基于AWM的LPC2214線路微機(jī)繼電保護(hù)裝置說(shuō)明

1、基于AWM的LPC2214線路微機(jī)繼電保護(hù)裝置說(shuō)明引言以LPC2114微控制器為核心，介紹了基于線路的嵌入式繼電保護(hù)裝置。通過(guò)成功設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)和軟件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)的遙信、遙控、遙測(cè)和遙調(diào)功能。裝置通過(guò)了EMC試驗(yàn)和各項(xiàng)性能測(cè)試，為電力系統(tǒng)中的電器和設(shè)備提供了可靠的保護(hù)，是電力系統(tǒng)自動(dòng)化的基礎(chǔ)硬件裝置。電力系統(tǒng)中，最常見同時(shí)也是最危險(xiǎn)的故障是相與相或相與地之間的非正常連接，其中以單相接地故障最為常見。該裝置采用的算法是傅里葉算法。1、核心處理器的選擇以往的綜合數(shù)字繼電器設(shè)計(jì)中采用了Intel公司的16bit微控制器80C196KB為核心，主頻采用16MHz,計(jì)算速度和計(jì)算量受到了一定

2、的限制，并且在軟件實(shí)現(xiàn)上采用的是傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)，不能夠保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。由于中斷和任務(wù)較多時(shí)，若仍然采用進(jìn)程調(diào)度，則在軟件編程時(shí)便存在著瓶頸。為了對(duì)各個(gè)任務(wù)進(jìn)行合理的資源調(diào)度，提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和精確度，本文選用了Phillips公司生產(chǎn)的LPC2214微控制器作為核心器件，來(lái)設(shè)計(jì)整個(gè)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。LPC2214是一款基于16/32位ARM7TDMI-S,并支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的CPU,并帶有128/256K字節(jié)(KB)嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。對(duì)代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低

3、超過(guò)30%,而性能的損失卻很小。LPC2214采用144腳封裝、極低的功耗、多個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC、PWM輸出以及多達(dá)9個(gè)的外部中斷。其可用GPIO范圍為76腳(外部存儲(chǔ)區(qū))到112腳(單片)。由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，它們也非常適合于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器、嵌入式軟件調(diào)制解調(diào)器以及其它各種類型的應(yīng)用。2、裝置的技術(shù)參數(shù)：1) 16/32位ARM7TDMI-S核，LQFP144封裝；2) 16KB片內(nèi)SRAM;3) 128/256片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，128位寬度接口/加速器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)60MHz工作頻率；4）可加密：全球首個(gè)實(shí)現(xiàn)可加密的ARM微控制器；5）多個(gè)串行接口，包括

4、雙UART（16C550）,高速I2C（400kHts/s）和雙SPI;6）通過(guò)片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP）,512字節(jié)行編程時(shí)間為1ms,單扇區(qū)或整片擦除時(shí)間為400ms；7） EmbeddedICE-RT可實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)。當(dāng)使用片內(nèi)RealMoNtor軟件對(duì)前臺(tái)任務(wù)進(jìn)行調(diào)試時(shí)，中斷服務(wù)程序可繼續(xù)運(yùn)行；8） 8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時(shí)間低至2.44Ns；9） 2個(gè)32位定時(shí)器（帶4路捕獲和4路比較通道卜PWM單元（6路輸出卜實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門狗；10）向量中斷控制器，可配置優(yōu)先級(jí)和向量地址；11）可設(shè)置的外部存儲(chǔ)區(qū)（尋址最大范圍為16MB,支持8/16

5、/32位數(shù)據(jù)寬度）；12）多達(dá)112個(gè)通用I/O（可承受5V電壓），9個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷引腳；13） CPU工作晶振最大為60MHz，并內(nèi)嵌片內(nèi)可編程鎖相環(huán)PLL;14）片內(nèi)晶振頻率范圍：130MHz;15）兩種低功耗模式，空閑/掉電；16）通過(guò)外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒；17）外設(shè)功能可單獨(dú)使能/禁止，實(shí)現(xiàn)功耗最優(yōu)化；18）雙電源CPU操作電壓范圍:1.651.95V（1.8V±0.15V）;I/O操作電壓范圍：3.03.6V（3.0V土10%）,可承受5V電壓。3、裝置的硬件平臺(tái)3.1 系統(tǒng)工作原理將電網(wǎng)一次設(shè)備PT、CT轉(zhuǎn)換后的電壓、電流信號(hào)經(jīng)過(guò)電壓電流互感器進(jìn)行

6、二次隔離和變換，變換成弱電信號(hào)，再經(jīng)運(yùn)算放大器進(jìn)行放大和限幅，送給ARD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模擬量到數(shù)字量的變換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送給單片機(jī)進(jìn)行濾波處理和有效值、基波有效值的運(yùn)算。同時(shí)MCU還檢測(cè)開關(guān)量輸入信號(hào)、按鍵查詢信號(hào)等，所有的信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理、運(yùn)算后，發(fā)出相應(yīng)的跳閘信號(hào)，使斷路器跳閘，對(duì)下級(jí)線路進(jìn)行保護(hù)，并發(fā)告警信號(hào)。各種信號(hào)的測(cè)量值、保護(hù)動(dòng)作值、跳合閘變?yōu)橛涗洝⒍ㄖ嫡ǘ际峭ㄟ^(guò)LCD和鍵盤進(jìn)行操作的。同時(shí)通過(guò)光電隔離的通訊接口，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方的通訊，可實(shí)現(xiàn)遙測(cè)、遙信、遙控和遙調(diào)，并可實(shí)現(xiàn)保護(hù)定值的遠(yuǎn)方整定及查詢、遠(yuǎn)方保護(hù)壓板投退等功能?？偟膩?lái)說(shuō)可分為以下各個(gè)功能模塊:最小系統(tǒng)模塊、模擬量輸入模塊、開關(guān)

7、量輸入輸出模塊、鍵盤和液晶顯示模塊、通訊模塊和電源模塊。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。*“，吊崎:i*,省造金小相癖aKxm1<1r.電部圖1LPC2114的總體結(jié)構(gòu)框圖3.2 硬件電路作為電力系統(tǒng)中的保護(hù)裝置，要求對(duì)故障的診斷以及恢復(fù)快速及時(shí)，也即對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高。若采用傳統(tǒng)的前后臺(tái)系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行程序的設(shè)計(jì)，就會(huì)存在2個(gè)問(wèn)題：中斷可能得不到及時(shí)響應(yīng)，處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，這對(duì)于一些控制場(chǎng)合是不允許的，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)通信方面則會(huì)降低系統(tǒng)整體的信息流量；系統(tǒng)任務(wù)多，要考慮的各種可能也多，各種資源如調(diào)度不當(dāng)就會(huì)發(fā)生死鎖，降低軟件可靠性，程序編寫任務(wù)量成指數(shù)增加。為了提高裝置的精度和動(dòng)作的可靠性以及軟件的可擴(kuò)展性，將

8、本裝置設(shè)計(jì)成一個(gè)嵌入式系統(tǒng)。硬件的電路如下圖：一I存儲(chǔ)養(yǎng)玉元JCN門se-re泮：稀二：A79iyM5Z：31三全后。I國(guó)軍1=管范時(shí)1=人忙交n里三II.1E%I1t1Bi:恒：r.，=.t*.，»Fl叵史3斗月DiB1!r：.wwnwwwnwnv*圖2硬件主體結(jié)構(gòu)圖本文模擬信號(hào)的采集方案是：采用小型交流互感器，將100V、5A的二次電壓、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成+5-5V的弱電信號(hào)，通過(guò)高精度的運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，并通過(guò)低通濾波電路濾波后，傳送給后一級(jí)ahd轉(zhuǎn)換電路。為了準(zhǔn)確快速地反映出電網(wǎng)的運(yùn)行狀態(tài)，要求該部分電路必須保證很高的線性度，為此本裝置選用了東升公司的超小型、高精密電流和電

9、壓變換器。這種變換器線性度為0.1%,補(bǔ)償后相移小于70秒，隔離電壓高達(dá)2500V,并且體積小、重量輕、可直接焊在印刷線路板上。模擬通道變換電路如圖3所示。min圖3模擬通道變換電路JUN)Ilf文ktW巒1TlO«?rd#43lOftiFiii:t為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電力系統(tǒng)的可靠的保護(hù)和準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，需要采樣和轉(zhuǎn)換的模擬信號(hào)一共有11路：母線三相相電壓Ua、Ub、Uc和零序電壓U0,測(cè)量用母線三相相電流Ia、Ib和Ic,保護(hù)用母線三相相電流Ia、Ib、Ic和零序電流|0O對(duì)于測(cè)量保護(hù)電流的電流變換器，因?yàn)槠漭斎胄盘?hào)是故障情況下的電流，一般比較大，因此選用了保護(hù)用白電流互感器CS-TAi,一次

10、側(cè)輸入電流可達(dá)150A,動(dòng)態(tài)范圍很寬,保護(hù)時(shí)線性度仍可優(yōu)于1%,其輸出端并聯(lián)100nF的小電容，用來(lái)去除耦合和濾波。4、裝置的軟件平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)包括操作系統(tǒng)軟件（要求實(shí)時(shí)和多任務(wù)操作）的設(shè)計(jì)和應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。應(yīng)用程序控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為；而操作系統(tǒng)控制著應(yīng)用程序編程與硬件的交互作用。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）是一段在嵌入式系統(tǒng)啟動(dòng)后首先執(zhí)行的背景程序，用戶的應(yīng)用程序是運(yùn)行于RTOS之上的各個(gè)任務(wù)，RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的要求，進(jìn)行資源（包括存儲(chǔ)器、外設(shè)等）管理、消息管理、任務(wù)調(diào)度、異常處理等工作。在RTOS支持的系統(tǒng)中，每個(gè)任務(wù)均有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，RTOS根據(jù)各個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，動(dòng)態(tài)地切換各個(gè)任務(wù)，保證

11、對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。本文選用的是源代碼公開的心/OS-II操作系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際需要對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)，減小了最大任務(wù)數(shù)，縮小了系統(tǒng)代碼的生成量，構(gòu)成了整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的核心。I畝率軟.寫序物入拽明圖4系統(tǒng)軟件程序機(jī)制在將操作系統(tǒng)移植到本裝置中來(lái)之后，結(jié)合裝置所要實(shí)現(xiàn)的功能，本文將上述功能分散到4個(gè)任務(wù)中來(lái)實(shí)現(xiàn)，分別為保護(hù)任務(wù)、通訊任務(wù)、監(jiān)控任務(wù)和顯示任務(wù)。這樣應(yīng)用程序就歸結(jié)為在操作系統(tǒng)之上建立各個(gè)任務(wù)，為每個(gè)任務(wù)分配不同的優(yōu)先級(jí)，讓操作系統(tǒng)去根據(jù)優(yōu)先級(jí)對(duì)任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的調(diào)度，以實(shí)現(xiàn)裝置的所有功能。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使軟件和硬件脫離，改變傳統(tǒng)的嵌入式軟件過(guò)多依賴硬件的模式。針對(duì)保護(hù)裝置的實(shí)際情況，把整個(gè)系統(tǒng)

12、分成保護(hù)、A/D采樣、自檢、顯示、通信等幾個(gè)任務(wù)，劃分原則是在考慮系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和軟件效率的前提下盡量減少任務(wù)間的耦合，使功能清晰。任務(wù)確定以后，賦予每個(gè)任務(wù)唯一的ID號(hào)，并按照實(shí)時(shí)性要求對(duì)各個(gè)任務(wù)指定其優(yōu)先級(jí)，本設(shè)計(jì)中把保護(hù)任務(wù)設(shè)置成較高優(yōu)先級(jí)。進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)后，在主任務(wù)中啟動(dòng)其他任務(wù)，例如顯示、A/D采樣、通信等，在這些任務(wù)中又可啟動(dòng)另外的任務(wù)卜面給出了主程序的任務(wù)創(chuàng)建和資源分配的部分代碼。OSTaskCreate(TaskStaft(void*)0,(void*)&TaskStartStkTASK_STK_S1ZE-1,0);/創(chuàng)建主任務(wù)OS_STKMain_StackSTACKSIZ

13、E*8=0,;/Main_Task堆棧voidMain_Task(void*Id);/Main_Task#defineMain_Task_Prio12OS_STKKey_Scan_StackSTACKSIZE=0,；/Key_Scan_Task堆棧voidKey_Scan_Task(void*Id);/Key_Scan_Task#defineKey_Scan_Task_Prio56OS_STKLcd_Fresh_StackSTACKSIZE=0,;/LCD刷新任務(wù)堆棧voidLcd_Fresh_Task(void*Id);/LCD刷新任務(wù)設(shè)計(jì)中的任務(wù)調(diào)度機(jī)制采用優(yōu)先級(jí)調(diào)度模式：CPU被分配給最

14、高優(yōu)先級(jí)任務(wù)，如果幾個(gè)任務(wù)優(yōu)先級(jí)相同，CPU就被分配給最先進(jìn)入就緒隊(duì)列的任務(wù)。如果一個(gè)任務(wù)在執(zhí)行過(guò)程中，另外一個(gè)優(yōu)先級(jí)更高的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，則原來(lái)正在進(jìn)行的任務(wù)進(jìn)入就緒狀態(tài)，新任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。血/OS-II最多可支持56個(gè)任務(wù)。實(shí)現(xiàn)各種功能的保護(hù)程序按照功能劃分成了一個(gè)個(gè)的任務(wù)，每一種任務(wù)實(shí)現(xiàn)一種功能，任務(wù)之間相互獨(dú)立，只通過(guò)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RTOS(Real-TimeOperatingSystem磯制交換信息。這從根本上保證了軟件的可靠性和實(shí)時(shí)性。硬件初蛤化:LI使佛林中斷寫定時(shí)至樣時(shí)間卜1_，1-f，YC采肉>|測(cè)須謂逆ffF返FI保護(hù)叼t國(guó))嬴W屈步二I發(fā)姚】指互口應(yīng)力R返時(shí)II重

15、合閘I圖5DSP軟件設(shè)計(jì)框圖5、裝置的功能模塊5.1 A/D轉(zhuǎn)換單元A/D轉(zhuǎn)換是微機(jī)保護(hù)的關(guān)鍵功能，采樣芯片選用AD7329。該芯片是一款真正雙極性、8通道、低功耗、帶符號(hào)位的12bk1MSPS轉(zhuǎn)換速率ADC,輸入電壓范圍達(dá)土10V,因此可以將輸入噪聲的影響降到最低，同時(shí)提供很高的直流和交流阻抗。5.2 存儲(chǔ)器單元由于移植實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的需要，本系統(tǒng)采用兩片容量較大的SDRAM(IS42S16160B),每片32MB,構(gòu)成32位的高速數(shù)據(jù)總線，用于存放程序代碼和各種數(shù)據(jù)。采用一片32MB的NORFLASH(TE28F256J3C),用于固化操作系統(tǒng)、應(yīng)用程序代碼、操作過(guò)程中的事件信息和錄波數(shù)據(jù)。

16、另外，采用一片32KB的E2PROM用于存放需要經(jīng)常讀寫的保護(hù)定值。5.3 通信單元考慮到電力系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)量和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰鶕?jù)AT91RM9200微處理器的特點(diǎn)，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了CAN、以太網(wǎng)、RS232/48S光纖、USB。CAN控制器采用完全支持CAN總線V2.0A和V2.0B技術(shù)規(guī)范，通信速率為1Mb/s、SPI接口的MCP2510O考慮到光纖傳輸距離遠(yuǎn)、頻帶寬、發(fā)射天線小、保密性好及抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)，將光纖和以太網(wǎng)通信結(jié)合起來(lái)，充分發(fā)揮二者的優(yōu)越性，可大大提高系統(tǒng)的應(yīng)用范圍和可靠性。系統(tǒng)采用IP113A作為以太網(wǎng)至光纖收發(fā)器，IP113A是二端口（包括TP端口和FX端口）10/10

17、0Mbps以太網(wǎng)集成交換器，由一個(gè)二端口控制器和一個(gè)以太網(wǎng)快速收發(fā)器組成，遵守IEEE802.3X的規(guī)則。5.4 其它相關(guān)單元開入回路和開出回路均由快速光電隔離芯片和邏輯編碼電路組成，增加了電路的抗干擾性能。用于人機(jī)交互的LCD,采用128X64的點(diǎn)陣液晶顯示屏，直接使用PIO口進(jìn)行控制，鍵盤采用3X3的鍵盤電路，通過(guò)鍵盤查看系統(tǒng)參數(shù)和修改各種定值參數(shù)。系統(tǒng)各裝置的保護(hù)、監(jiān)控、事件順序記錄（SOE）、故障錄波等功能對(duì)時(shí)間精度和同步性有較高要求，GPS可以提供一個(gè)精確的時(shí)間坐標(biāo)，本系統(tǒng)采用GPS的B碼授時(shí)，GPS系統(tǒng)接受衛(wèi)星時(shí)間信號(hào)，輸出IRIG-B時(shí)間碼系列，設(shè)備通過(guò)總線對(duì)時(shí)間進(jìn)行同步。6、裝

18、置的電磁兼容性試驗(yàn)本裝置主要是面向中低壓斷路器，安裝在高壓開關(guān)柜上，距離現(xiàn)場(chǎng)比較近，很容易受到電磁干擾，提高裝置的電磁兼容性就顯得尤為重要。在進(jìn)行系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的時(shí)候，就對(duì)系統(tǒng)的抗干擾進(jìn)行了細(xì)致地考慮。裝置的抗干擾能力如表1所示，均達(dá)到了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)表明該裝置運(yùn)行可靠，所有參數(shù)和結(jié)構(gòu)均符合要求。表1系統(tǒng)的電磁兼容性測(cè)試結(jié)果實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目電壓等級(jí)（KV）實(shí)驗(yàn)條件裝置狀態(tài)嚴(yán)酷度等級(jí)浪涌電壓實(shí)驗(yàn)1.9加浪涌吸收器正常>3電壓通道快速瞬變?cè)囼?yàn)2.5加TV濾波電容正常4IO口快速瞬變?cè)囼?yàn)1.7加TV濾波電容正常3共模十?dāng)_2.51MHZ正常一用模干擾1.01MHZ正常一7、裝置算法:傅立葉算法在該裝置中的應(yīng)用，設(shè)被轉(zhuǎn)換信號(hào)為：ft='；fEt,其中：Fn=fJfte"-lt（2）入與"