基于ARM的智能分段開關(guān)控制器分析與設(shè)計

摘 要：現(xiàn)如今，在智能電網(wǎng)逐步發(fā)展的形勢下，國家對于電能的生產(chǎn)與輸配的經(jīng)濟性以及安全可靠性也均提出了更為嚴格的要求。配電網(wǎng)是在整個輸電系統(tǒng)的終端，其下接諸多電力用戶，同時也是限制電力系統(tǒng)自身性能的關(guān)鍵所在。在這之中，10kV配電網(wǎng)因為其自身環(huán)境繁雜、設(shè)備數(shù)量大、覆蓋范圍廣以及線路長等等特征，智能化的程度不夠，那么針對其實施自動化化建設(shè)十分的有必要。鑒于此，本文主要分析基于ARM的智能分段開關(guān)控制器分析與設(shè)計。

關(guān)鍵詞：ARM；智能分段開關(guān)控制器；設(shè)計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.149

1 系統(tǒng)原理與架構(gòu)

在一般情況之下，對于電力系統(tǒng)而言，常見的智能保護保護主要有兩類，分別是遠程控制和就地控制。在這之中，遠程控制可以很好的針對控制站進行集中式管理，達到遙控、遙信以及遙測等等作用，方便快捷，但是針對通訊系統(tǒng)的依賴性相對較為嚴格，自身的安全穩(wěn)定性和就地控制相比相差甚遠；就地控制，對于遠程通訊的依賴性不高，主要運用的運用斷路器和故障識別等等設(shè)備，來達到就地識別與故障的隔離。

智能分段開關(guān)，其實質(zhì)上是安裝在10kV配電網(wǎng)的母線之上，可以針對故障進行實時、全方位的檢測，利用控制器控制開關(guān)本體的粉盒間，及時的將存在故障的線路切斷，達到電力系統(tǒng)繼電保護，從根本之上來加大供電的安全可靠性。其可以有效的針對線路進行零序保護、電流速斷保護與實時過流保護，可以及時的將存在故障的線路隔離。在發(fā)生過流故障的現(xiàn)象之下，還可以針對控制開關(guān)實施三次重合間的操作密室，加大供電的安全可靠性。

及時將存在故障的線路隔離開來。在發(fā)生過流故障的現(xiàn)象之下，還可以實現(xiàn)控制開關(guān)來實施三次重合間操作，從根本之上來進一步的加大供電的安全可靠性。控制器利用光纖通信和GPRS網(wǎng)絡(luò)、中屯控制和進行通信，在進行上傳的過程之中，進行實時的電路數(shù)據(jù)與故障信息，并進行相應(yīng)的故障分段定位，另外，利用手持無線終端與PC機來實施近距離實施就地控制，并將有效的融合就地控制與遠程控制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

為了確保智能分段開關(guān)來及時的將隔離故障線路的功能可以實現(xiàn)，難么相應(yīng)的就得要確保變電站和饋線分支的安全可靠運行，開關(guān)不僅僅要達到靈敏性、速動性、選擇性與可靠性等等繼電保護的標(biāo)準(zhǔn)才得以實現(xiàn)，另外還得要確保系統(tǒng)的經(jīng)濟性與安全可靠性。

該控制器運用的是MCU+ASIC結(jié)構(gòu)，運用電力參數(shù)來進行集成芯片的測量工作，并實施相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與基礎(chǔ)處理，運用MCU來得到芯片內(nèi)部寄存器的數(shù)據(jù)，并針對其進行相應(yīng)的處理。依據(jù)系統(tǒng)的實際需求來進行分析和整個結(jié)構(gòu)實施細化設(shè)計，硬件系統(tǒng)主要是由人機交互模塊、開入開出模塊、時鐘模塊、通信模塊、采樣模塊、電源模塊以及主控模塊等等構(gòu)建而成。其中，主控芯片LPC1778主要利用的是SPI總線和采樣芯片ADE7878進行有效的銜接，在借助I/O口來輸入輸出開關(guān)量，利用5路UART和RS232/RS485串口、以太網(wǎng)模塊、ZigBee模塊以及GPRS模塊來進行有效的連接，利用I2C來及時的獲取到相應(yīng)的始終信號，另外還得要設(shè)置EEPROM存儲模塊來進行開關(guān)設(shè)定信息的存儲。那么系統(tǒng)硬件總體設(shè)計如圖1：

2.1 主控模板

嵌入式系統(tǒng)的關(guān)鍵就在于主控抵片，針對整個控制器的性能與成本方面的影響較大，依據(jù)以上硬件整體結(jié)構(gòu)來進行分析，主控芯片的功能要和以下的要求基本一致：

（1）處理故障的時間要合理的控制在50m/s之內(nèi)。在這之中，分段開關(guān)的響應(yīng)時間基本在35ms左右，主控芯片在進行故障診斷的時候，輸出相應(yīng)信號的時間則在15m/s左右。主控芯片則需要在整個階段之中來實現(xiàn)電壓與電流等等各項電力參與的搜集和計算，其具備著相對較高的處理速度。

（2）最少要擁有一個I2C接口。主控芯片主要利用的PC總線和時鐘模擬來進行有效的實時通訊。

（3）最少要擁有一個SPI接口。主控芯片主要運用的是SPI總線和采樣模塊來完成通訊，SPI可以有效的獲取到其中的每一個電力參數(shù)。

（4）最少要擁有五個UART接口。主控芯片要利用UART分別和RS485和RS232接口模塊、無線通信模塊、以太網(wǎng)接口模塊、GPRS模塊來實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)通訊。

（5）要具備充分的I/O端口。主控芯片利用I/O端口控制，并且還得要及時的獲取到外部開關(guān)的狀態(tài)。

（6）具備充分的PROM存儲器來進行部分固定信息的儲存。

（7）要有IAP、ISP模式，來達到遠程下載代碼。根據(jù)上述各項分析得知，可以優(yōu)先選擇的主控芯片是來自NXP公司的LPC1778芯片。

2.2 采樣模塊

針對系統(tǒng)故障實施分析的根本前提就是電力參數(shù)的測量與采集。該系統(tǒng)主要是利用的電力參數(shù)主要有A、B、C相電壓與A、B、C、N相電流。在該次設(shè)計之中，運用分段開關(guān)內(nèi)置的電流互感器CT與電壓互感器PT來針對l0kV系統(tǒng)的電流與電壓實施耦合降壓，那么可以有效的將l0kV電壓信號耦合為220V，相應(yīng)的10板輸入信號，則可以運用系統(tǒng)電源模塊來進行輸入；再運用IO板上的CT與PT來有效的將電流與電壓進行耦合，并成為最終的弱電流，在通過信號調(diào)理電路了來進行信號的輸入。

2.3 時鐘模塊

在進行保護與監(jiān)控智能電網(wǎng)的過程之中，要一一記錄發(fā)生故障的具體時間，并實施后臺監(jiān)控，所以，在控制其系統(tǒng)之中，實時時鐘模擬的作用尤為關(guān)鍵。該系統(tǒng)將原先主控芯片所攜帶的RTC時鐘棄用，則選擇運用精度高以及能耗低的實時時鐘芯片PCF8563T來滿足該模塊。OSCO與OSCI則主要是振蕩器來進行管腳的輸入與輸出，系統(tǒng)主要運用的兩個15pF的電容形成時鐘源以及一個外接32.786K化的晶振。SDA與SCL分別是數(shù)據(jù)線管腳和PC時鐘線，外接5.1K上拉電阻。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

該系統(tǒng)的主要工作涵蓋：全方位實時化的來針對各項電力參數(shù)進行采集、更新與相應(yīng)的處理，其可以進行判斷故障藏與寫具體的保護操作，上傳數(shù)據(jù)與遠程可控制等等。因為該次設(shè)計選用的是Cortex-M3輕量級內(nèi)核，并且選用給操作系統(tǒng)的成本造價過大，所以，不能運用該嵌入式的操作系統(tǒng)，而是選擇運用在定時器基礎(chǔ)之上的前后臺的運行。系統(tǒng)之中主要是由一個化5ms的定時中斷以及一個10ms的主程序循環(huán)組建而成。其中前臺軟件則是針對異步事件通信與控制來實現(xiàn)的，且對于實時性方面的要求十分嚴格，利用定時來達到中斷，且不會和主程序的時間發(fā)生沖突；主程序循環(huán)，主要利用的是所調(diào)用接口函數(shù)并當(dāng)做是后天軟件，利用標(biāo)志位來進行技術(shù)，可以基本滿足那些針對時間不嚴格的操作系統(tǒng)。

3.2 ARM平臺上的軟件性能優(yōu)化

（1）優(yōu)化代碼層軟件，該控制器主要是建立在ARM平臺的基礎(chǔ)之上來予以開發(fā)，主控芯片則運用的是ARM Cortex-M3處理器LPC1778，在優(yōu)化代碼層，實質(zhì)上就是優(yōu)化其自身的性能，也就是進行代碼執(zhí)行速度的進一步優(yōu)化。

（2）插入?yún)R編代碼，在開發(fā)嵌入式軟件的過程之中，芯片可以直接性的執(zhí)行匯編代碼，C/C++代碼需要經(jīng)過相應(yīng)的編譯器翻譯出來具體的匯編代碼，才可以進一步的執(zhí)行芯片。但是翻譯出來的匯編代碼在執(zhí)行水平之上和預(yù)期的有差距，在這種情況之下，就可以手動進行匯編代碼的優(yōu)化。

（3）存儲器優(yōu)化。一般情況之下，MCU的存儲器資源可以分成片外存儲器、片內(nèi)RAM以及片內(nèi)FLASH。片內(nèi)FLASH主要是一類非易失性存儲器，主要特征表現(xiàn)在訪問的速度較為緩慢，所以僅適宜用來進行程序代碼的保存。在芯片進行通電之后，相應(yīng)的程序代碼就被拷貝到片內(nèi)RAM之中去，并予以執(zhí)行。片內(nèi)RAM則屬于易失性的存儲器，其自身的速度則控制在內(nèi)核寄存器，容量則是在KB級別。

總之，目前，本文主要是建立在智能電網(wǎng)配電自動化的基礎(chǔ)之上，對于自動化水平較不高和10kV配電網(wǎng)發(fā)生故障的概率較大，設(shè)計并研究出來一類建立在ARM內(nèi)核之上的智能分段開關(guān)控制器。該控制器不僅僅具備了繼電保護功能，還具備了優(yōu)化處理電力參數(shù)以及判斷并定位處在故障的部位、遙信和諸多控制功能。因此，本文的研究也就顯得十分的有意義。

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作者簡介：郭志冬（1981-），男，河南焦作人，本科，中級工程師，研究方向：自動化控制，傳感檢測。