一种低成本智能线路保测一体装置研制
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
江苏省送变电公司的研究人员徐军、周健、刘大伟，在2017年第7期《电气技术》杂志上撰文，详细分析了小区变和厂矿变等低电压等级对智能保测一体装置的应用需求，提出了一种基于K60和MQX实时操作系统的低成本智能保测一体装置实现方案。
该方案以高性价比的Cortex-M4内核芯片K60为核心，详细介绍了软硬件架构，并对其中的关键技术进行了总结和分析.通过实验测试,验证了该方案的可行性。
随着经济的不断发展，一方面促进了高层建筑不断涌现和居民生活水平不断提高，这使得小区变电站的作用日益重要，它的稳定运行是用户可靠用电的基本保障。另一方面，经济的发展也促进了厂矿规模的不断扩大，这对厂矿电力系统的稳定运行提出了更高的要求，若造成大面积停电，将对企业造成巨大损失。
在小区变或是厂矿电力系统中，保测一体装置是重要的组成部分，它的作用在于监测站内电压、电流和功率、温度等交直流数据，并及时发现故障、切除故障，以提高小区变和厂矿电力系统的稳定性和可靠性。但在小区变和厂矿电力系统中，保测一体装置的保护功能较为简单，对成本控制要求高，同时因为其应用场合的特殊性，装置的通信接口和协议也存在多样性[1]。
目前，国内的主流电力系统二次设备厂商在小区变和厂矿中使用的保测一体装置大都是其在中低压产品基础上稍加改动而成，这使得装置的逻辑功能过于复杂，同时软硬件成本较高。因为近年来，随着智能电网和智能变电站技术的不断发展，促进了变电站内电力系统二次设备性能和功能的大幅提升，其集成度越来越高，通信接口更为丰富[2][3]。
以保测一体装置为例，其多采用CPU+FPGA+DSP的硬件平台架构，或是采用基于多核处理器（如OMAPL138系列微处理器）的硬件平台，以满足变电站应用的灵活性和多样性[4][5][6]。
因此本文在梳理了小区变、厂矿变保测一体装置功能需求的基础上，研制了一种基于K60的低成本保测一体装置，它采用组态模块化思想设计，装置配置简单，软件设计灵活。
1.功能需求
1.1继电保护功能
小区变和厂矿变的继电保护功能有所区别，例如在厂矿变中，有非电量保护功能，如重瓦斯告警，但小区变则没有。为了兼顾这两种应用场合下的不同需求，本文研制的低成本线路保测一体装置保护功能按最大化配置设计，利用控制字实现投退，提高了装置的灵活性。具体的保护功能如下[7]。
（1）带反时限的过流保护功能：其中过流1 段和过流2 段固定为定时限保护；过流3 段可支持反时限。
（2）零序过流保护功能：主要用在接地系统、小电阻接地系统或在不接地系统中接地零序电流相对较大的情况下，可以采用零序过流保护作为接地保护。
（3）加速保护：支持过流加速保护和零序加速段保护。
（4）低压减载功能。
（6）重合闸功能。
（7）过负荷告警：当最大相电流大于过负荷告警电流定值，并达到过负荷时限时告警。
（8）PT断线告警。
（9）控回断线告警：控制回路断线检查延时1s后自动告警。
（10）非电量保护：装置具有非电量告警输入端口，当投入非电量保护功能控制字时，检测到输入信号有效，即启动告警。
1.2 测控功能
（1）交流量采集：交流量包括三相电压、零序电压、三相测量电流、零序电流、三相保护电流，同时可计算出频率、有功、无功、功率因素、线电压、线电流。
（2）开关量采集功能。
（3）遥控输出功能：可用于控制刀闸、断路器等开关器件。
2.硬件设计方案
装置硬件基于模块化设计思想，由电源板件（带遥控输出功能）、CPU板件、交流和开入开出板件、人机交互板件组成。硬件设计方案如图1所示。
图1 装置硬件设计架构
装置的核心是基于Cortex-M4内核的高性价比32位微处理器K60[8]。本文选取的微处理器为最高主频可达150MHz的K60芯片，且内部含有硬件浮点处理单元。
该芯片片上集成了多种外设，资源丰富，其片内含有2MB的Flash和256KB的SRAM，具有2路独立的带有可编程增益放大器的16位ADC；2路CAN通信控制；6路RS232串口控制器；1路带有IEEE1588功能的10/100M以太网控制器；最多可达192个通用输入输出接口；6通道片外数据总线，可支持访问最高32位数据宽度的SRAM，Norflash，Nandflash等外设。
为满足小区变和厂矿低压保测一体装置低成本的需求，因此需尽量减少外部芯片的使用，尤其是价格较为昂贵的AD采集芯片，因此本文中，电压和电流等交流量用K60自带的片内16位AD实现，以达到节省成本的目的。装置的遥信开入和开出均由K60自带的通用输入输出接口实现。
由于保测一体装置需要保存变位报告、装置自检报告、装置故障报告和故障录波文件，因此文中选用了4GB字节的大容量Nandflash芯片K9LBG08U0M，K60通过FlexBus总线接口实现对其读写访问，提高了装置的存储能力。
除此之外，K60通过FlexBus总线还扩展了2M字节的SRAM。在装置的通信接口上，装置提供了1路CAN总线接口、两路RS485总线接口和1个10/100Mb以太网通信接口。
综上所述，32位微处理器K60芯片片上资源丰富，基于K60的硬件设计方案可大大减少外围芯片的使用，减少了装置硬件设计的复杂性，降低了成本，可完全满足适用于小区变和厂矿变的低成本低压保测一体装置的应用。
3.软件设计方案
3.1 软件架构设计
在小区变和厂矿变的应用场合中，其一个重要的特点就是用户的需求多变，每个用户和工程现场的需求都有可能不同，因此为适应不同现场的需求，一方面装置软件模块按照最大化功能实现，另一方面装置软件基于组态模块化思想设计，可提高装置的灵活性，其软件架构如图2所示。
图2 装置软件架构
硬件驱动层实现了底层驱动功能，并对操作系统的访问接口进行统一封装，实现硬件驱动对不同操作系统差异性隔离。操作系统层基于嵌入式实时操作系统MQX实现[9]。
MQX 实时操作系统可用于单处理器、多处理器和分布式处理器等形式的嵌入式实时系统，它的主要特点是：可裁剪大小、面向组件和便于使用。MQX是一个全功能的实时操作系统内核，支持堆栈监测、任务状态打印等可选服务，但这些组件可以根据需要进行裁剪，以避免不使用的功能增加存储器占用，尽量减少RAM和ROM的使用，使得其更适用于嵌入式的应用场合。
MQX支持多任务调度，可支持实时、基于优先级的抢占式多线程技术。在MQX中，多个硬件驱动公用一份硬件宏定义表，同时共用一份底层硬件接口函数，提高了代码重用的概率。
MQX支持消息通信机制，可用于实现不同任务之间共享数据。平台管理层的作用在与它封装了业务层对不同操作系统的访问接口，屏蔽了操作系统对上层应用程序的接口访问差异。
业务层是应用层，它实现了装置的各项功能，根据前文所梳理的装置功能需求，大致上将软件功能模块划分为测控业务模块、保护功能业务模块、通信业务模块。
3.2 功能模块设计
低成本保测一体装置的核心功能是实现继电保护逻辑和测量功能。图3描述了测量模块的基本架构。
图3 测量算法的实现原理
由图3可知，装置基于同步跟频采样实现AD采样，并输出32点采样数据，经FFT计算后，可得到最高15次谐波的值。同时根据相角差计算的频率调整硬件采样中断，实现跟频采样。
由于为了兼容小区变和厂矿变的保护需求，装置采用了最大化原则实现了保护逻辑，每种保护逻辑的具体实现方式不同，但本文将其按照模块化设计，提高了程序的可扩展性和可移植性。本文以三段过流保护为例，描述了其基本的实现流程，如图4所示。
图4 三段过流保护模块的基本结构
4.关键技术分析
4.1 软件抗干扰处理
适用于小区变和厂矿变的低压保测一体装置通常需要在强电磁环境下长期连续工作，受到的干扰比较严重，因此在运行维护中也迎来了新的问题。在某些恶劣情况下，数据采集的误差有可能导致整个保护功能的失败。
因此常采用硬件抗干扰技术来减小或消除影响，硬件抗干扰理论和实践都比较成熟[10][11]，通过接地处理，屏蔽和隔离、滤波、去耦、旁路等方法能够有效地抑制和消除大部分干扰。但硬件抗干扰措施无论怎么完善，均无法彻底消除干扰。
因此，在本文在软件中通过如下三个进一步提高了装置的抗干扰能力：一方面，使能K60处理器的内部开门狗，防止装置因为电磁环境恶劣而出现程序跑飞的现象；其次：在平台管理层中加入了任务守护进程，监测是否有系统任务长时间挂起或者因为堆栈溢出而运行异常；最后，通过对原始采样值进行有限长单位冲击响应（FIR）数字滤波器，滤除了超过1KHz以上的高频干扰信号。
4.2 基于DMA的AD采样实现
由于MQX是抢占式实时操作系统，高优先级的任务可以随时抢占低优先级的任务。MQX的任务切换由高优先级中断实现，因此若采用定时中断进行AD采集，则有可能被MQX的任务切换中断打断，造成采样偏移，影响交流采样的结果。
为避免这一情况的发生，本文使能了AD采样数据的DMA传输功能，AD采样的数据由DMA直接存储于K60的内部SRAM中，同时在程序中建立了环形缓冲区，将采样完成的数据存在该缓冲区中，并建立一个定时中断，该中断的优先级高于其他用户定义的中断优先级，在该定时中断中读取AD缓存数据。
5.实验数据
本文研制的低成本低压保测一体装置在设计开发过程中做了各项测试、验证、改进，通过了电力系统权威验证机构的测试，表一是测控部分的测试验证结果，其中所使用PT的额定相电压为57.735V，CT的额定电流为1A或者5A。
表1 低成本低压保测一体装置部分测试结果
6.结语
电子计算机技术的发展推动了电力系统二次设备的技术革新，微处理器的功能日益强大，为电力系统二次设备的研制提供了更优的方案。本文研制的基于K60的低成本低压线路保测一体装置可适用于小区变和厂矿变等应用场合，它基于模块化和组态思想设计，最大化的利用了K60的片内资源完成了装置的继电保护和测控功能，降低了硬件成本，减轻了软件二次开发的负担，为低压保测一体装置提供了一个切实可行的实现方案。
附件1:装置正面图片
附件2:装置背面图片