一种基于Cortex-M4处理器配电自动化DTU方案

邹 浩,姚 舜,巩方波

（1.国网山东省电力公司泰安供电公司运维检修部,山东 泰安 271000;2.山东鲁能智能技术有限公司,济南 250101）

0 引言

从功能上来讲，配电自动化产品设计分为两大部分：保护测控部分和通信管理部分。保护测控部分完成模拟量信号计算、数字量信号采集、保护逻辑、配网控制逻辑的实现及动作出口等；通信管理部分实现人机接口，与主站（子站）或其他系统通信，高级应用及管理等功能。本设计采用保护测控部分和通信管理部分独立设计的思路，即：保护测控部分1个CPU、通信管理部分1个CPU，两个CPU之间通过CAN或其他串行方式进行通信，各板卡通过插板方式进行连接。

1 硬件设计

基于Cortex-M4的配电自动化DTU硬件系统主要由电源板，COM板，DSP板，AI板，DO板和DI板组成，硬件系统的整体组成如图1所示。

1.1 DSP板电路设计

DSP板是本硬件系统的核心组成部分，完成了整个系统的模拟量信号计算、数字量信号采集、保护逻辑、配网控制逻辑的实现及动作出口,由于保护测控部分对数字信号处理能力要求相对较强，Cortex-M4系列高性能微控制器具有DSP和FPU指令，在高达180 MHz的工作频率下通过闪存执行时其处理性能达到225 DMIPS/608 CoreMark,完全可以满足200KSPS ADC的采样和保护逻辑的处理要求。并且COTEX-M4处理器片内资源更丰富，通信接口更多，需要扩展的电路很少，大大降低了配网产品的整体成本；且其整体性能除数字信号处理能力外，全面超越DSP处理器。

模拟量采样部分拟采用8通道DAS,内置16位、双极性输入、同步采样200KSPS ADC进行模数转换。同时，为了既能满足电压、电流同步采样的需求，又能够节约成本，多路模拟量采集采用多路模拟开关切换的方式来完成；这样既能保证每一相电压电流采样点的相位同步，又节约了ADC器件降低了成本。

另外，本系统方案扩展了SDRAM，Nor Flash，Nand Flash，铁电等外设接口，其中SDRAM用于扩展外部RAM，Nor Flash、Nand Flash和铁电分别用来存储用户数据、设备参数及运行参数、SOE等。对外接口扩展出了2路CAN接口，一个以太网网口，B码对时接口，2路RS485，2路RS232，直流模拟量输入等接口，以上对外接口都通过隔离器件实现内外部的电气隔离。

DSP板系统电路如图2所示：

1.2 COM板电路设计

COM板通信管理部分，功能通用性较强，且其软件开发是基于Linux操作系统的，更换板卡后软件移植的工作量也很小。COM板对上通过以太网与上位机软件或者服务器通信，对下通过CAN总线或者其他串行总线与DSP板通信。根据国网公司相关标准COM板扩展了2路以太网接口，2路RS485，2路RS232，B码对时接口，并且预留了蓝牙，Zigbee，LCD接口。其硬件系统如图3所示。

1.3 开入板电路设计

开入板用于采集外部回路的开入信号，由于外部干扰的存在开入电路必须加入硬件防抖和软件防抖。为了精确计算遥信发生时间开入板加入了秒脉冲对时，对时精度可以达到1ms。开入板通过CAN总线与DSP进行通信。开入板系统原理如下图4所示：

1.4 开出板电路设计

开出板用于完成保护逻辑、配网控制逻辑的动作出口。由于开出板对外出口的对象是线路上的开关设备，因此必须保证开出板不能出现误动，延迟动作。本系统方案实现了一种简单可靠的防误动方法，给出口继电器增加一级预控继电器；2个预控分/合继电器分别控制遥控分和遥控合继电器的电源输入，其中预控分继电器的常开节点与预控合的控制闭合节点相连，预控分继电器的控制闭合节点与预控合继电器的常开节点相连；这样下发遥控分命令时由于遥控合继电器没有电源输入只能实现遥控分继电器动作，遥控合继电器无法动作，从而避免了遥控分/合的误动。实现原理如下图5所示：

2 软件设计

本系统的软件包括三个部分：上位机软件，COM板软件和DSP板软件。上位机软件主要完成设备的管理和参数下发，COM板软件完成上位机软件/后台服务器与DSP软件之间的数据处理与转发，DSP完成了整个系统的模拟量信号计算、数字量信号采集、保护逻辑、配网控制逻辑的实现及动作出口。

2.1 系统工作流程

上位机软件/服务器将系统参数通过COM板下发至DSP板，DSP板根据设置的参数进行模拟量信号实时采集及计算，计算的结果作为逻辑保护和配网控制逻辑实现的依据；保护逻辑和配网控制逻辑的结果通过CAN总线下发至开出板进行动作出口。开入板将数字量信号采集的结果通过CAN总线上传至DSP板，DSP板将生成的SOE保存在铁电或者Nand Flash之中并通过COM板上传至上位机软件或者服务器。整个系统的通信链如图6所示。

2.2 开入板基于计数器的时间戳软件设计

根据国网公司相关文件的要求开入板采集变位遥信状态的时间需要精确到毫秒，而一般的MCU或者外部日历芯片都没有毫秒单位。为了实现此功能而不增加硬件成本选择更高级的单片机或者外部日历芯片，本方案实现了一种低成本基于计数器的时间戳系统。单片机至少具有一个16位和32位计数器，16位计数器作为毫秒或者微秒计数器，满1秒向32位计数器进一位（即32位计数器加1）32位计数器里存储的为自2000年1月1日0时以来的秒数。系统启动时DSP通过CAN网络下发日历时间，并通过秒脉冲校准16位定时器里面的计数值（接收到秒脉冲时计数清零）。通过32位和16位计数器的计数值就可以推算出日历时间。

2.3 开出板防误动的软件设计

节点开出是保护逻辑和配网控制逻辑的输出结果，节点开出直接影响外部开关的动作状态，因此除了硬件防止误动外本系统方案实现了一种防误动软件方案。下面以24点遥控进行说明，byte0～byte3的低6位表示1～24点各遥控变位，bit6作为bit0～bit5或结果的取反，即～(bit0 | bit 1 | bit2 | bit3 | bit4 | bit5)，bit7是bit6位的取反，即～bit6。byte4是byte0的取反，如果byte0为0xA3则byte4为0x5C。通过本校验产生的有益效果是即对遥控变位进行了双重校验，又避免了出现传输0x00或者0xFF的数据，如表1所示。

表1

2.4 高效的功率矫正算法软件设计

视在功率的向量表示 S = P + jQ （1），向量S在经过互感器后经过α角度便宜后的视在功率为S’ = P’ + jQ’ （2），根据欧拉公式 S = S’*ejα = (P’ + jQ’)*(cosα + jsinα) = (P’cosα - Q’sinα) +j(Q’cosα+ P’sinα) （3），根据（1）、（3）二式可知P = P’cosα - Q’sinα，Q = Q’cosα + P’sinα；由于α非常小，cos(α)近似为1，故P = P’ - Q’sinα（4），Q = Q’ + P’sinα （5）。由（5）式可知当输入Q为零时测量出的sinα = - Q’/P’。经过本方法校准后的功率值精确度比根据电压电流计算出相角差再进行功率矫正的方法要高，并且该方法大大减少了功率矫正的计算量，缩短了程序中断的时间。

2.5 高可靠性的对时策略

针对设备所处的环境，本方案实现了以下对时方案：B码对时，SNTP对时，104规约对时，CAN规约对时，秒脉冲对时。COM板对时优先级顺序由高到低为B码对时，SNTP对时，104规约对时；DSP板对时优先级顺序由高到低为CAN协议对时，B码对时；开入板通过CAN协议与秒脉冲协同对时。

系统对时方案如图7所示。

3 结论

本设计方案严格遵守了国网公司相关标准，并已经通过国家电网实验验证中心的EMC试验与型式试验。本方案在设计中充分考虑了硬件的可扩展性可根据不同的项目实现国网公司标准中4U和6U的核心单元设计。目前各大电气设备厂商相继推出自己的DTU、FTU、TTU设备，本方案提供了一种低成本、高可靠性，高运行效率的设计思路，并且运行结果表明本配网自动化DTU产品的使用提高了配网产品的设计水平和实用化水平，有利的推动了配网自动化行业的发展。