LPC2292在微機保護裝置中的應(yīng)用

引 言
微機繼電保護在我國的電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，基于不同微處理器的保護裝置不斷出現(xiàn)。煤礦井下大多采用功能單一的電磁型繼電器。隨著煤炭生產(chǎn)機械化、自動化程度的提高，供電容量的增大，對礦用隔爆型饋電開關(guān)的可靠性和安全性要求越來越高。雖然傳統(tǒng)的電磁式繼電器在一定程度上也能夠滿足井下電網(wǎng)保護的需要，但是隨著微處理器技術(shù)、信號處理算法以及人機接口等方面取得的重大進步，使得將各種保護功能集成到一個數(shù)字式的繼電保護單元成為可能。這種由數(shù)字式的繼電保護單元組成的微機保護裝置具有參數(shù)測量、事件報告、故障數(shù)據(jù)記錄以及自檢等功能。

1 LPC2292處理器的主要特點
LPC2292是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S IP核的微控制器，片內(nèi)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(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最高時鐘速率下運行。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；
◇片內(nèi)B00t裝載程序?qū)崿F(xiàn)ISP和IAP，為數(shù)據(jù)存儲和固件升級帶來了極大的靈活性；
◇2個互連的CAN接口，帶有先進的驗收濾波器；
◇2個32位定時器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)、實時時鐘和看門狗；
◇多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標準UART、高速I2C接口(400 kHz)和2個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個通用I／O口(可承受5V電壓)，12個獨立外部中斷引腳(EIN和CAP功能)；
◇空閑和掉電2種低功耗模式；
◇通過片內(nèi)PLL可以實現(xiàn)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(zhuǎn)換電路、輸入輸出通道和通信電路等組成。

系統(tǒng)的輸入信號包括3個相電流ia、ib和ic，線電壓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口三角形側(cè)獲取的零序電壓u0，以及實現(xiàn)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)過小PT、小CT的變換和隔離，然后通過RC低通濾波器進行濾波，以消除信號中的高次諧波分量和噪聲，最后送到A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為處理器可以處理的數(shù)字信號。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率應(yīng)該高于信號中最高頻率分量的兩倍，否則會產(chǎn)生混疊。采樣頻率越高，所需要的數(shù)據(jù)處理時間也就越長。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個點。
2.1 信號采集及處理電路
由于LPC2292處理器內(nèi)部集成了8路10位逐次逼近式模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，但是它的測量范圍只有O～3V，遠不能滿足要求，因此選擇MAXl97作為A／D轉(zhuǎn)換器。MAXl97是Maxim公司生產(chǎn)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，分辨率為12位，最高采樣速率可達100 ksps，具有8個模擬量輸入通道，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程與此類似。

在大多數(shù)的微機保護算法中，往往假定系統(tǒng)頻率f保持不變，這樣采樣頻率fs=Nf也保持不變。當系統(tǒng)頻率發(fā)生微小的變化時，如果采樣頻率不進行自適應(yīng)調(diào)整，就會影響算法的精度。當然可以使用自適應(yīng)采樣算法來解決這個問題，但是這樣會增加CPU的開銷和軟件復(fù)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(shù)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，顯著地提高了裝置的抗干擾能力。在本方案中，MCl4161對VCO的輸出進行1／12分頻，因此當電網(wǎng)頻率為50Hz時，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，每周期采樣點的個數(shù)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(shè)計了RS485和RS232接口與上位機系統(tǒng)進行信息傳輸。選用MAX487和MAX3232分別作為RS485和RS232總線的控制器。隨著工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制應(yīng)用中的普及，設(shè)計了以RTL8019AS為核心的以太網(wǎng)通信電路；同時也移植了TCP／IP協(xié)議棧uIP0，9。這樣，可以把整個設(shè)備看作是一個微型的Web服務(wù)器，屬于同一個局域網(wǎng)的計算機都可以方便地通過IE瀏覽器隨時查看設(shè)備的運行狀態(tài)。這樣做的好處是可以對設(shè)備進行適時維修，有利于降低設(shè)備的維護成本。
2．3 時鐘和E2PROM電路
在電力系統(tǒng)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對這些值進行整定。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(nèi)部沒有集成E2PROM，因此必須擴展一片存儲器芯片。這里采用的是I2C總線接口的CAT24WC16。時鐘芯片選用Phililps公司的工業(yè)級實時時鐘芯片PCF8563。PCF8563具有功耗低、精度高的特點。CAT24WC16和PCF8563都掛接在系統(tǒng)的I2C總線上，如圖4所示。

3 軟件實現(xiàn)
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(tǒng)的上電自檢和各個狀態(tài)量的顯示刷新。大部分的數(shù)據(jù)處理是在中斷服務(wù)程序中完成的，主要包括各個狀態(tài)量的計算，并將計算結(jié)果與整定值進行比較，以判斷是否有故障發(fā)生。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先初始化各個片內(nèi)和片外設(shè)備，對裝置進行自檢，然后開始采樣、計算和判斷。如果有故障發(fā)生，則轉(zhuǎn)去執(zhí)行故障處理程序；否則，進行狀態(tài)量的刷新顯示。程序流程如圖5所示。

4 小 結(jié)
本文介紹了以LPC2292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現(xiàn)。以它為核心構(gòu)成的礦用隔爆型智能饋電開關(guān)，適用于交流50 Hz、660／1140V的中性點不接地的三相電網(wǎng)中，既可以作為配電總開關(guān)或分支開關(guān)，也可以用來保護不頻繁啟動的大容量電機?，F(xiàn)場運行表明，該裝置性能穩(wěn)定，動作可靠，具有良好的推廣應(yīng)用價值。