基于ARM的智能分段开关控制器分析与设计

摘 要：现如今，在智能电网逐步发展的形势下，国家对于电能的生产与输配的经济性以及安全可靠性也均提出了更为严格的要求。配电网是在整个输电系统的终端，其下接诸多电力用户，同时也是限制电力系统自身性能的关键所在。在这之中，10kV配电网因为其自身环境繁杂、设备数量大、覆盖范围广以及线路长等等特征，智能化的程度不够，那么针对其实施自动化化建设十分的有必要。鉴于此，本文主要分析基于ARM的智能分段开关控制器分析与设计。

关键词：ARM；智能分段开关控制器；设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.149

1 系统原理与架构

在一般情况之下，对于电力系统而言，常见的智能保护保护主要有两类，分别是远程控制和就地控制。在这之中，远程控制可以很好的针对控制站进行集中式管理，达到遥控、遥信以及遥测等等作用，方便快捷，但是针对通讯系统的依赖性相对较为严格，自身的安全稳定性和就地控制相比相差甚远；就地控制，对于远程通讯的依赖性不高，主要运用的运用断路器和故障识别等等设备，来达到就地识别与故障的隔离。

智能分段开关，其实质上是安装在10kV配电网的母线之上，可以针对故障进行实时、全方位的检测，利用控制器控制开关本体的粉盒间，及时的将存在故障的线路切断，达到电力系统继电保护，从根本之上来加大供电的安全可靠性。其可以有效的针对线路进行零序保护、电流速断保护与实时过流保护，可以及时的将存在故障的线路隔离。在发生过流故障的现象之下，还可以针对控制开关实施三次重合间的操作密室，加大供电的安全可靠性。

及时将存在故障的线路隔离开来。在发生过流故障的现象之下，还可以实现控制开关来实施三次重合间操作，从根本之上来进一步的加大供电的安全可靠性。控制器利用光纤通信和GPRS网络、中屯控制和进行通信，在进行上传的过程之中，进行实时的电路数据与故障信息，并进行相应的故障分段定位，另外，利用手持无线终端与PC机来实施近距离实施就地控制，并将有效的融合就地控制与远程控制。

2 系统硬件设计

为了确保智能分段开关来及时的将隔离故障线路的功能可以实现，难么相应的就得要确保变电站和馈线分支的安全可靠运行，开关不仅仅要达到灵敏性、速动性、选择性与可靠性等等继电保护的标准才得以实现，另外还得要确保系统的经济性与安全可靠性。

该控制器运用的是MCU+ASIC結构，运用电力参数来进行集成芯片的测量工作，并实施相应的数据采集与基础处理，运用MCU来得到芯片内部寄存器的数据，并针对其进行相应的处理。依据系统的实际需求来进行分析和整个结构实施细化设计，硬件系统主要是由人机交互模块、开入开出模块、时钟模块、通信模块、采样模块、电源模块以及主控模块等等构建而成。其中，主控芯片LPC1778主要利用的是SPI总线和采样芯片ADE7878进行有效的衔接，在借助I/O口来输入输出开关量，利用5路UART和RS232/RS485串口、以太网模块、ZigBee模块以及GPRS模块来进行有效的连接，利用I2C来及时的获取到相应的始终信号，另外还得要设置EEPROM存储模块来进行开关设定信息的存储。那么系统硬件总体设计如图1：

2.1 主控模板

嵌入式系统的关键就在于主控抵片，针对整个控制器的性能与成本方面的影响较大，依据以上硬件整体结构来进行分析，主控芯片的功能要和以下的要求基本一致：

（1）处理故障的时间要合理的控制在50m/s之内。在这之中，分段开关的响应时间基本在35ms左右，主控芯片在进行故障诊断的时候，输出相应信号的时间则在15m/s左右。主控芯片则需要在整个阶段之中来实现电压与电流等等各项电力参与的搜集和计算，其具备着相对较高的处理速度。

（2）最少要拥有一个I2C接口。主控芯片主要利用的PC总线和时钟模拟来进行有效的实时通讯。

（3）最少要拥有一个SPI接口。主控芯片主要运用的是SPI总线和采样模块来完成通讯，SPI可以有效的获取到其中的每一个电力参数。

（4）最少要拥有五个UART接口。主控芯片要利用UART分别和RS485和RS232接口模块、无线通信模块、以太网接口模块、GPRS模块来实现串行数据通讯。

（5）要具备充分的I/O端口。主控芯片利用I/O端口控制，并且还得要及时的获取到外部开关的状态。

（6）具备充分的PROM存储器来进行部分固定信息的储存。

（7）要有IAP、ISP模式，来达到远程下载代码。根据上述各项分析得知，可以优先选择的主控芯片是来自NXP公司的LPC1778芯片。

2.2 采样模块

针对系统故障实施分析的根本前提就是电力参数的测量与采集。该系统主要是利用的电力参数主要有A、B、C相电压与A、B、C、N相电流。在该次设计之中，运用分段开关内置的电流互感器CT与电压互感器PT来针对l0kV系统的电流与电压实施耦合降压，那么可以有效的将l0kV电压信号耦合为220V，相应的10板输入信号，则可以运用系统电源模块来进行输入；再运用IO板上的CT与PT来有效的将电流与电压进行耦合，并成为最终的弱电流，在通过信号调理电路了来进行信号的输入。

2.3 时钟模块

在进行保护与监控智能电网的过程之中，要一一记录发生故障的具体时间，并实施后台监控，所以，在控制其系统之中，实时时钟模拟的作用尤为关键。该系统将原先主控芯片所携带的RTC时钟弃用，则选择运用精度高以及能耗低的实时时钟芯片PCF8563T来满足该模块。OSCO与OSCI则主要是振荡器来进行管脚的输入与输出，系统主要运用的两个15pF的电容形成时钟源以及一个外接32.786K化的晶振。SDA与SCL分别是数据线管脚和PC时钟线，外接5.1K上拉电阻。

3 系统软件设计

3.1 系统软件总体设计

该系统的主要工作涵盖：全方位实时化的来针对各项电力参数进行采集、更新與相应的处理，其可以进行判断故障藏与写具体的保护操作，上传数据与远程可控制等等。因为该次设计选用的是Cortex-M3轻量级内核，并且选用给操作系统的成本造价过大，所以，不能运用该嵌入式的操作系统，而是选择运用在定时器基础之上的前后台的运行。系统之中主要是由一个化5ms的定时中断以及一个10ms的主程序循环组建而成。其中前台软件则是针对异步事件通信与控制来实现的，且对于实时性方面的要求十分严格，利用定时来达到中断，且不会和主程序的时间发生冲突；主程序循环，主要利用的是所调用接口函数并当做是后天软件，利用标志位来进行技术，可以基本满足那些针对时间不严格的操作系统。

3.2 ARM平台上的软件性能优化

（1）优化代码层软件，该控制器主要是建立在ARM平台的基础之上来予以开发，主控芯片则运用的是ARM Cortex-M3处理器LPC1778，在优化代码层，实质上就是优化其自身的性能，也就是进行代码执行速度的进一步优化。

（2）插入汇编代码，在开发嵌入式软件的过程之中，芯片可以直接性的执行汇编代码，C/C++代码需要经过相应的编译器翻译出来具体的汇编代码，才可以进一步的执行芯片。但是翻译出来的汇编代码在执行水平之上和预期的有差距，在这种情况之下，就可以手动进行汇编代码的优化。

（3）存储器优化。一般情况之下，MCU的存储器资源可以分成片外存储器、片内RAM以及片内FLASH。片内FLASH主要是一类非易失性存储器，主要特征表现在访问的速度较为缓慢，所以仅适宜用来进行程序代码的保存。在芯片进行通电之后，相应的程序代码就被拷贝到片内RAM之中去，并予以执行。片内RAM则属于易失性的存储器，其自身的速度则控制在内核寄存器，容量则是在KB级别。

总之，目前，本文主要是建立在智能电网配电自动化的基础之上，对于自动化水平较不高和10kV配电网发生故障的概率较大，设计并研究出来一类建立在ARM内核之上的智能分段开关控制器。该控制器不仅仅具备了继电保护功能，还具备了优化处理电力参数以及判断并定位处在故障的部位、遥信和诸多控制功能。因此，本文的研究也就显得十分的有意义。

参考文献：

[1]阮锡江.农网10kV配电线路分段开关级差保护与智能优化[J].农村电气化，2016（06）：41-42.

[2]陈亮，李纪锋，刘佩显，郑玉惠.基于配电网线路的故障定位系统[J].农村电气化，2013（04）：42-43.

作者简介：郭志冬（1981-），男，河南焦作人，本科，中级工程师，研究方向：自动化控制，传感检测。