(广西电网有限责任公司河池供电局 广西河池 547000)
摘要：以LPC2114微控制器为核心，介绍了基于线路的嵌入式继电保护装置。通过成功设计系统的硬件平台和软件平台，实现了继电保护的遥信、遥控、遥测和遥调功能。装置通过了EMC试验和各项性能测试，为电力系统中的电器和设备提供了可靠的保护，是电力系统自动化的基础硬件装置。电力系统中，最常见同时也是最危险的故障是相与相或相与地之间的非正常连接，其中以单相接地故障最为常见。该装置采用的算法是傅里叶算法。
关键词：软件平台；电力系统；硬件装置；故障
1、核心处理器的选择
以往的综合数字继电器设计中采用了Intel公司的16bit微控制器80C196KB为核心,主频采用16MHz，计算速度和计算量受到了一定的限制,并且在软件实现上采用的是传统的前后台系统,不能够保证系统的实时性。由于中断和任务较多时，若仍然采用进程调度,则在软件编程时便存在着瓶颈。为了对各个任务进行合理的资源调度，提高系统的实时性和精确度，本文选用了Phillips公司生产的LPC2214微控制器作为核心器件，来设计整个硬件系统和软件系统。
2、装置的技术参数：
16/32位ARM7TDMI-S核，LQFP144封装；
16KB片内SRAM；
128/256片内Flash程序存储器，128位宽度接口/加速器可实现高达60 MHz工作频率；
可加密：全球首个实现可加密的ARM微控制器；
多个串行接口，包括双UART(16C550)，高速I2C(400kbits/s)和双SPI；
通过片内Boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)，512字节行编程时间为1ms，单扇区或整片擦除时间为400ms；
Embedded ICE-RT可实现断点和观察点。当使用片内Real Monitor软件对前台任务进行调试时，中断服务程序可继续运行；
8路10位A/D转换器，转换时间低至2.44
.png)
s；
2个32位定时器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)、实时时钟和看门狗；
向量中断控制器，可配置优先级和向量地址；
可设置的外部存储区(寻址最大范围为16MB，支持8/16/32位数据宽度)；
多达112个通用I/O口(可承受5V电压)，9个边沿或电平触发的外部中断引脚；
CPU工作晶振最大为60MHz，并内嵌片内可编程锁相环PLL；
片内晶振频率范围：1~30 MHz；
两种低功耗模式，空闲/掉电；
通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒；
外设功能可单独使能/禁止，实现功耗最优化；
双电源
－CPU操作电压范围：1.65~1.95 V(1.8 V± 0.15 V)；
－I/O操作电压范围：3.0~3.6 V(3.0 V± 10%)，可承受5V电压。
3、装置的硬件平台
3.1 系统工作原理
将电网一次设备PT、CT转换后的电压、电流信号经过电压电流互感器进行二次隔离和变换，变换成弱电信号，再经运算放大器进行放大和限幅，送给
.png)
转换器进行模拟量到数字量的变换，转换后的数字量送给单片机进行滤波处理和有效值、基波有效值的运算。同时MCU还检测开关量输入信号、按键查询信号等，所有的信号经单片机处理、运算后，发出相应的跳闸信号，使断路器跳闸，对下级线路进行保护，并发告警信号。各种信号的测量值、保护动作值、跳合闸变为记录、定值整定都是通过LCD和键盘进行操作的。
3.2 硬件电路
作为电力系统中的保护装置，要求对故障的诊断以及恢复快速及时，也即对实时性要求很高。若采用传统的前后台系统来进行程序的设计，就会存在2个问题：
①中断可能得不到及时响应,处理时间过长，这对于一些控制场合是不允许的，对于网络通信方面则会降低系统整体的信息流量；
②系统任务多，要考虑的各种可能也多，各种资源如调度不当就会发生死锁，降低软件可靠性，程序编写任务量成指数增加。为了提高装置的精度和动作的可靠性以及软件的可扩展性，将本装置设计成一个嵌入式系统。硬件的电路如下图：
.png)
4、装置的软件平台
软件设计包括操作系统软件(要求实时和多任务操作)的设计和应用程序的设计。应用程序控制着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。实时操作系统(RTOS)是一段在嵌入式系统启动后首先执行的背景程序，用户的应用程序是运行于RTOS之上的各个任务，RTOS根据各个任务的要求，进行资源(包括存储器、外设等)管理、消息管理、任务调度、异常处理等工作。在RTOS支持的系统中，每个任务均有一个优先级，RTOS根据各个任务的优先级，动态地切换各个任务，保证对实时性的要求。本文选用的是源代码公开的µC/OS-II操作系统，并根据实际需要对其进行精简，减小了最大任务数，缩小了系统代码的生成量，构成了整个系统软件设计的核心。
5、装置的功能模块
5.1 A/D转换单元
A/D转换是微机保护的关键功能，采样芯片选用AD7329。该芯片是一款真正双极性、8通道、低功耗、带符号位的12 bit、1MSPS转换速率ADC，输入电压范围达±10 V，因此可以将输入噪声的影响降到最低，同时提供很高的直流和交流阻抗。
5.2 存储器单元
由于移植实时操作系统的需要，本系统采用两片容量较大的SDRAM(IS42S16160B)，每片32 MB，构成32位的高速数据总线，用于存放程序代码和各种数据。采用一片32 MB的NOR FLASH (TE28F256J 3C)，用于固化操作系统、应用程序代码、操作过程中的事件信息和录波数据。另外，采用一片32 KB的E2PROM用于存放需要经常读写的保护定值。
5.3 通信单元
考虑到电力系统中大数据量和实时数据传输的需要，根据AT91RM9200微处理器的特点，本系统设计了CAN、以太网、RS232/485、光纤、USB。CAN控制器采用完全支持CAN总线V2.0A和V2.0B技术规范，通信速率为1 Mb/s、SPI接口的MCP2510。考虑到光纤传输距离远、频带宽、发射天线小、保密性好及抗电磁干扰等优点，将光纤和以太网通信结合起来，充分发挥二者的优越性，可大大提高系统的应用范围和可靠性。系统采用IP113A作为以太网至光纤收发器，IP113A是二端口（包括TP端口和FX端口）10/100Mbps以太网集成交换器，由一个二端口控制器和一个以太网快速收发器组成，遵守IEEE802.3X的规则。
5.4 其它相关单元
开入回路和开出回路均由快速光电隔离芯片和逻辑编码电路组成，增加了电路的抗干扰性能。用于人机交互的LCD，采用128×64的点阵液晶显示屏，直接使用PIO口进行控制，键盘采用3×3的键盘电路，通过键盘查看系统参数和修改各种定值参数。系统各装置的保护、监控、事件顺序记录（SOE）、故障录波等功能对时间精度和同步性有较高要求，GPS可以提供一个精确的时间坐标，本系统采用GPS的B码授时，GPS系统接受卫星时间信号，输出IRIG-B时间码系列，设备通过总线对时间进行同步。
6、装置的电磁兼容性试验
本装置主要是面向中低压断路器，安装在高压开关柜上，距离现场比较近，很容易受到电磁干扰，提高装置的电磁兼容性就显得尤为重要。在进行系统的硬件设计和软件设计的时候,就对系统的抗干扰进行了细致地考虑。装置的抗干扰能力如表1所示，均达到了工业标准。实验表明该装置运行可靠，所有参数和结构均符合要求。
7、装置算法：
傅立叶算法在该装置中的应用，设被转换信号为：
.png)
(1)
其中：
.png)
(2)
.png)
(3)
.png)
的N次谐波为
.png)
(4)
可得在计算机上实现的离散傅立叶算法（简称DFT）：
.png)
(5)
通常只要求给出谐波相对基波的大小，所以可省去系数N/1的实际采用的DFT算法：
.png)
(6)
其中：
.png)
，将式(6)再分解成奇偶两个序列，即分成4个N/4点DFT，如此下去，直到分成N/2个2点DFT为止，这样，最后每个2点DFT的运算已不需要乘法，大大加快了运算速度。
结束语
本装置不仅可以完成传统继电器的所有保护功能，还具有对电网参数及温度的实时测量、事件记录和上位PC机通信等功能,能够实现断路器的4遥—遥控、遥测、遥信、遥调。同时本装置人机界面采用液晶菜单方式，中文显示界面，信息量大，操作方便。和国内外同类产品相比较，具有功能强大、成本较低的特点，适合国内电力系统中低压用户使用。随着ARM处理器技术的不断发展和应用的不断推广，ARM处理器在电力系统中必将得到更广泛的应用。而嵌入式实时操作系统RTOS在微机保护的应用，为实现复杂的保护功能提供了可能。文中讨论的基于嵌入式AT91RM9200微处理器的微机保护装置已完成现场调试，初步试运行效果表明，该装置是成功的，受到用户方的认可，有望得到大力推广。
参考文献:
[1]钱海,邱金辉,贾松江,等.基于D5000平台的继电保护远方操作双确认技术研究与应用[J].电网与清洁能源,2017,033(007):19-24,34.
[2]林碧霞.电网继电保护远方操作的工程应用[J].技术与市场,2017(12):218.
[3]殷鸿雁,刘阳,陈宇波,等.浅析利用调度自动化技术实现继电保护远方操作[J].通讯世界,2017,000(016):220.