LPC2292在微機保護裝置中的應用

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(zhù)煤炭生產(chǎn)機械化、自動(dòng)化程度的提高，供電容量的增大，對礦用隔爆型饋電開(kāi)關(guān)的可靠性和安全性要求越來(lái)越高。雖然傳統的電磁式繼電器在一定程度上也能夠滿(mǎn)足井下電網(wǎng)保護的需要，但是隨著(zhù)微處理器技術(shù)、信號處理算法以及人機接口等方面取得的重大進(jìn)步，使得將各種保護功能集成到一個(gè)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。

1 LPC2292處理器的主要特點(diǎn)
LPC2292是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)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(tài)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(shí)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(yè)控制：
◇外部8、16或32位總線(xiàn)；
◇片內B00t裝載程序實(shí)現ISP和IAP，為數據存儲和固件升級帶來(lái)了極大的靈活性；
◇2個(gè)互連的CAN接口，帶有先進(jìn)的驗收濾波器；
◇2個(gè)32位定時(shí)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗；
◇多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標準UART、高速I(mǎi)2C接口(400 kHz)和2個(gè)SPI接口；
◇向量中斷控制器，可配置優(yōu)先級和向量地址；
◇多達112個(gè)通用I／O口(可承受5V電壓)，12個(gè)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(guò)片內PLL可以實(shí)現最高為60 MHz的CPU工作頻率。

2 微機保護裝置的工作原理
基于LPC2292處理器的饋電開(kāi)關(guān)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(gè)相電流ia、ib和ic，線(xiàn)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(kāi)口三角形側獲取的零序電壓u0，以及實(shí)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(jīng)過(guò)小PT、小CT的變換和隔離，然后通過(guò)RC低通濾波器進(jìn)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(huì )產(chǎn)生混疊。采樣頻率越高，所需要的數據處理時(shí)間也就越長(cháng)。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(gè)點(diǎn)。
2.1 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(mǎn)足要求，因此選擇MAXl97作為A／D轉換器。MAXl97是Maxim公司生產(chǎn)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(gè)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(guò)程與此類(lèi)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=Nf也保持不變。當系統頻率發(fā)生微小的變化時(shí)，如果采樣頻率不進(jìn)行自適應調整，就會(huì )影響算法的精度。當然可以使用自適應采樣算法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但是這樣會(huì )增加CPU的開(kāi)銷(xiāo)和軟件復雜度。圖3為采用了以CD4046和MC1416l為核心的鎖相環(huán)電路。CD4046是一種低頻多功能數字鎖相環(huán)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(gè)基本單元組成。采用鎖相環(huán)技術(shù)可使采樣頻率與電網(wǎng)頻率嚴格保持同步，顯著(zhù)地提高了裝置的抗干擾能力。在本方案中，MCl4161對VCO的輸出進(jìn)行1／12分頻，因此當電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)，VCO的輸出VCOUT為600Hz，如果電網(wǎng)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(wǎng)的頻率發(fā)生變化，每周期采樣點(diǎn)的個(gè)數仍然保持不變。

2．2 通信電路
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(jìn)行信息傳輸。選用MAX487和MAX3232分別作為RS485和RS232總線(xiàn)的控制器。隨著(zhù)工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制應用中的普及，設計了以RTL8019AS為核心的以太網(wǎng)通信電路；同時(shí)也移植了TCP／IP協(xié)議棧uIP0，9。這樣，可以把整個(gè)設備看作是一個(gè)微型的Web服務(wù)器，屬于同一個(gè)局域網(wǎng)的計算機都可以方便地通過(guò)IE瀏覽器隨時(shí)查看設備的運行狀態(tài)。這樣做的好處是可以對設備進(jìn)行適時(shí)維修，有利于降低設備的維護成本。
2．3 時(shí)鐘和E2PROM電路
在電力系統微機保護中經(jīng)常需要保存一些整定值，并且要求能夠在運行時(shí)對這些值進(jìn)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(méi)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(xiàn)接口的CAT24WC16。時(shí)鐘芯片選用Phililps公司的工業(yè)級實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563。PCF8563具有功耗低、精度高的特點(diǎn)。CAT24WC16和PCF8563都掛接在系統的I2C總線(xiàn)上，如圖4所示。

3 軟件實(shí)現
軟件部分主要由主程序、采樣中斷服務(wù)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(gè)狀態(tài)量的顯示刷新。大部分的數據處理是在中斷服務(wù)程序中完成的，主要包括各個(gè)狀態(tài)量的計算，并將計算結果與整定值進(jìn)行比較，以判斷是否有故障發(fā)生。系統上電復位后，首先初始化各個(gè)片內和片外設備，對裝置進(jìn)行自檢，然后開(kāi)始采樣、計算和判斷。如果有故障發(fā)生，則轉去執行故障處理程序；否則，進(jìn)行狀態(tài)量的刷新顯示。程序流程如圖5所示。

4 小 結
本文介紹了以L(fǎng)PC2292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(shí)現。以它為核心構成的礦用隔爆型智能饋電開(kāi)關(guān)，適用于交流50 Hz、660／1140V的中性點(diǎn)不接地的三相電網(wǎng)中，既可以作為配電總開(kāi)關(guān)或分支開(kāi)關(guān)，也可以用來(lái)保護不頻繁啟動(dòng)的大容量電機?，F場(chǎng)運行表明，該裝置性能穩定，動(dòng)作可靠，具有良好的推廣應用價(jià)值。