摘 要： 针对电力线路保护系统存在的可扩展性差和开发成本高的问题，探讨了一种集保护、控制和远程监控于一体的微机保护及变压器的经济运行控制系统。基于MCF5282微处理器设计了一个110 kV线路的微机保护系统, 讨论了嵌入式硬件平台构架、相关功能模块和软件系统的改进设计，并对信号采集、数据处理、变压器经济运行原理及设备自投的实现等问题进行了研究。
关键词： 嵌入式系统平台; 线路微机保护系统; 软件系统; 数据处理; 经济运行控制
衡量电力系统的性能有许多指标，其中任何一项指标超过容许的上下限都可能造成难以估量的损失。电压是衡量电能质量的重要指标之一，现以电压指标为例说明电力系统保护的重要性。不论电压过高或过低，只要超过一定的限度，就会给电力系统和国民经济造成严重的损失。例如使发电机、变压器等重要设备的有效出力和容量减小；使电动机因电压过低电流过大引起温度升高而烧毁，或因电压过高使绝缘降低寿命缩短，照明设备损坏等。然而，由于负荷的变化、电压的偏移和波动是经常发生的，为此在电力系统运行调度中必须采取积极的措施维持供电电压在容许范围内，即在额定值附近变动。电力系统的运行电压水平取决于系统无功功率的平衡，无功功率的不足将引起系统电压的下降，极端情况下可导致某些枢纽变电站母线电压大幅度下降，使电压低于临界电压而发生电网崩溃的现象。同样，过剩的无功功率会使电压超上限运行，从而危害设备的安全运行并降低设备的使用寿命。另外，系统无功功率的分布是否合理还直接关系到电力企业自身的经济效益。如果大量的无功功率在电网中流动，不仅要消耗有功功率，占用输电线路和设备的容量，而且会使线路电压降增大、线路损耗增加、供电的经济性降低。总而言之，维持电网正常运行情况下无功功率的平衡与合理分布，不仅是改善和提高电压质量的基本条件，同时也是保证电力系统安全、可靠、经济运行的重要措施。我国继电保护技术的发展大致经历了从电磁型、晶体管型、集成电路型到微机型保护系统等四个阶段。随着微计算机技术和通信技术以及各种新方法和新理论在继电保护中的广泛应用，微机保护技术正在向着网络化、综合自动化和智能化的方向发展[1-2]。本文探讨一种基于MCF5282微处理器的电力线路微机保护系统的设计。
1 硬件工作平台与模块设计
1．1 硬件平台工作原理
微机保护综合自动化系统的硬件平台如图1所示。整个系统分为变换器电路、开关量输入电路、开关量输出电路、CPU主机系统和人机监控电路等五个部分[3-4]。模拟量变换模块的功能是实现直流、交流强电与系统主模块的电隔离，并使模拟输出电平与主模块中的采样及A/D转换的电平相一致；开关量输入电路用于将各种外部开关的状态(灭磁开关状态、各种隔离开关状态、断路器状态、分合闸回路状态、弹簧操作机构储能状态、副边控制开关状态等)经光电隔离器输入到微处理器中；主模块中的微处理器启动软件程序、计算各电流电压的大小以及监视各种开关量的状态，经计算处理后输出开关量保护信号去驱动继电器动作；微处理器与人机监控电路通过通信将各种数据和继电器动作参数送LCD显示，通过键盘可以查看各种数据和修改预设定值，并可与上位机通信。
1．2 模块电路设计
1.2.1主模块硬件的工作原理
主模块负责对输入的交流信号进行A/D采样，通过对采样信号和开关量输入信号的计算和分析，发出各种跳合闸命令，并通过RS-485与上位机进行通信，主模块的硬件结构如图2所示。
主模块的核心采用Freescale公司的ColdFire系列微处理芯片MCF5282。MCF5282是一款32位的基于ColdFire V2内核的RISC微处理器芯片，其总线频率为66 MHz。片内具有2 KB可配置的Cache（指令Cache或数据Cache）、64 KB的静态随机访问存储器（SRAM）、512 KB的Flash。
1.2.2 复位和BDM调试接口模块电路
由于微处理芯片MCF5282的运行速度极高并且在低电压下工作，因此，对电源的稳定性及电源监控的可靠性提出了更高的要求。一般简单的RC复位电路难以保证在任何情况下都能进行可靠复位，所以在设计中选用了体积小、成本低的电源电压监控器IMP811S，它可保证系统在上电、低电压和手动复位时都能使系统可靠地复位。PC机通过BDM将各种命令发送到处理器，以便访问存储器和寄存器，把代码下载到RAM或Flash中进行调试。
1.2.3 A/D采样模块电路
由于设计的系统有16路模拟信号输入，并且对采样的分辨率要求都很高，而MCF5282片内的8路10位队列ADC无论在输入通道路数还是数据精度上都不能满足实际要求，因此选择MAXIM公司的16选1模拟多路开关MAX306和AD公司的16位分辨率的模数转换器AD976来构成A/D采样电路。MAX306是MAXIM公司的一款单片集成CMOS多路转换器，通道间阻抗小于5 Ω，开关转换时间小于250 ns，完全可以满足系统设计的多路转换要求。AD976具有16位的分辨率，采样速率高达100kb/s。它采用电荷重分布技术的逐次逼近型模数转换器，由内部的电容模块进行高速采样，因此不用外加采样保持器，从而简化了外围电路的设计。A/D采样模块的电路图如3所示。
1.2.4 通信模块电路
系统设计中采用RS-485通信方式，利用MCF5282的通用异步/同步收发器（UART）、485的收发器MAX485和光隔器件HCPLD6001一起共同构成RS-485的通信电路，以实现与上位机或其他系统装置的信息交换。此外，使用一片隔离稳压芯片IB0505LS以确保主模块的电源与外部的485电源实现隔离。通信模块的电路图如图4所示。
1.2.5 时钟和E2PROM模块电路
I2C接口器件具有连接线路少、功耗低的特点， 特别适合于PCB板的布线。设计中选用具有I2C接口的时钟芯片PCF8563和存储器芯片24LC256，它们都连接在MCF5282的I2C总线上。时钟芯片为MCF5282提供稳定的时钟信号，在主模块断电的情况下可通过电池提供的电源使其产生时钟信号。存储芯片的作用是存放软件运行时所需要的某些参数，例如变压器运行的时间和电压电流的某些设定值等。
1.2.6 开关量输入/输出模块电路
本系统设计为24路开关量输入信号，如果全部接到MCF5282的I/O口上，就需要24路的I/O端口，这样将占用大量的CPU资源。为此，设计中采用3片8位总线发送/接收器74HC245，将24路开关量输入信号分为3组，分别接在3片74HC245的输入端，74HC245输出端接在8路I/O端口上，另用3路I/O口线作为片选控制信号，分别控制3片74HC245的片选。这样可用11路I/O口实现24路开关量信号的输入，既节省了MCF5282的系统资源，又简化了PCB布线。开关量输出共有20路，由CPU送出的跳合闸信号先通过74LVXC3245进行电平转换，再经过达林顿管芯片ULN2004AN进行驱动，控制开关量输出模块中的继电器。这样设计的优点在于它可实现CPU与外部开关量输出模块的两级隔离，提高了装置的可靠性。
1.2.7 人机交互模块
人机交互模块中的显示界面采用深圳彩晶公司的CM320240-2图形点阵液晶显示模块，其分辨率为320×240，内置SED1335控制器，采用LED背光，具有体积小、功耗低的特点。此外，还设计有4个LED指示灯，6个按键。人机交互模块用于显示电力系统运行状态的参数（如三相电压、电流等），设置某些定值参数（如变压器参数、各判据参数、密码修改等）和运行方式。人机交互模块与主模块上的人机交互接口MCF5282的I/O口相连，可充分利用MCF5282的系统资源。
2 嵌入式系统软件开发平台
在电力保护系统中，对于母线保护、线路保护、发电机保护和变压器保护等，一般高端用户采用的多是基于MCF5282等32位高性能微处理器，采用ColdFire V2可变长RISC处理器核心技术，其处理速度快，运算能力强，内部的SIM单元有丰富的外围器件接口，从而简化了控制器外围电路设计。因此，嵌入式网络控制器选用MCF5282作为系统的微处理器，对工业现场和网络测控的应用独具优势。但遗憾的是一般用户都用汇编或C语言开发系统，所开发的系统由于缺乏底层功能调用接口，系统开发量大，开发周期长，成本高。若采用嵌入式系统开发平台μClinux就可以较好地解决上述问题[5]，但μClinux 内核只有750KB左右，不可能固化在MCF5282的512KB Flash内，若能在不影响系统使用功能的前提下将其裁剪到约300KB左右，再加上200KB左右的控制算法代码，就有可能将μClinux嵌入到MCF5282的512KB Flash内， 这样就可以充分利用μClinux系统的强大功能和可移植性好的优势，方便快速地开发出高性能的新系统。μClinux是Linux的嵌入式系统版本，其显著的特征是无需要硬件MMU的支持， 特别适合于那些没有MMU处理器的应用。μCLinux可移植性强，它可移植到68K、ColdFire、Power PC、ARM等多种处微控制器中，并且其内核可以定制、修改，重编译后可适合于各种特定的嵌入式应用场合，其在稳定性、强大的网络功能和出色的文件系统支持等方面又继承了Linux操作系统的主要优点[6-7]。因此μCLinux在MCF5282系统中的应用领域中受到了广泛的关注。某电站继电保护系统改造后的系统框图如图5所示。其中，外扩Flash用于保存不同用户通过人机操作界面产生的操作记录以及系统产生的报警和提示信息等，各种采集信息、操作记录和系统参数，都可通过Ethernet或CAN总线与主机系统进行交互。简化后的μClinux系统提供了对A/D采集、滤波、用户操作、记录保存、Ethernet和CAN传输等操作的多进程管理，以及对调度、通信的支持和对多种文件系统操作的支持。
3 程序开发相关问题
μClinux简化属于高层次的软件设计和开发，一般不用考虑底层硬件的实现细节，先在一个提供源码级调试的软件仿真器上进行开发。由于市场上暂时还没有MCF5282的软件仿真器，采用MCF5206的ColdFire Emulator0.3.1软件仿真器替代进行近似仿真，在保证基本功能不变的情况下精简μCLinux，其大小可控制在250 KB左右。裁剪完毕后，利用MCF5282EVB开发板，加进板级开发包和硬件驱动程序，进行硬件移植调试，经过反复调试修改，再与其他控制程序进行整合，使整个系统可嵌入到512KB的Flash内。实验表明，改进后的系统运行效果良好。由于内核中没有相关的驱动程序支持，所以在系统中要开发A/D转换的驱动程序和LCD显示模块的驱动程序，然后定义file_operations结构，再用register_chrdev( )和register_blkdev( )函数在操作系统中将设备注册，即向μClinux管理的设备链表中加入一个节点。使用request_irq( )函数注册中断向量，实际上就是向内核注册一个设备文件(主设备号/次设备号)及其一系列标准操作接口。将简化的μClinux写入512 KB Flash内，增加了系统的可移植性,易于扩展，提高了后续应用程序开发的效率。但由于简化的μClinux对原系统的某些功能作了裁剪、删除，在一定程度上可能影响μClinux系统原有的可扩展性和移植性，因为从本质上看，文中提出的只是一个折衷方案，但相对于原系统从硬件底层到应用层的全过程开发，大大地提高了效率。因此在具体实施中，应根据实际情况修改μClinux内核，只有这样才能整合出满足用户需要的应用系统，这里提供的只是一种解决问题的思路。
4 变压器经济运行及备自投的实现
变电站的主接线方式如图6所示，高压侧和低压侧均为母线分段情况，I1、I2分别为1号变压器、2号变压器低压侧电流，UH1、UH2为高压侧母线电压，UL1、UL2为低压侧母线电压，1DL、2DL、3DL和4DL为母联开关。在两台变压器运行情况下，要实现经济运行可以这样来考虑：若两台变压器同时运行的时间T分别大于各自稳定运行设置时间T1、T2，两台变压器处于运行状态，且总运行电流I小于各自经济运行电流Ie1、Ie2，则哪一台变压器的运行电流小就切除哪一台变压器，以保证两台变压器可以交替工作运行，这样可以使变压器的寿命大致平衡。在只有一台变压器运行的情况下，另一台变压器则处于可投入状态，当已投入运行的变压器电流大于经济运行电流时，如果待投入变压器的高压母线电压UH正常，就可将待投入的变压器投入实际运行；如果已投入变压器产生故障，当待投入变压器高压母线电压正常并且没有闭锁信号时，就可以将待投入的变压器投入运行。经济运行控制软件系统的核心程序由初始化程序和主程序组成, 初始化程序要实现的功能是：完成对数据区基址、中断矢量、I/O口和定时器等的初始化，系统时钟的设置，数据区的数据清零，开放中断运行程序等。主程序由A/D采样、经济运行及备自投控制、人机交互等几个子程序构成。其经济运行电流
IN、P0和Pk分别为变压器的额定电流、空载损耗和短路损耗。
针对变电站继电保护系统与变压器经济运行控制及备自投实现中存在的系统成本高和可靠性低的问题，设计出了一种基于嵌入式系统的软、硬件系统运行控制平台，其优点在于可降低系统开发成本和缩短开发周期，布局比较合理，安全可靠性高。该系统投入试运行的初步运行效果良好，对改善继电保护系统性能与电网的经济运行、节约能源、提高电网经济效益和供电可靠性有显著的改进，有比较高的工程实用价值，对变电站的技术改造也是一种可选择的参考方案。
参考文献
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