嵌入式高压隔爆开关微机保护测控系统的研究方案
1 引言
高压隔爆开关是煤矿井下供电的关键设备，开发高性能的集保护、测量、控制、通信于一体的高压隔爆开关微机保护测控单元对提高煤矿井下供电质量和保护井下的人员安全有非常重要的意义[3]。
目前。国内许多高压开关测控系统主要采用16 位单片或者8 位单片机＋DPS 双CPU 构成现场测控单元，通过RS-485，CAN 总线等通讯方式与主控室工作站构成测控系统。然而，由于这些单片机系统缺乏操作系统的支持，因此难以形成模块化程度高，便于维护和升级的软硬件系统。同时，随着配电网尤其是矿山配电网系统可靠性要求的进一步提高，测控系统网络化的要求也越来越高。近年来，32 位单片机越来越受到人们重视，尤其是拥有丰富外设的ARM32 位MCU。
2 ARM 嵌入式技术在本系统中的应用
近年来，嵌入式系统的发展越来越快，并以其独特的优势在各控制领域得到广泛的应用。
广义上讲，嵌入式系统是指将单片机，DSP，MCU 等在某方面功能得到强化而在其他方面功能弱化的能嵌入到设备内部来控制设备的专用CPU，是相对于普通PC 机内的通用CPU而言的。随着软件系统的发展，嵌入式系统已经被理解为可以移植并运行实时操作系统（RTOS）的微控制器，在这方面ARM 技术在业内处于领先地位。
Cortex M3 是ARM 公司推出的一款新型内核，它具有最高可达72MHZ 的工作频率，并内嵌单周期硬件乘法和除法器，这对提高计算速度有重大意义。该内核一经公布便被ST（意法半导体）公司购入。在这个内核的基础上，ST 公司推出了STM32F103 系列微控制器。
该系列微控制器具有丰富的外设：从32K 到128 字节的闪存程序存储器，6K 到20K 字节的SRAM；两个12 位16 通道的AD；7 通道DMA 控制器；最多可达80 个快速I/O 口；7 个定时器；2 个I2C 接口；3 个USART 接口；2 个SPI 同步串行接口；CAN 控制器；USB 接口；并可扩展SD/MMC 存储卡。国际着名的软件开发工具KEIL 支持该系列芯片，针对每一款微控制器都给出了起动代码和底层驱动程序，这无疑是一个巨大的优势。
3 系统的主要功能
3.1 电网数据采集
该微控制器内置了两个12 位16 通道的高速AD 转换器，经测试，精度及速度都满足要求。因此该保护系统无须外扩AD 芯片，直接采用CPU 内置的AD 转换器即可。本系统采集电网三相电压，两相电流，零序电压和电流，监视线电压和电流；并计算出有功功率、无功功率，功率因数等电网数据，稍加改进即可实现电能采集。
3.2 保护功能
(1).电流保护：本装置设计了三段式电流保护。所谓三段式电流保护，即电流速断保护+限时电流速断保护+反时限电流保护（或者定时限过电流保护）。其中，电流速断保护和限时电流速断保护构成线路的主保护，反时限电流或者定时限过电流保护作为后备保护使用。
(2).监视线保护：所谓监视线保护，就是监视双屏蔽电缆的监视线和接地线之间有无短路或监视线和接地线有无短线故障的一种保护。本设计选择终端加电阻的低频交流监视线保护原理，这种方法可以通过数学的措施大幅度的提高监视线保护的抗干扰能力。
(3).选择性漏电保护：现在井下供电系统广泛采取中性点经消弧线圈方式，同时中性点不接地系统也存在着，本文针对这两种不同的方式分别选择不同的选择性漏电保护原理。
在中性点不接地系统中，采用零序功率方向型漏电保护方法；在中性点经消弧线圈接地系统中，采用消弧线圈并联电阻的方法实现漏电保护以及接地选线。
(4).欠压保护：当电网进线电压不足额定值的65%(可定值整定)时，跳开开关[4]；(5).过压保护：当电网进线电压超过额定值的118%(可定值整定)时，跳开开关；(6).其它保护：本系统同时还具有风电闭锁和瓦斯闭锁功能。
3.3 故障追忆和故障录波功能
装置在完成保护功能的同时，可实现故障数据记忆功能，为故障进一步分析提供依据。
故障信息还包括累计跳闸次数及其相应的故障类型，故障时间和故障数据，故障追忆多达99 次。同时，本微控制器支持SD/MMC 存储卡接口，能外接相应的数据存储卡，可以轻松应对故障录波的大容量数据存储要求。
3.4 通信功能
该微控制器自带CAN 控制器，只需外接收发装置即可实现CAN 通信。如果没有现场CAN 总线通信网络，该微控制器内部集成的有3 个USART，可以通过外加控制芯片来实现RS-232 和RS-485 通信系统。在设计时候可以根据不同现场进行不同设计剪裁[1]。
需要指出的是，本系统所使用的CPU 同时含有以太网模块，如果在实际应用中需要通过以太网进行通讯，只需对相应的模块进行编程即可，无须更换硬件。
4 系统的硬件设计
高压开关微机保护测控单元的硬件结构是根据保护的要求而设计的。原理框图如下：
采用插件式电路板的设计思路。整个硬件系统分为核心电路板，外围电路板和连接电路板三部分。核心板包括了一块STM32F103 为控制器，一片含EEPROM、看门狗电路、时钟的外围芯片，一片内部带光电隔离的CAN 收发电路芯片；外围板上其上放置所有的数据采集通道、各种实验电路以及连接人机接口的插件；连接电路板上没有芯片，只有线路和插槽，这样的设计即方便了控制器内部的安装又方便了控制器和外部执行机构和人际接口的连接。
5 系统的软件设计
系统的软件设计中采用了顺序结构，模块化设计思想。软件的模块化设计，可以节省装置的开发时间，使程序结构清晰，便于进一步扩展，更主要的是提高了软件的设计可靠性和运行可靠性。软件部分的主要模块有：故障处理模块、显示模块、键盘处理模块、通信模块、自检模块等组成。
实时操作系统（RTOS）是嵌入式系统的重要组成部分，在此选择的操作系统为uC/OSII。
在嵌入式操作系统的软件中，uC/OSII 是规模最小的系统之一，它实际上就是一个微内核。
除了那些与硬件关系极为紧密的软件模块不得不用汇编语言编写之外，uC/OSII 的绝大多数代码都是用C 语言编写的。uC/OSII 是一个源码公开的实时嵌入式操作系统，源代码为C 语言，具有很强的移植性，能单独在一个CPU 上运行，非常适合应用在电力系统的内嵌微控制器上。通过引入uC/OSII，利用其多任务管理、实时性、任务间通信等特点，使仪器仪表具备多功能性、处理及时和易于控制等优点。自发布以来，在很多领域成功应用该实时内核的实例充分证明了它的实用性和可靠性[2]。
6 样机性能指标
根据相关的国家标准，我们对设计出的样机进行了电磁兼容试验。如图3 所示为被试设备接线图。
检验环境温度为24℃，相对湿度为57%，依据相关国家标准（GB/T 17626.2-1998，GB/T17626.4-1998，GB/T 17626.11-1999，GB/T 17626.5-1999）以及电磁兼容的试验和测量技术对样机进行了下述性能的检测：
（1）静电放电抗扰度；
（2）电快速瞬变脉冲群抗扰度；
（3）电压突降、短时中断和电压变化抗扰度；
（4）浪涌（冲击）抗扰度；按照技术要求，在试验期间，受试设备应正常运行，允许暂时功能降低，但能自恢复。试验之后，受试设备应仍能符合有关性能要求。
对样机进行了上述四个方面的实验，实验结果样机实际性能能够达到A 级标准，而超过规定的B 级保准，符合实验要求。
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