基于DSP+ARM实时操作系统下线路保护研究

徐明虎,陈斯斯,韩成尉,崔奇明

(1.国网辽宁省电力有限公司技能培训中心，辽宁 锦州 121000；2. 国网辽宁省电力有限公司检修分公司, 辽宁 沈阳 110003;3. 国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114007)



基于DSP+ARM实时操作系统下线路保护研究

徐明虎1,陈斯斯2,韩成尉3,崔奇明3

(1.国网辽宁省电力有限公司技能培训中心，辽宁 锦州 121000；2. 国网辽宁省电力有限公司检修分公司, 辽宁 沈阳 110003;3. 国网鞍山供电公司，辽宁 鞍山 114007)

为解决传统微机保护不能满足现代智能电网稳定运行的要求，开发设计一套基于DSP与ARM双处理器的微机继电保护装置，并将μC/OS-Ⅱ实时操作系统移植到ARM芯片上。测试结果表明：该硬件平台系统的性能完全满足现代电网的发展需求。

DSP;ARM;μC/OS-Ⅱ;线路保护

随着智能电网的建设发展，对电力系统运行的稳定性与安全性提出了更高、更严格的要求。为此，对电力系统微机保护装置在硬件和软件上也提出了越来越高的要求。不仅要求微机保护装置完成保护功能，而且需要微机保护系统具有很强的实时性、可靠性、扩展性，更强的网络通信能力及强大的人机交互功能。因此，研究新型的微机继电保护装置应用于现代电网势在必行。

本文在分析了传统微机继电保护的不足与微机保护的发展趋势基础上，开发一套基于DSP与ARM双处理器的微机继电保护装置，并将μC/OS-Ⅱ实时操作系统成功移植到ARM芯片上。集保护、控制、测量、遥信等自动化功能于一体，既满足了电力系统继电保护装置 “四性”[1]的要求，又满足了智能变电站中实时多任务的要求。

1 线路微机保护装置的硬件设计

1.1 硬件方案选择

传统微机保护大多采用单CPU结构，该系统无论是TA采集的电流模拟信号、TV采集的电压模拟信号、AD信号的转换及数字信号的处理运算，还是人机接口的数据交换等功能都需要单个CPU完成。考虑到智能电网建设对微机继电保护系统的性能提出更高要求，本文研究设计的微机继电保护系统的硬件平台采用双CPU结构。一种采用TI公司生产的具有强大数字信号处理能力和运算能力的DSP芯片TMS320C5402，它能够很好地满足微机保护中运算量大和采样精度高的要求，从而满足现代电网中数据处理的快速性和实时性。另一种采用ATMEL公司生产的具有丰富接口与超强控制能力的ARM处理器AT91RM9200，它为实时嵌入式操作系统(RTOS)的移植提供了平台[2]。

1.2 硬件设计框架

本文设计的微机继电保护装置的硬件平台采用模块化设计，根据每一模块完成的功能和作用，将线路微机保护装置主要分为DSP+ARM构成的CPU、获得模拟信号、数字信号的数据采集、完成开关量输出的控制、方便人工操作的人机接口、电源、完成内外信息传递的通信接口等几个模块组成[3]。

线路继电保护的整体框架如图1所示。其工作原理：当线路发生故障时，TA和TV采集线路的故障电流、故障电压，然后经滤波、隔离装置，再将故障信号传给AD转换模块，DSP根据接收的转换结果，进行相应的数据运算处理。DSP根据保护定值和保护判据对故障类型做出判断，并发出保护指令，由控制模块输出至执行器件(继电器)[4]，完成对线路的保护。同时，DSP还将运算结果以及保护动作的信息通过双口RAM模块发送到ARM系统，ARM系统接收到相关保护动作信息后，通过控制模块给人机接口模块发送相应指令，使其将动作信息等进行显示、录波，并通过通信模块向上位机发送故障信息和处理结果。

图1 微机继电保护的整体框架

2 线路保护软件系统设计方案

微机保护中采用RTOS管理软件，不仅可以同时运行多个应用软件，还为微机保护软件开发提供便利，在缩短开发周期的同时也提高了开发效率[5]。例如：将一个复杂的应用程序分解成多个不同的简单小任务。只要能合理地划分每个任务，保护装置中所有任务模块的调试、修改几乎不影响其他模块的正常运行。RTOS的运行使得保护装置中应用程序的设计和修改变得容易，若要增加新的保护功能，只需增加新的功能小程序模块就能解决，不需要对整个程序进行大范围调整。由于将保护的应用程序分割成若干独立的任务，所以大大缩短了RTOS应用程序的设计、开发周期[6]。程序开发人员只需了解自己涉及到的模块，而不需要对保护装置所有运行程序的编写过程、原理都了解，最终简化了复杂系统。不仅提高了软件维护和升级的效率，也加快了软件的开发速度。

为了满足微机保护可靠、及时等特性，装置对运行软件的实时性提出了很高的要求。利用RTOS为平台设计的实时程序完全可以实现程序的实时性。基于RTOS软件平台的微机保护不仅保证了系统对实时性的要求，同时RTOS为所有对时间要求苛刻的事件提供了尽可能快捷、有效的处理渠道[7]。通过有效的系统服务，RTOS使资源得到更好的利用。RTOS的微机保护程序机制如图2所示。

图2 微机保护整体程序机制

3 系统应用

该装置强大的网络通信及数据处理能力，丰富的网络接口，符合智能变电站统一硬件平台的设计思想，能够满足各种微机保护装置产品开发。为检验该装置的可行性及各方面的运行指标，现以保护装置的实际运行状况及现场经验加以说明。

3.1 交流采样数据分析

对于整个微机保护系统来说，数据采集最为重要，只有准确地完成被测对象电量参数的采样，才能保证微机保护系统做出正确的逻辑判断。采样值与示波器数据采样的结果比较见表1。

表1 示波器测量值与采样结果比较

保护试验前，为了验证保护装置是否正常运行，除了保护装置自检外，还可以给保护装置加入电压、电流量，验证保护装置的采样值是否精确。加入保护设备的电压、电流模拟采样值与保护试验测试仪的输入值之间的比较结果见表2。

表2 电压电流实际值和测量值比较

由表2结果看出，本系统对电压电流有效值及由此推算出来的有功功率、无功功率、功率因数均具有较好的精度。

3.2 线路距离保护试验数据

为验证该装置采样模块的精确度与稳定性以及CPU运算的正确性，在试验中只投入距离保护压板来验证该保护装置的动作灵敏性与准确性。试验中，整定距离Ⅰ段的动作定值为7 Ω，故障时间设定为0.1 s，装置中设定的故障类型为A相接地故障，短路的方向是正方向，其他故障设置参数如图3所示。该试验的动作情况如图4所示。

图3 线路保护距离Ⅰ段故障设置

保护装置测量到故障量后，4 ms时启动保护装置，17 ms时距离保护Ⅰ段动作。由于本次试验的故障类型为单相接地故障，并且故障时间设定为0.1 s，所以属于瞬时性故障，重合闸装置应当启动，通过动作报告可以看出在129 ms时重合闸启动。同样，在1 129 ms时重合闸出口。通过与现场距离保护动作的试验报告单对比，试验数据完全符合现场实际运行的线路需求[8-9]。

图4 线路保护距离Ⅰ段动作报告

4 结束语

随着智能变电站大范围运行应用，要求保护测控装置以网络的方式进行信息交换，并要求保护测控装置具有较强网络通信处理能力及运算处理能力。本文提出的新型硬件平台系统既可以充分利用DSP强大的数据处理特性，又发挥了ARM系列处理器通信处理能力强的特点，两者结合不仅提高嵌入式硬件平台的运算能力，而且解决了智能变电站嵌入式装置网络通信瓶颈的问题。

[1] Jean.J.Labrosse．嵌入式实时操作系统 μC/OS-Ⅱ(第二版)[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2003.

[2] 田 密.RTOS在电力自动化设备中的应用研究[D].北京：华北电力大学，2003.

[3] 陈德树.计算机继电保护原理与技术[M].北京:水利电力出版社，1992.

[4] 田国政，余 英，段小华．多 CPU 单片机系统在继电保护装置中的应用[J]．微型机与应用，2001，20(10)：27-29.

[5] 刘 强．微机保护装置中央处理器的选择探讨[J]．江西电力职业技术学院学报，2003, 16(3):20-21.

[6] 易永辉,李瑞生,张克元，等．DSP及其在继电保护上的应用[J]．继电器，1999，27(4)：48-50.

[7] 田国政，潭 伟．微机保护装置的发展[J]．电网技术，2006，30(10)：58-61.

[8] 樊江涛, 陈剑云, 韦宝泉. ARM处理器+DSP构架的微机馈线保护装置的研制[J]. 电力系统自动化，2005，29(2)：77-80．

[9] 窦晓波,徐 科，胡敏强，等.基于ARM处理器的低压微机保护装置[J]．电力系统自动化，2005,29(20)：93-96.

Line-Protection Research Based on DSP and ARM Under Real-time Operating System

XU Minghu1，CHEN Sisi2，HAN Chengwei3，CUI Qiming3

(1. State Grid Liaoning Electric Power Co.，Ltd.，skills training center,Jinzhou，Liaoning 121000，China;2. State Grid Liaoning Maintenance Company, Shenyang,Liaoning 110003,China;3. State Grid Anshan Power Supply Company，Anshan，Liaoning 114007，China)

The paper designs the microcomputer protection based DSP and ARM.It solves the requirement which traditional microcomputer protection can’t satisfy the stable operation of the modern intelligent power grid. In this system the operating system μ C/OS-II is transplanted on ARM successfully. Taking the line-protection for example, test results show that the hardware platform performance can satisfy the needs of practical engineering in the power system.

DSP;ARM;μC/OS-Ⅱ;line-protectio

TM773

A

1004-7913(2017)06-0022-03

徐明虎(1984)，男，硕士，讲师，从事继电保护专职培训工作。

2017-02-19)