继电保护装置的嵌入式设计分析

继电保护装置的嵌入式设计分析

于铄航 魏礼鹏

天地（常州）自动化股份有限公司 江苏省常州市 213015

摘要：随着微电子技术的迅猛发展，嵌入式系统已经渗透到我们生活中的每个角落，它具有实时性好、专用性强、可靠性和性价比高等优点。本文主要时研究了继电保护装置中嵌入式的设计，以供相关人员的参考。

关键词：继电保护；设计分析

1、电保护的基本要求和原理

1.1、电保护基本要求

继电保护有四个基本要求，即动作的选择性、灵敏度、快速性和可靠性。在实际工作中，继电保护技术作用于跳闸线圈。这里的选择性能是继电保护装置工作时，故障部分可以从整个电力系统中分离出来。当其他正常组件继续正常工作时，这是最小化故障影响和最小化停电范围的好方法。

继电保护还需要保持电磁继电器的灵敏度，即对保护范围内的故障或异常动作能够快速响应，并尽快采取行动。

基于上述特点，继电保护装置的快速动作是指快速切除故障，保证了电力系统的稳定运行。确保用户的额定电压稳定，尽量减少故障部件的不利影响。

最后，可靠性是只有继电保护装置在规定的保护范围内。一旦电力系统发生故障，保护装置应主动启动保护动作，而不是拒接动作和误动作。这些行为只应是在保护范围内的行为，不应是不采取行动的保护。

1.2继电保护的原理

为了完成继电保护的任务，显然需要正确区分系统的正常运行状态与故障状态或异常运行状态的区别，以实现保护。电力系统故障后，工频电量变化的主要特征如下:(1)电涌。短路电流将大大超过额定负载电流。(2)电压降低。相间短路或接地短路故障发生时系统中,相间电压或相电压值在系统的每一个点减少,接近短路点,更多的电压下降,在短路点电压可以减少为零。(3)电压与电流的相位角变化。正常运行时，同相电压与电流的相位角，即负载的功率因数角，一般在20°左右;当三相金属短路发生时，同相电压与电流之间的相角为阻抗角。架空线一般为60°~85°;当三相短路反向时，电压与电流相位角为180°+(60°~85°)。(4)阻抗变化的测量。测量阻抗是测量点(安装保护)电压与电流相量的比值。以线路故障为例，正常运行时，测量阻抗为负载阻抗;当金属短路时，测量阻抗为线路阻抗;故障发生后，测量阻抗模显著降低，阻抗角增大。(5)当系统发生不对称短路时，会出现相序分量。例如单相和两相接地短路时，出现负序电流和负序电压分量;单相接地时，出现负序和零序电流。、电压组件。在系统正常运行时，只有正序分量，这些分量才不会出现。因此，根据系统在正常运行和故障或异常运行状态下的电量或非电量变化特征(差异)，可以形成一定的判据，从而形成基于不同原理的继电保护装置。

2、电保护装置的嵌入式设计分析

伴随着电力系统的日益复杂化发展，继电保护装置对于硬件与软件方面提出了较高的标准化要求。在当前阶段继电保护装置系统相关的处理器通常使用高性能的单片机来实现实际的控制需求。然而随着继电保护系统趋向于多功能、智能化、可视化与网络化方向的实行扩充化发展，这部分处理芯片已经不可以完全符合实质性的需求。所以在设计新型的继电保护装置的同时应当选取高性能与低成本的新型处理器，所以提出了基于ARM和uC/OS-II的嵌入式继电保护装置以实现更优化的目标。

2.1、ARM嵌入式系统的设计

嵌入式系统通常能够分成软件系统与硬件系统两个具体部分，硬件系统包括控制电路与控制板，以及包括机械的其它附属性设备[2]。硬件系统作为嵌入式系统的重要部分，专门从事硬件的驱动、控制处理或者界面处理，能够提高硬件产品的使用价值。

2.2、ARM微处理器的选取

根据时间应用开发的角度考虑，在选取ARM处理器时应当考虑了以下几项因素，分别为ARM微处理器内核、系统的工作频率、芯片内存储器的容量与片内外围电路。基于以上各项因素的实际考虑，并且结合继电保护的各种功能需要，经过对各种类型芯片的对比，把基于ARM7TDMI-S内核内嵌Flash存储器的微控制器作为系统的处理芯片，其具有结构简单的优势从而适合于工业控制。

2.3、硬件开发平台的选用

本继电保护装置系统的硬件开发平台选用EasyARM2200开发套件，其具备相应的JTAG仿真技术，能够支持ADS1.2集成开发环境与PHILIPS全部型号ARM微控制器的仿真和开发实践；板上相应的功能组件和CPU之间部分能够运用跳线器选取连接或者断开连接；配置有4MbitSRAM与16MbitFLASH，能够便于样机的迅速开发和调试处理。

2.4、硬件电路的设计

在以太网的相关硬件设计过程中应当处理各种实际性问题，比如CPU处理操作速度、RAM的空间容量、ROM的空间容量、10Mb/s与100Mb/s的自适应双网的冗余设计与相应切换策略。硬件设计平台的CPU选用ARM嵌入式系统，其强大的运算处理能力为继电保护装置的灵活性、可靠性与易操作性提供相应的保证，为相关程序设计提供了很大程度的灵活性。以太网相应的控制芯片有许多种类型，由Realtek公司产生制造的RTL8019AS使用范围相当广泛，具有成熟稳定的特点且价格成本较低。RTL8019AS能够全面化地支持IEEE802.3的相关标准，其数据收发速度能够达到10Mbps，内部设置了16KB的SRAM，能够作为发送与接收的缓存区。以太网控制芯片与嵌入式系统之前可以经过CPLD实现连接，CPLD芯片主要用于实现I/O口的扩展功能，以便减轻系统控制中心的处理负担。

2.5、基于uC/OS-II的TCP/IP协议

uC/OS-II使用以优先级为基础的可剥夺式调度方案策略，可以充分地满足于系统对于实时性能的实际要求标准，并且其源代码为公开形式的，能够提供免费应用。TCP/IP协议在实质层面上为一系列协议的总体简称，包括了十多项协议标准。在目前阶段的硬件水平状况下，在继电保护装置中能够实现全部的协议中的各项内容为不现实的同时也是不必要的。依据实际要求，主要需要实现的内容分别为因特网控制报文协议、地址解析协议、网际层协议、传输控制协议与用户数据报协议等各个方面[3]。从基本上根据这五项协议能够构成一个小型化的TCP/IP协议。而且依据实际的状况，对于上述的五项协议也能够实行相应的合理简化，在能够满足完成通信功能的条件下，确保系统的实时与可靠程度。

TCP/IP相应的传输层给应用层提供了两种类型的具体化服务，其一为面向连接形式的可靠传输服务TCP协议，通讯相应的发起节点在每一次实行通讯时在传输层都应当和通讯接收方首先建立三次握手连接之后才可以实行发送处理；其二为无连接形式的通用型数据报协议UDP协议，这类传输方式因为不需要事先建立相应握手联系，因此其效率比较高，而且具有单播、分组广播与广播三种形式。继电保护装置之中以太网的通信主要是使用UDP协议来实现数据的传输功能。TCP协议可以实现可靠性能的数据传输功能，然而具有延时的缺点而容不易把握，不利于数据的实时传输功能实现。UDP协议表现出传输数据的实时性能较强且效率较高，同时可以在同一时间向全部节点传输数据。

总的来讲出的基于ARM和uC/OS-II的嵌入式继电保护装置，能够很好地解决传统模式的继电保护装置存在不足，可以充分实现多功能、智能化、可视化与网络化等各种实现形式，具有较高的实际应用价值，成为一类高性能的继电保护装置。使用uC/OS-II实时操作系统实行实时任务调度处理操作，能够确保以太网通信的实时性与可靠性程度，可以完全符合继电保护装置对于以太网通讯技术的标准实现要求。嵌入式系统以太网在继电保护装置中实现相关的具体化应用。

作者简介：于铄航（1986—），男，汉族，黑龙江大庆人，中级工程师，硕士，主要从事井下智能成套设备研究开发方面的工作。

参考文献：

[1]王治国,笃峻,于哲,李兴建,宋伟成,刘皋培.继电保护装置整机测试用嵌入式模拟断路器研究[J].计算技术与自动化,2019,38(03):55-59.

[2]郭亚楠,陈献庆,叶留义,闫振宇,纪元.嵌入式继电保护装置在线故障检测方法研究[J].信息技术,2018(04):79-82+87.

[3]赵瑞东,郭红鼎.继电保护装置的嵌入式设计分析[J].科技创新导报,2012(24):77-78.