基于嵌入式技術的微機繼電保護應用探究

劉洋+張海濤+胡欣然

摘 要：隨著我國經濟發展水平的不斷提高，電力技術不斷進步與發展，本文將基于ARM9與uC/OS-II微機繼電保護系統設計方案，將AT91RM9200芯片作為核心構成，對構成的高速保護裝置進行分析，使用嵌入式操作系統uC/OS-II更好的完成復雜的繼電保護。結果表明，基于ARM9與uC/OS-II系統硬件結構及軟件流程可使設計系統運行更加穩定。

關鍵詞：嵌入式技術；微機繼電保護；應用研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.134

0 引言

隨著電力系統設計日漸復雜化，繼電保護有了更高要求與標準。當前，由高性能單片機與數字信號處理器構成繼電保護系統處理器，提高處理器性能通過數字信號處理器與高性能單片機實現，但是，隨著繼電保護日漸智能化與多功能化、可視化及網絡化，傳統邏輯器件PLD與DSP已經不能達到網絡化發展要求。為此，需要對新的微機保護裝置進行設計，使用更高性能的處理器。ARM性價比高且功耗小，在嵌入領域應用日漸廣泛。uC/OS-II是一種優越性能的嵌入式操作系統，將兩者結合可以為繼電保護軟件提供統一開發平臺。

1 微處理器與嵌入式操作系統選擇

1.1 微處理器

采用AT91RM9200作為微處理器，完整片上系統集中了ARM/Thumb指令，可以在150MHz頻率下高速運算，速度可達到200MIPS，將外設與標準接口充分集成。處理器上有一個SRAM工作區域及可以低延遲總線接口，可以對同步DRAM與突發訪問模式的靜態存儲器同時控制；提供了Flash接口，USB2.0接口高度集成，同時集成了媒體訪問控制器，使外部器件應用種類得以擴展，更好的對網絡層進行開發。

1.2 嵌入操作系統

使用uC/OS-II的嵌入式操作系統，在1990年推出，經RTCADO-178B標準化認證，安全性與穩定性高。uC/OS-II編寫應用到了C語言，大部分代碼均使用C語言編寫完成，僅有一小部分由處理器匯編語言編寫完成，可以對編寫內容適當修改然后將其移植到前入睡處理器中，構成一個完整繼電保護裝置及軟件開發平臺。

2 保護裝置硬件系統設計

應用主模板內的AT91RM9200運行片內保護軟件可以采樣并對數值更好的計算與處理，確保整個系統運行更加穩定。一旦出現故障，處理器會發出跳閘動作信息，從而使系統得到保護[1-2]。與此同時，不同通信方式可以將保護動作信息傳輸到上位機中，實現對數據的記錄與報警。采用模塊化設計的硬件系統，包括電流互感器/電壓互感器、A/D 轉換單元、開出/開入單元、存儲單員等模塊。

2.1 A/D轉換單元

微機保護關鍵功能為A/D轉換單元，將AD7329作為采樣芯片，是一種低功耗、雙極化的芯片，輸入電壓可以達到±10V，帶符號位為12bit，可以使輸入噪聲降低，同時交流阻抗與直流阻抗較高[3]。

2.2 存儲器單元

該系統應用到了SDRAM，容量較大，32位高速數據總線由32MB構成，作用是對程序代碼與各種數據進行存放，固話操作系統與應用程序代碼使用到了32MB的NOR FLASH，還可以對操作過程中的事件信息與錄波數據進行固化，保護定值則采用32KB的E2PROM。

2.3 通信單元

鑒于電力系統大數據與實施數據傳輸需求較高，按照AT91RM9200微處理器的性能，對CAN與光纖、RS232/485、USB進行設計，其中，CAN控制器應用到的技術規范為CAN總線V2.0A，1Mb/s的通信速率[4]，MCP2510為SPI接口。因為較遠的光纖傳輸距離、寬頻、小發射天線、良好的保密性與抗電磁干擾等優勢，可以將光纖與以太網充分結合起來，將兩者的優勢充分發揮，可以進一步將系統安全性與穩定性提高。

3 軟件系統設計

3.1 傳統前后臺系統與實時多任務系統對比

3.1.1 前后臺系統

應用后臺運行的程序，可以無限循環，循環中應用到固定函數支持，以完成此次操作，將這一過程稱為后臺行為或者任務級；隨機事件處理為中斷，將其稱之為前臺行為或者中斷級。

3.1.2 實時多任務系統

多與復雜的實時系統來說，僅依靠簡單的后臺主控程序軟件不能準確、可靠的完成操作任務，不相關的過程使用同一個計算機處理，需要應用多個實時任務系統。在應用日漸多樣與復雜化下，單個嵌入控制系統不能同時對多個外設進行監控，響應要求較為嚴格，處理任務多，不同任務間傳遞需要依靠多種信息，這就出現以下幾方面問題：處理時間長、中斷未能及時得到響應；系統多各種可能出現的情況進行考慮，進而將軟件可靠性降低。為了使系統操作復雜性降低，加強系統維護非常重要。

3.2 uC/OS-11性能分析及其在AT90RM9200中移植

3.2.1 uC/OS-11性能

基于“可剝奪”的優先級內核，可以使內核調度更為方便、簡單，進而延遲uC/OS-11調度的時間短，可以達到應用標準與要求。切換上下文時間上，uC/OS-11有著單獨堆棧，從而使切換也變得更加簡單、容易，只需要10條CPU指令就能完成整個切換，可以表現其很小的延遲性。

3.2.2 實現uC/OS-11在AT91RM9200中的移植過程

uC/OS-11有固定的移植條件，即，堆棧這一處理器，包括CPU的內部出棧指令與入棧寄存器等指令。內嵌匯編應用到C編譯器，也可以使用C語言進行擴張，與匯編模塊進行連接，均可以在C語言程序中實現關中斷或者開中斷。

4 結束語

隨著ARM處理器應用日漸廣泛，該技術也在不斷發展與進步當中，而嵌入式的實時操作系統應用在微機保護中，可以實現對復雜系統的保護，進而得到用戶認可，建議推廣。

參考文獻：

[1]鄒托武.基于DSP的微機繼電保護測試儀的研究與設計[D].華中科技大學，2010.

[2]王群.微機保護實驗系統的一種新型繼電保護測試裝置研究[D].湖南大學，2012.

[3]李雙全.微機繼電保護技術的研究及其在遷鋼公司電網中的應用[D].東北大學，2005.

[4]左楊.基于嵌入式系統的智能柱上開關繼電保護模塊的設計[D].廈門理工學院，2015.