基于ARM的智能分段開關控制器分析與設計

摘 要：現如今，在智能電網逐步發展的形勢下，國家對于電能的生產與輸配的經濟性以及安全可靠性也均提出了更為嚴格的要求。配電網是在整個輸電系統的終端，其下接諸多電力用戶，同時也是限制電力系統自身性能的關鍵所在。在這之中，10kV配電網因為其自身環境繁雜、設備數量大、覆蓋范圍廣以及線路長等等特征，智能化的程度不夠，那么針對其實施自動化化建設十分的有必要。鑒于此，本文主要分析基于ARM的智能分段開關控制器分析與設計。

關鍵詞：ARM；智能分段開關控制器；設計

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.149

1 系統原理與架構

在一般情況之下，對于電力系統而言，常見的智能保護保護主要有兩類，分別是遠程控制和就地控制。在這之中，遠程控制可以很好的針對控制站進行集中式管理，達到遙控、遙信以及遙測等等作用，方便快捷，但是針對通訊系統的依賴性相對較為嚴格，自身的安全穩定性和就地控制相比相差甚遠；就地控制，對于遠程通訊的依賴性不高，主要運用的運用斷路器和故障識別等等設備，來達到就地識別與故障的隔離。

智能分段開關，其實質上是安裝在10kV配電網的母線之上，可以針對故障進行實時、全方位的檢測，利用控制器控制開關本體的粉盒間，及時的將存在故障的線路切斷，達到電力系統繼電保護，從根本之上來加大供電的安全可靠性。其可以有效的針對線路進行零序保護、電流速斷保護與實時過流保護，可以及時的將存在故障的線路隔離。在發生過流故障的現象之下，還可以針對控制開關實施三次重合間的操作密室，加大供電的安全可靠性。

及時將存在故障的線路隔離開來。在發生過流故障的現象之下，還可以實現控制開關來實施三次重合間操作，從根本之上來進一步的加大供電的安全可靠性。控制器利用光纖通信和GPRS網絡、中屯控制和進行通信，在進行上傳的過程之中，進行實時的電路數據與故障信息，并進行相應的故障分段定位，另外，利用手持無線終端與PC機來實施近距離實施就地控制，并將有效的融合就地控制與遠程控制。

2 系統硬件設計

為了確保智能分段開關來及時的將隔離故障線路的功能可以實現，難么相應的就得要確保變電站和饋線分支的安全可靠運行，開關不僅僅要達到靈敏性、速動性、選擇性與可靠性等等繼電保護的標準才得以實現，另外還得要確保系統的經濟性與安全可靠性。

該控制器運用的是MCU+ASIC結構，運用電力參數來進行集成芯片的測量工作，并實施相應的數據采集與基礎處理，運用MCU來得到芯片內部寄存器的數據，并針對其進行相應的處理。依據系統的實際需求來進行分析和整個結構實施細化設計，硬件系統主要是由人機交互模塊、開入開出模塊、時鐘模塊、通信模塊、采樣模塊、電源模塊以及主控模塊等等構建而成。其中，主控芯片LPC1778主要利用的是SPI總線和采樣芯片ADE7878進行有效的銜接，在借助I/O口來輸入輸出開關量，利用5路UART和RS232/RS485串口、以太網模塊、ZigBee模塊以及GPRS模塊來進行有效的連接，利用I2C來及時的獲取到相應的始終信號，另外還得要設置EEPROM存儲模塊來進行開關設定信息的存儲。那么系統硬件總體設計如圖1：

2.1 主控模板

嵌入式系統的關鍵就在于主控抵片，針對整個控制器的性能與成本方面的影響較大，依據以上硬件整體結構來進行分析，主控芯片的功能要和以下的要求基本一致：

（1）處理故障的時間要合理的控制在50m/s之內。在這之中，分段開關的響應時間基本在35ms左右，主控芯片在進行故障診斷的時候，輸出相應信號的時間則在15m/s左右。主控芯片則需要在整個階段之中來實現電壓與電流等等各項電力參與的搜集和計算，其具備著相對較高的處理速度。

（2）最少要擁有一個I2C接口。主控芯片主要利用的PC總線和時鐘模擬來進行有效的實時通訊。

（3）最少要擁有一個SPI接口。主控芯片主要運用的是SPI總線和采樣模塊來完成通訊，SPI可以有效的獲取到其中的每一個電力參數。

（4）最少要擁有五個UART接口。主控芯片要利用UART分別和RS485和RS232接口模塊、無線通信模塊、以太網接口模塊、GPRS模塊來實現串行數據通訊。

（5）要具備充分的I/O端口。主控芯片利用I/O端口控制，并且還得要及時的獲取到外部開關的狀態。

（6）具備充分的PROM存儲器來進行部分固定信息的儲存。

（7）要有IAP、ISP模式，來達到遠程下載代碼。根據上述各項分析得知，可以優先選擇的主控芯片是來自NXP公司的LPC1778芯片。

2.2 采樣模塊

針對系統故障實施分析的根本前提就是電力參數的測量與采集。該系統主要是利用的電力參數主要有A、B、C相電壓與A、B、C、N相電流。在該次設計之中，運用分段開關內置的電流互感器CT與電壓互感器PT來針對l0kV系統的電流與電壓實施耦合降壓，那么可以有效的將l0kV電壓信號耦合為220V，相應的10板輸入信號，則可以運用系統電源模塊來進行輸入；再運用IO板上的CT與PT來有效的將電流與電壓進行耦合，并成為最終的弱電流，在通過信號調理電路了來進行信號的輸入。

2.3 時鐘模塊

在進行保護與監控智能電網的過程之中，要一一記錄發生故障的具體時間，并實施后臺監控，所以，在控制其系統之中，實時時鐘模擬的作用尤為關鍵。該系統將原先主控芯片所攜帶的RTC時鐘棄用，則選擇運用精度高以及能耗低的實時時鐘芯片PCF8563T來滿足該模塊。OSCO與OSCI則主要是振蕩器來進行管腳的輸入與輸出，系統主要運用的兩個15pF的電容形成時鐘源以及一個外接32.786K化的晶振。SDA與SCL分別是數據線管腳和PC時鐘線，外接5.1K上拉電阻。

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件總體設計

該系統的主要工作涵蓋：全方位實時化的來針對各項電力參數進行采集、更新與相應的處理，其可以進行判斷故障藏與寫具體的保護操作，上傳數據與遠程可控制等等。因為該次設計選用的是Cortex-M3輕量級內核，并且選用給操作系統的成本造價過大，所以，不能運用該嵌入式的操作系統，而是選擇運用在定時器基礎之上的前后臺的運行。系統之中主要是由一個化5ms的定時中斷以及一個10ms的主程序循環組建而成。其中前臺軟件則是針對異步事件通信與控制來實現的，且對于實時性方面的要求十分嚴格，利用定時來達到中斷，且不會和主程序的時間發生沖突；主程序循環，主要利用的是所調用接口函數并當做是后天軟件，利用標志位來進行技術，可以基本滿足那些針對時間不嚴格的操作系統。

3.2 ARM平臺上的軟件性能優化

（1）優化代碼層軟件，該控制器主要是建立在ARM平臺的基礎之上來予以開發，主控芯片則運用的是ARM Cortex-M3處理器LPC1778，在優化代碼層，實質上就是優化其自身的性能，也就是進行代碼執行速度的進一步優化。

（2）插入匯編代碼，在開發嵌入式軟件的過程之中，芯片可以直接性的執行匯編代碼，C/C++代碼需要經過相應的編譯器翻譯出來具體的匯編代碼，才可以進一步的執行芯片。但是翻譯出來的匯編代碼在執行水平之上和預期的有差距，在這種情況之下，就可以手動進行匯編代碼的優化。

（3）存儲器優化。一般情況之下，MCU的存儲器資源可以分成片外存儲器、片內RAM以及片內FLASH。片內FLASH主要是一類非易失性存儲器，主要特征表現在訪問的速度較為緩慢，所以僅適宜用來進行程序代碼的保存。在芯片進行通電之后，相應的程序代碼就被拷貝到片內RAM之中去，并予以執行。片內RAM則屬于易失性的存儲器，其自身的速度則控制在內核寄存器，容量則是在KB級別。

總之，目前，本文主要是建立在智能電網配電自動化的基礎之上，對于自動化水平較不高和10kV配電網發生故障的概率較大，設計并研究出來一類建立在ARM內核之上的智能分段開關控制器。該控制器不僅僅具備了繼電保護功能，還具備了優化處理電力參數以及判斷并定位處在故障的部位、遙信和諸多控制功能。因此，本文的研究也就顯得十分的有意義。

參考文獻：

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[2]陳亮，李紀鋒，劉佩顯，鄭玉惠.基于配電網線路的故障定位系統[J].農村電氣化，2013（04）：42-43.

作者簡介：郭志冬（1981-），男，河南焦作人，本科，中級工程師，研究方向：自動化控制，傳感檢測。