LPC2292在微機(jī)保護(hù)裝置中的應(yīng)用

摘要 介紹一種應(yīng)用于礦井低壓電網(wǎng)的智能化保護(hù)測(cè)控裝置，包括它的硬件組成、功能特點(diǎn)以及工作原理。該裝置基于LPC2292處理器；有RS485接口和以太網(wǎng)接口，運(yùn)行可靠、操作方便、智能化高；可應(yīng)用于交流50 Hz、660／1140V的中性點(diǎn)不接地的三相電網(wǎng)中，作為配電總開(kāi)關(guān)或分支開(kāi)關(guān)。
關(guān)鍵詞 微機(jī)保護(hù) LPC2292 饋電開(kāi)關(guān)

引 言
    微機(jī)繼電保護(hù)在我國(guó)的電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，基于不同微處理器的保護(hù)裝置不斷出現(xiàn)。煤礦井下大多采用功能單一的電磁型繼電器。隨著煤炭生產(chǎn)機(jī)械化、自動(dòng)化程度的提高，供電容量的增大，對(duì)礦用隔爆型饋電開(kāi)關(guān)的可靠性和安全性要求越來(lái)越高。雖然傳統(tǒng)的電磁式繼電器在一定程度上也能夠滿(mǎn)足井下電網(wǎng)保護(hù)的需要，但是隨著微處理器技術(shù)、信號(hào)處理算法以及人機(jī)接口等方面取得的重大進(jìn)步，使得將各種保護(hù)功能集成到一個(gè)數(shù)字式的繼電保護(hù)單元成為可能。這種由數(shù)字式的繼電保護(hù)單元組成的微機(jī)保護(hù)裝置具有參數(shù)測(cè)量、事件報(bào)告、故障數(shù)據(jù)記錄以及自檢等功能。

1 LPC2292處理器的主要特點(diǎn)
    LPC2292是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-S IP核的微控制器，片內(nèi)集成了256 KB的高速F1ash存儲(chǔ)器和16 KB的靜態(tài)RAM。128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最高時(shí)鐘速率下運(yùn)行。此外，LPC2292處理器還具有很多其他特性，使得它非常適用于工業(yè)控制：
    ◇外部8、16或32位總線(xiàn)；
    ◇片內(nèi)B00t裝載程序?qū)崿F(xiàn)ISP和IAP，為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和固件升級(jí)帶來(lái)了極大的靈活性；
    ◇2個(gè)互連的CAN接口，帶有先進(jìn)的驗(yàn)收濾波器；
    ◇2個(gè)32位定時(shí)器(帶4路捕獲和4路比較通道)、PWM單元(6路輸出)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗；
    ◇多個(gè)串行接口，包括2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I(mǎi)2C接口(400 kHz)和2個(gè)SPI接口；
    ◇向量中斷控制器，可配置優(yōu)先級(jí)和向量地址；
    ◇多達(dá)112個(gè)通用I／O口(可承受5V電壓)，12個(gè)獨(dú)立外部中斷引腳(EIN和CAP功能)；
    ◇空閑和掉電2種低功耗模式；
    ◇通過(guò)片內(nèi)PLL可以實(shí)現(xiàn)最高為60 MHz的CPU工作頻率。

2 微機(jī)保護(hù)裝置的工作原理
    基于LPC2292處理器的饋電開(kāi)關(guān)智能保護(hù)測(cè)控裝置的總框圖如圖l所示。它主要由信號(hào)采集電路、A／D轉(zhuǎn)換電路、輸入輸出通道和通信電路等組成。

    系統(tǒng)的輸入信號(hào)包括3個(gè)相電流ia、ib和ic，線(xiàn)電壓uac，從零序電流互感器二次繞組引出的零序電流i0，從零序電壓互感器開(kāi)口三角形側(cè)獲取的零序電壓u0，以及實(shí)現(xiàn)附加直流漏電保護(hù)檢測(cè)的直流檢測(cè)電壓um。輸入電壓、電流信號(hào)首先經(jīng)過(guò)小PT、小CT的變換和隔離，然后通過(guò)RC低通濾波器進(jìn)行濾波，以消除信號(hào)中的高次諧波分量和噪聲，最后送到A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為處理器可以處理的數(shù)字信號(hào)。根據(jù)香農(nóng)采樣定理，采樣頻率應(yīng)該高于信號(hào)中最高頻率分量的兩倍，否則會(huì)產(chǎn)生混疊。采樣頻率越高，所需要的數(shù)據(jù)處理時(shí)間也就越長(zhǎng)。為了在這兩者之間取得平衡，本裝置選取的采樣頻率為600 Hz，即每周期采樣12個(gè)點(diǎn)。
2.1 信號(hào)采集及處理電路
    由于LPC2292處理器內(nèi)部集成了8路10位逐次逼近式模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，但是它的測(cè)量范圍只有O～3V，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求，因此選擇MAXl97作為A／D轉(zhuǎn)換器。MAXl97是Maxim公司生產(chǎn)的模／數(shù)轉(zhuǎn)換器，分辨率為12位，最高采樣速率可達(dá)100 ksps，具有8個(gè)模擬量輸入通道，輸入范圍最高町以達(dá)到±10V。圖2以零序電流信號(hào)為例給出了信號(hào)采集與處理電路的原理圖。其他通道的信號(hào)處理過(guò)程與此類(lèi)似。

    在大多數(shù)的微機(jī)保護(hù)算法中，往往假定系統(tǒng)頻率f保持不變，這樣采樣頻率fs=N·f也保持不變。當(dāng)系統(tǒng)頻率發(fā)生微小的變化時(shí)，如果采樣頻率不進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，就會(huì)影響算法的精度。當(dāng)然可以使用自適應(yīng)采樣算法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但是這樣會(huì)增加CPU的開(kāi)銷(xiāo)和軟件復(fù)雜度。圖3為采用了以CD4046和MC1416l為核心的鎖相環(huán)電路。CD4046是一種低頻多功能數(shù)字鎖相環(huán)集成電路，最高工作頻率為1MHz。它主要由相位比較器PD、壓控振蕩器VCO和低通濾波器LPF三個(gè)基本單元組成。采用鎖相環(huán)技術(shù)可使采樣頻率與電網(wǎng)頻率嚴(yán)格保持同步，顯著地提高了裝置的抗干擾能力。在本方案中，MCl4161對(duì)VCO的輸出進(jìn)行1／12分頻，因此當(dāng)電網(wǎng)頻率為50Hz時(shí)，VCO的輸出VCOUT為600Hz，如果電網(wǎng)頻率升高3％，從50Hz升至5l.5Hz，則VCO的輸出頻率也從600Hz升至618Hz。這樣即使電網(wǎng)的頻率發(fā)生變化，每周期采樣點(diǎn)的個(gè)數(shù)仍然保持不變。

2．2 通信電路
    在LPC2292處理器強(qiáng)大的支持下，擴(kuò)展各種通信接口非常方便。在本方案中，設(shè)計(jì)了RS485和RS232接口與上位機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息傳輸。選用MAX487和MAX3232分別作為RS485和RS232總線(xiàn)的控制器。隨著工業(yè)以太網(wǎng)在工業(yè)控制應(yīng)用中的普及，設(shè)計(jì)了以RTL8019AS為核心的以太網(wǎng)通信電路；同時(shí)也移植了TCP／IP協(xié)議棧uIP0，9。這樣，可以把整個(gè)設(shè)備看作是一個(gè)微型的Web服務(wù)器，屬于同一個(gè)局域網(wǎng)的計(jì)算機(jī)都可以方便地通過(guò)IE瀏覽器隨時(shí)查看設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。這樣做的好處是可以對(duì)設(shè)備進(jìn)行適時(shí)維修，有利于降低設(shè)備的維護(hù)成本。
2．3 時(shí)鐘和E2PROM電路
    在電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)中經(jīng)常需要保存一些整定值，并且要求能夠在運(yùn)行時(shí)對(duì)這些值進(jìn)行整定。通常的做法是把這些整定值保存在E2PROM中，但是由于LPC2292處理器內(nèi)部沒(méi)有集成E2PROM，因此必須擴(kuò)展一片存儲(chǔ)器芯片。這里采用的是I2C總線(xiàn)接口的CAT24WC16。時(shí)鐘芯片選用Phililps公司的工業(yè)級(jí)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片PCF8563。PCF8563具有功耗低、精度高的特點(diǎn)。CAT24WC16和PCF8563都掛接在系統(tǒng)的I2C總線(xiàn)上，如圖4所示。

3 軟件實(shí)現(xiàn)
    軟件部分主要由主程序、采樣中斷服務(wù)程序和故障處理程序組成。主程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的上電自檢和各個(gè)狀態(tài)量的顯示刷新。大部分的數(shù)據(jù)處理是在中斷服務(wù)程序中完成的，主要包括各個(gè)狀態(tài)量的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與整定值進(jìn)行比較，以判斷是否有故障發(fā)生。系統(tǒng)上電復(fù)位后，首先初始化各個(gè)片內(nèi)和片外設(shè)備，對(duì)裝置進(jìn)行自檢，然后開(kāi)始采樣、計(jì)算和判斷。如果有故障發(fā)生，則轉(zhuǎn)去執(zhí)行故障處理程序；否則，進(jìn)行狀態(tài)量的刷新顯示。程序流程如圖5所示。

4 小 結(jié)
    本文介紹了以LPC2292處理器為核心的嵌入式微機(jī)保護(hù)裝置的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)。以它為核心構(gòu)成的礦用隔爆型智能饋電開(kāi)關(guān)，適用于交流50 Hz、660／1140V的中性點(diǎn)不接地的三相電網(wǎng)中，既可以作為配電總開(kāi)關(guān)或分支開(kāi)關(guān)，也可以用來(lái)保護(hù)不頻繁啟動(dòng)的大容量電機(jī)?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行表明，該裝置性能穩(wěn)定，動(dòng)作可靠，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。