shí)現(xiàn)。 [align=center] 圖2 斷路器核心控制子系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)方案[/align] 　　2.2 故障診斷模塊 　　故障診斷模塊分為硬故障診斷模塊和軟故障診斷模塊。硬故障診斷模塊的硬件線路較簡(jiǎn)單，該模塊讀取兩片DSP的表示硬件故障的輸出信息，根據(jù)該信息來(lái)檢測(cè)某個(gè)芯片是否發(fā)生故障，硬件電路可以通過(guò)計(jì)數(shù)器和觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。 　　硬故障診斷只有在DSP發(fā)生硬件故障時(shí)才能診斷進(jìn)行切換，而硬件故障發(fā)生率較小。系統(tǒng)中更常見(jiàn)的故障是軟件故障，如受到外界干擾后的程序跑飛、不進(jìn)入中斷、死循環(huán)等。采取同硬件故障相同的處理方式來(lái)處理軟件故障。首先設(shè)置一個(gè)定時(shí)器，程序正常運(yùn)行時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生出錯(cuò)信號(hào);當(dāng)程序發(fā)生故障時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)出錯(cuò)信號(hào)，如果由于某種偶然原因（如噪聲、靜電放電、器件偶然失靈），使程序不能正常運(yùn)行、死鎖或不進(jìn)入中斷等，可通過(guò)定時(shí)器超時(shí)使系統(tǒng)復(fù)位，來(lái)使程序克服死區(qū)恢復(fù)正常;若故障在規(guī)定的復(fù)位次數(shù)內(nèi)仍不能克服，此時(shí)就將出錯(cuò)信號(hào)送出，表示需要切入冗余備份來(lái)解決。 　　在控制器運(yùn)行的主程序入口處有一判斷程序，該程序?qū)Χ〞r(shí)器的復(fù)位次數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果連續(xù)復(fù)位規(guī)定次數(shù)，則認(rèn)為該故障不能由超時(shí)復(fù)位方式來(lái)解決，就送出一個(gè)軟件出錯(cuò)信號(hào)reset=0（soft error）。當(dāng)軟故障診斷模塊接受到信號(hào)reset=0（芯片正常工作時(shí)reset=1），就向自動(dòng)判決模塊發(fā)送一個(gè)故障信號(hào)，從而指示程序發(fā)生切換以隔離故障、投入冗余備份。 　　2.3 判決模塊 　　判決模塊的主要功能是接受硬、軟故障診斷模塊發(fā)來(lái)的故障信號(hào)，根據(jù)其切換請(qǐng)求及時(shí)發(fā)出控制信號(hào)bio = 0到切換模塊，通知程序發(fā)生切換，及時(shí)隔離故障芯片并投入冗余備份，使系統(tǒng)能夠在極短的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。該模塊可以通過(guò)D觸發(fā)器來(lái)設(shè)計(jì)，當(dāng)有出錯(cuò)信號(hào)到來(lái)（信號(hào)發(fā)生跳變），D觸發(fā)器就輸出一個(gè)信號(hào)到DSP。 　　2.4 程序切換模塊 　　程序切換模塊由軟件實(shí)現(xiàn)，芯片1運(yùn)行的切換程序的主要流程是：在芯片1正常處理兩路信號(hào)程序的基礎(chǔ)上，增加處理四路信號(hào)的程序段，在每次等待中斷來(lái)臨的程序段中插入檢測(cè)bio的指令，若檢測(cè)到bio=0，要求程序發(fā)生切換（正常時(shí)bio=1，當(dāng)bio=0，表示芯片2有故障發(fā)生），由開(kāi)始運(yùn)行處理兩路輸入信號(hào)的程序段切換到處理全部四路輸入信號(hào)的程序段運(yùn)行。 　　外部時(shí)鐘信號(hào)采用周期為10us的定時(shí)器，因此切換模塊每隔10us檢測(cè)一次bio信號(hào)，即一旦出現(xiàn)故障最多10us后程序?qū)l(fā)生切換。芯片1處理的流程圖如圖3所示。 　?。╝） DSP1的主程序流程 （b） DSP1正常運(yùn)行兩路信號(hào)處理的流程 [align=center] （a） DSP1的主程序流程 （b） DSP1正常運(yùn)行兩路信號(hào)處理的流程 圖3 DSP1運(yùn)行的程序流程圖及其切換[/align] 　　從上述流程圖可以看出，在兩個(gè)芯片上電后，芯片1首先處理它自己的第1、2路信號(hào)，芯片2則處于待機(jī)狀態(tài)，芯片1在每次待機(jī)狀態(tài)時(shí)檢測(cè)bio信號(hào)來(lái)判斷芯片2是否發(fā)生了故障，一旦芯片2有故障發(fā)生，bio=0，芯片1執(zhí)行的程序就發(fā)生切換，運(yùn)行處理四路信號(hào)的程序段;在芯片2沒(méi)有故障發(fā)生時(shí)，芯片1依次處理它自己的第1路、第2路信號(hào)，然后通知芯片2處理另外兩路信號(hào)，最后關(guān)中斷，不再響應(yīng)中斷請(qǐng)求，處于等待狀態(tài)，只有等芯片2處理完畢打開(kāi)中斷才能再響應(yīng)。同樣，芯片2在執(zhí)行程序時(shí)同樣也定時(shí)檢測(cè)bio的值來(lái)判斷芯片1是否發(fā)生了故障，并在處理完第4路信號(hào)后再通知芯片1進(jìn)行處理，如此循環(huán)往復(fù)。 　　由于程序處理采取的是分散控制，即四路信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換、PID處理、D/A輸出是輪流執(zhí)行的，程序每隔10us產(chǎn)生一次中斷，所以各路信號(hào)的采樣周期為40us。 3 可靠性分析 　　設(shè)兩個(gè)芯片的平均失效率為λ，表示在（0,t）時(shí)間間隔內(nèi)的平均故障次數(shù);平均無(wú)故障工作時(shí)間為T(mén)，表示在（0,t）時(shí)間間隔內(nèi)的平均無(wú)故障工作時(shí)間;設(shè)單個(gè)芯片的可靠性為R（t），表示單個(gè)芯片在（0,t）時(shí)間內(nèi)正常工作的概率。 　　則有： R（t） = e[sup]-λt[/sup] t ≥ 0 其中 T =1/λ 　　由于系統(tǒng)采用的是熱備份旁待冗余方式，這種冗余結(jié)構(gòu)的可靠性可按下式計(jì)算: 　　 　　則整個(gè)系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間為： 　　 　　顯然，系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間是單機(jī)運(yùn)行的1.5倍。由此可見(jiàn)，用兩個(gè)芯片冗余組成的控制系統(tǒng)的可靠性要比單個(gè)芯片組成的控制系統(tǒng)的可靠性大大提高。 5 結(jié)束語(yǔ) 　　采用兩個(gè)DSP芯片基于冗余技術(shù)的斷路器容錯(cuò)設(shè)計(jì)方案主要完成了兩芯片間的通信接口設(shè)計(jì)、軟硬件故障診斷模塊、判決模塊的設(shè)計(jì)，在此硬件基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了兩芯片分擔(dān)處理四路信號(hào)的切換程序和實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容錯(cuò)功能的程序。使每個(gè)芯片的處理數(shù)據(jù)量降低了，可進(jìn)一步提高A/D采樣頻率。當(dāng)其中某一芯片出現(xiàn)故障時(shí)，另一芯片將獨(dú)立完成全部輸入信號(hào)的處理任務(wù)，從而有效地實(shí)現(xiàn)了電力系統(tǒng)的測(cè)控，較大地提高了系統(tǒng)的可靠性。 參考文獻(xiàn)： 　　[1]王劍. 趙海燕. 基于CPLD的控制器冗余設(shè)計(jì).微計(jì)算機(jī)信息.2005年13期 　　[2] ）衡軍山甄成剛. 基于軟件的雙CPU冗余控制研究. 微計(jì)算機(jī)信息.2005年21期 　　[3]余同正,徐龍祥.基于雙DSP 的磁軸承數(shù)字控制器容錯(cuò)設(shè)計(jì).電子設(shè)計(jì)應(yīng)用.2005年1月 　　[4]廖慧敏.PLC 控制器的雙CPU 冗余控制實(shí)現(xiàn).湖北電力.2005年12 月 　　[5] 劉劍,魏冠楠.電梯控制系統(tǒng)可靠性的冗余設(shè)計(jì). 遼寧化工. 2003年12月 　　[6] 張宇聲,孫豐瑞.熱力系統(tǒng)控制可容錯(cuò)性分析與應(yīng)用研究.熱科學(xué)與技術(shù).2003年第6 期