基于AWM的LPC2214线路微机继电保护装置说明

1、基于AWM的LPC2214线路微机继电保护装置说明引言以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。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

2、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。LPC2214是一款基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持实时仿真和跟踪的CPU，并带有128/256 K字节(KB)嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降

3、低超过30%，而性能的损失却很小。LPC2214采用144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、PWM输出以及多达9个的外部中断。其可用GPIO范围为76脚(外部存储区)到112脚(单片)。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软件调制解调器以及其它各种类型的应用。2、装置的技术参数：1) 16/32位ARM7TDMI-S核，LQFP144封装； 2) 16KB片内SRAM； 3) 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； 4) 可加密：全球首个实现可加密的ARM微控制器； 5) 多

4、个串行接口，包括双UART(16C550)，高速I2C(400kbits/s)和双SPI； 6) 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； 7) 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) 8路10位A/D转换器，转换时间低至2.44s； 9) 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； 10) 向量中断控制器，可配置优先级和向量地址； 11) 可设置的外部

5、存储区(寻址最大范围为16MB，支持8/16/32位数据宽度)； 12) 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； 13) CPU工作晶振最大为60MHz，并内嵌片内可编程锁相环PLL； 14) 片内晶振频率范围：130 MHz； 15) 两种低功耗模式，空闲/掉电； 16) 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒； 17) 外设功能可单独使能/禁止，实现功耗最优化； 18) 双电源 CPU操作电压范围：1.651.95 V(1.8 V± 0.15 V)； I/O操作电压范围：3.03.6 V(3.0 V± 10%)，可承受5V电压。3、

6、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。同时通过光电隔离的通讯接口,实现远方的通讯，可实现遥测、遥信、遥控和遥调，并可实现保护定值的远方整定及

7、查询、远方保护压板投退等功能。总的来说可分为以下各个功能模块:最小系统模块、模拟量输入模块、开关量输入输出模块、键盘和液晶显示模块、通讯模块和电源模块。系统总体框图如图1所示。图1 LPC2114的总体结构框图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：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；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

8、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：图2 硬件主体结构图本文模拟信号的采集方案是：采用小型交流互感器，将100V、5A的二次电压、电流信号转换成+5-5V的弱电信号，通过高精度的运算放大器进行信号调理，并通过低通滤波电路滤波后，传送给后一级转换电路。为了准确快速地反映出电网的运行状态，要求该部分电路必须保证很高的线性度，为此本装置选用了东升公司的超小型、高精密电流和电压变换器。这种变换器线性度为0.1%，补偿后相移小于70秒，隔离电压高达2500V，并且体积小、重量轻、可直接焊在印刷线路板上。模拟通道变换电路如图3所示。图3 模拟通道变换电路为

9、了实现对电力系统的可靠的保护和准确的监测，需要采样和转换的模拟信号一共有11路：母线三相相电压Ua、Ub、Uc和零序电压U0，测量用母线三相相电流Ia、Ib和Ic,保护用母线三相相电流Ia、Ib、Ic和零序电流I0。对于测量保护电流的电流变换器，因为其输入信号是故障情况下的电流，一般比较大，因此选用了保护用的电流互感器CS-TA1，一次侧输入电流可达150A，动态范围很宽，保护时线性度仍可优于1%，其输出端并联100nF的小电容，用来去除耦合和滤波。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

10、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。图4 系统软件程序机制在将操作系统移植到本装置中来之后，结合装置所要实现的功能，本文将

11、上述功能分散到4个任务中来实现，分别为保护任务、通讯任务、监控任务和显示任务。这样应用程序就归结为在操作系统之上建立各个任务，为每个任务分配不同的优先级，让操作系统去根据优先级对任务进行动态的调度，以实现装置的所有功能。在软件设计时，尽量使软件和硬件脱离，改变传统的嵌入式软件过多依赖硬件的模式。针对保护装置的实际情况，把整个系统分成保护、A/D采样、自检、显示、通信等几个任务，划分原则是在考虑系统实时性和软件效率的前提下尽量减少任务间的耦合，使功能清晰。任务确定以后，赋予每个任务唯一的ID号，并按照实时性要求对各个任务指定其优先级，本设计中把保护任务设置成较高优先级。进入运行状态后，在主任务中

12、启动其他任务，例如显示、A/D采样、通信等，在这些任务中又可启动另外的任务。下面给出了主程序的任务创建和资源分配的部分代码。 OS Task Create (Task Start，(void *)0，(void *) &Task Start StkTASK_STK_S1ZE-1,0)；/创建主任务 OS_STK Main_StackSTACKSIZE*8=0,; /Main_Task堆栈 void Main_Task(void *Id)；/Main_Task #define Main_Task_Prio 12 OS_STK Key_Scan_StackSTACKSIZE=0,；/Key

13、_Scan_Task堆栈 void Key_Scan_Task(void *Id);/Key_Scan_Task #define Key_Scan_Task_Prio 56 OS_STK Lcd_Fresh_StackSTACKSIZE=0,；/LCD 刷新任务堆栈 void Lcd_Fresh_Task(void *Id)；/LCD刷新任务设计中的任务调度机制采用优先级调度模式：CPU被分配给最高优先级任务，如果几个任务优先级相同，CPU就被分配给最先进入就绪队列的任务。如果一个任务在执行过程中，另外一个优先级更高的任务进入就绪状态，则原来正在进行的任务进入就绪状态，新任务进入运行状态。 &

14、#181;C/OS-II最多可支持56个任务。实现各种功能的保护程序按照功能划分成了一个个的任务，每一种任务实现一种功能，任务之间相互独立，只通过实时操作系统RTOS(Real-Time Operating System)机制交换信息。这从根本上保证了软件的可靠性和实时性。图5 DSP软件设计框图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

15、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

16、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P

17、IO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

18、明该装置运行可靠，所有参数和结构均符合要求。表1 系统的电磁兼容性测试结果实验项目电压等级（KV）实验条件装置状态严酷度等级浪涌电压实验1.9加浪涌吸收器正常>3电压通道快速瞬变试验2.5加TV滤波电容正常4IO口快速瞬变试验1.7加TV滤波电容正常3共模干扰2.51MHZ正常串模干扰1.01MHZ正常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： (1)其中： (2) (3)的N次谐波为 (4)可得在计算机上实现的离散傅立叶算法（简称DFT）： (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： (6)其中：，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。8、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