周 健 徐 軍 劉大偉

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一種低成本智能線路保測(cè)一體裝置研制

周 健 徐 軍 劉大偉

（江蘇省送變電公司，南京 210028）

本文詳細(xì)分析了小區(qū)變和廠礦變等低電壓等級(jí)對(duì)智能保測(cè)一體裝置的應(yīng)用需求，提出了一種基于K60和MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的低成本智能保測(cè)一體裝置實(shí)現(xiàn)方案。該方案以高性價(jià)比的Cortex-M4內(nèi)核芯片K60為核心，詳細(xì)介紹了軟硬件架構(gòu)，并對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)和分析。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該方案的可行性。

小區(qū)變；保測(cè)一體；K60；MQX

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，高層建筑不斷涌現(xiàn)，居民生活水平不斷提高，使得小區(qū)變電站的作用也日益重要，其穩(wěn)定運(yùn)行是用戶可靠用電的基本保障。經(jīng)濟(jì)的發(fā)展也促進(jìn)了廠礦規(guī)模的不斷擴(kuò)大，對(duì)廠礦電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提出了更高的要求，若造成大面積停電，則將對(duì)企業(yè)造成巨大損失。在小區(qū)變或廠礦電力系統(tǒng)中，保測(cè)一體裝置是重要的組成部分，其作用在于監(jiān)測(cè)站內(nèi)電壓、電流、功率和溫度等交直流數(shù)據(jù)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，切除故障，以提高小區(qū)變和廠礦電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。然而，在小區(qū)變和廠礦電力系統(tǒng)中，保測(cè)一體裝置的保護(hù)功能較為簡(jiǎn)單，對(duì)成本控制要求高，同時(shí)因?yàn)槠鋺?yīng)用場(chǎng)合的特殊性，裝置的通信接口和協(xié)議也存在多樣性[1]。

目前，國(guó)內(nèi)的主流電力系統(tǒng)二次設(shè)備廠商在小區(qū)變和廠礦中使用的保測(cè)一體裝置大多是在中低壓產(chǎn)品基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)而成的，這使得裝置的邏輯功能過(guò)于復(fù)雜，同時(shí)軟硬件成本較高。近年來(lái)，隨著智能電網(wǎng)和智能變電站技術(shù)的不斷發(fā)展，促進(jìn)了變電站內(nèi)電力系統(tǒng)二次設(shè)備性能和功能的大幅提升，其集成度越來(lái)越高，通信接口更為豐富[2-3]。以保測(cè)一體裝置為例，多采用CPU+FPGA+DSP的硬件平臺(tái)架構(gòu)，或采用基于多核處理器（如OMAPL138系列微處理器）的硬件平臺(tái)，以滿足變電站應(yīng)用靈活性和多樣性[4-6]的需求。

本文在梳理了小區(qū)變、廠礦變保測(cè)一體裝置功能需求的基礎(chǔ)上，研制了一種基于K60的低成本保測(cè)一體裝置，它采用組態(tài)模塊化思想設(shè)計(jì)，裝置配置簡(jiǎn)單，軟件設(shè)計(jì)靈活。

1 功能需求

1.1 繼電保護(hù)功能

小區(qū)變和廠礦變的繼電保護(hù)功能有所區(qū)別。例如在廠礦變中，有非電量保護(hù)功能，如重瓦斯告警，但小區(qū)變則沒(méi)有。為了兼顧這兩種應(yīng)用場(chǎng)合下的不同需求，本文研制的低成本線路保測(cè)一體裝置保護(hù)功能按最大化配置設(shè)計(jì)，利用控制字實(shí)現(xiàn)投退，提高了裝置的靈活性。具體的保護(hù)功能如下[7]。

1）帶反時(shí)限的過(guò)流保護(hù)功能。其中過(guò)流1段和過(guò)流2段固定為定時(shí)限保護(hù)；過(guò)流3段可支持反時(shí)限。

2）零序過(guò)流保護(hù)功能。主要用在接地系統(tǒng)、小電阻接地系統(tǒng)或在不接地系統(tǒng)中接地零序電流相對(duì)較大的情況下，可以采用零序過(guò)流保護(hù)作為接地保護(hù)。

3）加速保護(hù)。支持過(guò)流加速保護(hù)和零序加速段保護(hù)。

4）低壓減載功能。

5）重合閘功能。

6）過(guò)負(fù)荷告警。當(dāng)最大相電流大于過(guò)負(fù)荷告警電流定值并達(dá)到過(guò)負(fù)荷時(shí)，限時(shí)告警。

7）PT斷線告警。

8）控回?cái)嗑€告警?？刂苹芈窋嗑€檢查延時(shí)1s后自動(dòng)告警。

9）非電量保護(hù)。裝置具有非電量告警輸入端口，當(dāng)投入非電量保護(hù)功能控制字時(shí)，檢測(cè)到輸入信號(hào)有效，即起動(dòng)告警。

1.2 測(cè)控功能

1）交流量采集。交流量包括三相電壓、零序電壓、三相測(cè)量電流、零序電流、三相保護(hù)電流，同時(shí)可計(jì)算出頻率、有功、無(wú)功、功率因數(shù)、線電壓、線電流。

2）開關(guān)量采集功能。

3）遙控輸出功能?？捎糜诳刂频堕l、斷路器等開關(guān)器件。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

裝置硬件基于模塊化設(shè)計(jì)思想，由電源板件（帶遙控輸出功能）、CPU板件、交流和開入開出板件、人機(jī)交互板件組成。硬件設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

裝置的核心是基于Cortex-M4內(nèi)核的高性價(jià)比32位微處理器K60[8]。本文選取的微處理器為最高主頻可達(dá)150MHz的K60芯片，且內(nèi)部含有硬件浮點(diǎn)處理單元。該芯片片上集成了多種外設(shè)，資源豐富，其片內(nèi)含有2MB的Flash和256KB的SRAM，具有2路獨(dú)立的帶有可編程增益放大器的16位ADC；2路CAN通信控制；6路RS232串口控制器；1路帶有IEEE1588功能的10/100M以太網(wǎng)控制器；最多可達(dá)192個(gè)通用輸入輸出接口；6通道片外數(shù)據(jù)總線，可支持訪問(wèn)最高32位數(shù)據(jù)寬度的SRAM、Norflash、Nandflash等外設(shè)。為滿足小區(qū)變和廠礦低壓保測(cè)一體裝置低成本的需求，需盡量減少外部芯片的使用，尤其是價(jià)格較為昂貴的AD采集芯片，因此本文中，電壓和電流等交流量用K60自帶的片內(nèi)16位AD實(shí)現(xiàn)，以達(dá)到節(jié)省成本的目的。裝置的遙信開入和開出均由K60自帶的通用輸入輸出接口實(shí)現(xiàn)。由于保測(cè)一體裝置需要保存變位報(bào)告、裝置自檢報(bào)告、裝置故障報(bào)告和故障錄波文件，因此文中選用了4GB字節(jié)的大容量Nandflash芯片K9LBG08U0M，K60通過(guò)FlexBus總線接口實(shí)現(xiàn)對(duì)其讀寫訪問(wèn)，提高了裝置的存儲(chǔ)能力。除此之外，K60通過(guò)FlexBus總線還擴(kuò)展了2M字節(jié)的SRAM。在裝置的通信接口上，裝置提供了1路CAN總線接口、兩路RS485總線接口和1個(gè)10/100Mb以太網(wǎng)通信接口。

綜上所述，32位微處理器K60芯片片上資源豐富，基于K60的硬件設(shè)計(jì)方案可大大減少外圍芯片的使用，降低了裝置硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本，完全滿足小區(qū)變和廠礦變的低成本低壓保測(cè)一體裝置的應(yīng)用需求。

圖1 裝置硬件設(shè)計(jì)架構(gòu)

3 軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

在小區(qū)變和廠礦變的應(yīng)用場(chǎng)合中，其一個(gè)重要的特點(diǎn)就是用戶的需求多變，每個(gè)用戶和工程現(xiàn)場(chǎng)的需求都有可能不同，因此為適應(yīng)不同現(xiàn)場(chǎng)的需求，一方面裝置軟件模塊按照最大化功能實(shí)現(xiàn)，另一方面裝置軟件基于組態(tài)模塊化思想設(shè)計(jì)，可提高裝置的靈活性。其軟件架構(gòu)如圖2所示。

圖2 裝置軟件架構(gòu)

硬件驅(qū)動(dòng)層實(shí)現(xiàn)了底層驅(qū)動(dòng)功能，并對(duì)操作系統(tǒng)的訪問(wèn)接口進(jìn)行統(tǒng)一封裝，實(shí)現(xiàn)硬件驅(qū)動(dòng)對(duì)不同操作系統(tǒng)差異性隔離。操作系統(tǒng)層基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)MQX實(shí)現(xiàn)[9]。MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可用于單處理器、多處理器和分布式處理器等形式的嵌入式實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它的主要特點(diǎn)是，可裁剪大小、面向組件和便于使用。MQX是一個(gè)全功能的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核，支持堆棧監(jiān)測(cè)、任務(wù)狀態(tài)打印等可選服務(wù)，但這些組件可以根據(jù)需要進(jìn)行裁剪，以避免不使用的功能增加存儲(chǔ)器占用，盡量減少RAM和ROM的使用，使得其更適用于嵌入式的應(yīng)用場(chǎng)合。MQX支持多任務(wù)調(diào)度，可支持實(shí)時(shí)、基于優(yōu)先級(jí)的搶占式多線程技術(shù)。在MQX中，多個(gè)硬件驅(qū)動(dòng)公用一份硬件宏定義表，同時(shí)共用一份底層硬件接口函數(shù)，提高了代碼重用的概率。MQX支持消息通信機(jī)制，可用于實(shí)現(xiàn)不同任務(wù)之間共享數(shù)據(jù)。平臺(tái)管理層的作用在與它封裝了業(yè)務(wù)層對(duì)不同操作系統(tǒng)的訪問(wèn)接口，屏蔽了操作系統(tǒng)對(duì)上層應(yīng)用程序的接口訪問(wèn)差異。業(yè)務(wù)層是應(yīng)用層，它實(shí)現(xiàn)了裝置的各項(xiàng)功能，根據(jù)前文所梳理的裝置功能需求，大致上將軟件功能模塊劃分為測(cè)控業(yè)務(wù)模塊、保護(hù)功能業(yè)務(wù)模塊、通信業(yè)務(wù)模塊。

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

低成本保測(cè)一體裝置的核心功能是實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)邏輯和測(cè)量功能。圖3描述了測(cè)量模塊的基本 架構(gòu)。

由圖3可知，裝置基于同步跟頻采樣實(shí)現(xiàn)AD采樣，并輸出32點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)，經(jīng)FFT計(jì)算后，可得到最高15次諧波的值。同時(shí)根據(jù)相角差計(jì)算的頻率調(diào)整硬件采樣中斷，實(shí)現(xiàn)跟頻采樣。

為了兼容小區(qū)變和廠礦變的保護(hù)需求，裝置采用了最大化原則實(shí)現(xiàn)了保護(hù)邏輯，每種保護(hù)邏輯的具體實(shí)現(xiàn)方式不同，但本文將其按照模塊化設(shè)計(jì)，提高了程序的可擴(kuò)展性和可移植性。本文以三段過(guò)流保護(hù)為例，描述了其基本的實(shí)現(xiàn)流程，如圖4所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 軟件抗干擾處理

適用于小區(qū)變和廠礦變的低壓保測(cè)一體裝置需要在強(qiáng)電磁環(huán)境下長(zhǎng)期連續(xù)工作，受到的干擾比較嚴(yán)重，因此在運(yùn)行維護(hù)中也面臨新的問(wèn)題。在某些惡劣工況下，數(shù)據(jù)采集的誤差有可能導(dǎo)致整個(gè)保護(hù)功能的失敗。常采用硬件抗干擾技術(shù)來(lái)減小或消除影響，硬件抗干擾理論和實(shí)踐都比較成熟[10-11]，通過(guò)接地處理，屏蔽和隔離、濾波、去耦、旁路等方法能夠有效地抑制和消除大部分干擾。但硬件抗干擾措施無(wú)論怎么完善，均無(wú)法徹底消除干擾。因此，在本文在軟件中通過(guò)如下3個(gè)措施進(jìn)一步提高裝置的抗干擾能力：①使能K60處理器的內(nèi)部開門狗，防止裝置因?yàn)殡姶怒h(huán)境惡劣而出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象；②在平臺(tái)管理層中加入了任務(wù)守護(hù)進(jìn)程，監(jiān)測(cè)是否有系統(tǒng)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間掛起或者因?yàn)槎褩Ｒ绯龆\(yùn)行異常；③通過(guò)對(duì)原始采樣值進(jìn)行有限長(zhǎng)單位沖擊響應(yīng)（FIR）數(shù)字濾波器，濾除了超過(guò)1kHz以上的高頻干擾信號(hào)。

4.2 基于DMA的AD采樣實(shí)現(xiàn)

MQX是搶占式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)可以隨時(shí)搶占低優(yōu)先級(jí)的任務(wù)。MQX的任務(wù)切換由高優(yōu)先級(jí)中斷實(shí)現(xiàn)，因此若采用定時(shí)中斷進(jìn)行AD采集，則有可能被MQX的任務(wù)切換中斷打斷，造成采樣偏移，影響交流采樣的結(jié)果。為避免這一情況的發(fā)生，本文使能了AD采樣數(shù)據(jù)的DMA傳輸功能，AD采樣的數(shù)據(jù)由DMA直接存儲(chǔ)于K60的內(nèi)部SRAM中，同時(shí)在程序中建立了環(huán)形緩沖區(qū)，將采樣完成的數(shù)據(jù)存在該緩沖區(qū)中，并建立一個(gè)定時(shí)中斷。該中斷的優(yōu)先級(jí)高于其他用戶定義的中斷優(yōu)先級(jí)，在該定時(shí)中斷中讀取AD緩存數(shù)據(jù)。

5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文研制的低成本低壓保測(cè)一體裝置在設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中進(jìn)行了各項(xiàng)測(cè)試、驗(yàn)證、改進(jìn)，通過(guò)了電力系統(tǒng)權(quán)威驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的測(cè)試。表1是測(cè)控部分的測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果，其中所使用PT的額定相電壓為57.735V，CT的額定電流為1A或者5A。

表1 低成本低壓保測(cè)一體裝置部分測(cè)試結(jié)果

6 結(jié)論

電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了電力系統(tǒng)二次設(shè)備的技術(shù)革新，微處理器的功能日益強(qiáng)大，為電力系統(tǒng)二次設(shè)備的研制提供了更優(yōu)方案。本文研制的基于K60的低成本低壓線路保測(cè)一體裝置可適用于小區(qū)變和廠礦變等應(yīng)用場(chǎng)合，它基于模塊化和組態(tài)思想設(shè)計(jì)，最大化利用了K60的片內(nèi)資源，完成了裝置的繼電保護(hù)和測(cè)控功能，降低了硬件成本，減輕了軟件二次開發(fā)的負(fù)擔(dān)，為低壓保測(cè)一體裝置提供了一個(gè)切實(shí)可行的方案。

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Development of a Low Cost Line Intelligent Protection and Measurement Integrated Device

Zhou Jian Xu Jun Liu Dawei

(Jiangsu Transmission Substation Company, Nanjing 210028)

This paper analyzed the application requirements of cell substation and factory substation for integrated Device with measurement & control and protection. It proposed a low-cost impletion design based on the K60 and MQX real-time operating system. Cost-effective K60 is the core of the design. Its software and hardware architecture is introduced in detail. It also analyzed the key technologies. The practical test verification has been carried out.

cell substation; integrated device with measurement & control and protection; K60; MQX