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1引 言 微機繼電保護在我國的電力系統中得到了廣泛的應用，基于不同微處理器的保護裝置不斷出現。煤礦井下大多采用功能單一的電磁型繼電器。隨著煤炭生產機械化、自動化程度的提高，供電容量的增大，對礦用隔爆型饋電開關的可靠性和安全性要求越來越高。雖然傳統的電磁式繼電器在一定程度上也能夠滿足井下電網保護的需要，但是隨著微處理器技術、信號處理算法以及人機接口等方面取得的重大進步，使得將各種保護功能集成到一個數字式的繼電保護單元成為可能。這種由數字式的繼電保護單元組成的微機保護裝置具有參數測量、事件報告、故障數據記錄以及自檢等功能。 2 LPC2292處理器的主要特點 LPC2292是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S IP核的微控制器，片內集成了256 KB的高速F1ash存儲器和16 KB的靜態RAM。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最高時鐘速率下運行。此外，LPC2292處理器還具有很多其他特性，使得它非常適用于工業控制： ◇外部8、16或32位總線； ◇片內B00t裝載程序實現ISP和IAP，為數據存儲和固件升級帶來了極大的靈活性； ◇2個互連的CAN接口，帶有先進的驗收濾波器； ◇2個32位定時器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)、實時時鐘和看門狗； ◇多個串行接口，包括2個16C550工業標準UART、高速I2C接口(400 kHz)和2個SPI接口； ◇向量中斷控制器，可配置優先級和向量地址； ◇多達112個通用I／O口(可承受5V電壓)，12個獨立外部中斷引腳(EIN和CAP功能)； ◇空閑和掉電2種低功耗模式； ◇通過片內PLL可以實現最高為60 MHz的CPU工作頻率。 3 微機保護裝置的工作原理 基于LPC2292處理器的饋電開關智能保護測控裝置的總框圖如圖l所示。它主要由信號采集電路、A／D轉換電路、輸入輸出通道和通信電路等組成。 系統的輸入信號包括3個相電流ia、ib和ic，線電壓uac，從零序電流互感器二次繞組引出的零序電流i0，從零序電壓互感器開口三角形側獲取的零序電壓u0，以及實現附加直流漏電保護檢測的直流檢測電壓um。輸入電壓、電流信號首先經過小PT、小CT的變換和隔離，然后通過RC低通濾波器進行濾波，以消除信號中的高次諧波分量和噪聲，最后送到A／D轉換器轉換為處理器可以處理的數字信號。根據香農采樣定理，采樣頻率應該高于信號中最高頻率分量的兩倍，否則會產生混疊。采樣頻率越高，所需要的數據處理時間也就越長。為了在這兩者之間取得平衡，本裝置選取的采樣頻率為600 Hz，即每周期采樣12個點。 3.1 信號采集及處理電路 由于LPC2292處理器內部集成了8路10位逐次逼近式模／數轉換器，但是它的測量范圍只有O～3V，遠不能滿足要求，因此選擇MAXl97作為A／D轉換器。MAXl97是Maxim公司生產的模／數轉換器，分辨率為12位，最高采樣速率可達100 ksps，具有8個模擬量輸入通道，輸入范圍最高町以達到±10V。圖2以零序電流信號為例給出了信號采集與處理電路的原理圖。其他通道的信號處理過程與此類似。 在大多數的微機保護算法中，往往假定系統頻率f保持不變，這樣采樣頻率fs=N·f也保持不變。當系統頻率發生微小的變化時，如果采樣頻率不進行自適應調整，就會影響算法的精度。當然可以使用自適應采樣算法來解決這個問題，但是這樣會增加CPU的開銷和軟件復雜度。圖3為采用了以CD4046和MC1416l為核心的鎖相環電路。CD4046是一種低頻多功能數字鎖相環集成電路，最高工作頻率為1MHz。它主要由相位比較器PD、壓控振蕩器VCO和低通濾波器LPF三個基本單元組成。采用鎖相環技術可使采樣頻率與電網頻率嚴格保持同步，顯著地提高了裝置的抗干擾能力。在本方案中，MCl4161對VCO的輸出進行1／12分頻，因此當電網頻率為50Hz時，VCO的輸出VCOUT為600Hz，如果電網頻率升高3％，從50Hz升至5l.5Hz，則VCO的輸出頻率也從600Hz升至618Hz。這樣即使電網的頻率發生變化，每周期采樣點的個數仍然保持不變。 在LPC2292處理器強大的支持下，擴展各種通信接口非常方便。在本方案中，設計了RS485和RS232接口與上位機系統進行信息傳輸。選用MAX487和MAX3232分別作為RS485和RS232總線的控制器。隨著工業以太網在工業控制應用中的普及，設計了以RTL8019AS為核心的以太網通信電路；同時也移植了TCP／IP協議棧uIP0，9。這樣，可以把整個設備看作是一個微型的Web服務器，屬于同一個局域網的計算機都可以方便地通過IE瀏覽器隨時查看設備的運行狀態。這樣做的好處是可以對設備進行適時維修，有利于降低設備的維護成本。 3．3 時鐘和E2PROM電路 在電力系統微機保護中經常需要保存一些整定值，并且要求能夠在運行時對這些值進行整定。通常的做法是把這些整定值保存在E2PROM中，但是由于LPC2292處理器內部沒有集成E2PROM，因此必須擴展一片存儲器芯片。這里采用的是I2C總線接口的CAT24WC16。時鐘芯片選用Phililps公司的工業級實時時鐘芯片PCF8563。PCF8563具有功耗低、精度高的特點。CAT24WC16和PCF8563都掛接在系統的I2C總線上，如圖4所示。 4 軟件實現 軟件部分主要由主程序、采樣中斷服務程序和故障處理程序組成。主程序主要負責系統的上電自檢和各個狀態量的顯示刷新。大部分的數據處理是在中斷服務程序中完成的，主要包括各個狀態量的計算，并將計算結果與整定值進行比較，以判斷是否有故障發生。系統上電復位后，首先初始化各個片內和片外設備，對裝置進行自檢，然后開始采樣、計算和判斷。如果有故障發生，則轉去執行故障處理程序；否則，進行狀態量的刷新顯示。程序流程如圖5所示。 5 小 結 本文介紹了以LPC2292處理器為核心的嵌入式微機保護裝置的硬件電路和軟件實現。以它為核心構成的礦用隔爆型智能饋電開關，適用于交流50 Hz、660／1140V的中性點不接地的三相電網中，既可以作為配電總開關或分支開關，也可以用來保護不頻繁啟動的大容量電機。現場運行表明，該裝置性能穩定，動作可靠，具有良好的推廣應用價值。 |
