基于嵌入式技术的微机继电保护应用探究

刘洋+张海涛+胡欣然

摘 要：随着我国经济发展水平的不断提高，电力技术不断进步与发展，本文将基于ARM9与uC/OS-II微机继电保护系统设计方案，将AT91RM9200芯片作为核心构成，对构成的高速保护装置进行分析，使用嵌入式操作系统uC/OS-II更好的完成复杂的继电保护。结果表明，基于ARM9与uC/OS-II系统硬件结构及软件流程可使设计系统运行更加稳定。

关键词：嵌入式技术；微机继电保护；应用研究

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.05.134

0 引言

随着电力系统设计日渐复杂化，继电保护有了更高要求与标准。当前，由高性能单片机与数字信号处理器构成继电保护系统处理器，提高处理器性能通过数字信号处理器与高性能单片机实现，但是，随着继电保护日渐智能化与多功能化、可视化及网络化，传统逻辑器件PLD与DSP已经不能达到网络化发展要求。为此，需要对新的微机保护装置进行设计，使用更高性能的处理器。ARM性价比高且功耗小，在嵌入领域应用日渐广泛。uC/OS-II是一种优越性能的嵌入式操作系统，将两者结合可以为继电保护软件提供统一开发平台。

1 微处理器与嵌入式操作系统选择

1.1 微处理器

采用AT91RM9200作为微处理器，完整片上系统集中了ARM/Thumb指令，可以在150MHz频率下高速运算，速度可达到200MIPS，将外设与标准接口充分集成。处理器上有一个SRAM工作区域及可以低延迟總线接口，可以对同步DRAM与突发访问模式的静态存储器同时控制；提供了Flash接口，USB2.0接口高度集成，同时集成了媒体访问控制器，使外部器件应用种类得以扩展，更好的对网络层进行开发。

1.2 嵌入操作系统

使用uC/OS-II的嵌入式操作系统，在1990年推出，经RTCADO-178B标准化认证，安全性与稳定性高。uC/OS-II编写应用到了C语言，大部分代码均使用C语言编写完成，仅有一小部分由处理器汇编语言编写完成，可以对编写内容适当修改然后将其移植到前入睡处理器中，构成一个完整继电保护装置及软件开发平台。

2 保护装置硬件系统设计

应用主模板内的AT91RM9200运行片内保护软件可以采样并对数值更好的计算与处理，确保整个系统运行更加稳定。一旦出现故障，处理器会发出跳闸动作信息，从而使系统得到保护[1-2]。与此同时，不同通信方式可以将保护动作信息传输到上位机中，实现对数据的记录与报警。采用模块化设计的硬件系统，包括电流互感器/电压互感器、A/D 转换单元、开出/开入单元、存储单员等模块。

2.1 A/D转换单元

微机保护关键功能为A/D转换单元，将AD7329作为采样芯片，是一种低功耗、双极化的芯片，输入电压可以达到±10V，带符号位为12bit，可以使输入噪声降低，同时交流阻抗与直流阻抗较高[3]。

2.2 存储器单元

该系统应用到了SDRAM，容量较大，32位高速数据总线由32MB构成，作用是对程序代码与各种数据进行存放，固话操作系统与应用程序代码使用到了32MB的NOR FLASH，还可以对操作过程中的事件信息与录波数据进行固化，保护定值则采用32KB的E2PROM。

2.3 通信单元

鉴于电力系统大数据与实施数据传输需求较高，按照AT91RM9200微处理器的性能，对CAN与光纤、RS232/485、USB进行设计，其中，CAN控制器应用到的技术规范为CAN总线V2.0A，1Mb/s的通信速率[4]，MCP2510为SPI接口。因为较远的光纤传输距离、宽频、小发射天线、良好的保密性与抗电磁干扰等优势，可以将光纤与以太网充分结合起来，将两者的优势充分发挥，可以进一步将系统安全性与稳定性提高。

3 软件系统设计

3.1 传统前后台系统与实时多任务系统对比

3.1.1 前后台系统

应用后台运行的程序，可以无限循环，循环中应用到固定函数支持，以完成此次操作，将这一过程称为后台行为或者任务级；随机事件处理为中断，将其称之为前台行为或者中断级。

3.1.2 实时多任务系统

多与复杂的实时系统来说，仅依靠简单的后台主控程序软件不能准确、可靠的完成操作任务，不相关的过程使用同一个计算机处理，需要应用多个实时任务系统。在应用日渐多样与复杂化下，单个嵌入控制系统不能同时对多个外设进行监控，响应要求较为严格，处理任务多，不同任务间传递需要依靠多种信息，这就出现以下几方面问题：处理时间长、中断未能及时得到响应；系统多各种可能出现的情况进行考虑，进而将软件可靠性降低。为了使系统操作复杂性降低，加强系统维护非常重要。

3.2 uC/OS-11性能分析及其在AT90RM9200中移植

3.2.1 uC/OS-11性能

基于“可剥夺”的优先级内核，可以使内核调度更为方便、简单，进而延迟uC/OS-11调度的时间短，可以达到应用标准与要求。切换上下文时间上，uC/OS-11有着单独堆栈，从而使切换也变得更加简单、容易，只需要10条CPU指令就能完成整个切换，可以表现其很小的延迟性。

3.2.2 实现uC/OS-11在AT91RM9200中的移植过程

uC/OS-11有固定的移植条件，即，堆栈这一处理器，包括CPU的内部出栈指令与入栈寄存器等指令。内嵌汇编应用到C编译器，也可以使用C语言进行扩张，与汇编模块进行连接，均可以在C语言程序中实现关中断或者开中断。

4 结束语

随着ARM处理器应用日渐广泛，该技术也在不断发展与进步当中，而嵌入式的实时操作系统应用在微机保护中，可以实现对复杂系统的保护，进而得到用户认可，建议推广。

参考文献：

[1]邹托武.基于DSP的微机继电保护测试仪的研究与设计[D].华中科技大学，2010.

[2]王群.微机保护实验系统的一种新型继电保护测试装置研究[D].湖南大学，2012.

[3]李双全.微机继电保护技术的研究及其在迁钢公司电网中的应用[D].东北大学，2005.

[4]左杨.基于嵌入式系统的智能柱上开关继电保护模块的设计[D].厦门理工学院，2015.