一種低成本智能線路保測一體裝置研制

周 健 徐 軍 劉大偉

?

一種低成本智能線路保測一體裝置研制

周 健 徐 軍 劉大偉

（江蘇省送變電公司，南京 210028）

本文詳細分析了小區變和廠礦變等低電壓等級對智能保測一體裝置的應用需求，提出了一種基于K60和MQX實時操作系統的低成本智能保測一體裝置實現方案。該方案以高性價比的Cortex-M4內核芯片K60為核心，詳細介紹了軟硬件架構，并對其中的關鍵技術進行了總結和分析。通過實驗測試，驗證了該方案的可行性。

小區變；保測一體；K60；MQX

隨著經濟的不斷發展，高層建筑不斷涌現，居民生活水平不斷提高，使得小區變電站的作用也日益重要，其穩定運行是用戶可靠用電的基本保障。經濟的發展也促進了廠礦規模的不斷擴大，對廠礦電力系統的穩定運行提出了更高的要求，若造成大面積停電，則將對企業造成巨大損失。在小區變或廠礦電力系統中，保測一體裝置是重要的組成部分，其作用在于監測站內電壓、電流、功率和溫度等交直流數據，并及時發現故障，切除故障，以提高小區變和廠礦電力系統的穩定性和可靠性。然而，在小區變和廠礦電力系統中，保測一體裝置的保護功能較為簡單，對成本控制要求高，同時因為其應用場合的特殊性，裝置的通信接口和協議也存在多樣性[1]。

目前，國內的主流電力系統二次設備廠商在小區變和廠礦中使用的保測一體裝置大多是在中低壓產品基礎上稍加改動而成的，這使得裝置的邏輯功能過于復雜，同時軟硬件成本較高。近年來，隨著智能電網和智能變電站技術的不斷發展，促進了變電站內電力系統二次設備性能和功能的大幅提升，其集成度越來越高，通信接口更為豐富[2-3]。以保測一體裝置為例，多采用CPU+FPGA+DSP的硬件平臺架構，或采用基于多核處理器（如OMAPL138系列微處理器）的硬件平臺，以滿足變電站應用靈活性和多樣性[4-6]的需求。

本文在梳理了小區變、廠礦變保測一體裝置功能需求的基礎上，研制了一種基于K60的低成本保測一體裝置，它采用組態模塊化思想設計，裝置配置簡單，軟件設計靈活。

1 功能需求

1.1 繼電保護功能

小區變和廠礦變的繼電保護功能有所區別。例如在廠礦變中，有非電量保護功能，如重瓦斯告警，但小區變則沒有。為了兼顧這兩種應用場合下的不同需求，本文研制的低成本線路保測一體裝置保護功能按最大化配置設計，利用控制字實現投退，提高了裝置的靈活性。具體的保護功能如下[7]。

1）帶反時限的過流保護功能。其中過流1段和過流2段固定為定時限保護；過流3段可支持反時限。

2）零序過流保護功能。主要用在接地系統、小電阻接地系統或在不接地系統中接地零序電流相對較大的情況下，可以采用零序過流保護作為接地保護。

3）加速保護。支持過流加速保護和零序加速段保護。

4）低壓減載功能。

5）重合閘功能。

6）過負荷告警。當最大相電流大于過負荷告警電流定值并達到過負荷時，限時告警。

7）PT斷線告警。

8）控回斷線告警?？刂苹芈窋嗑€檢查延時1s后自動告警。

9）非電量保護。裝置具有非電量告警輸入端口，當投入非電量保護功能控制字時，檢測到輸入信號有效，即起動告警。

1.2 測控功能

1）交流量采集。交流量包括三相電壓、零序電壓、三相測量電流、零序電流、三相保護電流，同時可計算出頻率、有功、無功、功率因數、線電壓、線電流。

2）開關量采集功能。

3）遙控輸出功能?？捎糜诳刂频堕l、斷路器等開關器件。

2 硬件設計方案

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

裝置的核心是基于Cortex-M4內核的高性價比32位微處理器K60[8]。本文選取的微處理器為最高主頻可達150MHz的K60芯片，且內部含有硬件浮點處理單元。該芯片片上集成了多種外設，資源豐富，其片內含有2MB的Flash和256KB的SRAM，具有2路獨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以太網控制器；最多可達192個通用輸入輸出接口；6通道片外數據總線，可支持訪問最高32位數據寬度的SRAM、Norflash、Nandflash等外設。為滿足小區變和廠礦低壓保測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16位AD實現，以達到節省成本的目的。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現。由于保測一體裝置需要保存變位報告、裝置自檢報告、裝置故障報告和故障錄波文件，因此文中選用了4GB字節的大容量Nandflash芯片K9LBG08U0M，K60通過FlexBus總線接口實現對其讀寫訪問，提高了裝置的存儲能力。除此之外，K60通過FlexBus總線還擴展了2M字節的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10/100Mb以太網通信接口。

綜上所述，32位微處理器K60芯片片上資源豐富，基于K60的硬件設計方案可大大減少外圍芯片的使用，降低了裝置硬件設計的復雜性和成本，完全滿足小區變和廠礦變的低成本低壓保測一體裝置的應用需求。

圖1 裝置硬件設計架構

3 軟件設計方案

3.1 軟件架構設計

在小區變和廠礦變的應用場合中，其一個重要的特點就是用戶的需求多變，每個用戶和工程現場的需求都有可能不同，因此為適應不同現場的需求，一方面裝置軟件模塊按照最大化功能實現，另一方面裝置軟件基于組態模塊化思想設計，可提高裝置的靈活性。其軟件架構如圖2所示。

圖2 裝置軟件架構

硬件驅動層實現了底層驅動功能，并對操作系統的訪問接口進行統一封裝，實現硬件驅動對不同操作系統差異性隔離。操作系統層基于嵌入式實時操作系統MQX實現[9]。MQX實時操作系統可用于單處理器、多處理器和分布式處理器等形式的嵌入式實時系統，它的主要特點是，可裁剪大小、面向組件和便于使用。MQX是一個全功能的實時操作系統內核，支持堆棧監測、任務狀態打印等可選服務，但這些組件可以根據需要進行裁剪，以避免不使用的功能增加存儲器占用，盡量減少RAM和ROM的使用，使得其更適用于嵌入式的應用場合。MQX支持多任務調度，可支持實時、基于優先級的搶占式多線程技術。在MQX中，多個硬件驅動公用一份硬件宏定義表，同時共用一份底層硬件接口函數，提高了代碼重用的概率。MQX支持消息通信機制，可用于實現不同任務之間共享數據。平臺管理層的作用在與它封裝了業務層對不同操作系統的訪問接口，屏蔽了操作系統對上層應用程序的接口訪問差異。業務層是應用層，它實現了裝置的各項功能，根據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控業務模塊、保護功能業務模塊、通信業務模塊。

3.2 功能模塊設計

低成本保測一體裝置的核心功能是實現繼電保護邏輯和測量功能。圖3描述了測量模塊的基本 架構。

由圖3可知，裝置基于同步跟頻采樣實現AD采樣，并輸出32點采樣數據，經FFT計算后，可得到最高15次諧波的值。同時根據相角差計算的頻率調整硬件采樣中斷，實現跟頻采樣。

為了兼容小區變和廠礦變的保護需求，裝置采用了最大化原則實現了保護邏輯，每種保護邏輯的具體實現方式不同，但本文將其按照模塊化設計，提高了程序的可擴展性和可移植性。本文以三段過流保護為例，描述了其基本的實現流程，如圖4所示。

4 關鍵技術分析

4.1 軟件抗干擾處理

適用于小區變和廠礦變的低壓保測一體裝置需要在強電磁環境下長期連續工作，受到的干擾比較嚴重，因此在運行維護中也面臨新的問題。在某些惡劣工況下，數據采集的誤差有可能導致整個保護功能的失敗。常采用硬件抗干擾技術來減小或消除影響，硬件抗干擾理論和實踐都比較成熟[10-11]，通過接地處理，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論怎么完善，均無法徹底消除干擾。因此，在本文在軟件中通過如下3個措施進一步提高裝置的抗干擾能力：①使能K60處理器的內部開門狗，防止裝置因為電磁環境惡劣而出現程序跑飛的現象；②在平臺管理層中加入了任務守護進程，監測是否有系統任務長時間掛起或者因為堆棧溢出而運行異常；③通過對原始采樣值進行有限長單位沖擊響應（FIR）數字濾波器，濾除了超過1kHz以上的高頻干擾信號。

4.2 基于DMA的AD采樣實現

MQX是搶占式實時操作系統，高優先級的任務可以隨時搶占低優先級的任務。MQX的任務切換由高優先級中斷實現，因此若采用定時中斷進行AD采集，則有可能被MQX的任務切換中斷打斷，造成采樣偏移，影響交流采樣的結果。為避免這一情況的發生，本文使能了AD采樣數據的DMA傳輸功能，AD采樣的數據由DMA直接存儲于K60的內部SRAM中，同時在程序中建立了環形緩沖區，將采樣完成的數據存在該緩沖區中，并建立一個定時中斷。該中斷的優先級高于其他用戶定義的中斷優先級，在該定時中斷中讀取AD緩存數據。

5 實驗數據

本文研制的低成本低壓保測一體裝置在設計開發過程中進行了各項測試、驗證、改進，通過了電力系統權威驗證機構的測試。表1是測控部分的測試驗證結果，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 低成本低壓保測一體裝置部分測試結果

6 結論

電子計算機技術的發展推動了電力系統二次設備的技術革新，微處理器的功能日益強大，為電力系統二次設備的研制提供了更優方案。本文研制的基于K60的低成本低壓線路保測一體裝置可適用于小區變和廠礦變等應用場合，它基于模塊化和組態思想設計，最大化利用了K60的片內資源，完成了裝置的繼電保護和測控功能，降低了硬件成本，減輕了軟件二次開發的負擔，為低壓保測一體裝置提供了一個切實可行的方案。

[1] 劉浩, 袁偉民. 小區變電站遠程監控系統及通信規約的研究[J]. 電力安全技術, 2013, 15(12): 42-44.

[2] Q/GDW 383—2009. 智能變電站技術導則[S].

[3] 馬濤, 武萬才, 馮毅. 智能變電站繼電保護設備的運行和維護[J]. 電氣技術, 2015, 16(6): 130-131, 134.

[4] 劉永鋼, 熊慕文, 尹凱, 等. 智能變電站雙測控方案設計[J]. 電氣技術, 2016, 17(1): 97-100.

[5] 余高旺. 新一代智能變電站中多功能測控裝置的研制與應用[J]. 電力系統保護與控制, 2015, 43(6): 127-132.

[6] 周曉龍. 智能變電站保護測控裝置[J]. 電力自動化設備, 2010, 30(8): 128-133.

[7] 王海燕, 徐云燕, 王世云, 等. 一種基于DSP+MPC的數字化保護測控裝置[J]. 電力系統自動化, 2010, 34(9): 112-115.

[8] 張吉, 宋斌, 唐成虹. 保護測控裝置嵌入式采樣新平臺的研制[J]. 電力系統自動化, 2011, 35(2): 89-92.

[9] G Q, DW441—2010. 智能變電站繼電保護技術規范[S].

[10] K60P144M150SF3RM. K60 Sub-Family reference manual[Z]. 2011.

[11] MQXRM. MQX reference manual[Z]. 2014.

[12] 張盛旺, 林風. 電力系統微機保護裝置的抗干擾措施[J]. 電力自動化設備, 2005, 25(2): 93-96.

[13] 嵇建飛, 袁玉波, 龐福濱. 智能變電站就地智能設備電磁兼容抗擾度實驗分析[J]. 電工技術學報, 2014(S1): 454-462.

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