一種基于Cortex-M4處理器配電自動化DTU方案

鄒 浩,姚 舜,鞏方波

（1.國網山東省電力公司泰安供電公司運維檢修部,山東 泰安 271000;2.山東魯能智能技術有限公司,濟南 250101）

0 引言

從功能上來講，配電自動化產品設計分為兩大部分：保護測控部分和通信管理部分。保護測控部分完成模擬量信號計算、數字量信號采集、保護邏輯、配網控制邏輯的實現及動作出口等；通信管理部分實現人機接口，與主站（子站）或其他系統通信，高級應用及管理等功能。本設計采用保護測控部分和通信管理部分獨立設計的思路，即：保護測控部分1個CPU、通信管理部分1個CPU，兩個CPU之間通過CAN或其他串行方式進行通信，各板卡通過插板方式進行連接。

1 硬件設計

基于Cortex-M4的配電自動化DTU硬件系統主要由電源板，COM板，DSP板，AI板，DO板和DI板組成，硬件系統的整體組成如圖1所示。

1.1 DSP板電路設計

DSP板是本硬件系統的核心組成部分，完成了整個系統的模擬量信號計算、數字量信號采集、保護邏輯、配網控制邏輯的實現及動作出口,由于保護測控部分對數字信號處理能力要求相對較強，Cortex-M4系列高性能微控制器具有DSP和FPU指令，在高達180 MHz的工作頻率下通過閃存執行時其處理性能達到225 DMIPS/608 CoreMark,完全可以滿足200KSPS ADC的采樣和保護邏輯的處理要求。并且COTEX-M4處理器片內資源更豐富，通信接口更多，需要擴展的電路很少，大大降低了配網產品的整體成本；且其整體性能除數字信號處理能力外，全面超越DSP處理器。

模擬量采樣部分擬采用8通道DAS,內置16位、雙極性輸入、同步采樣200KSPS ADC進行模數轉換。同時，為了既能滿足電壓、電流同步采樣的需求，又能夠節約成本，多路模擬量采集采用多路模擬開關切換的方式來完成；這樣既能保證每一相電壓電流采樣點的相位同步，又節約了ADC器件降低了成本。

另外，本系統方案擴展了SDRAM，Nor Flash，Nand Flash，鐵電等外設接口，其中SDRAM用于擴展外部RAM，Nor Flash、Nand Flash和鐵電分別用來存儲用戶數據、設備參數及運行參數、SOE等。對外接口擴展出了2路CAN接口，一個以太網網口，B碼對時接口，2路RS485，2路RS232，直流模擬量輸入等接口，以上對外接口都通過隔離器件實現內外部的電氣隔離。

DSP板系統電路如圖2所示：

1.2 COM板電路設計

COM板通信管理部分，功能通用性較強，且其軟件開發是基于Linux操作系統的，更換板卡后軟件移植的工作量也很小。COM板對上通過以太網與上位機軟件或者服務器通信，對下通過CAN總線或者其他串行總線與DSP板通信。根據國網公司相關標準COM板擴展了2路以太網接口，2路RS485，2路RS232，B碼對時接口，并且預留了藍牙，Zigbee，LCD接口。其硬件系統如圖3所示。

1.3 開入板電路設計

開入板用于采集外部回路的開入信號，由于外部干擾的存在開入電路必須加入硬件防抖和軟件防抖。為了精確計算遙信發生時間開入板加入了秒脈沖對時，對時精度可以達到1ms。開入板通過CAN總線與DSP進行通信。開入板系統原理如下圖4所示：

1.4 開出板電路設計

開出板用于完成保護邏輯、配網控制邏輯的動作出口。由于開出板對外出口的對象是線路上的開關設備，因此必須保證開出板不能出現誤動，延遲動作。本系統方案實現了一種簡單可靠的防誤動方法，給出口繼電器增加一級預控繼電器；2個預控分/合繼電器分別控制遙控分和遙控合繼電器的電源輸入，其中預控分繼電器的常開節點與預控合的控制閉合節點相連，預控分繼電器的控制閉合節點與預控合繼電器的常開節點相連；這樣下發遙控分命令時由于遙控合繼電器沒有電源輸入只能實現遙控分繼電器動作，遙控合繼電器無法動作，從而避免了遙控分/合的誤動。實現原理如下圖5所示：

2 軟件設計

本系統的軟件包括三個部分：上位機軟件，COM板軟件和DSP板軟件。上位機軟件主要完成設備的管理和參數下發，COM板軟件完成上位機軟件/后臺服務器與DSP軟件之間的數據處理與轉發，DSP完成了整個系統的模擬量信號計算、數字量信號采集、保護邏輯、配網控制邏輯的實現及動作出口。

2.1 系統工作流程

上位機軟件/服務器將系統參數通過COM板下發至DSP板，DSP板根據設置的參數進行模擬量信號實時采集及計算，計算的結果作為邏輯保護和配網控制邏輯實現的依據；保護邏輯和配網控制邏輯的結果通過CAN總線下發至開出板進行動作出口。開入板將數字量信號采集的結果通過CAN總線上傳至DSP板，DSP板將生成的SOE保存在鐵電或者Nand Flash之中并通過COM板上傳至上位機軟件或者服務器。整個系統的通信鏈如圖6所示。

2.2 開入板基于計數器的時間戳軟件設計

根據國網公司相關文件的要求開入板采集變位遙信狀態的時間需要精確到毫秒，而一般的MCU或者外部日歷芯片都沒有毫秒單位。為了實現此功能而不增加硬件成本選擇更高級的單片機或者外部日歷芯片，本方案實現了一種低成本基于計數器的時間戳系統。單片機至少具有一個16位和32位計數器，16位計數器作為毫秒或者微秒計數器，滿1秒向32位計數器進一位（即32位計數器加1）32位計數器里存儲的為自2000年1月1日0時以來的秒數。系統啟動時DSP通過CAN網絡下發日歷時間，并通過秒脈沖校準16位定時器里面的計數值（接收到秒脈沖時計數清零）。通過32位和16位計數器的計數值就可以推算出日歷時間。

2.3 開出板防誤動的軟件設計

節點開出是保護邏輯和配網控制邏輯的輸出結果，節點開出直接影響外部開關的動作狀態，因此除了硬件防止誤動外本系統方案實現了一種防誤動軟件方案。下面以24點遙控進行說明，byte0～byte3的低6位表示1～24點各遙控變位，bit6作為bit0～bit5或結果的取反，即～(bit0 | bit 1 | bit2 | bit3 | bit4 | bit5)，bit7是bit6位的取反，即～bit6。byte4是byte0的取反，如果byte0為0xA3則byte4為0x5C。通過本校驗產生的有益效果是即對遙控變位進行了雙重校驗，又避免了出現傳輸0x00或者0xFF的數據，如表1所示。

表1

2.4 高效的功率矯正算法軟件設計

視在功率的向量表示 S = P + jQ （1），向量S在經過互感器后經過α角度便宜后的視在功率為S’ = P’ + jQ’ （2），根據歐拉公式 S = S’*ejα = (P’ + jQ’)*(cosα + jsinα) = (P’cosα - Q’sinα) +j(Q’cosα+ P’sinα) （3），根據（1）、（3）二式可知P = P’cosα - Q’sinα，Q = Q’cosα + P’sinα；由于α非常小，cos(α)近似為1，故P = P’ - Q’sinα（4），Q = Q’ + P’sinα （5）。由（5）式可知當輸入Q為零時測量出的sinα = - Q’/P’。經過本方法校準后的功率值精確度比根據電壓電流計算出相角差再進行功率矯正的方法要高，并且該方法大大減少了功率矯正的計算量，縮短了程序中斷的時間。

2.5 高可靠性的對時策略

針對設備所處的環境，本方案實現了以下對時方案：B碼對時，SNTP對時，104規約對時，CAN規約對時，秒脈沖對時。COM板對時優先級順序由高到低為B碼對時，SNTP對時，104規約對時；DSP板對時優先級順序由高到低為CAN協議對時，B碼對時；開入板通過CAN協議與秒脈沖協同對時。

系統對時方案如圖7所示。

3 結論

本設計方案嚴格遵守了國網公司相關標準，并已經通過國家電網實驗驗證中心的EMC試驗與型式試驗。本方案在設計中充分考慮了硬件的可擴展性可根據不同的項目實現國網公司標準中4U和6U的核心單元設計。目前各大電氣設備廠商相繼推出自己的DTU、FTU、TTU設備，本方案提供了一種低成本、高可靠性，高運行效率的設計思路，并且運行結果表明本配網自動化DTU產品的使用提高了配網產品的設計水平和實用化水平，有利的推動了配網自動化行業的發展。