基于DSP+ARM實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下線路保護(hù)研究

徐明虎,陳斯斯,韓成尉,崔奇明

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司技能培訓(xùn)中心，遼寧 錦州 121000；2. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110003;3. 國(guó)網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114007)

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基于DSP+ARM實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)下線路保護(hù)研究

徐明虎1,陳斯斯2,韓成尉3,崔奇明3

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司技能培訓(xùn)中心，遼寧 錦州 121000；2. 國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司檢修分公司, 遼寧 沈陽(yáng) 110003;3. 國(guó)網(wǎng)鞍山供電公司，遼寧 鞍山 114007)

為解決傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)不能滿足現(xiàn)代智能電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行的要求，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一套基于DSP與ARM雙處理器的微機(jī)繼電保護(hù)裝置，并將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)移植到ARM芯片上。測(cè)試結(jié)果表明：該硬件平臺(tái)系統(tǒng)的性能完全滿足現(xiàn)代電網(wǎng)的發(fā)展需求。

DSP;ARM;μC/OS-Ⅱ;線路保護(hù)

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè)發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與安全性提出了更高、更嚴(yán)格的要求。為此，對(duì)電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)裝置在硬件和軟件上也提出了越來(lái)越高的要求。不僅要求微機(jī)保護(hù)裝置完成保護(hù)功能，而且需要微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、可靠性、擴(kuò)展性，更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)通信能力及強(qiáng)大的人機(jī)交互功能。因此，研究新型的微機(jī)繼電保護(hù)裝置應(yīng)用于現(xiàn)代電網(wǎng)勢(shì)在必行。

本文在分析了傳統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)的不足與微機(jī)保護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)一套基于DSP與ARM雙處理器的微機(jī)繼電保護(hù)裝置，并將μC/OS-Ⅱ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)成功移植到ARM芯片上。集保護(hù)、控制、測(cè)量、遙信等自動(dòng)化功能于一體，既滿足了電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置 “四性”[1]的要求，又滿足了智能變電站中實(shí)時(shí)多任務(wù)的要求。

1 線路微機(jī)保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)

1.1 硬件方案選擇

傳統(tǒng)微機(jī)保護(hù)大多采用單CPU結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)無(wú)論是TA采集的電流模擬信號(hào)、TV采集的電壓模擬信號(hào)、AD信號(hào)的轉(zhuǎn)換及數(shù)字信號(hào)的處理運(yùn)算，還是人機(jī)接口的數(shù)據(jù)交換等功能都需要單個(gè)CPU完成。考慮到智能電網(wǎng)建設(shè)對(duì)微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)的性能提出更高要求，本文研究設(shè)計(jì)的微機(jī)繼電保護(hù)系統(tǒng)的硬件平臺(tái)采用雙CPU結(jié)構(gòu)。一種采用TI公司生產(chǎn)的具有強(qiáng)大數(shù)字信號(hào)處理能力和運(yùn)算能力的DSP芯片TMS320C5402，它能夠很好地滿足微機(jī)保護(hù)中運(yùn)算量大和采樣精度高的要求，從而滿足現(xiàn)代電網(wǎng)中數(shù)據(jù)處理的快速性和實(shí)時(shí)性。另一種采用ATMEL公司生產(chǎn)的具有豐富接口與超強(qiáng)控制能力的ARM處理器AT91RM9200，它為實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)(RTOS)的移植提供了平臺(tái)[2]。

1.2 硬件設(shè)計(jì)框架

本文設(shè)計(jì)的微機(jī)繼電保護(hù)裝置的硬件平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，根據(jù)每一模塊完成的功能和作用，將線路微機(jī)保護(hù)裝置主要分為DSP+ARM構(gòu)成的CPU、獲得模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)的數(shù)據(jù)采集、完成開(kāi)關(guān)量輸出的控制、方便人工操作的人機(jī)接口、電源、完成內(nèi)外信息傳遞的通信接口等幾個(gè)模塊組成[3]。

線路繼電保護(hù)的整體框架如圖1所示。其工作原理：當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，TA和TV采集線路的故障電流、故障電壓，然后經(jīng)濾波、隔離裝置，再將故障信號(hào)傳給AD轉(zhuǎn)換模塊，DSP根據(jù)接收的轉(zhuǎn)換結(jié)果，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理。DSP根據(jù)保護(hù)定值和保護(hù)判據(jù)對(duì)故障類型做出判斷，并發(fā)出保護(hù)指令，由控制模塊輸出至執(zhí)行器件(繼電器)[4]，完成對(duì)線路的保護(hù)。同時(shí)，DSP還將運(yùn)算結(jié)果以及保護(hù)動(dòng)作的信息通過(guò)雙口RAM模塊發(fā)送到ARM系統(tǒng)，ARM系統(tǒng)接收到相關(guān)保護(hù)動(dòng)作信息后，通過(guò)控制模塊給人機(jī)接口模塊發(fā)送相應(yīng)指令，使其將動(dòng)作信息等進(jìn)行顯示、錄波，并通過(guò)通信模塊向上位機(jī)發(fā)送故障信息和處理結(jié)果。

圖1 微機(jī)繼電保護(hù)的整體框架

2 線路保護(hù)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

微機(jī)保護(hù)中采用RTOS管理軟件，不僅可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用軟件，還為微機(jī)保護(hù)軟件開(kāi)發(fā)提供便利，在縮短開(kāi)發(fā)周期的同時(shí)也提高了開(kāi)發(fā)效率[5]。例如：將一個(gè)復(fù)雜的應(yīng)用程序分解成多個(gè)不同的簡(jiǎn)單小任務(wù)。只要能合理地劃分每個(gè)任務(wù)，保護(hù)裝置中所有任務(wù)模塊的調(diào)試、修改幾乎不影響其他模塊的正常運(yùn)行。RTOS的運(yùn)行使得保護(hù)裝置中應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)和修改變得容易，若要增加新的保護(hù)功能，只需增加新的功能小程序模塊就能解決，不需要對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行大范圍調(diào)整。由于將保護(hù)的應(yīng)用程序分割成若干獨(dú)立的任務(wù)，所以大大縮短了RTOS應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)周期[6]。程序開(kāi)發(fā)人員只需了解自己涉及到的模塊，而不需要對(duì)保護(hù)裝置所有運(yùn)行程序的編寫過(guò)程、原理都了解，最終簡(jiǎn)化了復(fù)雜系統(tǒng)。不僅提高了軟件維護(hù)和升級(jí)的效率，也加快了軟件的開(kāi)發(fā)速度。

為了滿足微機(jī)保護(hù)可靠、及時(shí)等特性，裝置對(duì)運(yùn)行軟件的實(shí)時(shí)性提出了很高的要求。利用RTOS為平臺(tái)設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)程序完全可以實(shí)現(xiàn)程序的實(shí)時(shí)性?；赗TOS軟件平臺(tái)的微機(jī)保護(hù)不僅保證了系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，同時(shí)RTOS為所有對(duì)時(shí)間要求苛刻的事件提供了盡可能快捷、有效的處理渠道[7]。通過(guò)有效的系統(tǒng)服務(wù)，RTOS使資源得到更好的利用。RTOS的微機(jī)保護(hù)程序機(jī)制如圖2所示。

圖2 微機(jī)保護(hù)整體程序機(jī)制

3 系統(tǒng)應(yīng)用

該裝置強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)據(jù)處理能力，豐富的網(wǎng)絡(luò)接口，符合智能變電站統(tǒng)一硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想，能夠滿足各種微機(jī)保護(hù)裝置產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。為檢驗(yàn)該裝置的可行性及各方面的運(yùn)行指標(biāo)，現(xiàn)以保護(hù)裝置的實(shí)際運(yùn)行狀況及現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)加以說(shuō)明。

3.1 交流采樣數(shù)據(jù)分析

對(duì)于整個(gè)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)采集最為重要，只有準(zhǔn)確地完成被測(cè)對(duì)象電量參數(shù)的采樣，才能保證微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)做出正確的邏輯判斷。采樣值與示波器數(shù)據(jù)采樣的結(jié)果比較見(jiàn)表1。

表1 示波器測(cè)量值與采樣結(jié)果比較

保護(hù)試驗(yàn)前，為了驗(yàn)證保護(hù)裝置是否正常運(yùn)行，除了保護(hù)裝置自檢外，還可以給保護(hù)裝置加入電壓、電流量，驗(yàn)證保護(hù)裝置的采樣值是否精確。加入保護(hù)設(shè)備的電壓、電流模擬采樣值與保護(hù)試驗(yàn)測(cè)試儀的輸入值之間的比較結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 電壓電流實(shí)際值和測(cè)量值比較

由表2結(jié)果看出，本系統(tǒng)對(duì)電壓電流有效值及由此推算出來(lái)的有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)均具有較好的精度。

3.2 線路距離保護(hù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為驗(yàn)證該裝置采樣模塊的精確度與穩(wěn)定性以及CPU運(yùn)算的正確性，在試驗(yàn)中只投入距離保護(hù)壓板來(lái)驗(yàn)證該保護(hù)裝置的動(dòng)作靈敏性與準(zhǔn)確性。試驗(yàn)中，整定距離Ⅰ段的動(dòng)作定值為7 Ω，故障時(shí)間設(shè)定為0.1 s，裝置中設(shè)定的故障類型為A相接地故障，短路的方向是正方向，其他故障設(shè)置參數(shù)如圖3所示。該試驗(yàn)的動(dòng)作情況如圖4所示。

圖3 線路保護(hù)距離Ⅰ段故障設(shè)置

保護(hù)裝置測(cè)量到故障量后，4 ms時(shí)啟動(dòng)保護(hù)裝置，17 ms時(shí)距離保護(hù)Ⅰ段動(dòng)作。由于本次試驗(yàn)的故障類型為單相接地故障，并且故障時(shí)間設(shè)定為0.1 s，所以屬于瞬時(shí)性故障，重合閘裝置應(yīng)當(dāng)啟動(dòng)，通過(guò)動(dòng)作報(bào)告可以看出在129 ms時(shí)重合閘啟動(dòng)。同樣，在1 129 ms時(shí)重合閘出口。通過(guò)與現(xiàn)場(chǎng)距離保護(hù)動(dòng)作的試驗(yàn)報(bào)告單對(duì)比，試驗(yàn)數(shù)據(jù)完全符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行的線路需求[8-9]。

圖4 線路保護(hù)距離Ⅰ段動(dòng)作報(bào)告

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著智能變電站大范圍運(yùn)行應(yīng)用，要求保護(hù)測(cè)控裝置以網(wǎng)絡(luò)的方式進(jìn)行信息交換，并要求保護(hù)測(cè)控裝置具有較強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)通信處理能力及運(yùn)算處理能力。本文提出的新型硬件平臺(tái)系統(tǒng)既可以充分利用DSP強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理特性，又發(fā)揮了ARM系列處理器通信處理能力強(qiáng)的特點(diǎn)，兩者結(jié)合不僅提高嵌入式硬件平臺(tái)的運(yùn)算能力，而且解決了智能變電站嵌入式裝置網(wǎng)絡(luò)通信瓶頸的問(wèn)題。

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Line-Protection Research Based on DSP and ARM Under Real-time Operating System

XU Minghu1，CHEN Sisi2，HAN Chengwei3，CUI Qiming3

(1. State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，skills training center,Jinzhou，Liaoning 121000，China;2. State Grid Liaoning Maintenance Company, Shenyang,Liaoning 110003,China;3. State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114007，China)

The paper designs the microcomputer protection based DSP and ARM.It solves the requirement which traditional microcomputer protection can’t satisfy the stable operation of the modern intelligent power grid. In this system the operating system μ C/OS-II is transplanted on ARM successfully. Taking the line-protection for example, test results show that the hardware platform performance can satisfy the needs of practical engineering in the power system.

DSP;ARM;μC/OS-Ⅱ;line-protectio

TM773

A

1004-7913(2017)06-0022-03

徐明虎(1984)，男，碩士，講師，從事繼電保護(hù)專職培訓(xùn)工作。

2017-02-19)