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摘要：采用ARM 微处理器作为主控芯片，基于μC/OS-Ⅱ实时操作系统设计了一种智能型备自投现场校验仪。该校验仪采用模块化设计，利用全数字模拟的方法，在装置内部集成多种接线方式的工作逻辑，用继电器模拟实际线路中的断路器，三相程控电压源、电流源模拟实际线路中的电压、电流等线路参数，采样备自投装置的出口动作和时序，通过程序判断和校验自投装置的工作状态。在详细分析系统结构和硬件设计后，具体阐述了嵌入式软件的设计与实现。按该方案设计的校验仪已投入实际应用，应用结果表明： 该校验仪具有良好的功能和性能， 界面友好， 工作稳定， 满足自投装置的校验要求。
关键词： 备用电源自动投入装置；现场校验；程控电源；ARM；μC/OS-Ⅱ
0 引言
备用电源自动投入装置（简称备自投）可以提高供电的可靠性和连续性，是重要的电力运行设备。为保证其工作状态的正确性，必须从运行方式和逻辑关系等方面对备自投进行全面的校验[1]。而现有备自投校验所需试验信号一般由微机保护试验装置输出电压和电流这些模拟量、由独立模拟断路器提供开入量和接收開出量、由时间测试仪测试备自投装置动作时间，这些设备组成的试验系统体积庞大、笨重，成本高，操作繁琐，接线复杂，不便于现场校验。
针对现有备自投校验存在的问题，本文以嵌入式系统为背景，探讨了一种基于ARM7和μC/OS-Ⅱ实时操作系统的智能型备自投现场校验仪的研制。校验仪按照模块化的设计思路，采用全数字模拟的方法，在装置内部集成多种接线方式的工作逻辑，用继电器模拟实际线路中的断路器，三相程控电压源、电流源模拟实际线路中的电压、电流等线路参数；同时采样备自投装置的出口动作和时序，通过程序判断和校验备自投装置的工作状态，大大减小了试验系统的体积，降低成本。另外，该方案接线简单，很好地解决了备自投装置现场检验的难题，大大方便了设备调试人员的现场工作。
1 备自投校验仪原理
备自投校验仪的原理是仿真变电站的一次设备，输出和显示各种接线方式下的断路器位置，交流模拟量，模拟各种运行中的异常情况，如：线路失电、主变故障、断路器故障（包括偷跳、虚动、拒动等）等等，同时自动监测和记录备自投装置的动作过程和相关数据，自动处理试验数据，得出试验结论，以验证备自投装置动作是否正确，并形成试验报告，为装置运行维护管理提供依据。
备自投校验仪包括如下八个单元：
（1）可调三相交流电压输出单元，提供试验所需的母线电压，可同时输出四路，有效值0-70V；
（2）可调单相交流电压输出单元，提供试验所需的线路电压，可同时输出四路，有效值0-100V；
（3）可调单相交流电流输出单元，提供试验所需的负荷电流，可同时输出四路，有效值0-5A；
（4）中央处理单元，与交流电压源、交流电流源、模拟断路器、辅助继电器、通讯单元、显示单元相连接，控制试验所需的模拟量及开关量；
（5）通讯单元，与中央处理单元相连接，用于与PC机进行通信；
（6）模拟断路器单元，包括八组独立的模拟断路器，可按照试验方案预设断路器的初始状态。输入端能接受备自投装置及中央处理单元发出的分合闸指令，进行分合闸动作。断路器位置接点有正反输出逻辑，输出相应的开关量到备自投装置，动作时间最小分辨率为10ms；
（7）辅助继电器单元，提供四路主变故障闭锁输出接点；
（8）触摸屏显示单元，实时图文显示各种接线方式下线路和断路器的电气与位置信号，电压，电流，以及断路器状态。
各输出控制变量的逻辑判断如表1所示，其中U1，U2，UL1，UL2，I1，I2，I3，BS1，BS2为输出控制变量，G1，G2为电源状态变量，DL1，DL2，DL3为断路器状态变量。对于各状态变量，“1”表示“有电压”或“合闸”，“0”表示“无电压”或“分闸”，“×”表示逻辑“与”，“+” 表示逻辑“或” 。
试验准备时，校验仪输出U1、U2、UL1、UL2、I1、I2、I3、3组模拟断路器的位置接点、2组主变故障闭锁输出接点，供备自投装置进行判断、充电。
试验开始后，校验仪按照试验方案，相应的模拟量和开关量进行变化，备自投装置检测到这些变化后，进行逻辑判断，给校验仪一些断路器操作指令。校验仪检测到指令后，记录指令发出时间，同时模拟断路器动作，相关模拟量、开关量输出发生变化。两者紧密配合，测试备自投装置在各种运行情况下的动作过程，从而对备自投装置做出全面，准确的评估[3]。
2 系统硬件设计
2.1 中央处理单元
中央处理单元结构框图如图3所示。Flash分为程序段和数据段，数据段存储试验方案，具有掉电保存功能。CPU接收断路器分合闸指令，CPLD控制断路器位置接点输出。程控电源控制输出电压、电流，同时通过互感器， A/D转换对输出模拟量同步采样，反馈控制。RS232接口用于触摸屏显示通信，USB接口用于上位机通讯。
控制核心CPU选用ARM7系列微处理器LPC2220。LPC2220基于ARM7TDMI-S内核，内置64K静态RAM，具有76个通用I/O口，2个串行接口，内部集成有PWM单元、实时时钟和看门狗等，同时多达9个外部中断，特别适用于工业控制[4]。
为提高采样精度，A/D转换模块采用14位的 MAX125模数转换芯片。MAX125是一个高速、多通道、带内部保持的同步采样芯片，可对4个通道的输入信号进行同步采样，较好的满足了本装置对三相程控电源的同步采样要求。
USB接口采用PDIUSBD12器件。PDIUSBD12适用于基于微控制器的系统，具有接口简单，编程资源丰富等特点。
CPLD采用EPM3128芯片。EPM3128是一款高性能、低功耗、基于EEPROM的可编程逻辑芯片，最多可提供80个I/O口，在本装置中实现I/O口扩展、电平转换、地址译码、时钟分频等功能。 2.2 三相程控电源
2.2.1三相程控电压源
电压源的设计采样逐级变换的方法，在中央处理单元的控制下，正弦信号生成电路产生单相正弦波，幅值通过电压幅值调节电路进行调节。单相正弦波经过移相电路分为三路相角差为120度的三相正弦波，再经过三相功率放大及三相同步变压器后输出。同时在变压器的出口端接入电压互感器，通过A / D 转换模块进行同步采样后反馈至中央处理单元，中央处理单元根据反馈结果对输出电压进行调节，达到稳压的目的。
2.2.2 三相程控电流源
恒流源的工作原理简述如下：基准源 分压后，经过加法器 、反馈放大器 ，功率放大电路 VTR 放大后输出[5]。
加法器 的输出电压 为 ，反相放大器 的输出电压 为 ，跟随器 的输出电压 为 ，标准电阻 上的电流 为：
联立可得：
根据式（2）可以发现，在输出容量范围内，输出电流不随负载变化，而是由加法器的輸出电压和标准电阻决定。
3 系统软件设计
3.1 校验仪嵌入式软件设计
校验仪软件采用C语言编程，由嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ、各程序模块及硬件驱动组成。软件采用模块化设计的方法。主要功能模块包括底层驱动模块，系统初始化模块，任务调度模块，消息管理模块。
系统运行时，首先进行初始化操作，包括ARM芯片初始化、μC/OS-Ⅱ初始化，随后进行外设初始化，包括LCD显示屏初始化，各种参数预设置等。接着系统建立主控任务和通讯任务，启动任务调度，处理各个消息。响应中断时，中断程序将取得CPU的控制权。在中断服务子程序返回时， μC/OS-Ⅱ将根据情况重新进行任务调度。
主控任务包括三个模块：
（1）程控电源模块。控制输出模拟量，同时通过A/D转换模块进行同步采样，反馈控制；
（2）断路器模块。接收备自投装置及中央处理单元发出的分合闸指令，输出接点输出相应的断路器位置到备自投装置；
（3）逻辑计算模块。主控任务核心，通过逻辑计算，综合控制输出模拟量、开关量。
通讯任务包括三个模块：
（1）键盘扫描模块。负责检测键盘，有按键时，将检测到的键值通过消息队列传递给通讯任务，进行键值处理；
（2）触摸屏显示模块。负责校验仪的界面显示，界面切换；
（3）USB通讯模块。负责校验仪与上位机的通讯。通讯正常后，上位机可以下传试验方案到校验仪，也可以和校验仪联动测试。
当校验仪下载了具体试验方案，接收到校验任务后，将可进行现场在线校验，其校验流程图如图7所示。在校验仪开始校验时，首先读取试验方案，根据方案要求，设定各种模拟数字量，输出给备自投。备自投将根据逻辑变量值进行判断，进而发出分合闸指令，校验仪采样备自投的输出，更新模拟数字量状态并反馈到备自投，从而开始下一次的状态判断和校验。当接收到停止试验指令时，即完成一次完整的备自投校验过程。
3.2 上层管理软件设计
为了简化校验仪的操作，本系统同时开发了上层管理软件。
上层管理软件主要有两大功能：
（1）信息维护功能，维护接线方式、运行方式以及试验方案，可下载到检验仪；
（2）在线测试功能，控制校验仪进行试验，记录试验数据，生成试验报告。
运行方式对应运行条件，一种运行方式下所有方案的初始条件都是一样的。方案管理引入运行方式节点，极大的简化了配置工作量，无需针对每个方案设置初始条件，只需配置动作条件即可。
接线方式、运行方式及对应的显示信息是系统的基本信息，比较固定，因此管理软件采用XML文件维护这些信息。XML文件具有信息交换方便，阅读和编辑简单等优点。当出现新的接线方式、运行方式，或者用户有特殊需求时，只需更改XML配置文件即可完成升级，无需更改程序和用户数据库，简化升级的难度，保证用户平滑升级。
校验仪与上位机通过USB接口进行通讯，在线校验时，可实时查询校验仪的反馈状态，并在主接线图上实时显示断路器状态和电压电流状态。
4 结束语
文章从总体设计的角度说明了基于ARM7和μC/OS-Ⅱ操作系统的备自投现场校验仪的设计及软硬件实现。校验仪采用高性能嵌入式系统进行检测与控制，直接在校验仪内部模拟断路器状态，并配置数控电压源和电流源，满足现场测试各种需求。可模拟断路器偷跳、拒动、虚动等动作，提供主变故障闭锁输出接点，正反输入逻辑，自动重合闸等辅助功能。试验方案既可提前编制，也可用户自定义。通过多种运行方式下对备自投装置的测试，校验仪对备自投装置动作信号检测精确，对不同类型备自投装置适应性好。
参考文献：
[1] 广东电网备用电源技术及使用说明书[S].南京南瑞继保电气有限公司.
[2] 靳来生. 牵引变电所备自投试验仪的研制. 铁道机车车辆，2010， 30（6）： 103-106.
[3] 董立天，魏志军，徐英强. 微机备用电源自投装置现场运行分析. 继电器，2007， 35（13）： 70-73.
[4] 赖于树，梁丁. ARM 微处理器与应用开发. 北京： 电子工业出版社，2007.
[5] 李启炎， 李维波. 模拟信号处理. 北京：中国电力出版社， 2005.
关键词： 备用电源自动投入装置；现场校验；程控电源；ARM；μC/OS-Ⅱ
0 引言
备用电源自动投入装置（简称备自投）可以提高供电的可靠性和连续性，是重要的电力运行设备。为保证其工作状态的正确性，必须从运行方式和逻辑关系等方面对备自投进行全面的校验[1]。而现有备自投校验所需试验信号一般由微机保护试验装置输出电压和电流这些模拟量、由独立模拟断路器提供开入量和接收開出量、由时间测试仪测试备自投装置动作时间，这些设备组成的试验系统体积庞大、笨重，成本高，操作繁琐，接线复杂，不便于现场校验。
针对现有备自投校验存在的问题，本文以嵌入式系统为背景，探讨了一种基于ARM7和μC/OS-Ⅱ实时操作系统的智能型备自投现场校验仪的研制。校验仪按照模块化的设计思路，采用全数字模拟的方法，在装置内部集成多种接线方式的工作逻辑，用继电器模拟实际线路中的断路器，三相程控电压源、电流源模拟实际线路中的电压、电流等线路参数；同时采样备自投装置的出口动作和时序，通过程序判断和校验备自投装置的工作状态，大大减小了试验系统的体积，降低成本。另外，该方案接线简单，很好地解决了备自投装置现场检验的难题，大大方便了设备调试人员的现场工作。
1 备自投校验仪原理
备自投校验仪的原理是仿真变电站的一次设备，输出和显示各种接线方式下的断路器位置，交流模拟量，模拟各种运行中的异常情况，如：线路失电、主变故障、断路器故障（包括偷跳、虚动、拒动等）等等，同时自动监测和记录备自投装置的动作过程和相关数据，自动处理试验数据，得出试验结论，以验证备自投装置动作是否正确，并形成试验报告，为装置运行维护管理提供依据。
备自投校验仪包括如下八个单元：
（1）可调三相交流电压输出单元，提供试验所需的母线电压，可同时输出四路，有效值0-70V；
（2）可调单相交流电压输出单元，提供试验所需的线路电压，可同时输出四路，有效值0-100V；
（3）可调单相交流电流输出单元，提供试验所需的负荷电流，可同时输出四路，有效值0-5A；
（4）中央处理单元，与交流电压源、交流电流源、模拟断路器、辅助继电器、通讯单元、显示单元相连接，控制试验所需的模拟量及开关量；
（5）通讯单元，与中央处理单元相连接，用于与PC机进行通信；
（6）模拟断路器单元，包括八组独立的模拟断路器，可按照试验方案预设断路器的初始状态。输入端能接受备自投装置及中央处理单元发出的分合闸指令，进行分合闸动作。断路器位置接点有正反输出逻辑，输出相应的开关量到备自投装置，动作时间最小分辨率为10ms；
（7）辅助继电器单元，提供四路主变故障闭锁输出接点；
（8）触摸屏显示单元，实时图文显示各种接线方式下线路和断路器的电气与位置信号，电压，电流，以及断路器状态。
各输出控制变量的逻辑判断如表1所示，其中U1，U2，UL1，UL2，I1，I2，I3，BS1，BS2为输出控制变量，G1，G2为电源状态变量，DL1，DL2，DL3为断路器状态变量。对于各状态变量，“1”表示“有电压”或“合闸”，“0”表示“无电压”或“分闸”，“×”表示逻辑“与”，“+” 表示逻辑“或” 。
试验准备时，校验仪输出U1、U2、UL1、UL2、I1、I2、I3、3组模拟断路器的位置接点、2组主变故障闭锁输出接点，供备自投装置进行判断、充电。
试验开始后，校验仪按照试验方案，相应的模拟量和开关量进行变化，备自投装置检测到这些变化后，进行逻辑判断，给校验仪一些断路器操作指令。校验仪检测到指令后，记录指令发出时间，同时模拟断路器动作，相关模拟量、开关量输出发生变化。两者紧密配合，测试备自投装置在各种运行情况下的动作过程，从而对备自投装置做出全面，准确的评估[3]。
2 系统硬件设计
2.1 中央处理单元
中央处理单元结构框图如图3所示。Flash分为程序段和数据段，数据段存储试验方案，具有掉电保存功能。CPU接收断路器分合闸指令，CPLD控制断路器位置接点输出。程控电源控制输出电压、电流，同时通过互感器， A/D转换对输出模拟量同步采样，反馈控制。RS232接口用于触摸屏显示通信，USB接口用于上位机通讯。
控制核心CPU选用ARM7系列微处理器LPC2220。LPC2220基于ARM7TDMI-S内核，内置64K静态RAM，具有76个通用I/O口，2个串行接口，内部集成有PWM单元、实时时钟和看门狗等，同时多达9个外部中断，特别适用于工业控制[4]。
为提高采样精度，A/D转换模块采用14位的 MAX125模数转换芯片。MAX125是一个高速、多通道、带内部保持的同步采样芯片，可对4个通道的输入信号进行同步采样，较好的满足了本装置对三相程控电源的同步采样要求。
USB接口采用PDIUSBD12器件。PDIUSBD12适用于基于微控制器的系统，具有接口简单，编程资源丰富等特点。
CPLD采用EPM3128芯片。EPM3128是一款高性能、低功耗、基于EEPROM的可编程逻辑芯片，最多可提供80个I/O口，在本装置中实现I/O口扩展、电平转换、地址译码、时钟分频等功能。 2.2 三相程控电源
2.2.1三相程控电压源
电压源的设计采样逐级变换的方法，在中央处理单元的控制下，正弦信号生成电路产生单相正弦波，幅值通过电压幅值调节电路进行调节。单相正弦波经过移相电路分为三路相角差为120度的三相正弦波，再经过三相功率放大及三相同步变压器后输出。同时在变压器的出口端接入电压互感器，通过A / D 转换模块进行同步采样后反馈至中央处理单元，中央处理单元根据反馈结果对输出电压进行调节，达到稳压的目的。
2.2.2 三相程控电流源
恒流源的工作原理简述如下：基准源 分压后，经过加法器 、反馈放大器 ，功率放大电路 VTR 放大后输出[5]。
加法器 的输出电压 为 ，反相放大器 的输出电压 为 ，跟随器 的输出电压 为 ，标准电阻 上的电流 为：
联立可得：
根据式（2）可以发现，在输出容量范围内，输出电流不随负载变化，而是由加法器的輸出电压和标准电阻决定。
3 系统软件设计
3.1 校验仪嵌入式软件设计
校验仪软件采用C语言编程，由嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ、各程序模块及硬件驱动组成。软件采用模块化设计的方法。主要功能模块包括底层驱动模块，系统初始化模块，任务调度模块，消息管理模块。
系统运行时，首先进行初始化操作，包括ARM芯片初始化、μC/OS-Ⅱ初始化，随后进行外设初始化，包括LCD显示屏初始化，各种参数预设置等。接着系统建立主控任务和通讯任务，启动任务调度，处理各个消息。响应中断时，中断程序将取得CPU的控制权。在中断服务子程序返回时， μC/OS-Ⅱ将根据情况重新进行任务调度。
主控任务包括三个模块：
（1）程控电源模块。控制输出模拟量，同时通过A/D转换模块进行同步采样，反馈控制；
（2）断路器模块。接收备自投装置及中央处理单元发出的分合闸指令，输出接点输出相应的断路器位置到备自投装置；
（3）逻辑计算模块。主控任务核心，通过逻辑计算，综合控制输出模拟量、开关量。
通讯任务包括三个模块：
（1）键盘扫描模块。负责检测键盘，有按键时，将检测到的键值通过消息队列传递给通讯任务，进行键值处理；
（2）触摸屏显示模块。负责校验仪的界面显示，界面切换；
（3）USB通讯模块。负责校验仪与上位机的通讯。通讯正常后，上位机可以下传试验方案到校验仪，也可以和校验仪联动测试。
当校验仪下载了具体试验方案，接收到校验任务后，将可进行现场在线校验，其校验流程图如图7所示。在校验仪开始校验时，首先读取试验方案，根据方案要求，设定各种模拟数字量，输出给备自投。备自投将根据逻辑变量值进行判断，进而发出分合闸指令，校验仪采样备自投的输出，更新模拟数字量状态并反馈到备自投，从而开始下一次的状态判断和校验。当接收到停止试验指令时，即完成一次完整的备自投校验过程。
3.2 上层管理软件设计
为了简化校验仪的操作，本系统同时开发了上层管理软件。
上层管理软件主要有两大功能：
（1）信息维护功能，维护接线方式、运行方式以及试验方案，可下载到检验仪；
（2）在线测试功能，控制校验仪进行试验，记录试验数据，生成试验报告。
运行方式对应运行条件，一种运行方式下所有方案的初始条件都是一样的。方案管理引入运行方式节点，极大的简化了配置工作量，无需针对每个方案设置初始条件，只需配置动作条件即可。
接线方式、运行方式及对应的显示信息是系统的基本信息，比较固定，因此管理软件采用XML文件维护这些信息。XML文件具有信息交换方便，阅读和编辑简单等优点。当出现新的接线方式、运行方式，或者用户有特殊需求时，只需更改XML配置文件即可完成升级，无需更改程序和用户数据库，简化升级的难度，保证用户平滑升级。
校验仪与上位机通过USB接口进行通讯，在线校验时，可实时查询校验仪的反馈状态，并在主接线图上实时显示断路器状态和电压电流状态。
4 结束语
文章从总体设计的角度说明了基于ARM7和μC/OS-Ⅱ操作系统的备自投现场校验仪的设计及软硬件实现。校验仪采用高性能嵌入式系统进行检测与控制，直接在校验仪内部模拟断路器状态，并配置数控电压源和电流源，满足现场测试各种需求。可模拟断路器偷跳、拒动、虚动等动作，提供主变故障闭锁输出接点，正反输入逻辑，自动重合闸等辅助功能。试验方案既可提前编制，也可用户自定义。通过多种运行方式下对备自投装置的测试，校验仪对备自投装置动作信号检测精确，对不同类型备自投装置适应性好。
参考文献：
[1] 广东电网备用电源技术及使用说明书[S].南京南瑞继保电气有限公司.
[2] 靳来生. 牵引变电所备自投试验仪的研制. 铁道机车车辆，2010， 30（6）： 103-106.
[3] 董立天，魏志军，徐英强. 微机备用电源自投装置现场运行分析. 继电器，2007， 35（13）： 70-73.
[4] 赖于树，梁丁. ARM 微处理器与应用开发. 北京： 电子工业出版社，2007.
[5] 李启炎， 李维波. 模拟信号处理. 北京：中国电力出版社， 2005.