（电气工程专业论文）基于arm和嵌入式以太网技术的微机保护装置的研究.pdf

r e s e a r c ho ft h em i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c eb a s e do n a r ma n de m b e d d e de t h e r n e t a b s t r a c t t h ec p uo fm o s tm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o nd e v i c ea tp r e s e n ti s 16b i t s i n g l ec h i pm i c y o c o ，b e c a u s eo ft h es l o ws p e e d ，i ti sh a r df o rt l l es i n g l ec h i p m i c y o c ot or e a l i z et h em o r ec o m p l e xp r o t e c t i o nf u n c t i o n i na d d i t i o n ，t h es o f t w a r e d e s i g ni sb a s e do nt h ea s s e m b l yl a n g u a g ea n dt r a d i t i o n a ll i n e a r i t yp r o g r a m m ef l o w c h a r t ，w h i c hm a k e sa g a i n s th a r d w a r em a i n t e n a n c ea n du p g r a d e ，e t e a f t e ra n a l y z i n g a n da b s o r b i n gt h ea d v a n c e de x p e r i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc u r r e n tm i c r o p r o c e s s o r p r o t e c t i o nd e v i c e ，t h ep a p e rb r i n gf o r w a r dak i n do fm i c r o p r o c e s s o rl i n ep r o t e c t i o n d e v i c eb a s e do na r ma n de m b e d d e dr t o si c o s i i t h eh a r d w a r ea d o p t sa i 蝴a n dm c u a sd o u b l ec p uc o n f i g u r a t i o n i tu s e st h e a r mp r o c e s s o rl p c 2 2 9 2m a d ei np h i l i p sc o m p a n ya sc o n t r o lk e r n e lt or e a l i z et h e p r o t e c t i o n ，m e a s u r ea n dc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n b e s i d e s 。u s i n gt h ep 8 9 c 6 6 8 hs c m t oc o m p l e t et h em a n m a c h i n ei n t e r f a c e 。砀es o f t w a r ed e s i g ni sb a s e do nt h e e m b e d d e dr t o s c o s u a f t e ri n t r o d u c i n gs o m eb a s a lc o n c e p to f x ：o s 一， t h ep a p e re m p h a s i z e si t sn a t u r a l i z a t i o nt ol p c 2 2 9 2 a n dt h e n , t h es o f t w a r ep a r t p r e s e n t st h ep r o t e c tc o n f i g u r a t i o na n da r i t h m e t i c ，m o r e o v e r , i ti n t r o d u c e s t h et a s k p a r t i t i o na n d t h ed e s i g no ft h ea p p l i c a t i o ni nd e t a i l t h em i c r o p r o c e s s o rp r o t e c t i o nd e v i c em e n t i o n e di nt h i sp a p e ri sn o v e lf r o mt h e a n g l eo fc o l l e c t i v i t ys c h e m ea n dd e s i g ni d e a t h er e s u l ti n d i c a t e st h es c h e m es a t i s f i e s t h eb a s a lr e q u e s to f p r o t e c t i o n k e y w o r d s ：m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o n ，l i n e ，a r m ，a c o s i i ，t a s k 插图清单 图2 1 总体结构图7 图2 2 看门狗复位电路1 0 图2 3j t a g 接口电路1 1 图2 - 4 滤波电路1 2 图2 - 5开关量输入回路电路图1 4 图2 - 6开关量输出回路电路图1 4 图2 - 7a d e 7 7 5 8 外围接口电路1 6 图2 8 键盘接口电路18 图3 一l8 0 1 9 的内部结构2 0 图3 - 2l p c 2 2 9 2 和8 01 9 接口电路图2 3 图3 - 3 发送数据包流程图2 6 图3 4 接收数据包流程图2 7 图3 5 堆栈初始化示意图3 4 图5 - 1电流速断保护动作特性的分析3 7 图5 - 2 限时电流速断保护动作特性的分析3 8 图5 - 3 软件总体结构框图。4 5 图5 - 4 定时采样中断流程图4 6 图5 - 5 双倍数据存储缓冲区。4 6 图5 - 6 保护逻辑判断任务程序流程图4 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得 佥胆王些态堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：弓b 是占 签字日期：尹多年月 学位论文版权使用授权书 矽日 本学位论文作者完全了解盒g 垦王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权尘 胆兰些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：承 签字日期：口矿年t l 胄j 2 7 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名： 澎芗 i 签字日期：。莎车1 月歹7 e t 电话： 邮编： 1 1 变电站微机保护装置概述 第一章绪论 变电站综合自动化是通过监控系统的局域网通信，将微机保护装置、微机自 动装置、微机远动装置采集的模拟量、开关量、状态量、脉冲量和一些非电量信 号，经过数据处理及功能的重新组合，按照预定的程序和要求，对变电站实现综 合性的监视和调度。 针对变电站综合自动化系统要实现控制、保护、监控三大功能，提出了 变电站内按功能分层的概念，既分层分布式变电站综合自动化系统。此系统 将变电站分为三层：变电站层、间隔层、设备层。其中，设备层由站内一次设 备组成，包括有变压器、断路器、隔离开关等，主要负责现场数据的实时采集、 提供i o 接口等。变电站层由全站式的监控主机、通信及控制主机，实现管 理功能。间隔层则是由不同保护功能的微机继电保护装置、测量装置组成。 继电保护装置是变电站综合自动化系统中负责保护、控制、测量的单元。继 电保护功能是变电站综合自动化技术的关键环节之一。随着计算机技术和嵌 入式处理器技术的发展，保护装置由传统的继电保护向数字式、微机保护演 变。微机保护的广泛应用，使集保护和控制为一体的综合自动化系统成为电 力系统发展的趋势。 微机保护测控装置是变电站综合自动化系统的关键环节，是目前分布式变电 站自动化系统负责保护、测量和控制的重要单元。因此，微机保护测控装置的技 术水平直接影响着整个变电站综合自动化的技术水平。 变电站微机保护测控装置是反应电力系统中电气元件发生故障或不正 常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它是保障电 力设备安全和防止以及限制电力系统长时间大面积停电的最基本、最重要和 最有效的技术手段。因此，对变电站的微机保护测控装置的技术进行研究， 为提高变电站的综合自动化水平具有现实意义。 传统的微机保护装置存在几个需要改进的地方。 1 ) 硬件系统资源及功能简单。 作为处理器和控制器的c p u 基本上还是采用传统的m c s 51 和8 0 9 6 系列单片 机。这些c p u 多是基于八十年代的技术和工艺，受结构、速度和总线的限制，其 指令功能有限、寻址空间小、运算能力弱。这些单片机虽然控制性能较好，但是 不善于数字信号的处理，因此微机保护装置在算法的实现上存在一定的困难。另 外，随着电力系统自动化水平的不断提高，微机保护装置除了要完成传统的保护 功能外，还需要完成正常运行条件下的系统参数的测量，包括电压、电流、有功、 无功等，这些都是传统微机保护装置难以实现的，不能满足微机保护装置的高实 时性、高可靠性和可扩展性。 2 ) 软件系统开发平台不完善，程序结构落后，不便于开发、移植和维护。 相对于硬件的快速发展，软件方面的发展相对滞后。传统微机保护测控装置 的软件设计通常采用主循环加中断的线性结构，可称为前后台系统。其传统的开 发方式是：先画好程序流程图，然后按照流程图来编程，一般是一个无限循环， 循环中调用相应的子程序来完成相应的操作，这被称为后台行为或任务级；用中 断来处理各种随机事件，这被称为前台行为或中断级。这种程序简单直观，易于 控制，但缺乏灵活性，不便于软件的维护和升级。随着电力系统自动化水平的不 断发展，对微机保护测控装置的功能的要求也越来越多，不仅要完成继电保护功 能，还要完成通信、自检和人机对话等功能。传统的线性程序结构会导致软件复 杂度增高，增加了开发难度和时间。 目前的微机保护在软件开发上普遍采用汇编语言编写的线性程序。这种设计 方法虽然具有代码精炼，在某些关键操作上执行效率高等优点，但由于编程人员 要全面规划内存安排、数据调度、资源分配等，造成了软件开发周期长、难度大 等困难。另外，由于不同的编程人员具有不同的思维习惯和方式，导致软件难于 交流、移植和维护。 3 ) 通信的标准性、高速性、可靠性得不到保障。 微机保护测控装置之间的通信技术是衡量一个变电站自动化系统先进程度的 指标。最初的通信技术是用r s 4 8 5 总线将微机保护装置连接在一起，利用主从方 式进行通信。这种通信方式虽然简单，但技术上缺陷很多，实际运行中暴露出来 很多问题：通信速率低，一般不超过9 6 k b p s ，在传输大量数据时力不从心：不能 在通信网中设置一个以上的主机，因而不能享用多主机技术带来的各种优越性能。 随着用户对变电站自动化系统的功能不断提出新的要求，人们便把目光投向 各种现场总线技术。由于其简单易用、组网方便、抗干扰能力强，在很短时间内 便成为变电站自动化系统的主流通信技术。随着变电站自动化系统从以前的 3 5 k v 、1 1 0 k v 等级低压变电站系统向2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、5 0 0 k v 超高压大型变电 站系统发展，现场总线技术的诸多局限性也逐渐暴露出来，主要体现在以下几个 方面： a 1 当变电站系统比较复杂，通信节点达到一定数量后，相应速率会迅速下降， 不能满足大型变电站对通信的要求。 b ) 在带宽上不能满足录波等大数据量的传输，造成很大的通信延迟。 c ) 缺乏统一的国际标准，许多微机保护装置采用的标准不尽相同，目前各厂 家在通信方式上各不相同，采用的通信协议也不尽相同，缺乏通用性，很难使变 电站自动化的通信网络标准开放。 将嵌入式技术应用到变电站自动化技术，是电力技术发展的需要。随着 计算机软硬件的发展，工业控制领域出现了嵌入式技术，利用嵌入式以太网 技术，将嵌入式系统和以太网控制器嵌入到微机保护装置中，实现间隔层的 2 以太网通信。实现嵌入式以太网的软件是由嵌入式实时操作系统及其之上的 t c p i p 软件模块构成，利用实时操作系统提供的多任务机制和任务之间的通 信与互斥等机制来进行任务的管理及调度。 以太网技术的宽带达到l o m b s 甚至l o o m b s ，1 0 0 0 m b s 。选用以太网技 术，不仅传输速率高，而且以太网协议是开放式的体系，适合于远程控制和站 点间大量数据的交换。开发成本小，周期短。 1 2 嵌入式系统概述 嵌入式系统是嵌入到对象体系中的专用计算机系统。以计算机为核心的嵌入 式系统是继i t 网络之后，又一个新的技术发展方向。嵌入式系统以应用为中心、 整合了计算机软件、硬件技术、通信技术和微电子技术，以“量体裁衣”的方式 把所需要的功能嵌入到应用系统的设备中，适应应用系统对功能、可靠性、成本、 体积、功耗严格要求的专用计算机系统。简单的说，嵌入式系统将操作系统、应 用软件集成于计算机应用系统中，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等 特点。特别适用于要求实时和多任务的体系。嵌入式系统主要以嵌入式处理器、 相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件组成，是集软硬件为一体的可独立工 作的器件。 1 2 1 嵌入式系统的硬件 近年来，随着大量先进的微处理器制造技术的发展，越来越多的嵌入式 系统用嵌入式处理器制造。嵌入式系统硬件以嵌入式处理器为核心，配置必 要的外围接口器件。嵌入式微处理器对实时多任务有很强的支持能力，能完 成多任务并且有较短的中断响应时间，有很强的存储区保护功能，有利于模 块化的软件诊断，处理器结构可扩展并且功耗小。嵌入式处理器可分为以下 四种类型。 ( 1 ) 嵌入式微控制器( m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，m c u ) 嵌入式微控制器又称单片机，顾名思义，就是将整个计算机系统集成到 一块芯片中。嵌入式微控制器一般以某种微处理器内核为核心，芯片内部集 成r o m e p r o m 、r a m 、总线、定时计数器、w a t c h d o g 、串行口、脉冲调 制输出、a d d a 、f l a s h r a m 等各种必要的功能外设。特点是体积小、单片 化、功耗和成本低、可靠性强，是目前嵌入式系统工业的主流。 ( 2 ) 嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) d s p 处理器是专门用于信号处理方面的处理器。其编译效率高、指令执 行速度快，特别适用于数字滤波、谱线分析等嵌入式领域。 ( 3 ) 嵌入式片上系统( s y s t e mo nc h i p ，s o c ) s o c 是在一片硅片上实现一个复杂的系统，整个嵌入式系统可以集成到 一块或几块芯片中去。用标准的v h d l 语言进行描述，可大幅度提高系统的 可靠性，减小系统面积，降低系统成本和功耗，极大地提高了系统的性价比。 ( 4 ) 嵌入式微处理器( e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 在应用中，将微处理器装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应 用有关的母板功能，这样可以大幅度减小系统体积和功耗。嵌入式微处理器 的典型代表是a r m 处理器，a r m 处理器是基于精简指令集r i s c 体系结构 的计算机系统，简单的结构使a r m 的内核特别小、功耗低，a r m 核技术广 泛地应用于便携式通信、嵌入式系统等领域，已经成为r i s c 的标准。目前， 基于a r m 技术的3 2 位处理器的市场占有率达8 0 ，在所有a r m 处理器系 列中，a r m 7 系列应用最广，本设计中就采用a r m 7 处理器。 1 2 2 嵌入式系统软件 嵌入式系统软件以嵌入式操作系统为关键，嵌入式操作系统是嵌入式应 用软件的基础和开发平台，用户的其他应用程序都是建立在操作系统之上， 操作系统将c p u 时间、中断、定时器等包装起来，留给用户一个标准的a p i ， 并根据任务的优先级，合理地调度任务分配c p u 时间。 嵌入式系统主要是对设备和装置进行控制的，在这些应用场合中，系统 是否能及时快速地响应外部事件，常常是对系统的第一要求，因此嵌入式系 统中使用的操作系统大多是实时操作系统( r t o s ) 。嵌入式实时操作系统必 需是多任务系统。当系统有多个任务在运行时，实时操作系统对每个任务赋 予不同的优先级别，只有最高级别的任务才能获得c p u 的使用权。目前，在 嵌入式系统内使用的实时操作系统主要有：嵌入式l i n u x 、v x w o r k s 、| lc o s i i 等，其中i lc o s - i i 实时操作系统是一个源码公开、可移植、可固化、可 剪裁的占先式内核，绝大数代码可用a n s i c 编写，使其可以方便的移植并支 持大多数类型的处理器。uc o s - i i 短小精悍，对于刚刚涉及嵌入式系统的 初学者，是学习和研究的首选。 1 3 嵌入式以太网技术介绍 以太网技术作为一种局域网基本媒体接入技术，应用灵活简单，是当今 网络的主流，国际互联网、商业管理和办公自动化领域里，绝大多数采用的 是以太网技术。早期的以太网技术是在2 0 世纪7 0 年代由x e r o x 公司发明的， 后来作为一种基带局域网，规范采用了载波侦听多路访问冲突检测 ( c s m a c d ) 传输规范，并且其传输速率以1 0 m b i t s 在同轴电缆上运行。到 了8 0 年代，基于原来以太网技术产生了i e e e 8 0 2 3 规范标准。由数字设备 公司、i n t e l 、x e r o x 公司开发了与i e e e 8 0 2 3 规范标准相兼容的以太网2 0 标准，可以使用双绞线等各种电缆。上世纪9 0 年代，i e e e 起草了1 0 0 b a s e t 以及光纤通道和可以和i e e e 8 0 2 3 协议栈相结合的吉比特以太网规范标准。 从而将以太网的速率提高到1 0 0 0 b a s e x 。可以说以太网技术推动了局域网 4 的发展。 近几年来，嵌入式产品广泛用于消费电子、网络通讯、工业控制等领域。 网络化是嵌入式系统发展的必然趋势。以太网技术和嵌入式技术的结合是这 两项技术发展和融合的必然产物。嵌入式以太网技术就是在微处理器或微控 制器的基础上利用嵌入式技术实现以太网通讯。嵌入式以太网和传统以太网 在物理上都遵循i e e e 8 0 2 3 标准，逻辑上大都选用广泛使用的t c p i p 协议 族。嵌入式以太网与传统以太网的最大区别在于：后者是基于p c 机或工作 站的软硬件环境的，与p c 机、工作站的硬件直接配合，使用的网络协议( 如 t c p i p 等) 内嵌在w i n d o w sn t 、u n i x 等操作系统之中，它总脱离不了p c 机或工作站的软、硬件环境，因此在工业控制领域的应用受到限制；嵌入式 以太网是基于微控制器或微处理器的软、硬件环境的，使用的网络协议族( 如 t c p i p ) 内嵌在实时操作系统之中，使其应用于工业控制领域大为方便。 随着i t 技术的发展，以太网的发展也取得了本质的飞跃，先后产生了高 速以太网( 1 0 0 m ) 和千兆以太网产品。目前，1 0 g 以太网也在研究之中。嵌入 式以太网有广阔的市场前景和发展空间。 1 4 本论文研究的意义 针对当前微机保护测控装置所存在的问题，同时参考微机保护装置的发展趋 势，本论文从以下几个方面着手进行研制开发一种先进的微机保护测控装置，以 解决同类装置上述的各种缺陷和问题。 随着电力系统对微机保护装置的性能要求越来越高，功能要求越来越完善， 其保护原理和算法研究越来越深入，以及微机保护运行的环境越来越复杂，研制 设计一种新型的、可靠的硬件平台系统越来越成为当务之急。 硬件平台系统作为实现保护原理的载体和实现保护功能的基础，其研制和开 发水平的提高对推动整个微机保护的水平起着重要作用。 得益于a r i v l 技术的快速发展，a r l v l 技术和芯片已在电力系统中得到了应用。 采用a r m 芯片作为微机保护测控装置的核心c p u 有以下一些优点： 1 ) 处理速度快。微机保护装置的首要性能评价指标就是速度。a r m 是r j s c 结构的处理器，而且a r l v l 内部集成了多级流水线，大大增加了处理速度。 2 ) 功耗低，价格低廉，降低了产品成本。 3 ) 可利用的软件丰富。a r l v l 公司一直致力于支持嵌入式系统在a r l v l 处理器 上的开发应用，目前几乎所有常见的嵌入式系统在a r m 内核处理器上都有成熟的 应用。 随着微处理器芯片性能的高速发展、价格的下降和对软件的可重用性、可维 护性的提高，采用实时操作系统( 1 淝s ) 已经是大势所趋。 所谓实时系统，是指能在确定的时间内执行其功能并对外部的异步事件做出 5 响应的计算机系统。“在确定的时间内 是这个定义的核心，也就是说，实时系统 对响应时间有严格要求，并不是指系统的响应和处理速度要越快越好，而是指系 统的响应要满足时间限制。微机保护测控装置就是一个实时系统。 r t o s 是实时系统中软硬件资源的总指挥部，它以尽量合理、有效的方式组织 和管理系统中的软硬件资源，是嵌入式应用软件的基础和开发平台。 由于r t o s 不可替代的优点，其发展速度很快，最近几十年涌现出了一大批 优秀的r t o s ，其中比较具有代表性的有l i n u x 、v x w o r k s 、应o s i i 、w i n c e 等。在这中间，心o s i i 又以其源代码公开和免费、体积小和可裁减、性能和安 全稳定性高等优点在世界范围内获得了广泛应用，包括诸多领域，如手机、路由 器、集线器、不间断电源、飞行器、医疗设备及工业控制等。 在网络化方面，利用嵌入式以太网技术，将嵌入式系统和以太网控制器嵌 入到微机保护装置中，实现间隔层的以太网通信。实现嵌入式以太网的软件 是由嵌入式实时操作系统及其之上的t c p i p 软件模块构成，利用实时操作 系统提供的多任务机制和任务之间的通信与互斥等机制来进行任务的管理 及调度。 以太网技术的宽带达到1 0 m b s 甚至1 0 0 m b s ，1 0 0 0 m b s 。选用以太网技 术，不仅传输速率高，而且以太网协议是开放式的体系，适合于远程控制和站 点间大量数据的交换。开发成本小，周期短。 综上所述，在微机保护测控装置方面，以3 2 位a r m 处理器上构建以嵌入式 实时操作系统心o s i i 为平台，同时实现嵌入式以太网技术。对提高微机保护 装置的可靠性、选择性、快速性和灵敏性，提高变电站综合自动化水平，促 进国家电力工业的发展有一定的意义。 6 第二章微机保护装置的硬件电路设计 2 1 总体方案 首先设计出微机保护装置总体结构图如下。 图2 - 1 总体结构图 装置为了保证保护动作和通信的实时性和可靠性，采用了双c p u 的结 构，即a r m + m c u 的结构。使用高速嵌入式3 2 位a r m 处理器作为保护和控制 核心，以新型快速地p 8 9 c 6 6 8 h 单片机为m c u 。a r m 处理器具有双重作用， 负责数据的采集、处理、计算、存储、故障的判断、跳闸出口以及与上位机 进行通信。m c u 专门负责l c d 、l e d 指示灯和键盘的控制工作并负责实时数 据的显示、保护定值的查询和修改及动作信息的查询。5 1 单片机与a r m 之 间通过串口u a r t 交换数据 硬件电路由以下几部分组成： 1 ) 交流变换及信号调理模块 输入的模拟信号首先经过交流变换模块再进入保护c p u 模块。交流变换 模块的作用有两个：使输入信号电平与保护装置保护c p u 模块的电平相匹配 和实现装置内外的电隔离，既不使系统二次设备与保护装置之间存在直接的 电联系，以提高抗干扰能力。保护装置输入的模拟信号主要是交流信号。交 流电压和电流信号通过电压和电流互感器获得所需要的电平。交流电流信号 经过阻抗变换变成电压信号。装置的交流变换模块设计为8 个互感器，实际 检测的是：保护电流通道i a 、i c ，测量电流通道i a 、i c ，零序电流通道1 0 ， 保护测量电压通道u a 、u c 和零序电压通道u 0 。共八路模拟输入信号。由于 保护一次设备输出的电流和测量一次设备输出的电流范围是不一样的，在满 7 足精度要求的基础上，采用保护、测量电压互感器共用，保护、测量电流互 感器分开的做法，最大限度的合理使用器件。模块中测量用电流互感器采用 高精度互感器，保护用电流互感器要求在1 0 0 a 电流以下范围内具有很好的 线性度。 2 1 数据处理及保护逻辑判断模块 本模块是微机保护装鼍的核心部分。从交流变换及信号调理模块输出的模拟 信号，微机保护测控装置不能对其进行处理，必须首先进行a d 转换，把模拟量 转换成数字量，然后由c p u 根据不同的保护原理的需要，完成不同的数据计算。 最后，根据不同的保护配置，对这些数据作出相应的保护逻辑判断。同时，本模 块还负责与人机接口模块和上位机的通信功能。 3 ) 开关量输入输出模块 本模块包括开入、开出两部分。开入部分用来负责采集电力系统中的各个断 路器的位置、隔离开关的位置、本地远方等各种状态量，作为保护逻辑判断的一 个组成部分。开出部分用来执行保护逻辑判断模块发出的各种命令，驱动断路器 跳闸、信号告警等。这两部分的信号都容易受到强的电磁干扰，因此，本模块还 必须进行光电隔离等抗干扰处理。 4 ) 人机接口模块 本模块包括键盘和液晶显示两部分，通过串行总线来和其他模块进行通信， 用来负责实时数据的显示、保护定值的查询和修改、动作信息的查询等。 5 ) 电源模块 电源模块把外部提供的交流电压转换成装置所需要的电压并且提供装 置中所有芯片的工作电压，是整个装置工作的基础。输入为a c 2 2 0 v ，经过抗 干扰滤波回路后，进入电源变换模块。输出为+ 5 v ，1 2 v 和+ 2 4 v ，三组电压 均不共地，且采用浮地方式，同外壳不相连。+ 5 v 电压用于装置的数字回 路，1 2 v 用于模拟量回路，+ 2 4 v 电压用于继电器驱动及脉冲、开入的正电 源输入使用。 2 2 保护c p u 选择 c p u 模块是本装置的核心，负责将互感器模块的输出与实际线路电流、电 压成比例的模拟信号，通过a d 转换器转换成数字量，与保护动作设定值进 行比较，判断保护装置的动作行为，实现装置的保护功能。装置采用飞利浦 公司生产的a r m 7 系列的l p c 2 2 9 2 为主c p u 。 2 2 1l p c 2 2 9 2 简介 l p c 2 2 9 2 是基于一个支持实时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i sc p u 的微 控制器，并带有2 5 6 k b 嵌入的高速片内f l a s h 存储器。片内1 2 8 位宽度的存储器 8 接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在最大时钟频率下运行。 l p c 2 2 9 2 拥有1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、 2 4 ( l p c 2 2 9 2 l p c 2 2 9 4 ) 路c a n 、p w m 通道以及9 个外部中断等特点。片内b o o t 装载程序实现对器件串行在系统编程( i s p ) 和在应用中编程( i a p ) 。l p c 2 2 9 2 最大支持4 g 字节的寻址空间。a h b 分配了2 m 地址范围，处于4 g 空间的顶 端。每个a h b 的外设分配了1 6 k 字节的空间。v p b 也分配了2 m 地址空间， 从3 5 g 地址开始，v p b 和a h b 之间用桥连接。对代码规格有严格控制的应用 可使用1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小。 2 2 2 1 电源电路 由于l p c 2 2 9 2 的内核工作电压是+ 1 8 v ，片内存储器及i o 口要+ 3 3 v 供电，所以系统设计为+ 3 3 v 系统。电源模块的直流逆变电源输出的+ s v 电 压，使用低压差模拟电源( l d o ) ，可以稳定的输出+ 3 3 v 和+ 1 8 v 。本装置 的l d o 芯片选用s p x l1 1 7 m 3 1 8 和s p x l l l 7 m 3 3 3 ，此l d o 芯片以电源模块 的直流逆变电源输出的+ 5 v 电压供电。s p x l l l 7 系列的l d o 芯片输出电流可 达8 0 0 m a ，输出电压的精度在1 以内。使用时，其输出端需要一个至少l o u f 的钽电容来改善瞬态响应和稳定性 2 2 2 2 复位电路 复位电路完成系统的上电复位和运行中的按键复位功能，是整个系统运 行的开端。l p c 2 2 9 2 提供了两个复位源：r e s e t 管脚和看门狗定时器复位， 当这两个管脚有效时，复位将从系统内部产生。但是，l p c 2 2 9 2 内部的看门 狗定时器在一定条件下可以禁止，这样一来无法保证在软件进入死循环或 c p u 发生暂时混乱时，有效地实现装置的复位功能，因而专门增加了一个复 位电路。该复位电路采用了专用微处理器电源监控芯片s p 7 0 8 s ，以提高系 统的稳定性和保证系统的可靠复位。s p 7 0 8 s 是低功耗的微处理器监控芯片， 具有复位、看门狗定时输出、电源电压监测等多种功能。当看门狗输入未被 触发，则看门狗输出使c p u 复位。设置看门狗功能提供了使系统从瞬时故障 中自动恢复的能力。s p 7 0 8 s 看门狗功能与c p u 内部的看门狗功能配合使用 以达到双重化的目的。系统复位电路如图2 - 8 所示。 图中信号n r s t 连接到l p c 2 2 9 2 芯片的复位脚r e s e t ，信号n t r s t 连接 到l p c 2 2 9 2 芯片内部j t a g 接口电路的复位t r s t 。当复位键按下时，s p 7 0 8 s 立即输出复位信号，其引脚r s t 输出低电平使7 4 h c l 2 5 a 和7 4 h c l 2 5 b 导通， 信号n r s t 和n t r s t 将输出低电平使系统复位。平时s p 7 0 8 s 的r s t 输出高电 平，7 4 h c l 2 5 a 和7 4 h c l 2 5 b 截止，由上拉电阻将信号n r s t 和n t r s t 上拉为 高电平，系统可正常运行。 9 图2 - 2 看门狗复位电路 2 2 2 3 系统时钟电路 时钟电路为保护装置的各种事件记录提供了时间基准。l p c 2 2 9 2 微控制 器可以使用内部时钟也可以通过外部引入时钟信号。使用振荡模式时，时钟 信号由内部晶体振荡器和外部连接的晶体振荡产生。当使用外部晶振时，利 用p l l 电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快。若不使用片内p l l 功能 及i s p 下载功能，则外部晶振频率范围是1 一3 0 m h z ，使用片内p l l 功能或 i s p 下载功能，则外部晶振频率范围是1 0 - - 一2 5 m h z ，外部时钟频率范围是1 0 - - - ， 2 5 m h z 。根据l p c 2 2 9 2 的最高工作频率及p l l 电路的工作方式，选用外部 1 1 0 5 9 2 m h z 的无源晶振，11 0 5 9 2 m h z 的晶振频率经过l p c 2 2 9 2 内部的p l l 电路倍频后最高可达到5 5 2 9 6 m h z 。片内的p l l 电路兼有频率放大和信号提 纯的功能，因此，系统可以以较低的外部时钟信号获得较高的工作频率，以 降低因高速开关时钟所产生的高频噪声。用l m q 的电阻并接到晶振的两端， 使系统更容易起振。 2 。3 5 4 外部存储器电路 由于l p c 2 2 9 2 要存放数值计算和逻辑运算过程中的大量中间数据，而片 内仅有1 6 k b 的静态r a m ，因此需要扩展快速高容量的外部存储器。由于系 统是3 3 v 系统，所以选用了c y p r e s s 公司生产的3 3 v t 作电压2 5 6 k 1 6 的 静态r a mc y 7 c 1 0 4 1 v 3 3 芯片，主要用于存放程序、模拟采样值、各类计算 值、口岭、设定值、故障数据及其它一些临时数据等。该r a m 是一种高性 能的c m o s l 6 位静态r a m ，具有如下一些特点： 高速性，最小存取时间为1 2 n s 。 低功耗，最大功耗6 1 2 m w 。 l o 未被选通时自动进入掉电模式。 输入输出与t t l 电平兼容。 存储器连接使用了1 6 位总线方式，数据总线使用了d o d 1 5 ，地址总线 使用了a i a 18 ，对于1 6 位的s r a m ，将r b l e 设为l ，b l s 0 和b l s1 信 号用于控制低字节和高字节的写操作。 2 3 5 5j t a g 接口电路 利用a r m 处理器中内嵌的调试模块的功能，通过j t a g 边界扫描接口 与j t a g 仿真器连接，利用相应的调试工具，可进行系统的软、硬件调试， 从而达到对芯片内部工作状态进行监控的目的。j t a g 接口电路是否正确是 整个系统调试是否成功的关键。本装置采用a r m 公司提出的标准2 0 脚j t a g 仿真调试接口。根据l p c 2 2 9 2 的应用手册说明，在r t c k 引脚接一个4 7 kq 的下拉电阻，使系统复位后l p c 2 2 9 2 内部的j t a g 接口使能，这样就可以直 接进行j t a g 仿真调试了。j t a g 接口电路如图所示。 3 3 v 图2 - 3j t a g 接口电路 2 3 数据采集模块设计 数据采集模块把电力系统的一次侧强电信号转换成装置所需的弱电信号，再 对这些弱电信号通过滤波电路滤波，然后再通过a d 转换转换为数字量，进行各 种计算和判断。 2 3 1 滤波电路 保护装置通常工作在故障发生后的最初瞬变过程中，从隔离互感器出来 的模拟信号很可能含有大量的高次谐波成分，为了防止频率混叠，用前置低 通滤波器消除输入信号中的高频分量，限制输入信号的最高频率将其控制在 一定带宽内，以满足采样定理的要求。和仅用r l c 构成的无源滤波电路相比， 有源滤波有更好的滤波特性，所以本单元采用由r c 网络与运算放大器t l 0 7 2 构成的二阶有源低通滤波器，电路图如图所示。 图2 - 4 滤波电路 为了防止过高的电压进入，对多路开关造成冲击，在模拟信号输出入端 和模拟地之间接了一对反向稳压管d l 和d 2 。稳压管的反向击穿电压为1 0 v ， 从而可以把输入电压限制在1 0 v 之内，再经过由0 p a 3 4 0 运算放大器构成 的电平转换电路，变成0 5 v 的模拟信号输入到a d s 7 8 6 4 。 2 3 2 交流变换电路 由于a d 转换器能够进行处理的信号只能为弱电信号，而微机保护装置的模 拟量输入则是强电信号。所以首先要通过交流变换电路将强电信号转换为低电压 信号。另外，为了电磁兼容和抗干扰，输入回路和输出回路之间必须进行隔离。 交流变换使用的主要器件是二次电流互感器c t 和二次电压互感器p t ，它们 将输入的模拟量信号变换到装置所要求的范围之内，同时还能起到了电气隔离作 用。装置的交流变换器件有8 个互感器，分别用于保护电流通道i a 、i c ，测量电流 通道i a 、i c ，零序电流通道i o ，测量电压通道u a 、u c 和零序电压通道u 0 。 由于保护一次设备输出的电流和测量一次设备输出的电流范围不同，采用保 护、测量电压互感器共用，保护、测量电流互感器分开的做法。其中测量用电流 互感器采用高精度互感器，保护用电流互感器则要求在1 0 0 a 电流以下范围内具有 很好的线性度。电流和电压互感器选用南京五里电子仪表厂的产品。 2 3 3a d 转换电路 l p c 2 2 9 2 集成了8 路1 0 位逐次逼近式模数转换器，其最低转换时间是 2 4 4 u s 。由于存在2 位转换误差，其转换精度只有8 位，不能满足装置对就 精度的要求。因此在a d 的选用上采用了两片1 2 位的a d s 7 8 6 4 进行同时对 8 位模拟数据进行采样。 1 2 a d s 7 8 6 4 是高速、低功耗、六通道同步采样1 2 位的a d 。采用+ 5 v 工作 电压，并带有8 0 d b 共模抑制的全差分输入通道以及2 个2i is 逐次求近模 + = 亡芦釜驴 图2 4 , m 3 s 7 8 6 4 和l p c 2 2 9 2 接口电路图 数转换器，六个差分采样放大器可对六路输入信号进行同步采样。每个a d 转换器都有三对输入端( a 0 a 1 、b 0 b 1 、c w c l ) ，可以同时采样、转换，因此可以 保持两个模拟输入信号的相对相位信息。每对通道都有一个保持信号( h o l d a 、 h o l d b 、h o l d c 】使6 个通道上的采样操作可以同时进行。该器件接受以内部 + 2 5 v 基准电压为中心在v 。f ，到+ v r 阿范围内的模拟输入电压。若在前端使用电平 移位电路，该器件还可以接受双极性输入。 三个保持信号h o l d ) ( 用于选通( a 、b 、c ) 三对通道，当其变为低电平 ( 1 5 n s ) 时，通道的输入信号立即被保持，若这时a d c 是空闲的即可启动一 次a d 转换，如果此时已有其他通道处于保持通道转换进行转换。 a d s 7 8 6 4 的工作时钟为8 m h z ，由外部晶振提供；采样频率设为6 0 0 h z ， 每个周期采集1 2 个点，由l p c 2 2 9 2 的内部定时器产生。 a d s 7 8 6 4 和l p c 2 2 9 2 接口电路图如图 2 4 开关量输入输出模块 此模块由开关量输入回路和开关量输出回路组成，它将外部强开关量和 c p u 内部的弱电信号进行隔离。输入回路读入外部接点的状态，输出回路将 装置中发出的开关信号引入继电器插件，从而驱动继电器发跳闸或报警。 对外部开关量状态反映是否准确直接关系到保护装置能否对故障做出 及时反映。开关量输入电路中读入的接点状态主要有断路器和隔离开关的辅 助触点和跳合闸位置继电器接点等。开关量信号经过r c 滤波和光电隔离后 再进入c p u 。光电隔离是由光电耦合器件来完成，它有较强的抗干扰能力、 电气隔离及噪声抑制能力。本装置选用了四通道的光电耦合器t l p 5 2 1 ，二 极管是一个反向钳制电压二极管，主要作用是防止2 4 v 侧产生的反向电压是 光电耦合器击穿，因为光电耦合器的反向耐压值是比较低的。开关量输人回 路电路如图2 5 所示。 33 v 图2 5开关量输入回路电路图 开关量输出主要用于驱动继电器，光电隔离器件可以起到驱动作用，输 出的开关量主要有跳闸出口、重合闸出口及就地和中央信号出口。开关量输 出回路一般采用并行输出端口来控制有接点的继电器。为了防止断路器操作 过程中产生的瞬时脉冲对微机保护装置的反馈干扰，还必须对出口通道进行 隔离。本装置的开出回路采用光电耦合器与继电器相结合的方法来实现开出 信号的隔离与放大。单个光耦的驱动能力有限，还需要增加三极管来驱动继 电器。在输出回路的设计上，本装置采用光电耦合器t l p 5 2 1 ，提高了抗干 扰能力。对每一个开出量，我们提供两个i o 口来控制其输出。当要控制继 电器动作时，使o u t l 和o u t 2 安排不同的电平输出，o u t l 输出“0 i p 。9o u t 2 输出“1 ，使与非门输出“0 ，驱动光电耦合器导通。这样可以防止在直流 电源的通电过程中继电器的瞬时误动。这是因为拉合直流电源时，形