LPC2292在微机保护装置中的应用

引 言
    微机继电保护在我国的电力系统中得到了广泛的应用，基于不同微处理器的保护装置不断出现。煤矿井下大多采用功能单一的电磁型继电器。随着煤炭生产机械化、自动化程度的提高，供电容量的增大，对矿用隔爆型馈电开关的可靠性和安全性要求越来越高。虽然传统的电磁式继电器在一定程度上也能够满足井下电网保护的需要，但是随着微处理器技术、信号处理算法以及人机接口等方面取得的重大进步，使得将各种保护功能集成到一个数字式的继电保护单元成为可能。这种由数字式的继电保护单元组成的微机保护装置具有参数测量、事件报告、故障数据记录以及自检等功能。

1 LPC2292处理器的主要特点
    LPC2292是基于一个支持实时仿真和跟踪的16／32位ARM7TDMI-S IP核的微控制器，片内集成了256 KB的高速F1ash存储器和16 KB的静态RAM。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最高时钟速率下运行。此外，LPC2292处理器还具有很多其他特性，使得它非常适用于工业控制：
    ◇外部8、16或32位总线；
    ◇片内B00t装载程序实现ISP和IAP，为数据存储和固件升级带来了极大的灵活性；
    ◇2个互连的CAN接口，带有先进的验收滤波器；
    ◇2个32位定时器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)、实时时钟和看门狗；
    ◇多个串行接口，包括2个16C550工业标准UART、高速I2C接口(400 kHz)和2个SPI接口；
    ◇向量中断控制器，可配置优先级和向量地址；
    ◇多达112个通用I／O口(可承受5V电压)，12个独立外部中断引脚(EIN和CAP功能)；
    ◇空闲和掉电2种低功耗模式；
    ◇通过片内PLL可以实现最高为60 MHz的CPU工作频率。

2 微机保护装置的工作原理
    基于LPC2292处理器的馈电开关智能保护测控装置的总框图如图l所示。它主要由信号采集电路、A／D转换电路、输入输出通道和通信电路等组成。

    系统的输入信号包括3个相电流ia、ib和ic，线电压uac，从零序电流互感器二次绕组引出的零序电流i0，从零序电压互感器开口三角形侧获取的零序电压u0，以及实现附加直流漏电保护检测的直流检测电压um。输入电压、电流信号首先经过小PT、小CT的变换和隔离，然后通过RC低通滤波器进行滤波，以消除信号中的高次谐波分量和噪声，最后送到A／D转换器转换为处理器可以处理的数字信号。根据香农采样定理，采样频率应该高于信号中最高频率分量的两倍，否则会产生混叠。采样频率越高，所需要的数据处理时间也就越长。为了在这两者之间取得平衡，本装置选取的采样频率为600 Hz，即每周期采样12个点。
2.1 信号采集及处理电路
    由于LPC2292处理器内部集成了8路10位逐次逼近式模／数转换器，但是它的测量范围只有O～3V，远不能满足要求，因此选择MAXl97作为A／D转换器。MAXl97是Maxim公司生产的模／数转换器，分辨率为12位，最高采样速率可达100 ksps，具有8个模拟量输入通道，输入范围最高町以达到±10V。图2以零序电流信号为例给出了信号采集与处理电路的原理图。其他通道的信号处理过程与此类似。

    在大多数的微机保护算法中，往往假定系统频率f保持不变，这样采样频率fs=N·f也保持不变。当系统频率发生微小的变化时，如果采样频率不进行自适应调整，就会影响算法的精度。当然可以使用自适应采样算法来解决这个问题，但是这样会增加CPU的开销和软件复杂度。图3为采用了以CD4046和MC1416l为核心的锁相环电路。CD4046是一种低频多功能数字锁相环集成电路，最高工作频率为1MHz。它主要由相位比较器PD、压控振荡器VCO和低通滤波器LPF三个基本单元组成。采用锁相环技术可使采样频率与电网频率严格保持同步，显著地提高了装置的抗干扰能力。在本方案中，MCl4161对VCO的输出进行1／12分频，因此当电网频率为50Hz时，VCO的输出VCOUT为600Hz，如果电网频率升高3％，从50Hz升至5l.5Hz，则VCO的输出频率也从600Hz升至618Hz。这样即使电网的频率发生变化，每周期采样点的个数仍然保持不变。

2．2 通信电路
    在LPC2292处理器强大的支持下，扩展各种通信接口非常方便。在本方案中，设计了RS485和RS232接口与上位机系统进行信息传输。选用MAX487和MAX3232分别作为RS485和RS232总线的控制器。随着工业以太网在工业控制应用中的普及，设计了以RTL8019AS为核心的以太网通信电路；同时也移植了TCP／IP协议栈uIP0，9。这样，可以把整个设备看作是一个微型的Web服务器，属于同一个局域网的计算机都可以方便地通过IE浏览器随时查看设备的运行状态。这样做的好处是可以对设备进行适时维修，有利于降低设备的维护成本。
2．3 时钟和E2PROM电路
    在电力系统微机保护中经常需要保存一些整定值，并且要求能够在运行时对这些值进行整定。通常的做法是把这些整定值保存在E2PROM中，但是由于LPC2292处理器内部没有集成E2PROM，因此必须扩展一片存储器芯片。这里采用的是I2C总线接口的CAT24WC16。时钟芯片选用Phililps公司的工业级实时时钟芯片PCF8563。PCF8563具有功耗低、精度高的特点。CAT24WC16和PCF8563都挂接在系统的I2C总线上，如图4所示。

3 软件实现
    软件部分主要由主程序、采样中断服务程序和故障处理程序组成。主程序主要负责系统的上电自检和各个状态量的显示刷新。大部分的数据处理是在中断服务程序中完成的，主要包括各个状态量的计算，并将计算结果与整定值进行比较，以判断是否有故障发生。系统上电复位后，首先初始化各个片内和片外设备，对装置进行自检，然后开始采样、计算和判断。如果有故障发生，则转去执行故障处理程序；否则，进行状态量的刷新显示。程序流程如图5所示。

4 小 结
    本文介绍了以LPC2292处理器为核心的嵌入式微机保护装置的硬件电路和软件实现。以它为核心构成的矿用隔爆型智能馈电开关，适用于交流50 Hz、660／1140V的中性点不接地的三相电网中，既可以作为配电总开关或分支开关，也可以用来保护不频繁启动的大容量电机。现场运行表明，该装置性能稳定，动作可靠，具有良好的推广应用价值。