ARM微處理器在中低壓線路繼電保護(hù)中的應(yīng)用研究

張 虹 ，姜虎強(qiáng) ，姜 平

（1.煙臺工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 煙臺 264006；2.煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺 265500；3.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車學(xué)院，安徽 合肥 230009）

電力運(yùn)行安全是衡量電力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。目前，我國電力安全保護(hù)處于成長階段，國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)了一些微機(jī)保護(hù)裝置系統(tǒng)，但這些設(shè)備普遍存在數(shù)據(jù)存儲量小、價格昂貴及顯示界面不夠好等缺點(diǎn)，與實際變電站，特別是中小企業(yè)變配電站的系統(tǒng)設(shè)備保護(hù)要求存在一定的差距。同時，電力故障的發(fā)展是突然的，現(xiàn)場需要實時地記錄故障發(fā)生的具體情況，對故障發(fā)展的過程進(jìn)行監(jiān)控，及時診斷和報警，提醒調(diào)度人員進(jìn)行正確的判斷和處理，防患于未然，大大減少電力故障、損壞和事故的發(fā)生。本文設(shè)計了基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-Ⅱ的微機(jī)保護(hù)裝置工作狀態(tài)實時檢測系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)在移植μC/OS-Ⅱ?qū)崟r操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上完成電力設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)采集、初步的故障診斷和良好的圖形界面顯示功能。同時可以USB轉(zhuǎn)存盤，將嵌入式系統(tǒng)處理過的初步診斷信息傳送到上位機(jī)系統(tǒng)，由計算機(jī)專家系統(tǒng)完成對電力運(yùn)行狀態(tài)的進(jìn)一步理論分析和故障診斷判斷。

1 微機(jī)保護(hù)裝置整體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由嵌入式主機(jī)和LCD顯示器等組成。嵌入式主機(jī)主要對變電站現(xiàn)場電流、電壓及開關(guān)量等性能參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并進(jìn)行性能參數(shù)的在線分析和處理，以實現(xiàn)性能分析和安全監(jiān)控，保證電力設(shè)備的運(yùn)行安全。顯示器主要完成檢測數(shù)據(jù)和故障診斷信息的實時顯示。

1.2 系統(tǒng)工作原理

本研究主要是針對我國電力系統(tǒng)中低壓輸電網(wǎng)的現(xiàn)狀提出的，特別適用于大中型企業(yè)的變配電站。它可以實現(xiàn)對主回路的電流、電壓、有功、無功和功率因數(shù)等運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測和顯示。實際現(xiàn)場中有多個線路保護(hù)裝置要連接到監(jiān)控PC上，傳感器采集各種信號，通過信號采集調(diào)理電路傳送到電力嵌入式主機(jī)，由主機(jī)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析處理，實時監(jiān)控各電力設(shè)備運(yùn)行安全，并將需要顯示的信息傳送至LCD顯示器，同時能以語音形式進(jìn)行告警等提示。將采集的數(shù)據(jù)暫時存儲在嵌入式主機(jī)的Flash中，可直接由USB轉(zhuǎn)存盤將數(shù)據(jù)送往計算機(jī)專家系統(tǒng)作詳細(xì)分析，以判斷設(shè)備狀態(tài)，尋找故障部位及原因[1]，如圖1所示。

圖1 變電站綜合自動化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2 微機(jī)繼電保護(hù)裝置硬件平臺設(shè)計

本設(shè)計采用先進(jìn)的工業(yè)級芯片，裝置的MCU采用32 bit ARM芯片，采用14 bit ADC，提高了數(shù)據(jù)采集的分辨率和測量精度，主要芯片采用表面貼裝技術(shù)，裝置接口采用插卡方式，可以滿足不同類型的變電站對通信網(wǎng)絡(luò)的要求，可以集中組屏，也可以就地安裝[2]，如圖2所示。

圖2 變電站綜合自動化系統(tǒng)整體硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1 嵌入式主機(jī)硬件設(shè)計

嵌入式主機(jī)主要完成對數(shù)據(jù)的采集、顯示和通信。它由嵌入式微處理器 S3C44B0X、SDRAM、JTAG、USB口、語音模塊、LCD模塊和數(shù)據(jù)采集模塊等部分組成。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

2.2 MCP2510與ARM的硬件接口電路

圖3 裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

利用S3C44B0X和Microchip公司的MCP2510實現(xiàn)CAN總線通信。S3C44B0X的同步串行口（SIO）可以和各種需要串行數(shù)據(jù)總線的外部設(shè)備進(jìn)行連接。該SIO模塊內(nèi)置8 bit的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（SIODAT），可以通過設(shè)置相應(yīng)的內(nèi)部寄存器來實現(xiàn)以一定的頻率發(fā)送或接收8 bit的串行數(shù)據(jù)。SIO模塊的發(fā)送和接收既可以在上升沿鎖存數(shù)據(jù)位，也可以在下降沿鎖存數(shù)據(jù)位，因此可以通過設(shè)置S3C44B0X里SIO模塊對應(yīng)的寄存器來實現(xiàn)上升沿發(fā)送數(shù)據(jù)、下降沿接收數(shù)據(jù)，從而和MCP2510的SPI總線時序相配合。

接口的硬件連接如圖4所示。MCP2510作為S3C44B0X的一個從設(shè)備，可以將S3C44B0X的SIO接口直接接在MCP2510的SPI接口上。具體接法是：S3C44B0X的接收端腳 SIORXD接 MCP2510的 SO，S3C44B0X的發(fā)射端腳SIOTXD接的是 MCP2510的 SI腳；MCP2510的片選信號CS用 S3C44B0X的標(biāo)準(zhǔn) I/O口GPB5控制，GPB5置低時選通MCP2510，反之則不選通。由于MCP2510的復(fù)位管腳RESET和S3C44B0X的復(fù)位管腳nRESET都是低電平有效，因而可以將它們直接接在一起，系統(tǒng)上電自動復(fù)位或者手動按鍵復(fù)位；MCP2510的中斷請求引腳INT接在S3C44B0X的外部中斷ExtINT2上，這樣MCP2510在滿足一定的條件下就可以向CPU發(fā)送中斷請求了，從而構(gòu)成一個完整的CAN總線收發(fā)模塊。

圖4 接口硬件連接圖

3 微機(jī)繼電保護(hù)裝置軟件設(shè)計

3.1 圖形界面μC/GUI在操作系統(tǒng)上的移植

主機(jī)設(shè)備采用LCD顯示，可以現(xiàn)場顯示簡單的圖形界面。μC/GUI是一款針對嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)秀圖形軟件，具有源碼公開、可移植、可裁減、穩(wěn)定性和可靠性高的特點(diǎn)，可完全產(chǎn)生類似于Windows的顯示效果。

（1）與GUI移植有關(guān)的宏定義。移植μC/GUI到目標(biāo)板時，需要為應(yīng)用配置軟件。配置需要修改頭文件LCDConf.h。根據(jù)實際使用的16級灰度240×320 LCD驅(qū)動器修改LCDConf.h，定義顯示的尺寸和一些可選擇的特性。

（2）LCD控制器驅(qū)動程序。μC/OS-II移植完成以后，要在實時內(nèi)核上編寫接口驅(qū)動程序。由于嵌人式產(chǎn)品是針對特殊的用途而設(shè)計的，有很強(qiáng)的專一性，驅(qū)動程序編寫內(nèi)容更精簡，更具有穩(wěn)定性，編寫出的驅(qū)動模塊更小。這些驅(qū)動程序一般不具有可移植性，可以梳理出功能級抽象層所必需的基本操作，建立功能級的實現(xiàn)框架，針對不同的硬件，使用同一種實現(xiàn)框架可以保證功能級抽象的質(zhì)量，并且可以提高移植的效率。

3.2 主機(jī)任務(wù)的創(chuàng)建與劃分

μC/OS-II支持多任務(wù)運(yùn)行，基于該操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序設(shè)計都是以任務(wù)形式設(shè)計的。本裝置的應(yīng)用程序劃分為1個任務(wù)調(diào)度模塊、3個中斷和8個任務(wù)。多任務(wù)調(diào)度模塊是整個嵌入式實時操作系統(tǒng)的核心，運(yùn)行在μC/OS-II平臺上的所有中斷和任務(wù)都在任務(wù)調(diào)度模塊的控制下有序的執(zhí)行。

主函數(shù)主要包括嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II的初始化、創(chuàng)建其他任務(wù)、初始化信號量及啟動多任務(wù)調(diào)度。系統(tǒng)的初始化是通過調(diào)用OSInit實現(xiàn)，在主函數(shù)中創(chuàng)建了保護(hù)邏輯判斷任務(wù)，在保護(hù)邏輯判斷任務(wù)中再創(chuàng)建其他剩余的任務(wù)[3]。變量的初始化主要是完成一些任務(wù)間通信的信號量和消息隊列的初始化，然后調(diào)用OSStart（）啟動多任務(wù)調(diào)度，最后由動作判斷模塊判斷是動作跳閘或是報警，保護(hù)側(cè)主程序模塊流程圖如圖5所示。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)框圖

3.3 保護(hù)裝置精度試驗[4]

為了驗證測試裝置的性能是否達(dá)到變電站設(shè)計指標(biāo)，在整機(jī)測試過程中進(jìn)行了電流、電壓精度實驗。交流電壓、電流精度實驗結(jié)果如表1、表2所示。

表1 交流電壓輸出精度

表2 交流電流輸出精度

從表1和表2可以看出，該微機(jī)保護(hù)裝置在輸出小信號的情況下（交流電壓輸出在1 V以下、電流輸出在1 A以下），其誤差相對大一些、誤差范圍在1%左右；當(dāng)電壓輸出在1 V以上、電流輸出在1 A以上時，輸出精度較高。

圖6為現(xiàn)場調(diào)試采集的電壓曲線圖，證實電壓合格率完全符合要求。

圖6 電壓曲線圖和棒形圖

本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于開發(fā)了一種基于嵌入式系統(tǒng)的電力狀態(tài)實時檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了電力設(shè)備信號量的采集和信號的存儲，具有良好的彩色圖形界面顯示能力和強(qiáng)大的故障診斷能力，能夠在設(shè)備出現(xiàn)故障的時候提醒工作人員并提供解決故障的方法，特別適合中小企業(yè)變配電站。本設(shè)計方法主要討論的是有線傳輸數(shù)據(jù)的方式，可充分利用ARM的強(qiáng)大功能，發(fā)掘無線傳輸?shù)膬?yōu)勢。

[1]南瑞集團(tuán)信息中心.科研成果匯編（1979－1999年度）[Z].國家電力公司電力自動化研究院，1999.

[2]鄧潔清，鄭建勇.嵌入式實時操作系統(tǒng)在中低壓綜合測控保護(hù)裝置的應(yīng)用研究[J].電力自動化設(shè)備，2004（6）：85-87.

[3]竇曉波，徐科，胡敏強(qiáng).基于 ARM處理器的低壓微機(jī)保護(hù)裝置[J].電力系統(tǒng)自動化，2005（20）：93-96.

[4]豐明寶.新型微機(jī)保護(hù)裝置硬件和軟件研究[D].青島：山東科技大學(xué)，2006.