低压电器（２０１１Ｎｏ．２０） ・智能配电系统・ 配电线路微机保护装置的设计 孙浩， 黄岷江， 宋小燕 （国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司，湖北武汉摘４３００７４） 要：提出了一种新型的适用于配电网的微机保护，硬件设计采用“ＤＳＰ＋ ＭＣＵ”的双ＣＰＵ结构，充分发挥了ＤＳＰ强大的数据处理能力和ＭＣＵ的事件管理能力， 可以满足配电网对保护装置的要求。软件设计将ＩｘＣｌｉｎｕｘ嵌入式实时操作系统引入微 机保护平台。该保护装置设计合理，能够满足相关保护的技术指标要求，具有高精度和 高速通信的特点，可满足配网自动化的需求。 关键词：配电线路；微机保护装置；嵌入式系统 中图分类号：ＴＭ ７７４ ．５文献标志码：Ｂ文章编号：１００１－５５３１（２０１１）２０－００２４— ０５ 孙 浩（１９８２一）， 男，工程师，主要从 事智能电器、电力 系统继电保护的研 究 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ Ｌｉｎｅ Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ Ｄｅｖｉｃｅ ＳＵＮ Ｈａｏ，ＨＵＡＮＧ Ｍｉｎｆｉａｎｇ，ＳＯＮＧ Ｘｉａｏｙａｎ （ＮＡＲＩ Ｌｉｍｉｔｅｄ Ｃｏｍｐａｎｙ ｏｆ Ｓｔａｔｅ Ｇｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｗｕｈａｎ ４３００７４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｅｗ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｉｎ ｔｈｅ ｈａｒｄｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，“ＤＳＰ＋ＭＣＵ”ｄｕａｌ・ＣＰＵ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ，ｗｈｉｃｈ ｇｉｖｅｓ ｆｕｌｌ ｐｌａｙ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒｆｕｌ ＤＳＰ ｄａｔａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ＭＣＵ ｅｖｅｎｔ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ，ｔｈｕｓ ｓａｔｉｓｆｙｉｎｇ ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅ— ｍｅｎｔｓ．Ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｄｅｓｉｇｎ，ＩｘＣｌｉｎｕｘ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎｔｏ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅ— ｌａｙ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ａｎｄ ｈａｓ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ａｎ－ ｔｏｍａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｌｉｎｅ；ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ０ 引 言 智能电网主要包括发电、输电、变电、配电、用 成部分，其设计方案将直接影响到工程实现的难 易和保护功能的优劣。对此，需要一种成本低、便 于使用、可靠的线路保护控制装置，完成线路的监 测、故障的识别，实现对线路电流保护、故障预先 告警等功能 。 本文采用ＤＳＰ＋ＭＣＵ的双ＣＵＰ结构，构成微 户、调度等环节。由于配电网与工农业生产直接 相连，预计配电网自动化的用户侧将占整个智能 电网建设的４０％。１０ ｋＶ配电线路承担着直接向 用户供电的任务，具有分布广、设备多、绝缘水平 低的特点。在运行中，常见的不正常运行状态和 故障状态有线路过流、相问短路、单相接地短路。 当线路出现过流、相问短路时，需立即或在限定的 时间内从系统中切除。实际运行中，各种保护工 机保护的控制核心。这种双ＣＵＰ结构充分利用 ＤＳＰ强大的数据处理能力、ＭＣＵ可移植能力及事 件管理能力，并针对微机保护的原理、算法和配电 网自动化的需要，设计开发了软件系统，旨在整体 上提高配电网的自动化和智能化水平。 作是由断路器完成的，其中控制系统是重要的组 黄岷江（１９８３一），男，研究方向为电工电器。 宋小燕（１９８５一），女，研究方向为电力电子。 一２４一 ・智能配电系统・ 低压电器（２０１１Ｎｏ．２０） １配电线路保护系统的组成 馈线保护单元主要包括１２ ｋＶ永磁机构真空 薯 管理组成。保护系统结构框图如图１所示。 、） １一永磁机构断路器；２一后台软件；３一智能控制装置；４一电源 图１保护系统结构框图 本文设计的重点就是控制箱中的微机保护装 置。它是实现配电网自动化和智能化的核心组成 数据发送给ＳＣＡＤＡ监控系统。 部分，其工作原理如下：将电网一次设备电流互感 器ＴＡ及电压互感器ＴＶ采样来的电流、电压信号 经精密电流、电压变换器采样后，低通滤波器再经 ２微机保护装置的硬件设计 保护装置的硬件是软件算法的运行载体，是 保护装置的基础，是实现准确、高效保护的保障。 硬件总体方案如图２所示。该装置的硬件系统由 八个功能模块组成：事件管理模块（主ＣＰＵ）、数 据处理模块（从ＣＰＵ）、数据采集模块、数据交换 模块、电源模块、显示与控制模块、开入／开出量模 块、通信模块。该保护装置位于现场进行数据采 集和处理，且与上位机之间进行通信。 ２．１芯片的选取 ， 八选一多路开关、高精度运算放大、限幅保护，变 换成一定幅度的交流电压信号，经Ａ／Ｄ转换后的 数字量通过单片机运算、处理；同时，ＣＰＵ接收经 光电隔离的脉冲信号和遥控输入信号及通过键盘 查询、整定定值等的输入信号，所有信号经ＣＰＵ 运算、处理，发出相应的跳／合闸信号和告警信号 到驱动接口电路，驱动接口电路将这些信号送到 出口继电器板，出口继电器板上的跳／合继电器触 点接通断路器的跳／合闸电路，告警信号继电器接 本文设计的保护装置采用双ＣＰＵ，即“ＤＳＰ＋ ＭＣＵ”的处理结构。ＤＳＰ作为运算ＣＰＵ，负责与 数据采集模块及开入／开出模块连接；单片机作为 管理ＣＰＵ，主要负责人机交互和与上位机通信部 分。ＤＳＰ处理器由于内部采用哈佛总线结构，指 通告警电路；同时，ＣＰＵ发出相应的位置、状态信 号，所有信号测量、保护动作值、跳／合闸变位记 录、整定过程、查询过程、故障、遥信量、时间等均 能在ＬＣＤ上显示。ＣＰＵ通过ＵＡＲＴ接口与ＧＰＲＳ 模块相连接，ＧＰＲＳ模块通过ＧＰＲＳ网络将现场的 令是流水线操作，以及独立的硬件乘法器结构等， 非常适合进行大量的数字信号处理及实时的数据 一２５一 低压电器（２０１１Ｎｏ．２０） ・智能配电系统・ 图２硬件系统结构图 分析和监控。ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＡＤＳＰ芯片为数据采 Ｕｃｃ 集和处理ＣＰＵ，其强大的数据处理能力和速度可 ＢＹＴＥ ＢＶＤＤ Ａ１ ＤＶＤＤ 实现多点数据采集和快速参数计算 Ｊ。３２ ｂｉｔ单 片机Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ，具有运算速度快、抗干扰能力强 ＡＤＤ ＡＯ ＢＧＮＤ Ａ２ 等特点，已被广泛地应用于电力设备保护和汽车 等运行环境恶劣的工业及其他领域 一 。 ２．２采集单元的设计 ＨＯＬＤ ＨＯＬＤｎ ＨＯＬＤｃ ＣＬＫ ＣＳ １ １ ＩＯＰＢ４ 面 ＥＯＣ Ｄ Ａ＝Ｉ＿Ａ０一Ｄ Ａ＝Ｉ＇Ａ１６ ＲＥＳＥＴ Ｄ ＸＩＮＴｌ Ｄ０一Ｄｌ５ ＩｏＰＣｌ 本装置设计了１８路通道模拟量采集输入。 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ虽自带Ａ／Ｄ转换器，但转换精 度只有１０ ｂｉｔ，且转换速度也不高（５００ ｎｓ），无法 满足１８路模拟量的采集。为了满足数据采集要 ＡＤ￥８３６４ ＴＭＳ３２ＯＬＦ２４０７Ａ 求，选择１６ ｂｉｔ扩展ＡＤＳ８３６４芯片，具有高速、低 功耗，六个模拟量输入通道，可用ＢＶＤＤ独立供 图３数据采集单兀结构图 装置采用单片机与ＨＧ１２６０５一Ａ液晶显示模 电；六个完全相同的采样保持电路，分成Ａ、Ｂ、Ｃ 组，每组均由一个ＨＯＬＤ引脚控制；可从外部引 入最大５ ＭＨｚ的时钟频率，采样时间是０．８ ｓ， 转换时间仅有３．２ Ｉｘｓ；最大采样率达到２５０ ｋＨｚ。 若要达到该值，可在下次转换开始时读取上一次 的转换结果。该Ａ／Ｄ转换器完全可以满足采样 要求。Ａ／Ｄ芯片与ＤＳＰ的连接如图３所示。 块连接，实现人机接口，主要完成显示时间和日 期、显示故障线路编号、显示装置运行状态与装置 内部故障信息、显示串口通信参数的任务。 ＨＧ１２６０５．Ａ内藏ＳＴ７９２０点阵式ＬＣＤ控制与驱动 芯片，可显示字母、数字符号、汉字及自定义文字 符号。ＳＴ－／９２０芯片内部集ＲＡＭ和ＲＯＭ、字型产 生器，及液晶驱动器和控制电路为一体。因此，只 要一个很小的处理系统，就可以操作ＨＧ１２６０５一Ａ 系统采用Ｉ／Ｏ接口启动Ａ／Ｄ转换。六片 ＡＤＳ８３６４的片选信号由ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ控制，通 液晶显示模块，且硬件连接简单。液晶模块和单 片机的连接如图４所示。 过ＩＯＰＢ４使ＨＯＬＤＡ、ＨＯＬＤ 、ＨＯＬＤｃ同时为低电 平，对六个通道同时采样。Ａ／Ｄ的ＥＯＣ引脚与 图４中，Ｅ为芯片使能引脚；ＤＢ０～ＤＢ７为数 据总线。通过Ｄ／Ｉ、Ｒ／ｗ以及与ＤＢ０～ＤＢ７的各 种组合，可以完成对液晶模块的初始化操作和数 据读写。ＬＥＤＡ和ＬＥＤＫ为液晶模块的背光，可 以通过可调电阻调节亮度。 ＤＳＰ的外部中断ＸＩＮＴ１相连，由Ａ／Ｄ转换结束信 号发出中断请求，读取Ａ／Ｄ转换结果；Ａ０、Ａ１、Ａ２ 为控制采样模式。 ２．３人机交互单元的设计 人机交互模块主要由ＬＣＤ显示输出和按钮 输入组成。 ～按键功能是通过面板上的七个按钮和逻辑芯 片ＧＡＬ２０Ｖ８Ｂ实现的，具有激活、确认、退出、重 ２６一 ・智能配电系统・ ｕＣＣ Ｌ ＶＳＳ ＶＤＤ Ｐ９０ Ｄ／Ｉ Ｐ９１ Ｒ／Ｗ Ｐ９２ Ｅ Ｐ１０－Ｐ１７ Ｉｆ ＤＢＯ～ＤＢ７ 上 ＬＥＤＡ ＬＥＤＫ ． 图４单片机与 －的连接 启、上下、左右等按钮功能。通过逻辑关系上的化 简，利用 实现８３译码功能，从而减少 连接到 芯片的按钮数量。每个按钮都 接有４．ｋｎ的上拉电阻，确保按下按钮时实现从 高电平到低电平的跳变。按钮接口电路原理图如 图５所示。 图 按钮接口电路原理图 操作系统及软件设计 为了方便程序设计，将嵌入式实时操作系统 引入微机保护，各任务在操作系统的管理下运行。 首先，移植 操作系统到目标芯片 ；然后，编写主程序和各功能的应用程 序。编译操作系统内核以及相关应用程序，下载 到单片机中运行。通过操作系统的管理、实时采 集信号、调用故障判别程序、输出显示和发送报警 短信消息，实现过流、短路和涌流的鉴别和重合闸 等功能；操作系统实时跟踪外部异步通信时间的 低压电器（２０１１Ｎｏ．２０） 中断，接收控制中心的事件处理和对断路器的分 闸控制。 ． 简介 是一种优秀的嵌入式 版本，是 ． ． 的缩写。它秉承了标准 的优良特性，经过各方面的小型化改造，形成了一 个高度优化、代码紧凑的嵌人式 。虽然体积 很小，却仍保留了 大多数的优点：稳定、良 好的移植性，优秀的网络功能，对各种文件系统完 备的支持和标准丰富的 ，并专为嵌人式系统 做了许多小型化的工作，目前已支持多款 。 其编译后的目标文件可控制在几百千字节数量 级，已被成功地移植到很多平台上。 ． 在 上的移植 （）开发环境的建立。作为 系统的 移植和开发的计算机，最好还是使用装有 操作系统的主机，如果选择 作为开发平 台，则需要 软件包的支持。本文就是在当 今网上最流行的 版本 环境下进行 开发的。在进行 的移植和开发前，需要 建立系统的交叉编译环境。因为使用的是 体系结构的处理器作为主机，开发板采用 体系结构的处理器作。 平台的交叉编译工 具可从 的官方网站获得。 （）下载安装内核。 是一款支持无 单元的嵌入式操作系统，可从其官方网站获 取最新版本的内核文件（ ． ． ）。首 先，将下载的 内核文件放人工作目录（／ ）；然后，使用ｔａｒ工具解压内核 文件；经过一段时间的解压后，会在工作目录下生 成 一 文件夹。 （）编译 内核。经过编译后， ． ．． 目录下会生成 ， ． ，在 一 目录下会生 成 ． 、 ． 、 ． 、 ． 、 ． 、 ． ， ． 等文件，其中ｉｍ． ． 是直接可以下载到 中执行的文件；在 调试阶段，就可以使用该文件。 ３．３主程序流程图 主程序流程图如图所示。图 中， 为计算完成标志位。外部输入的电流信号经过输 入转换电路转变为低电压等级的小电流信号，经 ２７— 低压电器（２０１１Ｎｏ．２０） ・智能配电系统・ 可靠性决定了供电的质量和水平。本设计装置采 ｌ系统初始化、ｌｌ 白捡 ｌ 用ＤＳＰ＋ＭＣＵ双ＣＰＵ架构，确保高速数据采集能 力、高速通信能力、强电磁兼容能力；采用模块化 的设计思想，大大提高了开发效率；建立了以嵌入 式实时操作系统ＩｘＣｌｉｎｕｘ为软件平台的微机保护 调用Ａ／Ｄ转换 子程序 软件系统，将ｔｘＣｌｉｎｕｘ实时操作系统移植到 Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ芯片上，最后编写了用户应用程序。 ＜ ｌ调用参数计算ｌ 子程序 ｌｌ 本文研制的产品，性能优良，自动化、智能化水平 较高，适合大力推广。 １．———一 ＜ 将计算结果存储到 ＩＤＴ７１３２ 【参考文献】 张宇辉．电力系统微型计算机继电保护［Ｍ］．北京： 中国电力出版社，２０００． ● ｌ￣ＦｉｎＦｌａｇ＝ｌ Ｉ 图６ ＤＳＰ与单片机的主程序流程图 ｒ；叶世勋．配电网及其自动化发展趋势［Ｊ］．电网技 术，１９９６（６）：４３＿４８． ｒＬＧＢ／Ｔ １４０４８．２—２００８低压开关设备和控制设备 ｒＬ ｒＬ ｒＬ ｒＬ １ ］ ２ ３ ４ １● ［ｓ］．２００８． １ｊ５ ６ ］Ｊ７ ］●Ｊ８ ］ｊ 过平移电路和信号调理，成为可以直接被Ａ／Ｄ转 王梅义．电网继电保护应用［Ｍ］．北京：中国电力出 版社，１９９９． 换的采样信号输入Ａ／Ｄ转换单元；ＤＳＰ芯片从 Ａ／Ｄ的相应的寄存器中读取数据。当所有的转 换都结束时，ＤＳＰ启动数据处理子程序。计算全 部完成后，将计算结果存储在双口ＲＡＭ中，并把 ＦｉｎＦｌａｇ标志位置１。当单片机ＭＣＵ查询到该标 志位为真时，启动数据读取程序，从双口ＲＡＭ中 读取ＤＳＰ已经运算完成的数据。当读取完成时， ＦｉｎＦｌａｇ标志置为０；然后，根据读取来的数据进行 故障判别，并最终完成显示任务和串行通信任务； 系统循环等待下一次故障的发生。 刘和平，王维俊，江渝，等．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘ ＤＳＰ Ｃ语 言开发应用［Ｍ］．北京：北京航天航空大学出版社， ２００３． 李岩．基于Ｓ３Ｃ４４ＢＯＸ嵌入式ｔｘＣｌｉｎｕｘ系统原理及 应用［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５． ＴＯＤＤ Ｄ Ｍ．Ｅｍｂｅｄｄｅｄ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｓ［Ｍ］．Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｒｅｓｓ ａｎｄ Ｐｅｒｓｏｎ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｎｏｒｔｈ Ａｓｉａ Ｌｉｍｉｔｅｄ， ２０ＨＤ３． 苗世洪，王少荣，刘沛，等．利用双口ＲＡＭ实现主机 与远方多个子机的实时数据交换问题研究［Ｊ］．计 算机工程与应用，１９９９（１１）：１２０—１２１． 收稿日期：２０１０—０８—１６ ４ 结 语 配电线路是直接面向用户供电的，其运行的 （上接第１３页） 则［Ｓ］．２０００． 【参考文献】 ［１］ ＧＢ ５００５２－－２００９供配电系统设计规范［Ｓ］．２００９． ［２］ ＪＧＪ １６—２ｏ０８民用建筑电气设计规范［Ｓ］．２００８． ［３］ ＧＢ／Ｔ １４０４８．１１—２００８低压开关设备和控制设备 ［５］ 曲德刚．自动转换开关电器（ＡＴＳＥ）的选择与应用 ［Ｊ］．低压电器，２００３（１）：５６—５８． ［６］任红，罗洁．双电源转换开关电器的选择及应用 ［Ｊ］．电气应用，２００５（８）：２－９． ［７］ 柏小平，林万焕，张明江．低压电器用电触头材料 第６部分多功能设备自动转换开关电器［Ｓ］． ２００８． ［Ｊ］．电工材料，２００７（３）：１２—１６． 收稿日期：２０１１—０８—０９ ［４］ ＧＢ／Ｔ １４０４８．１—２０００低压开关设备和控制设备总 一２８一